若爾蓋濕地土壤入滲性能及其影響因素

鄭凱利, 鄧東周

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 成都 611231; 2.四川省林業(yè)科學(xué)研究院, 成都 610081)

土壤是連接生物圈、大氣圈、巖石圈最重要的過渡帶，是人類、動植物、微生物等賴以生存的生境之一，是人類活動進(jìn)行的直接場所，研究土壤的水分入滲特性是人類了解以及積極開展土壤侵蝕防治的有效前提[1-3]。土壤入滲是四水(降水、地面水、土壤水和地下水)相互流通、轉(zhuǎn)化、運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)[4-6]。土壤的入滲特性受多方面因素的影響，蔡煥杰等[7]利用Win SRFR 4.1軟件與擬合度檢驗相結(jié)合的方法對考斯加科夫土壤入滲模型參數(shù)值進(jìn)行模擬，表明土壤隨體積質(zhì)量的增加，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)逐漸瓦解、孔隙度和入滲率隨之降低。也有研究認(rèn)為入滲性能主要由土壤機(jī)械組成的比例、團(tuán)聚體含量和初始含水率等多種不定因素決定[8-9]。一般來說植物截流、雨量蒸發(fā)和填洼量不及下滲量，高效的入滲有利于降低土壤產(chǎn)流、減緩徑流沖刷土表、增加蓄水量，還可避免超滲產(chǎn)流的產(chǎn)生[10]。研究土壤水分入滲特性是探討流域產(chǎn)流機(jī)制的基礎(chǔ)和前提，同時也為改善土壤生態(tài)建設(shè)、開發(fā)土壤內(nèi)部潛力、發(fā)揮土壤水文效應(yīng)提供數(shù)據(jù)支持[11-13]。

土壤侵蝕可破壞耕地，制約著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅的全球性災(zāi)害之一，而土壤入滲是分析和表征土壤侵蝕過程的重要參數(shù)，也是土壤水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[14-16]。土壤水分入滲規(guī)律是探討地表徑流產(chǎn)生的前提和基礎(chǔ)，對明確地表徑流的調(diào)節(jié)機(jī)制及土壤侵蝕防治具有十分重要的意義[17]。目前，國內(nèi)外學(xué)者就土壤入滲問題雖進(jìn)行了較多研究，但多集中于黃土高原區(qū)、干熱河谷區(qū)、川中丘陵區(qū)及三峽庫區(qū)等，對若爾蓋濕地的研究甚少[18]。若爾蓋濕地地處長江上游，是世界上面積最大的高原沼澤濕地，被譽(yù)為“高原之腎”、“黃河蓄水池”，對于保護(hù)生物多樣性、維持區(qū)域乃至全球碳循環(huán)平衡以及保障地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[19]。近年來，該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，土壤侵蝕嚴(yán)重，水土流失降低了當(dāng)?shù)赝恋厣a(chǎn)力，造成土壤質(zhì)量退化，嚴(yán)重制約了區(qū)域資源、經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展[20]。諸多研究者發(fā)現(xiàn)土壤入滲性能與土壤容重、土壤團(tuán)聚體、有機(jī)碳、孔隙度等理化性質(zhì)密切相關(guān)，土壤類型理化性質(zhì)差異很大，從而造成其土壤入滲性能的差異也顯著[20-21]。為了探索不同土壤類型入滲性能及其驅(qū)動因素，通過回歸分析得出土壤理化性質(zhì)各項指標(biāo)與土壤入滲性能之間的權(quán)重關(guān)系。以期為若爾蓋濕地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、土壤入滲以及土壤理化性質(zhì)與之相關(guān)性等研究提供資料參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于青藏高原東緣若爾蓋高原，海拔3 400～3 900 m，地理位置101°36′—103°30′E，32°20′—34°00′N，隸屬于四川省阿壩州若爾蓋縣。地貌類型為平坦的高原地貌，以低山、丘陵、閉流寬谷地和湖群洼地為主。主要?dú)夂蛱攸c為長冬無夏，降水多、濕度大，屬于高原寒溫帶濕潤氣候，年平均降水量為660～750 mm，5—10月為雨季，降水占全年的90%。年平均氣溫為1.2℃，7—8月份平均氣溫為10.9℃。

1.2 樣品采集

于2017年9月在若爾蓋地區(qū)選擇4種典型土壤(泥炭土、沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土)采集土樣。每種土壤類型設(shè)3個重復(fù)采樣區(qū)，運(yùn)用五點混合法用土鉆從地表向下取0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm共3個深度采集土樣。用環(huán)刀取原狀土，室內(nèi)用環(huán)刀法分別測定體積質(zhì)量、毛管孔隙度和土壤入滲速率?？紫抖群头敲芸紫抖扔捎嬎愕玫?。土壤風(fēng)干研磨過0.25 mm篩，用丘林法測定土壤有機(jī)碳；過1 mm篩，用比重計法分析顆粒組成。取原狀土壤用薩維諾夫法分析>5 mm、>2 mm、>0.25 mm風(fēng)干和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

