太行山低山丘陵区不同水土保持林地土壤渗透性能及其影响因素研究

陈家林，郭二辉，杨果果，孔玉华，杨喜田

（河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002）

太行山低山丘陵区不同水土保持林地土壤渗透性能及其影响因素研究

陈家林，郭二辉，杨果果，孔玉华，杨喜田

（河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002）

为了探讨太行山低山丘陵区不同水土保持林地土壤渗透性能及其影响因素，本文通过野外调查和室内分析相结合的方法，分析了该区域3种30年生的侧柏、刺槐和栓皮栎水土保持林地土壤的入渗特征并进行综合评价，同时进行入渗过程模拟及土壤入渗影响因素研究，结果表明：（1）3种水土保持林地土壤初渗速率、平均入渗速率、稳渗速率、前30min入渗量均大于相同土层裸地土壤入渗数值，同时也表现为随土壤深度的增加而降低，不同样地0～20 cm土层土壤渗透速率均呈现侧柏＞刺槐＞栓皮栎＞裸地的趋势。（2）不同样地土壤渗透性能综合评价结果为侧柏（2.414）＞刺槐（-0.817）＞栓皮栎（-1.169）＞裸地（-1.180）。（3）土壤入渗模型拟合结果表明Philip入渗模型对不同恢复阶段土壤入渗过程拟合效果最好，Kostiakov入渗模型拟合效果次之，Horton入渗模型拟合效果最差，不适合用于描述该区域土壤入渗特征。（4）土壤渗透特性指标与土壤密度、非毛管孔隙度、总孔隙度、有机质质量分数、根质量密度、根表面积密度、根体积密度、根平均直径存在显著相关关系（P＜0.05）；土壤理化性质指标和根系结构指标中对土壤渗透性能产生影响作用最大的分别是总孔隙度和根表面积密度，典型相关负荷量分别为21.029和0.713。

土壤入渗；水土保持林；土壤理化性质；根系结构

土壤水分入渗过程和渗透性能影响着土壤对水分传输及再分配能力，进而对坡面地表径流和土壤水分产生重要影响，是植被恢复过程中水文效应研究的重要指标[1-4]，土壤的渗透性能越好，地表径流就越少，土壤的侵蚀量也会相应地减少。土壤水分入渗规律探讨是明确地表径流产生机制的前提和基础[5]，对水土流失防控及土壤侵蚀防治具有重要意义。目前，关于土壤渗透性能的研究多集中不同土地利用类型，不同植被恢复模式以及不同林分构型土壤渗透性能比较方面[6-8]，然而在差异比较时往往忽视林龄不同而产生的土壤渗透能力的差异[9-10]，同时大多数研究对象中均涉及混交林[7-8]，种间互作因素无法排除，因此得到的结果往往说服力不强，对水土保持树种选择参考价值较小。关于水土保持林的研究多集中在不同的植被类型及其配置产生的减水减沙效果[11-12]，而对其水土保持效益发挥的机理关注较少。在影响因素方面，已有研究多涉及土壤质地、土壤理化性质、下垫面性质等直接或间接因素[13-14]，较少探讨根系结构对土壤渗透特性的影响。影响因素的分析方法中，相关分析和主成分分析较为常见，鲜少应用典型相关分析法。

河南太行山低山丘陵区生态环境恶劣，水土流失十分严重，经过几十年的水土保持林营建，该区域植被得到了不同程度的恢复。本研究选取该区域相同林龄的3种水土保持纯林为研究对象，最大限度地排除干扰因素，对不同水土保持林地土壤入渗特征及过程进行研究并进行土壤入渗性能进行综合评价，进而评价出优良的水土保持树种；同时利用相关分析和典型相关分析的研究方法探讨土壤理化性质、根系结构对土壤渗透性能的影响作用，为该地区植被恢复及水土流失防控等工作提供理论依据。

