萊蕪市紅石公園土壤結(jié)構(gòu)特征及其與飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

劉 玲, 劉永忠

(1.萊蕪市園林管理局, 山東 萊蕪 271100; 2.萊蕪市市政工程管理處, 山東 萊蕪 271100)

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萊蕪市紅石公園土壤結(jié)構(gòu)特征及其與飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

劉 玲1, 劉永忠2

(1.萊蕪市園林管理局, 山東 萊蕪 271100; 2.萊蕪市市政工程管理處, 山東 萊蕪 271100)

[目的] 分析土壤水分運(yùn)移過(guò)程，探究萊蕪市紅石公園土壤結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響，為促進(jìn)該區(qū)生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)提供理論參考。 [方法] 采用環(huán)刀分層取樣對(duì)研究區(qū)6塊樣地進(jìn)行土壤物理結(jié)構(gòu)特征測(cè)定，進(jìn)行水分穿透試驗(yàn)，測(cè)量土壤飽和導(dǎo)水率。 [結(jié)果] 試驗(yàn)區(qū)土壤密度及石礫含量大小均表現(xiàn)為：純草本>灌木—草本>喬木—草本；土壤R0.25(>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量)、含水率、總孔隙度及飽和導(dǎo)水率大小均表現(xiàn)為：?jiǎn)棠尽荼?灌木—草本>純草本；表層土壤具有更優(yōu)的土壤結(jié)構(gòu)及更大的飽和導(dǎo)水率；土壤飽和導(dǎo)水率與土壤密度、石礫含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤總孔隙度及R0.25呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。 [結(jié)論] 土壤總孔隙度是土壤飽和導(dǎo)水率的最主要影響因子，土壤R0.25含量、土壤密度及石礫含量次之。

土壤結(jié)構(gòu); 總孔隙度; 石礫含量; >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量; 飽和導(dǎo)水率

文獻(xiàn)參數(shù)： 劉玲, 劉永忠.萊蕪市紅石公園土壤結(jié)構(gòu)特征及其與飽和導(dǎo)水率的關(guān)系[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：188-192.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.033

土壤飽和導(dǎo)水率反映了水分的入滲和滲漏特性，是決定坡地降水入滲與徑流比例的關(guān)鍵，也是水分循環(huán)和土壤侵蝕模型中的重要參數(shù)[1-2]。土壤飽和導(dǎo)水率受土壤結(jié)構(gòu)特性、植被群落及海拔等多種因素影響[2-4]。土壤飽和導(dǎo)水率不同，土壤水分入滲量及其空間分布就呈現(xiàn)不同規(guī)律。土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)是影響土壤飽和導(dǎo)水率的重要因素。土壤密度、機(jī)械組成、含水量、土壤孔隙均是土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)，他們影響土壤飽和導(dǎo)水率，并影響土壤水分運(yùn)移過(guò)程[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤性質(zhì)與土壤導(dǎo)水能力的關(guān)系進(jìn)行了大量研究。席彩云等[6]在密云森林土壤入滲研究中發(fā)現(xiàn)，土壤飽和導(dǎo)水率與土壤密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)質(zhì)含量和孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系；陳鳳琴等[7]研究指出土壤飽和導(dǎo)水率受土壤大孔隙數(shù)量和大小的影響；Helaia[8]研究發(fā)現(xiàn)土壤有效孔隙率與飽和導(dǎo)水率有極顯著的相關(guān)性；Bodman等[9]認(rèn)為在土壤入滲初期，土壤導(dǎo)水率受含水量影響較大，之后這種影響逐漸減弱；馬曉剛[10]在縉云山土壤飽和導(dǎo)水率的研究中指出，有機(jī)質(zhì)含量、土壤密度和孔隙度是影響土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因素，其他因素對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響較小。然而目前，關(guān)于影響水分入滲的土壤結(jié)構(gòu)研究多集中于土壤發(fā)育較好的森林地帶，腐殖質(zhì)層相對(duì)較厚，土層厚，土壤結(jié)構(gòu)較好，對(duì)城市公園的土壤鮮有研究。

