不同亞高山草甸群落類型的土壤入滲特征及影響因素

宋愛云, 董林水, 劉世榮, 劉京濤

(1.濱州學院 山東省黃河三角洲生態環境重點實驗室, 山東 濱州 256603; >2.中國林業科學研究院 森林生態環境與保護研究所, 國家林業局森林生態環境重點實驗室, 北京 100091)

土壤水分入滲性能能夠決定降雨進程和再分配過程中的地表徑流水平、土壤儲水性能以及地下水的補給[1-3]。土壤滲透能力主要受土壤物理性質、植被類型、地形等因素影響[4-5]。開展土壤入滲性能研究，對于區域土壤侵蝕預測、洪水預報、水土保持措施的制定均具有非常重要的意義[6]。

岷江上游地區處于青藏高原的東緣地區，該區域草地面積占土地總面積的35%，是岷江上游綠色生態屏障的關鍵組成部分，在涵養水源、保持水土、調節徑流等方面均具有重要作用[7-8]。亞高山草甸是岷江上游草地的主要類型之一，開展亞高山草甸的土壤入滲性能研究是深入分析流域水文循環特征和產流機制的基礎性研究工作。

岷江上游地區亞高山草甸不同海拔高度的群落優勢種及物種組成均差異較大[9-10]，不同群落類型生境下的土壤入滲特征是否存在顯著差異，目前還沒有研究清楚，比較分析亞高山草甸不同群落類型的土壤入滲特征，將為今后開展亞高山草甸生態水文功能分類量化和評估提供理論依據。

本研究在臥龍自然保護區選擇不同海拔高度(3 100～3 600 m)的3種亞高山草甸群落類型，分別研究比較其土壤入滲特征及影響因素。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

研究區位于四川省臥龍自然保護區西北部，地理位置在東經102°52′—103°54′、北緯30°45′—31°20′，屬于典型的亞熱帶內陸山地氣候，冬夏季風交替顯著，氣候涼爽，雨熱同季，干濕分明。區域內亞高山草甸主要分布在海拔3 100～3 650 m，水土保持能力強，表層有機質含量高，土壤為酸性土壤。本研究選擇不同海拔高度的3種亞高山甸群落類型，包括糙野青茅草甸(3 100～3 300 m)、狼毒草甸(3 350～3 450 m)和嵩草草甸(3 500～3 600 m)，對其研究比較土壤入滲特征。上述3種亞高山草甸群落類型重要值最大的優勢種分別為糙野青茅(Deyeuxiascabrescens(Griseb.)Munro ex Duthie)、狼毒(StellerachamaejasmeLinn.)和四川嵩草(KobresiasetchwanensisHand.-Mazz.)，其具體的群落結構特征見表1。

1.2　土壤取樣及測定方法

在亞高山草甸生長最旺盛的8月份，采用樣帶和樣方法進行土壤樣品的取樣測定工作。分別在上述3種亞高山草甸類型內各選取8個樣地，共計24個樣地。每個樣地內選擇植被分布均勻的典型地段設置3個1×1 m2樣方。在每個樣方內收獲其中所有植物的地上部分，用于測定單位面積的地上生物量。同時，在上述每個1×1 m2樣方內挖土壤剖面，每個剖面分為3層，分別為0—15 cm，15—30 cm，30—45 cm，在每層內用100 cm3環刀取原狀土樣兩個。室內測定土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、非毛管孔隙度以及土壤通氣度[11]，測定結果見表2。土壤入滲速率采用雙環法測定[12]。測定數據采用Excel及SPSS 19.0軟件統計分析。

表1　亞高山草甸3種典型群落類型的樣地概況

表2　不同亞高山草甸群落類型的土壤水分物理性質

1.3　土壤入滲模型選擇

土壤入滲可用達西定律描述，Richards首次將其引入非飽和土壤水分運動中，并建立了Richards方程[13]。之后，國內外學者建立了很多模擬土壤入滲速率隨時間變化的入滲模型，本研究選擇比較經典的4種模型對亞高山草甸土壤入滲過程進行模型擬合，即Philip模型、蔣定生模型、Horton模型和Kostiakov模型[14]。

