白龍江上游不同海拔梯度灌叢土壤滲透性能分析

王 飛，楊永紅，齊 瑞，曹秀文，劉錦乾

（甘肅省白龍江林業(yè)管理局林業(yè)科學研究所，甘肅 蘭州 730070）

白龍江上游不同海拔梯度灌叢土壤滲透性能分析

王 飛，楊永紅，齊 瑞，曹秀文，劉錦乾

（甘肅省白龍江林業(yè)管理局林業(yè)科學研究所，甘肅 蘭州 730070）

對甘肅白龍江上游灌叢植被類型的土壤性狀進行了研究，結果表明：（1）隨海拔梯度的增加平均土壤密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的變化差異較大。土壤平均密度在0.85～1.69 g·cm-3之間, 隨著海拔的升高平均密度有逐漸減小的趨勢，但在海拔梯度E（2 750～3 000 m）時平均密度最大，在E海拔梯度時0～10 cm土壤密度較小；平均孔隙度在24.41～66.22%之間，非毛管孔隙度在1.54～12.81%之間，孔隙度和密度呈負相關。（2）隨著海拔梯度的增加毛管持水量、最大持水量、最小持水量都表現(xiàn)出先增加，到海拔梯度E（2 750～3 000 m）時減小，這與毛管孔隙度變化表現(xiàn)一致；排水能力隨著海拔梯度的增加而減小，在 27.79～7.86 mm之間。（3）不同海拔梯度類型土壤的初滲率、穩(wěn)滲率和平均滲透率都有較大的差異，初滲率在2.02～20.90 mL·min-1之間，穩(wěn)滲率在0.35～6.20 mL·min-1之間，滲透率和時間的關系符合冪函數(shù)回歸方程Y=ax-b，相關系數(shù)顯著性相關水平。

白龍江；不同海拔梯度；灌叢；土壤；滲透性

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林發(fā)揮水文調節(jié)作用的重要場所[1]，它通過根系影響林木生長，通過滲透和貯存降水影響森林生態(tài)系統(tǒng)水平衡[2]；森林通過枯枝落葉增加土壤有機質并改善土壤結構，增加了土壤孔隙，提高了土壤的水源涵養(yǎng)功能[3]；由于森林生態(tài)系統(tǒng)結構的復雜性，森林土壤表現(xiàn)出疏松性、結構性和持水性等獨特的物理性質[4]。森林土壤水分含量及其空間動態(tài)變化是區(qū)域水循環(huán)及水量平衡各環(huán)節(jié)共同作用而達到動態(tài)平衡的結果，同時也對水循環(huán)的后續(xù)過程及森林生態(tài)環(huán)境效應的發(fā)揮產生影響[5]。

目前，很多學者對森林土壤做了大量的比較研究[1-3]，但對甘肅白龍江流域土壤滲透分析研究相對較少。灌叢是甘肅白龍江地帶主要的植被類型，在植被恢復、水土保持、水源涵養(yǎng)中具有重要的地位和作用。由于近年來白龍江森林的破壞而引起下游的沙、污、旱、鹽、堿、澇等生態(tài)問題的日益嚴重；再加上過度放牧、不合理采砂、人為破壞以及人為活動等因素，使白龍江生態(tài)小生境更加脆弱。種群的資源利用能力是種群分布與群落演替的內在動力，因此通過對白龍江上游主要灌木種群土壤滲透性的研究，能夠明確不同海拔梯度灌木種群土壤滲透性特點，了解不同海拔梯度土壤滲透特性，對植被資源保護、可持續(xù)利用、水土保持和植被的恢復重建等具有重要意義[6]。開展上游水源涵養(yǎng)林的基礎性研究對指導水源涵養(yǎng)林的建設和區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護和規(guī)劃、水資源環(huán)境的改善及森林環(huán)境條件下水土保持綜合治理都具有重要的理論和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

白龍江發(fā)源于甘、青、川三省交界處的郎木寺附近,南以岷山與四川分界，西接積石山高原，北以迭山與黃河水系一級支流洮河分水，向東南流至四川昭化匯入嘉陵江，全長約600 km。流域整體位于青藏高原東北邊緣，白龍江流經的地域廣、落差大，河道全長576 km，其位于東徑102°46′～ 104°52′， 北 緯 33°04′～ 35°09′， 屬 典型的西北高山地形，溫度、降水具有明顯的垂直梯度和水平差異[7-8]。試驗區(qū)設在甘肅省甘南州舟曲縣，地處白龍江上游，屬岷山北側山系。成土母質為坡積母質，土層厚度在 1 m 以上，表層石礫含量少。全年平均氣溫 1.3℃，年降水量 1 048 mm，全年降水量集中在5—10月份。年平均空氣相對濕度 80%，無霜期 80～103 d[9]。

