丹江口库区不同植被类型地表根系对土壤渗透性的影响

闫东锋，王德彩，杨喜田(河南农业大学林学院，450002，郑州)



丹江口库区不同植被类型地表根系对土壤渗透性的影响

闫东锋，王德彩，杨喜田
(河南农业大学林学院，450002，郑州)

摘要:为研究地表根系结构特征及其对土壤渗透性的影响，通过对丹江口库区针阔混交林、灌木林、针叶林和阔叶林35块样地进行地表土壤(0～10和10～20 cm土层)和根系采集和室内实验，分析4种植被类型根系结构特征、土壤渗透特性及其相互作用关系，并建立回归方程。结果表明:4种植被类型土壤0～10土层的土壤初渗率和稳渗率均高于10～20 cm土层;土壤0～10和10～20 cm土层土壤初渗率和稳渗率在不同植被类型间均表现相同趋势，即阔叶林＞针阔混交林＞灌木林＞针叶林;不同植被类型土壤初渗率、稳渗率等指标均与根长密度和根表面积密度存在显著的线性相关性(P＜0.05);根系直径在0.5～5 mm范围内的根系结构特征参数与土壤入渗特征指标之间存在显著的线性相关性(P＜0.05);在Kostiakov入渗模型中，直径介于0.5～5 mm不同径级的根长密度和根表面积密度与b值正相关，与a值负相关。丹江口库区阔叶林和针阔混交林土壤渗透性能优于灌木林和针叶林，4种不同的植被类型土壤入渗特征值均随根系结构参数值增大而增大，且直径在0.5～5 mm径级范围内的根系对土壤渗透能力的增强作用最明显。

关键词:植被类型;土壤入渗;根系特征;入渗模型;根系径级;丹江口水库;河南

项目名称:国家自然科学基金“侧柏 山毛桃群落演替初期种间竞争 促进作用的平衡机调控”(31170580);河南省高等学校青年骨干教师资助计划“抚育间伐对次生栎林碳周转的影响及其生态模拟”(2014GGJS036)

丹江口水库是南水北调中线的水源区，植被生态建设是该区水土保持工作的重要内容。植被恢复模式能改变水分下渗过程，进而对控制水土流失的效率有所差异［1］。土壤入渗是描述水分通过地表向下的流动过程，土壤入渗率是指单位时间、单位面积土壤表面入渗的水量，表征土壤对水分传输的再分配能力［2 4］。土壤渗透性能影响着地表径流和土壤侵蚀量，是植被水文功能研究的重要指标［5 6］。植被类型的不同其植物根系的分布格局也存在差异［7］，植物根系在土壤中穿插且根际生物活动频繁，可以有效改变根际土壤性质［8 9］，进而影响地表径流过程;因此，研究不同植被类型根系结构对土壤入渗的影响及其差异规律，弄清表征影响土壤入渗性能的根系结构指标及根级范围并建立相关回归方程，对明确不同植被类型条件下地表径流的调节机制及土壤侵蚀防治具有重要意义。

国内外对土壤入渗的研究较多，涉及森林覆盖度［10］、土壤水分［11］、植被类型［12］和枯枝落叶层［13］等对土壤渗透的影响。研究［14］表明，植物多样性可以显著增加土壤渗透能力，动态影响着土壤水文性质;根系对土壤理化特性的影响主要集中在土壤养分［15］、土壤机械组成、水稳性团聚体［16］、土壤抗冲［17］等方面，而关于根系分布对土壤渗透性的影响的研究较少。丹江口水库位于汉江中上游，河南境内水源区土地利用以耕地、林地和灌草地等方式为主。之前对丹江口水库植被的研究主要集中在湿地植物［18］、水滨带植物群落［19］、植被与环境的关系［20］和植被水源涵养功能［21］等方面，针对不同植被类型的土壤渗透能力的研究尚未见报道。本文通过对丹江口水库水源区主要植被类型(针阔混交林、灌木林、阔叶林、针叶林)的地表根系特征和土壤入渗特性开展调查分析，旨在为该区植被生态建设，制定科学合理的水土保持措施提供参考。

