豫西低山丘陵区不同植被恢复类型表层土壤入渗规律

彭舜磊　陈昌东　刘沛松等

摘要：采用双环入渗法研究了豫西低山丘陵区6种不同植被恢复类型表层土壤入渗规律的差异，并选择Kostiakov公式、Horton公式和Philip公式对6种类型植被恢复土壤的入渗过程进行了模拟。结果表明：①不同植被恢复类型土壤的初渗率、稳渗率、孔隙度和含水量均存在显著差异（P<0.01），初渗率和稳渗率均表现出栓皮栎次生林>栓皮栎人工林>刺槐人工林>侧柏人工林>灌丛>荒草地的规律；②Philip公式对6种植被恢复类型土壤入渗过程的拟合精度最高，6种植被恢复类型土壤入渗过程呈现出相似的规律，可分为瞬变阶段（0～15 min）、渐变阶段（15～30 min）和稳定阶段（30 min后）；③土壤的物理性质影响入渗率，稳渗率与土壤容重呈负相关，符合负指数曲线；林地由于土壤容重降低、孔隙度增加的缘故，其土壤入渗率明显高于荒草地。运用封育天然次生林和乡土树种人工林进行植被恢复有利于提高土壤的入渗性能。

关键词：低山丘陵区；土壤入渗； 土壤容重； 入渗模型；植被类型；豫西

中图分类号：S714.7 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）07-1549-04

土壤入渗率是指单位时间、单位面积土壤表面入渗的水量，是描述土壤水分入渗快慢极为重要的土壤物理参数之一[1]。很多研究表明，土壤渗透性能愈好，地表径流就愈小，土壤的侵蚀量也愈少[2-5]。因此，探讨不同植被恢复类型下土壤水分的入渗性能，对于研究低山丘陵地区坡面径流的产流机理、大气-土壤-植被连续体（SPAC）中水分传输转化过程具有重要意义[6，7]。近年来，许多学者建议将“增加土壤入渗能力，就地拦蓄降雨径流”作为水土保持的重要战略决策[6]。土壤入渗性能与植被类型和土壤质地、结构、地面坡度、土壤剖面含水量有关，并随入渗时间的推移逐渐降低，最终趋于一个常数，即稳定入渗率[8-10]。植被通过改善地表土壤结构，促进降雨入渗、减少地表径流[11，12]。

由于人类长期农耕活动干扰，豫西低山丘陵地区原生植被几乎破坏殆尽，水土流失严重，生态环境脆弱。该区域沟谷纵横，水系发达，水库较多，降雨集中，暴雨频繁，地表径流量与土壤流失量关系密切。自1998年以来，该区先后实施了大规模的天然林保护工程和退耕还林工程，植被恢复效果明显，森林覆盖率显著提高，植被下垫面发生明显变化。本研究以豫西低山丘陵地区6种不同的植被恢复模式为研究对象，通过对其表层土壤入渗率的测定与模拟，旨在揭示不同植被恢复类型土壤入渗规律，为低山丘陵地区水土保持、植被恢复及生态环境建设提供科技支撑与理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选择在豫西伏牛山东麓鲁山县低山丘陵地区，气候属于北亚热带向暖温带过渡区，年均气温14.7 ℃，年均降雨量1 000 mm，年蒸发量1 100 mm。土壤类型为黄棕壤，质地粘重，透水透气性差，水土流失严重，土壤侵蚀模数4 979 t/km2，年均土壤流失总量267.3 t/km2 [13]。地带性植被是栎属落叶阔叶林，由于人类干扰，地带性植被破坏严重，现存植被大都为次生林和人工林，主要植被类型有栓皮栎次生林、栓皮栎人工林、刺槐人工林、侧柏人工林、灌丛和荒草地等。

