廣州市白云山五種森林類型的土壤滲透性研究

喻明美，謝正生，2

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)林研究中心，廣州 510642）

土壤的滲透能力是土壤水文效應(yīng)評價(jià)的重要指標(biāo)，是反映森林涵養(yǎng)水源功能的重要水文參數(shù)［1－2］。土壤滲透性與降雨和灌溉水進(jìn)入土壤以及在土壤中的貯存情況有關(guān)。土壤滲透性是描述土壤入滲快慢的極為重要的土壤物理特征參數(shù)之一。土壤滲透性越好，地表徑流就會越少，土壤流失量就相應(yīng)減少［1，3］。所以提高土壤的滲透能力，是降低地表徑流及防治水土流失的關(guān)鍵措施［4］。有關(guān)土壤滲透能力的研究，已有較多報(bào)道，主要從不同山區(qū)林地類型［2，5－7］、不同區(qū) 域［3，8］、不同土地利用方式［9－10］、不 同措施［11］及其影響因子［12－13］的角度進(jìn)行研究。影響土壤滲透率的因素較多。其中，孔隙結(jié)構(gòu)對降雨入滲起決定性作用，土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)是影響土壤水分入滲特征的主導(dǎo)因素，另外，土壤有機(jī)質(zhì)含量對土壤入滲的影響也較大［1］。但有關(guān)城市森林區(qū)的土壤滲透性能的研究少見報(bào)道。

城市森林對調(diào)節(jié)改善城市生態(tài)環(huán)境，尤其是對保持水土和涵養(yǎng)水源具有重要作用。廣州白云山是廣州市區(qū)最大的城市森林區(qū)，面積21km2。自1995年進(jìn)行林分改造以來，已逐步形成具有嶺南特色的多樹種、多層次、多色彩、多香味、多功能的南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林的森林景觀［14］。其土壤的滲透能力是評價(jià)白云山對廣州城市地下水補(bǔ)給功能的重要指標(biāo)。本文主要分析廣州白云山不同土壤層次、不同森林類型的滲透率及其主要的影響因子。旨在為處于南亞熱帶地區(qū)的類似城市森林區(qū)的水土保持功能的評價(jià)和水源涵養(yǎng)功能的測算提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廣州市白云山風(fēng)景名勝區(qū)是國家4A級旅游景區(qū)，位于廣州市東北部，地理坐標(biāo)約為北緯23°09′－23°11′，東經(jīng)113°16′－13°19′，南北長約為7km，東西寬約4km，全區(qū)總面積20.98km2。整個(gè)山體南北走向，由海拔382m的主峰摩星嶺以及海拔250m以上的龍虎崗、白云頂、牛牯嶺、五雷嶺、將軍嶺、牛歸欄等山峰組成。該區(qū)地處南亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候區(qū)，年均氣溫21.4～21.8℃，極端最低氣溫0℃，極端最高氣溫38.7℃。年降水量1689 .3～1876 .5mm，且4－9月份降水量占全年降水量的85%以上，年均濕度79%。土壤為流紋狀花崗巖、石英巖、砂頁巖等發(fā)育的赤紅壤，pH 值為4.0～5.5，呈酸性［14］。試驗(yàn)地的基本情況見表1。

主要樹種為中華錐（Castanopsis chinensis）、羅浮柿（Diospyros morrisiana）、降真香（Acronychia pedunculata）、楝葉吳茱萸（Evodia glabrifolia）、鴨腳木（Schefflera octophylla）、油茶（Camellia oleifera）、尖葉杜英（Elaeocarpus apiculatus）、藜蒴（Castanopsis fissa）、木荷（Schima superba）、加勒比松（Pinus caribaea）、大葉相思 （Acacia auriculiformis）、窿緣桉 （Eucalyptus exserta）、紅荷 （Schima wallichii）、樟 樹 （Cinnamomum camphora）、石 櫟（Lithocarpus glabra）。

表1 采樣點(diǎn)林分的基本情況

2 研究方法

2010年1月至3月在廣州白云山選擇了18個(gè)有典型代表性的林分樣地（面積10m×10m），并進(jìn)行植被調(diào)查和土壤采樣。在設(shè)置的樣地內(nèi)按0－20 cm、20－40cm、40－60cm分層取土壤樣品，每層3個(gè)重復(fù)。采用環(huán)刀法測定和計(jì)算土壤容重、水分含量、孔隙度等物理性質(zhì)［15］。滲透率采用環(huán)刀法測定和計(jì)算，環(huán)刀規(guī)格為20cm2×5cm。在室外用環(huán)刀取原狀土，帶回室內(nèi)浸入水中12h（采樣地的土壤屬于壤土），浸水時(shí)，保持水面與環(huán)刀上口平齊，勿使水淹到環(huán)刀上口的土面。到預(yù)定時(shí)間將環(huán)刀取出，去掉蓋子，上面套上一個(gè)大小相似的空環(huán)刀。接口處先用膠布封好，嚴(yán)防從接口處漏水，然后將接合的環(huán)刀放到漏斗上，漏斗下面承接燒杯。往上面的空環(huán)刀中加水，水面比環(huán)刀口低1mm，即水層厚5cm。加水后，自漏斗下面滴下第一滴水時(shí)開始計(jì)時(shí)，之后每隔2 min測量并記錄一次通過土柱滲透出的水量。測定過程中要不斷將上面環(huán)刀水面加至原來高度，同時(shí)記錄水溫（℃）。一直測到4個(gè)單位時(shí)間內(nèi)滲出水量相等時(shí)為止［15］。

