湖南省衡山不同海拔高度土壤的入滲特征

劉 瑞， 夏衛生， 梁羽石， 童星星， 黃道友

(1.湖南師范大學 資源與環境科學學院, 湖南 長沙 410081; 2.中國科學院 亞熱帶農業生態研究所, 湖南 長沙 410125)

山地土壤入滲性能研究是評價植被涵養水源和保持水土功能的基礎，探究山坡林地土壤水分入滲規律對了解土壤侵蝕防治、林地地表徑流流產調洪和土壤蓄水機制具有重要意義。森林土壤水庫具有不占地、不垮壩、不怕淤、不耗能、不需要特殊地形、庫容大、下泄快等優點[1-2]。研究山坡林地的入滲性能有利于深入了解森林水庫的土壤蓄水能力，以及調蓄徑流、削洪補枯的運行機制，能為改善和充分調用森林土壤水庫，提高森林保水保土和防洪減災能力提供科學依據。其中土壤水分入滲過程和滲透能力決定了降水過程的水分再分配中滲入土壤中的水量，進而影響了土壤的蓄水能力及容量，因此土壤入滲率既是評價土壤調節水分和涵養水源的重要指標，也是影響地表徑流和土壤侵蝕的重要因素。土壤入滲是一個非常復雜的過程，其性能受土壤初始含水率、有機質、團聚體等土壤理化性質影響較大[3-4]，且在不同海拔高度存在較大差異。目前國內外已有諸多學者致力于土壤入滲性能的研究，也有很多研究和測量土壤入滲的方法，如點源入滲法[5]、雙環法[6-8]、單環法[9]、人工模擬降雨法[10-11]、填裝土柱法[12-15]等。李卓[16]等通過人工改變土壤顆粒級配設置不同容重土柱測量入滲率，結果表明容重對土壤入滲能力有較大影響。劉目興[17]等在三峽山地測量利用盤式張力入滲儀測量土壤入滲率，其結果表明不同垂直帶在土壤入滲性能上存在一定差異。莫斌[18]等人在紫色土坡耕地運用點源入滲法、雙環法、環刀法對入滲性能進行對比試驗，其結果證明了點源入滲法在當地有較好的應用性。在以往的研究中，大多數對試驗點的土壤層造成嚴重破壞或者直接利用填裝土柱進行室內試驗，很少能夠對整個山體不同海拔高度區域的入滲速率的進行探索。衡山作為中亞熱帶最具代表性的山地，1 000 m以下為濕潤富鐵土，1 000 m以上為常濕淋溶土[19]，土壤垂直帶譜明顯，對衡山的入滲性能進行研究對中亞熱帶山坡林地有重要指導意義，但在衡山上的入滲研究較少。研究擬以點源入滲法測量土壤入滲性能，此法對試驗點土壤層不會造成嚴重的破壞，且經過改良后的點源入滲法測定土壤入滲率與雙環法相比有精確度高、省時和省水的優點，更加適合野外山坡林地的測量[20]。在衡山選取不同海拔高度區域的9個試驗點測量各試驗點的入滲性能，利用入滲公式擬合實測結果，確定適用于衡山的最優入滲公式，探究衡山不同海拔區域土壤入滲性能特征及其影響因素，為山體大尺度上入滲性能研究提供新思路和新方法。

1 研究區與材料方法

1.1 研究區概況

南岳衡山自然保護區(27°2′—27°22′N,112°32′—112°58′E)位于湖南中部，湘江谷地，屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，其山麓海拔82 m，最高峰祝融峰1 300 m，相對海拔1 200 m。由于海拔高低相差大，垂直地帶性明顯，其地帶性土壤為紅壤，因受自然因素與人類活動等影響，土壤類型明顯增多，從山麓到山頂土壤的分布規律為紅壤—黃紅壤—黃棕壤。