1.2 方法

1.2.1 样地设置 在库区的西南坡分别选取坡度、坡向和海拔基本相同的栓皮栎次生林、栓皮栎人工林、刺槐人工林、侧柏人工林、灌丛和荒草地6个植被恢复类型，在同一植被类型内设置3个20 m ×20 m的样地（表1），每个样地随机设取样点3个，在每个取样点除去土壤表面的枯枝落叶层，采用双环入渗法测量0～10 cm的土壤入渗率[14]，然后用环刀取土样备测土壤容重和总孔隙度，另外用土钻取土样备测土壤含水量。

1.2.2 土壤水分入渗指标测试与计算 土壤容重采用环刀法，总孔隙度通过土壤容重与土壤密度计算，土壤含水量采用烘干法（105 ℃，10 h）[15]。

1.2.3 土壤入渗模型 选择3个著名的土壤入渗模型对不同植被恢复类型的土壤入渗过程进行模拟[12]，3个入渗模型公式如下：

1）Kostiakov公式：i=at-b

2）Horton公式：i=ic+（i0-ic）×e-βt

3）Philip公式：i=1/2×at-1/2+b

以上各式中：i为入渗率（mm/min）；i0为初渗率（mm/min）；ic为稳渗率（mm/min）；t为入渗时间（min）；a，b，β，n为参数。

2 结果与分析

2.1 不同植被恢复类型表层土壤入渗率

由图1可知，不同植被恢复类型的土壤入渗率存在较大差异，栓皮栎次生林土壤入渗率最高，其次是栓皮栎人工林，荒草地最低。入渗过程可分为3个阶段：①瞬变阶段（0～15 min）为渗透初期，各种植被类型土壤渗透率变化都很大；②渐变阶段（15～30 min）为过渡阶段，各植被类型的土壤渗透率逐渐变小；③稳定阶段（30 min后）的入渗率趋于稳定（图1）。各种植被类型土壤的初渗率和稳渗率存在显著差异，栓皮栎次生林的土壤初渗率和稳渗率分别为8.1和4.8 mm/min，显著高于其他植被类型。在人工植被恢复模式中，栓皮栎人工林土壤的初渗率和稳渗率最高，土壤容重和总孔隙度也呈现出同样的规律（表2，P<0.01）。

2.2 不同植被恢复类型表层土壤入渗过程模拟

分别采用Kostiakov、Horton和Philip公式对6种植被类型的土壤入渗过程进行模拟，各模型参数拟合值和相关系数如表3所示。3种入渗模型的拟合结果均较好，其中以Philip公式拟合的精度最高，相关系数均在0.93以上。

2.3 不同植被恢复类型土壤稳渗率与土壤容重的关系

由图2可知，试验区内土壤稳渗率与土壤容重的相关性极显著（P<0.01），其中，土壤稳渗率与土壤容重的关系符合负指数曲线，决定系数达到0.977 4。

3 结论与讨论

3.1 不同植被恢复类型表层土壤入渗规律

土壤孔隙度、含水量、初渗率、稳渗率均表现出栓皮栎次生林>栓皮栎人工林>刺槐人工林>侧柏人工林>灌丛>荒草地的规律， 而土壤容重表现出相反的规律。主要原因可能是次生林表层土壤受干扰小，枯枝落叶层较厚，根系发达，土壤有机质含量高，土壤动物活动频繁，所以土壤含水量、孔隙度和入渗率均最高，而土壤容重最小[7，10，16]。在人工林恢复模式中，乡土树种栓皮栎人工林下植被相对丰富，根系发达，土壤通透性较好，所以入渗率相对较高，荒草地土壤结构差，容重大，水土流失严重，入渗能力较其他植被类型弱[9]。

