植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能研究現(xiàn)狀及展望

何海洋 張震 尹忠 張毅

摘 要：土壤滲透性能是植被水文功能研究的重要指標(biāo)之一，同時也是影響土壤侵蝕的重要因素之一。鑒于此，文章主要從黃土丘陵區(qū)、衡陽紫色土丘陵、喀斯特地區(qū)、滇中地區(qū)4個不同區(qū)域分析植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能，明確植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能的國內(nèi)外研究進(jìn)展，及其在理論、技術(shù)和應(yīng)用方面的不足。研究認(rèn)為：（1）研究區(qū)域應(yīng)多集中在上述區(qū)域；（2）發(fā)展物理性質(zhì)檢測技術(shù)。

關(guān)鍵詞：滲透性能；水文功能；土壤侵蝕；初始入滲速率

中圖分類號：S154.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0082-03

Abstract： Soil permeability is one of the important indexes in the study of vegetation hydrological function， and it is also one of the important factors affecting soil erosion. In view of this， the paper mainly analyzes the soil permeability in the process of vegetation restoration from four different regions of loess hilly region， purple soil hilly area in Hengyang， karst area and central Yunnan Province. To clarify the research progress of soil permeability in the process of vegetation restoration at home and abroad， as well as its theoretical， technical and application deficiencies. It is considered that （1） the research area should be the above mentioned area， and （2） the physical property detection technology should be developed.

Keywords： permeability； hydrological function； soil erosion； initial infiltration rate

森林生態(tài)系統(tǒng)有一個非常重要的功能，即森林的水源涵養(yǎng)功能[1]。土壤滲透性能與森林的水源涵養(yǎng)功能和水土保持、降低洪峰影響的作用相關(guān)[2]。水分的下滲速度是確保森林土壤水源涵養(yǎng)發(fā)揮的重要因子[3，4]。地表徑流的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)與土壤滲透性能密切相關(guān)，土壤的侵蝕量與土壤的滲透性能呈顯著性相關(guān)[5]。因此，土壤滲透性能成為學(xué)科中土壤水文學(xué)的研究重點部分[6]。對不同植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能的評價與分析，能夠為不同的森林植被的水源涵養(yǎng)功能的相關(guān)一系列研究提供依據(jù)。不同植被恢復(fù)類型、不同的恢復(fù)階段和不同的土層厚度的土壤滲透性能有著較大差異。研究表明，土壤的理化性質(zhì)、人為干擾和林利用方式等對土壤滲透能力均有著一定的影響，但在不同植被恢復(fù)條件下，影響土壤滲透特性的因素也有一定差異[7]。

我國現(xiàn)在的植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能研究主要在土壤滲透過程模型、機(jī)理、滲透特征、影響因素及植被恢復(fù)模式對滲透的影響評價方面，且研究區(qū)域主要集中在黃土丘陵區(qū)、紫色土丘陵、喀斯特地區(qū)、滇中地區(qū)。因此，該文通過研究不同區(qū)域植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能，表明土壤物理性質(zhì)的改變對植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能的影響，為以下研究區(qū)域的不同植被恢復(fù)建設(shè)和生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)和指導(dǎo)[8]。

1 土壤滲透性能的概念

滲透是水分在土壤中向下的流動，從土壤表面滲入土壤中形成土壤水的過程。土壤滲透性能決定著土壤對水分傳輸?shù)脑俜峙?，是森林植被水文功能研究的一個重要指標(biāo)，是評價水源涵養(yǎng)能力和土壤水分調(diào)節(jié)能力的一個重要指標(biāo)，同時也對土壤侵蝕有較大影響[9]。土壤滲透性能受制于許多外在因素和內(nèi)在因素的影響，與不同植被類型、土壤種類、土壤結(jié)構(gòu)和降雨強(qiáng)度等密切相關(guān)[10]。

2 土壤滲透性能的現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者對土壤滲透性能進(jìn)行了大量的研究，并建立了Phillip、Green-Ampt、Horton等著名模型及經(jīng)驗公式，進(jìn)而對土壤滲透的過程進(jìn)行了定量描述與模擬[11，12]。我國已經(jīng)在黃土丘陵區(qū)、衡陽紫色土丘陵、喀斯特地區(qū)和滇中地區(qū)進(jìn)行了大量土壤滲透性能方面的研究工作，獲得了大量理論與實踐成果，土壤滲透性能與其土壤理化性質(zhì)的關(guān)系主要集中在物理性質(zhì)的改善對土壤滲透性能的影響方面。在進(jìn)行土壤滲透性能實驗時，大多研究主要單環(huán)法、雙環(huán)法、張力入滲儀法和室內(nèi)模擬降雨法，側(cè)重的觀測不同植被恢復(fù)過程、不同地類或不同土壤的表層土壤入滲性能和不同層次土壤滲透能力；在分析影響因素時，現(xiàn)有大家研究的是初始含水率、土壤容重和土壤質(zhì)地對滲透性能的影響，和研究土壤滲透能力與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系。因此，研究不同植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能，對區(qū)域水土保持及生態(tài)建設(shè)有著重大的意義。

