滇东石漠化地区不同植被模式土壤渗透性研究

赵洋毅，段 旭

（1.西南林业大学 环境科学与工程学院，昆明650224；2.西南林业大学 林学院，昆明650224）

喀斯特是一种具有特殊的物质、能量、结构和功能的生态系统，其特征是生态敏感度高，抗干扰能力弱，稳定性差，森林植被遭受破坏后，极易造成水土流失，基岩裸露［1］。而且，喀斯特地表成土速率慢，土层瘠薄，产生地表径流后极易发生土壤侵蚀，植被破坏后恢复困难，进而发生石漠化，这将对环境造成极大破坏［2］，因此控制喀斯特地区土壤地表径流量对防止石漠化发生具有一定的影响［3］。土壤入渗是降水、地表水、土壤水和地下水相互转化过程中的关键环节，土壤渗透性是描述土壤入渗快慢极为重要的土壤物理特征参数之一，同时也是影响土壤侵蚀的重要因素之一［4－5］。已有结果表明［6－9］，土壤渗透性能越好，地表径流就越小，地表流失量也会相应地减少，对土壤水土保持影响极大。许多专家建议将“增加土壤入渗，就地拦蓄降雨径流”作为防治土壤侵蚀的战略决策［10］。针对喀斯特石漠化特殊的环境，石漠化己经成为制约中国西南地区可持续发展最严重的生态地质环境问题，研究不同植被恢复模式下土壤的渗透性规律对探讨产流机制和水土保持作用具有重要意义。文中通过对滇东曲靖市分布的中轻度石漠化地区所进行的不同植被恢复治理模式的土壤入渗的研究，探讨了不同模式下土壤入渗的变化规律，以便为当地土壤侵蚀防治，生态环境保护和石漠化治理提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省东部曲靖市（103°52′E，25°45′N），海拔1 150～2 750m，具有山地季风半湿润气候特征，年平均气温13.5℃，年均降水量1 300mm，年平均蒸发量831.3mm年均日照1 820h。土壤类型主要为红、黄壤土为主，植被属于北亚热带中山常绿针阔混交林带。

研究区为云南省典型的喀斯特地貌分布区，石漠化土地较多，水土流失严重，石漠化面积占全区的17.23%，占全区喀斯特地貌面积的27.45%。其中，轻度石漠化占全区面积的10.04%，中度占16.51%，强度占1.84%，极强度占0.94%。试验区选取滇东高原典型石漠化地段，区域内主要以中轻度石漠化为主，以4种植被恢复方式进行治理，分别为针阔混交林［云南松（Pinus yunnanensis）×华山松（Pinus armandii）×麻栎（Quercus acutissima）］、针叶林（华山松）、阔叶林（麻栎）及灌草植被［椴叶山麻杆（Alchornea tiliifolia）、盐肤木（Rhus chinensis）、白茅（Imperata cylinarica）、飞机草（Eupatorium odoratum）等］模式，各植被治理模式基本概况见表1。

表1 不同模式样地及土壤基本概况

1.2 研究方法

在试验区内海拔、坡度相近的典型地段选取4种不同植被恢复模式的林地，并以裸地作为对照地开展试验研究。2013年8月，分别在各样地选定典型地段以5点法按照0—20，20—40cm采集土壤样品，分装后将土样带回实验室风干、研磨过筛，进行分析。土壤容重采用环刀法；土壤机械组成采用比重计法，土壤含水量采用烘干法［11］。各模式下土壤基本性质状况如表1。

土壤渗透性测定采用环刀法［11］。各指标计算的方法为：初渗率＝最初入渗时段内渗透量／入渗时间，本研究取最初入渗时间为2min；平均渗透速率＝达稳渗时的渗透总量／达稳渗时的时间；稳渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定时的渗透速率；因所有土样渗透速率在60min前已达稳定，为了便于比较，渗透总量统一取前60min内的渗透量。