从土壤入渗的时间过程曲线分析，6种植被类型均呈现出相似的规律，即入渗率的变化过程分为瞬变阶段（0～15 min）、渐变阶段（15～30 min）和稳定阶段（30 min后）。瞬变阶段土壤入渗速率变化主要受土壤表面分子力的作用，入渗率与土壤初始含水量关系密切，渐变阶段主要受土壤毛管力的作用；稳定阶段土壤水分已经完全充满土壤孔隙，水分主要在重力作用下做渗透运动，最后达到稳定状态[1]。以往研究多采用稳渗率比较不同土地利用类型的土壤渗透性能，而忽视初渗率[2，3]。在一次降水，特别是短历时降水中，土壤初渗率越大，降水产生的地表径流越少，土壤拦蓄降水的作用就越强，此时的初渗率则更能反映土壤的渗透性能。

3.2 不同植被恢复类型层土壤入渗过程模拟

多年来，许多学者对土壤水分运动机制和过程等进行了大量研究，并试图通过确定某些参数与土壤特征之间的关系建立土壤水分入渗的数学模型。目前常用的入渗模型很多，大致分为两类，一类是经验公式，如Kostiakov公式和Horton公式等；另一类是物理模型，其特征参数与土壤物理性质间具有一定的关系，如Philip公式等[1]。本研究采用这3个著名的入渗模型对各植被类型土壤的入渗过程进行模拟。Philip公式比较适用于初始含水量较低、入渗时间不是很长的情况，本研究中6种植被土壤含水量的变化范围为12.35%～19.04%，含水量较低，到达稳渗的时间为30～40 min，入渗时间不长，满足Philip公式条件，所以Philip公式模拟精度最高。Kostiakov公式和Horton公式在入渗时间超过2 h 后精度才会更高，但是在本研究中，2个模型的拟合效果也较好。Kostiakov公式中的参数a在6种植被类型的变化范围为9.856～3.636，b的变化范围在0.194～0.641，a为经验入渗系数，相当于第一个单位时段内平均入渗速率，a值主要受土壤结构、孔隙度和非毛管孔隙度等影响；b值大小表示入渗速率随时间减小的程度，b值越大，则入渗速率随时间减小的程度越快[9]。a的最小值和b的最大值均出现在荒草地，说明荒草地的入渗率最小且入渗率随时间递减最快。Horton公式中ic代表稳渗率，栓皮栎次生林的ic值最大，为4.800 mm/min，ic值从栓皮栎次生林到荒草地依次降低。在Philip公式中，a值的变化范围为6.345～16.024，最大值出现在栓皮栎次生林，最小值出现在荒草地，该值的大小反映土壤入渗能力的大小。

3.3 不同植被恢复类型土壤稳渗率与土壤容重的关系

土壤水分入渗是一个复杂的水文过程，与降雨地表径流、表土结构、容重、土壤含水量关系密切[4，9，16，17]。很多研究表明，土壤入渗率与土壤容重呈显著的负相关[15，17]，与本研究的结果一致。土壤容重越大，土壤越紧实，孔隙度越小，透水、透气性越差，入渗率就越低[15]。荒草地由于植物稀疏，根系不发达，土壤结构较差，土壤容重较大，所以入渗率较低。在灌丛地内，由于木本植物较多，根系较荒草地发达，土壤的容重低于荒草地，故入渗率高于荒草地。栓皮栎人工林由于是乡土树种，林下植被丰富，根系发达，有机质丰富，对土壤的改善作用大于刺槐和侧柏人工林，故林下土壤容重较低，入渗率较高。栓皮栎次生林由于林下土壤受人为干扰较小，郁闭度高，具有丰厚的枯枝落叶层和有机质，土壤发育和通透性较好，所以容重最低，入渗率也最高。

在低山丘陵地区植被恢复建设中，应该保护现有的天然次生林，其林下的土壤具有较强的水分入渗和水源涵养能力。另外，在人工林植被恢复中，应该首先选择地带性植被和乡土树种，其林下可以吸引更多的乡土植被定居，并逐渐演替，形成与地带性植被相近的群落结构，促进林下土壤恢复，增加土壤的入渗与涵养水源的能力，同时土壤水分条件的改变也会促进植被的快速恢复。

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