黄河三角洲不同植被类型土壤水源涵养功能综合评价

赵恩辉, 吴 磊, 赵生华

(1.唐山市水利规划设计研究院, 河北 唐山 063000; 2.北京师范大学 水科学研究院, 北京 100875; 3.中国建筑股份有限公司, 北京 100029)

森林生态系统水源涵养功能的实质是林冠层、枯枝落叶层以及土壤层3个作用层对降水再分配的过程和能力,起到拦蓄降水、削减洪峰、调节径流、净化水质等作用,是森林生态系统的重要功能之一[1]。不同林分类型的林分组成、林冠结构、根系构型及其分布、生物学特性不同,其具有的水源涵养功能也有所差异[2]。土壤层是森林生态系统水源涵养功能的第三层,经地表径流入渗到土壤中的水分,一部分用于水分蒸发和植被根系吸收,一部分则存储在土壤中或以地下径流形式汇入地下水,体现森林水源涵养功能[3]。相关研究表明,土壤层是森林生态系统水源涵养功能的主要载体,其调节能力占90%以上[4]。土壤层水源涵养功能主要体现在土壤的蓄水能力和渗透能力[5],是评价土壤水分调节能力和涵养水源的重要指标[6],对森林生态系统涵养水源、保持水土、调节水分具有重要意义。土壤是水分贮存的主要场所,其贮存量和贮存方式受土壤孔隙的数量、大小及分布特征的影响[7]。土壤渗透性是评价土壤水分调节能力和林分涵养水源的重要指标之一[6]。因此,研究土壤蓄水能力和渗透能力对森林生态系统水源涵养功能具有重要意义。黄河三角洲地区地处《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》《山东半岛蓝色经济区发展规划》两大国家战略重叠地带,地理位置优越,开发前景广阔,土地资源丰富。然而,黄河三角洲生态环境脆弱,土壤盐渍化区域分布广泛,干旱胁迫严重,土地生产力差,植被恢复与生态重建受到限制。研究不同植被类型土壤物理性质和水源涵养功能的差异,有助于黄河三角洲土壤环境质量的改善和植被恢复重建。因此,本文以黄河三角洲刺槐、柳树、白蜡为研究对象,以无林地为对照,对比分析不同植被类型0—30 cm土层土壤容重和孔隙度、持水能力、入渗性能的变化特征及其差异,综合评价土壤水源涵养功能,以期为黄河三角洲植被恢复与重建、树种选择以及水源涵养林建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省东营市,属黄河三角洲区域,大陆性季风气候,年均降雨量550 mm,年均蒸发量1 800 mm,年均气温12.2℃,无霜期200 d。土壤主要由冲积性黄土母质发育而来,土壤质地以粉砂为主,地下水质矿化度较高,土壤盐分主要为氯化钠,其含盐量0.7%左右,pH值8.7左右。研究区天然植被以芦苇(Phragmitesaustralis)、茅草(Imperatacylindrica)、柽柳(Tamarixchinensis)等为主,人工林以刺槐(Robiniapseudoacacia)、白蜡(Fraxinuschinensis)、杨树(Populuseuramericana)、柳树(Salixpsammophila)等为主。

1.2 研究方法

在研究区选取刺槐、柳树、白蜡、无林地(对照)为研究对象,3种植被类型均为人工林,林龄均为23 a,基本情况详见表1。每种植被类型设置一个20 m×20 m样地,每个样地内布设3个1 m×1 m具有代表性的样方,分别采集每个样方0—10,10—20,20—30 cm土层范围内的原状土和松散土样,用于测定土壤容重和孔隙度等土壤物理性质[8],并根据土壤孔隙度和土层深度相乘计算得到土壤持水量[9]。采用双环入渗法测定不同植被类型土壤入渗性能。其中,双环入渗仪的内环直径为15 cm,外环直径为30 cm,水头高为5 cm。试验结束后,整理分析并计算入渗特征指标,同时采用Horton模型〔f(t)=a+be-kt〕、通用经验模型〔f(t)=a+bt-n〕、Kostiakov模型〔f(t)=at-b〕、Philip模型〔f(t)=st-0.5+a〕拟合各样地土壤水分入渗过程[10]。