1 研究区概况

研究样地位于河南省济源市境内，隶属于中国森林生态系统定位研究网络（CFERN）的黄河小浪底森林生态系统定位研究站（35°01′N，112°28′E），平均海拔 410 m。研究区气候为暖温带大陆性季风气候，多年平均温度为13.1℃，年平均降水量641.7 mm，降水分布不均匀，多集中在6～9月，占全年降雨量的68.3%。研究区土壤主要为在花岗片麻岩的土壤母质上发育而来的山地褐土，有效土壤厚度较薄且保肥保水能力差。研究区植被包括人工纯林及阔叶林破坏后自然形成的次生灌草丛。乔木代表性树种有侧柏Platycladus orientalis、栓皮栎Quercus variabilis和刺槐Robinia pseudoacacia等。天然植被灌木组成种类主要有：酸枣Ziziphus jujube、荆条Vitex negundo、胡枝子Lespedeza bicolor等。草本主要有：荩草Arthraxon hispidus，茵陈篙Artemisia capillaries，狗尾草Setaria viridis，野艾篙Artemisia lavandulaefolia等。

2 材料与方法

2.1 样地选择

依据研究区实际情况，选取坡向、坡位一致的30 a生侧柏、刺槐和栓皮栎水土保持林为研究对象，以裸地为对照，每种人工林设3个样地，裸地设2个样地，共设置11块样地，进行常规的测树学和森林生态学调查。不同水土保持林样地基本情况见表1。

表1 不同样地基本情况†Table 1 General situation of sample plots

2.2 样品采集及分析

2015年7月，在每个样地中选择有代表性的样点，清理地表凋落物后，随机挖掘3个土壤剖面，用环刀分层取原状土样，每个剖面取2组土样，1组用于测定土壤入渗性能，1组用于测定土壤密度等物理性质；同时，采用S形布点分两层采集土壤混合样品用于化学性质测定；在每个样地中选择位于4株林木的对角地带的代表样点3个，去除地表凋落物，采用大环刀（直径7. 5 cm，高10 cm）分层挖取原状土壤样柱。所有样品均分层取样，每10 cm一层，林地取土深度为30 cm，裸地为20 cm。

土壤渗透特性的测定采用双环刀入渗法[9]；土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度采用环刀法测定；土壤有机质质量分数采用重铬酸钾外加热法测定。土壤样柱中的根系经清洗后，采用WINRHIZO根系分析系统测定根系结构指标，再将根系于70℃恒温下烘干48 h后称重测定生物量。不同水土保持林地各土层土壤理化性质及根系结构指标见表2。

表2 不同水土保持林地土壤理化性质及根系结构指标Table 2 Soil physical and chemical properties and root structures of different soil and water conservation forest lands

2.3 土壤入渗模型

建立土壤入渗模型是研究土壤入渗的有效方法，有关土壤入渗模型有多种，结合研究实际，选取以下3个模型对不同水土保持林地土壤入渗特征进行模拟。

Kostiakov 入渗模型：f(t)=at-b。

式中：f(t)为入渗速率，mm/min；t为入渗时间，min；a，b为拟合参数。

Philip入渗模型：f(t)=0.5St-1/2+A。

式中：A为稳渗速率，mm/min；S为吸着率，cm/min0.5。

Horton入渗模型：f(t)=fc+(f0-fc)e-kt。

式中：f0和fc分别为初渗速率、稳渗速率，mm/min；k为经验参数。

2.4 数据处理

采用单因素方差分析（One-way ANOVA）检验不同林地土壤性质是否有显著差异（α=0.05）。当差异性显著时，采取Turkey距离进行多重比较。通过SPSS 19.0软件进行单因素方差分析、主成分分析以及典型相关分析；采用Microsoft Excel进行图表绘制。

3 结果与分析

3.1 不同水土保持林地土壤入渗特征

3.1.1 土壤入渗过程及特征

土壤渗透性对地表径流量的大小和速率具有直接影响作用，同时也对土壤侵蚀过程进行调控，是土壤水文生态功能的重要体现，也是土壤抗蚀特性的度量标准[15]。不同水土保持林各土层初渗速率、平均入渗速率、稳渗速率和前30 min渗透量见表3，各水土保持林地土壤不同时刻渗透速率见图1。

