白龙江上游不同海拔梯度灌丛土壤渗透性能分析

王 飞，杨永红，齐 瑞，曹秀文，刘锦乾

（甘肃省白龙江林业管理局林业科学研究所，甘肃 兰州 730070）

白龙江上游不同海拔梯度灌丛土壤渗透性能分析

王 飞，杨永红，齐 瑞，曹秀文，刘锦乾

（甘肃省白龙江林业管理局林业科学研究所，甘肃 兰州 730070）

对甘肃白龙江上游灌丛植被类型的土壤性状进行了研究，结果表明：（1）随海拔梯度的增加平均土壤密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的变化差异较大。土壤平均密度在0.85～1.69 g·cm-3之间, 随着海拔的升高平均密度有逐渐减小的趋势，但在海拔梯度E（2 750～3 000 m）时平均密度最大，在E海拔梯度时0～10 cm土壤密度较小；平均孔隙度在24.41～66.22%之间，非毛管孔隙度在1.54～12.81%之间，孔隙度和密度呈负相关。（2）随着海拔梯度的增加毛管持水量、最大持水量、最小持水量都表现出先增加，到海拔梯度E（2 750～3 000 m）时减小，这与毛管孔隙度变化表现一致；排水能力随着海拔梯度的增加而减小，在 27.79～7.86 mm之间。（3）不同海拔梯度类型土壤的初渗率、稳渗率和平均渗透率都有较大的差异，初渗率在2.02～20.90 mL·min-1之间，稳渗率在0.35～6.20 mL·min-1之间，渗透率和时间的关系符合幂函数回归方程Y=ax-b，相关系数显著性相关水平。

白龙江；不同海拔梯度；灌丛；土壤；渗透性

森林土壤是森林生态系统的重要组成部分，是森林发挥水文调节作用的重要场所[1]，它通过根系影响林木生长，通过渗透和贮存降水影响森林生态系统水平衡[2]；森林通过枯枝落叶增加土壤有机质并改善土壤结构，增加了土壤孔隙，提高了土壤的水源涵养功能[3]；由于森林生态系统结构的复杂性，森林土壤表现出疏松性、结构性和持水性等独特的物理性质[4]。森林土壤水分含量及其空间动态变化是区域水循环及水量平衡各环节共同作用而达到动态平衡的结果，同时也对水循环的后续过程及森林生态环境效应的发挥产生影响[5]。

目前，很多学者对森林土壤做了大量的比较研究[1-3]，但对甘肃白龙江流域土壤渗透分析研究相对较少。灌丛是甘肃白龙江地带主要的植被类型，在植被恢复、水土保持、水源涵养中具有重要的地位和作用。由于近年来白龙江森林的破坏而引起下游的沙、污、旱、盐、碱、涝等生态问题的日益严重；再加上过度放牧、不合理采砂、人为破坏以及人为活动等因素，使白龙江生态小生境更加脆弱。种群的资源利用能力是种群分布与群落演替的内在动力，因此通过对白龙江上游主要灌木种群土壤渗透性的研究，能够明确不同海拔梯度灌木种群土壤渗透性特点，了解不同海拔梯度土壤渗透特性，对植被资源保护、可持续利用、水土保持和植被的恢复重建等具有重要意义[6]。开展上游水源涵养林的基础性研究对指导水源涵养林的建设和区域生态环境的保护和规划、水资源环境的改善及森林环境条件下水土保持综合治理都具有重要的理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

白龙江发源于甘、青、川三省交界处的郎木寺附近,南以岷山与四川分界，西接积石山高原，北以迭山与黄河水系一级支流洮河分水，向东南流至四川昭化汇入嘉陵江，全长约600 km。流域整体位于青藏高原东北边缘，白龙江流经的地域广、落差大，河道全长576 km，其位于东径102°46′～ 104°52′， 北 纬 33°04′～ 35°09′， 属 典型的西北高山地形，温度、降水具有明显的垂直梯度和水平差异[7-8]。试验区设在甘肃省甘南州舟曲县，地处白龙江上游，属岷山北侧山系。成土母质为坡积母质，土层厚度在 1 m 以上，表层石砾含量少。全年平均气温 1.3℃，年降水量 1 048 mm，全年降水量集中在5—10月份。年平均空气相对湿度 80%，无霜期 80～103 d[9]。

