劉千紅，彭益軍，張 劍，羅定貴

(1.廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州510440;2廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州510006)

土壤滲透能力是反映森林土壤水源涵養(yǎng)、理水調(diào)洪功能的重要指標(biāo)[1－2]，多年來一直是土壤侵蝕與水資源分布研究的熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外學(xué)者對土壤滲透性研究結(jié)果表明，土壤滲透性主要與植被類型、土壤結(jié)構(gòu)、土壤質(zhì)地、孔隙度、含水量、有機(jī)質(zhì)含量、土壤養(yǎng)分含量、降雨強(qiáng)度等因子關(guān)系密切[3－5];植被類型不同，土壤滲透性不同，闊葉混交林滲透性極強(qiáng)，并好于松林和灌叢林，人工純林較差，裸露地最差[6];滲透性主要取決于土壤孔隙的數(shù)量和大小，特別是非毛管孔隙度[7]等等。

帽峰山位于廣州市東北部，坐落于白云區(qū)太和鎮(zhèn)與良田鎮(zhèn)交界處，是廣州市老八區(qū)的最高峰，森林覆蓋率大于95%，是廣州市的天然生態(tài)屏障，也是廣州市優(yōu)質(zhì)礦泉水重要分布區(qū)，被國內(nèi)礦泉水專家稱為‘軟黃金帶’，在涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)氣候、改善空氣質(zhì)量等方面具有不可替代的作用。近年來，該地區(qū)森林植被得到了有效保護(hù)，森林生態(tài)功能有了顯著提高，但尚缺乏對森林恢復(fù)演替過程中不同森林類型土壤滲透性及變化趨勢的研究。

為此，以帽峰山典型小流域主要森林類型為對象，對不同林分下土壤滲透性以及理化性質(zhì)進(jìn)行調(diào)查與分析，探討森林更新演替過程中土壤滲透性及其主要影響因子，構(gòu)建土壤滲透性與理化性質(zhì)的線性回歸方程，為森林的持續(xù)經(jīng)營與最大程度發(fā)揮水源涵養(yǎng)和防治水土流失等有益的生態(tài)環(huán)境效益提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

廣州市帽峰山典型小流域地理位置為東經(jīng)113°22'5″～113°29'32″，北緯 23°16'9″～ 23°19'26″。距離廣州 市中心25 km，海拔最高為300 m，以低山為主;土壤類型以赤紅壤為主，成土母巖主要為花崗巖，含少量砂頁巖。土層厚度較深，平均超過1 m，有機(jī)質(zhì)含量較高。土壤pH值為4.7～6.0，偏酸性;植被類型主要為南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林，主要有青岡林、竹林(毛竹與鳳尾竹)、桉樹林等;該地區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫21.8℃，年平均降水量1 700 mm，降水集中分布在4－9月，占80%以上;年平均濕度為76% ，年日照時(shí)數(shù)為 1 820 h[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 布置采樣點(diǎn)與樣品采集

典型小流域主要森林類型有青岡林、毛竹、鳳尾竹、桉樹林，分布面積分別約為82%、3%、5%、10%。青岡林分布最廣，整個(gè)山坡均有分布，毛竹林主要分布在山坡下部的溪流邊附近，鳳尾竹林主要分布在山坡中、下部，桉樹林主要分布在山坡中、上部。分別對每種林地類型布置采樣點(diǎn)，青岡、毛竹、鳳尾竹、桉樹林地分別布置6、1、2、2個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)取三個(gè)重復(fù)。剖面采樣方法:分0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm三段，用環(huán)刀(200 cm3)采樣，送回室內(nèi)分析土壤滲透系數(shù)、粒度組成、濕度、干容重、孔隙度以及根系平均直徑與密度。

1.2.2 土壤滲透性測定

采用改進(jìn)環(huán)刀法測定土壤滲透系數(shù)，具體步驟為:

(1)在室外用環(huán)刀取原狀土樣，帶回室內(nèi)浸入水中，浸泡8～12 h。浸水時(shí)要保持水面與環(huán)刀上口平齊，勿使水淹到環(huán)刀上口的土面。

