潮河源頭不同水源涵養林的土壤飽和導水率

尹 釗, 公 博, 師 忱, 史常青

(北京林業大學水土保持學院，100083，北京)

土壤飽和導水率(saturated hydraulic conductivity，Ks)是土壤達到飽和時，單位水勢梯度下，通過單位面積土壤的水流通量或滲流速度[1]。它是表征土壤入滲能力的重要參數，反映土壤涵養水源和抗侵蝕能力的重要指標[2-3]，它不僅能反映地表積水或地表徑流在重力作用下的下滲狀況，還能反映多孔介質對水體流動過程中的阻礙作用[4-5]。土壤入滲能力與土壤理化性質、初始含水量、地形狀況以及下墊面因素有著密切的聯系，這種飽和水流在土壤中的運動能力往往制約地表徑流的產生和發展[6]。

目前，許多學者都對土壤飽和導水率的影響因素和空間變異性做了大量的研究[7-9]。甘淼等[10]認為黃土區坡溝系統密度和土壤飽和導水率呈極顯著負相關關系。孟晨等[11]研究并分析了鷲峰地區不同植被群落間土壤飽和導水率的特征。遲春明等[12]研究認為土壤飽和導水率與有機質含量極顯著負相關，與砂粒和粉粒含量分別呈極顯著正相關和負相關。王子龍等[13]研究認為退耕草地土壤飽和導水率的影響因素主要有有機質含量、毛管孔隙度、總孔隙度、土壤密度和土壤機械組成等。梁向峰等[14]認為子午嶺林區土壤飽和導水率的主要影響因素是土壤密度、毛管孔隙度、>0.25 mm團聚體含量和黏粒質量分數。于冬雪等[15]認為影響黃土區20～40 cm土壤飽和導水率的主要因素是土壤黏粒含量、砂粒含量、密度、飽和含水量和土地利用。一些非飽和導水率的推測模型也需要事先測定飽和導水率進行相關研究[16-18]。這些研究分析了不同地區土壤飽和導水率的影響因素，或僅通過相關分析得出土壤飽和導水率與土壤理化性質的簡單關系，很少研究影響飽和導水率的主導因素。本試驗選取土壤密度、有機質、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤機械組成(黏粒、粉粒、砂粒)等7個土壤理化指標作為分析對象，綜合分析土壤飽和導水率的影響因素，篩選影響本地區土壤飽和導水率的主導因子，揭示水源涵養林不同林分類型對土壤飽和導水率的影響規律。

密云水庫是首都北京最大的飲用水源供應地，而潮河是密云水庫的兩大入庫河流之一，但近些年來，潮河上游水源地多次出現斷流現象。潮河發源于河北省豐寧縣境內，經灤平、古北口入北京市密云縣境，匯入密云水庫。為了增強潮河源頭的水源涵養能力，近幾年在豐寧縣境內實施了大量植樹造林工程，旨在增強潮河源頭的水源涵養林能力，其中，京冀生態水源保護林工程是北京市、河北省政府為提高林地涵養水源能力，緩解首都水資源供需矛盾而啟動的建設合作項目。水源涵養林栽植的主要目的在于保持水土和涵養水源，促進地表降雨入滲進入土壤，從而增大土壤的儲水量，而土壤飽和導水率是進行地表徑流調節和水土流失防治工程設計的重要參數，能夠在一定程度上科學評價水源涵養林的造林成效。目前，對于潮河源頭天然林和人工林林地研究已經取得不少成果，但是還沒有當地典型人工林土壤飽和導水率的相關研究。筆者以豐寧縣境內潮河源頭的水源涵養林為研究對象，評價目前水源保護林的造林成效，研究分析不同水源涵養林的土壤飽和導水率特征以及影響土壤飽和導水率的主導因子，為深入研究該地區林地土壤水分運動規律提供依據，也為京冀生態水源保護林建設合作提供更多的技術支撐。