3 不同植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能

3.1 黃土丘陵區(qū)退耕地植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能

將黃土丘陵區(qū)1，4，8a退耕地上的植物群落組成演替序列，并以研究區(qū)域天然狼牙刺群落和人工檸條群落作對照，上述植被恢復(fù)過程中，對土壤穩(wěn)定入滲過程和入滲特征進(jìn)行了詳細(xì)對比研究。研究表明隨著退耕地上植被的恢復(fù)，土壤的滲透速率不斷提高，土壤物理性質(zhì)的改善對土壤的滲透性能的影響非常大。

3.1.1 植被建設(shè)

不同恢復(fù)植被類型對土壤滲透性能的改善能力有較大差異，對于黃土丘陵區(qū)而言，針對性進(jìn)行植被建設(shè)是提高土壤滲透性能的主要有效途徑，隨著森林植被的恢復(fù)過程中，不同植被類型土壤穩(wěn)定滲透率、累積滲透量和飽和導(dǎo)水率較恢復(fù)前期顯著的增大，其中人工檸條林地土壤的增幅是最為明顯。

總的來說，通過狼牙刺和檸條進(jìn)行比較，研究表明退耕地植被恢復(fù)能夠提高土壤的滲透性能和改善土壤的理化性質(zhì)。

3.1.2 土壤活性孔隙

土壤飽和導(dǎo)水率和入滲速率分別和土壤總孔隙度和土壤容重兩種物理性質(zhì)之間有著較明顯的關(guān)系。隨著不同森林植被恢復(fù)過程中，表層土壤的土壤孔隙度增加和容重減小，導(dǎo)致更有利水分的下滲，從而土壤的入滲能力得到了提高。

3.1.3 土壤物理性質(zhì)

在黃土丘陵區(qū)，狼牙刺屬于相對穩(wěn)定的自然群落之一，森林植被與土壤長時間互相影響將形成一個最佳的土壤滲透特征。這將作為土壤滲透性能參考標(biāo)準(zhǔn)的理想值。研究表明土壤的物理性質(zhì)在逐漸改善提高，因為在森林植被恢復(fù)過程中，退耕年限高點的土壤飽和導(dǎo)水率、飽和導(dǎo)水率逐步靠近該理想值。

3.2 衡陽紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能

為探討不同植被恢復(fù)模式對土壤滲透性能的影響，實驗以裸地為對照，以土壤的初滲率、穩(wěn)滲率、平均滲透率和滲透總量表征土壤滲透性，對衡陽紫色土丘陵4 種不同植被恢復(fù)模式的滲透性及其與土壤物理性質(zhì)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：4 種植被恢復(fù)模式的土壤滲透性均優(yōu)于裸地，各不同植被恢復(fù)模式土壤滲透性能大小依次為：楓香×苦楝>牡荊×刺槐>紫薇×糯米條>狗尾草×狗芽根>裸地[9]。

3.2.1 土層深度

以裸地為對照，采取0～15cm、15～30cm和30～45cm的土壤進(jìn)行研究，土壤的物理性質(zhì)改善隨土層深度的加深而減弱，因此，在衡陽紫色土丘陵地區(qū)，我們選擇植被種類應(yīng)該較慎重，盡可能的選擇根系深、生物量大、耗水量低的森林植被種。從而達(dá)到提高土壤物理性質(zhì)及防止水土流失的效果。

3.2.2 構(gòu)建模式

土壤水貯存在土壤當(dāng)中，研究表明土壤層決定了改善水土保持能力，不同的構(gòu)建模式和枯枝落葉層組成與結(jié)構(gòu)均能影響土壤的物理性質(zhì)?？紫抖鹊拇笮〖靶再|(zhì)影響著雨水的下滲速率和水分貯存。在4種不同構(gòu)建模式中，楓香×苦楝模式在減少地表徑流、水源涵養(yǎng)等方面優(yōu)于其他模式。在林草植被模式中，林下草本植物與枯枝落葉在減少地表徑流、水源涵養(yǎng)方面有極其重大的影響。因此，在森林植被恢復(fù)過程中，該采取相應(yīng)的有效措施以保護(hù)已有的地表植被與枯落物，進(jìn)一步加強(qiáng)森林植被的建設(shè)[9]。

