衡阳紫色土丘陵坡地不同恢复阶段土壤渗透性研究与评价

杨满元， 杨 宁 ， 陈志阳， 林仲桂

(湖南环境生物职业技术学院a.实训中心;b.园林学院，湖南 衡阳421005)

土壤水分入渗过程是降水、地表水、土壤水与地下水相互转化过程的关键环节［1-2］，研究不同植被恢复阶段土壤水分入渗特性对于探讨其水文过程具有十分重要的意义［3-6］. 衡阳紫色土丘陵坡地是湖南省生态环境最为恶劣的地区之一，该区域植被稀疏，基岩裸露，生态环境十分恶劣，植被恢复十分困难，严重影响了该区域经济的持续发展［7，8］.本研究通过对衡阳紫色土丘陵坡地不同植被恢复阶段土壤水分入渗过程进行分析，为研究该区域水土流失特征提供依据，为该区域经济的可持续发展提供理论依据与技术指导.

1 研究区概况

该区域位于湖南省中南部，湘江中游，地理坐标为110°32'16″ ～113°16'32″E，26°07'05″ ～27°28'24″N，属亚热带季风湿润气候，年均温18 ℃，年均降雨量1 325 mm，年均蒸发量1 426.5 mm，紫色土面积有1.625 ×105hm2，呈网状集中分布于该区域中部海拔60 ～200 m 的地带.

2 研究方法

2.1 样地选择

结合当地的记载资料，采用“空间序列代替时间序列”的方法［9-10］，选择坡度、坡向、坡位和裸岩率等生态因子基本一致的坡中下部沿等高线的有代表性的样地:Ⅰ.草坡恢复阶段(Grassplot，GT)，Ⅱ.灌草恢复阶段(Frutex and grassplot，FG)，Ⅲ.灌丛恢复阶段(Frutex，FX)，Ⅳ. 乔灌恢复阶段(Arbor and frutex，AF)，代表不同植被恢复阶段，以裸露地为对照(CK)(表1).

表1 样地概况Tab.1 The description of experimental plots

2.2 研究方法

2.2.1 土壤基本物理性质测定

研究与2010年9 ～10月，在每个植被恢复阶段以土壤发生层次为基础，将土壤剖面分为3 层(0～15 cm，15 ～30 cm，30 ～45 cm)进行土壤样品的采集.室内测定各层次土样容重、孔隙度、机械组成与饱和导电率等(表2)［11］.

2.2.2 入渗测定及计算方法

土壤渗透性采用同心环法测定［12-14］，其测定指标包括初渗率、平均渗透速率与稳渗率. 为了便于比较，最初入渗时间定为5 min，渗透总量统一取前150 min 内的渗透量.

试验数据利用SPSS13.0 进行分析与处理.

表2 不同植被恢复阶段土壤物理性状Tab.2 The soil physical characteristics in different restoration stages

3 结果与分析

3.1 不同植被恢复阶段土壤与饱和导电率的关系

将表2 中的不同植被恢复阶段3个土层的土壤容重等有关的6个土壤物理因子与对应的饱和导电率进行相关分析，结果表明(见3)，不同植被恢复阶段土壤饱和导电率与土壤容重呈极显著负相关，与非毛管孔隙度呈现出极显著正相关，与粒径在2～0.25 mm 的含量呈显著正相关，与粒径＞2 mm 含量、粒径＜0.25 mm 含量以及毛管含量相关性不明显.其中与非毛管孔隙度的相关系数高于与土壤容重、粒径在2 ～0.25 mm 的含量的相关系数［15-19］.

3.2 不同植被恢复阶段土壤水分入渗过程

土壤水分入渗过程不仅是植被生态系统水分循环的重要环节，同时在植物发挥调配降雨，保持水土的过程有着重要的作用，因此，土壤渗透性是土壤水文物理性质的重要参数［20-21］.

表3 土壤物理因子与土壤饱和导电率的Spearman 秩相关分析Tab.3 The Spearman rank correlation analysis between soil physical characteristics and soil saturated hydraulic conductivity