1　研究区概况

丹江口水库位于河南省和湖北省交界处，主要包括河南省淅川县的丹库和湖北省丹江口市的汉库。本研究区位于丹江口水库库区周边河南境内，包括淅川县和西峡县部分地区(E 110°52'～111°18'，N 33°30'～34°10')。地处北亚热带北部边缘，属亚热带季风型大陆性气候，全区气候温和，雨量适中，光照充足，四季分明，多年平均降雨量为820 mm，多年平均径流深230 mm，年平均气温15.5℃。地带性植被主要为亚热带落叶阔叶林，以及部分常绿阔叶林和针阔混交林。研究区乔木建群种以黑松(Pinus thunbergii)、栓皮栎(Quercus variabilis)和侧柏(Platycladus orientalis)为主。

2　材料与方法

2.1样地设置和样品采集

在丹江口水库库区周边河南境内，参考丹江口水库水源区1∶2.5万林相图，结合遥感影像，分别按照灌木林、针叶林、针阔混交林和阔叶林选取典型样地，每种植被类型样地中选择坡度、海拔范围和其他立地条件基本相似的地块，记录环境因子。样地基本情况见表1。

土壤和根系的调查是在各样地四角及中心选取5个样点，乔木样地样点应在4株林木的对角地带。在各样点挖掘土壤剖面，用环刀法分别取表层(0～10 cm)和地表层(10～20 cm)原状土样，带回实验室进行土壤物理性质测定。根系取样采用大环刀(直径7.5 cm，高10 cm，体积441.6 cm3)法分别取0～10和10～20 cm土层的土壤样柱(包括根系)分别装入塑料袋中，密封后带回实验室进行根系特征指标测定。

2.2样品分析

土壤渗透特性采用双环入渗法［22］，取土深度为10 cm。采用土壤初渗率、稳渗率、渗透总量和平均入渗率描述土壤入渗能力。野外大环刀获取的根系样品经清洗、晾干后，采用专业扫描仪立体扫描，然后采用根系形态学和结构分析应用系统 WINRhizo计算表征根系结构的指标，如根长密度(RLD)、根表面积密度(RSAD)和根体积密度(RVD)等，然后在70℃恒温下烘干48 h，称其干质量，计算根生物量。

表1　样地基本情况Tab．1　Basic conditions of plots

2.3数据处理

采用以下3个模型对土壤入渗过程进行拟合［23］。

Horton模型

式中:f(t)为土壤入渗速率，mm/min;t为入渗时间，min;fo、fc、k分别为初渗率、稳渗率、衰减指数，值越小表示土壤入渗衰减的越慢。

Philip模型

式中:S为模型参数，表征土壤入渗能力的强弱;A为稳渗率，mm/min。

Kostiakov模型

式中a，b为模型参数，分别描述土壤入渗速率随时间变化的程度和土壤入渗开始后第1个时段内的平均入渗速率。

数据处理采用统计分析软件SPSS 19.0进行。

3　结果与分析

3.1不同植被类型根系结构特征

分别计算灌木林、针叶林、针阔混交林和阔叶林根表面积密度、根长密度、根体积密度和根生物量等根系结构特征指标的平均值及其标准差，结果见表2。4种植被类型中，阔叶林的根表面积密度、根长密度、根体积密度和根生物量均值均较大。就根表面积密度、根体积密度而言，阔叶林与针阔混交林之间的差异不显著(P＞0.05)，但阔叶林根表面积密度、根体积密度和根生物量均显著高于灌木林和针叶林。针阔混交林的根长密度大于阔叶林，但根生物量显著小于阔叶林。这说明阔叶林粗根所占比例较大，而针阔混交林细根所占比例较大。

表2　4种植被类型地表根系结构特征参数(平均值±标准差)Tab．2　Root structure parameters of 4 vegetation types(mean±SD)

3.2不同植被类型土壤入渗特征

3.2.1土壤入渗特征土壤初渗率、稳渗率在0～10和10～20 cm土层深度中均表现相同趋势，即:阔叶林＞针阔混交林 ＞灌木林 ＞针叶林。0～10 cm土层针叶林和阔叶林稳渗率高于10～20 cm土层，针叶林和阔叶林0～10 cm土层稳渗率分别是10～20 cm土层的2.022倍和1.567倍，而其他植被类型不同土层的稳渗率变化幅度较小。初渗率越高，达到稳渗的时间越长，其渗透总量也越大，如表3所示，针阔混交林和阔叶林0～10和10～20 cm层土壤初渗率、稳渗率、渗透总量均显著高于灌木林和针叶林(P＜0.05)，而针阔混交林和阔叶林之间，灌木林和针叶林之间均无显著差别(P＞0.05)。这说明阔叶林和针阔混交林土壤渗透性能优于灌木林和针叶林，针叶林虽然是乔木林分，但是其产生的凋落物分解缓慢，且地表植物覆盖度不高，根系生物量较低，对土壤的改良作用有限，其土壤渗透能力仍然不强。研究区阔叶林和针阔混交林内阔叶树种以栎类为主，凋落物丰富，分解速率比较快，对土壤的改良效果较好。