3.3 喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能

喀斯特以烤煙坡耕地和柳杉人工林作為對照，研究喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)過程地區(qū)大灣小流域不同植被恢復(fù)階段樣地和不同經(jīng)果幼林樣地中的土壤滲透性能及其影響因素。結(jié)果表明：土壤滲透性能由高到低的順序為李樹+金銀花>刺梨+獼猴桃>李樹+刺梨>棗樹+玉米，喬木疏林>灌木林>灌草>喬灌過渡林> 草坡>柳杉人工林；烤煙坡耕地土壤平均入滲速率與穩(wěn)定入滲速率均次于喬木疏林地，烤煙坡耕地土壤入滲性能較好。

3.3.1 生態(tài)恢復(fù)措施

在喀斯特地區(qū)實施喬灌搭配式和灌草坡的封育的生態(tài)恢復(fù)措施，能夠有效地增加土壤水分下滲，進(jìn)而減少地表徑流。

考斯恰柯夫、Horton、Philip這 3種模型的研究都能夠闡述土壤入滲速率與時間的變化的關(guān)系。對柳杉人工林和植被恢復(fù)不同階段的土壤滲透過程來說，考斯恰柯夫模型擬合效果不錯。對李樹+金銀花、棗樹+玉米的入滲過程，Horton模型擬合效果不錯；Philip模型對烤煙坡耕地和刺梨+獼猴桃、李樹+刺梨2種經(jīng)果幼林的土壤入滲擬合效果不錯[6]。

3.3.2 顆粒質(zhì)量含量

土壤0.05～0.001mm粉粒質(zhì)量含量和1～0.05mm砂粒質(zhì)量含量與土壤滲透性能有著相關(guān)關(guān)系，土壤水分的滲透速率能夠由其相關(guān)關(guān)系構(gòu)建線性方程定量來詳細(xì)描述。

3.4 滇中不同植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能

對滇中桉樹林、荒坡灌草叢、云南松林、針闊混交林、次生常綠闊葉林5種不同植物群落恢復(fù)措施下，土壤滲透性及其相關(guān)影響因子進(jìn)行研究。結(jié)果表明：土壤的飽和導(dǎo)水率在不同植物群落中的大小順序為：次生常綠闊葉林>針闊混交林和荒坡灌草叢>云南松林>桉樹林。

3.4.1 群落結(jié)構(gòu)

在不同的植物群落恢復(fù)下，隨群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的升高，土壤容重下降，總孔隙度及有機(jī)質(zhì)含量遞增；土壤滲透與土壤容重成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與總孔隙度及有機(jī)質(zhì)含量成正相關(guān)關(guān)系。在滇中地區(qū)以植物群落結(jié)構(gòu)恢復(fù)為主要手段而間接的改善土壤性質(zhì)，進(jìn)而改變土壤滲透的影響因子，這樣才能達(dá)到水源涵養(yǎng)的生態(tài)效應(yīng)。

3.4.2 土壤結(jié)構(gòu)

滇中桉樹林、荒坡灌草叢、云南松林、次生常綠落葉林、針闊混交林物種植物群落結(jié)構(gòu)逐步完善過程中，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化有：土壤容重下降、有機(jī)質(zhì)含量和總孔隙度增加。土壤物理性質(zhì)的變化是飽和導(dǎo)水率隨植物群落恢復(fù)過程中而逐漸增大，大小順序為：次生常綠落葉林>針闊混交林和荒坡灌草叢>云南松林>桉樹林；云南松林和桉樹林歷時最短到達(dá)穩(wěn)滲率，明顯高于其他植被類型。通過逐步改善的土壤物理性質(zhì)和飽和導(dǎo)水率相關(guān)性分析也證明了在不同植被恢復(fù)過程中土壤結(jié)構(gòu)的改善與土壤滲透的相關(guān)性。

4 結(jié)果分析

在對于黃土丘陵區(qū)退耕地植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能的研究中，說明隨著退耕地上植被的恢復(fù)，土壤的入滲速率不斷提高，土壤的滲透性能受土壤理化性質(zhì)影響非常大。

衡陽紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能研究表明：土壤滲透性隨土壤深度的增加而減弱；不同的構(gòu)建模式和枯枝落葉層組成與結(jié)構(gòu)均能影響土壤的物理性質(zhì)，從而影響土壤滲透性能。

喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能研究表明：不同土地利用類型、生態(tài)恢復(fù)措施和顆粒質(zhì)量含量，土壤滲透性能不同。

