有機碳質量分數對森林土壤水分入滲過程的影響及其模擬

李婧，張洪江?，程金花，常丹東

(1.北京林業大學水土保持學院，100083，北京;2.水利部水土保持監測中心，100055，北京)

有機碳質量分數對森林土壤水分入滲過程的影響及其模擬

李婧1，張洪江1?，程金花1，常丹東2

(1.北京林業大學水土保持學院，100083，北京;2.水利部水土保持監測中心，100055，北京)

為了探討三峽庫區不同森林植物群落土壤有機碳質量分數與土壤水分入滲的關系，將森林土壤有機碳質量分數設定為獨立變量，引入土壤有機碳質量分數對Horton土壤水分入滲模型進行修正。結果表明：1)不同森林植被群落類型土壤有機碳質量分數不同，表現為闊葉混交林＞針闊混交林＞針葉混交林＞喬灌混交林;2)初滲速率、初滲速率和穩滲速率的差分別與土壤下層土壤有機碳質量分數呈線性相關關系。研究還發現，Horton模型經引入土壤有機碳指標后，新模型的入滲速率與入滲量模擬值與實測值相關系數明顯提高，模擬結果更逼近實測值。研究結果為同類地區森林土壤水分入滲過程預測與模擬提供了一種新方法。

土壤有機碳;質量分數;土壤水分入滲;模型

土壤水分入滲是水循環中的一個重要環節，也是地面水轉化為可被植物吸收利用的土壤水的途徑之一，決定著地表水轉換為土壤水的速度、數量、效率和分布等。對土壤水分入滲問題開展研究不僅有助于促進土壤水分入滲和遷移基礎理論研究的發展，而且可為綜合評價地表水、地下水資源、合理確定農田灌溉技術參數等提供科學依據。

影響土壤水分入滲的影響因子很多。過去，研究者［1-10］大多圍繞土壤物理參數中的土壤質地、土壤密度、土壤含水量及土壤結構對土壤入滲特性的影響開展研究。也有少數研究者［11-12］認為影響土壤穩定入滲率的因子除土壤密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度外，還有土壤有機碳質量分數等。目前，關于土壤有機碳的質量分數與土壤水分入滲影響程度等的研究，正式報道還比較少。

土壤有機質是指通過微生物作用所形成的腐殖質、動植物殘體和微生物體的合稱，其中的碳即為土壤有機碳(SOC)。有機碳能夠影響土壤吸附陽離子的能力、土壤肥力、土壤孔隙度、微團聚體形成［13-15］，進而對土壤水分入滲產生一定影響。森林土壤有機碳主要來源于森林植被凋落物的分解和淋溶，是土壤質量的一個重要指標，能為土壤水文特性等提供非常重要的信息［16］。因此，筆者探討三峽庫區不同森林植物群落土壤有機碳質量分數與土壤水分入滲的關系，引入土壤有機碳質量分數參數對Horton土壤水分入滲模型進行修正，為更加準確地預測與模擬土壤水分入滲過程提供新方法。

1 研究區概況

研究區位于重慶四面山中部，地處三峽庫區尾部，重慶市西南江津區南部，地理位置為E106°17'～106°30'，N28°31'～ 28°43'，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，多年平均氣溫13.7℃，無霜期為285 d，年均降雨量1 522.3mm，最大日降雨量160.5mm，雨季集中在5—9月，占年平均降雨總量的62.17%。

四面山地勢南高北低、坡度較大，海拔500～1 700m，具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征，森林總覆蓋率95.41%。研究區位于海拔1 150～1 200m，針葉樹種主要有杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、柳杉(Cryptomeria fortunei)等;闊葉樹種主要有石櫟(Lithocarpus glabra)、栲樹(Castanopsis fargesii)、樟(Cinnamomum camphora)、楓香樹(Liquidambar formosana)、槲櫟(Quercus aliena)、麻櫟(Quercus acutissima)等;灌木主要有杜鵑花(Rhododendron simsii)、細枝柃(Eurga loquaiana)、腺萼馬銀花(Rhododendron bachii)等。

四面山土壤由白堊紀夾關組磚紅色長石石英砂巖夾磚紅、紫紅粉砂巖等風化殘積物、坡積物和沖積物發育而成。主要的森林土壤類型為黃壤、黃棕壤和紫色土等，土層厚度一般在70 cm左右。土壤呈微酸性，pH值在4.0～6.1之間。