1.3 入滲速率、毛管孔隙度的測定及計算

本試驗過程中采用雙環(huán)入滲測定，該方法簡單實用，要求兩環(huán)的高度均達(dá)到35 cm，內(nèi)環(huán)、外環(huán)的直徑分別為30，50 cm，土層深度達(dá)到25 cm；在進(jìn)行記錄之前要求在內(nèi)側(cè)作標(biāo)記，并結(jié)合秒表，加水采取人工控制，但要求水深至少在5 cm以上；入滲后進(jìn)行人工加水需間隔一定時間，同時做好數(shù)據(jù)的記錄，本試驗中各個測定區(qū)均為平緩地帶，無明顯的坡度，待入滲穩(wěn)定后方結(jié)束試驗；進(jìn)行原狀土取樣后，在環(huán)刀有孔的一端墊上濾紙，然后置于盛水托盤，要求水深在2～3 cm，土樣膨脹后刮去膨脹出環(huán)刀的多余土壤，稱重后取土5 g，測定其含水率，并對土重進(jìn)行換算，進(jìn)而對孔隙度進(jìn)行計算[22]。

試驗要求環(huán)刀達(dá)到200 cm3，高度為5.1 cm，將取出的原狀土在水深4.9 cm的水盤內(nèi)浸泡24 h，待其取出，將一空環(huán)刀套其上部，將結(jié)合部密封，然后將之固氮在漏斗架，并在下方放置燒杯，空環(huán)刀內(nèi)注水，要求水層達(dá)到4.9 cm，計時從第一滴水落下開始，每及時更換燒杯，做好記錄，最后計算滲水量，在試驗過程中要求對前3 min的入滲速率進(jìn)行計算，并分別記錄30 min、1 h的入滲水量，計算出穩(wěn)定入滲率，為便于試驗對比，將10℃下穩(wěn)定入滲系數(shù)作為該穩(wěn)定入滲速率，即：

K10=Kt/(0.7+0.03t)

式中：Kt代表在t℃下的入滲速率(mm/min)；t表示水溫。

采取模型進(jìn)行參數(shù)模擬[23]。

考斯加科夫公式：入滲速率y=at-b

式中：y用mm/min表示；t表示入滲時間，以min計;a，b代表參數(shù)。

菲利普公式：y=A+0.5St-1/2

式中：S代表吸濕率；A代表穩(wěn)定入滲率；

霍頓公式：y=A+(A-B)e-kt

式中:常數(shù)用k表示；

1.4 數(shù)據(jù)處理

Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，SPSS 18.0做回歸分析和統(tǒng)計檢驗，在p<0.05和p<0.01水平檢驗相關(guān)系數(shù)的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

本研究測得各土壤層的有機(jī)碳、容重、孔隙度、顆粒組成和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量結(jié)果詳見表1。從表1可知，不同土壤類型土壤含水量變化范圍在6.2%～15.9%，其中以風(fēng)沙土最小，泥炭土最大，其大小基本表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，各土壤類型土壤含水量隨土層深度的增加呈逐漸減低趨勢；不同土壤類型土壤有機(jī)碳變化范圍在4.1～19.8 g/kg，其大小基本表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，各土壤類型土壤有機(jī)碳隨土層深度的增加呈逐漸減低趨勢；土壤容重變化范圍在0.98～1.38 g/cm3，其大小基本表現(xiàn)為泥炭土<沼澤土<草甸土<風(fēng)沙土，各土壤類型容重隨土層深度的增加呈逐漸增加趨勢。毛管孔隙度基本表現(xiàn)為泥炭土<沼澤土<草甸土<風(fēng)沙土，各土壤類型毛管孔隙度隨土層深度的增加呈逐漸增加趨勢。非毛管孔隙度隨土層深度的增加呈逐漸降低趨勢。1～0.05 mm顆粒組成基本表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，隨著土層深度的增加呈逐漸降低趨勢，<0.01 mm顆粒組成基本表現(xiàn)為泥炭土<沼澤土<草甸土<風(fēng)沙土，隨著土層深度的增加呈逐漸增加趨勢。>5 mm，>2 mm，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體基本表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，隨著土層深度的增加呈逐漸降低趨勢。

表1 不同土壤類型理化性質(zhì)