(2)在預(yù)定時(shí)間將環(huán)刀取出，除去蓋子，在上面接上一個(gè)專用的透明白色塑料圓筒(接口處先用膠布封好，再用熔蠟粘合，嚴(yán)防從接口處漏水)，一面與供水瓶相連，另一面設(shè)有一個(gè)溢水口，目的是保持水位穩(wěn)定在溢水口的連續(xù)穩(wěn)定供水。然后將接合的環(huán)刀放到漏斗上，漏斗下面用100 ml燒杯承接滲出水。

(3)開啟供水瓶，向環(huán)刀上面的塑料圓筒穩(wěn)定供水，水層厚約5 cm。

(4)加水后，自漏斗下面滴下第一滴水時(shí)用秒表計(jì)時(shí)，每隔5 min更換漏斗下的燒杯，并分別用100 ml或10 ml量筒計(jì)量滲出水量 Q1、Q2、Q3……Qn。

(5)實(shí)驗(yàn)持續(xù)到單位時(shí)間出水量穩(wěn)定為止，一般持續(xù)時(shí)間約1 h左右。

(6)滲透系數(shù)計(jì)算

K=L/L+H×v

式中:K為滲透系數(shù)，m/s;L為環(huán)刀高度，m;H為環(huán)刀上水柱高度，m;v為土壤水流速，m/s;v=Q/S;Q為穩(wěn)定流量，m3/s，S為環(huán)刀截面積。

此外，根系平均直徑與密度的測定:利用測量完滲透系數(shù)的環(huán)刀中土樣，將其導(dǎo)入篩網(wǎng)上，用水沖洗，去掉泥土，然后人工統(tǒng)計(jì)根系平均直徑與數(shù)量。

1.2.3 滲透系數(shù)影響因子分析方法

(1)通過剖面三段樣品滲透系數(shù)測定結(jié)果的對比分析，說明剖面滲透系數(shù)的變化特征;

(2)采用相關(guān)分析與回歸分析方法研究滲透系數(shù)與孔隙度、干容重以及根系特征之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤粒度分析與滲透性檢測結(jié)果

經(jīng)過檢測與統(tǒng)計(jì)整理得到各種主要森林土壤類型粒度組成見表1，滲透性及相關(guān)因子檢測結(jié)果見表2。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 剖面滲透性變化特點(diǎn)

(1)從表2、圖1中可見，各種林地類型土壤滲透系數(shù)在剖面上均表現(xiàn)出從上到下遞減的特點(diǎn)，毛竹、青岡、鳳尾竹、桉樹林的土壤剖面滲透系數(shù)變化范圍分別為為13.64～4.91、10.4 ～3.63、8.16 ～2.96、7.92 ～3.71 m/d。毛竹林表層土壤滲透性最大，其次為青岡林，鳳尾竹與桉樹林均在10 m/d以下。

表1 主要森林土壤類型粒度組成分析結(jié)果

圖1 主要森林土壤類型剖面滲透性

表2 主要森林土壤類型滲透性及相關(guān)因子分析結(jié)果

(2)剖面上，0～20 cm表土層與20～40、40～60 cm下部兩土層滲透系數(shù)差異較大，下部兩層滲透系數(shù)差異較小，因此，可將下部兩土層概化為一層，這樣土壤滲透性剖面劃分為兩個(gè)亞層，亞層滲透性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。下部亞層各種林地類型土壤滲透性差異不大，變化范圍為5.74～4.20 m/d。上部亞層滲透系數(shù)是下部亞層的1.89～2.42倍。

(3)按照面積加權(quán)平均方法統(tǒng)計(jì)得到典型小流域土壤滲透性平均變化特征，結(jié)果見表2，表層20 cm土層滲透性為10.21 m/d，下部亞層土層滲透性為 4.36 m/d。

2.2.2 土層滲透性與相關(guān)因子關(guān)系分析

采用相關(guān)分析方法計(jì)算得到土層滲透系數(shù)與孔隙度、干容重、根密度、根徑之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3。

