黄土高原沟壑区不同灌木林地土壤渗透性及其影响因素研究

刘铠源，卞义宁，蒋志荣

（1.甘肃农业大学林学院，兰州 730070；2.平凉市水土保持科学研究所，平凉 744000）

黄土高原沟壑区不同灌木林地土壤渗透性及其影响因素研究

刘铠源1，2，卞义宁2，蒋志荣1※

（1.甘肃农业大学林学院，兰州 730070；2.平凉市水土保持科学研究所，平凉 744000）

采用野外调查与室内分析相结合的方法，选择灌木标准样地，开展茅莓、花叶丁香、山桃、金银花等4种不同灌木林地在天然含水量条件下的土壤渗透性及其影响因子研究。结果表明：灌木植被具有明显提高土壤渗透性的作用，相对于荒地而言，灌木林地土壤渗透性优劣表现为：花叶丁香＞茅莓＞金银花＞山桃＞荒地；初渗速率＞平均渗透速率＞稳渗速率；土壤理化性质显著影响土壤渗透能力。

灌木林地 土壤渗透性 树种

0 引言

随着地壳运动、环境变迁、人类活动等因素，黄土高原区水土流失、土地沙化日趋严重，经流水长期强烈侵蚀，形成了沟壑纵横、梁、峁广布的破碎地表。进一步降低黄土高原抵御自然灾害能力，影响自然生态和谐的同时也制约了黄土高原地区的发展。针对黄土高原水土流失问题，先后实施了水土保持工程措施、植物措施、退耕还林还草等水土流失综合治理措施。

土壤渗透是水文循环的重要过程，是土壤入渗快慢极为重要的土壤物理特征参数之一，而黄土高原属于超渗产流，灌木栽植又是治理黄土高原水土流失的重要植物措施，因此研究不同灌木覆盖下土壤渗透性的特征及影响因素，对地面径流量的调节和转换及灌木树种选择具有重要意义。目前，有关土壤水分入渗的数学模型有种类较多，包括纯经验公式、半理论半经验结合模型，如Green-Ampt公式、Horton公式和Smith-Parange入渗方程等[1]。

甘肃省平凉市泾川县中沟小流域是黄土高原地区水土保持、生态环境保护及森林生态水文的重点试验、研究基地之一，在通过分析不同灌木林地的水土保持功能及作用的基础上，本文以茅莓、花叶丁香、山桃、金银花等4种灌木为研究对象，目的在于通过探讨典型区域不同灌木林地土壤渗透性特征及其影响因素，建立数量关系，以求量化分析不同灌木覆盖下林地生态系统水分传输过程生态学机制，为进一步探讨黄土高原地区土壤渗透水文模型的发展和参数提供基础资料，并为典型区域不同立地植被条件下土壤水分承载力研究提供理论依据和技术支撑。

1 研究区概况

研究区位于泾川县中沟小流域，海拔1 005～1 351 m，流域面积2.05 km2（107°27′E，35°12′N），属温带半湿润易旱区，年均降水量552.6 mm，6－9月降水量约占全年总量的66%；年均气温10.7℃，极端最高气温 39.3℃，极端最低气温-24℃；年均风速1.8 m/s；全年无霜期180 d左右；年日照 2 226 h；湿润度 0.81～1.04，干燥度0.96～1.23。植被类型属森林-草原过渡带，主要树种有刺槐、杨树、侧柏等。灌木有山毛桃、沙棘、花叶丁香、柠条锦鸡儿等，多为人工栽植。主要草本植物有草木樨、沙打旺和红豆草等。流域内主要土壤有黑垆土、黄绵土和红粘土3种类型。

2 研究方法

2.1 样地调查

上世纪80年代至今，笔者所在的甘肃省平凉市水土保持科学研究所对黄土高原区灌木树种做了大量群落组成、水土保持作用和经济价值调查等方面研究，本次在中沟小流域选择标准样地、3～5年生的茅莓、花叶丁香、山桃、金银花等4种灌木林地及一块同生境荒地，调查测算土壤容重、总孔隙度、有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、水解氮、速效钾、等土壤理化性质同，见表1。