2.2 土壤入滲特征與過程

由圖1可知，不同土壤類型土壤入滲過程存在一定差異，入滲速率在開始階段陡降，隨著時間的推移，下降幅度逐漸減小，最后達(dá)到穩(wěn)滲。其中泥炭土達(dá)穩(wěn)定入滲的時間最長，達(dá)130 min；風(fēng)沙土達(dá)到穩(wěn)滲的時間最短，僅為80 min；沼澤土和草甸土達(dá)到穩(wěn)滲的時間大概為110 min?？梢?，4種土壤類型中，泥炭土能使土壤滲透性能得到明顯改善，延緩地表發(fā)生徑流的時間，降低土壤侵蝕發(fā)生的可能性；而相比之下，風(fēng)沙土則將加速地表徑流的形成，造成大量表層土壤被沖刷；而相對于風(fēng)沙土來說，泥炭土于土壤侵蝕的防治具有一定的積極效應(yīng)。

圖1 土壤入滲特征與過程

由表2可知，土壤入滲特征為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，不同土層土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均滲透率和滲透總量均隨著土層深度的增加而降低。對于0—20 cm土層，泥炭土的初始入滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.15，1.78，3.11倍，穩(wěn)滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.91，2.47，4.99倍，平均滲率和滲透總量分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.10，2.05，3.32倍和1.29，2.77，4.31倍。對于20—40 cm土層，泥炭土的初始入滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.00，1.67，3.54倍，穩(wěn)滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.96，2.27，4.99倍，平均滲率和滲透總量分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.12，2.22，3.35倍和1.19，2.98，4.09倍。對于40—60 cm土層，泥炭土的初始入滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.11，1.72，3.94倍，穩(wěn)滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.80，2.13，5.00倍，平均滲率和滲透總量分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.06，2.09，3.98倍和1.21，2.96，4.41倍。由此可見，不同土壤類型入滲特征差異較為明顯，其中泥炭土的入滲特征最好，可以有效地延緩地表徑流的產(chǎn)生，抑制土壤侵蝕，有利于水土保持。

表2 土壤入滲指標(biāo)

2.3 土壤入滲模型擬合

通過表3不難發(fā)現(xiàn)，對于考斯加科夫公式擬合而言，a值在2.369之上、4.569之下，且以泥炭土系數(shù)最高，a的主要影響因素在于土壤結(jié)構(gòu)、容重等，這說明初始入滲率最高的是泥炭土，其次是沼澤土、草甸土，而風(fēng)沙土的初始入滲率最低；b值擬合分析得知，說明在時間降低的情況下，入滲速率降低最慢的是沼澤土，其次是泥炭土、草甸土，而風(fēng)沙土則是入滲速率快速下降，即沼澤土>泥炭土>草甸土>風(fēng)沙土，也就是說a與b的變化趨勢相反。從菲利普擬合來看，S代表土壤入滲能力，是一種吸水性的正向表征，通過數(shù)據(jù)分析得知，泥炭土的S值最大，其次是沼澤土、草甸土，而風(fēng)沙土最小，說明土壤吸水率最大的是泥炭土；從考斯加科夫分析來看，擬合r較高，說明該模型具有較好的擬合性，通過分析發(fā)現(xiàn)，泥炭土而言，其隨時間的變化而呈現(xiàn)較快的入滲速率下降；該擬合下相關(guān)系數(shù)較高。上述分析可知，本試驗中采用的3種公式都能較好地模擬出降雨向土壤中入滲的過程，但從相關(guān)系數(shù)r的大小而論，考斯加可夫公式擬合效果較菲利普入滲公式和霍頓公式好。

2.4 土壤入滲的影響因素

由表4可知，土壤有機(jī)碳含量與土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，并且相關(guān)系數(shù)絕對值大致表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，土壤含水量與泥炭土和沼澤土土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與草甸土和風(fēng)沙土累積入滲量相關(guān)性不顯著(p>0.05)，相關(guān)系數(shù)絕對值大致表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土；土壤容重與泥炭土和沼澤土土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與草甸土和風(fēng)沙土累積入滲量相關(guān)性不顯著(p>0.05)，相關(guān)系數(shù)絕對值大致表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土；毛管孔隙度與土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)絕對值大致表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土；非毛管孔隙度與土壤滲透性能呈負(fù)相關(guān)；1～0.05 mm顆粒與土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，>5 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，其相關(guān)系數(shù)絕對值大致表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土。

2.5 主成分分析

主成分分析表明：前3個特征值>1的成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到87.902%，滿足主成分分析條件，故可以從前3個成分來表征對入滲性能的影響。從表5—6可以看出，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率最大達(dá)到了55.856%，負(fù)荷量絕對值>0.9的影響因素為有機(jī)碳和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體決定；代表第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為19.457%，由表6可知影響因素為有機(jī)碳和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體；第3主成分僅為12.589%，影響因子為有機(jī)碳和毛管孔隙度。結(jié)合各成分方差貢獻(xiàn)率與影響因子負(fù)荷量絕對值大小，經(jīng)過分析影響入滲的3個主要因子是有機(jī)碳、含水量、毛管孔隙度、>5 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體。