(1)從表3可見，各種林地類型土壤滲透系數(shù)與孔隙度均呈正相關(guān)，與干容重呈負(fù)相關(guān)，與根密度呈正相關(guān)，與根徑關(guān)系相關(guān)性方向具有不確定性。Zhang Jianxin等研究毛竹根系對土壤滲透性影響表明:毛竹的鞭根系統(tǒng)主要集中在0～40 cm土層范圍內(nèi)，細(xì)根生長及分解可以改善土壤的孔隙狀況，提高土壤的入滲性能[9]。

(2)以相關(guān)系數(shù)大于 0.9、0.8、0.7、0.7 以下作為衡量相關(guān)性很好、較好、一般、不好的標(biāo)準(zhǔn)，則從表中可見:對于毛竹林，孔隙度與滲透系數(shù)相關(guān)性很好，干容重、根徑與滲透系數(shù)相關(guān)性較好，根密度與滲透系數(shù)相關(guān)性不好;對于鳳尾竹林，干容重、根密度、根徑與滲透系數(shù)相關(guān)性很好，孔隙度與滲透系數(shù)相關(guān)性較好;對于桉樹林，根徑與滲透系數(shù)相關(guān)性較好，孔隙度與滲透系數(shù)相關(guān)性一般，干容重、根密度與滲透系數(shù)相關(guān)性不好;對于青岡林，孔隙度、根密度與滲透系數(shù)相關(guān)性很好，干容重與滲透系數(shù)相關(guān)性較好，根徑與滲透系數(shù)相關(guān)性不好。

總體而言，對于各種林地土壤類型，孔隙度與滲透系數(shù)表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，沒有出現(xiàn)相關(guān)性不好的情況，這與研究區(qū)土壤主要為砂質(zhì)土，粒徑分布較粗，土壤水主要以毛細(xì)水、重力水存在密切相關(guān)。

(3)進(jìn)一步利用回歸分析，建立相關(guān)性很好的相關(guān)因子與滲透系數(shù)之間的回歸方程，結(jié)果見表4。

3 結(jié)語

采集帽峰山地區(qū)典型小流域主要林地類型(青岡林、毛竹林、鳳尾竹林、桉樹林)原狀土樣進(jìn)行滲透系數(shù)及其相關(guān)因子實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明:

1)各種林地類型土壤滲透系數(shù)在剖面上均表現(xiàn)出從上到下遞減的特點(diǎn)，毛竹林表層土壤滲透性最大，其次為青岡林，鳳尾竹與桉樹林均在10 m/d以下。剖面上，0～20 cm表土層與20～40、40～60 cm下部兩土層滲透系數(shù)差異較大，下部兩層滲透系數(shù)差異較小，可將下部兩土層合并為一層。這樣，土壤滲透性剖面可簡化為上、下兩個(gè)亞層，上部亞層滲透系數(shù)是下部亞層的1.89～2.42倍。

2)各種林地類型土壤滲透系數(shù)與孔隙度均呈正相關(guān)，與干容重呈負(fù)相關(guān)，與根密度呈正相關(guān)，與根徑關(guān)系相關(guān)性方向具有不確定性。不同林地類型土壤滲透系數(shù)與干容重、根密度、根徑之間的相關(guān)程度存在較大差異，但均表現(xiàn)出與孔隙度之間存在良好相關(guān)性。

表3 土層滲透性與相關(guān)因子關(guān)系分析

表4 滲透系數(shù)與相關(guān)性很好因子之間回歸方程

土壤滲透性受土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、化學(xué)、生物等多種因素影響，且與測試方法密切相關(guān)[10－13]。研究區(qū)特殊地質(zhì)與森林環(huán)境下土壤滲透性特征目前很少研究，本次在采集原狀樣實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上研究了主要林地類型土壤滲透性及與孔隙度、干容重、根密度、根徑之間的相關(guān)性，是一次新的嘗試，進(jìn)一步探討滲透系數(shù)與其它全物理、化學(xué)以及生物因子之間的關(guān)系和機(jī)理是下一步努力的方向。

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