閆東鋒，王德彩，楊喜田(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，450002，鄭州)

?

丹江口庫區(qū)不同植被類型地表根系對土壤滲透性的影響

閆東鋒，王德彩，楊喜田
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，450002，鄭州)

摘要:為研究地表根系結(jié)構(gòu)特征及其對土壤滲透性的影響，通過對丹江口庫區(qū)針闊混交林、灌木林、針葉林和闊葉林35塊樣地進行地表土壤(0～10和10～20 cm土層)和根系采集和室內(nèi)實驗，分析4種植被類型根系結(jié)構(gòu)特征、土壤滲透特性及其相互作用關(guān)系，并建立回歸方程。結(jié)果表明:4種植被類型土壤0～10土層的土壤初滲率和穩(wěn)滲率均高于10～20 cm土層;土壤0～10和10～20 cm土層土壤初滲率和穩(wěn)滲率在不同植被類型間均表現(xiàn)相同趨勢，即闊葉林＞針闊混交林＞灌木林＞針葉林;不同植被類型土壤初滲率、穩(wěn)滲率等指標均與根長密度和根表面積密度存在顯著的線性相關(guān)性(P＜0.05);根系直徑在0.5～5 mm范圍內(nèi)的根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與土壤入滲特征指標之間存在顯著的線性相關(guān)性(P＜0.05);在Kostiakov入滲模型中，直徑介于0.5～5 mm不同徑級的根長密度和根表面積密度與b值正相關(guān)，與a值負相關(guān)。丹江口庫區(qū)闊葉林和針闊混交林土壤滲透性能優(yōu)于灌木林和針葉林，4種不同的植被類型土壤入滲特征值均隨根系結(jié)構(gòu)參數(shù)值增大而增大，且直徑在0.5～5 mm徑級范圍內(nèi)的根系對土壤滲透能力的增強作用最明顯。

關(guān)鍵詞:植被類型;土壤入滲;根系特征;入滲模型;根系徑級;丹江口水庫;河南

項目名稱:國家自然科學(xué)基金“側(cè)柏 山毛桃群落演替初期種間競爭 促進作用的平衡機調(diào)控”(31170580);河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計劃“撫育間伐對次生櫟林碳周轉(zhuǎn)的影響及其生態(tài)模擬”(2014GGJS036)

丹江口水庫是南水北調(diào)中線的水源區(qū)，植被生態(tài)建設(shè)是該區(qū)水土保持工作的重要內(nèi)容。植被恢復(fù)模式能改變水分下滲過程，進而對控制水土流失的效率有所差異［1］。土壤入滲是描述水分通過地表向下的流動過程，土壤入滲率是指單位時間、單位面積土壤表面入滲的水量，表征土壤對水分傳輸?shù)脑俜峙淠芰Γ? 4］。土壤滲透性能影響著地表徑流和土壤侵蝕量，是植被水文功能研究的重要指標［5 6］。植被類型的不同其植物根系的分布格局也存在差異［7］，植物根系在土壤中穿插且根際生物活動頻繁，可以有效改變根際土壤性質(zhì)［8 9］，進而影響地表徑流過程;因此，研究不同植被類型根系結(jié)構(gòu)對土壤入滲的影響及其差異規(guī)律，弄清表征影響土壤入滲性能的根系結(jié)構(gòu)指標及根級范圍并建立相關(guān)回歸方程，對明確不同植被類型條件下地表徑流的調(diào)節(jié)機制及土壤侵蝕防治具有重要意義。

國內(nèi)外對土壤入滲的研究較多，涉及森林覆蓋度［10］、土壤水分［11］、植被類型［12］和枯枝落葉層［13］等對土壤滲透的影響。研究［14］表明，植物多樣性可以顯著增加土壤滲透能力，動態(tài)影響著土壤水文性質(zhì);根系對土壤理化特性的影響主要集中在土壤養(yǎng)分［15］、土壤機械組成、水穩(wěn)性團聚體［16］、土壤抗沖［17］等方面，而關(guān)于根系分布對土壤滲透性的影響的研究較少。丹江口水庫位于漢江中上游，河南境內(nèi)水源區(qū)土地利用以耕地、林地和灌草地等方式為主。之前對丹江口水庫植被的研究主要集中在濕地植物［18］、水濱帶植物群落［19］、植被與環(huán)境的關(guān)系［20］和植被水源涵養(yǎng)功能［21］等方面，針對不同植被類型的土壤滲透能力的研究尚未見報道。本文通過對丹江口水庫水源區(qū)主要植被類型(針闊混交林、灌木林、闊葉林、針葉林)的地表根系特征和土壤入滲特性開展調(diào)查分析，旨在為該區(qū)植被生態(tài)建設(shè)，制定科學(xué)合理的水土保持措施提供參考。