2 结果与分析

2.1 不同模式样地土壤渗透时间变化特征

水分入渗过程是一个复杂的水文过程，不同林地类型的土壤渗透性存在很大差别［12－15］。

图1为各样地的每个土层不同时刻实测渗透速率动态变化过程。可以看出：各样地土壤渗透速率的变化趋势基本一致，在渗透初期速率较高，随着时间的推移而下降，最后达到稳定状态。随着土壤深度的增加，各样地土壤渗透性差异则愈不显著。

根据土壤水分渗透曲线可将渗透率大致可分为3个阶段：瞬变阶段、渐变阶段和稳定阶段。瞬变阶段发生在渗透的初期为入渗过程的初始阶段，一般在渗透开始的10～20min内，各样地不同深度土壤入渗速率随时间的下降速率均表现为0—20cm土层下降较快，而20—40cm土层变化较慢，这与下层土壤较上层土壤更为紧实，而使得下层土壤阻隔水分下移有关。土壤渗透渐变阶段主要发生在10～30min左右。渗透的稳定阶段主要发生在30～40min以后。

图1 不同模式下土壤各层渗透速率随时间的变化

2.2 不同模式样地土壤渗透性

图2表示不同模式样地土壤渗透性比较。可以看出：4种不同植被治理模式下土壤的渗透性能存在较大差异。各植被治理模式土壤渗透性指标均好于对照裸地。从各样地0—20cm土层来看，以针阔混交林模式的初渗率最大，为3.8mm／min，灌草植被模式的土壤稳渗率、平均渗透速率和60min渗透总量要优于其它模式，分别为3.1，4.7mm／min和282.89 ml，针阔混交林模式次之，而针叶林模式下土壤初渗率、稳渗率、平均渗透速率和60min渗透总量分别为2.7，1.5，2.7mm／min和163.88ml，与其它3种治理模式对比来看其土壤的渗透性相对较差，但要好于无治理措施的裸露地；从20—40cm土层来看，以针叶林模式的土壤渗透性各项指标为最大，初渗率、稳渗率、平均渗透速率和60min渗透总量分别为2.4，1.5，2.6mm／min和153.02ml，其次分别为针阔混交林模式、阔叶林模式和灌草模式，裸地最差。

图2 不同模式样地土壤渗透性比较

从各植被治理模式对土壤垂直结构的渗透性能影响来看，各样地土壤入渗性能均表现为随土壤深度的增加而较小，其中以灌草植被模式下土壤初渗率、稳渗率、平均渗透速率和60min渗透总量各指标减小幅度最大，20—40cm土层较0—20cm土层各指标分别减少60.23%，73.55%，70.51%，70.51%；针阔混交林模式下土壤渗透性各指标变化幅度最小，分别为10.69%，3.42%，6.63%，6.63%。可以看出，灌草植被模式下表层土壤渗透性虽然较好，但由于植被根系较乔林总量较少，对下层土壤结构改良则不如乔木林模式效果好。裸地由于无植被覆盖，土壤容重较大，土壤紧实，从表层到下层整体渗透性均较差且变化不大。

对土壤渗透性能（初渗率、稳渗率、平均渗透速率及60min渗透总量）进行双因素（植被治理模式，土壤层次）方差分析（表2），结果表明：不同模式下不同土壤层次入渗能力差异显著（P＝0.003和P＝0.046），植被治理方式的不同对土壤渗透性的影响程度要更大。各模式的0—20cm层土壤渗透性能较20—40cm土层好，这可能是由于地表存在植被覆盖，能够为土壤提供更丰富的枯落物，有机物质归还量大，土壤团聚体结构稳定，容重小，而下层土壤容重大，土壤致密紧实，导致入渗性能较差。总体而言，通过植被治理恢复的喀斯特石漠化地区土壤渗透性能均高于裸地，乔林模式对于提高土壤渗透性效果显著。但根据实际来看，喀斯特石漠化地区土壤存在土层薄，分布破碎，土壤水分含量较少的情况，对于中强度以上石漠化的情况，可以采用灌草结合的方式进行治理。