表1 研究区样地基本情况Table 1 Basic information of sample plots in the research area

采用主成分分析方法评价黄河三角洲不同植被类型土壤水源涵养功能。主成分分析法的原理是从多个变量中提取出少量的、抽象的指标,通过筛选指标、无量纲化、确定相关性、获取主成分等手段评价研究对象,也可通过SPSS软件计算主成分得分,进而分析、评价各样地水源涵养功能。本文选取土壤容重(C1)、最大持水量(C2)、毛管持水量(C3)、非毛管持水量(C4)、初始入渗率(C5)、稳定入渗率(C6)、平均入渗率(C7)作为评价指标,采用主成分分析法评价评价黄河三角洲不同植被类型土壤水源涵养功能。

2 结果与分析

2.1 土壤容重和孔隙度

土壤容重反映土壤结构和松紧程度的重要指标,其数值大小不仅直接影响土壤通气能力和透水能力,还可以反映森林植被对土壤物理性质的改良效果,常用于评价森林土壤水源涵养功能的优劣[11-12]。由表2可知,随着土层深度的增大,4个样地土壤容重均呈现增大趋势,且增加幅度有所不同,刺槐和柳树表现为10—20 cm和20—30 cm土层显著大于0—10 cm(p<0.05),而白蜡和对照样地则表现为3个土层均差异显著(p<0.05)。对比4个样地可知,0—10,10—20,20—30,0—30 cm土层土壤容重均表现为差异显著(p<0.05),且对照样地显著大于其他3个样地(p<0.05);刺槐、柳树、白蜡、对照样地0—30 cm土层土壤容重依次为1.28,1.33,1.39,1.44 g/cm3,相比于对照样地,其他3个样地土壤容重分别降低了11.11%,7.64%,3.47%,说明研究区采取植被恢复措施可以较好地改善土壤结构,调节土壤蓄水、透水能力,其中以刺槐的改良效果最佳。

表2 各样地土壤容重和孔隙度Table 2 Soil bulk density and porosity with different sample plots

土壤孔隙度可以为植被提供水和空气,由毛管孔隙度和非毛管孔隙度组成。毛管孔隙度是植被所能吸持的水分,用于植被自身的生长发育,反映了土壤蓄水能力;非毛管孔隙度则反映了土壤通气透水的能力,主要表现在水源涵养和削减洪峰等方面[13-14]。由表2可知,土壤总孔隙度变化规律与土壤容重相反,表现为随土层深度增大而减小,刺槐、柳树、白蜡、对照样地0—30 cm土壤总孔隙度依次为51.75%,50.10%,48.08%,46.36%,且3个样地显著大于对照样地(p<0.05)。随着土层深度的增大,毛管孔隙度逐渐增大,且同一样地不同土层存在差异;对于不同样地而言,柳树样地各个土层毛管孔隙度均显著大于其他样地(p<0.05)。对比4个样地0—30 cm土层毛管孔隙度可知,柳树最大,刺槐和对照次之,白蜡最小,但4个样地无显著差异(p>0.05),说明柳树样地土壤有效水较高,有利于植被根系吸收水分。非毛管孔隙度随土层深度的变化规律与总孔隙度相一致,0—10 cm土层最大,10—20 cm土层次之,20—30 cm土层最小,3个土层均差异显著(p<0.05)。对比不同样地非毛管孔隙度可知,各土层均表现为刺槐显著大于其他样地(p<0.05),对照显著小于其他样地(p<0.05),而0—30 cm土层则表现为无显著差异(p>0.05),其数值大小表现为刺槐>白蜡>柳树>对照,说明3种植被类型土壤通气透水性能优于对照样地。

