晋西不同土地利用方式下土壤饱和导水率的影响因素

张君玉，程金花，吕湘海，张友焱，王彬俨，5，孙 龙，6

（1.北京林业大学 水土保持学院，北京 100083；2.北京良乡蓝鑫水利工程设计所，北京 102488；3.中国国际工程咨询公司，北京 100044；4.中国林业科学研究院 荒漠化研究所，北京 100091；5.中国科学院水利部 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；6.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

土壤饱和导水率是土壤重要的水力参数之一［1］。坡面近地表土壤水分条件对径流形成和侵蚀发生有重要的影响［2］。近年来，国内外学者对土壤饱和导水率的研究有了一定的成果，Helalia［3］认为，田间土壤入渗土壤的有效孔隙度与饱和导水速率之间存在显著的相关关系，蒋定生等［4］研究认为，随土壤深度的增加，土壤入渗能力急剧下降，土壤入渗能力与表层土壤容重关系密切，在渗透率较大的坡面上，入渗速率与坡度成反比关系。袁建平等［5］研究认为，土地利用方式不同，坡面土壤稳渗速率存在较大差异。赵西宁等［6］研究发现，坡面耕作措施可有效地提高土壤入渗速率，延缓坡面径流，是控制坡耕地水土流失的有效措施。

在黄土丘陵区，植被是影响土壤性质最积极的因素［7］，特别是土壤密度，饱和导水率等土壤物理性质。合理的植被措施的实施可以有效改善土壤水力特性［8］。本研究针对晋西黄土丘陵区多级生物防护体系中，林地、农地、地埂、荒地4种土地利用方式下的土壤，研究其表层饱和导水率的影响因素，为提出适于该区坡面水土保持生物防护技术体系和生物防护技术措施优化配置模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省中阳县的车鸣峪林场，属黄河流域典型的半干旱黄土丘陵区，东经111°04′—111°21′、北纬37°03′—37°20′。该区属暖温带亚干旱区，具明显的大陆性季风气候，多年平均降水量为500～550mm，降雨集中在7—9月份（占全年降水量的70%以上），平均蒸发量为1019 .7mm，年平均气温6℃，极端最高气温35.6℃（1994年6月16日），极端最低气温－24.3℃（1980年1月30日），无霜期125～150d，≥10℃年积温为2500 ～3000 ℃。土壤以褐土居多，其次是棕壤，发育差、水土流失严重。植被区划上属于森林草原灌丛植被区。多级生物防护体系是指针对坡耕地所处的不同地貌部位及其对阻控水土流失的要求与差异，形成坡面顶部和坡面上部集流防止击溅侵蚀和面蚀，坡面中部防蚀保土、坡面中下部蓄水拦土、沟道防止下切侵蚀和重力侵蚀的防护体系。晋西黄土丘陵区多级生物防护体系可以归纳为，一级生物防护是坡上林地防护，大部分为人工林，现有树种少，林地大部分是疏林地，林分稳定性差；二级生物防护是坡中梯田农耕地及生物地埂防护，农作物的间作模式非常多；三级生物防护是指坡底林地灌木防护，黄土区侵蚀情况非常严重，沟底形态各异，有平坦地势地区也被种植农作物，大部分为荒地裸地，自然生长小乔木、小灌木和各类草本。研究区环境因子详见表1。

表1 研究区环境因子

1.2 研究方法

1.2.1 土样采集与理化性质测定 在每块样地的坡上、坡中和坡下随机布设3个土壤采样点，开挖土壤剖面，按照0—20cm，20—40cm分2层进行土样采集（环刀192.42cm3，规格直径7cm，高5cm）。室内测定土壤的物理化学性质［9］。土壤颗粒组成采用简易比重计法，并参照国际制来划分土壤质地类型。采用环刀浸透法测定土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。采用人工筛分法测定土壤结构。经风干、磨细、过筛后，土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定。

1.2.2 饱和导水率的测定 采用定水头饱和导水率测定法测定［10］，测定装置如图1所示。首先使用ST－70A型渗透仪专用环刀（高3.85cm，直径6.15 cm）在样地取土，然后在室内靠近水源处安装ST－70A型土壤水分渗透仪，以马氏瓶控制定水头，水头高度23.1cm，安装完毕后放水开始渗透。前3min每隔10s测定水分出流体积，接下来2min每隔30s测定水分出流体积，此后每5min测定水分出流体积至稳定为止。