由图1、表4 可以看出，虽然各植被恢复阶段土壤渗透速率的变化趋势一致，在初期渗透速率较高，随着时间的推移而下降，最后达到稳渗状态. 但不同演替阶段的土壤初渗率、稳渗率和达到稳渗的时间等均有较大的差异(p ＜0.01). 研究区域内不同植被恢复阶段土壤的渗透性能明显优于裸露地(CK)，乔灌恢复阶段(Ⅳ)、灌丛恢复阶段(Ⅲ)、灌草恢复阶段(Ⅱ)、草坡恢复阶段(Ⅰ)的初渗速率值分别是裸露地(CK)(411.44 mm·h－1)的3.28、2.46、2. 03、1. 76 倍;稳渗速率分别是裸露地(CK)(121.99 mm·h－1)2.71、2.64、2.62、2.50 倍，表明不同植被恢复阶段均有提高土壤入渗性能的效应.不同植被恢复阶段土壤蓄水性能也表现出一定的差异:从土壤初渗速率看，乔灌恢复阶段(Ⅳ)(1 348.10 mm·h－1)＞灌丛恢复阶段(Ⅲ)(1 010.88 mm·h－1)＞灌草恢复阶段(Ⅱ)(834. 00 mm·h－1)＞草坡恢复阶段(Ⅰ)(722.10 mm·h－1)＞裸露地(CK)(411.44 mm·h－1);从稳渗速率来看，乔灌恢复阶段(Ⅳ)(331.01 mm·h－1)＞灌丛恢复阶段(Ⅲ)(322.31 mm·h－1)＞灌草恢复阶段(Ⅱ)(319.65 mm·h－1)＞草坡恢复阶段(Ⅰ)(305.19 mm·h－1)＞裸露地(CK)(121.99 mm·h－1);其中，乔灌恢复阶段(Ⅳ)的土壤渗透性能最好.

表4 不同植被恢复阶段土壤渗透特性Tab.4 Soil infiltration prperties in different restoration stages

建立土壤入渗模型是客观描述土壤入渗规律的有效方法，利用Kostialov 模型、Horton 模型与Philip 近似理论模型3个常用模型进行拟合(表5)，由于Horton 入渗模型的拟合度R2 较大，因此，Horton 入渗模型在该研究区有较好的适用性.

图1 不同植被恢复阶段的土壤渗透过程Fig.1 The soil infiltration process in different restoration stages

表5 不同植被恢复阶段土壤入渗模式拟合结果Tab.5 Fitting effect in different restoration stages

3.3 不同植被恢复阶段土壤水分入渗特性

灰色关联分析(Grey relational analysis)是以空间理论为数学基础，根据曲线间的相似程度来判断其关联程度.可以对信息部分明确和部分不明确的灰色系统的发展态势进行定量描述和比较，通过建立参考序列(母序列)和比较序列(比较序列)之间的灰色关系，来评价子序列对母序列的相对重要程度［22-23］.由于土壤入渗特性的优劣与初渗速率、稳渗速率、平均渗透率和渗透总量之间介于已知与未知之间，以土壤入渗特性值作为母因素，土壤初渗速率、稳渗速率、平均渗透率和渗透总量作为子因素，组成的子序列为:土壤入渗特性值= {初渗速率，稳渗速率，平均渗透率，渗透总量}.在数据分析过程中，为了消除各指标间由于量纲不同对分析分析造成的影响，在进行灰色关联分析前，将其4 项指标进行标准化处理，分辨系数取0.1，参数Δmin 取值为0.

结果表明(表6):不同植被恢复阶段土壤水分入渗性能依次为:乔灌恢复阶段(Ⅳ)(0.730 03)＞灌丛恢复阶段(Ⅲ)(0. 686 02)＞灌草恢复阶段(Ⅱ)(0.596 09)＞草坡恢复阶段(Ⅰ)(0.560 09)＞裸露地(CK)(0.414 03). 乔灌恢复阶段(Ⅳ)在初渗速率、稳渗速率、平均渗透率和渗透总量在各植被恢复阶段中相对最优.

表6 不同植被恢复阶段土壤水分入渗特征的灰色关联分析Tab.6 Grey relational analysis of soil infiltration properties in different restoration stages

4 结 论

(1)对土壤容重、土壤机械组成、土壤孔隙度与土壤饱和导电率进行Spearman 秩相关分析，结果显示，不同植被恢复阶段土壤饱和导电率与土壤容重呈极显著负相关，与非毛管孔隙度呈现出极显著正相关，与粒径在2 ～0.25 mm 的含量呈显著正相关，与粒径＞2 mm 含量、粒径＜0.25 mm 含量以及毛管含量相关性不明显.

(2)在研究区域各植被恢复阶段中，由于Horton 水分入渗模型拟合的相关系数R2值≥0.774，说明Horton 水分入渗模型对衡阳紫色土丘陵坡地土壤水分入渗过程具有较好的适用性.

(3)将各植被恢复阶段的初渗率、稳渗率、平均渗透率和渗透总量4 项参数进行灰色关联分析，结果表明:各植被恢复阶段土壤水分入渗特性灰色关联度依次为:乔灌恢复阶段(Ⅳ)(0.730 03)＞灌丛恢复阶段(Ⅲ)(0.686 02)＞灌草恢复阶段(Ⅱ)(0.596 09)＞草坡恢复阶段(Ⅰ)(0.560 09)＞裸露地(CK)(0.414 03). 乔灌恢复阶段(Ⅳ)在所研究的区域内具有较好的水分入渗性能.

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