2.2 土壤持水能力

土壤持水能力是评价土壤水源涵养功能的主要指标之一,受土壤孔隙状况和土层深度共同决定[11]。由图1可知,不同样地最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量存在一定差异。随着土层深度的增大,4个样地土壤最大持水量均呈现减小趋势,且减小幅度不同,刺槐、柳树、白蜡、对照样地0—10 cm土层土壤最大持水量依次为528.13,514.93,499.54,483.04 t/hm2,20—30 cm土层则分别减小为509.44,490.74,462.14,443.45 t/hm2。毛管持水量的变化规律与最大持水量有所不同,反映了不同植被类型在供给植物水分及其利用效率等方面存在差异,表现为随着土层深度的增大而增加;同时,毛管持水量与最大持水量的比值也具有一致的变化规律,这有利于植被对土壤水分的吸收与利用;刺槐、柳树、白蜡、对照样地毛管持水量与最大持水量的比值依次为0.72～0.80,0.76～0.88,0.74～0.87,0.77～0.93,其变化幅度较大,说明不同样地的供水能力差异较大,其中以对照样地波动幅度最大,柳树和白蜡次之,刺槐最小。

图1 各样地土壤持水量Fig. 1 Soil moisture capacity with different sample plots

非毛管持水量的变化规律与最大持水量相一致,刺槐、柳树、白蜡、对照样地0—10 cm土层土壤非毛管持水量依次为149.57,122.30,131.37,113.34 t/hm2,20—30 cm土层则分别减小为99.97,61.14,60.88,29.88 t/hm2。4个样地0—10 cm土层土壤非毛管持水量显著大于10—20 cm和20—30 cm土层(p<0.05),这与枯落物分解、植物根系、土壤团粒结构、微生物活动强度等有关,不仅说明0—10 cm土层水源涵养功能最强,而且还反映了不同植被类型水源涵养能力主要取决于表层土壤。刺槐、柳树、白蜡、对照样地0—30 cm土层土壤最大持水量依次为517.50,501.00,480.87,463.61 t/hm2,4个样地均差异显著(p<0.05);毛管持水量依次为395.39,409.06,385.23,391.22 t/hm2,非毛管持水量依次为122.11,91.95,95.61,72.39 t/hm2,4个样地无显著差异(p>0.05)。与对照样地相比,刺槐、柳树、白蜡土壤最大持水量分别提高11.62%,8.07%,3.72%,土壤毛管持水量分别提高1.07%,4.56%,-1.53%,土壤非毛管持水量分别提高68.69%,27.02%,32.08%,说明采取植树造林措施后,土壤水源涵养功能得到有效提升,其中非毛管持水量的增加幅度最大,且以刺槐效果最佳。

2.3 土壤入渗性能

2.3.1 土壤入渗过程 土壤入渗性能是反映土壤涵养水源功能的重要指标[6]。由图2可知,随着入渗时间的增加,入渗速率逐渐减小,最终趋于稳定,但4个样地入渗过程的衰减程度不同。刺槐、柳树、白蜡、对照样地初始入渗率依次为12.50,8.85,11.55,6.25 mm/min,随后入渗速率降低,且10 min内下降幅度较大,10 min入渗率依次为7.21,5.89,7.56,4.01 mm/min,与初始入渗率相比分别降低了42.32%,33.45%,34.55%,35.84%,其中以刺槐林地下降最为明显,尤其是0～6 min内。10～40 min内,刺槐、柳树、白蜡、对照样地入渗率由7.21,5.89,7.56,4.01 mm/min分别下降至5.12,3.24,4.52,1.25 mm/min,下降幅度依次为28.99%,44.99%,40.21%,68.83%,对照样地下降幅度最大。刺槐、柳树、白蜡、对照样地平均入渗率依次为6.52,4.70,6.50,2.73 mm/min。各个样地在60 min左右达到稳定入渗阶段,刺槐、柳树、白蜡、对照样地稳定入渗率依次为4.91,2.89,4.05,1.02 mm/min,表现为刺槐>白蜡>柳树>对照,与对照相比分别提高381.37%,183.33%,297.06%,说明采取造林措施可以有效提高土壤入渗性能。从入渗性能可以看出,刺槐林地土壤初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率最高,说明土壤入渗性能最好;白蜡和柳树土壤渗透性能次之,对照土壤渗透性能最差。对比4个样地可知,刺槐、柳树、白蜡3个样地植物根系发达,地表存在一定厚度的枯落物,土壤有机质含量高、土壤结构较好、非毛管孔隙度较高,这都会对土壤入渗过程产生一定影响。