表3　土壤水分入滲模型公式及參數說明

2　結果與分析

2.1　不同草甸群落的土壤入滲過程及特征

從圖1中可看出，3種亞高山草甸群落類型的表層土壤(0—15 cm)的入滲特征均表現出類似變化規律，即在入滲初期滲透速率變化較快，然后變化趨于平緩，最后逐步達到穩定狀態。亞高山草甸的土壤入滲過程總體上可以分為3個階段：(1) 入滲瞬變階段(0—5 min)，入滲過程的初始階段是水分浸潤階段，入滲水量首先供給土壤毛管孔隙后，形成一定的水壓，使下滲峰面快速延伸。此階段內土壤入滲速率隨時間急劇下降，3種群落類型的滲透速率表現為：嵩草草甸>狼毒草甸>糙野青茅草甸，其土壤初始入滲速率依次為21.89，18.85，9.82 mm/min。(2) 入滲漸變階段(5—30 min)，此階段主要是包氣帶內土壤孔隙水分的充填過程，因而，這一階段內的土壤入滲速率趨緩，其中嵩草草甸入滲速率的減少速度明顯快于其他兩種群落類型，至30 min時嵩草草甸與狼毒草甸的入滲速率已基本相當。(3) 穩定入滲階段(30 min后)，土壤孔隙被水分充滿達到飽和后，水分在重力作用下向下滲透，入滲速率穩定在相對固定的水平上，即為穩滲速率。3種亞高山草甸群落類型表層土壤的穩定入滲速率為狼毒草甸>嵩草草甸>糙野青茅草甸，其值依次為10.37，9.03，4.72 mm/min。

圖13種亞高山草甸群落類型表層土壤(0-15cm)水分入滲過程

為了研究亞高山草甸不同土層的入滲特征，本文以嵩草草甸為例，對比分析了不同土壤層次的入滲過程。由圖2可知，嵩草草甸土壤入滲能力隨土層深度增加而遞減，表層土壤(0—15 cm)的初始入滲速率和穩定入滲速率均明顯大于中層(15—30 cm)和下層(30—45 cm)，不同時段的土壤入滲速率均隨土層深度增加而逐步遞減，這主要是由于隨著土層深度增加，土壤容重不斷增大，而總孔隙度則逐漸減小(表1)，從而導致土壤入滲速率逐步減小。

圖2嵩草草甸不同深度土壤的水分入滲過程

2.2　亞高山草甸土壤入滲模型擬合

利用表3中的4個模型，擬合亞高山草甸土壤的入滲過程，結果見表4。不同模型的模擬效果可用回歸方程的決定系數R2表示，其值越大，擬合效果越好。由表4可看出，總體來看土壤入滲過程以Horton模型的擬合效果最好，其次為Kostiakov 模型，而其余兩種模型擬合精度相對要低一些。Horton模型屬經驗公式，能夠描述長時間的土壤入滲特征，且模型參數具有物理意義，因而，Horton模型適于描述亞高山草甸的土壤入滲過程。

2.3　亞高山草甸土壤入滲性能的影響因素

土壤滲透性受土壤結構、質地、生物量等多種因素的影響。對亞高山草甸不同群落類型的土壤穩滲速率與土壤物理性質及單位面積群落地上生物量進行Pearson相關性分析，涉及指標(表5)包括：土壤穩滲速率(Y)、土壤容重(X1)、毛管孔隙度(X2)、總孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、土壤通氣度(X5)、最大持水量(X6)、毛管持水量(X7)、最小持水量(X8)及單位面積地上生物量(X9)。

表4　4種土壤入滲模型的回歸參數

表5　土壤入滲性能與影響因素相關性分析

注：*為0.05水平上顯著相關;**為0.01水平上顯著相關。

表5看出，土壤穩滲速率與土壤容重呈極顯著負相關，而與總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣度以及單位面積地上生物量均呈極顯著正相關，而與其余指標間沒有顯著相關關系。這主要是由于土壤容重越大，土體越堅實，土壤滲透性能越弱；而單位面積地上生物量越大，對應的地下根系越發達，土壤孔隙性越好，因而，滲透性能越好。另外，土壤容重除與毛管孔隙度的相關性沒達顯著水平外，與其余各指標均存在極顯著負相關，可見土壤容重對植物生物量及土壤入滲性能均有直接影響。