表2 土壤渗透性能的方差分析

2.3 不同模式样地土壤渗透性过程拟合

有关土壤水分入渗的数学模型有许多，包括纯经验公式和半理论、半经验模型，如Green-Ampt公式、Philip公式、Kostiakov经验公式和Horton方程等［13，15］。本文结合前人研究成果，选用4个概念较为明确、可靠又常用的土壤水分入渗模型对各林分不同层次土壤入渗过程进行模拟：

（1）Kostiakov 公 式：f（t）＝at－b。式 中：f（t）——入渗速率；t——入渗时间；a、b——拟合参数。

（2）Horton公式：f（t）＝fc＋（fo－fc）e－βt。式中：fo和fc分——初渗率和稳渗率；β——经验参数。

（3）Philip公式：f（t）＝0.5St－1／2＋A。式中：S——吸着率（cm／min0.5）；A——稳渗速率。

（4）通用经验公式：f（t）＝a＋bt－k。式中：a、b——经验参数；k——拟合参数。

表3 不同模式不同层次土壤入渗模型

结果表明（表3）：各林分不同层次水分入渗2个回归模型均达极显著或显著相关，但模型的拟合优度存在差异。比较4种入渗模型的相关系数（R2）可以看出，其中 Kostiakov方程拟合优度为0.880～0.985，Horton方程拟合优度为0.551～0.842，Philip方程拟合优度为0.733～0.976，通用经验方程拟合优度为0.903～0.987。在36个土壤水分入渗最优模型中，Kostiakov方程和通用经验方程均有10个，占总数的55.6%，Philip方程8个，占总数的22.2%，而Horton方程只有1个，仅占总数的2.8%，表明在这4种模拟土壤水分入渗过程的方程中，Kostiakov方程和通用经验方程效果最佳，Horton方程效果最差，Kostiakov方程和通用经验方程是比较适用于本研究区域不同植被治理模式土壤入渗特征的模型描述和入渗过程的预测。

3 讨论与结论

不同林地土壤土壤水分渗透曲线为瞬变阶段、渐变阶段和稳定阶段，这与其他学者的研究结果大致相似［9－10］，但本文研究发现在喀斯特石漠化地区3个变化阶段的时间变化较快，各样地不同深度土壤入渗速率随时间的下降速率均表现为0—20cm土层下降较快，而20—40cm土层变化较慢，且上下两层土壤渗透速率差异较大，这可能是喀斯特环境内土层薄，植被对表层土壤改良效果更为显著有关。

关于不同林型对土壤渗透性影响的研究已有报道［8－9，12，14－17］，但对石漠化治理关于土壤入渗的研究缺较少，本文研究得出不同植被模式治理下，土壤渗透性各个模式对土壤渗透性存在极显著性影响，乔林模式对于提高土壤渗透性效果显著，表明通过合理搭配乡土树种进行治理石漠化对提高土壤入渗能力可行。但根据实际来看，喀斯特石漠化地区土壤存在土层薄，分布破碎，土壤水分含量较少的情况，对于中强度以上石漠化的情况，需选择适当的植物进行恢复，以利于保持喀斯特环境土壤水分总量和防止土壤退化。

通过对滇东喀斯特石漠化地区4种不同植被治理模式样地（以裸地为对照）的土壤渗透性分析得出，各植被治理模式土壤渗透性指标均好于对照裸地。0—20cm土层以针阔混交林模式的初渗率最大，灌草植被模式的土壤稳渗率、平均渗透速率和60min渗透总量要优于其它模式，针阔混交林模式次之，针叶林模式较其它3种治理模式其土壤的渗透性较差，但要好于无治理措施的裸露地；20—40cm以针叶林模式的土壤渗透性各项指标为最大，其次分别为针阔混交林模式、阔叶林模式和灌草模式，裸地最差。

