金沙江流域典型森林土壤水分入渗特征试验研究

刘芝芹，郎南军，，彭明俊，温绍龙，李甜江，吴云飞

（1.昆明理工大学 环境科学与工程学院，云南 昆明650093；2.西南林业大学，云南 昆明650224；3.云南省林业科学院，云南 昆明650204）

土壤水分入渗是地表径流和地下径流之间分配降水或其它形式地面供水的过程，对水分循环和土壤流失过程具有十分明显的作用［1］，研究土壤水分入渗特性是探讨流域产流机制的基础和前提，确定不同森林类型土壤水分入渗参数及评价土壤水分入渗能力对于探讨流域水文过程的调节机制具有十分重要的意义［2］。我国已经在黄土高原、三峡库区江南红壤区和紫色土区开展了大量土壤水分入渗的研究工作，取得了丰富的理论依据和实践经验。赵鹏宇等［3］在黄土丘陵区对不同土地利用方式的土壤入渗规律进行了研究，结果表明植被覆盖地平均入渗率是刈割地的1.2倍，是翻耕地的2.0倍；杨海龙等［4］通过对三峡库区森林流域土壤渗透性能的研究表明土壤入渗速率回归方程表现为乘幂形式，相关性较好；傅斌等［5］利用人工模拟降雨研究了坡度、降雨、耕作方式对紫色土坡耕地入渗过程的影响表明雨强对入渗过程有重要影响。但目前在我国云贵高原金沙江流域土壤入渗性能的研究较少。而云贵高原金沙江流域土层薄，土壤透水能力强，蓄水能力差，雨季降水入渗补给是土壤水资源的唯一来源，但由于干湿季降水的不均匀分布，造成季节性干旱。因此分析土壤的特性及其水分入渗特征对于研究该地区流域产流机制，水分运移过程以及水土资源协调管理具有重要意义。本研究以云贵高原金沙江流域5种不同森林类型的土壤渗透性能进行了研究，以阐明云贵高原金沙江小流域土壤入渗的变化特征和规律，为该地区植树造林和生态环境的恢复提供理论依据。

1 研究区概况与试验方法

1.1 研究区概况

试验地选择在云南省曲靖市会泽县的金钟镇，地理位置为26°27′N，103°24′E。研究区域设在全国生态林业工程功能观测网络一级监测站头塘小流域内。属金沙江一级支流牛栏江流域，为中山山地地貌，海拔1 950～2 600m。该区属亚热带季风山地气候，干湿季明显。年均气温12.7℃，最冷月为1月，平均气温4.6℃；最热月为7月，平均气温19.1℃。年均降水量822.1mm，雨季降水约占90%，年蒸发量1 861.9mm，为降水量的2.3倍。母岩以紫色砂页岩为主，另有少量的玄武岩，主要土壤类型有紫色土、红壤和棕壤。在金沙江头塘小流域的天然次生林中，共有维管束植物137种，隶属于63科，121属。在流域内选择华山松（Pinus armandii）、水冬瓜（Aluns cremastogyne）、滇杨（Populus yunnanensis）、圣诞树（Acacia dealbata）纯林4种典型森林及林外荒坡地土壤作为调查研究对象。

1.2 试验设计

2013年1—3月选择该区域内有代表性的4种森林类型及荒坡地（对照）作为观测点。不同森林的林分类型不同，其树木生长状况，林内的水热光合条件，林下枯落物等都有所不同，这些因素都对土壤的孔隙度有着直接影响，同时林木根系以及腐烂的腐殖质对土壤质地也会产生一定影响，而地表覆盖能有效减弱水流对土壤的扰动。分别调查4种不同森林类型和荒坡地样地的基本情况，同时测定不同森林类型的土壤物理性质及土壤入渗速率，分析不同森林类型土壤水分入渗特征。试验前对观测点预先进行人工洒水以消除土壤前期含水量对入渗的影响，然后持续测定不同森林类型的土壤含水量，当土壤含水量接近设计含水量时，开始试验。观测点均选在坡度大约为10°～20°的坡地，4种不同森林类型和荒坡地样地的基本情况详见表1。

表1 不同森林类型概况

1.3 测定项目及计算方法

采用烘干法测定土壤含水量，采用环刀法测定土壤容重、孔隙度等物理性质［6］；采用双环法测定土壤水分入渗情况，并采用定量加水记时法测定入渗速率并绘制入渗能力曲线。数据与图表均采用统计分析软件SPSS 13.0以及Excel处理和分析。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性状对土壤稳渗率的影响

