鄧佳楠, 張 軍, 劉澤彬, 劉 帆, 郭建斌, 馬水蓮

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083; 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護研究所/國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 北京 100091; 3.六盤山林業(yè)局西峽國有林場, 寧夏 固原 756400)

土壤飽和導(dǎo)水率是表征土壤入滲能力的重要指標(biāo)，也是坡面土壤水分的運動的主要影響因素[1]。通常，土壤飽和導(dǎo)水率與土壤的物理性質(zhì)、土地利用類型等密切相關(guān)[2]。受坡面立地條件差異的影響，土壤飽和導(dǎo)水率存在很大的空間變異。因此，準(zhǔn)確理解坡面土壤飽和導(dǎo)水率的空間變異特征及其影響因素對于深入理解坡面產(chǎn)流形成機制及坡面尺度效應(yīng)具有重要意義。

土壤飽和導(dǎo)水率的空間變異已經(jīng)開展了較多研究。趙春雷等[3]在黃土高原草地坡面的研究表明，0—10 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率具有明顯的空間變異性；王峰等[4]在紅壤丘陵區(qū)油茶林坡地得出飽和導(dǎo)水率有較強的變異性；張川等[5]發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)的灌叢坡地的飽和導(dǎo)水率有明顯的空間的自相關(guān)性。土壤性質(zhì)是影響土壤飽和導(dǎo)水率空間變異的主要因素，但受植被類型、土地利用方式等影響，也存在較大差異。如付同剛等[6]得出土壤石礫含量是影響喀斯特小流域土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因素；Duan等[7]發(fā)現(xiàn)大孔隙是影響崩崗花崗巖坡面土壤飽和導(dǎo)水率的主要因子；王賢等[8]發(fā)現(xiàn)土壤黏粒、容重、非毛管孔隙度是影響重慶四面山土壤飽和導(dǎo)水率的主要因子；黃婉霞等[9]得到砂粒含量，非毛管孔隙度、容重和黏粒含量是南方花崗巖丘陵區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率的主要影響因子。對坡面飽和導(dǎo)水率的空間變異的研究多集中在荒地、草地、灌木等植被類型，對于森林坡面關(guān)注較少。另外，受土壤性質(zhì)分層差異的影響，不同土層深度下的土壤飽和導(dǎo)水率空間變異特征也有所不同，但目前還缺乏系統(tǒng)研究。

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)作為六盤山地區(qū)的主要造林樹種，在水源涵養(yǎng)、保持水土等方面發(fā)揮了重要作用。探討坡面土壤飽和導(dǎo)水率的空間變異及其影響因素對于深入理解華北落葉松林坡面入滲、產(chǎn)流機制具有重要意義。為此，本研究在六盤山香水河小流域的華北落葉松林坡面，設(shè)置3條樣線，沿每條樣線調(diào)查不同土層深度下的土壤飽和導(dǎo)水率，并測定土壤物理性質(zhì)，利用經(jīng)典統(tǒng)計和地統(tǒng)計的方法，分析不同土層土壤飽和導(dǎo)水率的空間變異特征，并揭示影響其空間變異的主導(dǎo)因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原西部的六盤山香水河小流域(35°27′22.5″—35°33′29.7″N，106°12′10.6″—106°16′30.5″E)，面積為43.7 km2，海拔范圍2 010～2 942 m；屬暖溫帶半濕潤氣候，年均氣溫6.0℃，年均空氣濕度60%～70%，年均降水量618 mm，集中在6—9月，無霜期100～130 d。土壤類型主要為山地灰褐土，厚度為30—100 cm，土壤石礫含量較高。植被類型主要以天然次生林和人工林為主，華北落葉松作為該區(qū)主要的人工林樹種，占人工林總面積的90%。

選取東南坡向的同齡(39 a，2020年)華北落葉松人工林坡面。海拔范圍2 259～2 478 m。平均坡度為27.8°。坡面生長著林齡為39 a的華北落葉松人工純林。林分密度為822株/hm2。平均樹高17.1 m，平均胸徑19.8 cm。林下灌木稀少，覆蓋度在5%左右，以蒙古莢迷(Viburnummongolicum)、秦嶺小檗(Berberiscircumserrata)為主。草本多為東方草莓(Fragariaorientalis)和華北苔草(Carexhancokiana)，覆蓋度在40%左右。