1.2 标准地设定

试验地设在甘南白龙江上游海拔介于1 750～3 500 m之间，根据不同的地形情况，选择具有代表性的区域采用典型采样法，并设置5 m×5 m样方44个，对每个样方采用GPS定位坐标、海拔，调查坡面、坡向、层盖度、层高度以及周围的植物，每个样方内进行每木检尺，调查植物种类、高度、基径、冠幅、物候期、生活力等因子。在每个样方的对角线和中心设置5个1 m×1 m的小样方，调查小样方内草本植物的种类和数量，然后取3个代表性的小样方内的草本地上生物量，带回实验室烘干至恒重。然后在每个样方内采用环刀法、土袋采集不同层次的原状土和土样，分别取0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm 4层取样，每层采环刀原状土3个，带回实验室称重、浸泡、烘干等，测定土壤渗透性以及理化性质等。标准地概况见表1。

表1 不同海拔梯度样地基本情况†Table 1 Different altitude gradient sample area

1.3 试验方法

土壤含水量用烘干法测定，用环刀在野外取来的土样，称质量，然后放在温度85℃的烘箱中烘干后再称质量，采用“恒重烘干法”分层测定各主要林分林地土壤含水量；用环刀法分层测定密度、毛管孔隙度和总孔隙度[9]，土壤渗透性测定采用双环刀法测定[11-12]，各指标处理方法为[13]：初渗率=最初入渗时段渗透量/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；为了渗透总量便于比较，统一用前65 min内的渗透量。测定的数据利用Excel和SPSS软件分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同海拔梯度土壤密度和孔隙度

密度小的土壤比较疏松，通气良好，各种微生物活动比较剧烈；密度大的土壤一般比较紧实，通气比较差，土壤微生物活动相对减小，所以密度也是土壤质量评价的一个重要指标。孔隙度与土壤透气性能、持水性能、土壤微生物活动和植物生长根系所遇到的阻力大小有直接关系，是土壤中水分、空气、土壤微生物、养分等的储藏库和活动场所[14]。

由表2可以看到：随着海拔的升高，土壤平均密度在逐渐减小，但到海拔3 000 m以后又升高；在同一海拔梯度内，随着土壤层的增加土壤密度逐渐增加，即随着土壤层的增加土壤越来越紧实；对于0～10 cm的土壤层，C、D、E梯度的较其他梯度小，E梯度土壤密度最大，这与林下枯落物厚度有关，这几个海拔梯度下的枯落物厚度明显大于其他海拔梯度下的枯落物厚度，枯落物分解过程中会有大量的土壤微生物活动，使土壤比较疏松；而其他土壤层的土壤密度相差不大。

毛管孔隙中的水分可以直接供给植物根系吸收或土壤蒸腾，而非毛管孔隙可以为土壤水分、养分提供通道和储存空间。表2中可以看到：同一海拔梯度内毛管孔隙度都比非毛管孔隙度大；随着海拔的增加，毛管孔隙度/非毛管孔隙度的倍数在逐渐增加，是2.73～33.11倍之间，它们之间的关系呈指数函数，Y=1.897e0.424x，R2=0.963（Y是倍数，x为海拔梯度）；随着海拔的升高，毛管孔隙度也表现为逐渐升高的趋势，但是E的平均毛管孔隙度比较小，这与它的密度有关，E的密度大于其他海拔梯度，土壤比较紧实，微生物活动比较少，所以孔隙度也相应的较小；到G时毛管孔隙度又变小，可能是因为高海拔地表面比较裸露，气温较低，微生物活动量小，所以毛管孔隙度较小。同一海拔梯度内，随着土壤层的增加平均毛管孔隙度和平均密度一样表现都表现减小的趋势。非毛管孔隙度随着海拔的升高也表现出于毛管孔隙度一样的趋势，但相对不明显。在同一海拔梯度内，非毛管孔隙度随着土层的增加没有明显的趋势。由此可见随着海拔梯度的增加土壤密度和土壤孔隙度表现出负相关性，即土壤孔隙度大时，土壤密度较小，反之亦然，孔隙度大时土壤通气性好，水分容易出入，养分也容易流动，使土壤微生物活动加强，土壤密度减小，有利于植物生长需求。

