黃河三角洲不同植被類型土壤水源涵養功能綜合評價

趙恩輝, 吳 磊, 趙生華

(1.唐山市水利規劃設計研究院, 河北 唐山 063000; 2.北京師范大學 水科學研究院, 北京 100875; 3.中國建筑股份有限公司, 北京 100029)

森林生態系統水源涵養功能的實質是林冠層、枯枝落葉層以及土壤層3個作用層對降水再分配的過程和能力,起到攔蓄降水、削減洪峰、調節徑流、凈化水質等作用,是森林生態系統的重要功能之一[1]。不同林分類型的林分組成、林冠結構、根系構型及其分布、生物學特性不同,其具有的水源涵養功能也有所差異[2]。土壤層是森林生態系統水源涵養功能的第三層,經地表徑流入滲到土壤中的水分,一部分用于水分蒸發和植被根系吸收,一部分則存儲在土壤中或以地下徑流形式匯入地下水,體現森林水源涵養功能[3]。相關研究表明,土壤層是森林生態系統水源涵養功能的主要載體,其調節能力占90%以上[4]。土壤層水源涵養功能主要體現在土壤的蓄水能力和滲透能力[5],是評價土壤水分調節能力和涵養水源的重要指標[6],對森林生態系統涵養水源、保持水土、調節水分具有重要意義。土壤是水分貯存的主要場所,其貯存量和貯存方式受土壤孔隙的數量、大小及分布特征的影響[7]。土壤滲透性是評價土壤水分調節能力和林分涵養水源的重要指標之一[6]。因此,研究土壤蓄水能力和滲透能力對森林生態系統水源涵養功能具有重要意義。黃河三角洲地區地處《黃河三角洲高效生態經濟區發展規劃》《山東半島藍色經濟區發展規劃》兩大國家戰略重疊地帶,地理位置優越,開發前景廣闊,土地資源豐富。然而,黃河三角洲生態環境脆弱,土壤鹽漬化區域分布廣泛,干旱脅迫嚴重,土地生產力差,植被恢復與生態重建受到限制。研究不同植被類型土壤物理性質和水源涵養功能的差異,有助于黃河三角洲土壤環境質量的改善和植被恢復重建。因此,本文以黃河三角洲刺槐、柳樹、白蠟為研究對象,以無林地為對照,對比分析不同植被類型0—30 cm土層土壤容重和孔隙度、持水能力、入滲性能的變化特征及其差異,綜合評價土壤水源涵養功能,以期為黃河三角洲植被恢復與重建、樹種選擇以及水源涵養林建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省東營市,屬黃河三角洲區域,大陸性季風氣候,年均降雨量550 mm,年均蒸發量1 800 mm,年均氣溫12.2℃,無霜期200 d。土壤主要由沖積性黃土母質發育而來,土壤質地以粉砂為主,地下水質礦化度較高,土壤鹽分主要為氯化鈉,其含鹽量0.7%左右,pH值8.7左右。研究區天然植被以蘆葦(Phragmitesaustralis)、茅草(Imperatacylindrica)、檉柳(Tamarixchinensis)等為主,人工林以刺槐(Robiniapseudoacacia)、白蠟(Fraxinuschinensis)、楊樹(Populuseuramericana)、柳樹(Salixpsammophila)等為主。

1.2 研究方法

在研究區選取刺槐、柳樹、白蠟、無林地(對照)為研究對象,3種植被類型均為人工林,林齡均為23 a,基本情況詳見表1。每種植被類型設置一個20 m×20 m樣地,每個樣地內布設3個1 m×1 m具有代表性的樣方,分別采集每個樣方0—10,10—20,20—30 cm土層范圍內的原狀土和松散土樣,用于測定土壤容重和孔隙度等土壤物理性質[8],并根據土壤孔隙度和土層深度相乘計算得到土壤持水量[9]。采用雙環入滲法測定不同植被類型土壤入滲性能。其中,雙環入滲儀的內環直徑為15 cm,外環直徑為30 cm,水頭高為5 cm。試驗結束后,整理分析并計算入滲特征指標,同時采用Horton模型〔f(t)=a+be-kt〕、通用經驗模型〔f(t)=a+bt-n〕、Kostiakov模型〔f(t)=at-b〕、Philip模型〔f(t)=st-0.5+a〕擬合各樣地土壤水分入滲過程[10]。