1.2 土壤物理性質(zhì)測定

于2020年9月，沿坡設(shè)立3條樣線，樣線間距15 m；每條樣線自上而下每隔30 m設(shè)置一個取樣點，3條樣帶共設(shè)取樣點48個。用200 cm3體積的環(huán)刀在各個樣點按0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土層的中部取原狀土樣，取樣時環(huán)刀豎直向下(與土壤垂直水分運動方向一致)。帶回室內(nèi)后，先測定最大持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度等物理性質(zhì)指標(biāo)，然后用雙環(huán)刀有壓入滲法測定土壤飽和導(dǎo)水率，用烘干法測定土壤容重，最后用排水法測定石礫含量。

1.3 空間變異分析

對數(shù)據(jù)進行平方根變換，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后的飽和導(dǎo)水率在研究范圍內(nèi)符合隨機分布特征。在經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)中，變異系數(shù)CV是對變異特征分析的衡量參數(shù)。變異系數(shù)CV來表示變異程度的強弱，變異程度的等級劃分為弱變異(CV≤ 0.1)、中等變異(0.1

地統(tǒng)計學(xué)中常用半方差函數(shù)作為空間格局的分析方法。半方差函數(shù)基本參數(shù)為塊金值(C0)、基臺值(C0+C)和變程(a)。塊基比〔C0/(C0+C)〕用來判斷變量空間自相關(guān)的程度，塊基比>0.75，表示弱空間自相關(guān)；0.25～0.75表示中等空間自相關(guān)；<0.25，表示強空間自相關(guān)。變程(a)是變量空間自相關(guān)范圍大小的參數(shù)。兩點空間距離越大，空間自相關(guān)性越弱。當(dāng)兩點空間距離大于變程后，兩點的空間自相關(guān)性就不存在。

利用GS+9.0軟件進行半方差函數(shù)分析，利用 ArcGIS 10.3對不同土層土壤飽和導(dǎo)水率進行Kriging插值，繪制土壤飽和導(dǎo)水率Kriging空間分布圖。

1.4 統(tǒng)計分析

利用SPSS 26.0軟件進行Pearson相關(guān)分析，分析土壤飽和導(dǎo)水率與容重、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度及石礫含量的關(guān)系，確定其空間變異的主要影響因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面土壤飽和導(dǎo)水率基本統(tǒng)計特征

由表1可知0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率變化范圍分別為0.09～3.22，0.09～3.76，0.03～6.29，0.02～3.75，0.06～4.06 mm/min，平均值為0.67，0.71，0.93，1.06，1.10 mm/min，變異系數(shù)為0.86，0.95，1.15，0.85，0.83，40～60土層土壤飽和導(dǎo)水率為強變異，其他土層均為中等變異。

表1 土壤飽和導(dǎo)水率的統(tǒng)計特征

2.2 坡面土壤飽和導(dǎo)水率的空間變異特征

2.2.1 土壤飽和導(dǎo)水率的半方差函數(shù)分析 土壤飽和導(dǎo)水率的半方差函數(shù)在不同土層存有差異(表2)，0—20 cm土層為線性模型，20—40，40—60，60—80 cm土層為指數(shù)模型；80—100 cm土層為高斯模型。各層土壤飽和導(dǎo)水率塊金值均為正值；0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土層的塊基比分別為0.710，0.132，0.128，0.135，0.349，表明土壤飽和導(dǎo)水率在0—20，80—100 cm土層屬中等空間自相關(guān)性，在20—40，40—60，60—80 cm屬強空間自相關(guān)性。各層土壤飽和導(dǎo)水率變程分別為30.9，27.3，11.4，21.0，26.5 m。隨土層的加深，空間自相關(guān)范圍先減后增，0—20 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率的空間自相關(guān)范圍最大，其次是20—40，80—100，60—80 cm土層，40—60 cm土最小。