1.2 材料與方法

試驗采用點源入滲測量儀測定衡山不同海拔高度土壤入滲性能。點源入滲測量儀由恒定供水裝置、攝像裝置和計算機系統三部分組成，恒定供水裝置是由轉速控制器、導管和盛水器組成。用一根橡皮導管連接盛水器和轉速控制器，調節轉速控制器的轉速，使得控制器推動導管引出盛水器中的水。其水流流量可以根據轉速計算得出：

(1)

式中：q——供水流量(ml/h)；v——轉速(r/min)。

本次試驗供水流量條件為模擬大雨情況(雨強2.4 mm/h)，設定供水裝置轉速25 r/min，水流流量為863.5 ml/h，拍照時間為5 min一幀，共9幀45 min。選取不同海拔高度的9個試驗點進行的入滲性能測量試驗。在試驗點附近采集地表10 cm土壤帶回實驗室分析土壤理化性質。使用環刀法測量容重和含水率[21-22]，密度計法測量土壤機械組成[23]。使用重鉻酸鉀氧化法測量土壤有機質含量[24]，運用濕篩法測量水穩性團聚體，用GPS確定各試驗點海拔和經緯度，其地理范圍為27°15′36″—27°17′34″N，112°40′48″—112°43′15″E，各試驗點土壤理化參數詳見表1。

表1 研究區各試驗點土壤理化參數

1.3 數據處理

因不同海拔高度土壤理化性質存在一定差異，為探究影響衡山土壤入滲性能與土壤理化性質之間的相關性，擬采用SPSS軟件將不同海拔高度土壤的理化性質與各個試驗點入滲率進行相關性分析。同時為探究不同海拔高度上入滲性能的差異，將9個試驗點依據其海拔分為山麓(200～600 m)、山腰(600～1 000 m)、山頂(1 000～1 240 m)。用SPSS進行入滲模型擬合。3種常見的土壤水分入滲模型如下。

(1) Kostiakov模型。

f(t)=at-b

(2)

式中：f(t)——入滲速率(mm/min)；t——入滲歷時(min)；a，b——擬合參數。

(2) Philip模型。

f(t)=0.5St-0.5+A

(3)

式中：A——穩滲率(mm /min)；S——土壤吸水率。

(3) Horton模型。

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

(4)

式中：fc——穩定入滲率(mm/min)；f0——初始入滲率(mm/min)；k——常數。

2 結果分析

2.1 衡山土壤入滲性能特征分析

土壤入滲過程是供給水在重力勢的作用下由地表向土壤轉化的連續性過程，對其進行探討有助于正確認識土壤入滲的本質，也是充分評價其入滲性能的先決條件。不同海拔高度區域土壤源于周圍環境因子影響致使土壤內部構造存在較大差異，因而影響土壤入滲過程，導致入滲性能存在一定差異。初始入滲率、穩定入滲率、平均入滲率和累積入滲量是評價土壤入滲中最常用的指標[25]。以試驗開始后的第5 min時的入滲率為初始入滲率，穩定入滲率為土壤入滲達到穩定值時的入滲率。累積入滲量取第5～45 min的滲透總量，平均入滲率為第5～45 min的平均入滲率。總體來看，各試驗點的入滲速率變化明顯，且不同海拔高度區域的入滲率差異顯著，但入滲過程有相同的規律。從表2可以看出，在各試驗點中，初始入滲率最大值為45.2 mm/h，最小值為9 mm/h，穩定入滲率最大為14.3 mm/h，最小為3.1 mm/h，從入滲開始到穩定入滲減小了50%～86%，表現出初始入滲率>平均入滲率>穩定入滲率的特征。選取祝融峰、西嶺和忠烈祠作為山頂、山腰和山麓的代表點位描述不同海拔區域入滲速率變化過程(圖1)。從入滲率大小來看，表現為：山頂>山腰>山麓(表3)，穩定入滲率隨海拔上升逐漸增大；從其變化趨勢來看：土壤入滲過程在前10 min入滲率均呈快速減小的趨勢，10～30 min呈現出緩慢減小的趨勢，最終在30 min后基本趨于穩定，這是因為在入滲開始階段，野外土壤處于非飽和狀態，含水量未達到最大值，當水供應到土壤表面時依靠重力勢很快進入土壤孔隙中，此階段入滲速率較大，隨著入滲的推進，孔隙被水分填充，導致土壤入滲率迅速減小，當土壤含水量達到最大后含水量不再增加，入滲水流呈飽和穩定流，入滲率趨于穩定。與前人的研究結論一致[26]。因此，在運用點源入滲法測量山地入滲一般只需要30 min左右就能測量其完整的入滲變化過程，較其他方法更加省時。