表1 研究區樣地基本情況Table 1 Basic information of sample plots in the research area

采用主成分分析方法評價黃河三角洲不同植被類型土壤水源涵養功能。主成分分析法的原理是從多個變量中提取出少量的、抽象的指標,通過篩選指標、無量綱化、確定相關性、獲取主成分等手段評價研究對象,也可通過SPSS軟件計算主成分得分,進而分析、評價各樣地水源涵養功能。本文選取土壤容重(C1)、最大持水量(C2)、毛管持水量(C3)、非毛管持水量(C4)、初始入滲率(C5)、穩定入滲率(C6)、平均入滲率(C7)作為評價指標,采用主成分分析法評價評價黃河三角洲不同植被類型土壤水源涵養功能。

2 結果與分析

2.1 土壤容重和孔隙度

土壤容重反映土壤結構和松緊程度的重要指標,其數值大小不僅直接影響土壤通氣能力和透水能力,還可以反映森林植被對土壤物理性質的改良效果,常用于評價森林土壤水源涵養功能的優劣[11-12]。由表2可知,隨著土層深度的增大,4個樣地土壤容重均呈現增大趨勢,且增加幅度有所不同,刺槐和柳樹表現為10—20 cm和20—30 cm土層顯著大于0—10 cm(p<0.05),而白蠟和對照樣地則表現為3個土層均差異顯著(p<0.05)。對比4個樣地可知,0—10,10—20,20—30,0—30 cm土層土壤容重均表現為差異顯著(p<0.05),且對照樣地顯著大于其他3個樣地(p<0.05);刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地0—30 cm土層土壤容重依次為1.28,1.33,1.39,1.44 g/cm3,相比于對照樣地,其他3個樣地土壤容重分別降低了11.11%,7.64%,3.47%,說明研究區采取植被恢復措施可以較好地改善土壤結構,調節土壤蓄水、透水能力,其中以刺槐的改良效果最佳。

表2 各樣地土壤容重和孔隙度Table 2 Soil bulk density and porosity with different sample plots

土壤孔隙度可以為植被提供水和空氣,由毛管孔隙度和非毛管孔隙度組成。毛管孔隙度是植被所能吸持的水分,用于植被自身的生長發育,反映了土壤蓄水能力;非毛管孔隙度則反映了土壤通氣透水的能力,主要表現在水源涵養和削減洪峰等方面[13-14]。由表2可知,土壤總孔隙度變化規律與土壤容重相反,表現為隨土層深度增大而減小,刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地0—30 cm土壤總孔隙度依次為51.75%,50.10%,48.08%,46.36%,且3個樣地顯著大于對照樣地(p<0.05)。隨著土層深度的增大,毛管孔隙度逐漸增大,且同一樣地不同土層存在差異;對于不同樣地而言,柳樹樣地各個土層毛管孔隙度均顯著大于其他樣地(p<0.05)。對比4個樣地0—30 cm土層毛管孔隙度可知,柳樹最大,刺槐和對照次之,白蠟最小,但4個樣地無顯著差異(p>0.05),說明柳樹樣地土壤有效水較高,有利于植被根系吸收水分。非毛管孔隙度隨土層深度的變化規律與總孔隙度相一致,0—10 cm土層最大,10—20 cm土層次之,20—30 cm土層最小,3個土層均差異顯著(p<0.05)。對比不同樣地非毛管孔隙度可知,各土層均表現為刺槐顯著大于其他樣地(p<0.05),對照顯著小于其他樣地(p<0.05),而0—30 cm土層則表現為無顯著差異(p>0.05),其數值大小表現為刺槐>白蠟>柳樹>對照,說明3種植被類型土壤通氣透水性能優于對照樣地。