表2 土壤飽和導(dǎo)水率的半方差函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)

2.2.2 坡面土壤飽和導(dǎo)水率的空間分布格局 圖1為坡面土壤飽和導(dǎo)水率的空間分布格局圖。由圖可知，坡面土壤飽和導(dǎo)水率有明顯的空間異質(zhì)性。0—20 cm土層飽和導(dǎo)水率層次分明，空間分布格局呈條帶狀。飽和導(dǎo)水率極大值出現(xiàn)在坡面底部。由坡底到坡頂，土壤飽和導(dǎo)水率逐漸變小。20—40 cm土層空間分布斑塊較大，相比其他土層，連續(xù)性較好。40—60 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率較小，但斑塊狀小且多，空間格局較復(fù)雜。60—80 cm土層空間分布格局最為復(fù)雜，斑塊小且多，連續(xù)性較差。80—100 cm土層斑塊較大，空間異質(zhì)性較強。整體而言，土層越深，斑塊越小且越多，斑塊狀越明顯，土壤飽和導(dǎo)水率空間分布格局較復(fù)雜。坡面中上部土壤飽和導(dǎo)水率較小，下部飽和導(dǎo)水率較大。各土層的極值均出現(xiàn)在坡面的邊緣。

2.3 坡面土壤飽和導(dǎo)水率空間變異的影響因素

土壤飽和導(dǎo)水率與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性分析見表3，土壤飽和導(dǎo)水率與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性表現(xiàn)為土壤毛管孔隙度>田間持水量>石礫含量>毛管持水量>非毛管孔隙度。土壤飽和導(dǎo)水率與石礫含量呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)、與非毛管孔隙度呈顯著(p<0.05)正相關(guān)、與毛管持水量、田間持水量和毛管孔隙度呈極顯著(p<0.01)負相關(guān)。與容重、最大持水量、總孔隙度不相關(guān)。

3 討 論

研究坡面0—100 cm土壤飽和導(dǎo)水率均值為0.89 mm/min，高于其他地區(qū)的人工林坡面[11]，表明華北落葉松人工林坡面土壤透水能力較好。土壤飽和導(dǎo)水率最大值出現(xiàn)在40—60 cm土層，說明該土層透水性較好。隨土層的加深，土壤飽和導(dǎo)水率均值逐漸增大，這與劉春利等在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)得到的隨土層加深，土壤飽和導(dǎo)水率呈下降的趨勢[12]的結(jié)論有所不同，這可能與不同地區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)、植被條件不同有關(guān)。本研究中，由于華北落葉松根系主要分布在0—60 cm土層，加之表層草本、灌木等根系的分布，0—60 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率受根系影響較大，植物根系可增大土壤孔隙度，進而影響土壤飽和導(dǎo)水率，這可能是土壤飽和導(dǎo)水率隨土層深度增加逐漸增大的一個原因；另外，研究區(qū)地貌類型為黃土區(qū)—土石山區(qū)的過渡帶，60—100 cm土層多為土壤母質(zhì)層，石礫含量隨土層深度增加逐漸增高，進而使得土壤飽和導(dǎo)水率也變大。土壤飽和導(dǎo)水率的變異系數(shù)隨土層加深同樣表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，40—60 cm土層最大，這可能是石礫含量和根系生物量對土壤孔隙綜合作用的結(jié)果。