1　研究區(qū)概況

丹江口水庫位于河南省和湖北省交界處，主要包括河南省淅川縣的丹庫和湖北省丹江口市的漢庫。本研究區(qū)位于丹江口水庫庫區(qū)周邊河南境內(nèi)，包括淅川縣和西峽縣部分地區(qū)(E 110°52'～111°18'，N 33°30'～34°10')。地處北亞熱帶北部邊緣，屬亞熱帶季風型大陸性氣候，全區(qū)氣候溫和，雨量適中，光照充足，四季分明，多年平均降雨量為820 mm，多年平均徑流深230 mm，年平均氣溫15.5℃。地帶性植被主要為亞熱帶落葉闊葉林，以及部分常綠闊葉林和針闊混交林。研究區(qū)喬木建群種以黑松(Pinus thunbergii)、栓皮櫟(Quercus variabilis)和側(cè)柏(Platycladus orientalis)為主。

2　材料與方法

2.1樣地設(shè)置和樣品采集

在丹江口水庫庫區(qū)周邊河南境內(nèi)，參考丹江口水庫水源區(qū)1∶2.5萬林相圖，結(jié)合遙感影像，分別按照灌木林、針葉林、針闊混交林和闊葉林選取典型樣地，每種植被類型樣地中選擇坡度、海拔范圍和其他立地條件基本相似的地塊，記錄環(huán)境因子。樣地基本情況見表1。

土壤和根系的調(diào)查是在各樣地四角及中心選取5個樣點，喬木樣地樣點應(yīng)在4株林木的對角地帶。在各樣點挖掘土壤剖面，用環(huán)刀法分別取表層(0～10 cm)和地表層(10～20 cm)原狀土樣，帶回實驗室進行土壤物理性質(zhì)測定。根系取樣采用大環(huán)刀(直徑7.5 cm，高10 cm，體積441.6 cm3)法分別取0～10和10～20 cm土層的土壤樣柱(包括根系)分別裝入塑料袋中，密封后帶回實驗室進行根系特征指標測定。

2.2樣品分析

土壤滲透特性采用雙環(huán)入滲法［22］，取土深度為10 cm。采用土壤初滲率、穩(wěn)滲率、滲透總量和平均入滲率描述土壤入滲能力。野外大環(huán)刀獲取的根系樣品經(jīng)清洗、晾干后，采用專業(yè)掃描儀立體掃描，然后采用根系形態(tài)學(xué)和結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用系統(tǒng) WINRhizo計算表征根系結(jié)構(gòu)的指標，如根長密度(RLD)、根表面積密度(RSAD)和根體積密度(RVD)等，然后在70℃恒溫下烘干48 h，稱其干質(zhì)量，計算根生物量。

表1　樣地基本情況Tab．1　Basic conditions of plots

2.3數(shù)據(jù)處理

采用以下3個模型對土壤入滲過程進行擬合［23］。

Horton模型

式中:f(t)為土壤入滲速率，mm/min;t為入滲時間，min;fo、fc、k分別為初滲率、穩(wěn)滲率、衰減指數(shù)，值越小表示土壤入滲衰減的越慢。

Philip模型

式中:S為模型參數(shù)，表征土壤入滲能力的強弱;A為穩(wěn)滲率，mm/min。

Kostiakov模型

式中a，b為模型參數(shù)，分別描述土壤入滲速率隨時間變化的程度和土壤入滲開始后第1個時段內(nèi)的平均入滲速率。

數(shù)據(jù)處理采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 19.0進行。

3　結(jié)果與分析

3.1不同植被類型根系結(jié)構(gòu)特征

分別計算灌木林、針葉林、針闊混交林和闊葉林根表面積密度、根長密度、根體積密度和根生物量等根系結(jié)構(gòu)特征指標的平均值及其標準差，結(jié)果見表2。4種植被類型中，闊葉林的根表面積密度、根長密度、根體積密度和根生物量均值均較大。就根表面積密度、根體積密度而言，闊葉林與針闊混交林之間的差異不顯著(P＞0.05)，但闊葉林根表面積密度、根體積密度和根生物量均顯著高于灌木林和針葉林。針闊混交林的根長密度大于闊葉林，但根生物量顯著小于闊葉林。這說明闊葉林粗根所占比例較大，而針闊混交林細根所占比例較大。