由表3和图1可以看出，不同水土保持林地土壤渗透速率具有相同的变化趋势，初期渗透速率较高，随着入渗时间的推移渗透速率逐渐下降，最终达到稳渗状态。3种水土保持林地土壤初渗速率、平均入渗速率、稳渗速率、前30min入渗量均大于相同土层裸地土壤入渗数值，同时也表现为随土壤深度的增加而降低，表明水土保持林的兴建可有效改良土壤渗透性能，而改良作用随土壤深度的增加而减弱。除刺槐林地20～30 cm土层土壤初渗速率、平均入渗速率、稳渗速率小于栓皮栎林地20～30 cm土层土壤，不同水土保持林地同一土层土壤初渗速率、平均入渗速率、稳渗速率均表现为侧柏＞刺槐＞栓皮栎＞裸地。

表3 不同水土保持林土壤的渗透特性†Table 3 Soil infiltration characteristics of different soil and water conservation forest lands

图1 不同水土保持林地土壤渗透特征Fig.1 Soil in filtration process of different soil and water conservation forest lands

3.1.2 土壤入渗过程拟合

土壤水分入渗是一个什么复杂的水文过程，土壤入渗过程模拟是研究这一物理过程的重要途径。对不同水土保持林地、不同土层土壤的渗透数据依照选定的入渗模型进行过程模拟，得到结果见表4。由表4可知，Philip入渗模型的R2均值（0.891）最大，表明模型拟合值与本研究相应实测值之间的拟合程度较高，对不同水土保持林地土壤入渗过程拟合效果最好，Kostiakov入渗模型拟合效果次之， Horton入渗模型拟合效果最差，不适合用于描述该区域土壤入渗特征。

Kostiakov入渗模型中的参数a代表一个时间段内平均入渗速率，b值的大小则反映土壤入渗速率递减状况，其值越大，表明入渗速率随时间递减的越快[16]。从表4可见，参数a的值在不同样地中，均表现出随土层深度增加而逐渐减小的趋势；同时，同一土层中，不同样地中参数a表现出侧柏＞刺槐＞栓皮栎＞裸地的趋势，与实测得到的不同水土保持林地土壤入渗特性相吻合。3个土层参数b最大值均出现在裸地和栓皮栎林20～30 cm土层，说明相应土壤入渗速率随时间减少最快。

Philip入渗模型中参数S的大小反映土壤入渗速率的快慢。从表4可知，除栓皮栎林20～30cm土层的S值外，不同样地不同土层对应的S值均随土层深度增大而减小，与前文土壤入渗性能随土层深度变化规律较一致，也表明Philip入渗模型在本研究中具有较高的适配性。不同水土保持林中，Philip入渗模型反映出侧柏林地的土壤入渗能力最强，3个土层的S值均为最大，分别为5.817、0.742和0.329。

表4 不同水土保持林土壤入渗模型拟合结果Table 4 Fitting effect of soil infiltration model of different soil and water conservation forest lands

3.1.3 土壤渗透性能综合评价

为综合评价不同水土保持林地土壤渗透性能，以初渗速率（α1）、平均入渗速率（α2）、稳渗速率（α3）和前30 min入渗量（α4）为评定指标进行主成分分析，第1主成分的累积贡献率高达99.48%，同时在第1主成分上的正荷载几乎相等，主成分方程为α=0.495α1+0.501α2+0.496α3+0.501α4（αi为各指标的标准化值）可以作为土壤渗透性能的综合度量。不同水土保持林地土壤渗透性能得分及排序见表5。

表5 不同水土保持林地土壤入渗性能评价Table 5 The evaluation table of soil infiltration capabilities of different soil and water conservation forest lands

由表5可以看出，不同水土保持林地土壤的渗透性能均随土壤深度的增加而降低，虽不同土层土壤渗透排序略有差异，但在0～10层、10～20层，3种林地中均以侧柏林地土壤渗透性能最好，以栓皮栎林地最差，但均好于裸地。从综合平均得分来看，各样地土壤渗透性能依次为侧柏＞刺槐＞栓皮栎＞裸地。

3.2 土壤入渗影响因素

3.2.1 土壤入渗特征影响因素相关分析

为探讨土壤入渗性能与土壤理化性质、根系结构之间的相关关系，研究选取土壤理化性质指标：土壤密度（X1）、毛管孔隙度（X2）、非毛管孔隙度（X3）、总孔隙度（X4）、有机质质量分数（X5），根系结构指标：根质量密度（X6）、根长密度（X7）、根表面积密度（X8）、根体积密度（X9）、根平均直径（X10）和表征土壤入渗性能指标：初渗速率（α1）、平均入渗速率（α2）、稳渗速率（α3）和前30 min入渗量（α4）进行相关分析，结果详见表6。