表3　4种植被类型土壤入渗特征(平均值±标准差)Tab．3　Characteristics of soil infiltration at 4 vegetation types(mean±SD)

3.2.2土壤入渗过程如图1所示，4种植被类型0～10和10～20 cm土层厚度土壤初渗率均较高，然后开始降低直至稳定下来，4种植被类型2个土层厚度土壤入渗稳定时间存在一定的差别，即:针叶林土壤达到稳渗的时间最短(13 min)，而阔叶林的地表土壤达到稳渗时间最长(43 min);灌木林和针叶林的0～10和10～20 cm土层达到稳渗的时间接近，且均比较短。4个植被类型0～10 cm土层的土壤稳渗率、初渗率均大于10～20 cm土层，表明4种植被类型表层土壤可以迅速将地表径流转化为土壤中流和基质流，这对于减缓暴雨对地表的冲刷有重要的作用。

3.2.3土壤入渗过程拟合应用Horton模型、Philip模型和Kostiakov模型对土壤入渗过程进行拟合(表4)。3个土壤渗透模型R2较高，对实测渗透数据拟合效果均较好，能很好地描述土壤入渗速率与入渗时间的关系。

4个植被类型中0～10 cm土层的a值均大于10～20 cm土层，这说明随着土层厚度的增加，土壤入渗能力在下降。各植被类型0～10 cm土层中:a值最小值均出现在针叶林中，最大值均出现在阔叶林中; b值最小值均出现在灌木林中，最大值均出现在阔叶林中。除灌木林地外，其他植被类型0～10 cm土层参数S的大小均大于10～20 cm土层，该区灌木林主要分布在以紫色土为主的土壤瘠薄地区，地表植被对土壤改良作用有限，因此表层土壤紧实，渗透能力不高。0～10和10～20 cm土层中土壤入渗能力最强的植被类型分别为针叶林和灌木林。

3.3根系对土壤渗透性的影响

图1　4种植被类型土壤渗透过程曲线Fig．1　Infiltration curves of 4 vegetation types

表4　4种植被类型土壤入渗方程模拟结果Tab．4　Modeling results of soil infiltration for 4 vegetation types

3.3.1根系结构特征参数与土壤入渗特征指标相关分析从表5可以看出，根长密度、根体积密度和根生物量与土壤入渗特征指标之间均存在显著或极显著的相关关系。根生物量与稳渗率、平均入渗率均显著相关(P＜0.05)，而与初渗率、渗透总量间相关关系不显著(P＞0.05)。根表面积密度与初渗率、稳渗率、渗透总量和平均渗透率间均存在显著相关(P＜0.05)，相关系数分别为0.917、0.955、0.940 和0.927，而根表面积密度与平均渗透率间相关性达不到显著水平(P＞0.05)。

3.3.2根系结构特征参数与土壤入渗特征指标回归分析以各土壤入渗特征指标为因变量，根长密度、根表面积密度、根体积密度和根生物量等根系结构特征参数为自变量，分别建立两者之间的线性回归方程(表6)。根长密度和根体积密度与各土壤入渗特征指标间均显著相关(P＜0.05)，与稳渗率极显著相关(P＜0.01)，其线性回归方程分别为:Y= 1.850x－0.366(R2=0.912;P=0.005)和 Y= 6.504x－6.377(R2=0.891;P=0.006)。

3.3.3土壤入渗特征指标与不同径级根系结构特征参数的相关分析表7是土壤入渗特征指标与不同径级的根系结构特征参数之间的相关分析结果。土壤入渗特征指标与直径介于0.5～5 mm的不同径级的根系结构特征参数之间存在显著的相关关系(P＜0.05)。而且随着根系径级的增大，土壤初渗率、稳渗率、渗透总量、平均入渗率与RLD、RSAD的相关系数均呈现出先增大后减小的趋势，其最大值均出现在0.5～1和1～2 mm径级。1～2 mm径级根系的RLD与土壤的稳渗率、渗透总量的相关性达到极显著水平(P＜0.01);0.5～1 mm径级根系的RSAD与土壤的初渗率、渗透总量的相关性达到极显著水平(P＜0.01)。其中直径＜0.5 mm的根系虽然生长更新的速率较大，但与土壤入渗特征指标的相关系数较小。这说明0.5～1和1～2 mm径级根系对土壤入渗性能的改善作用最强，可能与其数量多、密度大等特征有关。

