天山林區不同群落土壤水分入滲特性的對比分析與模擬

阿茹·蘇里坦,常順利,*,張毓濤

1 新疆大學資源與環境科學學院綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046 2 新疆林科院森林生態研究所, 烏魯木齊 830063

土壤水分入滲是降水、地表水、土壤水與地下水之間互相轉化過程的重要一環[1],也是大氣降水入滲補給淺層地下水的唯一途徑[2]。土壤入滲性能是土壤重要的物理性質,反映了土壤涵養水源和抗侵蝕的能力,是影響土壤侵蝕與地表徑流的重要因素[3]。林區土壤的質地、容重、含水率、土壤孔隙度、鹽分含量等理化性質受到群落類型變化等因素的影響,進而對水分入滲過程產生不同程度的影響[4- 5]。土壤的水分入滲貫穿森林生態系統水分循環的整個環節,對森林植被的水文生態構成直接影響[6]。

不同群落類型土壤有機質含量或肥力等土壤理化性質有差異,對入滲性能就具有不同程度的影響[7- 8]。土壤累積入滲量與初始含水量之間的關系會受到土壤質地的影響[9],不同的土壤結構必定導致土壤儲水能力及入滲特性存在差異。關于初始含水率對入滲過程的影響,大多是假定在含水率分布均勻的前提下研究其對入滲速率的影響[10]。對入滲過程的定量描述與模擬迄今還沒得到統一和普遍適用,目前主流的土壤入滲模型有物理模型Green-Ampt模型和Phillip模型、經驗模型Kostiakov模型和Horton模型[3]。因植被、土壤類型存在差異,不同區域適宜的擬合模型也不盡相同；而合適的土壤入滲模型則是實現水源護林保水功能的重要手段。環刀法是室內監測土壤入滲速率的常用實驗方法,同徑流—入流—產流法和雙環法相比較,更為簡便,同時更易監控和觀測滲水后各階段的入滲特征及土壤結構的變化[11]。

天山中山帶的雪嶺云杉森林是我國干旱區重要的水源涵養林區,干旱區由于土壤發育過程受風沙、放牧及河水泛濫淤積等多重因素的影響,導致其土壤復雜多樣[12]。現階段對天山林區土壤入滲特性的了解還非常不充分。天山林區不同群落類型的土壤入滲特性是否存在差異,而其中哪些因素影響著天山林區土壤入滲過程,哪種模型能夠較好的模擬該區土壤入滲過程？這些基礎問題都尚未得到回答和解決。本文采用環刀法,分析天山中段北坡林區各群落類型土壤水分入滲性能的變化規律,探討土壤容重、含水率、土壤有機質等基礎因素對土壤入滲過程的影響,對三種模型模擬結果進行對比分析,以期能夠回答上述問題。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

本試驗選擇了中國森林生態系統研究網絡(CFERN)天山森林生態系統定位站研究站(87°07′—87°28′ E,43°14′—43°26′ N)為試驗站點。地處天山北坡烏魯木齊縣板房溝林場,海拔1800—2800 m,具有溫帶大陸性氣候特征,年平均氣溫為2—3℃,年總輻射量達5.85×105J/cm2·a,年降水量400—600 mm,最大積雪深度為65 cm[13],該區植被類型以天山云杉(PiceaSchrenkiana)純林為主的溫帶針葉林,林緣、林窗及林下的喬木主要有密葉楊(Populustalassica)和天山花楸(Sorbustianschanica)、天山樺(Betulatianscha-nica)等,灌木主要有栒子(Cotoneastermelanocar-pus)、小檗(Berberisheteropoda)、薔薇(Rosaspino-sissima)、繡線菊(Spiraeahypericifolia)、方枝柏(Juniperuspseudosabina)、錦雞兒(Caraganaleucophloea)和忍冬(Lonicerahispida)等,林下土壤類型為山地灰褐色森林土[14]。試驗六種群落類型樣地基礎信息如表1所示。

表1 森林樣地特征

1.2 取樣與入滲監測方法

在試驗區內,依據群落類型的不同,設立天然林、人工林、林窗草地、草地、林緣灌木林、山前灌木林六種森林土壤類型樣地,每種群落類型下布設兩個樣地,共計12塊試驗樣地。其中,天然林和人工林均為云杉林。每個樣地隨機選取3個土壤剖面進行取樣調查,以0—20、20—40、40—60 cm分三層取土樣,每層使用環刀(100 cm3)取原狀土樣,帶回實驗室作為土壤理化性質的測定與分析。采用烘干法測定土壤含水率,環刀法測定土壤容重、孔隙度、毛管持水量等,重鉻酸鉀法測定土壤有機質含量[15],統計數據時每層取3個重復樣的均值。樣地基本理化性質見表2。