表2　4種植被類型地表根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)(平均值±標準差)Tab．2　Root structure parameters of 4 vegetation types(mean±SD)

3.2不同植被類型土壤入滲特征

3.2.1土壤入滲特征土壤初滲率、穩(wěn)滲率在0～10和10～20 cm土層深度中均表現(xiàn)相同趨勢，即:闊葉林＞針闊混交林 ＞灌木林 ＞針葉林。0～10 cm土層針葉林和闊葉林穩(wěn)滲率高于10～20 cm土層，針葉林和闊葉林0～10 cm土層穩(wěn)滲率分別是10～20 cm土層的2.022倍和1.567倍，而其他植被類型不同土層的穩(wěn)滲率變化幅度較小。初滲率越高，達到穩(wěn)滲的時間越長，其滲透總量也越大，如表3所示，針闊混交林和闊葉林0～10和10～20 cm層土壤初滲率、穩(wěn)滲率、滲透總量均顯著高于灌木林和針葉林(P＜0.05)，而針闊混交林和闊葉林之間，灌木林和針葉林之間均無顯著差別(P＞0.05)。這說明闊葉林和針闊混交林土壤滲透性能優(yōu)于灌木林和針葉林，針葉林雖然是喬木林分，但是其產(chǎn)生的凋落物分解緩慢，且地表植物覆蓋度不高，根系生物量較低，對土壤的改良作用有限，其土壤滲透能力仍然不強。研究區(qū)闊葉林和針闊混交林內(nèi)闊葉樹種以櫟類為主，凋落物豐富，分解速率比較快，對土壤的改良效果較好。

表3　4種植被類型土壤入滲特征(平均值±標準差)Tab．3　Characteristics of soil infiltration at 4 vegetation types(mean±SD)

3.2.2土壤入滲過程如圖1所示，4種植被類型0～10和10～20 cm土層厚度土壤初滲率均較高，然后開始降低直至穩(wěn)定下來，4種植被類型2個土層厚度土壤入滲穩(wěn)定時間存在一定的差別，即:針葉林土壤達到穩(wěn)滲的時間最短(13 min)，而闊葉林的地表土壤達到穩(wěn)滲時間最長(43 min);灌木林和針葉林的0～10和10～20 cm土層達到穩(wěn)滲的時間接近，且均比較短。4個植被類型0～10 cm土層的土壤穩(wěn)滲率、初滲率均大于10～20 cm土層，表明4種植被類型表層土壤可以迅速將地表徑流轉(zhuǎn)化為土壤中流和基質(zhì)流，這對于減緩暴雨對地表的沖刷有重要的作用。

3.2.3土壤入滲過程擬合應(yīng)用Horton模型、Philip模型和Kostiakov模型對土壤入滲過程進行擬合(表4)。3個土壤滲透模型R2較高，對實測滲透數(shù)據(jù)擬合效果均較好，能很好地描述土壤入滲速率與入滲時間的關(guān)系。

4個植被類型中0～10 cm土層的a值均大于10～20 cm土層，這說明隨著土層厚度的增加，土壤入滲能力在下降。各植被類型0～10 cm土層中:a值最小值均出現(xiàn)在針葉林中，最大值均出現(xiàn)在闊葉林中; b值最小值均出現(xiàn)在灌木林中，最大值均出現(xiàn)在闊葉林中。除灌木林地外，其他植被類型0～10 cm土層參數(shù)S的大小均大于10～20 cm土層，該區(qū)灌木林主要分布在以紫色土為主的土壤瘠薄地區(qū)，地表植被對土壤改良作用有限，因此表層土壤緊實，滲透能力不高。0～10和10～20 cm土層中土壤入滲能力最強的植被類型分別為針葉林和灌木林。

3.3根系對土壤滲透性的影響

圖1　4種植被類型土壤滲透過程曲線Fig．1　Infiltration curves of 4 vegetation types

表4　4種植被類型土壤入滲方程模擬結(jié)果Tab．4　Modeling results of soil infiltration for 4 vegetation types

3.3.1根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與土壤入滲特征指標相關(guān)分析從表5可以看出，根長密度、根體積密度和根生物量與土壤入滲特征指標之間均存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系。根生物量與穩(wěn)滲率、平均入滲率均顯著相關(guān)(P＜0.05)，而與初滲率、滲透總量間相關(guān)關(guān)系不顯著(P＞0.05)。根表面積密度與初滲率、穩(wěn)滲率、滲透總量和平均滲透率間均存在顯著相關(guān)(P＜0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.917、0.955、0.940 和0.927，而根表面積密度與平均滲透率間相關(guān)性達不到顯著水平(P＞0.05)。