1.2 標準地設定

試驗地設在甘南白龍江上游海拔介于1 750～3 500 m之間，根據(jù)不同的地形情況，選擇具有代表性的區(qū)域采用典型采樣法，并設置5 m×5 m樣方44個，對每個樣方采用GPS定位坐標、海拔，調查坡面、坡向、層蓋度、層高度以及周圍的植物，每個樣方內進行每木檢尺，調查植物種類、高度、基徑、冠幅、物候期、生活力等因子。在每個樣方的對角線和中心設置5個1 m×1 m的小樣方，調查小樣方內草本植物的種類和數(shù)量，然后取3個代表性的小樣方內的草本地上生物量，帶回實驗室烘干至恒重。然后在每個樣方內采用環(huán)刀法、土袋采集不同層次的原狀土和土樣，分別取0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm 4層取樣，每層采環(huán)刀原狀土3個，帶回實驗室稱重、浸泡、烘干等，測定土壤滲透性以及理化性質等。標準地概況見表1。

表1 不同海拔梯度樣地基本情況?Table 1 Different altitude gradient sample area

1.3 試驗方法

土壤含水量用烘干法測定，用環(huán)刀在野外取來的土樣，稱質量，然后放在溫度85℃的烘箱中烘干后再稱質量，采用“恒重烘干法”分層測定各主要林分林地土壤含水量；用環(huán)刀法分層測定密度、毛管孔隙度和總孔隙度[9]，土壤滲透性測定采用雙環(huán)刀法測定[11-12]，各指標處理方法為[13]：初滲率=最初入滲時段滲透量/入滲時間；平均滲透速率=達穩(wěn)滲時的滲透總量/達穩(wěn)滲時的時間；穩(wěn)滲率為單位時間內的滲透量趨于穩(wěn)定時的滲透速率；為了滲透總量便于比較，統(tǒng)一用前65 min內的滲透量。測定的數(shù)據(jù)利用Excel和SPSS軟件分析處理。

2 結果與分析

2.1 不同海拔梯度土壤密度和孔隙度

密度小的土壤比較疏松，通氣良好，各種微生物活動比較劇烈；密度大的土壤一般比較緊實，通氣比較差，土壤微生物活動相對減小，所以密度也是土壤質量評價的一個重要指標。孔隙度與土壤透氣性能、持水性能、土壤微生物活動和植物生長根系所遇到的阻力大小有直接關系，是土壤中水分、空氣、土壤微生物、養(yǎng)分等的儲藏庫和活動場所[14]。

由表2可以看到：隨著海拔的升高，土壤平均密度在逐漸減小，但到海拔3 000 m以后又升高；在同一海拔梯度內，隨著土壤層的增加土壤密度逐漸增加，即隨著土壤層的增加土壤越來越緊實；對于0～10 cm的土壤層，C、D、E梯度的較其他梯度小，E梯度土壤密度最大，這與林下枯落物厚度有關，這幾個海拔梯度下的枯落物厚度明顯大于其他海拔梯度下的枯落物厚度，枯落物分解過程中會有大量的土壤微生物活動，使土壤比較疏松；而其他土壤層的土壤密度相差不大。

毛管孔隙中的水分可以直接供給植物根系吸收或土壤蒸騰，而非毛管孔隙可以為土壤水分、養(yǎng)分提供通道和儲存空間。表2中可以看到：同一海拔梯度內毛管孔隙度都比非毛管孔隙度大；隨著海拔的增加，毛管孔隙度/非毛管孔隙度的倍數(shù)在逐漸增加，是2.73～33.11倍之間，它們之間的關系呈指數(shù)函數(shù)，Y=1.897e0.424x，R2=0.963（Y是倍數(shù)，x為海拔梯度）；隨著海拔的升高，毛管孔隙度也表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢，但是E的平均毛管孔隙度比較小，這與它的密度有關，E的密度大于其他海拔梯度，土壤比較緊實，微生物活動比較少，所以孔隙度也相應的較??；到G時毛管孔隙度又變小，可能是因為高海拔地表面比較裸露，氣溫較低，微生物活動量小，所以毛管孔隙度較小。同一海拔梯度內，隨著土壤層的增加平均毛管孔隙度和平均密度一樣表現(xiàn)都表現(xiàn)減小的趨勢。非毛管孔隙度隨著海拔的升高也表現(xiàn)出于毛管孔隙度一樣的趨勢，但相對不明顯。在同一海拔梯度內，非毛管孔隙度隨著土層的增加沒有明顯的趨勢。由此可見隨著海拔梯度的增加土壤密度和土壤孔隙度表現(xiàn)出負相關性，即土壤孔隙度大時，土壤密度較小，反之亦然，孔隙度大時土壤通氣性好，水分容易出入，養(yǎng)分也容易流動，使土壤微生物活動加強，土壤密度減小，有利于植物生長需求。