表5　土壤入渗特征指标与根系结构特征参数的相关系数Tab．5　Correlation coefficients between soil infiltration characteristics and root structure parameters

表6　土壤入渗特征指标与根系结构特征参数之间的回归方程Tab．6　Regression equations between soil infiltration characteristics and root structure parameters

3.3.4根系结构特征参数与土壤入渗模型参数的关系由表4中Kostiakov入渗模型方程参数可知，不同植被类型0～10和10～20 cm土层厚度的模型参数a的平均值大小关系为:阔叶林(14.674)＞针阔混交林(10.586)＞灌木林(3.025)＞针叶林(1.386)，而 b的平均值大小关系为:针阔混交林(0.133)＞阔叶林(0.243)＞灌木林(0.094)＞针叶林(0.167);随着土层深度的增加，a和 b的值均逐渐减小。分别计算 Kostiakov方程参数和不同径级根系结构特征参数RLD、RSAD之间的相关系数(表8)。不同根系径级的RLD和RSAD与 b值呈正相关关系，与a值呈负相关关系;0.5～1 mm径级的根表面积密度对b值有显著影响(P＜0.05)，0.5～1和1～2 mm径级的根长密度对b值有显著影响(P＜0.05);而各径级的根系结构特征参数对 a值的影响均达不到显著水平(P＞0.05)。

表7　土壤入渗特征指标与不同径级的根系结构特征参数之间的相关系数Tab．7　Correlation analysis between soil infiltration characteristics and root structure parameters under different root diameter classes

表8　土壤入渗模型参数与不同径级根系特征之间的相关分析Tab．8　Correlation analysis between the parameters of soil infiltration models and root characteristics of different root diameter classes

4　讨论

土壤入渗性能直接影响着土壤对水分传输的再分配能力，是植被水文功能研究的重要指标，不同植被类型以及不同土层厚度的土壤渗透特性差异较大。对丹江口库区4种典型植被土壤入渗特性进行研究后发现，阔叶林和针阔混交林的土壤渗透特性优于灌木林和马尾松针叶纯林，该区乡土阔叶树种栎类通过产生大量枯枝落叶以及相对丰富的地下根系，增加土壤孔隙度，减少土壤密度等，进而增强土壤入渗性能。这与彭舜磊等［23］对伏牛山不同植被恢复类型，候秀丽等［24］对滇中不同植被土壤入渗性能的研究结论一致。

根系系统功能的发挥在不同时间、不同环境条件下有很大的差异［26］，尤其是与土壤环境条件密切相关。根系除了能发挥支持植物生长、吸收和保持水分养分等功能外，还能通过释放有机化合物、根系呼吸和周转等过程改变土壤的物理化学性质(尤其是根际土壤)［26］。王国梁等［27］研究发现植物根长密度具有较好的改良土壤、提高土壤入渗能力的功能。本研究发现，除了根长密度外，根体积密度和根生物量与土壤入渗特征指标之间均存在显著或极显著的相关关系，可以用来研究根系分布与土壤渗透的关系。

相关研究［17］表明细根对土壤渗透性的改善最为明显，徐少君等［28］认为 D＜2 mm根系的根长密度、根表面积密度对土壤渗透、抗冲作用等水力学特性有增强作用。笔者研究发现，根系对土壤渗透能力的增强作用主要由0.5～5 mm径级的根系表现出来，相对径级过大或过小的根系对土壤渗透能力的增强作用都会减弱，这与李建兴等［26］的研究结果一致。该径级的根系通过充分接触土壤、串结土体，同时分泌的高、低分子量分泌物可以增加土壤颗粒的结合强度，从而促进土壤的团粒化作用［28］。

笔者之所以研究地表根系和土壤入渗的关系，原因在于地表根系对环境的反应最为敏感，在影响土壤物理化学性质方面最为强烈［29］，且取样简单;但是除了地表根系之外，处于土层较厚的植物根系仍然可能会深刻影响着土壤渗透特性，而且土壤渗透与根系的关系还可以在更大的尺度以及空间角度开展系统研究，还可以在根际这个较小的尺度开展。从影响土壤渗透的植被要素来看，不仅仅是根系，植被覆盖度、地表凋落物、林分密度甚至植物种类都会影响土壤渗透能力［27］，且植被恢复的不同时期，土壤渗透性也可能存在一些差异［30］;因此，研究土壤渗透能力需要长期和多要素的观测。