表2 試驗區土壤理化性質

此次試驗采用環刀法測定土壤的水分入滲速率。用環刀(高5.1 cm,體積100 cm3)分別取0—20、20—40、40—60 cm三層的自然狀態土樣至室內。盡快取掉上下蓋,在環刀上方反套一個空環刀,嚴防接口處漏水,之后將粘合的環刀放到玻璃漏斗上,漏斗下方放置一個空燒杯。實驗開始之前向上部的空環刀加水,保持水面比上部的環刀口低1 mm,即水層厚度保持在5 cm。自水分穿透下部環刀,土壤開始向外滴出第一滴水的時刻開始試驗計時,前5 min內,每分鐘更換一次燒杯,并用量筒測量下滲水的體積。此后每隔5 min更換一次燒杯。即整個試驗過程中的時間序列為:1 min、2 min、3 min、4 min、5 min、10 min、15 min、20 min……,分別記錄時間t1、t2、t3……tn。試驗過程中要及時向上部環刀內加水,使上部的環刀水面一直保持在5 cm高度。試驗進行到連續3次更換的燒杯內水量相同時,可以視為達到穩定狀態,并停止本輪試驗。每個樣地,土壤入滲過程重復測定三次。

入滲性能是用來描述土壤入滲快慢的土壤物理特征參數,通常使用初始滲透速率、平均滲透速率、穩定滲透速率和滲透總量4個入滲指標進行分析評價。其中初始滲透速率=最初入滲時段內滲透量/入滲時間,本試驗取前3 min的平均入滲率作為初始滲透速率；平均滲透速率=達到穩滲時的滲透總量/達到穩滲所用時間；穩定入滲速率為單位時間內的滲透量趨于穩定時的滲透速率；滲透總量是一定時間內的累計入滲總量。

1.3 入滲模型

林地坡面土壤水分入滲通常屬于非飽和水分運動,所以,即便是在最簡單邊界條件下,嚴密解析土壤水分運動基本方程十分困難。所以,依據模型是否具有明確的物理意義,將其分為兩類,一類是經驗模型如Kostiakov模型,另一類物理模型有Horton方程和Philip入滲方程。入滲模型分別是：

(1)Kostiakov入滲模型[16]

I{t)=at-b

(1)

式中：I(t)為入滲率,mm/min；t為入滲時間,min；a和b為模型的參數。

(2)Horton入滲模型[17]

I{t)=If+(Ii-If)e-ct

(2)

式中：I(t)為入滲率,mm/min；Ii為初始入滲率,mm/min；If為穩定入滲率,mm/min；c為模型的參數。

Step2:據待分割影像Z建立相似圖G=(V,E,W )，并計算標準Laplacians矩陣L=I-D-1W；

(3)Philip模型[18]

I{t)=A+Bt-0.5

(3)

式中,I(t)為入滲率(mm/min)；t為入滲時間(min)；A為穩定入滲率(mm/min)；B為模型的參數。

1.4 數據分析方法

采用SPSS 19.0和Origin 9.0進行土壤入滲過程模擬與作圖。

2 結果分析

2.1 土壤入滲過程與特征

不同群落類型土壤入滲特征指標如表3所示,不同群落類型的土壤入滲指標大小均具一定差異。其中,天然林、人工林、林窗草地、草地、林緣灌木林、山前灌木林的初始滲透速率分別為9.00、2.63、3.96、3.58、5.41、2.67 mm/min；而穩定入滲速率分別為5.12、2.19、1.95、1.40、1.70、0.85 mm/min；平均入滲速率分別為6.50、2.49、2.74、2.53、3.20、1.55 mm/min。天然林無論是初滲速率、穩滲速率還是平均滲透速率都大于其他五種群落類型。人工林初滲速率最小,但是穩定入滲率僅次于天然林。穩滲速率、平均入滲速率和滲透總量的最小值均出現在山前灌木；天然林在相同時間內的滲透總量是山前灌木滲透總量的4倍,而初滲速率是山前灌木林的3倍。

