海拔及旅游干擾對武功山山地草甸土壤滲透性的影響

李 志,袁穎丹,4,胡耀文,孟文武,張學玲,郭曉敏,張文元,胡冬南,牛德奎,*

1 江西農業大學林學院,南昌 330045 2 江西省森林培育重點實驗室,南昌 330045 3 江西特色林木資源培育與利用2011協同創新中心,南昌 330045 4 南京林業大學林學院,南京 210037

土壤是植被發揮水文調節作用的主要場所,土壤滲透能力是影響土壤侵蝕的重要因素之一,是反映土壤水源涵養及調節功能的重要指標[1- 2]。李建興等[3]對三峽庫區幾種邊坡植被土壤滲透性進行研究,發現香根草(Vetiveriazizanioides)的土壤滲透性最好,其次是紫花苜蓿(Medicagosativa)和百喜草(Paspalumnotatum),狗牙根(Cynodondactylon)土壤的滲透性最差；郁耀闖和張光輝[4]對黃土高原丘陵區農耕地土壤滲透性的研究表明,容重、孔隙度、農事活動和作物根長是影響滲透性季節變動的關鍵因素；石玉龍等[5]對西藏色季拉山不同海拔梯度急尖長苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)土壤入滲特征的研究表明,海拔越高,土壤滲透性越差；王意錕等[6]對浙西南不同經營強度下毛竹(Phyllostachysheterocycla)林的研究表明,人為干擾弱的林地,土壤滲透性更好。張淑蘭等[7]對小興安嶺不同類型森林土壤特征的研究表明,淺層(0—20 cm)土壤的初滲率和穩滲率大于深層(20—50 cm)；Jeff等[8]通過對美國南卡羅來納州的農田添加生物炭的實驗,發現生物炭的添加對土壤滲透性具有很好的改良作用；康金林等[9]通過室內模擬實驗,發現土壤入滲率與不同控制水平土壤初始含水率和容重呈反比的關系。綜合來看,當前國內外關于土壤滲透性的研究中,大多關注工程、農業、林地或室內模擬實驗的內容,也從不同角度分析了土壤滲透性的影響因素,而對于亞熱帶山地草甸土壤滲透性方面研究較少。

江西武功山草甸是亞熱帶山地草甸的典型代表,以面積廣和分布基準海拔低的特點,在華東植被垂直帶譜中具有典型性和特殊性,但人為干擾和過度旅游開發使武功山脆弱的山地草甸出現嚴重退化和破碎化態勢[10]。我們已在武功山草甸土壤養分[11- 12]、種子庫特征[13]、山地草甸景觀的旅游營銷[14]及草甸物種對氣候變化的影響[15]等方面有一定研究積累,這里依據武功山山地草甸特殊生態系統對旅游干擾和海拔具有較為敏感性的特點,開展不同海拔高度和旅游干擾程度的草甸土壤滲透性和理化性質測定與分析,探討土壤滲透性特征及其主要影響因子。研究結果將使人們對亞熱帶山地草甸土壤水文特征有深入了解,為亞熱帶山地草甸的科學研究、生態修復和可持續經營規劃提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區自然概況

江西武功山位于吉安市、萍鄉市、宜春市三個地級行政區交界處(114°10′—114°17′ E,27°25′—27°35′ N),是湘江水系及贛江水系的分水嶺,綿延大約120 km,總面積大約970 km2,年均溫為14—16℃,夏季的最高溫為23℃,年均日照時長為1580—1700 h,年均蒸發量為1360—1700 mm,年均濕度值為70%—80%,年均降雨量為1350—1570 mm,武功山山體巖石類型主要為花崗巖和片麻巖,主峰白鶴峰(金頂)海拔1918.3 m[16]。武功山草甸分布區的土壤主要是亞熱帶山地草甸土,色澤幽黑,干后成塊,草甸分布主要開始于海拔1600 m左右,主要有禾本科的芒(Miscanthussinensis)、野古草(Arundinellaanomala)、茅根(Perotisindica)等,還有少量蓼科(Polygonaceae)、薔薇科(Rosaceae)、唇形科(Labiatae)和十字花科(Cruciferae)植物,其中,芒是區域內的分布最廣的建群種植被[17]。