2.2 不同海拔梯度土壤水源涵養(yǎng)功能

白龍江上游不同海拔梯度土壤持水量如表2所示：隨著海拔的升高毛管持水量、最大持水量、最小持水量都呈相同的趨勢，即隨著海拔的升高它們都表現(xiàn)出增加的趨勢，到E時減小，G相比F較小，這與毛管孔隙度的表現(xiàn)趨勢是一樣的。同一海拔梯度內毛管持水量、最大持水量、最小持水量隨著土壤層的增加表現(xiàn)出增加的趨勢，但是A、B、C、F梯度內的0～10 cm層比10～20 cm較大，這與土壤表面的溫度、透氣性、土壤密度、土壤微生物等有關。排水能力隨著海拔的增加有逐漸減小的趨勢；但在同一海拔梯度內隨著土壤層的增加有增加的趨勢，但趨勢不明顯。

2.3 不同海拔梯度土壤滲透性能

土壤滲透性指標是土壤性質的重要指標之一，土壤滲透性能的好壞，影響到土壤表面產生徑流量的大小，滲透性能好，產生的徑流量小，土壤流失量相應就會減少。由表3可以看出：土壤含水率隨著海拔的升高有增加的趨勢，但在E海拔梯度時又減小，隨后又在F海拔梯度升高后又變??；F海拔內的含水率最大為122.84%，是最小的A（8.49%）的14.47倍。土壤含水率與土壤的空隙度，透氣性，土壤緊實度等有關。不同海拔梯度類型的土壤初滲率、穩(wěn)滲率、滲透總和和平均滲透率都有較大的差異；初滲率在2.02～20.90mL·min-1之間，最大的是B海拔梯度為20.90 mL·min-1，最小的是F海拔梯度為2.02 mL·min-1，初滲率最大的是最小的10.35倍；穩(wěn)滲率和初滲率有相似的趨勢，但是穩(wěn)滲率最大的是B海拔梯度為6.20 mL·min-1，最小的是F海拔梯度為0.35 mL·min-1，穩(wěn)滲率最大的是最小的17.17倍；土壤的滲透量總和和平均滲透率表現(xiàn)一樣。土壤的滲透率是衡量水源林涵養(yǎng)水源的重要標志，也是造林的重要參考依據(jù)。土壤的滲透率與時間的關系符合冪函數(shù)回歸曲線方程，Y=ax-b，相關系數(shù)呈顯著相關水平。

由圖1可知：滲透速率在前26 min最大，即在間隔10 min之間是最大的，10 min以后滲透速率減小，趨于達到穩(wěn)滲速率，在最初的1 min內，滲透速率最大，B海拔梯度最大，后面依次是A＞D＞G＞C＞E＞F；隨著時間間隔的增大，它們的滲透速率減小，到15 min以后相差不大，趨于達到穩(wěn)滲速率。

以初滲率為X1，平均滲透率為X2，穩(wěn)滲率為X3，滲透總量為X4為評定指標進行主分量分析。

表4結果表明，前兩個主分量的方差累積貢獻率高達99.45%，幾乎解釋了整個總方差，信息量損失很小。其中又以第1主分量提供的信息量

最大，方差貢獻率達95.927%.

表2 不同海拔梯度土壤物理性質Table 2 Different elevation gradient of soil physical property

表3 不同海拔梯度的滲透率性質Table 3 The permeability properties of different elevation gradient

圖1 滲透速率與時間間隔關系Fig. 1 The penetration rate and time interval

表4 土壤滲透性主分量分析Table 4 Soil permeability principal component analysis

3 結論與討論

白龍江上游灌叢林地土壤物理性質隨海拔的變化差異較大。由于受到多種因素的影響，不同海拔梯度土壤密度、孔隙度、持水量等都表現(xiàn)出比較復雜的變化。平均土壤密度變化在0.85～1.69 g·cm-3之間，隨著海拔的升高，密度有逐漸減小的趨勢，但是在海拔梯度E處最大，E處的0～10 cm的土壤密度較小，這與土壤表層枯落物的含量、土壤微生物、土壤透氣性等有關；平均毛管孔隙度在24.47～66.22%之間，非毛管孔隙度較小，在1.54～12.81%之間，孔隙度和密度呈負相關，即密度越大土壤的毛管孔隙度越小，土壤越緊實，透氣性越差，土壤水分、養(yǎng)分運輸速率越低，土壤微生物活動較少。