萊蕪紅石公園是萊蕪市區(qū)的中心公園，其因土壤表層多處分布巨厚紅色碎屑巖相成名，公園內(nèi)有湖泊，因此研究此類(lèi)典型地區(qū)土壤的結(jié)構(gòu)及水分運(yùn)移情況至關(guān)重要。本研究以萊蕪紅石公園為研究區(qū)域，通過(guò)測(cè)定土壤的結(jié)構(gòu)指標(biāo)，運(yùn)用定水頭水文穿透曲線法測(cè)定土壤飽和導(dǎo)水率，分析土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)與飽和導(dǎo)水率的關(guān)系，探討土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素，旨在為深入研究土壤結(jié)構(gòu)與土壤水分運(yùn)移關(guān)系提供一定的理論基礎(chǔ)，為促進(jìn)當(dāng)?shù)厮|(zhì)狀況改善、植被生長(zhǎng)及恢復(fù)及自然災(zāi)害的防治提供參考[10-11]。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于萊蕪市紅石公園，其地處萊蕪市市區(qū)中心，地理坐標(biāo)為117°40′E， 36°13′N(xiāo)。公園總面積54 hm2，其中水面面積8.5 hm2，綠化面積8.5 hm2，道路廣場(chǎng)面積約0.45 hm2,是目前市區(qū)最大的綜合性?shī)蕵?lè)場(chǎng)所。園中有銀杏廣場(chǎng)，月波湖，紅石谷等旅游景點(diǎn)。整個(gè)公園因有較大面積的裸露紅石而得名。其紅石生成于距今一億多年前的中生代侏羅紀(jì)，由于受當(dāng)時(shí)地殼運(yùn)動(dòng)劇烈，地勢(shì)分異加劇，氣候逐漸轉(zhuǎn)為干燥，受陸相盆地型沉積環(huán)境的影響，因而所形成的巖石多為巨厚紅色碎屑巖相，統(tǒng)稱(chēng)紅層。后因受該時(shí)代非常強(qiáng)烈的燕山運(yùn)動(dòng)的影響及長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化剝蝕作用，在萊蕪境內(nèi)的侏羅系紅層僅殘存于近東西向的萊蕪八里溝向斜的槽部，分布在萊城及東南一帶，因巖性為鮮紅色的細(xì)中粒長(zhǎng)石礦巖，故名為“紅石”。研究區(qū)屬大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫為11～13 ℃，年平均降水量707.9 mm，年蒸發(fā)量為1 800～2 000 mm[12]。

1.2樣地選擇及土樣采集

選擇公園內(nèi)紅石區(qū)域作為研究對(duì)象，設(shè)置6塊樣地，樣地植被以草本為主，樣地基本狀況詳見(jiàn)表1。用直徑7 cm，高5 cm的環(huán)刀在6塊樣地分層(0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm)采集土壤樣品，測(cè)定孔隙度、密度；用直徑7 cm，高10 cm的環(huán)刀在6塊樣地分層(0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm，40—60 cm)采集土壤樣品分別用來(lái)測(cè)定大孔隙數(shù)量、半徑及土壤飽和導(dǎo)水率，所有測(cè)定指標(biāo)設(shè)置3次重復(fù)。同時(shí)，每層用自封袋取土樣400 g，用于室內(nèi)測(cè)定土壤石礫以及土壤團(tuán)聚體。

表1　研究樣點(diǎn)基本狀況

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在所選取的6個(gè)樣地分4層測(cè)定土壤密度、土壤含水率、總孔隙度、石礫含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(R0.25)以及土壤飽和導(dǎo)水率，分析其分布規(guī)律，并對(duì)比分析各指標(biāo)與土壤飽和導(dǎo)水率的相關(guān)關(guān)系。其中土壤含水率采用烘干法；土壤密度采用比重瓶法；土壤石礫含量采用排水法[13]；濕篩法結(jié)合計(jì)算法測(cè)定R0.25[14]；土壤總孔隙度采用氣壓平衡法[15]；土壤飽和導(dǎo)水率測(cè)定采用定水頭法[16]。

1.4數(shù)據(jù)整理及分析

將各層土壤土壤結(jié)構(gòu)因素指標(biāo)及土壤飽和導(dǎo)水率的3個(gè)重復(fù)取平均值進(jìn)行分析；利用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析；利用Pearson相關(guān)分析法分析土壤結(jié)構(gòu)特征與飽和導(dǎo)水率相關(guān)關(guān)系，所有統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS 22.0軟件。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤密度及土壤含水率