1.2 試驗設計與樣品采集

從海拔和旅游干擾兩個方面對武功山草甸土壤滲透特征進行綜合調研。2013年10月,從草甸分布邊緣區開始向上至山頂,每隔約100 m左右的范圍設置為一個海拔梯度,即1600 m、1700 m、1800 m、1900 m,在每個海拔梯度范圍選擇無干擾的草甸區域,隨機設置3個10 m×10 m的重復樣方,作為研究海拔高度對草甸土壤滲透性影響的處理。武功山金頂(主峰)區域為典型的旅游干擾區,在該海拔(1900 m)范圍,參照國家質檢總局2004年頒布的《天然草地退化、沙化鹽漬化的分級指標》國家標準(GB 19377—2003)[18]和相關學者[19- 21]對退化草地分級標準的研究結果,依據旅游干擾所造成的植被覆蓋率(Coverage rate,縮寫為CR)減少后的相對百分數(%),設置無干擾 (Control check,縮寫CK,CR≥90%)、輕度干擾(Light disturbance, LD, 60%≤CR<90%)、中度干擾(Medium disturbance, MD, 30%≤CR<60%)、重度干擾(Severe disturbance, SD, CR<30%)等4種處理,每種處理隨機設置3個10 m×10 m的重復樣地,研究不同干擾程度對山地草甸土壤滲透性的影響。山地草甸不同研究處理及樣地基本概況見表1。

在每個10 m×10 m的樣方內沿兩條對角線及其交匯點進行5點采樣,每個采樣點的土壤包括兩層,即0—20 cm和20—40 cm,同土層深度的土壤混合均勻后,用“四分法”取出約500 g土壤裝保鮮袋,帶回實驗室自然風干,揀去動植物殘體和石塊后進行粉碎,過2 mm篩孔制作待測樣品,土壤pH、有機質(OM)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)等化學指標采用土壤養分系統研究法(ASI法)測定[22]。在每個樣方內,按 “品”字形或沿對角線方式各選3個重復采樣點,各點間距在5 m左右,分0—20 cm和20—40 cm兩個土層深度進行取樣,每個樣點的每層土壤均用2個環刀采樣,1個環刀的樣品用來測定土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量,另1個環刀的樣品采用雙環滲透法測定土壤入滲特性[23- 24]。利用美國生產的W.E.T Sensor Kit土壤水分、溫度速測儀進行土壤溫度及水分的測定。

1.3 土壤滲透性指標計算及入滲過程擬合

參考相關文獻資料[7],選擇初滲率、平均入滲率、穩滲率、滲透總量作為研究土壤滲透特征的指標,其中：

初滲率=最初入滲時段內滲透量/入滲時間,本研究最初入滲時間為2 min；

表1 不同處理山地草甸樣地基本概況

CK：試驗對照(無干擾),Control check(no disturbance)；LD：輕度干擾,Light disturbance；MD：中度干擾,Medium disturbance；SD：重度干擾,Severe disturbance；NE：東偏北,north of due east

平均入滲率=達穩滲時的滲透總量/達穩滲時的時間；

穩滲率：單位時間內的滲透量趨于穩定時的滲透速率；

因所有土樣滲透速率在60 min前己達穩定,為了便于比較,滲透總量統一取前60 min內的滲透量。

有關土壤水分入滲的數學模型有許多種,參照有關研究結果[3],選擇4個常用的入滲模型來擬合武功山山地草甸土壤水分入滲過程,通過這些模型的對比分析,選出適用于該區域的最優模型。