表3 不同群落類型土壤入滲特征指標

圖1 不同群落類型土壤滲透過程曲線Fig.1 The soil infiltration process of different community type

土壤入滲速率隨時間變化過程如圖1所示。不同群落類型的土壤入滲過程有較大差異,但都表現出初滲速率>平均滲透速率>穩滲速率的相同趨勢。六種不同群落類型的森林土壤,入滲開始初期滲透速率較高,而后隨著時間的推移,逐漸降低,最終穩定在一個固定的水平上,即達到穩定入滲階段。其中,天然林在整個實驗過程中的滲透速率整體明顯大于其他五種群落類型,且滲透速率隨時間遞減速率最快。而山前灌木林的滲透速率則明顯小于其他五種群落類型。

2.2 土壤入滲過程的擬合與對比分析

采用實測的土壤入滲數據與3種模型進行擬合,得出了不同模型的模擬精度和參數估計值見表4。

表4 入滲模型中參數的回歸分析結果

R2為判定系數

由表4可以看出,不同的方程對于不同群落土壤入滲過程的模擬精度均有所差異。

Kostiakov入滲模型中,a為經驗入滲常數,即第一個單位時段內的平均入滲速率,a值的大小主要受土壤結構、孔隙度和非毛管孔隙度等多種因素的影響；b值的大小可以表明入滲速率隨時間減小的程度,b值越大,則入滲速率隨時間減小的程度越快。由表3可知,Kostiakov方程擬合的參數a值介于2.79與9.53之間,其中天然林的a值最大,與天然林初始入滲率最大的規律相一致。a值在人工林和山前灌木林均小于其他群落類型。b值在山前灌木林和林緣灌木林較大,說明山前灌木林和林緣灌木林入滲速率隨時間遞減速率較快。

Philip方程中A為穩滲速率,將各處理A值帶入求得參數B,B值在0.04—1.228之間,它在一定程度上反映了初始入滲率的大小。B值最小出現在人工林中,這與表2實測人工林初始入滲率最小的結果相一致。

不同模型對入滲過程的擬合效果可以用回歸方程的判定系數R2表示,R2越大,則擬合效果越好。由表2 中擬合結果可以看出Kostiakov模型判定系數在0.48和0.97之間,人工林擬合判定系數最小。在Horton模型中,判定系數除人工林與草地外,也都接近或者超過0.90；Philip模型判定系數介于0.57與0.86之間,適宜性較差。

2.3 入滲速率影響因子分析

土壤是多孔介質,當水分在這其中運動時,入滲狀況必定會受到土壤孔隙度、初始含水量、土壤質地、有機質含量、土壤團聚體的水穩性等土壤物理和生物化學特性的影響[19- 20]。因此,表5在SPSS軟件中對土壤入滲特征與影響土壤入滲的直接和間接因素進行了相關分析。

表5 土壤入滲速率與各影響因子的相關分析

*,**分別表示相關系數達0.05,0.01顯著水平

土壤有機質含量與土壤入滲速率呈正相關,且與初始入滲率達到顯著水平。土壤容重與土壤入滲能力呈現顯著的負相關。土壤毛管孔隙度與土壤入滲速率呈現負相關,且與初始入滲率和平均入滲率顯著負相關。土壤的含水率與入滲過程呈現負相關,土壤初始含水量越大,則初始入滲率越低。也可以說,在土壤結構相同的情況下,土壤入滲率與土壤含水量呈現反比關系,隨土壤含水量的增加而遞減,直至穩定入滲。

3 討論與結論

3.1 入滲過程及影響因素分析

土壤水分滲入過程是水分在分子力、毛管力和重力的綜合作用下在土壤中運動的物理過程,入滲按土壤水分受力情況及運行特征可分為3個階段：滲潤階段、滲漏階段和滲透階段[21]。滲潤階段水分主要受分子力作用,被土壤顆粒吸附而形成薄膜水,對于干燥的土壤,該階段入滲率明顯大于其他階段；滲漏階段下滲水主要受到重力和毛細管引力,該階段土壤水主要在土壤顆粒間的孔隙移動,并開始充填孔隙,直至充滿水,此階段下滲速率迅速遞減；滲透階段土壤孔隙已被水充滿達到飽和,水分在重力作用下移動,屬于飽和水流運動,水分入滲率維持穩定。這也就是不同群落類型的土壤入滲過程存在差異,但是都具有初滲速率>平均入滲速率>穩定入滲速率的相同趨勢的原因。