2.2 土壤持水能力

土壤持水能力是評價土壤水源涵養功能的主要指標之一,受土壤孔隙狀況和土層深度共同決定[11]。由圖1可知,不同樣地最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量存在一定差異。隨著土層深度的增大,4個樣地土壤最大持水量均呈現減小趨勢,且減小幅度不同,刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地0—10 cm土層土壤最大持水量依次為528.13,514.93,499.54,483.04 t/hm2,20—30 cm土層則分別減小為509.44,490.74,462.14,443.45 t/hm2。毛管持水量的變化規律與最大持水量有所不同,反映了不同植被類型在供給植物水分及其利用效率等方面存在差異,表現為隨著土層深度的增大而增加;同時,毛管持水量與最大持水量的比值也具有一致的變化規律,這有利于植被對土壤水分的吸收與利用;刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地毛管持水量與最大持水量的比值依次為0.72～0.80,0.76～0.88,0.74～0.87,0.77～0.93,其變化幅度較大,說明不同樣地的供水能力差異較大,其中以對照樣地波動幅度最大,柳樹和白蠟次之,刺槐最小。

圖1 各樣地土壤持水量Fig. 1 Soil moisture capacity with different sample plots

非毛管持水量的變化規律與最大持水量相一致,刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地0—10 cm土層土壤非毛管持水量依次為149.57,122.30,131.37,113.34 t/hm2,20—30 cm土層則分別減小為99.97,61.14,60.88,29.88 t/hm2。4個樣地0—10 cm土層土壤非毛管持水量顯著大于10—20 cm和20—30 cm土層(p<0.05),這與枯落物分解、植物根系、土壤團粒結構、微生物活動強度等有關,不僅說明0—10 cm土層水源涵養功能最強,而且還反映了不同植被類型水源涵養能力主要取決于表層土壤。刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地0—30 cm土層土壤最大持水量依次為517.50,501.00,480.87,463.61 t/hm2,4個樣地均差異顯著(p<0.05);毛管持水量依次為395.39,409.06,385.23,391.22 t/hm2,非毛管持水量依次為122.11,91.95,95.61,72.39 t/hm2,4個樣地無顯著差異(p>0.05)。與對照樣地相比,刺槐、柳樹、白蠟土壤最大持水量分別提高11.62%,8.07%,3.72%,土壤毛管持水量分別提高1.07%,4.56%,-1.53%,土壤非毛管持水量分別提高68.69%,27.02%,32.08%,說明采取植樹造林措施后,土壤水源涵養功能得到有效提升,其中非毛管持水量的增加幅度最大,且以刺槐效果最佳。

2.3 土壤入滲性能

2.3.1 土壤入滲過程 土壤入滲性能是反映土壤涵養水源功能的重要指標[6]。由圖2可知,隨著入滲時間的增加,入滲速率逐漸減小,最終趨于穩定,但4個樣地入滲過程的衰減程度不同。刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地初始入滲率依次為12.50,8.85,11.55,6.25 mm/min,隨后入滲速率降低,且10 min內下降幅度較大,10 min入滲率依次為7.21,5.89,7.56,4.01 mm/min,與初始入滲率相比分別降低了42.32%,33.45%,34.55%,35.84%,其中以刺槐林地下降最為明顯,尤其是0～6 min內。10～40 min內,刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地入滲率由7.21,5.89,7.56,4.01 mm/min分別下降至5.12,3.24,4.52,1.25 mm/min,下降幅度依次為28.99%,44.99%,40.21%,68.83%,對照樣地下降幅度最大。刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地平均入滲率依次為6.52,4.70,6.50,2.73 mm/min。各個樣地在60 min左右達到穩定入滲階段,刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地穩定入滲率依次為4.91,2.89,4.05,1.02 mm/min,表現為刺槐>白蠟>柳樹>對照,與對照相比分別提高381.37%,183.33%,297.06%,說明采取造林措施可以有效提高土壤入滲性能。從入滲性能可以看出,刺槐林地土壤初始入滲率、穩定入滲率、平均入滲率最高,說明土壤入滲性能最好;白蠟和柳樹土壤滲透性能次之,對照土壤滲透性能最差。對比4個樣地可知,刺槐、柳樹、白蠟3個樣地植物根系發達,地表存在一定厚度的枯落物,土壤有機質含量高、土壤結構較好、非毛管孔隙度較高,這都會對土壤入滲過程產生一定影響。