各植被恢复模式土壤入渗性能均表现为随土壤深度的增加而较小，其中以灌草植被模式下土壤渗透性各指标减小幅度最大；针阔混交林模式下土壤渗透性各指标变化幅度最小。灌草植被模式下表层土壤渗透性能虽然较好，但由于植被根系较乔林总量较少，对下层土壤结构改良则不如乔林模式效果好。裸地无植被覆盖，土壤紧实，从表层到下层整体渗透性均较差且变化不大。不同模式及不同土壤层次入渗能力差异显著（P＝0.003和P＝0.046），植被治理方式的不同对土壤渗透性的影响程度更大。

土壤入渗过程拟合结果表明：在4种模拟土壤水分入渗过程的方程中，Kostiakov方程和通用经验方程拟合效果最佳，Philip方程拟合效果次之，Horton方程效果最差。Kostiakov方程和通用经验方程是比较适用于本研究区域不同植被治理模式土壤入渗特征的模型描述和入渗过程的预测。

［1］ 周运超.茂兰森林生态系统对岩溶环境的适应与调节［J］.中国岩溶，2001，18（3）：47-51.

［2］ 袁道先.中国岩溶学［M］.北京：地质出版杜，1993.

［3］ 路洪海，冯绍国.贵州喀斯特地区石漠化成因分析［J］.四川师范学院学报：自然科学版，2002，23（2）：189-212.

［4］ Turner B L，Meyer W B，Skole D L.Global land-use／land-cover change：Towards an integrated program of study［J］.Ambio，1994，23（1）：91-95.

［5］ 张志强，王礼先，余新晓，等.森林植被影响径流形成机制研究进展［J］.自然资源学报，2001，16（1）：79-84.

［6］ 雷廷武，刘汗，潘英华，等.坡地土壤降雨入渗性能的径流—入流—产流测量方法与模型［J］.中国科学D辑：地球科学，2005，35（12）：1180-1186.

［7］ 霍小鹏，李贤伟，张健，等.川西亚高山暗针叶林土壤渗透性能研究［J］.水土保持研究，2009，16（3）：192-195.

［8］ 肖登攀，韩淑敏，杨艳敏，等.太行山低山丘陵区不同地表类型降雨入渗产流规律研究［J］.水土保持研究，2009，16（5）：35-39.

［9］ 彭舜磊，梁亚红，陈昌东，等.伏牛山东麓不同植被恢复类型土壤入渗性能及产流预测［J］.水土保持研究，2013，20（4）：29-33.

［10］ 马维伟，王辉，张莉萍.兰州北山人工侧柏林地土壤渗透性研究［J］.干旱区资源与环境，2009（2）：186-190.

［11］ 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析［M］.上海：上海科学技术出版社，1978.

［12］ 漆良华，张旭东，周金星，等.湘西北小流域典型植被恢复群落土壤贮水量与入渗特性［J］.林业科学，2007，43（3）：1-7.

［13］ 刘道平，陈三雄，张金池，等.浙江安吉主要林地类型土壤渗透性［J］.应用生态学报，2007，18（3）：493-498.

［14］ 喻明美，谢正生.广州市白云山五种森林类型的土壤渗透性研究［J］.水土保持研究，2011，18（1）：153-156.

［15］ 刘目兴，杜文正，张海林，等.三峡库区不同林型土壤的入渗能力研究［J］.长江流域资源与环境，2013，23（3）：299-305.

［16］ Lin H S，Mclnnes K J.Macro-porosity and initial moisture effects on infiltration rates in Vertisols and Vertic intergrades［J］.Soil Science，1998，163（1）：2-8.

［17］ 彭亿，李裕元，李忠武，等.红壤坡地生态系统土壤入渗特征比较研究［J］.水土保持研究，2009，16（6）：205-209.