图2 各样地土壤水分入渗过程和指标Fig. 2 Process and indicators of soil water infiltration with different sample plots

2.3.2 土壤入渗模型 采用Horton模型、通用经验模型、Kostiakov模型、Philip模型4种入渗模型对土壤入渗过程进行优化拟合,其回归结果见表3。Horton模型的决定系数R2为0.957～0.995,平均值为0.975;通用经验模型的决定系数R2为0.968～0.978,平均值为0.973;Kostiakov模型的决定系数R2为0.910～0.978,平均值为0.956;Philip模型的决定系数R2为0.910～0.992,平均值为0.946。4个入渗模型的拟合优度表现为Horton模型>通用经验模型>Kostiakov模型>Philip模型,说明Horton模型适用性最好,通用经验模型和Kostiakov模型次之,Philip模型最差。Horton模型和通用经验模型为经验性模型,其参数因子较多、且3个参数因子有实测数据[15],能更好地模拟研究区土壤入渗过程,这也解释了这两个模型拟合优度较高的原因。从模型形式上,Horton模型和通用经验模型增加了参数因子a的限定,以反映无限长时在重力作用下达到了稳定入渗[11],进而增强模型的拟合优度。Horton模型模型参数因子a数值大小表现为刺槐>白蜡>柳树>对照,这与稳定入渗率的变化规律相一致,且数值上较为接近。参数因子k反映了土壤入渗的衰减速度,数值越大,其衰减速度越快。4个样地k值表现为刺槐>白蜡>对照>柳树,说明刺槐林地土壤入渗可以更早进入稳定阶段,这与该样地土壤结构特征、植被恢复等有关。对于通用经验模型,刺槐、柳树、白蜡、对照样地的参数因子a依次为3.761,0.615,2.274,0.203,这与4个样地稳定入渗率的变化规律相一致,但其数值偏低。参数因子n也可以反映土壤入渗的衰减速度,刺槐林地参数因子n最大,为0.606,这与Horton模型拟合结果相一致。Kostiakov模型为经验性模型,没有明确物理基础,能够获得准确的入渗过程。由该模型可知,当入渗时间为0时,入渗率为∞;当入渗时间为∞时,入渗率为0。表明该模型在短时间范围内具有一定的适用性,但对于长时间入渗过程,该模型具有一定的局限性。Kostiakov模型有两个参数因子[16],a为经验入渗系数,反映了初始入渗速率,其数值大小表现为刺槐>白蜡>柳树>对照,这与初始入渗率的变化规律相一致;b为经验入渗指数,反映了土壤入渗的衰减程度,其数值大小表现为对照>柳树>白蜡>刺槐。Philip模型是半经验半理论模型,具有明确的物理意义,且公式形式简单,仅有两个参数因子[17];但该模型具有局限性,模型中幂指数为-0.5,是一个固定的常数[12],导致模型拟合受土壤物理性质的影响较大,尤其是土壤含水率,进而降低模型拟合优度,这也解释其拟合效果较差的原因。

表3 各样地土壤入渗模型拟合参数Table 3 Fitting parameters of soil infiltration models with different sample plots