土壤孔隙是土壤养分、水分和空气以及微生物、植物根系等的通道或贮存库，它直接反映了整个土体的结构状况，是衡量土壤肥力的重要指标之一。由5种不同森林土壤物理性状的测定结果可知（表2），不同森林类型土壤0—60cm毛管孔隙度均值为42.56%～51.25%，其中以华山松林最大，为荒坡地的1.2倍，其由大到小的顺序为：华山松林＞滇杨林＞圣诞树林＞水冬瓜林＞荒坡地；不同森林类型的土壤总孔隙度和毛管孔隙度随土层厚度的增加而逐渐减小。各类森林土壤的总孔隙度均比荒坡地高，5种土壤平均总孔隙度的大小顺序为：华山松林＞滇杨林＞圣诞树林＞水冬瓜林＞荒坡地，表明森林的土壤物理性状和结构要优于荒坡地。

土壤容重反映土壤在单位体积内排列的松紧程度，容重减小时土壤总孔隙度及大孔隙量相应的增大，土壤入渗速率增大；容重增大时，土壤入渗速率随之减小。由表2可以看出，5种不同地类的土壤容重随着土层厚度的增大亦逐渐增大。5种不同森林土壤平均容重的大小依次为：荒坡地＞水冬瓜林＞圣诞树林＞滇杨林＞华山松林。将不同土壤容重与土壤稳渗率进行拟合分析，拟合结果表明，土壤容重与稳渗率呈显著的指数函数关系（R2＝0.924 3）。这与王纪杰等［7］在对桉树人工林土壤渗透性能及其影响因子进行研究的结论相一致，不同土层土壤渗透性随土层加深而降低。

表2 5种森林类型不同土层的土壤物理性状

2.2 不同森林类型的入渗速率比较

入渗是降雨落到地面进入土壤形成土壤水的过程，是降雨转化为径流的一个重要的中间环节。土壤入渗是土壤非常重要的物理特征参数之一，入透性能的好坏直接关系到地表径流量的多少，土壤入透性能越好，地表径流量就会越少，土壤的流失量也会相应减少［8］。初渗率和稳渗率是反映土壤入渗能力最直接的指标。研究区各森林类型土壤的入渗性能详见表3。从表3可以看出，华山松林前120min平均入渗速率（2.42mm／min）较滇杨林（2.16mm／min）、圣诞树林（2.11mm／min）、水冬瓜林（1.23mm／min）、荒坡地（0.78mm／min）分别高出1.12，1.15，1.97和3.10倍；不同森林类型的稳渗率也表现出同样的趋势。从研究结果可知，平均入渗率和稳渗率均表现为：华山松林地＞滇杨林地＞圣诞树林地＞水冬瓜林地＞荒坡地，这与张治伟［9］在岩溶坡地不同利用类型土壤入渗性能的研究中得出的结论一致，不同森林类型对土壤入渗性能影响较大。同时表明有林地土壤的物理性状和结构要优于无林地，由此证明了植被在改良土壤上的重要作用［10－11］。森林林地由于其地上植被盖度较大，土壤表层积累的枯枝落叶形成的腐殖质以及表层土壤所聚集的植物根系对土壤均有巨大的改良作用，通过对土壤的结构改善而有利于土壤水分的迅速下渗。土地利用方式影响着土壤水分入渗，已有研究也指出，未受干扰的自然土壤有机质较高，入渗速率高［12］。荒坡地由于人畜践踏，土壤孔隙率很小，水分入渗很少，故其土壤的物理性状得不到改良，导致渗透性能不及有林地，其初始入渗速率仅为3.02mm／min。不同森林类型由林分组成不同，其生物特性也不同，因而土壤入渗规律有一定的差异，总体来看针叶林的土壤入渗能力要明显高于阔叶林。

表3 不同森林类型土壤水分入渗状况 mm／min

2.3 不同森林类型土壤水分入渗特征

水分渗入土壤是水分在分子力、毛管力和重力的综合作用下在土壤中运动的物理过程，入渗按土壤水分受力情况及运行特征可分为3个阶段：渗润阶段、渗漏阶段和渗透阶段［13］。在初始的渗润阶段，由于土壤含水量很低，土壤水分未能充满土壤非毛管孔隙，土壤水分处于非饱和状态，渗透速率变化剧烈，这个阶段发生在渗透开始的0—5min内；在渗漏阶段，由于土壤含水量增加，下渗速度逐渐减小，渗透速率的变化过程较为平稳，土壤水分主要受毛管力的作用继续作不平稳的流动，直到全部毛管孔隙充满水分，这个阶段持续60—80min左右；在渗透阶段，土壤含水量达到田间持水量以上，水分主要在重力作用下作渗透运动，最后下渗速度趋于稳定。

图1为4种森林及荒坡地土壤水分入渗率随时间变化曲线。由图1可以看出，其土壤水分入渗过程比较类似，随时间延续，水分不断进入土壤，土壤水分容量减小，入渗速率逐渐降低。滇杨林地、圣诞树林地、华山松林地、水冬瓜林地初期入渗速率较大，均达到5.88mm／min以上；3个阶段表现的比较明显，渗漏阶段持续60—80min左右，到80—100min后土壤水分入渗进入稳定入渗阶段。