3　討論與結論

3.1　討 論

由圖1可知，狼毒草甸與嵩草草甸的初始入滲速率和穩定入滲速率均明顯大于糙野青茅草甸，這主要由于狼毒草甸與嵩草草甸的根系均較為發達，土壤質地松軟，造成其水分滲透速率相對較高。趙景波等對青海湖西北部土壤入滲規律的研究表明，低草地的穩定入滲速率明顯小于高草地，并指出高草地根系發育深度大是造成這種現象的主要原因[15]。王則宇等對希拉穆仁天然草地不同群落類型的土壤入滲特征進行對比研究表明，洽草群落土壤入滲性能最好，其次為羊草，而銀灰旋花群落土壤入滲性能最差；研究認為洽草群落植被蓋度大，腐殖質層厚，根系密度大，土壤結構良好，因而更有利于水分的下滲；但銀灰旋花群落退化較嚴重，土壤板結，導致其水分滲透性能最差[16]。綜上所述，草地類型及其根系發育情況與土壤的入滲速率密切相關。

由圖2可知，不同時段內嵩草草甸土壤入滲速率均隨著土層深度的增加而逐步遞減。李超等對黃土丘陵區撂荒地不同土層深度的入滲特征研究表明，各樣地土壤的初始入滲速率、穩定入滲速率、平均入滲速率均表現為表層>亞表層>底層[17]。同樣，李建興等對紫色土坡耕地耕層土壤入滲性能的研究也得出相同結論，即土壤入滲速率隨著土層深度的增加而遞減[18]。

國內外學者已經針對不同土壤類型的入滲過程進行了很多模擬研究，對于各種模型的模擬精度評價不盡相同。馬浩等應用Philip模型、Horton模型、Kostiakov模型和蔣定生模型對川中丘陵紫色土區的土壤水分入滲過程進行擬合，結果表明Horton模型擬合最好[19]。陳文媛等對不同退耕年限林草植被的土壤入滲過程進行擬合，認為通用模型比Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型更適用于描述黃土丘陵區的土壤入滲特征[20]。而姚寶林等對南疆棉田土壤入滲特征的研究表明，通用經驗模型和Kostiakov模型能較好的模擬各處理土壤入滲過程，Horton模型次之，Philip模型擬合較差[21]。由此可知，不同的土壤類型可能適用不同的入滲模型進行擬合，幾種模型無論是理論的還是經驗的，均在一定程度上反映了土壤水分的入滲規律，都有其使用價值[22]。

土壤入滲性能的影響因素包括土壤物理性質、土壤初始含水率、下墊面植被蓋度、地面坡度以及降雨強度等[21]。與本研究的結果類似，馬浩等在川中丘陵紫色土區開展的研究表明，土壤容重與土壤入滲速率呈負相關關系[19]；而董三孝等對黃土丘陵退耕坡地天然草地的研究表明，隨著群落生物量的逐步增加，土壤入滲能力顯著改善[23]。

隨著植被的自然恢復，土壤有機質含量及土壤物理性質均處于動態變化過程中，明確自然植被的演替與土壤入滲性能的響應關系是開展植被生態水文功能評價的基礎性工作，因此，今后可重點開展相關的研究工作。

3.2　結 論

不同亞高山草甸群落類型土壤入滲過程對比分析表明，在入滲瞬變階段和入滲漸變階段，3種群落類型滲透速率大小順序表現為：嵩草草甸>狼毒草甸>糙野青茅草甸。3種亞高山草甸群落類型均具有較高的穩定入滲速率，通常情況下，該地區的降水強度較少達到或超過穩滲速率而超滲產流。以嵩草草甸為例，分析了土壤入滲能力隨土層深度的變化規律，表明不同時段的土壤入滲速率均隨土層深度增大而呈逐步遞減趨勢。

分別應用Philip、蔣定生、Horton，Kostiakov模型對不同亞高山草甸群落類型的土壤入滲過程進行了擬合，表明Horton模型擬合精度最高，其次為Kostiakov模型。今后研究中，可采用Horton模型擬合和預測亞高山草甸的土壤入滲過程。

相關分析表明，土壤穩滲速率與土壤容重呈極顯著負相關，而與總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣度及單位面積地上生物量均呈極顯著正相關，說明土壤容重、土壤孔隙度及植物生物量與土壤入滲性能均密切相關。

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