3.3.2根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與土壤入滲特征指標回歸分析以各土壤入滲特征指標為因變量，根長密度、根表面積密度、根體積密度和根生物量等根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)為自變量，分別建立兩者之間的線性回歸方程(表6)。根長密度和根體積密度與各土壤入滲特征指標間均顯著相關(guān)(P＜0.05)，與穩(wěn)滲率極顯著相關(guān)(P＜0.01)，其線性回歸方程分別為:Y= 1.850x－0.366(R2=0.912;P=0.005)和 Y= 6.504x－6.377(R2=0.891;P=0.006)。

3.3.3土壤入滲特征指標與不同徑級根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的相關(guān)分析表7是土壤入滲特征指標與不同徑級的根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之間的相關(guān)分析結(jié)果。土壤入滲特征指標與直徑介于0.5～5 mm的不同徑級的根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)。而且隨著根系徑級的增大，土壤初滲率、穩(wěn)滲率、滲透總量、平均入滲率與RLD、RSAD的相關(guān)系數(shù)均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其最大值均出現(xiàn)在0.5～1和1～2 mm徑級。1～2 mm徑級根系的RLD與土壤的穩(wěn)滲率、滲透總量的相關(guān)性達到極顯著水平(P＜0.01);0.5～1 mm徑級根系的RSAD與土壤的初滲率、滲透總量的相關(guān)性達到極顯著水平(P＜0.01)。其中直徑＜0.5 mm的根系雖然生長更新的速率較大，但與土壤入滲特征指標的相關(guān)系數(shù)較小。這說明0.5～1和1～2 mm徑級根系對土壤入滲性能的改善作用最強，可能與其數(shù)量多、密度大等特征有關(guān)。

表5　土壤入滲特征指標與根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的相關(guān)系數(shù)Tab．5　Correlation coefficients between soil infiltration characteristics and root structure parameters

表6　土壤入滲特征指標與根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之間的回歸方程Tab．6　Regression equations between soil infiltration characteristics and root structure parameters

3.3.4根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與土壤入滲模型參數(shù)的關(guān)系由表4中Kostiakov入滲模型方程參數(shù)可知，不同植被類型0～10和10～20 cm土層厚度的模型參數(shù)a的平均值大小關(guān)系為:闊葉林(14.674)＞針闊混交林(10.586)＞灌木林(3.025)＞針葉林(1.386)，而 b的平均值大小關(guān)系為:針闊混交林(0.133)＞闊葉林(0.243)＞灌木林(0.094)＞針葉林(0.167);隨著土層深度的增加，a和 b的值均逐漸減小。分別計算 Kostiakov方程參數(shù)和不同徑級根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)RLD、RSAD之間的相關(guān)系數(shù)(表8)。不同根系徑級的RLD和RSAD與 b值呈正相關(guān)關(guān)系，與a值呈負相關(guān)關(guān)系;0.5～1 mm徑級的根表面積密度對b值有顯著影響(P＜0.05)，0.5～1和1～2 mm徑級的根長密度對b值有顯著影響(P＜0.05);而各徑級的根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對 a值的影響均達不到顯著水平(P＞0.05)。

表7　土壤入滲特征指標與不同徑級的根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)Tab．7　Correlation analysis between soil infiltration characteristics and root structure parameters under different root diameter classes

表8　土壤入滲模型參數(shù)與不同徑級根系特征之間的相關(guān)分析Tab．8　Correlation analysis between the parameters of soil infiltration models and root characteristics of different root diameter classes

4　討論

土壤入滲性能直接影響著土壤對水分傳輸?shù)脑俜峙淠芰Γ侵脖凰墓δ苎芯康闹匾笜?，不同植被類型以及不同土層厚度的土壤滲透特性差異較大。對丹江口庫區(qū)4種典型植被土壤入滲特性進行研究后發(fā)現(xiàn)，闊葉林和針闊混交林的土壤滲透特性優(yōu)于灌木林和馬尾松針葉純林，該區(qū)鄉(xiāng)土闊葉樹種櫟類通過產(chǎn)生大量枯枝落葉以及相對豐富的地下根系，增加土壤孔隙度，減少土壤密度等，進而增強土壤入滲性能。這與彭舜磊等［23］對伏牛山不同植被恢復(fù)類型，候秀麗等［24］對滇中不同植被土壤入滲性能的研究結(jié)論一致。