土壤密度是土壤基本性質(zhì)，反映土壤緊實(shí)度，其對(duì)土壤水分運(yùn)移能力有很大影響。對(duì)6塊樣地4層土壤密度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，不同樣地的土壤密度差異顯著，總體表現(xiàn)為:喬木—草本土壤>灌木—草本土壤>草本土壤，這是由于植被根系活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土壤產(chǎn)生孔隙，減少土壤密度，而喬木的根系發(fā)育要優(yōu)于灌木。除此之外，土壤密度表現(xiàn)出顯著的垂直變異規(guī)律，具體表現(xiàn)為隨著土壤深入土壤密度減小。這是由于在有植被生長(zhǎng)的區(qū)域，土壤表層的根系及生物活動(dòng)要多于下層，其活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土壤密度降低。

土壤含水率是影響土壤入滲過(guò)程的重要因子。由圖1可見(jiàn)，不同樣地條件土壤含水率差異顯著。在0—40 cm土層土壤含水率表現(xiàn)為:喬木—草本土壤>灌木—草本及純草本土壤，但在20—40 cm土層，樣地3—6的土壤含水率差異不顯著，在0—10 cm土層土壤含水率表現(xiàn)為:灌木—草本土壤>純草本土壤，這是由于喬木根系生長(zhǎng)較深，對(duì)土壤深處的土壤含水率也有正面影響，但灌木根系生長(zhǎng)較淺，因此對(duì)深層土壤影響較小。土壤含水率總體表現(xiàn)為隨著土壤深入而減小的垂直變異規(guī)律，其中這種規(guī)律在喬木—草本林地的0—40 cm土層及灌木—草本、純草本的0—20 cm土層均顯著，但在灌木—草本及純草本的20—40 cm土層土壤不顯著，可見(jiàn)，喬木對(duì)深層土壤的含水率影響要優(yōu)于灌木。

圖1　土壤性質(zhì)及飽和導(dǎo)水率分布特征

2.2土壤石礫含量、總孔隙度及R0.25分布特征

土壤石礫含量對(duì)土壤的水分運(yùn)動(dòng)特征有重要影響。各樣地各土層土壤石礫含量分布情況如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，土壤石礫含量表現(xiàn)為：?jiǎn)棠尽荼就寥?灌木—草本土壤>純草本土壤，這是因?yàn)橹脖桓翟谕寥乐械幕顒?dòng)會(huì)破壞石礫或使石礫產(chǎn)生移動(dòng)，而喬木的根系生長(zhǎng)情況好于灌木，因此對(duì)石礫的影響更多。此外，土壤石礫含量表現(xiàn)為隨著土壤深入而增多的規(guī)律，這也是由于表層的根系及生物活動(dòng)多余深層土壤造成，且研究區(qū)域位于城市公園，人流量多，人為活動(dòng)也會(huì)對(duì)表層土壤造成影響。

土壤孔隙是決定土壤水分運(yùn)移的主要因素。由圖1可見(jiàn)，土壤總孔隙度總體表現(xiàn)為：?jiǎn)棠尽荼就寥?灌木—草本土壤>純草本土壤，且較顯著。這是由于植被根系及蚯蚓活動(dòng)會(huì)對(duì)產(chǎn)生土壤大孔隙，而喬木的根系生長(zhǎng)相對(duì)于灌木及草本更粗大，更深入，因此在在喬木—草本下土壤具有更大的總孔隙度。此外，在0—40 cm土層的喬木—草本土壤及灌木草本土壤均表現(xiàn)為隨著土壤深入總孔隙度減小的趨勢(shì)，而在純草本土壤這種趨勢(shì)僅表現(xiàn)在0—20 cm土層。

土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤養(yǎng)分及水分的保持起到至關(guān)重要的作用，而R0.25可以更好地反映土壤的穩(wěn)定性。由圖1可見(jiàn)，土壤R0.25含量總體表現(xiàn)為：?jiǎn)棠尽荼?灌木—草本>純草本。6個(gè)樣地的R0.25含量均表現(xiàn)為隨著土壤深入而降低的規(guī)律，這與土壤總孔隙表現(xiàn)出相似的規(guī)律，這是由于植被根系運(yùn)動(dòng)在造成大孔隙的同時(shí)，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤穩(wěn)定性。