图1 不同土地利用方式土壤入渗过程线

2.4 不同森林类型土壤水分入渗模拟

根据试验具体情况，运用3种模型近似模拟土壤入渗过程。

（1）Kostiakov入渗模型［14］

式中：f——t时刻的土壤入渗速率（mm／min）；t——入渗时间（min）；a，b——参数。

（2）Philip入渗模型［15］

式中：s——吸湿率（%）；fc——稳定入渗速率（mm／min）。

（3）Horton入渗模型［16］：

式中：f0——初始入渗率（mm／ min）；t——时间，k——系数。

采用实测的土壤入渗过程数据与3种模型进行拟合，得出了不同模型的模拟精度和参数估计值（表3）。Kostiakov入渗模型中a为经验入渗常数，即第一个单位时段内的平均入渗速率，a值的大小主要受土壤结构、孔隙度和非毛管孔隙度等的影响；b值的大小表示入渗速率随时间减小的程度，b值越大，则入渗速率随时间减小的程度越快。由表4可见，参数a，b的变化较有规律。参数a变化范围在4.315～8.209之间，a在滇杨林最大，荒坡地最小，可以反映入渗初期的差异，与滇杨林初始入渗率最大，荒坡地初始入渗率最小的规律相一致；b在0.563～0.708之间变动，其中水冬瓜林和荒坡地比较接近，数值也最大，说明水冬瓜林和荒坡地土壤入渗速率随时间减少最快，可能与湿润状态下土壤结构变化有关，与已有研究趋势一致［9，17］。

表4 不同森林类型土壤水分入渗方程表达式

从表4中可以看出，不同的方程对于不同树种林分土壤入渗过程的模拟精度有所差异，Philip模型和Horton模型均对华山松林和荒坡地的模拟精度较高（R2＞0.8），对滇杨林、圣诞树林和水冬瓜林的模拟精度偏低；Kostiakov模型对5种森林类型的模拟精度都较高，R2值都超过或接近0.9。因此可以得出，研究区域的用双环入渗法得出的土壤入渗过程用Kostiakov模型拟合的效果最佳，其次为Philip模型，而用Horton模型模拟的效果最差。Kostiakov模型能较好的模拟该流域各森林类型的土壤水分入渗过程。吕刚［18］的研究也表明，Kostiakov模型可以较好模拟老秃顶子自然保护区不同植被类型不同层次土壤入渗速率与时间的变化过程，刘丽红等［19］在岩溶槽谷区不同土地利用方式土壤入渗规律的研究中也表明Kostiakov比Horton和Philip公式能更好地拟合不同土地利用类型的土壤入渗过程。

3 结论

（1）研究区不同森林类型的土壤总孔隙度和毛管孔隙度随土层厚度的增加而逐渐减小；森林土壤的总孔隙度都比荒坡地的高，5种森林土壤平均总孔隙度的大小顺序为：华山松林＞滇杨林＞圣诞树林＞水冬瓜林＞荒坡地，表明森林的土壤物理性状和结构要较荒坡地的好。

（2）5种森林的土壤容重随着土层厚度的增大亦逐渐增大。其平均容重的大小依次为：荒坡地＞水冬瓜林＞圣诞树林＞滇杨林＞华山松林。不同土层土壤渗透性随土层加深而降低；水分入渗受土壤容重的影响，随容重增加，稳渗率降低，两者呈现显著的指数函数关系。

（3）不同森林类型其土壤水分入渗特征不同。不同森林类型土壤前120min平均入渗速率介于0.78～2.42mm／min之间，稳渗率介于0.10～0.53 mm／min之间；华山松林平均入渗速率（2.42 mm／min）较滇杨林（2.16mm／min）、圣诞树林（2.11 mm／min）、水冬瓜林（1.23mm／min）、荒坡地（0.78 mm／min）分别高出1.12，1.15，1.97和3.10倍；不同森林类型的稳渗率也表现出同样的趋势，无论是平均入渗率还是稳渗率均表现为：华山松林地＞滇杨林地＞圣诞树林地＞水冬瓜林地＞荒坡地。金沙江流域是西南流域是典型的生态退化区，治理退化的生态环境对其经济和社会发展有着重要的意义。在进行金沙江流域生态环境的治理时，营建人工林是一项有效的措施。

（4）土壤渗透初始的渗润阶段发生在渗透开始的前0—5min时段以内；渗漏阶段持续发生在渗透开始后的60—80min左右；在渗透阶段，土壤含水量达到田间持水量以上，下渗速度趋于稳定，该阶段主要发生在入渗80min以后。

（5）研究区域用双环入渗法得出的土壤入渗过程用Kostiakov模型拟合的效果最佳，其次为Philip和Horton模型。

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