根据下式可计算土壤饱和导水率Ks:

式中:H——进水口的水头高度（cm）；V——出水口水分出流量（ml）；t——水分出流时间（s）；L——土柱长度（cm）；A——土样横截面积（cm2）。

各样地的试验在不同温度下进行，为了使温度条件对所测得的饱和导水率的值影响降低，按公式（2）将试验测得对应温度为t℃下的饱和导水率换算成10℃时的饱和导水率K10。

式中:K10——温度为10℃时的饱和导水率（mm·min－1）；Kt——温度为t℃时的饱和导水率（mm／min）。

图1 定水头法测定土壤饱和导水率装置

1.2.3 数据处理 采用单因素方差分析（one－way ANOVA）进行显著性分析，并在差异显著时进行多重比较（p＜0.05，LSD，t检验）。以用Pearson相关系数和Spearman秩相关系分析法分析土壤因子与土壤饱和导水率之间的相关性［11－12］。应用多元逐步回归对饱和导水率与土壤物理因子的关系进行分析，比较各因子的作用大小。实验数据采用Excel，Sigma plot 12.0和SPSS 20.0统计软件完成。

2 结果与讨论

2.1 饱和导水率实验结果

土壤不同层次、不同土地利用方式以及不同样地的平均饱和导水率分别如图2—4所示。由图中可以看出:（1）在4种土地利用方式下，浅层土壤相比于更深层土壤，均表现出较高的饱和导水率；（2）对于同一土壤层次而言，林地土壤的饱和导水率最大，地埂和农地土壤次之，荒地土壤最小；（3）林地土壤的饱和导水率在不同土层间的差异较大，而地埂和农地土壤的这一差异并不十分明显，荒地土壤的这一差异则更小；（4）而农地中不同的作物种植模式下的数值差异较大，典型的4种间作方式相比较，苹果玉米的间作方式对土壤饱和导水率的响应值比较大，另外地埂类型下混合地埂的土壤表层Ks数值相对较大，单一植物地埂次之。

图2 土壤不同层次平均饱和导水率

图3 不同土地利用方式下土壤平均饱和导水率

图4 不同土地利用方式下土壤各层次饱和导水率

2.2 饱和导水率与土壤理化性质的关系

2.2.1 饱和导水率与土壤物理因子的关系 相关分析表明，土壤饱和导水率与各土壤物理因子之间有不同程度的相关性［13］，受土壤有效孔隙分布、容重、质地以及有机质含量等因素的影响［14］。受因子间相互影响的作用，简单的相关系数往往不能正确反映它们之间的关系。为了筛选出影响饱和导水率变化的相对重要的因子，以饱和导水率为因变量，选取土壤容重、初始含水率、干筛＜0.25mm砂粒含量、＞0.25 mm水稳性团聚体含量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度等7个指标作为预测变量，采用数理统计方法进行多项逐步回归，拟合结果为:

式中:Y——饱和导水率（mm／min）；X1——非毛管孔隙度（%）；X2——容重（g／cm3）；X3——＞0.25 mm水稳性颗粒含量（%）。df＝71，R2＝0.840，sig.＜0.001，表明方程达到显著水平，该多元线性回归结果表明非毛管孔隙度、土壤容重和＜0.25mm水稳性团聚体含量是影响饱和导水率的主要因子。

非毛管孔隙又称大孔隙，主要是土壤中直径大于0.1mm的孔隙。回归分析表明非毛管孔隙度是影响土壤饱和导水率最显著的因素，二者成正相关关系，相关系数为0.62。其原因在于，大孔隙是因土壤颗粒大、排列疏松而形成，其数量取决于土壤的结构性。大孔隙经常充满空气，仅在重力水大量存在时才有水分填充，不具有持水能力，一般而言，较多的大孔隙能使土壤通气、透水。