2.3土壤飽和導(dǎo)水率分布特征

土壤飽和導(dǎo)水率直觀反映了土壤的水分運(yùn)移特性。由圖1可見(jiàn)，土壤飽和導(dǎo)水率總體表現(xiàn)為：?jiǎn)棠尽荼?灌木—草本>純草本。具體的，在0—20 cm土層表現(xiàn)為：?jiǎn)棠尽荼?灌木—草本及純草本，灌木草本與純草本土壤飽和導(dǎo)水率差異不顯著，這可能是由于土壤表層情況較為復(fù)雜，盡管其土壤結(jié)構(gòu)好于純草本土壤(石礫少，總孔隙度高)，但大孔隙的連接度、迂曲度及排列均會(huì)對(duì)水分入滲產(chǎn)生決定性的影響[17]，若土壤總孔隙度高，但其孔隙連接度低，仍會(huì)限制水分入滲。20—40 cm土層樣地4土壤飽和導(dǎo)水率有上升趨勢(shì)，高于純草本土壤，可見(jiàn)，灌木—草本比純草本對(duì)深層土壤導(dǎo)水率影響更大。土壤飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為隨著土壤的深入而減小的規(guī)律，且較顯著，這是由于表層土壤由于根系和生物活動(dòng)產(chǎn)生了更多有利于水分運(yùn)移的大孔隙，從而使得表層土壤飽和導(dǎo)水率更高。土壤水分入滲是由多方因素共同決定。

2.4土壤性質(zhì)與飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

土壤飽和導(dǎo)水率與土壤密度、土壤含水率、石礫含量、總孔隙度及R0.25均符合二次曲線關(guān)系，且相關(guān)關(guān)系均極顯著。其中，飽和導(dǎo)水率與土壤含水率的相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)(R2=0.781 02，p<0.01)，表現(xiàn)為土壤含水率越高，土壤飽和導(dǎo)水率越高，但這并不能表明土壤含水率會(huì)對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生影響，因?yàn)橥寥篮蕰?huì)隨著季節(jié)溫度、降雨降水等而發(fā)生變化，土壤飽和導(dǎo)水率卻不會(huì)因此變化。造成其相關(guān)系數(shù)高的原因可能是由于土壤根系條件越好，其土壤結(jié)構(gòu)越高，因此同時(shí)提高了其土壤儲(chǔ)水及導(dǎo)水性能。土壤總孔隙度與飽和導(dǎo)水率的擬合關(guān)系較好(R2=0.679 57，p<0.01)，表現(xiàn)為總孔隙度越大，土壤飽和導(dǎo)水率越高，可見(jiàn)由土壤根系及生物活動(dòng)造成的孔隙對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率起決定性的影響。R0.25與土壤飽和導(dǎo)水率的相關(guān)關(guān)系很強(qiáng)(R2=0.652 34，p<0.01)，表現(xiàn)為土壤R0.25含量越多，土壤飽和導(dǎo)水率越高，這是由于群落更豐富的土壤不僅有更多的孔隙，也產(chǎn)生了更多的有機(jī)質(zhì)含量，其有助于土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，這與彭舜磊等[3]的研究結(jié)論一致。飽和導(dǎo)水率與土壤密度的擬合關(guān)系較好(R2=0.547 08，p<0.01)，表現(xiàn)為土壤密度越低，土壤飽和導(dǎo)水率越高?？梢?jiàn)，植被根系活動(dòng)在產(chǎn)生大孔隙的同時(shí)，減小的土壤密度，從而土壤密度與飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。飽和導(dǎo)水率與土壤石礫含量的擬合關(guān)系較好(R2=0.498 21，p<0.01)，但差于其他土壤結(jié)構(gòu)因素，具體表現(xiàn)為土壤石礫含量越高，土壤飽和導(dǎo)水率越低。通過(guò)表2可以看出，土壤石礫含量與土壤總孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可見(jiàn)土壤中孔隙越多，石礫含量越少，可以猜測(cè)植被根系和生物活動(dòng)在使得土壤產(chǎn)生大孔隙的同時(shí)，使土壤石礫產(chǎn)生破壞或移動(dòng)。石礫會(huì)對(duì)水分入滲產(chǎn)生直接的阻斷作用，進(jìn)而影響了土壤飽和導(dǎo)水率的大小。由表2可以看出，土壤結(jié)構(gòu)因素中，土壤總孔隙度與飽和導(dǎo)水率相關(guān)系數(shù)最高，其次為土壤R0.25含量、土壤密度及土壤石礫含量，可以說(shuō)明土壤總孔隙是土壤飽和導(dǎo)水率的最主要影響因素，這與張春雷等[18]以及Hu等[19]在黃土高原地區(qū)的研究結(jié)論有很大差異，究其原因，是因?yàn)橥寥佬再|(zhì)的差異造成的。