2.2 不同海拔梯度土壤水源涵养功能

白龙江上游不同海拔梯度土壤持水量如表2所示：随着海拔的升高毛管持水量、最大持水量、最小持水量都呈相同的趋势，即随着海拔的升高它们都表现出增加的趋势，到E时减小，G相比F较小，这与毛管孔隙度的表现趋势是一样的。同一海拔梯度内毛管持水量、最大持水量、最小持水量随着土壤层的增加表现出增加的趋势，但是A、B、C、F梯度内的0～10 cm层比10～20 cm较大，这与土壤表面的温度、透气性、土壤密度、土壤微生物等有关。排水能力随着海拔的增加有逐渐减小的趋势；但在同一海拔梯度内随着土壤层的增加有增加的趋势，但趋势不明显。

2.3 不同海拔梯度土壤渗透性能

土壤渗透性指标是土壤性质的重要指标之一，土壤渗透性能的好坏，影响到土壤表面产生径流量的大小，渗透性能好，产生的径流量小，土壤流失量相应就会减少。由表3可以看出：土壤含水率随着海拔的升高有增加的趋势，但在E海拔梯度时又减小，随后又在F海拔梯度升高后又变小；F海拔内的含水率最大为122.84%，是最小的A（8.49%）的14.47倍。土壤含水率与土壤的空隙度，透气性，土壤紧实度等有关。不同海拔梯度类型的土壤初渗率、稳渗率、渗透总和和平均渗透率都有较大的差异；初渗率在2.02～20.90mL·min-1之间，最大的是B海拔梯度为20.90 mL·min-1，最小的是F海拔梯度为2.02 mL·min-1，初渗率最大的是最小的10.35倍；稳渗率和初渗率有相似的趋势，但是稳渗率最大的是B海拔梯度为6.20 mL·min-1，最小的是F海拔梯度为0.35 mL·min-1，稳渗率最大的是最小的17.17倍；土壤的渗透量总和和平均渗透率表现一样。土壤的渗透率是衡量水源林涵养水源的重要标志，也是造林的重要参考依据。土壤的渗透率与时间的关系符合幂函数回归曲线方程，Y=ax-b，相关系数呈显著相关水平。

由图1可知：渗透速率在前26 min最大，即在间隔10 min之间是最大的，10 min以后渗透速率减小，趋于达到稳渗速率，在最初的1 min内，渗透速率最大，B海拔梯度最大，后面依次是A＞D＞G＞C＞E＞F；随着时间间隔的增大，它们的渗透速率减小，到15 min以后相差不大，趋于达到稳渗速率。

以初渗率为X1，平均渗透率为X2，稳渗率为X3，渗透总量为X4为评定指标进行主分量分析。

表4结果表明，前两个主分量的方差累积贡献率高达99.45%，几乎解释了整个总方差，信息量损失很小。其中又以第1主分量提供的信息量

最大，方差贡献率达95.927%.

表2 不同海拔梯度土壤物理性质Table 2 Different elevation gradient of soil physical property

表3 不同海拔梯度的渗透率性质Table 3 The permeability properties of different elevation gradient

图1 渗透速率与时间间隔关系Fig. 1 The penetration rate and time interval

表4 土壤渗透性主分量分析Table 4 Soil permeability principal component analysis

3 结论与讨论

白龙江上游灌丛林地土壤物理性质随海拔的变化差异较大。由于受到多种因素的影响，不同海拔梯度土壤密度、孔隙度、持水量等都表现出比较复杂的变化。平均土壤密度变化在0.85～1.69 g·cm-3之间，随着海拔的升高，密度有逐渐减小的趋势，但是在海拔梯度E处最大，E处的0～10 cm的土壤密度较小，这与土壤表层枯落物的含量、土壤微生物、土壤透气性等有关；平均毛管孔隙度在24.47～66.22%之间，非毛管孔隙度较小，在1.54～12.81%之间，孔隙度和密度呈负相关，即密度越大土壤的毛管孔隙度越小，土壤越紧实，透气性越差，土壤水分、养分运输速率越低，土壤微生物活动较少。