土壤容重是单位体积自然状态下土壤的干重。容重越小土壤结构就越松，水分就可以更流畅地沿土壤层次延垂直方向向下运动，对这种水分的垂直运动土壤起到的拦截作用减弱，从而提高了土壤水分入渗速率，也提高了土壤饱和导水速率。通过数据分析表明，土壤容重与饱和导水率成显著的负相关关系，相关系数为－0.532。

水稳性团聚体是抗水力分散的土壤团聚体，持水性能良好，水分不易通过，水稳性团聚体（＞0.25 mm）的含量越高越容易持水，导致水分入渗速率降低，从而降低了土壤饱和导水率。通过数据分析表明，土壤容重与饱和导水率成显著的负相关性，相关系数为－0.526。

通常情况下土壤的初始含水率越小，水分入渗的速率就越大，但是随着时间的推移，其对最终达到稳渗的速率影响不大，所以在对饱和导水率与初始含水率做相关分析时，不能得出显著的相关关系，土壤的初始含水率对入渗的过程有重要的影响。

一般来说，土壤质地越粗，水分渗透特性越强。通过对研究地砂土、粉土、壤土的饱和导水率分析，可以看出不同土壤质地的饱和导水率排序为:砂土＞粉土＞壤土。

2.2.2 饱和导水率与土壤有机质的关系 土壤中形成的和外部加入的所有动、植物残体不同分解阶段的各种产物和合成产物的总称，是土壤固相部分的重要组成成分。对土壤饱和导水率与有机质做Pearson相关性检验，饱和导水率的大小与有机质含量呈显著的正相关关系，分析可能的原因在于，一是有机质的增加可以改善土壤的通气透水性能，改变土壤的容重、孔隙度，使水分更易入渗；二是有机质的增加可以改变土壤颗粒组成，通过有机大分子胶结土壤颗粒，使土壤大颗粒含量增加、颗粒间孔隙增大，使水分更易入渗，从而提高土壤饱和导水率，所以说土壤的有机质含量通过影响饱和导水率的物理性质而成为影响的根本动力。

2.3 不同土地利用方式对土壤饱和导水率的影响

由图2可以看出，分析产生这种现象可能的原因与土壤表层随深度增加土壤的物理化学性质产生了变化，随土壤深度增加，土壤容重增加，土壤孔隙度减少，土壤有机质含量下降；分析图3可知，林地的浅层土壤的饱和导水率最高，可能的原因是它有枯枝落叶层，枯落物为腐殖化过程提供了充足的物质来源，有机质含量多，使总团聚体含量高，土壤变得松散，孔隙度增加，所以导水率最高。

不同土地利用方式土壤的饱和导水率、容重、非毛管孔隙度、＞0.25mm水稳性团聚体含量、有机质含量的平均值如表2所示。有机质含量排序为:林地＞地埂＞农地＞荒地，容重大小顺序为:荒地＞地埂＞农地＞林地，非毛管孔隙度排序为:林地＞农地＞荒地＞地埂，小于0.25mm水稳性团聚体含量排序为:荒地＞农地＞地埂＞林地，也可以很直观地看出土壤物理化学性质通过数理统计分析得出的影响结果。

表2 不同土地利用方式土壤的饱和导水率及其影响因子

3 结论

（1）土壤饱和导水率随深度增加而下降。各地类土壤饱和导水率大小表现为:林地＞地埂＞农地；土壤饱和导水率与非毛管孔隙呈显著正相关关系，与土壤容重呈显著负相关关系，与＜0.25mm水稳性团聚体含量呈显著负相关关系。土壤饱和导水率与土壤有机质含量呈显著正相关关系，有机质可以改善土壤的通气透水性能，改变土壤颗粒组成，有机质含量还通过影响饱和导水率的物理性质而成为影响的根本动力。

（2）土壤饱和导水率是表征土壤通透性的一个综合指标，通过对晋西黄土丘陵区多级生物防护体系下不同土地利用方式土壤饱和导水率的观测和实验，仅从这一指标的几个影响因子上来进行改良应因地制宜地进行人工林的营建。一级防护中的林地营建应该加强，而二级防护的坡耕地应增加地埂植物篱的防护，三级防护中选择沟底平坦肥沃的土地种植农田，为减少荒地可选择栽植人工灌木林或播撒草籽。不同的生物防护级别通过对植被分布配置的改变使土壤物理化学性质得以改良。

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