黄土高原不同植被类型土壤入渗特征研究

魏瑶瑶，王 俊，张永旺，2*，郑 恩，杨敏拓，王欣泉

(1.延安大学 生命科学学院；2.陕西省红枣重点实验室(延安大学)，陕西 延安 716000)

土壤水分入渗是指雨水由地表渗入地下，继而形成土壤水的过程。土壤入渗性能是土壤主要的物理性质之一，在降水、地表水、土壤水以及地下水的转化过程中担当重要角色，是降雨后水分循环过程中的重要环节，有效地反映了林分涵养水源的能力[1，2]，因此，研究土壤入渗性能在区域土壤侵蚀防治以及水土保持措施制定等方面有重要意义。土壤的入渗性能越好，相应地表径流量越少，产生土壤侵蚀的可能性越小[3]。林区土壤的质地、容重、含水率、土壤孔隙度、盐分含量等理化性质受到群落类型变化等因素的影响，进而对水分入渗过程产生不同程度的影响[4，5]。

黄土高原是我国乃至世界上生态环境最敏感的地区，造成这一问题的主要原因是严重的水土流失。而造成水土流失最为严重的原因是植被的大面积退化以及长期不合理的土地利用。因此，退耕植树造林是黄土高原改善生态环境最主要的措施，植被通过枯枝落叶分解形成的有机质能很好的改善土壤状况，根系间也会产生很多孔隙可以吸收存储水分，提高土壤渗透性能[6]。已有研究表明植被恢复对土壤水分入渗有很大影响[7]。近年来国内外学者对土壤入渗进行了大量研究，主要集中在降雨[8]、植被[9，10]、土壤条件[11]、土地利用方式[12]等方面对土壤入渗性能的影响。但关于黄土高原中部子午岭地段不同植被类型下土壤入渗特征的研究还鲜未可见，因此，本文研究了子午岭6种常见的植被类型下土壤入渗特征及其影响因素，以探讨该地区的土壤入渗机制，为该区植被恢复提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省庆阳市合水县子午岭地段连家砭林场，地理坐标为108°10′-109°18′E，35°03′-36°37N′。是典型的黄土高原丘陵沟壑区，属中温带大陆性季风气候区。年均降雨量587 mm，主要集中在6-9月份，年平均温度10℃，无霜期112～140 d。土壤为原生或次生黄土，土壤pH介于7.92与8.31之间。该区森林的主要自然植被为针叶林和阔叶林，在子午岭林区，山杨(PopulusdavidianaDode)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk)为主要先锋树种；狼牙刺(Sophoradavidii(Franch.)Skeels)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、黄刺玫(RosaxanthinaLindl)等为主要的灌木树种；白羊草(Bothriochloaischaemun(Linn.)Keng)、苔草(CarexlanceolataBoott)、长芒草(StipabungeanaTrin)等为主要的草本植物。

2 材料与方法

2.1 样地选择与样品采集

对黄土高原子午岭地区林地类型通过查阅文献与实地考察确定了以下6种可作为当地典型群落代表并以此为研究对象：胡枝子群落、白羊草群落、沙棘林群落、山杨林群落、山杨与辽东栎混交林和辽东栎林群落调查样地基本信息(表1)。在每个群落设样方5个，设乔木样方为20 m×20 m，灌木样方为5 m×5 m，草地样方为2 m×2 m，共设样方30个。本研究的野外调查和取样的时间为2020年7月到8月。在每个样地选择5个取样点，每样点5个重复，用规格100 cm3的环刀取0～50 cm剖面的原状土(每10 cm取一次样)测定土壤容重、毛管孔隙度和入渗速率，同时每层用铝盒采适量土样带回实验室测定土壤含水率[13]。

表1 样地基本信息

2.2 入渗试验方法

采用环刀法[14]进行入渗量的测定，再将各时间段的入渗量带入公式得出相应入渗速率。

2.3 数据处理及分析

采用Microsoft Excel 2010软件对测定的数据进行处理分析及作图，利用SPSS22.0软件进行土壤入渗特性与土壤物理性质的相关分析。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型土壤含水率、容重和毛管孔隙度