由表6可知，除土壤毛管孔隙度和根长密度外，其余指标均与初渗速率、平均入渗速率、稳渗速率和前30 min入渗量存在显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）的相关关系。土壤密度、总孔隙度是土壤疏松程度的重要度量，土壤密度越小，总孔隙度越大，土壤就越松散，渗透性能越强，这可能就是土壤密度与4个土壤渗透性能指标存在负相关关系而土壤孔隙度与渗透性能存在正相关关系的原因。土壤非毛管孔隙度反映的是土壤中水分渗透的主要通道，其导水能力远远大于毛管孔隙，直接关系到土壤渗透过程[17]，这与本研究得到的非毛管空隙度与土壤入渗指标存在正相关关系的结果一致。土壤有机质质量分数与土壤渗透指标之间的极显著（P＜0. 01）正相关关系，与多数研究结果一致[18-19]。土壤有机质并通过改变土壤团聚状态以及促进土壤孔隙的形成来间接发挥效用的[20]。

表6 土壤入渗性能与影响因素相关系数†Table 6 Correlation coefficients between soil infiltration capacity and influencing factors

根系结构指标中根质量密度、根表面积密度、根体积密度和根平均直径均与土壤入渗特性能存在显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）的相关关系。植物根系与地上组织在地表连接处形成微型挡土栅可以阻止土壤颗粒搬运，同时受阻沉积的对土壤在地表形成微型型滤水土体[21]，能有效增加地表径流入渗，直接增强土壤渗透性能；另外，由于根系的穿插、网络及固结作用，能将土壤单粒粘结起来，改善了土壤的团粒结构和孔隙性[22-23]，间接增加土壤入渗速率。

3.2.2 土壤入渗特征影响因素的典型相关分析

土壤入渗性能影响因素的相关分析中，仅仅得到土壤入渗性能与土壤理化性质、根系结构中的某些指标之间存在相关关系，缺乏详尽的定量描述。本研究采用典型相关分析法对土壤入渗性能和影响因素之间的定量关系进行深入探讨，结果详见表7。

表7 土壤理化性质、根系结构、土壤渗透特征典型相关分析结果Table 7 Results of canonical correlation analysis between soil physical and chemical properties, soil infiltration capacity and root structures

由表7得到，各典型变量组的典型相关系数分别为0.705，0.830，0.950，卡方检验表明，土壤渗透特性与土壤理化性质、根系结构之间的典型相关关系呈极显著水平（P＜0.01），但土壤理化性质和根系结构之间的典型相关关系未达到显著水平。土壤理化性质与土壤渗透性能之间的典型相关变量负荷系数可以看出，土壤理化指标对土壤渗透特性影响作用大小依次为总孔隙度（21.029）＞非毛管孔隙度（16.213）＞毛管孔隙度（12.170）＞有机质质量分数（0.866）＞土壤密度（0.356），而对土壤理化性质影响作用最大的是前30 min入渗量（22.557）；根系结构指标与土壤渗透性能的典型相关关系反映出，根系结构指标对土壤渗透特性影响作用呈现出根表面积密度（0.713）＞根长密度（0.386）＞根质量密度（0.346）＞根平均直径（0.186）＞根体积密度（0.106）的趋势，土壤渗透性能指标中初渗速率（7.868）、前30 min入渗量（7.535）则对根系结构指标产生显著影响。

4 结论与讨论

（1）为探讨不同水土保持树种对土壤渗透性能的改良作用，对太行山低山丘陵区3种典型的30年生水土保持林进行研究。结果表明：3种水土保持林能均不同程度提高了土壤渗透性能，其改良作用随土壤深度的增加而减弱，致使土壤渗透性能随土壤深度的增加而减弱[8]。对不同样地土壤渗透性能进行综合评价，得到各样地土壤渗透性能依次为侧柏（2.414）＞刺槐（-0.817）＞栓皮栎（-1.169）＞裸地（-1.180），表明侧柏对土壤渗透性能的改良作用优于刺槐和栓皮栎。今后在该区域进行水土保持林建制过程中，可选择侧柏作为先锋树种。