圖2 各樣地土壤水分入滲過程和指標Fig. 2 Process and indicators of soil water infiltration with different sample plots

2.3.2 土壤入滲模型 采用Horton模型、通用經驗模型、Kostiakov模型、Philip模型4種入滲模型對土壤入滲過程進行優化擬合,其回歸結果見表3。Horton模型的決定系數R2為0.957～0.995,平均值為0.975;通用經驗模型的決定系數R2為0.968～0.978,平均值為0.973;Kostiakov模型的決定系數R2為0.910～0.978,平均值為0.956;Philip模型的決定系數R2為0.910～0.992,平均值為0.946。4個入滲模型的擬合優度表現為Horton模型>通用經驗模型>Kostiakov模型>Philip模型,說明Horton模型適用性最好,通用經驗模型和Kostiakov模型次之,Philip模型最差。Horton模型和通用經驗模型為經驗性模型,其參數因子較多、且3個參數因子有實測數據[15],能更好地模擬研究區土壤入滲過程,這也解釋了這兩個模型擬合優度較高的原因。從模型形式上,Horton模型和通用經驗模型增加了參數因子a的限定,以反映無限長時在重力作用下達到了穩定入滲[11],進而增強模型的擬合優度。Horton模型模型參數因子a數值大小表現為刺槐>白蠟>柳樹>對照,這與穩定入滲率的變化規律相一致,且數值上較為接近。參數因子k反映了土壤入滲的衰減速度,數值越大,其衰減速度越快。4個樣地k值表現為刺槐>白蠟>對照>柳樹,說明刺槐林地土壤入滲可以更早進入穩定階段,這與該樣地土壤結構特征、植被恢復等有關。對于通用經驗模型,刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地的參數因子a依次為3.761,0.615,2.274,0.203,這與4個樣地穩定入滲率的變化規律相一致,但其數值偏低。參數因子n也可以反映土壤入滲的衰減速度,刺槐林地參數因子n最大,為0.606,這與Horton模型擬合結果相一致。Kostiakov模型為經驗性模型,沒有明確物理基礎,能夠獲得準確的入滲過程。由該模型可知,當入滲時間為0時,入滲率為∞;當入滲時間為∞時,入滲率為0。表明該模型在短時間范圍內具有一定的適用性,但對于長時間入滲過程,該模型具有一定的局限性。Kostiakov模型有兩個參數因子[16],a為經驗入滲系數,反映了初始入滲速率,其數值大小表現為刺槐>白蠟>柳樹>對照,這與初始入滲率的變化規律相一致;b為經驗入滲指數,反映了土壤入滲的衰減程度,其數值大小表現為對照>柳樹>白蠟>刺槐。Philip模型是半經驗半理論模型,具有明確的物理意義,且公式形式簡單,僅有兩個參數因子[17];但該模型具有局限性,模型中冪指數為-0.5,是一個固定的常數[12],導致模型擬合受土壤物理性質的影響較大,尤其是土壤含水率,進而降低模型擬合優度,這也解釋其擬合效果較差的原因。

表3 各樣地土壤入滲模型擬合參數Table 3 Fitting parameters of soil infiltration models with different sample plots