1 研究區概況

研究區位于河北省豐寧縣境內的潮河源頭(E 116°15′～116°48′，N 41°21′～41°31′)，屬于冀北山地地貌類型。該地全年日照時間為2 826 h，年平均氣溫在6.6～8 ℃之間，無霜期為110～142 d，年平均降水量350～550 mm。該地區成土母質以花崗巖、片麻巖和風積沙為主，主要土壤類型為褐土和棕壤土。研究區的喬木樹種主要有油松(Pinustabuliformis)、落葉松(Larixgmelinii)、側柏(Platycladusorientalis)；灌木物種主要有榛子(Corylusheterophylla)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)等；草本植物則以禾本科雜草為主。

2 研究方法

2.1 供試土壤與樣品采集

試驗于2018年7—10月完成。在保證所選樣地立地條件基本一致的前提下，選取試驗區5種生態水源保護林典型林分(油松×山杏混交林、側柏×山杏混交林、落葉松×油松混交林、油松純林、側柏純林)作為研究樣地，選取撂荒地為非林地對比。

在每種典型林地內布設20 m×20 m的標準樣地，在樣地內按照隨機分布和均勻布點的原則布設3個樣方進行植被調查和土壤采集，其中喬木樣方20 m×20 m，灌木樣方5 m×5 m，草本樣方1 m×1 m，樣地基本情況見表1。每個樣方的采樣深度分3層(0～20、20～40、40～60 cm),每層取土樣2～3 kg，同時采用100 cm3的環刀在每一層取3個樣品，本次試驗共采集原狀環刀土樣162個，環刀土樣帶回實驗室立即測定。采集的土樣在室內進行測定，土壤密度、孔隙度等用環刀法測定；土壤機械組成利用土壤粒徑分析儀測定砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)3個粒級的質量分數(%)[19]。土壤有機質采用重鉻酸鉀滴定法測定[20]。

表1 樣地基本情況

2.2 土壤飽和導水率測定

土壤飽和導水率采用定水頭法測定各土層的飽和導水率。定水頭法是在測定過程中維持進口端土層水頭不變的情況下測定土壤飽和導水率的方法[11]。

(1)

式中：Kt為溫度為t時的飽和導水率，mm/min；H為進口端水頭，cm；V為水分出水量，mL；T為水分出流時間，min；L為土柱長度，cm；A為土柱橫截面積，cm2。

由于溫度對飽和導水率有影響，所以必須通過計算進行校正，按式(1)換算成10 ℃時的飽和導水率[12]：

(2)

式中K10為溫度為10 ℃時的飽和導水率，mm/min。

數據采用(LSD)檢驗，大小寫字母分別表示差異達極顯著水平(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)。The data is checked by LSD. Upper and lower case letters indicate that the difference is extremely significant (P<0.01) and significant (P<0.05). 圖1 不同林分土壤飽和導水率特征Fig.1 Characteristics of soil saturated hydraulic conductivity in different forests

2.3 數據處理與分析

數據處理采用SPSS 20.0軟件通過單因素方差分析(One-way ANOVA)對不同水源林同一土層平均土壤飽和導水率進行顯著性檢驗，并在差異顯著性時進行多重比較(P<0.05，LSD，t檢驗)。利用Origin 9.0軟件對土壤飽和導水率與土壤理化性質之間進行回歸擬合；采用主成分分析法篩選影響土壤飽和導水率的主導因子。

3 結果與分析

3.1 不同水源林土壤飽和導水率差異

圖1是各林地、撂荒地不同土層深度的土壤飽和導水率，各林地土壤飽和導水率Ks隨著土壤深度的增加逐漸降低。0～20 cm土層的Ks是40～60 cm土層的2.4～4.3倍。在不同林地同一深度水平下，水源涵養林的Ks均大于撂荒地。其中，油松×山杏混交林、側柏×山杏混交林在0～20 cm土層的Ks分別達到1.808、1.715 mm/min，油松純林、側柏純林的Ks只有1.292、0.685 mm/min，表層土壤中Ks具體表現為針闊混交林>針葉混交林>針葉純林>撂荒地。在20～40 cm土層中，Ks的變化范圍為0.34～1.36 mm/min；在40～60 cm土層中，Ks的變化范圍為0.186～0.531 mm/min。不同林地平均Ks的大小為：油松×山杏混交林>側柏×山杏混交林>落葉松×油松混交林>油松純林>側柏純林>撂荒地。