不同海拔梯度灌丛土壤平均含水率在8.49～122.84%之间，海拔梯度F的最大，A的最小。在海拔最低处，植物生长茂盛，物种丰富，植物需要的水分较多，所以植物土壤含水率较低，随着海拔的升高，土壤含水率有所上升，温度降低、蒸腾作用减小，土壤所需水分相应的减小。但是到海拔梯度E处时土壤含水率降低，因为在此海拔梯度处是采伐后未更新的状态，植物稀少，植被部分裸露，使土壤水分散失较严重。载随着海拔的升高土壤含水率又升高（122.84%），这一海拔梯度处是未采伐遗留的原始林地，林下水分较大。穿过冷杉原始林后就是杜鹃灌木林，植被郁闭度小，部分裸露，土壤含水率低。

土壤渗透，渗流速度是反映森林涵养水源效益的主要指标之一，林地土壤渗透性受诸多土壤性质的制约，其中土壤紧实度是最重要的因素之一[15]。水分入渗过程是一个复杂的水文过程,与降水地表径流、土壤结构、含水量、质地等因素密切相关[16-17]。不同海拔梯度类型的土壤初渗率、稳渗率、渗透总和和平均渗透率都有较大的差异；初渗率在2.02～20.90之间，最大的是B海拔梯度为20.90 mL·min-1，最小的是F海拔梯度为2.02 mL·min-1，初渗率最大的是最小的10.35倍；稳渗率和初渗率有相似的趋势，但是稳渗率最大的是B海拔梯度为6.20mL·min-1，最小的是F海拔梯度为0.35 mL·min-1，稳渗率最大的是最小的17.17倍；土壤的渗透量总和和平均渗透率表现一样。通过对主分量因子分析可知第1主分量提供的信息量最大，方差贡献率达95.93%。土壤渗透性还受林地枯落物，以及土壤的石砾含量、含水量和母岩等的影响[18]。

白龙江上游区域近年来随着交通的发展对其生态环境影响较大，特别是过度放牧、大量的采药以及修路等，破坏了原有的生态植被，增加了水土流失量。白龙江上游灌丛类型是白龙江主要的林分类型，保护和了解白龙江灌丛生态环境，有利于更好的利用和保护灌丛和生态环境，对以后的地方树种植树造林、科学研究、生态保护等提供有利的帮助。

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Study on Siol Permeability of Different Altitude Gradient in the Upper Analysis of Bailong River

WANG Fei, YANG Yonghong, QI Rui, CAO Xiuwen, LIU Jinqian
(College of Horticulture, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu,China)

The soil of scrub vegetation types in the upper reaches of Bailong river in Gansu province was studied, the results showed that: (1) The average soil density, capillary porosity and non capillary porosity change greatly with the increasing of altitude gradient.The average density is between 0.85 g·cm-3to 1.61 g·cm-3, the average soil density decreases gradually with the increase of altitude.But at an altitude of E (2 750-3 000 m), the average soil density is the largest and the soil density from 0 to 10 cm was smaller. Average porosity between 24.41% to 66.22%, non-capillary porosity between 1.54% to 12.81%, porosity and density were negatively correlated.(2) With the increase of altitude gradient capillary moisture capacity ,maximum moisture capacity and minimum water-holding capacity fi rst increases and then decreases in the altitude to E (2 750-3 000 m). The results were consistent with capillary porosity change;The drainage capacity decreases with the increase of the altitude gradient form 27.79 to 7.86 mm. (3) The initial in fi ltration rate, steady in fi ltration rate and the average permeability of the soils with different altitude gradient have great differences. The initial in fi ltration rate is between 2.02 to 20.90 mL·min-1and the steady in fi ltration rate is between 0.35 mL·min-1to 6.20 mL·min-1, the relationship between permeability and time is in line with the power function regression equation Y=ax-b, the correlation coef fi cient reached a signi fi cant level.

Bailong river; different altitude gradient; scrub; soil; permeability

S714

A

1673-923X(2017)06-0096-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.06.016

2016-01-16

甘肃省青年科技基金计划项目（145RJYK278）；陇原青年创新人才扶持计划项目资助；甘肃省林业科技项目（2015kj048，2015kj051，2016kj058）

王 飞，工程师

曹秀文，正高级工程师；E-mail：1336190642@qq.com

王 飞，杨永红，齐 瑞，等. 白龙江上游不同海拔梯度灌丛土壤渗透性能分析[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(6):96-100, 124.

[本文编校：吴 彬]