土壤容重是指在自然状况下单位容积土体的质量，可以反映土壤通气性和透水性[15]。通过表2可以看出，在植被生长过程中，土壤物理性质呈现波动性变化。土壤容重大体趋势上随着土层加深而增大，其中胡枝子群落土壤容重最大，为1.3 g/cm3；其次为白羊草群落，为1.23 g/cm3；再次为辽东栎林和沙棘林，为1.17 g/cm3；山杨和辽东栎混交林土壤容重最小，为1.08 g/cm3。同一地区由于植被类型不同，地表枯落物类型及覆盖程度不相同，土壤有机质含量以及根系发育状况也不同，使得土壤容重差异显著。

土壤水分是影响植被生长的重要因素之一，土壤含水率是指单位体积内土壤绝对含水量。观察表2可知，除表层土壤外，土壤含水率均随土层加深而增大，其中土壤含水率最大的是山杨林群落，其次分别为白羊草群落、胡枝子群落、辽东栎林群落、沙棘林群落，土壤含水率最小的是山杨辽东栎混交林群落。同一地区降雨量相同，但不同植被类型植被生长状况存在差异，土壤性质有所不同，使得土壤含水率存在一定差异。

土壤毛管孔隙度主要反映植物吸持水分供其正常生理活动的能力[16]。由表2可知，土壤毛管孔隙度随土层加深没有普遍规律。其中山杨林群落毛管孔隙度最大，其次为沙棘林、胡枝子、辽东栎林、山杨辽东栎混交林群落，毛管孔隙度最小的是白羊草群落。由于不同植被类型覆盖下土壤颗粒组成不同，使得毛管孔隙度存在一定差异。

表2 不同植被类型土壤物理性质

综上可知，山杨林群落土壤容重最小，含水量最大，毛管孔隙度也较大，说明山杨林土壤质地疏松，含水量丰富，土壤性质最佳。

3.2 不同植被类型土壤入渗性能

3.2.1 不同植被类型土壤入渗过程

土壤入渗过程是水分在自身重力与引力的双重因素的影响下从地表到土壤的连续过程，既是了解土壤水分运动的起点，也是考察其入渗性能必不可少的条件[17]。由图1可知，不同植被类型土壤入渗的变化曲线基本类似，土壤入渗过程可以分为三个阶段：入渗速率瞬变阶段、渐变阶段、稳定阶段[18，19]。(1)入渗速率瞬变阶段(0～4 min)，土壤渗透速率变化极大，主要是由于入渗初始是土壤浸润阶段，水分在重力因素影响下形成水压，使下渗锋面快速延伸，入渗速率迅速下降。不同植被类型渗透速率为：山杨林>白羊草>辽东栎>山杨辽东栎混交林>胡枝子>沙棘，初渗速率依次为：10.60、8.57、7.16、5.30、3.98、3.60 mm/min；(2)渐变阶段(5～50 min)，此阶段为毛管孔隙填充过程，渗透速率持续降低，但降幅在缓慢减小，至20 min开始，辽东栎林与山杨辽东栎混交林入渗速率基本一致；(3)稳定阶段(51～66 min)，此时土壤孔隙中水分已经达到饱和，各样地土壤入渗速率基本趋于恒定，达到稳渗状态。6种植被土壤稳渗速率为：山杨林>白羊草>山杨辽东栎混交林>辽东栎>沙棘>胡枝子，值为：6.45、5.35、3.99、3.72、3.38、2.34 mm/min。