根系系統(tǒng)功能的發(fā)揮在不同時間、不同環(huán)境條件下有很大的差異［26］，尤其是與土壤環(huán)境條件密切相關(guān)。根系除了能發(fā)揮支持植物生長、吸收和保持水分養(yǎng)分等功能外，還能通過釋放有機化合物、根系呼吸和周轉(zhuǎn)等過程改變土壤的物理化學(xué)性質(zhì)(尤其是根際土壤)［26］。王國梁等［27］研究發(fā)現(xiàn)植物根長密度具有較好的改良土壤、提高土壤入滲能力的功能。本研究發(fā)現(xiàn)，除了根長密度外，根體積密度和根生物量與土壤入滲特征指標之間均存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，可以用來研究根系分布與土壤滲透的關(guān)系。

相關(guān)研究［17］表明細根對土壤滲透性的改善最為明顯，徐少君等［28］認為 D＜2 mm根系的根長密度、根表面積密度對土壤滲透、抗沖作用等水力學(xué)特性有增強作用。筆者研究發(fā)現(xiàn)，根系對土壤滲透能力的增強作用主要由0.5～5 mm徑級的根系表現(xiàn)出來，相對徑級過大或過小的根系對土壤滲透能力的增強作用都會減弱，這與李建興等［26］的研究結(jié)果一致。該徑級的根系通過充分接觸土壤、串結(jié)土體，同時分泌的高、低分子量分泌物可以增加土壤顆粒的結(jié)合強度，從而促進土壤的團粒化作用［28］。

筆者之所以研究地表根系和土壤入滲的關(guān)系，原因在于地表根系對環(huán)境的反應(yīng)最為敏感，在影響土壤物理化學(xué)性質(zhì)方面最為強烈［29］，且取樣簡單;但是除了地表根系之外，處于土層較厚的植物根系仍然可能會深刻影響著土壤滲透特性，而且土壤滲透與根系的關(guān)系還可以在更大的尺度以及空間角度開展系統(tǒng)研究，還可以在根際這個較小的尺度開展。從影響土壤滲透的植被要素來看，不僅僅是根系，植被覆蓋度、地表凋落物、林分密度甚至植物種類都會影響土壤滲透能力［27］，且植被恢復(fù)的不同時期，土壤滲透性也可能存在一些差異［30］;因此，研究土壤滲透能力需要長期和多要素的觀測。

5　結(jié)論

1)4種不同植被類型中，0～10 cm層土壤的滲透能力均高于10～20 cm層。闊葉林0～10 cm土層土壤初滲率和穩(wěn)滲率均最高，分別為11.929和8.033 mm/min;10～20 cm土層土壤初滲率和穩(wěn)滲率分別為8.611和5.127 mm/min。

2)Kostiakov和 Philip、Horton入滲模型均能很好描述土壤入滲速率與時間的關(guān)系，適合本地區(qū)及相似地區(qū)應(yīng)用;4種植被類型土壤初滲率、穩(wěn)滲率和滲透總量等土壤入滲特征指標均與根長密度、根表面積密度等根系結(jié)構(gòu)特征參數(shù)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)。

3)土壤滲透性參數(shù)與直徑介于0.5～5 mm之間的不同徑級的根系特征之間有顯著地相關(guān)性(P＜0.05)。根系對土壤滲透能力的增強作用主要由0.5～5 mm徑級的根系表現(xiàn)出來，相對徑級過大或過小的根系對土壤滲透能力的增強作用都會減弱。

4)在 Kostiakov入滲模型中，直徑介于0.5～5 mm之間不同徑級的根長密度和根表面積密度與b正相關(guān)，與a負相關(guān)。這說明隨著根長密度和根表面積密度的增加，土壤初始入滲率b逐漸增大，入滲能力衰減程度a逐漸減小，即隨著根長密度和根表面積密度大小影響著土壤入滲能力的強弱。

6　參考文獻

［1］王夢軍，張光燦，劉霞，等．沂蒙山林區(qū)不同森林群落土壤水分貯存與入滲特征［J］．中國水土保持科學(xué)，2008，6(6):26． Wang Mengjun，Zhang Guangcan，Liu Xia，et al．Characteristics of soil water infiltration and water-holding under different forest community in Yimeng Mountainous forest area［J］．Science of Soil and Water Conservation，2008，6(6):26．(in Chinese)