(1)考斯加科夫(Kostiakov)模型：

f(t)=at-b

式中：f(t)為土壤入滲率(mm/min)；t為入滲時間(min)；a,b為擬合參數。

(2)菲利普(Philip)模型：

f(t)=(1/2)St-1/2+A

式中：A為穩滲率(mm/min)；S為土壤吸水率。

(3)霍頓(Horton)模型：

f(t)=fc+(f0-fc)e-kt

式中：fc,f0,k分別為穩滲率、初滲率、常數。

(4)通用經驗模型：

f(t)=a′+b′t-n

式中：a′,b′為經驗參數,n為擬合參數。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 2016對數據進行初期統計與匯總,采用SPSS 21.0的單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗不同處理山地草甸土壤滲透性差異(α=0.05),當差異性顯著時,采用Turkey法進行多重比較。對山地草甸土壤滲透性進行主成分分析；對土壤滲透性與土壤理化性質進行Pearson相關分析,并進行逐步回歸分析,建立土壤滲透性的回歸方程。

2 結果與分析

2.1 山地草甸土壤滲透特征

2.1.1 不同海拔山地草甸土壤滲透性

武功山不同海拔草甸土壤的初滲率、穩滲率、平均入滲率、滲透總量等4個指標分布規律相似(圖1),表現為初滲率>平均入滲率>穩滲率,0—20 cm土層各指標數值高于20—40 cm。在0—20 cm土層中,1600—1800 m,隨著海拔的升高,各指標數值呈現降低的趨勢,但是在1900 m海拔數值較高；20—40 cm土層滲透性各指標呈現不規則的波動狀分布,但4個指標均在1700 m海拔數值最高。不同海拔土壤滲透性分布特征為：

初滲率中,0—20 cm土層其大小順序為1600 m>1900 m>1700 m>1800 m,即為30.62 mm/min、15.91 mm/min、14.26 mm/min、3.42 mm/min,1600 m與1800 m土壤初滲率差異顯著(P<0.05)；20—40 cm土層其大小順序為1700 m>1900 m>1600 m>1800 m,即為2.62 mm/min、9.85 mm/min、0.15 mm/min、3.46 mm/min,1700 m與1600 m、1800 m土壤初滲率差異顯著(P<0.05)；1600 m及1900 m兩個海拔不同土層深度土壤初滲率差異顯著(P<0.05)。

穩滲率中,0—20 cm土層其大小順序為1600 m>1700 m>1900 m>1800 m,即為26.27 mm/min、12.26 mm/min、2.46 mm/min、7.82 mm/min,1600 m與1800 m、1900 m土壤穩滲率差異顯著(P< 0.05)；20—40 cm土層其大小順序為1700 m>1900 m>1600 m>1800 m,即為1.82 mm/min、8.24 mm/min、0.11 mm/min、2.58 mm/min,1800 m土壤穩滲率與其他海拔差異顯著(P<0.05)；1600 m不同土層深度數值差異顯著(P< 0.05)。

平均入滲率中,0—20cm土層其大小順序為1600 m>1700 m>1900 m>1800 m,即為27.41 mm/min、13.19 mm/min、10.64 mm/min、2.85 mm/min,1600m與1800 m土壤平均入滲率差異顯著(P<0.05),20—40 cm土層其大小順序為1700 m>1900 m>1600 m>1800 m,即為8.83 mm/min、3.02 mm/min、2.15 mm/min、0.12 mm/min,1700 m與1600 m、1800 m土壤平均入滲率差異顯著(P<0.05)；1600 m不同土層深度土壤平均入滲率差異顯著(P<0.05)。