各林分類型同一土層土壤飽和導水率之間的多重比較如圖1所示，可見在0～20 cm土層中，針闊混交林相對于針葉混交林、針葉純林呈極顯著差異，有林地相對于撂荒地之間呈極顯著差異；在20～40 cm土層中，側柏×山杏混交林相對與其他水源涵養林林分呈極顯著差異；在40～60 cm土層中，各水源林類型之間的差異并不顯著；在林地平均土壤飽和導水率中，林地相對于撂荒地的土壤飽和導水率呈顯著差異，針葉混交林相對于撂荒地呈極顯著差異，針闊混交林相對于其他林分類型呈極顯著差異。

3.2 土壤理化性質與飽和導水率之間的關系

土壤理化性質是土壤研究中非常重要的影響因素，不僅可以評價土壤質地的養分特征，還能夠對土壤飽和導水率產生影響。各林地和撂荒地的土壤理化性質見表2。從整體來看，各林分類型隨著土壤深度的增加，土壤密度逐漸增大。在所調查的林地和撂荒地中，土壤有機質質量分數隨著土壤深度的增加逐漸降低。油松×山杏混交林、側柏×山杏混交林的土壤毛管孔隙度在各林分類型中相對較高。油松×山杏混交林黏粒質量分數最高，撂荒地黏粒質量分數最低。表層土壤中砂粒較黏粒、粉粒質量分數高，隨著土層深度的增加，黏粒和粉粒質量分數逐漸增大。

表2 不同林地土壤理化性質特征

本試驗中7種土壤理化指標與Ks之間的關系如圖2所示，土壤密度與Ks呈指數函數遞減，決定系數為0.942；有機質質量分數與Ks呈線性正相關，決定系數為0.741；土壤總孔隙度與Ks呈冪函數遞增，決定系數為0.51；土壤毛管孔隙度與Ks呈冪函數關系遞增，決定系數為0.815；黏粒質量分數與Ks呈指數函數遞增，決定系數為0.877；粉粒質量分數與Ks呈冪函數遞增，決定系數為0.60；砂粒質量分數與飽和導水率呈冪函數遞增，決定系數為0.546。

3.3 影響土壤飽和導水率的主導因子分析

相關分析中各變量間表現較好的相關性是進行因子分析的前提。但是相關性分析不能完全反應各個因子之間的關系，而因子分析可以解釋原始變量之間的關系。

由表3可見，前3個主成分累計貢獻率已經達到88.83%，因此，可以綜合反映影響Ks的主導因子。其中，第1主成分特征值為3.878，對總方差的貢獻率為63.40%，即第1主成分可以解釋土壤理化性質對Ks的影響的63.40%的情況。在第1主成分中，土壤密度、毛管孔隙度和有機質負荷值明顯高于其他物理因子，說明這3種影響因子在第1主成分中占主要因素。第2主成分的特征值為2.041，方差的貢獻率為15.16%，黏粒質量分數的負荷值明顯高于其他物理因子，黏粒質量分數占主要因素。

圖2 土壤飽和導水率與土壤理化因子函數擬合Fig.2 Fitting of soil saturated hydraulic conductivity with soil physical and chemical factors

表3 土壤理化性質對飽和導水率影響的因子分析

第3主成分因子的特征值為0.929，方差貢獻率為10.27%，在第三主成分中總孔隙度、粉粒質量分數、砂粒質量分數所占負荷較高，由于方差累計貢獻率較低，所以對Ks的影響作用并不顯著。