［2］吳強，楚聰穎，張鵬，等．灤河上游7種典型林分類型水土保持功能［J］．水土保持學(xué)報，2015，29(5):40．Wu Qiang，Chu Congying，Zhang Peng，et al．Soil and water conservation function of 7 typical forest types in the upper reaches of the Luanhe River［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2015，29(5):40．(in Chinese)

［3］Reszkowska A，Krümmelbein J，Peth S，et al．Influence of grazing on hydraulic and mechanical properties of semiarid steppe soils under different vegetation type in Inner Mongolia，China［J］．Plant and Soil，2011，340(1/2): 59．

［4］王林華，馬波，吳發(fā)啟．黃土區(qū)不同生長期大豆坡耕地的入滲特征［J］．中國水土保持科學(xué)，2015，13(4):15．Wang Linhua，Ma Bo，Wu Faqi．Infiltration characteristics in sloping farmland at different growth stages of soybean(Glycine max L．)in loess area［J］．Science of Soil and Water Conservation，2015，13(4):15．(in Chinese)

［5］Khatri K L，Smith R J．Real-time prediction of soil infiltration characteristics for the management of furrow irrigation［J］．Irrigation Science，2006，25(1):33．

［6］朱永杰，畢華興，霍云梅，等．北京地區(qū)下凹式綠地土壤滲透能力及蓄水對土壤物理性質(zhì)的影響［J］．中國水土保持科學(xué)，2015，13(1):106．Zhu Yongjie，Bi Huaxing，Huo Yunmei，et al．Soil infiltration capacity of sunken green space and the effects of water storage on soil physical properties in Beijing［J］．Science of Soil and Water Conservation，2015，13(1): 106．(in Chinese)

［7］Piemet A，Latchackak K，Chathanvongsa P，et al．Interactions between root growth，slope and soil detachment depending on land use:a case study in a small mountain catchment of Northern Laos［J］．Plant and Soil，2007，301(1):51．

［8］徐洪雨，王英宇，宋桂龍，等．華北土石山區(qū)公路邊坡常見植物根系地下分布特征［J］．中國水土保持科學(xué)，2013，11(2):51．Xu Hongyu，Wang Yingyu，Song Guilong，et al．Characteristics of root system distribution of common plants on freeway slopes in earthy-rocky mountain area of North China［J］．Science of Soil and Water Conservation，2013，11(2):51．(in Chinese)

［9］蔡魯，朱婉芮，王華田，等．魯中南山地6個造林樹種根系形態(tài)的比較［J］．中國水土保持科學(xué)，2015，13 (2):83．Cai Lu，Zhu Wanrui，Wang Huatian，et al．Root morphology of six tree species in mountain area of middle south Shandong［J］．Science of Soil and Water Conservation，2015，13(2):83．(in Chinese)

［10］Jimenez C C，Tejedor M，Morillas G，et al．Infiltration rate in Andisols:effect of changes in vegetation cover (Tenerife Spain)［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2006，61(3):153．

［11］Nyman P，Sheridan G J，Snith H G，et al．Modeling the effects of surface storage，macropore flow and water repellency on infiltration after wildfire［J］．Journal of Hydrology，2014，513:301．

［12］林代杰，鄭子成，張錫洲，等．不同土地利用方式下土壤入滲特征及其影響因素［J］．水土保持學(xué)報，2010，24(1):33．Lin Daijie，Zheng Zicheng，Zhang Xizhou，et al．Characteristic and influencing factors of soil infiltration of different land use patterns［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2010，24(1):33．(in Chinese)

［13］胡秀娟，程積民，萬惠娥．子午嶺林區(qū)遼東櫟、油松、柴松群落特征及其枯枝落葉層水文效應(yīng)研究［J］．水土保持通報，2010，30(4):46．Hu Xiujuan，Cheng Jimin，Wan Huie．Community characteristics and litter hydrological effects of Quercus liaotungensis，Pinus tabulaeformis，and Pinus tabulaeformis Shekannesis Forests in Ziwuling region［J］．Bulletin of Soil and Water Conservation，2010，30(4):46．(in Chinese)

［14］Wang Quanrui，F(xiàn)u Bojie，He Chansheng，et al．A comparative analysis of forest cover and catchment water yield relationships in northern China［J］．Forest Ecology and Management，2011，262(7):1189．

［15］韓鳳朋，鄭紀勇，張興昌．黃土退耕坡地植物根系分布特征及其對土壤養(yǎng)分的影響［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(2):50．Han Fengpeng，Zheng Jiyong，Zhang Xingchang．Plant root system distribution and its effect on soil nutrient on slope land converted from farmland in the Loess Plateau ［J］．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2009，25(2):50．(in Chinese)