表1 不同灌木林地土壤理化性质

2.2 土壤渗透土壤测定

土壤有机质采用重络酸钾-外加热法；土壤全氮采用半微量凯氏法；全磷采用碱熔-钼锑抗比色法；全钾采用碱融-火焰光度计法；速效氮采用碱解扩散法；有效磷采用NH4F-HCI侵提-钼锑抗比色法；速效钾采用CH3COONH4浸提-火焰光度法[2]。

土壤渗透性测定采用双环渗透仪。于室外温度约10℃时，用环刀取原状土，带回室内浸入水中12 h（浸水时保持水面与环刀上口平齐，但勿使水淹到环刀口的土需）。到12 h时将环刀取出，去掉盖子，上面套一空环刀，接口处先用胶布封好再用溶蜡粘合，严防从接口处漏水，然后将接合的环刀放到瓷漏斗上，下置一个空烧杯。上面的空环刀中加水，水面比环刀底1 mm，即水层厚5 cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水时开始计时，以后每隔一定时间更换漏斗下面的烧杯，并分别量渗水量。每更换一次烧杯后要将上面的环刀水面加至原来高度。试验一般持续约60 min即开始稳定。否则，一直延续到单位时间渗水量相等为止[3]。

各指标计算方法：初渗率=最初入渗时段内渗透量/入渗时间；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，因所有土壤渗透速率在50 min前已达稳定，为便于比较，渗透总量统一取前60 min内的渗透量[3-4]。

因黄土高原区降雨具有历时短、强度大的特征，本次试验采用在自然状态下，不考虑前期土壤含水量、且每次试验均形成地表径流，故采用Horton公式计算：

式中 f(t)为入渗速率，t为入渗时间，f0和fc分别为初渗率和稳渗率，β为与土壤特性有关的经验常数[4-6]。

2.3 数据处理

实验数据应用Excel2013、SPSS19.0进行采集数据的整理和处理。

3 结果与分析

3.1 不同灌木覆盖下土壤渗透性变化特征

在自然状态下，土壤渗透能力主要受土壤物理性状、土壤机械组成及地表植被类型等因子影响，其中主要受到土壤孔隙度的影响。土壤孔隙度越大，地表径流入渗速度越快，在重力作用下很快下渗成为地下径流，从而很快恢复土壤孔隙度的持水能力，如此形成循环，直到超渗，形成地表径流。通过多次试验测量发现，60 min内灌木对土壤渗透能力的影响主要集中在0～40 cm土层内，因此，只对灌木林地0～40 cm土层土壤的渗透能力进行研究，结果见图1。

从图1可以看到，4种灌木林地土壤的初渗率、稳渗率、入渗率、总渗透量均高于荒地；其中，花叶丁香林地的平均入渗速率最大，为5.25 mm/min，是荒地的 3.72倍，山桃林地的最小，为 3.12 mm/min，是荒地的2.21倍，花叶丁香林地的入渗率是山桃林地的1.68倍；从土壤入渗率来看，4种灌木林地的土壤渗透能力从大到小依次为：花叶丁香＞茅莓＞金银花＞山桃。

经分析，花叶丁香、茅莓、金银花、山桃林地及荒地horton推估式分别是f(t)=3.681+11.589e(-0.049t)，(R2=0.969)；f(t)=4.3391+12.681e(-0.037t)，(R2=0.942)；f(t)=2.911+9.601e(-0058t)，(R2=0.917)；f(t)=3.138+ 10.729e(-0.039t)，(R2=0.954)；f(t)=1.407+6.388e(-0.120t)，(R2=0.983)。

图1 不同灌木林地土壤渗透性

3.2 土壤渗透性与理化性质的关系

对土壤容重、总孔隙度、团粒结构、有机质含量、全氮、全磷、全钾、速效磷、水解氮、速效钾等10类土壤理化性质与初渗率、入渗率、稳渗率、渗透量进行相关分析，结果见表2。