2.4 土壤水源涵养功能评价

由表4可知,主成分分析可将7个评价指标通过降维处理后得到两个主成分(F1,F2),其特征根和贡献率分别为4.487,2.506和64.096%,35.800%,累计贡献率高达99.896%,说明这两个主成分可以较好地解释总方差,信息损失量非常少;两个主成分的特征根均大于1,说明这两个主成分合理有效,可以用于评价不同植被类型土壤水源涵养功能。两个主成分的影响程度为主成分1>主成分2,其中主成分1几乎全部评价指标都可以反映变异信息,主成分2中毛管持水量、初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率可以较好地反映变异信息,占主导地位。

表4 不同植被类型土壤水源涵养功能评价总方差Table 4 Total variance of soil water conservation function evaluation with different vegetation types

表5为未旋转的主成分矩阵,主成分1各评价指标数值为0.535～0.953(绝对值),主成分2各评价指标数值为0.302～0.845(绝对值);将表中各评价指标数值与对应主成分特征根的算术平方根相除,即可得到两个主成分各评价指标的特征向量,从而确定两个主成分表达式。

表5 水源涵养功能评价未旋转的主成分矩阵Table 5 Unrotated principal component matrix for evaluation of water source conservation function

两个主成分表达式为:

F1=-0.450C1+0.450C2-0.394C3+0.419C4+

0.306C5+0.326C6+0.252C7

(1)

F2=0.191C1-0.191C2+0.348C3-0.290C4+

0.479C5+0.455C6+0.534C7

(2)

表6为不同植被类型土壤水源涵养功能主成分得分和综合排序。由表6可知,4个样地主成分1得分大小依次为刺槐>柳树>白蜡>对照,刺槐最高,为3.149。因此,根据主成分1的计算结果,研究区刺槐林地水源涵养功能最佳。4个样地主成分2得分大小依次为白蜡>刺槐>柳树>对照,白蜡最高,为2.005。因此,根据主成分2的计算结果,研究区白蜡林地水源涵养功能最佳。造成两个主成分水源涵养功能排序差异的主要原因是两个主成分主导地位的评价指标不同,主成分1侧重于土壤容重和持水能力等土壤物理性质,而主成分2则侧重于土壤入渗指标。由综合得分及排序可知,刺槐、柳树、白蜡、对照综合得分依次为2.010,-0.459,-0.050,-1.501,其排序为刺槐>白蜡>柳树>对照。无论是主成分得分还是综合得分,对照水源涵养功能均最差,刺槐、柳树、白蜡的水源涵养功能均优于对照样地,说明黄河三角洲采取植树造林措施后,土壤结构、持水能力、渗透性能均有所改善,从综合评价结果来看,刺槐林最好,白蜡林次之,柳树林最差。因此,从蓄水保土、涵养水源角度,可在研究区及与其生境类似的区域优先考虑刺槐树种。

表6 主成分得分和综合排序Table 6 Principal component score and comprehensive sorting

3 讨 论

3.1 植被类型对土壤孔隙结构的影响

黄河三角洲地区地下水矿化度较高,土壤质地以粉砂和细砂为主,土壤盐渍化普遍存在,已严重限制区域生态系统可持续发展[18],在该区域开展生态环境保护可为黄河流域高质量发展提供科技支撑[19]。植被恢复措施可以有效地改善区域生态环境和土壤质量,是盐碱地绿色改良的主要生态修复措施[20]。刘艳丽等[21]研究认为植被恢复措施可以降低黄河三角洲盐碱地土壤容重,增加土壤孔隙度、土壤团聚体稳定性、持水能力、土壤有机碳等土壤理化指标。从本研究上看,与对照相比,刺槐、柳树、白蜡0—30 cm土层土壤容重分别降低了11.11%,7.64%,3.47%,土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度分别是对照样地的1.04～1.12,0.98～1.05,1.27～1.69倍,呈显著性增加或减小(p<0.05),其持水能力也表现为有林地显著大于对照(p<0.05),这与赵振磊等[22]研究的不同刺槐混交林地对盐碱地土壤持水能力的研究结果相一致。