5　结论

1)4种不同植被类型中，0～10 cm层土壤的渗透能力均高于10～20 cm层。阔叶林0～10 cm土层土壤初渗率和稳渗率均最高，分别为11.929和8.033 mm/min;10～20 cm土层土壤初渗率和稳渗率分别为8.611和5.127 mm/min。

2)Kostiakov和 Philip、Horton入渗模型均能很好描述土壤入渗速率与时间的关系，适合本地区及相似地区应用;4种植被类型土壤初渗率、稳渗率和渗透总量等土壤入渗特征指标均与根长密度、根表面积密度等根系结构特征参数存在显著的正相关关系(P＜0.05)。

3)土壤渗透性参数与直径介于0.5～5 mm之间的不同径级的根系特征之间有显著地相关性(P＜0.05)。根系对土壤渗透能力的增强作用主要由0.5～5 mm径级的根系表现出来，相对径级过大或过小的根系对土壤渗透能力的增强作用都会减弱。

4)在 Kostiakov入渗模型中，直径介于0.5～5 mm之间不同径级的根长密度和根表面积密度与b正相关，与a负相关。这说明随着根长密度和根表面积密度的增加，土壤初始入渗率b逐渐增大，入渗能力衰减程度a逐渐减小，即随着根长密度和根表面积密度大小影响着土壤入渗能力的强弱。

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Effects of surface root system on soil infiltration at different vegetation types in Danjiangkou Reservoir area

Yan Dongfeng，Wang Decai，Yang Xitian
(College of Forestry，Henan Agriculture University，450002，Zhengzhou，China)

Abstract:［Background］Forest vegetation plays a key role in soil erosion in Danjiangkou Reservoir area，and different vegetation has different ability on soil infiltration．Soil hydraulic properties drive water distribution and availability in soil．There exists limited knowledge of how plant growth especially surface root might influence soil hydraulic properties．Roots growing near the soil surface may influence soil detachment，and modify the properties of soil in their immediate vicinity．［Methods］To investigate the effects of root on soil infiltration capacity，the soil and root(two layers of 0－10 cm and 10－20 cm)of 35 samples representing the main vegetation types in Danjiangkou Reservoir area were surveyed and analyzed．The root structure characteristics and its influence on soil infiltration were studied，and the methods of modeling，correlation analysis and regression were introduced．［Results］The soil infiltration capacity of 0－10 cm soil layer of different vegetation types were higher than that of 10－20 cm．Soil initial infiltration rate and soil steady infiltration rate of 0－10 cm and 10－20 cm soil layer showed the same trend of the broadleaf forest＞coniferous and broadleaf mixed forest＞shrub＞coniferous forest．Soil infiltration rate and soil steady infiltration rate had significant linear correlation with root lengthdensity and root surface area density among different vegetation types．The index of soil infiltration had significant correlation with root structure parameters of different root diameter ranged from 0.5 to 5 mm (P＜0.05)．Kostiakov infiltration model，Philip infiltration model and Horton infiltration model stimulated the soil infiltration processing，and in Kostiakov infiltration model，root length density and root surface area density of different root diameter ranged from 0.5 to 5 mm presented the positive correlation with b values and negative correlation with a value．Root length density，root volume density and root biomass had significant correlation relation with the indexes of soil infiltration，which could be used to study the relation of root distribution and soil infiltration．The results indicated that vegetation types significantly affected soil infiltration，and coniferous and broadleaf mixed forest as well as broadleaf forest were better in soil infiltration and root structure．Root at diameter of 0.5－5 mm played the key role in the root system on soil infiltration capacity．［Conclusions］The study promotes better understanding of surface root in different vegetation types and its influence on the soil infiltration，and suggests that coniferous and broadleaf mixed forest，and broadleaf forest should be protected，and shrub and coniferous forest should be transformed to promote the soil and water conservation capacity in Danjiangkou Reservoir area．

Keywords:vegetation type;soil infiltration;root characteristics;infiltration model;root diameter class; Danjiangkou Reservoir area;Henan Province

中图分类号:S157

文献标志码:A

文章编号:1672-3007(2016)03-0035-10

DOI:10．16843/j．sswc．2016．03．005

收稿日期:2015 11 10修回日期:2016 04 19

第一作者简介:闫东锋(1979—)，男，博士，副教授。主要研究方向:数量生态学与森林水文。E-mail:ydflx@henau．edu．cn