从表2可以看出，土壤渗透性与土壤容重显著负相关，与土壤总孔隙度、有机质含量、全磷含量、水解氮含量、速效磷含量显著正相关。据分析，全磷、水解氮、速效磷是构成有机物的重要元素，这些因子越高，则土壤腐根等有机质含量越高，土壤总孔隙度就越高，土壤容重就越小，可以很好解释这些因子对土壤渗透性的影响。这说明土壤理化性质显著影响林地土壤渗透性能。

4 结论与讨论

灌木林地可以很好的提高土壤的渗透性，灌木林地初渗率、稳渗率、平均渗透率、前60 min渗透总量4个指标均高于荒地；土壤渗透性与土壤容重显著负相关，与土壤总孔隙度、有机质含量、全磷含量、水解氮、速效磷含量显著正相关，与全氮含量、全钾含量、速效钾含量无显著相关性。这与赵洋毅等在《渝北水源区水源涵养林构建模式》一文中土壤理论性质对渗透性的影响结论是一致的[7]。

黄土高原暴雨主要有两类，一类是具有历时短、强度大特点的，本文探讨的就是这种；一类是历时较长，强度更大，对于此类条件，表面土壤的渗透性就不能很好地反应土壤渗透性与地表径流的关系，此时用下层或者上、下层土壤结合分析土壤渗透性来评价土壤渗透性可能会更准确，这一点有待进一步研究。

[1]赵西宁，吴发店.土壤水分入渗的研究进展和评述[J].西北林学院学报，2004.19（1）：42-45.

[2]中国科学院南京土壤研究所.土壤理论化分析[M].上海：上海科学技术出版社，1978：62-174，466-469，511.

[3]国家林业局.中华人民共和国林业执行标准：森林土壤分析方法[S].北京：中国标准出版社，1999：22-24，32-33.

[4]范少辉，刘广路，漆良华，等.闽西北不同经营时间毛竹林土壤渗透性研究[J].水土保持学报，2010，24（1）：24-28.

[5]张昌顺，范少辉，官凤英，等.闽西北毛竹林的土壤渗透性及其影响因子[J].林业科学，2009，45（1）：36-42.

[6]范少辉，刘广路，官凤英，等.不同管护类型毛竹林土壤渗透性能的研究[J].林业科学研究，2009，22（4）：568-573.

[7]赵洋毅，王玉杰，王云琦，等.渝北水源区水源涵养林构建模式对土壤渗透性的影响[J].生态学报，2010，30（15）：4162-4172.

[8]魏宝，丁国顿，吴斌，等.不同灌木覆盖状态下防风机理研究[J].北京林业大学学报，2013，35（5）：73-78.

[9]黄茹，黄林，何丙辉，等.三峡库区不同林草治理措施下土壤入渗特征研究[J].2013，35（9）：119-126.

[10]朱红球，谢振华，李红.衡阳紫色土丘陵地植被恢复模式对土壤渗透性的影响[J].2013，29（22）：73-77.

[11]刘培娟，隋栋梁，孙金芬.不同灌木林地土壤蓄水性能及渗透性能的研究[J].2007（12）：17-21.

[12]席彩云，于新晓，许娟，等.北京密云山区典型林地土壤入渗特性[J].北京林业大学学报，2009，31（5）：42-47.

[13]林代杰，郑子成，张锡洲，等.不同土地利用方式下土壤渗透特征及其影响因素[J].水土保持学报，2010，24（1）：33-36.

[14]柴亚凡，王恩媗，陈祥伟，等.植被恢复模式对黑土贮水性能及水分入渗特征的影响[J].水土保持学报，2008，22（1）：60-64.

刘铠源（1986-），男，汉族，甘肃平凉人，甘肃农业大学林学院农业推广硕士，林学专业，主要从事水土保持工作。E-mail:362680819@qq.com

※通讯作者：蒋志荣（1959-），男，汉族，甘肃兰州人，博士，甘肃农业大学林学院教授。Email:jzhirong@ gsau.edu.cn