图1 不同植被类型土壤入渗速率

3.2.2 不同植被类型土壤入渗指标

初渗速率和稳渗速率是探究土壤入渗性能的两个重要指标。6种不同植被类型的土壤入渗指标如表3所示，植被类型不同入渗速率有一定差异，胡枝子、白羊草、辽东栎、山杨、沙棘、山杨辽东栎混交林的初渗速率依次为：3.98、8.57、7.16、10.61、3.59、5.30 mm/min，稳渗速率依次为：2.34、5.35、3.72、6.45、3.38、3.99 mm/min。可看出初渗速率在3.59～10.61 mm/min之间，稳渗速率在2.34～6.45 mm/min之间，其中山杨林群落的初渗速率和稳渗速率最高，沙棘林群落的初渗速率最低，胡枝子群落的稳渗速率最低。在6种不同植被类型中，白羊草群落、辽东栎群落和山杨辽东栎混交林群落的初渗速率和稳渗速率显著相关，其余群落不显著。累积入渗量的范围在4157.8～10794.6 mm之间，山杨林群落的累积入渗量最高，胡枝子群落的累积入渗量最低。稳渗时间40～60 min。分析不同植被类型的土壤入渗指标，不难得出山杨林群落的土壤入渗性能最好，这与上述土壤物理性质分析得出的结论相同。

表3 不同植被类型土壤入渗特征指标

3.3 土壤物理性质土壤入渗的相关分析

影响土壤入渗性能的主要因子有土壤组成结构、土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水率、土壤有机质含量等[20]。由表4知，土壤容重与入渗速率呈显著负相关关系，与稳渗时间呈负相关，但相关不显著，与累积入渗量呈极显著正相关关系。这是因为土壤容重越大，土壤密度越大，土壤质地越坚实，通气性越差，渗透性越弱，相反容重越小，渗透性越好。土壤含水率与初渗速率呈极显著负相关，即含水率越大，初渗速率越小。众所周知，对土壤入渗产生重要影响的因素是土壤水势梯度和水力传导度，而土壤含水量与入渗水流湿润区的平均势梯度有相关性[14]。随着土壤含水量的增大，水分入渗锋面与地表之间的平均势梯度越小，即土壤入渗能力越低，水分初始入渗量越小。但是稳渗速率与土壤含水量的关系没有初渗速率显著，当达到稳渗速率时，土壤中的含水量已饱和，入渗速率基本达到稳定。含水率与累积入渗量呈极显著正相关，含水率越高累积入渗量越大。毛管孔隙度与入渗速率均呈显著负相关，且初始入渗速率呈极显著负相关，即毛管孔隙度越大入渗速率越小。这是因为毛管孔隙度越大，土壤间孔径越小，土壤保水性越强，水分入渗越缓慢。累积入渗量与毛管孔隙度也呈显著负相关，毛管孔隙度越大累积入渗量越小。稳渗时间与含水率、毛管孔隙度均呈不显著负相关。

表4 土壤入渗指标与土壤物理性质相关分析

4 结论

(1)本文通过测定了黄土高原子午岭地区6种不同植被类型的土壤物理性质得知，土壤容重大体趋势上随着土层加深而增大，其中山杨林和山杨辽东栎混交林的土壤容重最小；除表层土壤外，土壤含水率均随土层加深而增大，其中土壤含水率最大的是山杨林；土壤毛管孔隙度随土层加深没有普遍规律，其中山杨林毛管孔隙度最大。综上可知，山杨林土壤容重最小，含水率最大，毛管孔隙度也较大，说明山杨林土壤质地疏松，含水量丰富，土壤物理性质最佳。

(2)6种不同植被类型的土壤入渗研究结果显示，不同植被类型土壤入渗的变化曲线基本类似，但由于植被类型不同，土壤物理性质有所不同，致使入渗速率存在一定差异，其中山杨林的初渗速率、稳渗速率、累积入渗量均最大，稳渗时间较长，土壤入渗性能是6个样地中最好的，涵养水源的能力也最好。

(3)通过对不同植被类型土壤入渗指标与土壤物理性质相关分析发现，土壤容重、土壤含水率、毛管孔隙度与入渗速率均呈显著负相关关系，表明土壤容重、土壤含水率、毛管孔隙度与入渗速率均密切相关。

本研究综合以上结果可知，在黄土高原子午岭地区山杨林群落的土壤物理性质、土壤入渗性能均最好，林分涵养水源的能力最佳，可以作为该区改善生态环境的主要保护树种，并且可以通过改善土壤容重、土壤含水率、毛管孔隙度等物理性质来改善该区的土壤质地，以进一步提高土壤含蓄水分的能力，以加强子午岭林区的生态环境保护建设。