在天山森林北坡六種不同群落類型土壤入滲性能研究過程中,由圖1和表3可知,天然林的四項入滲指標(初始入滲速率、平均入滲速率、穩定入滲速率和滲透總量)均大于其他五種群落類型。主要原因可能是天然云杉林的植被蓋度較大,錯綜分部的根系使板結的土壤產生松動,改善土壤結構,從而加快了土壤水分入滲的過程。同時,根系的衰亡將會為土壤提供有機質,促進土壤中團聚體的形成,進而增強了土壤的滲透性。對青海湖周邊土壤入滲性能的研究結果表明,低草地的穩定入滲速率明顯小于高草地,認為高草地根系發育深度遠大于低草地是造成這種現象的關鍵因素[22]。人工林的滲透性能較天然林低下的原因,除了其改善林地能力和生產力弱,種植密度過大的原因以外；也同本地的封山育林措施不到位有極大的關系。

一般認為,土壤的表層初始入滲率與超滲產流密切相關[23],平均入滲速率則可較好的表征土壤的滲透性能[24]。土壤入滲速率高的群落類型,在緩解地表徑流產生、減少徑流產生的規模與縮減徑流持續時間等多方面效果顯著；同時,森林土壤發育程度越高,土壤物理條件越有優勢,抗侵蝕能力越強,是研究區最為穩定的土壤生態系統。所以可以斷言,天然林是該試驗區土壤發育程度最高,最為穩定的生態系統。

針對各種不同土壤類型的入滲規律進行的模擬研究中,對不同模型的模擬精度評價不盡相同。Kostiakov入滲模型中,b值在山前灌木林最大,說明山前灌木林隨時間減少速率最快。這可能同潤濕階段下土壤結構變化有關[25],對金沙江流域森林土壤入滲特征研究中[26],也得出Kostiakov模型擬合效果比Horton模型和Philip模型擬合效果好的結論。Kostiakov 模型是所有入滲公式中最簡單的,屬于經驗性公式,適用于入滲率較高的情況。

群落類型不同的情況下,土壤理化特性也存在相應差異,直接或間接影響著土壤入滲性能。土壤孔隙,尤其是非毛管孔隙的特性和數量對入滲的影響較大,而土壤的孔隙狀況又同土壤質地、土壤結構和以及腐殖質等基本性質密切相關。土壤中的有機質在礦化的過程中能夠釋放大量的營養物質,改善孔隙狀況從而間接影響土壤入滲性能。作為間接影響因子,通常認為土壤有機質是通過促進團聚體的形成而間接影響土壤滲透性能[27]。

土壤容重是土壤緊實度與氣相比的間接反映,決定著土壤的緊實和松散程度。土壤入滲也可認為是水分在土體孔隙管道內流動并且不斷深入的過程,所以容重會對土壤水分入滲產生較大的影響。土壤容重越大,土壤孔隙越小,則通氣性越差,土壤入滲能力相應的也就降低[28- 29]。由表2可知,天然林的容重明顯小于其他群落類型土壤容重,說明天然林土壤水分下滲能力較好,這與本文先前的論述一致。

土壤含水量對入滲率有兩方面的影響,一方面是入滲前土壤初始含水量對入滲率的影響,另一方面則是入滲過程中土壤含水量發生變化,會致使入滲率發生變化[30]。

研究不同森林群落植被與入滲產流之間的關系,大多是從土壤的理化性質方面進行參數比對來判定其土壤的入滲性能,但是對于不同群落植被作用下土壤入滲能力的演變過程及其規律缺少全面的的定量研究。特別是對于降雨機制下不同植被類型的坡面土壤水分運動及入滲速率變化的過程特征、水分再分配等多種過程還有待深入研究[31]。

3.2 結論

通過環刀法對天山林區天然林、人工林、林窗草地、草地、林緣灌木林、山前灌木林六種森林群落類型的土壤入滲過程進行觀測,分析有機質含量、毛管孔隙度、容重、土壤含水率對土壤入滲性能的影響,評價常用三種入滲模型的適宜性。

由分析可見,本研究區不同群落類型土壤土壤性質與發育程度差異很大,森林水源涵養功能主要靠土壤與森林共同發揮作用,所以只有同時具備優良的森林植被和深厚的土壤,長效且有效地改善土壤入滲性能,才能具有豐富的水文生態功能和較高的水文生態效益。