3 結(jié)果與分析

3.1 白云山森林土壤的滲透率分析

以廣州白云山各采樣點(diǎn)不同土壤層次滲透率的測定結(jié)果（如圖1），做方差分析和多重比較。結(jié)果表明，初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率在不同層次間均無顯著差異（Pr＞0.05）。同一層次的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率的大小順序均為:初滲速率＞平均滲透速率＞穩(wěn)滲速率。

圖1 廣州白云山森林土壤不同層次滲透率及多重比較結(jié)果

3.2 不同森林類型土壤滲透率分析及模型擬合

分別對廣州白云山的天然次生闊葉純林、天然次生闊葉混交林、人工闊葉林、人工針葉林和人工灌叢草地5種森林類型的滲透性指標(biāo)做多重比較，結(jié)果如表2。結(jié)果表明，不同森林類型間的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率均無顯著差異。

表2 廣州白云山不同森林類型的土壤滲透率多重比較 mm／min

進(jìn)一步模擬分析廣州白云山森林土壤滲透率變化，選用模型方程為

式中:f（t）——入滲速率；t——入滲時(shí)間；a、b——參數(shù)。模擬分析結(jié)果為

3.3 土壤滲透的影響因子分析

選擇土壤容重、孔隙度、石礫含量、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)對滲透率做相關(guān)性分析，結(jié)果如表3。結(jié)果表明，初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率隨其它土壤性狀指標(biāo)的相關(guān)性表現(xiàn)一致。滲透率除了與毛管孔隙度、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、毛管持水量無顯著性相關(guān)外，其余均有極顯著相關(guān)。

表3 滲透率與其它土壤性狀指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

3.4 影響土壤滲透的主導(dǎo)因子篩選

影響土壤滲透性能的因子是綜合的。為了更加明確各土壤因子對土壤滲透率的影響作用，進(jìn)一步應(yīng)用逐步回歸分析法以篩選土壤滲透率主導(dǎo)因子。

對滲透率（mm／min）與容重（g／cm3）、總孔隙度（%）、毛管孔隙度（%）、非毛管孔隙度（%）、土壤通氣孔隙度（%）、石礫含量（%）、質(zhì)地（g／kg）做逐步回歸分析。應(yīng)用SAS系統(tǒng)進(jìn)行多元線性逐步回歸分析，自變量取舍標(biāo)準(zhǔn)為顯著性水平α＝0.05，結(jié)果如表4。結(jié)果表明，模擬模型達(dá)到極顯著水平。分別得出對初滲速率（y1）、穩(wěn)滲速率（y2）、平均滲透速率（y3）與非毛管孔隙度（x1）、石礫含量（x2）較理想的回歸模型:

從各個(gè)變量的偏相關(guān)確定系數(shù)（偏R2）來看，土壤中各因子與初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率的偏相關(guān)關(guān)系均為:非毛管孔隙度＞石礫含量。由此可見，通氣孔隙度是影響滲透率最主要的因子。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

不同土壤層次的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率無明顯差異，其變化范圍分別為:2.26～3.91 mm／min、1.31～2.09mm／min、1.51～2.46mm／min。不同森林類型的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率也無顯著性差異。三者在不同森林類型間的大小順序均為:天然次生闊葉純林＞人工闊葉林＞人工針葉林＞天然次生闊葉混交林＞人工灌叢草地。土壤入滲速率f（t）對入滲時(shí)間（t）的關(guān)系表現(xiàn)為乘冪形式，回歸方程為:土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率和平均滲透速率分別與土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、石礫含量均有極顯著正相關(guān)，與容重呈顯著負(fù)相關(guān)。其中，非毛管孔隙度和石礫含量是主導(dǎo)影響因子。

表4 滲透率與土壤因子的逐步回歸分析結(jié)果

4.2 討 論

關(guān)于不同土層間的滲透率變化不顯著已有報(bào)道［5］。同一層次的初滲速率、穩(wěn)滲速率、平均滲透速率的大小順序均為:初滲速率＞平均滲透速率＞穩(wěn)滲速率。這說明土壤的滲透速度剛開始比較大，至后來逐漸變小。這可能是由于隨著水分的下滲，上層顆粒也逐漸下移，阻塞孔隙，水分下滲的速度越來越慢。本文測定廣州白云山五種不同森林類型的滲透率雖有差異，但未達(dá)到顯著水平。這可能是與森林組成樹種的根系分布有關(guān)。廣州白云山土壤滲透率均較小，土壤滲水能力有待進(jìn)一步提高。

關(guān)于土壤滲透性能影響因子的相關(guān)報(bào)道各有差異。本文與劉廣路等［7］、王景燕等［3］的研究結(jié)果基本一致。但本文研究得出滲透率與有機(jī)質(zhì)、毛管孔隙度無顯著性相關(guān)?？赡芘c廣州市白云山林下凋落物少，受人為干擾較為嚴(yán)重有關(guān)。林代杰等［9］也研究報(bào)道過毛管孔隙度對土壤滲透率無顯著性影響。土壤的滲透性能取決于非毛管孔隙，非毛管孔隙可使降水憑借重力和一定壓力梯度向土體滲透起著主導(dǎo)作用［6］。時(shí)忠杰等［13］認(rèn)為在0－40cm土層，當(dāng)?shù)[石體積含量小于15%～20%時(shí)，穩(wěn)滲速率隨礫石含量增加而增加；當(dāng)?shù)[石體積含量大于15%～20%時(shí)，土壤穩(wěn)滲速率隨礫石含量增加而減小。在40cm以下土層，穩(wěn)滲速率隨礫石含量增加而增加。本文研究得出在0－60cm土層的土壤滲透率與石礫含量呈極顯著正相關(guān)。

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