滲透總量中,0—20 cm土層其大小順序為1600 m>1700 m>1900 m>1800 m,即為1592.59 mm/min、750.48 mm/min、522.87 mm/min、151.41 mm/min,1600 m與1800 m、1900 m土壤滲透總量差異顯著(P<0.05)；20—40 cm土層其大小順序為1700 m>1900 m>1600 m>1800 m,即為501.58 mm/min、161.83 mm/min、114.30 mm/min、6.24 mm/min,1700 m與1600 m、1800 m土壤滲透總量差異顯著(P<0.05)；1600 m不同土層深度土壤滲透總量差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同海拔高度山地草甸土壤滲透性(平均值±標準誤)Fig.1 Soil permeability of mountain meadow at different elevations(Mean±S.E.)不同大寫字母表示相同土層深度不同海拔差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一海拔不同土層深度差異顯著 (P<0.05)

2.1.2 不同干擾程度山地草甸土壤滲透性

不同干擾程度山地草甸土壤滲透性分布規律相同(圖2),均表現出初滲率>平均入滲率>穩滲率的特征,隨著干擾程度的增強,土壤初滲率、穩滲率、平均入滲率和滲透總量等4個指標在不同土層深度均呈現遞減的趨勢,即CK>LD>MD>SD。0—20 cm土層滲透性各指標高于20—40 cm。不同干擾程度土壤滲透性分布特征為：

初滲率中,0—20 cm土層其數值為15.91 mm/min、9.33 mm/min、7.18 mm/min、2.81 mm/min,CK與SD土壤初滲率差異顯著(P<0.05)；20—40 cm土層其數值為3.46 mm/min、2.11 mm/min、0.89 mm/min、0.32 mm/min,不同干擾程度土壤初滲率差異不顯著(P>0.05)；CK和MD不同土層深度土壤初滲率差異顯著(P<0.05)。

穩滲率中,0—20 cm土層其數值為7.82 mm/min、3.44 mm/min、3.1 mm/min、1.88 mm/min,CK與SD土壤穩滲率差異顯著(P<0.05)；20—40 cm土層其數值為2.58 mm/min、2.07 mm/min、0.63 mm/min、0.3 mm/min,不同干擾程度土壤穩滲率差異不顯著(P>0.05)；MD不同土層深度土壤穩滲率差異顯著(P<0.05)。

平均入滲率中,0—20cm土層其數值為10.64 mm/min、5.59 mm/min、4.39 mm/min、2.5 mm/min,CK與SD土壤平均入滲率差異顯著(P<0.05)；20—40 cm土層其數值為3.02 mm/min、2 mm/min、0.68 mm/min、0.31 mm/min,CK與SD土壤平均入滲率差異顯著(P<0.05)；MD不同土層深度土壤平均入滲率差異顯著(P<0.05)。

滲透總量中,0—20 cm土層其數值為522.87 mm/min、253.24 mm/min、203.5 mm/min、118.27 mm/min,CK與SD土壤滲透總量差異顯著(P<0.05)；20—40 cm土層其數值為161.83 mm/min、103.96 mm/min、38.62 mm/min、18.02 mm/min,CK與SD土壤滲透總量差異顯著(P<0.05)；MD不同土層深度土壤滲透總量差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同干擾程度山地草甸土壤滲透性(平均值±標準誤)Fig.2 Soil permeability of mountain meadow at different disturbance levels(Mean±S.E.)不同大寫字母表示相同土層深度不同干擾程度差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一干擾程度不同土層深度差異顯著(P<0.05);CK：試驗對照(無干擾),Control check(no disturbance)；LD：輕度干擾,Light disturbance；MD：中度干擾,Medium disturbance；SD：重度干擾,Severe disturbance；NE：東偏北,north of due east