2 研究方法

2.1 樣地選擇及布設

樣地選擇以經營措施和土壤類型的一致性為前提，并充分考慮母質、海拔、坡向、坡度等自然條件狀況。綜合土壤、植被類型、地形狀況、坡向、海拔等因素，在重慶市四面山的張家山林區設置20m×20m的林地土壤入滲試驗樣地共4塊，分別是以石櫟、栲樹、城口榿葉樹為主的闊葉混交林(S1)，以杉木和馬尾松為主的針葉混交林(S2)，以杉木、楓香為主的針闊混交林(S3)，以栲樹、細枝柃等為主的喬灌混交林(S4)。樣地基本情況如表1所示。

表1 樣地基本情況Tab．1 Basic information of standard land of forest stands

所選樣地的土壤類型為紫色砂質頁巖發育的山地黃壤和黃棕壤。該類土壤鹽基交換量較低、粗有機質積累度較高、氮素轉化率低、黏粒含量較少、土壤保水保肥能力差。樣地土壤性質見表2。

2.2 土樣采集與有機碳測定

沿每塊樣地坡面的上部、中部和下部隨機挖取3個土壤剖面，按表層(土層1)0～20 cm、中層(土層2)20～40 cm和下層(土層3)40～60 cm 3個層次，用高4 cm、直徑9 cm的取土環刀取原狀土樣，每層4個重復，共采集48個土樣，用于土壤有機碳分析。采用稀釋熱—重鉻酸鉀容量法對土壤有機碳質量分數進行測定［17］。

2.3 土壤水分入滲速率測定

采用雙環法進行土壤水分入滲速率的測定，每塊樣地試驗3次。雙環入滲儀外環直徑為22 cm，內環直徑為10.5 cm，內、外環高度均為25 cm。實驗過程中內、外環打入土壤的深度均為10 cm，保持內外環5 cm的入滲水頭均勻供水，記錄相應時間內環的水分入滲量，達到穩滲時為止。實驗過程中水溫變化保持為20.8～21.5℃，土壤含水量為15.83% ～18.76%;因此，水分溫度與土壤含水量對土壤入滲的影響可忽略不計。

表2 樣地土壤性質Tab．2 Selected soil properties of the experimental site

2.4 土壤水分入滲過程模擬修正

2.4.1 入滲模型選擇 20世紀初以來，許多描述土壤水分入滲過程的模型被提出，常用的主要有Horton 模 型［18］、Philip 模 型［19-21］、Kostiakov 模型［22-23］。Kostiakov模型是最為簡單的入滲模型，Philip模型是在水分運動基本方程式基礎上經簡化推導得出的模型，具有一定物理基礎，相比Kostiakov模型多了一個常數項，可認為是對其的改進式。Horton模型屬于純經驗模型。經比較，采用Horton模型用于模擬計算。

2.4.2 入滲模型修正 將土壤有機碳質量分數作為影響因子引入土壤水分入滲模型，利用SPSS、Matlab軟件進行數據處理，與選定的土壤水分入滲模型進行修正。運用修正后的土壤水分入滲模型進行模擬計算，并與實測數據進行對比分析。

3 結果與分析

3.1 土壤有機碳分布特征

通過對土樣有機碳質量分數的測定，發現土壤有機碳在不同林地存在明顯的空間分布變異(表3)。

表3 樣地不同土層土壤有機碳質量分數Tab．3 Soil organic carbon content of different sorts g/kg

1)森林植物群落類型對土壤有機碳質量分數的多少有較為明顯的作用。各森林植物群落類型土壤有機碳平均質量分數表現為S1＞S3＞S2＞S4。闊葉混交林的土壤有機碳質量分數最高，均值為21.72 g/kg;針闊混交林次之，相比闊葉混交林低3.01 g/kg，相比針葉混交林高3.97 g/kg;喬灌混交林最低為14.43 g/kg。

2)不同森林植物群落類型表層土壤有機碳質量分數存在差異。喬灌混交林表層土壤有機碳質量分數小于其他3種林地。其中，闊葉混交林、針葉混交林和針闊混交林表層土壤有機碳質量分數差異不大，表現為S1＞S3＞S2，平均值為47.76±0.98 g/kg。而喬灌混交林表層土壤有機碳質量分數明顯小于上述3種林地，約為其他混交林表層土壤有機碳平均質量分數的63%。

3)土壤有機碳質量分數隨土層深度的增加呈減小趨勢。20～40 cm土層有機碳質量分數相對0～20 cm明顯降低。0～20 cm土壤有機碳質量分數與40～60 cm土壤有機碳質量分數的比最大可達24.77，最小為6.59。這是因為林地中一定厚度的枯落物堆積在林地表面，給表層土壤提供了大量的有機質來源。而有機質能夠在一定的土壤環境中通過理化作用分解轉化，有機質分解快則土壤中有機碳質量分數低，有機質分解慢則土壤中有機碳質量分數高［24-26］。因此表層土壤未分解的有機質較多則有機碳質量分數高，而位于深土層的土壤有機質來源少且土壤中的有機質在不斷分解，所以有機碳質量分數低。