圖1 土壤飽和導(dǎo)水率的空間分布格局

表3 土壤飽和導(dǎo)水率與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

各土層土壤飽和導(dǎo)水率均具有較明顯的基臺值，變化范圍在0.047～0.220，說明1 m土層范圍內(nèi)的土壤飽和導(dǎo)水率具有明顯的空間依賴性。各土層基臺值總體小于劉春利等[12]在黃土高原風(fēng)蝕水蝕交錯區(qū)的研究結(jié)果以及張川等[5]在喀斯特灌叢坡面的研究結(jié)果。這可能是相較于灌叢坡面和草地坡面，森林坡面土壤飽和導(dǎo)水率空間分布格局更加穩(wěn)定。隨土層的加深，塊金值先減小后增大，在80—100 cm土層最大，表明該層土壤飽和導(dǎo)水率的隨機誤差最大。20—40，40—60，60—80 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率呈強空間自相關(guān)，0—20，80—100 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率呈中等空間自相關(guān)，這不同于黃土高原風(fēng)蝕水蝕交錯區(qū)的結(jié)果。這是因為森林坡面土壤受到喬木、灌木、草地綜合作用，空間自相關(guān)程度比起單一植被結(jié)構(gòu)的草地坡面更弱。變程可以反映空間自相關(guān)范圍的大小[13]。各土層變程呈先減小后增大的趨勢。在0—20 cm土層最大，40—60 cm土層最小。因此，在實際的采樣過程中，應(yīng)減小0—20 cm土層的采樣密度，適當(dāng)增大采樣間距，增大40—60 cm土層的采樣密度，減小采樣間距。除80—100 cm土層外，土壤飽和導(dǎo)水率沿坡面自下而上呈遞減趨勢。這可能是由于土壤飽和導(dǎo)水率受地形條件、植被等的綜合影響，下坡位相比上坡位地形更陡峭，石礫含量更多，人類活動更加劇烈，導(dǎo)致下坡位土壤飽和導(dǎo)水率空間格局斑塊狀更為明顯。隨土層的加深，土壤飽和導(dǎo)水率空間結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。這可能與不同土層石礫含量的坡面空間分布差異明顯有關(guān)。各土層極值均出現(xiàn)在坡面邊緣，這可能是因為坡面邊緣地形復(fù)雜多變，地形對坡面水分運動、土壤機械組成、植物根系等空間分布格局有重要影響，進而影響土壤飽和導(dǎo)水率。

土壤物理性質(zhì)是影響土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因素，但在不同植被和土壤質(zhì)地下的影響因素也存在差異。如土壤容重和毛管孔隙度是影響晉西黃土丘陵區(qū)主要人工林土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子[14]。最大持水量、毛管孔隙度、砂礫和土壤容重是影響黃土高原六道溝小流域草地和林地坡面土壤飽和導(dǎo)水率的主要因素[15]。本研究中，毛管孔隙度、田間持水量、石礫含量、毛管持水量和非毛管孔隙度是影響華北落葉松人工林土壤飽和導(dǎo)水率的主要因子，這與許振欣等[11]在南亞熱帶典型人工林的研究結(jié)果相似。土壤毛管孔隙度越大，土壤中的毛管力越大，懸浮在土壤中的毛管水聚集，土壤吸水能力變強，導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率變小[16]；非毛管孔隙度越大，土層中的水分下滲速度越快，土壤飽和導(dǎo)水率越大[17]；石礫間的間距會讓土壤中非毛管大孔隙增加，進而使土壤通透性變好，土壤飽和導(dǎo)水率增加[6]；田間/毛管持水量的增加，利于土壤水分的保持，土壤下滲的水量將變小，導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率變小[18]。

本研究中，只探討了土壤物理性質(zhì)對土壤飽和導(dǎo)水率的影響，但有機質(zhì)含量、土壤質(zhì)地(粉粒、砂粒、黏粒)、地形因子會對土壤導(dǎo)水性能也有重要影響[19-21]。在未來的研究中還需考慮有機質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)和地形因子的影響。

4 結(jié) 論

(1) 華北落葉松人工林坡面土壤飽和導(dǎo)水率變化范圍為0.02～6.29 mm/min，且隨土層的加深，逐漸增大。40—60 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率的變異最大，屬強變異，其他土層均為中等變異。

(2) 土壤飽和導(dǎo)水率在0—20，80—100 cm土層屬中等空間自相關(guān)性，在20—40，40—60，60—80 cm屬強空間自相關(guān)性。隨土層的加深，空間自相關(guān)范圍先減后增，在0—20 cm土層最大，在40—60 cm土層最小。

(3) 石礫含量、非毛管孔隙度、毛管持水量、田間持水量和毛管孔隙度是影響研究坡面土壤飽和導(dǎo)水率的主要因素。