2.4 土壤水源涵養功能評價

由表4可知,主成分分析可將7個評價指標通過降維處理后得到兩個主成分(F1,F2),其特征根和貢獻率分別為4.487,2.506和64.096%,35.800%,累計貢獻率高達99.896%,說明這兩個主成分可以較好地解釋總方差,信息損失量非常少;兩個主成分的特征根均大于1,說明這兩個主成分合理有效,可以用于評價不同植被類型土壤水源涵養功能。兩個主成分的影響程度為主成分1>主成分2,其中主成分1幾乎全部評價指標都可以反映變異信息,主成分2中毛管持水量、初始入滲率、穩定入滲率、平均入滲率可以較好地反映變異信息,占主導地位。

表4 不同植被類型土壤水源涵養功能評價總方差Table 4 Total variance of soil water conservation function evaluation with different vegetation types

表5為未旋轉的主成分矩陣,主成分1各評價指標數值為0.535～0.953(絕對值),主成分2各評價指標數值為0.302～0.845(絕對值);將表中各評價指標數值與對應主成分特征根的算術平方根相除,即可得到兩個主成分各評價指標的特征向量,從而確定兩個主成分表達式。

表5 水源涵養功能評價未旋轉的主成分矩陣Table 5 Unrotated principal component matrix for evaluation of water source conservation function

兩個主成分表達式為:

F1=-0.450C1+0.450C2-0.394C3+0.419C4+

0.306C5+0.326C6+0.252C7

(1)

F2=0.191C1-0.191C2+0.348C3-0.290C4+

0.479C5+0.455C6+0.534C7

(2)

表6為不同植被類型土壤水源涵養功能主成分得分和綜合排序。由表6可知,4個樣地主成分1得分大小依次為刺槐>柳樹>白蠟>對照,刺槐最高,為3.149。因此,根據主成分1的計算結果,研究區刺槐林地水源涵養功能最佳。4個樣地主成分2得分大小依次為白蠟>刺槐>柳樹>對照,白蠟最高,為2.005。因此,根據主成分2的計算結果,研究區白蠟林地水源涵養功能最佳。造成兩個主成分水源涵養功能排序差異的主要原因是兩個主成分主導地位的評價指標不同,主成分1側重于土壤容重和持水能力等土壤物理性質,而主成分2則側重于土壤入滲指標。由綜合得分及排序可知,刺槐、柳樹、白蠟、對照綜合得分依次為2.010,-0.459,-0.050,-1.501,其排序為刺槐>白蠟>柳樹>對照。無論是主成分得分還是綜合得分,對照水源涵養功能均最差,刺槐、柳樹、白蠟的水源涵養功能均優于對照樣地,說明黃河三角洲采取植樹造林措施后,土壤結構、持水能力、滲透性能均有所改善,從綜合評價結果來看,刺槐林最好,白蠟林次之,柳樹林最差。因此,從蓄水保土、涵養水源角度,可在研究區及與其生境類似的區域優先考慮刺槐樹種。

表6 主成分得分和綜合排序Table 6 Principal component score and comprehensive sorting

3 討 論

3.1 植被類型對土壤孔隙結構的影響

黃河三角洲地區地下水礦化度較高,土壤質地以粉砂和細砂為主,土壤鹽漬化普遍存在,已嚴重限制區域生態系統可持續發展[18],在該區域開展生態環境保護可為黃河流域高質量發展提供科技支撐[19]。植被恢復措施可以有效地改善區域生態環境和土壤質量,是鹽堿地綠色改良的主要生態修復措施[20]。劉艷麗等[21]研究認為植被恢復措施可以降低黃河三角洲鹽堿地土壤容重,增加土壤孔隙度、土壤團聚體穩定性、持水能力、土壤有機碳等土壤理化指標。從本研究上看,與對照相比,刺槐、柳樹、白蠟0—30 cm土層土壤容重分別降低了11.11%,7.64%,3.47%,土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度分別是對照樣地的1.04～1.12,0.98～1.05,1.27～1.69倍,呈顯著性增加或減小(p<0.05),其持水能力也表現為有林地顯著大于對照(p<0.05),這與趙振磊等[22]研究的不同刺槐混交林地對鹽堿地土壤持水能力的研究結果相一致。