表2 研究區各試驗點土壤入滲性能指標

圖1 研究區不同海拔土壤入滲過程曲線

表3 研究區不同海拔土壤性質對比

2.2 衡山土壤入滲影響因素分析

土壤入滲性能受容重、質地、水穩性團聚體和有機質含量等土壤理化性質影響較大[27]。在不同海拔高度區域的土壤質地、容重、有機質含量、>0.25 mm水穩定團聚等理化性質有較大差異。土壤質地通常由黏粒、粉粒、砂粒的百分比來表征，不同質地的土壤由于各種礦物顆粒所占比例不同和粗細狀況不同，使得土壤保水、透水性能差異很大。將各試驗點土壤理化性質與其入滲性能用SPSS軟件分析得到其相關性，結果詳見表4。

表4 研究區土壤性質相關性分析

注：*表示在0.05水平相關性顯著；**表示在0.01水平相關性顯著。

由表4可知，不同海拔高度區域土壤入滲性能與其土壤理化性質相關性系數差異較大，因此其影響權重有較大差異，初始入滲率與海拔高度、>0.25 mm水穩性團聚體、土壤容重、有機質含量、初始含水量、土壤質地存在相關性，但相關性較低。穩定入滲率與海拔高度、>0.25 mm水穩性團聚體、有機質含量、含水量和土壤粉粒和黏粒含量呈正相關，其中與海拔高度顯著正相關，穩定入滲率隨海拔升高而增大。此外穩定入滲率還與>0.25 mm水穩定團聚體呈極顯著正相關關系，其原因在于>0.25 mm水穩性團聚體在土壤中能夠形成良好的結構，使土壤表面更加疏松，更有利于水分入滲，其團粒結構不僅在能土壤內形成大量的孔隙，使土壤通氣透水性得到有效的改善，還能增強土壤結構的穩定性，防止土壤結皮進而影響水分入滲[28-30]。而>0.25 mm水穩性團聚體與有機質和黏粒含量呈正相關，這是因為有機質在團聚體形成過程發揮著膠結劑的重要作用，黏粒則由于粒徑較小更加容易被吸附。試驗點土壤砂粒含量較高，砂粒平均含量為59.36%，其中山麓平均砂粒含量為67.24%；山腰為61.61%，山頂為49.21%。山麓、山腰和山頂土壤容重分別為1.28，1.25和0.9 g/cm3，其原因在于隨著海拔上升，有機質含量逐漸增多，砂粒含量逐漸減少，粉粒和黏粒含量增加，導致土壤容重有逐漸減小的趨勢[31,33-34]，而土壤容重越大，土壤孔隙度越小，滲透能力越弱；容重越小，土壤孔隙度越大，土壤入滲速率越大[32,35]，可見，土壤水分入滲是一個由多個因素共同影響的復雜過程。在衡山入滲試驗中，穩定入滲率受>0.25 mm水穩性團聚體和海拔高度因素影響較大，而受有機質、土壤容重和質地影響較小。

2.3 土壤入滲過程模擬及其參數分析

不同的入滲公式有不同的側重點，選擇最適用于研究區的入滲公式是了解當地入滲過程的基礎[40]。選取Kostiakov入滲模型[41]、Philip模型[42]和Horton入滲模型[43]，通過對比選擇合適的模型參數反映土壤入滲的特征(表5)。