2.2 不同海拔及干擾程度草甸土壤滲透性綜合評價

以初滲率(F1)、穩滲率(F2)、平均入滲率(F3)和滲透總量(F4)為評定指標進行主成分分析,綜合比較不同海拔及干擾程度下不同土層土壤滲透性能。從表2可知,第一個主成分的方差累積貢獻率達97.684%,第一主成分提供的信息量最大,而所有變量的正載荷相差不大,根據因子得分系數矩陣,其主成分方程為f=0.248F1+0.254F2+0.255F3+0.255F4,通過方程計算不同海拔高度及不同干擾程度的上、下層的土壤滲透性得分,并進行排序(表3和表4),可知不同處理土壤滲透性存在差異,在不同海拔高度上,0—20 cm土層,在1600 m范圍表現最優,20—40 cm土層則是在1700 m范圍表現最優,從平均得分來看,在1600—1800 m,隨海拔的增高,土壤滲透性逐漸降低,而在1900 m又有所提高(表3),不同干擾程度上,0—20 cm土層在CK表現最優,20—40 cm土層,在SD表現最優,從平均得分來看,隨著干擾程度的增強,土壤滲透性逐漸降低(表4)。

表2 山地草甸土壤滲透性主成分分析

表3 不同海拔高度山地草甸土壤滲透性排序

表4 不同干擾程度山地草甸土壤滲透性排序

2.3 不同海拔高度和干擾程度山地草甸土壤入滲特征模擬

不同處理山地草甸土壤入滲過程4個模型的擬合精度存在差異(表5),通用經驗模型擬合的相關系數為0.84—0.98,平均相關系數為0.92；Horton模型擬合的相關系數為0.57—0.98,平均相關系數為0.85；Philip模型擬合的相關系數為0.14—0.94,平均相關系數為0.71；Kostiakov模型擬合的相關系數為0.15—0.89,平均相關系數為0.66。從擬合優度考慮,通用經驗模型擬合效果最好,Horton模型次之,Philip模型和Kostiakov模型擬合效果都比較差。在相關系數為0.92以上的17個入滲最優模型中,通用經驗模型有9個,占了52.94%,Horton模型有7個,占41.18%,Philip模型有1個,占5.88%,無Kostiakov模型。所以,通用經驗模型比較適合模擬武功山山地草甸區域的土壤入滲過程,而Horton模型的模擬效果不夠理想,Philip模型和Kostiakov模型不適合該區域內土壤水分入滲過程的模擬。

表5 山地草甸土壤入滲特征的擬合參數

a′：經驗參數,Empirical parameter；b′：經驗參數,Empirical parameter；n：擬合參數,Fitting parameter；R2：相關系數(下同),Correlation coefficient(the same below)；fc：穩滲率,Steady infiltration rate；f0：初滲率,Initial infiltration rate；k：常數,Constant；A：穩滲率,Steady infiltration rate；S：土壤吸水率,Soil water absorption rate；f(t)：土壤入滲率,Soil infiltration rate；t：入滲時間,Infiltration time；a：擬合參數,Fitting parameter；b：擬合參數,Fitting parameter

2.4 土壤滲透特性與土壤理化性質的關系

由表6可知,山地草甸土壤滲透性特征4個指標與土壤濕度、毛管持水量顯著正相關(P<0.05),與容重顯著負相關(P<0.05),初滲率、平均入滲率與速效氮含量顯著正相關(P<0.05),穩滲率、平均入滲率、滲透總量與速效鉀含量顯著正相關(P<0.05)。以山地草甸理化指標土壤溫度(A1)、土壤濕度(A2)、最大持水量(A3)、毛管持水量(A4)、最小持水量(A5)、容重(A6)、pH(A7)、有機質(A8)、速效氮(A9)、速效磷(A10)、速效鉀(A11)為自變量,土壤滲透性特征4個指標初滲率(F1)、穩滲率(F2)、平均入滲率(F3)、滲透總量(F4)為因變量,進行逐步回歸分析,得到滲透性特征4個指標的指導因子方程為：F1=-26.871A2+55.377(R2=0.164,P=0.008),F2=0.426A4-0.45A5+2.451(R2=0.564,P<0.001),F3=0.455A4-0.481A5+3.112(R2=0.563,P<0.001),F4=25.91A4-27.445A5+163.489(R2=0.563,P<0.001)。