3.2 植被类型对土壤入渗特征的影响

相关研究表明,不同植被类型对黄河三角洲滩地土壤入渗性能的改善效应不同,不仅与植被类型、根系分布特征有关,而且还与植被措施对土壤结构的改良效果有关[23]。许景伟等[24]通过不同林分类型土壤入渗性能研究表明,有林地土壤稳定入渗率是无林地的2.3～4.3倍,表明不同林地均具有提高土壤入渗性能的效应。本研究结果表明,对照样地土壤稳定入渗速率为1.02 mm/min,3种植被类型土壤稳定入渗速率表现为刺槐>白蜡>柳树,分别是对照的4.81,3.97,2.83倍,说明植被措施可以显著提高土壤入渗性能,且提升效果优于许景伟等[24]研究结果。这是由于土壤入渗特性具有明显的地区域性,不仅与研究区域的土壤质地、孔隙结构、水分含量有关,而且还与土地利用类型、林分组成、林龄、根系分布特征以及植被措施对土壤性质的改良效应等关系密切。

3.3 研究展望

黄河三角洲土壤盐渍化严重、土壤贫瘠,严重限制了植被的生长发育和分布格局[25]。采取造林措施后,滩地土壤结构和性质发生改变,进而引起土壤持水能力和入渗性能的变化。本研究结果表明刺槐林地在水源涵养功能方面具有较好的改良效果,且该树种是黄河三角洲盐碱地的主要防护林树种,但由于林地蒸降比较大、淡水资源缺乏及土壤盐碱化,刺槐林已呈现退化现象,固氮作用和改良土壤效应在逐渐减弱[26],作为主要树种的弊端也逐渐呈现出来;同时,本文仅研究刺槐、白蜡、柳树3种单一树种的土壤水源涵养功能,其林分结构单一且生态系统稳定性较差。因此,今后应加强黄河三角洲不同林分组成、不同林龄、不同造林模式等混合林地水源涵养功能、土壤养分以及土壤酶活性等方面研究。

4 结 论

(1) 随着土层深度的增大,4个样地土壤容重均显著增大,土壤总孔隙度显著降低。与对照样地相比,刺槐、柳树、白蜡样地土壤容重显著降低,土壤总孔隙度显著增大,而土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度无显著差异。采取造林措施可以显著改善土壤结构,调节土壤蓄水、透水能力,尤其以刺槐效果最佳。

(2) 与对照样地相比,黄河三角洲有林地最大持水量和非毛管持水量显著提高,采取植树造林措施后土壤水源涵养功能得到有效提升。刺槐、柳树、白蜡、对照样地0—30 cm土层土壤最大持水量依次为517.50,501.00,480.87,463.61 t/hm2,4个样地均差异显著。

(3) 刺槐、柳树、白蜡样地稳定入渗率依次为4.91,2.89,4.05 mm/min,与对照(1.02 mm/min)相比分别提高381.37%,183.33%,297.06%,说明采取造林措施可以有效提高土壤入渗性能。黄河三角洲不同植被类型土壤入渗过程拟合模型的拟合优度以Horton模型最佳,通用经验模型和Kostiakov模型次之,Philip模型最差。

(4) 主成分分析结果表明,7个评价指标通过降维处理后得到两个主成分,累计贡献率高达99.896%,信息损失量非常少。黄河三角洲4个样地土壤水源涵养功能表现为刺槐>白蜡>柳树>对照,3种植被类型土壤水源涵养功能优于对照样地,且刺槐林地在土壤结构、持水能力、入渗性能等方面均好于柳树林地和白蜡林地。从蓄水保土、涵养水源角度,可在研究区及与其生境类似的区域优先考虑刺槐树种。