［16］吳彥，劉世全，付秀琴，等．植物根系提高土壤水穩(wěn)性團粒含量的研究［J］．土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1997，3(1):45．Wu Yan，Liu Shiquan，F(xiàn)u Xiuqin，et al．Study on improving soil's waterstable aggregates amounts by botanic roots［J］．Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation，1997，3(1):45．(in Chinese)

［17］劉國彬．黃土高原草地土壤抗沖性及其機理研究［J］．土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1998，4(1):93．Liu Guobin．Study on soil anti-scourability and its mechanism of grassland on Loess Plateau［J］．Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation，1998，4 (1):93．(in Chinese)

［18］劉文治，張全發(fā)，李天煜，等．丹江口庫區(qū)濕地植被的數(shù)量分類和排序［J］．武漢植物學(xué)研究，2006，24 (3):220．Liu Wenzhi，Zhang Quanfa，Li Tianyu，et al．Quantitative classification and ordination of wetland vegetations in Danjiangkou Reservoir region［J］．Journal of Wuhan Botanical Research，2006，24(3):220．(in Chinese)

［19］劉瑞雪，陳龍清，史志華．丹江口水庫水濱帶植物群落空間分布及環(huán)境解釋［J］．生態(tài)學(xué)報，2015，35 (4):1．Liu Ruixue，Chen Longqing，Shi Zhihua．Spatial distribution of plant communities and environmental interpretation in the riparian zone of Danjiangkou Reservoir［J］．Acta Ecologica Sinica，2015，35(4):1．(in Chinese)

［20］劉瑞雪，詹娟，史志華，等．丹江口水庫消落帶土壤種子庫與地上植被和環(huán)境的關(guān)系［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2013，24(3):801．Liu Ruixue，Zhan Juan，Shi Zhihua，et al．Soil seed bank and its correlations with aboveground vegetation and environmental factors in water level fluctuating zone of Danjiangkou Reservoir，Central China［J］．Chinese Journal of Applied Ecology，2013，24(3):801．(in Chinese)

［21］劉學(xué)全，唐萬鵬，崔鴻俠．丹江口庫區(qū)主要植被類型水源涵養(yǎng)功能綜合評價［J］．南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，33(1):59．Liu Xuequan，Tang Wanpeng，Cui Hongxia．A comprehensive evaluation of water conservation capacity of main vegetation types in Danjiangkou reservoir area［J］．Journal of Nanjing Forestry University(Natural Science Edition)，2009，33(1):59．(in Chinese)

［22］閆東鋒，楊喜田．豫南山區(qū)典型林地土壤入滲特征及影響因素分析［J］．中國水土保持科學(xué)，2011，9(6): 43．Yan Dongfeng，Yang Xitian．Characteristics and influencing factors of soil infiltration of typical forest lands in southern mountains of Henan Province［J］．Science of Soil and Water Conservation，2011，9(6):43．(in Chinese)

［23］彭舜磊，梁亞紅，陳昌東，等．伏牛山東麓不同植被恢復(fù)類型土壤入滲性能及產(chǎn)流預(yù)測［J］．水土保持研究，2013，20(4):29．Peng Shunlei，Liang Yahong，Chen Changdong，et al．Prediction of soil infiltration capacity and runoff under different restored vegetation types on the eastern side of Funiu Mountains［J］．Research of Soil and Water Conservation，2013，20(4):29．(in Chinese)

［24］侯秀麗，付登高，閻凱，等．滇中不同植被恢復(fù)策略下土壤入滲性能及其影響因素［J］．山地學(xué)報，2013，31 (3):273．Hou Xiuli，F(xiàn)u Denggao，Yan Kai，et al．Soil infiltration and correlative analysis with some factors in the different restoration method in central Yunnan［J］．Journal of Mountain Science，2013，31(3):273．(in Chinese)

［25］Corradini C，Morbidelli R，F(xiàn)lammini A，et al．A parameterized model for local infiltration in two-layered soils with a more permeable upper layer［J］．Journal of Hydrology，2011，396(3/4):221．

［26］李建興，何丙輝，諶蕓．不同護坡草本植物的根系特征及對土壤滲透性的影響［J］．生態(tài)學(xué)報，2013，33 (5):1535．Li Jianxing，He Binghui，Chen Yun．Root features of typical herb plants for hillslope protection and their effects on soil infiltration［J］．Acta Ecologica Sinica，2013，33(5):1535．(in Chinese)