4 討論

本試驗中，土壤密度與Ks呈冪函數關系，隨著土壤密度的增加，Ks率逐漸減小，這與梁向峰等[14]的研究結論一致，也有學者的研究表明Ks與密度呈顯著的一元二次多項式負相關關系[21]，土壤密度反映了土壤堅實度和孔隙度的大小，對土壤的通透性、滲透性、持水能力以及土壤的抗侵蝕能力都有非常大的影響[22]，土壤密度通過影響土壤的通透性間接影響土壤飽和導水率；土壤有機質含量與Ks呈線性相關，這與劉宇等[23]的研究結論相似，土壤有機質是土壤結構形成和穩定作用的核心物質，有機質對Ks的影響是通過改善土壤結構、膠體狀況進而起到調節水分的作用[24]；土壤毛管孔隙度也是影響Ks十分重要的一個物理量，水分通過土壤孔隙的過程中同時收到重力和毛管阻力的作用，當水分的重力大于毛管阻力時，水分會向土壤入滲，而土壤孔隙越大，土壤顆粒之間的接觸就越松散，土壤毛管阻力越小[25]，所以，土壤孔隙度越大，土壤的通透性越強，土壤飽和導水率就越大；土壤中的黏粒、粉粒和砂粒反映的是土壤質地狀況，土壤質地的變化速度較慢。試驗中，黏粒含量與Ks呈指數函數遞減，隨著黏粒含量的增加，土壤結構更加緊密，Ks逐漸降低，并且降低趨勢逐漸減小，這與姚淑霞等[26]的研究結論近似；土壤中砂粒和粉粒含量越高，土壤孔隙越大，越有利于水分的入滲，但是也會加快土壤水分的蒸發。

試驗中，土壤密度、毛管孔隙度、有機質和黏粒含量為影響該地區林地土壤飽和導水率的主導因素，這與劉宇等[23]研究影響晉西北丘陵區主要人工林土壤飽和導水率的主導因素近似。此外，還有一些學者得出不同結論，姚淑霞等[26]認為土壤硬度是影響科爾沁沙地土壤飽和導水率的主導因素，科爾沁沙地和北方林地的土壤理化性質差別較大，研究影響飽和導水率的因素也存在差異；孟晨等[11]在研究鷲峰地區不同植被群落土壤飽和導水率時發現土壤化學性質對土壤飽和導水率也有顯著影響，林分對土壤化學性質的影響需要較長時間才能顯現，考慮到研究地的林齡，沒有將土壤化學性質納入本次研究范疇。

在5種水源涵養林林分類型中，油松×山杏混交林林地土壤Ks最高，這是因為山杏作為當地主要造林樹種，滲透性好，涵養水源能力強，這與公博等[27]的研究結論一致。齊特等[28]在研究冀北地區林地水源涵養能力時認為山杏純林>油松×山杏混交林>油松純林，也在說明該地區山杏和油松具有較強的水源涵養能力。水源涵養能力的強弱可能與植被根系有關，山杏屬于深根性樹種，生長快，根系發達，而油松屬于淺根性樹種，該類型混交林在改善林地土壤的通透性方面具有最優效果。

5 結論

1)土壤理化性質中，土壤密度、有機質質量分數和毛管孔隙度是影響土壤飽和導水率最主要的因素，次重要因素是土壤黏粒含量，總孔隙度、粉粒含量和砂粒含量對土壤的影響不大。土壤飽和導水率與土壤密度、黏粒含量呈指數函數關系，與總孔隙度、毛管孔隙度、粉粒含量和砂粒含量呈冪函數關系，與有機質含量呈線性關系。

2)土壤飽和導水率隨著土層深度的增加而降低，林分對于表層土壤的改良效果要好于深層土壤。與撂荒地相比，各林分的栽植對土壤飽和導水率的提高有明顯促進作用，針闊混交林的提高作用大于針葉混交林，針葉混交林的提高作用大于針葉純林。

3)各林分土壤平均飽和導水率的大小為：油松×山杏混交林>側柏×山杏混交林>落葉松×油松混交林>油松純林>側柏純林>撂荒地。因此，為了恢復潮河源頭的生態系統，增加潮河的水流量，為密云水庫提供補給，今后京冀生態水源保護林工程建設中可優選針闊混交林配置類型，尤其是油松×山杏混交林。