表2　土壤性質(zhì)及飽和導(dǎo)水率相關(guān)性分析

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3　結(jié) 論

(1) 土壤密度、石礫含量表現(xiàn)為：純草本>灌木—草本>喬木—草本；R0.25，含水率、總孔隙度及土壤飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為：?jiǎn)棠尽荼?灌木—草本>純草本，可見(jiàn)喬木樹(shù)種對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良作用要優(yōu)于灌木，草本最差。

(2) 無(wú)論在何種植被條件，土壤表層土壤較深層土壤有更小的土壤密度及石礫含量以及更大的R0.25含量、含水率、總孔隙度及飽和導(dǎo)水率，其中喬木土壤此種規(guī)律更為顯著，可見(jiàn)植被對(duì)表層土壤結(jié)構(gòu)的改良作用更強(qiáng)，喬木對(duì)深層土壤結(jié)構(gòu)的改良能力要強(qiáng)于灌木及草本。

(3) 土壤飽和導(dǎo)水率與土壤密度、石礫含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與總孔隙度及R0.25呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，總孔隙度對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率影響最大的土壤結(jié)構(gòu)因素，土壤R0.25含量、土壤密度及石礫含量次之。

(4) 本研究?jī)H對(duì)比了土壤部分結(jié)構(gòu)因素與飽和導(dǎo)水率的相關(guān)關(guān)系，但導(dǎo)水率受到多種因素的共同影響，單因素分析僅能初步探究各因素與土壤飽和導(dǎo)水率之間的相關(guān)關(guān)系，并不能建立可有效預(yù)測(cè)飽和導(dǎo)水率的關(guān)系式。在下一步研究中，將依托限制變量法，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系進(jìn)行模擬。

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Soil Structural Traits and Its Relation with Soil Saturated Hydraulic Conductivity in Redstone Park of Laiwu City

LIU Ling1， LIU Yongzhong2

(1.LaiwuGardenManagementBureau,Laiwu，Shandong271100，China;2.LaiwuMunicipalEngineeringManagementOffice,Laiwu,Shandong271100，China)

[Objective] The relationship between soil structure and soil saturated hydraulic conductivity was explored in Hongshi Park of Laiwu City to provide a theoretical basis to forecast the process of soil moisture migration. [Methods] Stratified sampling was carried out using ring knives in six sites of Redstone Park of Laiwu City. Soil saturated hydraulic conductivity and physical structural traits of the soil samples were measured to analyze the relationship between them. [Results] Soil bulk density and stone content of different land use types ranked as: herb soil>shrub-herb soil>trees-shrub soil. Indices ofR0.25(>0.25 mm water stable aggregate), soil moisture, soil porosity and soil saturated hydraulic conductivity had a same rank of trees-shrub soil>shrub-herb soil>herb soil. Soil structure and saturated hydraulic conductivity behaved better in surface soil layers than that in deep soil layers. Soil saturated hydraulic conductivity was found significantly and negatively correlated with soil bulk density and rock fragment. [Conclusion] Soil saturated hydraulic conductivity had significantly positive correlations with porosity andR0.25. Soil porosity was the key factor affecting saturated hydraulic conductivity.

soil structure parameters; porosity; rock fragment; >0.25 mm water stable aggregate; soil saturated hydraulic conductivity

2015-11-24

2015-12-16

劉玲(1975—),女(漢族),山東省省萊蕪市人,本科,工程師，主要從事水土保持方面的工作。E-mail:liulingli@126.com。

A

1000-288X(2016)04-0188-05

S725.1