帽峰山地区典型小流域主要森林类型土壤渗透性

刘千红，彭益军，张 剑，罗定贵

(1.广州市地质调查院，广东 广州510440;2广州大学环境科学与工程学院，广东 广州510006)

土壤渗透能力是反映森林土壤水源涵养、理水调洪功能的重要指标[1－2]，多年来一直是土壤侵蚀与水资源分布研究的热点。目前，国内外学者对土壤渗透性研究结果表明，土壤渗透性主要与植被类型、土壤结构、土壤质地、孔隙度、含水量、有机质含量、土壤养分含量、降雨强度等因子关系密切[3－5];植被类型不同，土壤渗透性不同，阔叶混交林渗透性极强，并好于松林和灌丛林，人工纯林较差，裸露地最差[6];渗透性主要取决于土壤孔隙的数量和大小，特别是非毛管孔隙度[7]等等。

帽峰山位于广州市东北部，坐落于白云区太和镇与良田镇交界处，是广州市老八区的最高峰，森林覆盖率大于95%，是广州市的天然生态屏障，也是广州市优质矿泉水重要分布区，被国内矿泉水专家称为‘软黄金带’，在涵养水源、保持水土、调节气候、改善空气质量等方面具有不可替代的作用。近年来，该地区森林植被得到了有效保护，森林生态功能有了显著提高，但尚缺乏对森林恢复演替过程中不同森林类型土壤渗透性及变化趋势的研究。

为此，以帽峰山典型小流域主要森林类型为对象，对不同林分下土壤渗透性以及理化性质进行调查与分析，探讨森林更新演替过程中土壤渗透性及其主要影响因子，构建土壤渗透性与理化性质的线性回归方程，为森林的持续经营与最大程度发挥水源涵养和防治水土流失等有益的生态环境效益提供依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

广州市帽峰山典型小流域地理位置为东经113°22'5″～113°29'32″，北纬 23°16'9″～ 23°19'26″。距离广州 市中心25 km，海拔最高为300 m，以低山为主;土壤类型以赤红壤为主，成土母岩主要为花岗岩，含少量砂页岩。土层厚度较深，平均超过1 m，有机质含量较高。土壤pH值为4.7～6.0，偏酸性;植被类型主要为南亚热带季风常绿阔叶林，主要有青冈林、竹林(毛竹与凤尾竹)、桉树林等;该地区属南亚热带季风湿润气候区，年平均气温21.8℃，年平均降水量1 700 mm，降水集中分布在4－9月，占80%以上;年平均湿度为76% ，年日照时数为 1 820 h[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 布置采样点与样品采集

典型小流域主要森林类型有青冈林、毛竹、凤尾竹、桉树林，分布面积分别约为82%、3%、5%、10%。青冈林分布最广，整个山坡均有分布，毛竹林主要分布在山坡下部的溪流边附近，凤尾竹林主要分布在山坡中、下部，桉树林主要分布在山坡中、上部。分别对每种林地类型布置采样点，青冈、毛竹、凤尾竹、桉树林地分别布置6、1、2、2个采样点，每个采样点取三个重复。剖面采样方法:分0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm三段，用环刀(200 cm3)采样，送回室内分析土壤渗透系数、粒度组成、湿度、干容重、孔隙度以及根系平均直径与密度。

1.2.2 土壤渗透性测定

采用改进环刀法测定土壤渗透系数，具体步骤为:

(1)在室外用环刀取原状土样，带回室内浸入水中，浸泡8～12 h。浸水时要保持水面与环刀上口平齐，勿使水淹到环刀上口的土面。

(2)在预定时间将环刀取出，除去盖子，在上面接上一个专用的透明白色塑料圆筒(接口处先用胶布封好，再用熔蜡粘合，严防从接口处漏水)，一面与供水瓶相连，另一面设有一个溢水口，目的是保持水位稳定在溢水口的连续稳定供水。然后将接合的环刀放到漏斗上，漏斗下面用100 ml烧杯承接渗出水。

(3)开启供水瓶，向环刀上面的塑料圆筒稳定供水，水层厚约5 cm。

(4)加水后，自漏斗下面滴下第一滴水时用秒表计时，每隔5 min更换漏斗下的烧杯，并分别用100 ml或10 ml量筒计量渗出水量 Q1、Q2、Q3……Qn。

(5)实验持续到单位时间出水量稳定为止，一般持续时间约1 h左右。

(6)渗透系数计算

K=L/L+H×v

式中:K为渗透系数，m/s;L为环刀高度，m;H为环刀上水柱高度，m;v为土壤水流速，m/s;v=Q/S;Q为稳定流量，m3/s，S为环刀截面积。

此外，根系平均直径与密度的测定:利用测量完渗透系数的环刀中土样，将其导入筛网上，用水冲洗，去掉泥土，然后人工统计根系平均直径与数量。

1.2.3 渗透系数影响因子分析方法

(1)通过剖面三段样品渗透系数测定结果的对比分析，说明剖面渗透系数的变化特征;