(1) Kostiakov模型。Kostiakov入滲模型中的參數a代表第一個時間段內平均入滲速率，a值的大小與初始入滲速率呈正比，其擬合結果與實測初始入滲率的大小順序一致，說明擬合與實測偏差較小；b值為經驗入滲指數，反映了入滲能力衰減速度，b值的大小與入滲能力衰減速度成正比，其均值表現為：山麓>山頂>山腰，山麓比山頂和山腰能更快的達到穩定入滲狀態。盡管Kostiakov模型是經驗模型，但使用該公式較簡便而且較為準確。

(2) Philip模型。Philip模型中，參數S是反映土壤入滲能力大小的指標，S值越大，入滲能力越強。S的平均值最大值在山頂(85.92)。表明山頂入滲性能最好。A表示的穩定入滲率，擬合結果均為負數，使其物理意義不明確，所以認為Philip模型描述該區域土壤入滲特征有一定局限性。

(3) Horton模型。Horton模型擬合中，參數f0代表的初始入滲率，模型擬合反映的情況與實測值有一定差異，參數fc代表穩定入滲率，均值表現為山頂>山腰>山麓，與實測值大小順序一致，反映出不同海拔區域的穩定入滲率的分布特征；常數k決定著入滲率減小的速度，k值越大，越快達到穩定入滲狀態，其均值表現為：山麓>山頂>山腰，與上述Kostiakov模型反映的規律一致。從各參數代表的物理含義上來看，Horton模型反映了衡山不同海拔區域土壤的入滲性能特征，穩定入滲率大小順序為：山頂>山腰>山麓。

由表5和上述分析可知，各模型在試驗點的決定系數R2均高于0.95，均能較好模擬出水分向土壤中入滲的過程，除Philip模型難以適用于衡山外，采用的另外兩個模型都適用于衡山土壤入滲。其中Kostiakov模型反映入滲速率的衰減速率，Horton模型則能夠較好的反映出衡山土壤入滲性能大小的分布特征。從相關系數R2的大小而論，Kostiakov模型擬合結果相關系數R2均平均值較大(0.995)，而Horton模型較小(0.992)。所以認為Kostiakov公式模型擬合效果最好，Horton模型較差。因此認為在衡山入滲過程的模擬中Kostiakov模型中最為適用，說明點源入滲法在山坡林地有較好的適用性。