3.2 植被類型對土壤入滲特征的影響

相關研究表明,不同植被類型對黃河三角洲灘地土壤入滲性能的改善效應不同,不僅與植被類型、根系分布特征有關,而且還與植被措施對土壤結構的改良效果有關[23]。許景偉等[24]通過不同林分類型土壤入滲性能研究表明,有林地土壤穩定入滲率是無林地的2.3～4.3倍,表明不同林地均具有提高土壤入滲性能的效應。本研究結果表明,對照樣地土壤穩定入滲速率為1.02 mm/min,3種植被類型土壤穩定入滲速率表現為刺槐>白蠟>柳樹,分別是對照的4.81,3.97,2.83倍,說明植被措施可以顯著提高土壤入滲性能,且提升效果優于許景偉等[24]研究結果。這是由于土壤入滲特性具有明顯的地區域性,不僅與研究區域的土壤質地、孔隙結構、水分含量有關,而且還與土地利用類型、林分組成、林齡、根系分布特征以及植被措施對土壤性質的改良效應等關系密切。

3.3 研究展望

黃河三角洲土壤鹽漬化嚴重、土壤貧瘠,嚴重限制了植被的生長發育和分布格局[25]。采取造林措施后,灘地土壤結構和性質發生改變,進而引起土壤持水能力和入滲性能的變化。本研究結果表明刺槐林地在水源涵養功能方面具有較好的改良效果,且該樹種是黃河三角洲鹽堿地的主要防護林樹種,但由于林地蒸降比較大、淡水資源缺乏及土壤鹽堿化,刺槐林已呈現退化現象,固氮作用和改良土壤效應在逐漸減弱[26],作為主要樹種的弊端也逐漸呈現出來;同時,本文僅研究刺槐、白蠟、柳樹3種單一樹種的土壤水源涵養功能,其林分結構單一且生態系統穩定性較差。因此,今后應加強黃河三角洲不同林分組成、不同林齡、不同造林模式等混合林地水源涵養功能、土壤養分以及土壤酶活性等方面研究。

4 結 論

(1) 隨著土層深度的增大,4個樣地土壤容重均顯著增大,土壤總孔隙度顯著降低。與對照樣地相比,刺槐、柳樹、白蠟樣地土壤容重顯著降低,土壤總孔隙度顯著增大,而土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度無顯著差異。采取造林措施可以顯著改善土壤結構,調節土壤蓄水、透水能力,尤其以刺槐效果最佳。

(2) 與對照樣地相比,黃河三角洲有林地最大持水量和非毛管持水量顯著提高,采取植樹造林措施后土壤水源涵養功能得到有效提升。刺槐、柳樹、白蠟、對照樣地0—30 cm土層土壤最大持水量依次為517.50,501.00,480.87,463.61 t/hm2,4個樣地均差異顯著。

(3) 刺槐、柳樹、白蠟樣地穩定入滲率依次為4.91,2.89,4.05 mm/min,與對照(1.02 mm/min)相比分別提高381.37%,183.33%,297.06%,說明采取造林措施可以有效提高土壤入滲性能。黃河三角洲不同植被類型土壤入滲過程擬合模型的擬合優度以Horton模型最佳,通用經驗模型和Kostiakov模型次之,Philip模型最差。

(4) 主成分分析結果表明,7個評價指標通過降維處理后得到兩個主成分,累計貢獻率高達99.896%,信息損失量非常少。黃河三角洲4個樣地土壤水源涵養功能表現為刺槐>白蠟>柳樹>對照,3種植被類型土壤水源涵養功能優于對照樣地,且刺槐林地在土壤結構、持水能力、入滲性能等方面均好于柳樹林地和白蠟林地。從蓄水保土、涵養水源角度,可在研究區及與其生境類似的區域優先考慮刺槐樹種。