［27］王國梁，劉國彬．黃土丘陵區(qū)長芒草群落對土壤水分入滲的影響［J］．水土保持學(xué)報，2009，23(3):227． Wang Guoliang，Liu Guobin．Effect of Stipabungeana communities on soil infiltration in soil profile in loess hilly region［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2009，23(3):227．(in Chinese)

［28］徐少君，曾波，類淑桐，等．三峽庫區(qū)幾種耐水淹植物根系特征與土壤抗水蝕增強效應(yīng)［J］．土壤學(xué)報，2011，18(1):160．Xu Shaojun，Zeng Bo，Lei Shutong，et al．Root features of several flooding-tolerant plants and their roles in enhancing anti-erodibility of the soil in Three Gorges Reservoir region［J］．Acta Pedologica Sinica，2011，18(1): 160．(in Chinese)

［29］吳明作，趙勇，楊喜田，等．河南省淮河流域不同土地利用方式近地表層的水文效應(yīng)［J］．中國水土保持科學(xué)，2014，12(3):30．Wu Mingzuo，Zhao Yong，Yang Xitian，et al．Hydrological effect of near surface soil under different landuse types in Huaihe River Reaches in Henan Province［J］．Science of Soil and Water Conservation，2014，12(3): 30．(in Chinese)

［30］Lange B，Germann P F，Lüscher P．Greater abundance of Fagus sylvatica in coniferous flood protection forests due to climate change:impact of modified root densities on infiltration［J］．European Journal of Forest Research，2013(132):151．

Effects of surface root system on soil infiltration at different vegetation types in Danjiangkou Reservoir area

Yan Dongfeng，Wang Decai，Yang Xitian
(College of Forestry，Henan Agriculture University，450002，Zhengzhou，China)

Abstract:［Background］Forest vegetation plays a key role in soil erosion in Danjiangkou Reservoir area，and different vegetation has different ability on soil infiltration．Soil hydraulic properties drive water distribution and availability in soil．There exists limited knowledge of how plant growth especially surface root might influence soil hydraulic properties．Roots growing near the soil surface may influence soil detachment，and modify the properties of soil in their immediate vicinity．［Methods］To investigate the effects of root on soil infiltration capacity，the soil and root(two layers of 0－10 cm and 10－20 cm)of 35 samples representing the main vegetation types in Danjiangkou Reservoir area were surveyed and analyzed．The root structure characteristics and its influence on soil infiltration were studied，and the methods of modeling，correlation analysis and regression were introduced．［Results］The soil infiltration capacity of 0－10 cm soil layer of different vegetation types were higher than that of 10－20 cm．Soil initial infiltration rate and soil steady infiltration rate of 0－10 cm and 10－20 cm soil layer showed the same trend of the broadleaf forest＞coniferous and broadleaf mixed forest＞shrub＞coniferous forest．Soil infiltration rate and soil steady infiltration rate had significant linear correlation with root lengthdensity and root surface area density among different vegetation types．The index of soil infiltration had significant correlation with root structure parameters of different root diameter ranged from 0.5 to 5 mm (P＜0.05)．Kostiakov infiltration model，Philip infiltration model and Horton infiltration model stimulated the soil infiltration processing，and in Kostiakov infiltration model，root length density and root surface area density of different root diameter ranged from 0.5 to 5 mm presented the positive correlation with b values and negative correlation with a value．Root length density，root volume density and root biomass had significant correlation relation with the indexes of soil infiltration，which could be used to study the relation of root distribution and soil infiltration．The results indicated that vegetation types significantly affected soil infiltration，and coniferous and broadleaf mixed forest as well as broadleaf forest were better in soil infiltration and root structure．Root at diameter of 0.5－5 mm played the key role in the root system on soil infiltration capacity．［Conclusions］The study promotes better understanding of surface root in different vegetation types and its influence on the soil infiltration，and suggests that coniferous and broadleaf mixed forest，and broadleaf forest should be protected，and shrub and coniferous forest should be transformed to promote the soil and water conservation capacity in Danjiangkou Reservoir area．

Keywords:vegetation type;soil infiltration;root characteristics;infiltration model;root diameter class; Danjiangkou Reservoir area;Henan Province

中圖分類號:S157

文獻標志碼:A

文章編號:1672-3007(2016)03-0035-10

DOI:10．16843/j．sswc．2016．03．005

收稿日期:2015 11 10修回日期:2016 04 19

第一作者簡介:閆東鋒(1979—)，男，博士，副教授。主要研究方向:數(shù)量生態(tài)學(xué)與森林水文。E-mail:ydflx@henau．edu．cn