表5 研究區不同入滲公式模擬比較

注：R2代表模型決定系數；a，b為Kostiakov模型的參數；S，A為Philip模型的參數；f0，fc，k為Horton模型的參數。

3 討 論

通過在衡山選取的9處試驗點進行點源入滲性能測量試驗，結果顯示穩定入滲率在整個衡山范圍內隨海拔升高而逐漸增大。已有研究[36-39]表明在一定海拔范圍內，土壤容重、有機質含量、土壤各粒級含量有隨海拔變化的趨勢，如劉目興[17]在三峽山地區域的研究結果表明土壤容重和砂粒含量隨海拔上升逐漸減小、有機質含量隨海拔上升逐漸增加，且入滲率也隨海拔上升有增大的趨勢。但也有學者有不同的結論，如李志等[44]對同處亞熱帶地區的武功山進行土壤入滲性能研究，其穩定入滲率有隨海拔升高逐漸先減小趨勢，兩者趨勢不同的原因可能在于： ①武功山試驗點選擇了人為干擾和旅游開發強度大的區域，游人踩踏行為較多，致使土壤致密性增加，降低了土壤孔隙度，土壤容重也會隨之增大，進而影響土壤入滲性能；而衡山的試驗點選擇在人為干擾較少且自然狀態下較為平坦的區域作為試驗點，且為了保持下墊面一致，試驗開始前清理了地表的覆蓋物，鏟平了突出的土堆和石塊以及一部分雜草，從而減少了人為外界干擾的影響和坡度的影響； ②武功山試驗點選擇在海拔1 600 m以上山地草甸區域，土壤類型為亞熱帶山地草甸土壤，而衡山試驗點選擇在1 300 m以下的山地林地區域，土壤為亞熱帶山地紅黃壤，兩種土壤物理性質差異較大。其中武功山高海拔草甸地區在降雨作用下，表層土壤極易侵蝕，造成土壤質地變化和結構改變，影響了土壤入滲性能。衡山試驗點則處于森林區域，根據高冠民[47]等人的研究表明衡山土壤較為深厚，成土母質以花崗巖為主，有機質含量隨海拔上升有一定增加的趨勢，其原因在于隨海拔上升溫度降低，微生物活性減弱，減少了對有機質的消耗，促進了有機質的積累。土壤中存在較多的植物根系，表明各類植物豐富，植被覆蓋率高，土壤侵蝕較少。質地主要為壤土，土壤結構為團粒結構，通氣透水性良好。這是由于在植物生長過程中地下根系在土體中交錯、穿插，既能固持土壤，同時也對巖石有破碎作用，使得土壤土質較為疏松，顯著改善了土壤質地和結構等理化參數，還有可能產生土壤優先流現象進而影響土壤入滲性能。

在衡山的入滲試驗中主要考慮了土壤物理性質指標的影響，其中有機質含量與土壤黏粒含量促進了水穩性團聚體的形成，而水穩性團聚體的形成有效改善了土壤結構，使土壤具有良好的通氣透水性能，進而影響土壤水分入滲。但是在前人研究中指出影響入滲性能的因素眾多，有研究表明穩定入滲率與速效鉀等土壤速效養分含量[44]、坡位和坡向[47]具有相關性。因此要全面探索土壤入滲性能影響因素仍需更加深入的研究。

4 結 論

(1) 衡山上測定各試驗點的土壤入滲率性能和入滲過程呈現一定的規律，入滲性能的大小特征表現為穩定入滲率隨海拔上升逐漸增大，入滲過程特征表現為初始入滲率很大，隨著入滲過程的推進，入滲率迅速減小，最終達到穩定入滲，前10 min入滲呈快速減小的趨勢，在10～30 min呈現緩慢減小的趨勢，30 min以后入滲率趨于穩定狀態，證明了點源入滲法能在短時間內準確測量比較完整入滲速率變化過程，比其他測量方法更快捷方便。

(2) 土壤水分入滲過程十分復雜，且土壤容重、土壤質地、有機質等因素之間還存在相互作用，在相關性分析中，既驗證了穩定入滲率隨海拔增加而增大的特征，還表明了穩定入滲率與>0.25 mm水穩性團聚體呈極顯著正相關關系；與土壤容重呈負相關關系，但相關性并不顯著。而有機質、土壤質地通過影響水穩性團聚體的形成，間接對土壤入滲性能產生影響。

(3) 通過擬合結果可以看出各入滲模型擬合結果相關系數均大于0.95，都能較好地對衡山各試驗點入滲速率進行擬合計算。其中Philip模型由于參數A表征的穩定入滲率均為負數，使其物理意義不明確，表明Philip模型在衡山土壤入滲率擬合中有一定的局限性；Horton模型能較好地反映衡山土壤入滲性能隨海拔變化的特征，即山頂>山腰>山麓，穩定入滲率隨海拔增加而增大；Kostiakov模型能反映各試驗點的入滲率衰減特征，即山麓>山頂>山腰；而就R2而言，Kostiakov模型擬合結果相關系數高達0.995大于Horton模型公式(0.992)，所以認為Kostiakov模型的擬合精度要優于Horton模型，說明Kostiakov模型公式更加適用于描述衡山土壤水分入滲特征，也同時說明點源入滲法在測量山地入滲中是可行的。