滇中不同植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能研究表明：不同的群落結(jié)構(gòu)和土壤結(jié)構(gòu)改善土壤理化性質(zhì)，從而不同程度影響土壤滲透性能。

4個地區(qū)大都是通過研究土壤理化性質(zhì)探索植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能，但都是通過不同方向進(jìn)行研究的，如衡陽紫色土丘陵區(qū)研究不同的構(gòu)建模式，枯枝落葉層組成與結(jié)構(gòu)不同，造成土壤物理性質(zhì)的差異。目前川中丘陵區(qū)研究土壤滲透性能大多數(shù)是不同利用方式下土壤滲透性能，本文不同植被恢復(fù)過程下土壤滲透方面的研究，以期為四川以后防治區(qū)域水土流失、協(xié)調(diào)區(qū)域土地利用及退耕還林工程的有效實施提供一定理論依據(jù)。

5 結(jié)束語

土壤滲透性能將決定地表徑流的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換的能力，根據(jù)相關(guān)研究表明土壤侵蝕與土壤滲透性能呈顯著相關(guān)。因此，土壤滲透性能是反映植被保持水土和水源涵養(yǎng)作用重要的水文效應(yīng)評價指標(biāo)，為植被恢復(fù)建設(shè)及可持續(xù)的生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。但目前國內(nèi)外對于不同植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能的研究極不完善，通過結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對現(xiàn)在存在的問題及發(fā)展趨勢，植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能相關(guān)研究應(yīng)重點在以下兩個方面需進(jìn)一步深入：

（1）研究區(qū)域應(yīng)多集中于人為干擾嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重的黃土丘陵區(qū)、衡陽紫色土丘陵、喀斯特地區(qū)、滇中地區(qū)和川中丘陵區(qū)等，同時針對土壤界面的水文效應(yīng)研究應(yīng)該增多。

（2）發(fā)展物理性質(zhì)檢測技術(shù)，土壤滲透性能與理化性的關(guān)系大多集中在物理性質(zhì)的差異對土壤滲透性能的影響方面。因此，目前國內(nèi)應(yīng)該增加研究物理性質(zhì)不同的方向與土壤滲透性能的相關(guān)關(guān)系，對相應(yīng)重點區(qū)域水土保持及生態(tài)建設(shè)有很大的研究意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙洋毅，王玉杰，王云琦，等.渝北水源區(qū)水源涵養(yǎng)林構(gòu)建模式對土壤滲透性的影響[J].生態(tài)學(xué)報，2010，30（15）：4162-4172.

[2]劉目興，杜文正，張海林.三峽庫區(qū)不同林型土壤的入滲能力研究[J].長江流域資源與環(huán)境，2013，22（3）：299-306.

[3]趙錦梅，張德罡，劉長仲.東祁連山土地利用方式對土壤持水能力和滲透性的影響[J].自然資源學(xué)報，2012，27（3）：422-429.

[4]秦華軍，何丙輝，趙旋池，等.西南喀斯特山地林下經(jīng)濟(jì)模式對土壤滲透性的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，21（11）：1386-1394.

[5]閆東鋒，楊喜田.豫南山區(qū)典型林地土壤入滲特征及影響因素分析[J].中國水土保持科學(xué)，2011，9（6）：43-50.

[6]王佩，戴全厚.喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)過程中土壤滲透性能及其影響因素[J].中國水土保持科學(xué)，2011，10（6）：12-18.

[7]李建興，何丙輝，徐小軍.生物埂護(hù)坡下不同土地利用方式對土壤滲透性的影響[J].水土保持學(xué)報，2012，26（6）：243-253.

[8]勃海鋒，劉國彬，王國梁.黃土丘陵區(qū)退耕地植被恢復(fù)過程中土壤入滲特征的變化[J].水土保持通報，2007，27（3）：1-5.

[9]朱紅球，謝振華，李紅.衡陽紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)模式對土壤滲透性的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2013，29（22）：73？77.

[10]侯秀麗，付登高，李博，等.滇中不同植被恢復(fù)策略下土壤入滲性能及其影響因素[J].山地學(xué)報，2013，31（3）：273-279.

[11]Kato H，Onda Y，Tanaka Y，et al.Field measurement of infiltration rate using an oscillating nozzle rainfall simulator in the cold.semiarid grassland of Mongolia[J].Catena，2009，76（3）：173-181.

[12]Pierson F B，Robichaud P R，Moffet C A，et al.Soil water repellency and infiltration in coarse-textured soils of burned and unburned sagebrush ecosystems[J].Catena，2008，74：98-108.