表3 土壤入滲模型擬合

注：a代表第一個單位時間內(nèi)的入滲速率，b代表為入滲速率隨時間降低的快慢性；S為土壤入滲能力大?。籄為穩(wěn)定入滲速率；k為入滲速率隨時間變化快慢；r為相關(guān)性程度。

表4 土壤入滲性能與理化因子相關(guān)性

注：**表示在0.01水平差異顯著，*表示在0.05水平差異顯著(雙尾)。

表5 主成分方差貢獻(xiàn)率

3 討論與結(jié)論

在本研究中，土壤有機(jī)碳、含水量、毛管孔隙度、1～0.05 mm顆粒組成>5 mm、>2 mm和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體均表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，并且隨著土層深度的增加呈逐漸降低趨勢，而土壤容重、非毛管孔隙度和<0.01 mm顆粒組成基本表現(xiàn)為泥炭土<沼澤土<草甸土<風(fēng)沙土，隨著土層深度的增加呈逐漸增加趨勢。土壤滲透性能直接關(guān)系到地表徑流的產(chǎn)生、土壤侵蝕和化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移等過程，是評價土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)之一[24]。本研究中，不同土壤類型土壤入滲過程存在一定差異，入滲速率在開始階段陡降，隨著時間的推移，下降幅度逐漸減小，最后達(dá)到穩(wěn)滲。其中泥炭土達(dá)穩(wěn)定入滲的時間最長，達(dá)130 min；風(fēng)沙土達(dá)到穩(wěn)滲的時間最短，僅為80 min；沼澤土和草甸土達(dá)到穩(wěn)滲的時間大概為110 min。由此可見，4種土壤類型中，泥炭土能使土壤滲透性能得到明顯改善，延緩地表發(fā)生徑流的時間，降低土壤侵蝕發(fā)生的可能性；而相比之下，風(fēng)沙土則將加速地表徑流的形成，造成大量表層土壤被沖刷；而相對于風(fēng)沙土來說，泥炭土于土壤侵蝕的防治具有一定的積極效應(yīng)。

表6 主成分載荷矩陣

土壤入滲特征為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，不同土層土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均滲透率和滲透總量均隨著土層深度的增加而降低，不同土壤類型入滲特征差異較為明顯，其中泥炭土的入滲特征最好，可以有效地延緩地表徑流的產(chǎn)生，抑制土壤侵蝕，有利于水土保持。本試驗中采用的3種公式都能較好地模擬出降雨向土壤中入滲的過程，但從相關(guān)系數(shù)r的大小而論，考斯加可夫公式擬合效果較菲利普入滲公式和霍頓公式好，其相關(guān)系數(shù)都高于0.9；泥炭土穩(wěn)定滲率及入滲量都為最高，風(fēng)沙土最低。土壤入滲與土壤狀況相關(guān)，在本研究中土壤的入滲率與土壤容重、孔隙度及有機(jī)碳含量顯著相關(guān)。結(jié)合主成分方差貢獻(xiàn)率與影響因子負(fù)荷量絕對值大小，經(jīng)過分析影響入滲的3個主要因子是有機(jī)碳、含水量、毛管孔隙度、>5 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體。以往研究表明，土壤中砂粒含量越多，黏粒含量越低，越有利于水分的滲透[26]。土壤有機(jī)碳含量與土壤滲透性能呈正相關(guān)，且均達(dá)到顯著水平。土壤有機(jī)碳在礦化過程中能釋放大量營養(yǎng)物質(zhì)，對土壤水、氣、熱等各種肥力因素起著重要的調(diào)節(jié)作用，對土壤結(jié)構(gòu)形成也有很大影響[27-28]。有研究表明，有機(jī)碳含量較多的土壤，土壤團(tuán)聚體多，孔隙率大，連通性好，對其中運(yùn)動流體的阻力小，因而土壤水分流通量大，相應(yīng)的土壤入滲能力增強(qiáng)。因此，有機(jī)碳通過促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，間接影響土壤滲透性能[29]。土壤容重與土壤滲透性能呈負(fù)相關(guān)。土壤容重越大，土壤越緊實，孔性越差，滲透性能越弱；容重越小，土壤越松散，孔性越好，滲透性能越強(qiáng)[29-30]。非毛管孔隙度與土壤滲透性能呈正相關(guān)，且均達(dá)到顯著水平；而毛管孔隙度與土壤滲透性能呈負(fù)相關(guān)，總孔隙度與土壤滲透性能呈正相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平。綜合分析表明：若爾蓋濕地泥炭土于土壤侵蝕的防治具有一定的積極效應(yīng)。