（2）土壤入渗性能与其影响因素相关分析表明，土壤入渗特性的4个指标均与土壤总孔隙度、有机质质量分数、根质量密度、根表面积密度、根体积密度和根平均直径存在极显著正相关关系（P＜0.01）。根据不同样地土壤理化性质研究结果，侧柏样地土壤总孔隙度、有机质质量分数、根质量密度等理化性质和根系结构指标的数值均不同程度大于刺槐和栓皮栎林地，因此产生较强的直接或间接改良土壤渗透性能的作用[21-24]，促使侧柏林地土壤渗透性能最优。

（3）土壤入渗模型拟合结果表明Philip入渗模型对不同恢复阶段土壤入渗过程拟合效果最好，Kostiakov入渗模型拟合效果次之，Horton入渗模型拟合效果最差，不适合用于描述该区域土壤入渗特征。

（4）典型相关分析方法能将土壤入渗性能、土壤理化性质和根系结构指标进行类统一，可以从2者中提取的主成分，通过主成分的相关性来直观反映2组变量的整体相关关系[17]，本研究中土壤入渗性能、土壤理化性质、根系结构三者典型相关分析表明对土壤渗透能力影响最大的土壤理化性质、根系结构指标分别是总孔隙度、根表面密度，变量组负荷系数值分别为21.029和0.713。

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Characteristics and in fluencing factors of soil in filtration of different soil and water conservation forest lands in hilly region of Taihang Mountains

CHEN Jia-lin, GUO Er-hui, YANG Guo-guo, KONG Yu-hua, YANG Xi-tian
(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, Henan, China)

To analyze characteristics and influencing factors of soil infiltration of different soil and water conservation forest lands in hilly region of Taihang Mountains, three typical 30-year-old soil and water conservation forests (Platycladus orientalis,Robiniap seudoacaciaandQuercus variabilis) in this area were selected to study the soil infiltration characteristics and influencing factors,simulate the soil in filtration process and evaluate the soil permeability through field sampling and laboratory analysis. The results showed that: (1) Soil initial in filtration rate，average in filtration rate, stable in filtration rate and accumulated in filtration capacity of different soil and water conservation forest lands were higher than that in bare land in same soil layer，and decresed with increasing depth. The soil in filtration rate in 0-20 cm layer was in the order ofPlatycladus orientalis＞Robiniap seudoacacia＞Quercus variabilis＞ bare land. (2)Soil permeability values of different soil and water conservation forest lands were presented asPlatycladus orientalis(2.414)＞Robiniap seudoacacia(-0.817)＞Quercus variabilis(-1.169)＞ bare land(-1.180). (3) Simulated in filtration processes with Kostiakov and Philip models showed that the two fit better with the in filtration than Horton model. (4) There was a notable relationship (P＜0.05) between soil permeability index and soil bulk density, non-capillary porosity, total porosity, soil organic matter content, root weight density root surface area density, root volume density, root average diameter. For the soil in filtration capacity, the most important indicators of soil physical and chemical characteristics and root structure were total porosity and root surface area density, and the canonical correlation coef ficient of which were 21.029, 0.713 respectively.

soil in filtration; soil and water conservation forests; soil physical and chemical properties; root structure

S714.7

A

1673-923X(2016)10-0034-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.10.007

2016-01-03

国家自然科学基金“林木幼苗对切根的生理生态响应及根-冠互作机制”（31570613）；国家自然科学基金青年项目“河岸带植被格局对土壤养分流失的‘源－汇’效应及其机理”（41401206）；河南省博士后科研基金“不同人工林构型对土壤碳增汇与碳减排机理的研究”（201504）；科技创新杰出人才“切根对林木幼苗根-冠互作关系的影响”（154200510019）

陈家林，硕士研究生

杨喜田，博士，教授；E-mail：xitianyang@aliyun.com

陈家林，郭二辉，杨果果，等. 太行山低山丘陵区不同水土保持林地土壤渗透性能及其影响因素研究[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(10): 34-40.

[本文编校：吴 彬]