不同海拔梯度灌叢土壤平均含水率在8.49～122.84%之間，海拔梯度F的最大，A的最小。在海拔最低處，植物生長茂盛，物種豐富，植物需要的水分較多，所以植物土壤含水率較低，隨著海拔的升高，土壤含水率有所上升，溫度降低、蒸騰作用減小，土壤所需水分相應的減小。但是到海拔梯度E處時土壤含水率降低，因為在此海拔梯度處是采伐后未更新的狀態(tài)，植物稀少，植被部分裸露，使土壤水分散失較嚴重。載隨著海拔的升高土壤含水率又升高（122.84%），這一海拔梯度處是未采伐遺留的原始林地，林下水分較大。穿過冷杉原始林后就是杜鵑灌木林，植被郁閉度小，部分裸露，土壤含水率低。

土壤滲透，滲流速度是反映森林涵養(yǎng)水源效益的主要指標之一，林地土壤滲透性受諸多土壤性質的制約，其中土壤緊實度是最重要的因素之一[15]。水分入滲過程是一個復雜的水文過程,與降水地表徑流、土壤結構、含水量、質地等因素密切相關[16-17]。不同海拔梯度類型的土壤初滲率、穩(wěn)滲率、滲透總和和平均滲透率都有較大的差異；初滲率在2.02～20.90之間，最大的是B海拔梯度為20.90 mL·min-1，最小的是F海拔梯度為2.02 mL·min-1，初滲率最大的是最小的10.35倍；穩(wěn)滲率和初滲率有相似的趨勢，但是穩(wěn)滲率最大的是B海拔梯度為6.20mL·min-1，最小的是F海拔梯度為0.35 mL·min-1，穩(wěn)滲率最大的是最小的17.17倍；土壤的滲透量總和和平均滲透率表現(xiàn)一樣。通過對主分量因子分析可知第1主分量提供的信息量最大，方差貢獻率達95.93%。土壤滲透性還受林地枯落物，以及土壤的石礫含量、含水量和母巖等的影響[18]。

白龍江上游區(qū)域近年來隨著交通的發(fā)展對其生態(tài)環(huán)境影響較大，特別是過度放牧、大量的采藥以及修路等，破壞了原有的生態(tài)植被，增加了水土流失量。白龍江上游灌叢類型是白龍江主要的林分類型，保護和了解白龍江灌叢生態(tài)環(huán)境，有利于更好的利用和保護灌叢和生態(tài)環(huán)境，對以后的地方樹種植樹造林、科學研究、生態(tài)保護等提供有利的幫助。

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Study on Siol Permeability of Different Altitude Gradient in the Upper Analysis of Bailong River

WANG Fei, YANG Yonghong, QI Rui, CAO Xiuwen, LIU Jinqian
(College of Horticulture, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu,China)

The soil of scrub vegetation types in the upper reaches of Bailong river in Gansu province was studied, the results showed that: (1) The average soil density, capillary porosity and non capillary porosity change greatly with the increasing of altitude gradient.The average density is between 0.85 g·cm-3to 1.61 g·cm-3, the average soil density decreases gradually with the increase of altitude.But at an altitude of E (2 750-3 000 m), the average soil density is the largest and the soil density from 0 to 10 cm was smaller. Average porosity between 24.41% to 66.22%, non-capillary porosity between 1.54% to 12.81%, porosity and density were negatively correlated.(2) With the increase of altitude gradient capillary moisture capacity ,maximum moisture capacity and minimum water-holding capacity fi rst increases and then decreases in the altitude to E (2 750-3 000 m). The results were consistent with capillary porosity change;The drainage capacity decreases with the increase of the altitude gradient form 27.79 to 7.86 mm. (3) The initial in fi ltration rate, steady in fi ltration rate and the average permeability of the soils with different altitude gradient have great differences. The initial in fi ltration rate is between 2.02 to 20.90 mL·min-1and the steady in fi ltration rate is between 0.35 mL·min-1to 6.20 mL·min-1, the relationship between permeability and time is in line with the power function regression equation Y=ax-b, the correlation coef fi cient reached a signi fi cant level.

Bailong river; different altitude gradient; scrub; soil; permeability

S714

A

1673-923X(2017)06-0096-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.06.016

2016-01-16

甘肅省青年科技基金計劃項目（145RJYK278）；隴原青年創(chuàng)新人才扶持計劃項目資助；甘肅省林業(yè)科技項目（2015kj048，2015kj051，2016kj058）

王 飛，工程師

曹秀文，正高級工程師；E-mail：1336190642@qq.com

王 飛，楊永紅，齊 瑞，等. 白龍江上游不同海拔梯度灌叢土壤滲透性能分析[J].中南林業(yè)科技大學學報，2017, 37(6):96-100, 124.

[本文編校：吳 彬]