表6 山地草甸土壤理化性質與滲透特性的相關分析

**. 在0.01 水平(雙側)上顯著相關, *. 在 0.05 水平(雙側)上顯著相關

3 討論

通過對武功山山地草甸土壤滲透性特征的分析,發現0—20 cm土層的土壤滲透性高于20—40 cm,土壤滲透性受海拔影響,但其分布特征不完全與海拔高度變化相一致?？傮w來看,土壤初滲率、穩滲率、平均入滲率和前60 min滲透總量等在1600 m到1800 m隨著海拔升高逐漸降低,在1900m又有所增加。有研究者[25- 29]對青藏高原高寒草甸和北方山地紅松、油松林的土壤養分、植被生物量或土壤滲透率狀況進行研究,均發現所測定指標不完全與海拔高度趨勢相一致,隨著土層深度增加,土壤滲透性降低,與本文的研究結果相似。

隨著干擾程度的增強,武功山山地草甸土壤滲透性呈現逐漸減小的趨勢。王意錕等[6]對不同經營強度的毛竹林地土壤滲透性進行研究后發現,隨著經營強度的增加,林地土壤滲透性也呈降低趨勢,也與本研究結果相呼應。張曉芹等[30]對賀蘭山及千佛山的草原植被進行研究,發現隨著旅游干擾強度的增加土壤的容重和含水量分別呈現增加和減低的趨勢,這與本研究的結果一致。

土壤容重是土壤的透水性以及通氣性的重要反映,土壤持水量、含水量、貯水量是反映水源涵養能力的重要指標[31],土壤的滲透及蓄水能力等受到土壤容重的影響,幾項指標之間存在著相互作用的關系[32]。武功山草甸分布區海拔及旅游干擾程度的變化使土壤容重也產生了改變,而土壤滲透性所呈現的分布規律可能是因為隨著海拔升高植被的長勢逐漸矮化,根系也逐漸細淺,進而影響土壤滲透性呈遞減趨勢,而在1900 m海拔的風力相對其他海拔區域更大,為抵抗風力,該區域的植被根系可能更為密集、粗壯,進而影響到土壤容重及持水量等性能,致使滲透率在該海拔范圍有所增加；旅游干擾的增強,游人踩踏行為增多,致使土壤致密性增加,容重也會變大,從而造成土壤滲透性的降低。

土壤水分入滲模型有許多種[9,33],在不同的研究區域,各個模型的適用性不同[6,34],因為目前對亞熱帶山地草甸滲透性特征的研究較少,所以本文采用了4個滲透模型分別對其適用性進行擬合,發現通用經驗模型在該區域的擬合效果最好。土壤水分的滲透過程復雜,滲透性能越好,地表徑流越少,土壤侵蝕量也會相應減少[35]。武功山不同海拔草甸上層及上、下層平均土壤滲透性在海拔1800 m范圍最低,且與1600 m差異明顯,可能在1800 m范圍是山地草甸生態系統較為脆弱的區域,未來在進行開發的建設的時候要尤其注意做好保護措施。在1900 m的典型旅游干擾區,重度干擾的土壤滲透性最低,因此,要及時對該干擾程度下的草甸植被及土壤進行修復,以免造成進一步的土壤侵蝕。

4 結論

武功山山地草甸土壤滲透性在不同海拔高度總體表現為：在1600—1800 m范圍,隨著海拔升高土壤滲透性逐漸降低,而在高海拔的1900 m范圍又滲透性提高。隨著干擾程度的增強,土壤滲透性逐漸降低。表層(0—20 cm)土壤滲透性高于底層(20—40 cm),且初滲率>平均入滲率>穩滲率,通用經驗模型能更好的擬合本研究區的土壤滲透過程。土壤滲透性與土壤濕度、毛管持水量呈顯著正相關,與容重顯著負相關,初滲率、平均入滲率與速效氮含量顯著正相關,穩滲率、平均入滲率、滲透總量與速效鉀含量顯著正相關。

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