3.2 土壤水分入滲過程分析

試驗結果表明，樣地一般需200min才能達到穩定入滲，4塊樣地的入滲過程有一定差異性。初滲速率表現為S1＞S2＞S3＞S4，這與其林下0～20 cm表層土壤飽和導水率的變化(除喬灌混交林外)趨勢基本一致。達到穩滲速率時，下滲速度為喬灌混交林最大，闊葉混交林次之，針葉混交林和針闊混交林依次變小。喬灌混交林穩滲速率最大的原因是該森林植物群落類型的土壤密度較小，總孔隙度高，土壤中存在較豐富的孔隙，土體在一定土水勢下較多水分的空間相對較大。樣地土壤水分入滲過程見表4。

表4 土壤水分入滲過程Tab．4 Soil water infiltration process

3.3 入滲速率對有機碳質量分數的響應

3.3.1 初滲速率 研究表明，初滲速率與下層土壤有機碳質量分數呈正相關關系(表4)。下層土壤有機碳質量分數與林地初滲速率變化趨勢一致，為S1＞S2＞S3＞S4。土壤有機碳質量分數最高的闊葉混交林的初滲速率達到4.9 cm/min，是其他林地類型樣地的1.5倍以上。下層土壤有機碳質量分數最低的以灌木為主的喬灌混交林的初滲速率也最慢，僅 1.95 cm/min。

3.3.2 穩滲速率 通過分析發現，穩滲速率本身與土壤有機碳質量分數的關系并不十分顯著，但初滲速率和穩滲速率的差(y)與土壤下層有機碳質量分數(x)呈線性相關關系y=0.667x+0.333。而初滲速率和穩滲速率的差與達到穩滲速率的時間的比值為入滲速率變化率。這說明，下層土壤有機碳質量分數與入滲速率變化率有一定的關系，下層土壤有機碳質量分數的多少能夠反映出土壤水分入滲速率隨時間的變化能力。

3.3.3 入滲過程 土壤水分入滲過程中，在未達到土壤穩滲速率前，土壤入滲速率均表現為隨時間的增加而減小;但是，入滲速率并不是勻速變化的，在初期入滲速率表現為S1＞S2＞S3＞S4。在入滲約25min后針闊混交林下土壤入滲速率突然減小，低于灌混交林樣地，成為最小。入滲約55min時，入滲速率的排序變為S1＞S4＞S2＞S3。入滲約80min時，喬灌混交林成為幾塊林地中入滲速率最大的樣地，其他幾塊樣地入滲速率大小排序不變。

有研究表明土壤有機碳能夠促進土壤團聚體的形成，有機質能夠提供土壤團粒膠結物質，使土粒團聚，增加土壤團聚體數量和大小，改變土壤物理結構，使土壤更為松散，為土壤裂隙的發育提供了基本條件［27-28］。以灌木為主的喬灌混交林土層2的有機碳質量分數遠高于其他林地的土層2的有機碳質量分數，這可能會形成一定數量的孔隙群。并且土層間有機碳質量分數變化相對較小，土層間孔隙數量相對穩定，孔隙的連續性好，這保證了以喬灌混交林的入滲速率變化相對穩定。而其他林地土層2的有機碳質量分數明顯減少78%以上，變幅較大，大大減少了土壤團聚體和聯通孔隙的數量。在土壤含水量迅速提高、土水勢減小的條件下，除喬灌混交林外其他林地入滲速率都有大幅降低。

4 土壤水分入滲模型模擬與修正

采用Horton模型進行土壤水分入滲模擬，該模型具體形式為

式中：it為t時刻(s)的入滲速率，mm/s;i0為初滲速率，mm/s;ic為穩滲速率，mm/s;k為參數。

將一定初滲速率、穩滲速率、滲流時間以及率定的參數k值代入Horton模型，可模擬出特定條件下的土壤水分入滲過程。經比較分析發現，相同時段的實測入滲過程與模型模擬的入滲過程有一定差異，特別是單位時段累積入滲量差異更大。采用SPSS軟件對4種樣地入滲速率和入滲量進行實測值與模型模擬值的相關分析。結果表明，雖然在入滲速率方面實測值與模型模擬值呈現出良好的相關性，二者的相關系數S1、S2、S3和S4分別為0.950、0.951、0.933、0.921，但入滲量的實測值與模型模擬值波動較大，二者的相關系數分別為0.905、0.628、0.756、0.898。