(2)采用相关分析与回归分析方法研究渗透系数与孔隙度、干容重以及根系特征之间的关系。

2 结果与分析

2.1 土壤粒度分析与渗透性检测结果

经过检测与统计整理得到各种主要森林土壤类型粒度组成见表1，渗透性及相关因子检测结果见表2。

2.2 结果分析

2.2.1 剖面渗透性变化特点

(1)从表2、图1中可见，各种林地类型土壤渗透系数在剖面上均表现出从上到下递减的特点，毛竹、青冈、凤尾竹、桉树林的土壤剖面渗透系数变化范围分别为为13.64～4.91、10.4 ～3.63、8.16 ～2.96、7.92 ～3.71 m/d。毛竹林表层土壤渗透性最大，其次为青冈林，凤尾竹与桉树林均在10 m/d以下。

表1 主要森林土壤类型粒度组成分析结果

图1 主要森林土壤类型剖面渗透性

表2 主要森林土壤类型渗透性及相关因子分析结果

(2)剖面上，0～20 cm表土层与20～40、40～60 cm下部两土层渗透系数差异较大，下部两层渗透系数差异较小，因此，可将下部两土层概化为一层，这样土壤渗透性剖面划分为两个亚层，亚层渗透性统计结果见表1。下部亚层各种林地类型土壤渗透性差异不大，变化范围为5.74～4.20 m/d。上部亚层渗透系数是下部亚层的1.89～2.42倍。

(3)按照面积加权平均方法统计得到典型小流域土壤渗透性平均变化特征，结果见表2，表层20 cm土层渗透性为10.21 m/d，下部亚层土层渗透性为 4.36 m/d。

2.2.2 土层渗透性与相关因子关系分析

采用相关分析方法计算得到土层渗透系数与孔隙度、干容重、根密度、根径之间的相关系数，结果见表3。

(1)从表3可见，各种林地类型土壤渗透系数与孔隙度均呈正相关，与干容重呈负相关，与根密度呈正相关，与根径关系相关性方向具有不确定性。Zhang Jianxin等研究毛竹根系对土壤渗透性影响表明:毛竹的鞭根系统主要集中在0～40 cm土层范围内，细根生长及分解可以改善土壤的孔隙状况，提高土壤的入渗性能[9]。

(2)以相关系数大于 0.9、0.8、0.7、0.7 以下作为衡量相关性很好、较好、一般、不好的标准，则从表中可见:对于毛竹林，孔隙度与渗透系数相关性很好，干容重、根径与渗透系数相关性较好，根密度与渗透系数相关性不好;对于凤尾竹林，干容重、根密度、根径与渗透系数相关性很好，孔隙度与渗透系数相关性较好;对于桉树林，根径与渗透系数相关性较好，孔隙度与渗透系数相关性一般，干容重、根密度与渗透系数相关性不好;对于青冈林，孔隙度、根密度与渗透系数相关性很好，干容重与渗透系数相关性较好，根径与渗透系数相关性不好。

总体而言，对于各种林地土壤类型，孔隙度与渗透系数表现出良好的相关性，没有出现相关性不好的情况，这与研究区土壤主要为砂质土，粒径分布较粗，土壤水主要以毛细水、重力水存在密切相关。

(3)进一步利用回归分析，建立相关性很好的相关因子与渗透系数之间的回归方程，结果见表4。

3 结语

采集帽峰山地区典型小流域主要林地类型(青冈林、毛竹林、凤尾竹林、桉树林)原状土样进行渗透系数及其相关因子实验研究，结果表明:

1)各种林地类型土壤渗透系数在剖面上均表现出从上到下递减的特点，毛竹林表层土壤渗透性最大，其次为青冈林，凤尾竹与桉树林均在10 m/d以下。剖面上，0～20 cm表土层与20～40、40～60 cm下部两土层渗透系数差异较大，下部两层渗透系数差异较小，可将下部两土层合并为一层。这样，土壤渗透性剖面可简化为上、下两个亚层，上部亚层渗透系数是下部亚层的1.89～2.42倍。

2)各种林地类型土壤渗透系数与孔隙度均呈正相关，与干容重呈负相关，与根密度呈正相关，与根径关系相关性方向具有不确定性。不同林地类型土壤渗透系数与干容重、根密度、根径之间的相关程度存在较大差异，但均表现出与孔隙度之间存在良好相关性。

表3 土层渗透性与相关因子关系分析

表4 渗透系数与相关性很好因子之间回归方程

土壤渗透性受土壤的质地、结构、化学、生物等多种因素影响，且与测试方法密切相关[10－13]。研究区特殊地质与森林环境下土壤渗透性特征目前很少研究，本次在采集原状样实验基础上研究了主要林地类型土壤渗透性及与孔隙度、干容重、根密度、根径之间的相关性，是一次新的尝试，进一步探讨渗透系数与其它全物理、化学以及生物因子之间的关系和机理是下一步努力的方向。

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