為考證森林土壤有機碳質量分數與土壤水分入滲速率相關關系，將土壤有機碳質量分數作為影響因子引入Horton模型，利用Matlab軟件進行數據處理，模擬出修正的土壤水分入滲模型

式中WSOC為下層土壤有機碳質量分數，g/kg。

采用修正后的土壤水分入滲模型進行土壤入滲速率與時間關系模擬，并于Horton模擬值和實測值進行對比。結果表明，修正后的Horton模型與原Horton模型相比，能模擬出更為接近實測值的土壤水分入滲過程。實測、Horton模型與修正模型比較如圖1所示。

對土壤水分的時刻入滲速率模型模擬值與實測值進行回歸分析，引入土壤有機碳質量分數進行模型修訂后入滲速率模型模擬值與實測值相關系數為0.968、0.972、0.961、0.970。對比 4 種樣地 Horton入滲模型入滲速率模擬值與試驗實測值的相關系數(表5)發現，引入土壤有機碳質量分數后模型的擬合度有了較大幅度的改善。

對土壤水分時段入滲量的模型模擬值與實測值進行回歸分析，得出引入土壤有機碳質量分數進行模型修訂后模型模擬值與實測入滲量的相關系數S1、S2、S3 和 S4 分別為 0.941、0.827、0.905、0.940。對比4種樣地Horton入滲模型入滲量模擬值與試驗實測值的相關系數(表6)發現，引入土壤有機碳質量分數后模型的擬合度有了較大幅度的改善。

5 結論與討論

1)同一樣地內有機碳質量分數在土壤中并非均勻分布，一般表層土壤有機碳質量分數高，隨著土層深度增加有機碳質量分數遞減。

2)不同森林植被群落類型土壤有機碳質量分數均值略有不同，表現為闊葉混交林＞針闊混交林＞針葉混交林，但三者相近。喬灌混交林土壤有機碳質量分數最小。

3)不同森林植被群落土壤水分入滲速率隨時間的增加而遞減，但不同群落土壤的遞減速率不同，這與土壤中有機碳質量分數有密切關系。

4)Horton模型經引入下層土壤有機碳質量分數指標后，模型不需率定參數，且其結果更逼近實測值，在一定程度上為土壤水分入滲過程預測與模擬提供了一個更為準確有效的方法。

圖1 4種林地土壤水分入滲過程模擬Fig．1 Soil water infiltration process simulation of 4 plots in the forest

表5 土壤水分入滲速率回歸分析Tab．5 Regression analysis of soil water infiltration rate

表6 土壤水分入滲量回歸分析Tab．6 Regression analysisof soil water infiltration content

對有機碳質量分數和土壤水分入滲過程分析發現，土壤有機碳質量分數與土壤水分入滲過程間有顯著相關性，并可根據該關系構建模型進行定量描述;但受試驗時間和條件所限，本研究將其設定為獨立變量進行探索性研究，以期為土壤水分入滲的研究思路、方法提供微薄貢獻。

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Forest soil water infiltration process influenced by soil organic carbonmass fraction and itsmodel simulation

Li Jing1，Zhang Hongjiang1，Cheng Jinhua1，Chang Dandong2
(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing;
2.Monitoring Center of Soil and Water Conservation，Ministry of Water Resources，RPC，100055，Beijing：China)

In order to probe into the process between soil organic carbonmass fraction(SOCMF)and soil water infiltration in different forest plant communities，the forest SOCMF was drown into Hortonmodel as independence variable，which is amended with it.The results showed that the SOCMF was distinct in different forest plant communities.It was the largest in broad leavedmixed forest，and then followed bymixed coniferous and broad leaved forest，coniferousmixed forest，andmixed arbor and shrub forest.Both the initial infiltration rate and the difference between the initial infiltration rate and steady infiltration rate have linear relationship with SOCMF.After Hortonmodel amended，there is a great agreement between simulations andmeasurements.The study provided a newmethod to forecast and simulate forest soil water infiltration process in the similar regions.

soil organic carbon;mass fraction;soil water infiltration;model

2012-02-22

2012-04-08

國家自然科學基金項目“三峽庫區優先流影響土壤養分流失機制研究”(30900866)

李婧(1980—)，女，博士研究生。主要研究方向：水土保持與森林水文。E-mail：lijinga126@126.com

?責任作者簡介：張洪江(1955—)，男，教授，博士生導師。主要研究方向：土壤侵蝕與流域管理。E-mail：zhanghj@bjfu.edu.cn

(責任編輯：程 云)