若爾蓋濕地土壤入滲性能及其影響因素

鄭凱利, 鄧東周

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 成都 611231; 2.四川省林業(yè)科學(xué)研究院, 成都 610081)

土壤是連接生物圈、大氣圈、巖石圈最重要的過(guò)渡帶，是人類、動(dòng)植物、微生物等賴以生存的生境之一，是人類活動(dòng)進(jìn)行的直接場(chǎng)所，研究土壤的水分入滲特性是人類了解以及積極開(kāi)展土壤侵蝕防治的有效前提[1-3]。土壤入滲是四水(降水、地面水、土壤水和地下水)相互流通、轉(zhuǎn)化、運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)[4-6]。土壤的入滲特性受多方面因素的影響，蔡煥杰等[7]利用Win SRFR 4.1軟件與擬合度檢驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)考斯加科夫土壤入滲模型參數(shù)值進(jìn)行模擬，表明土壤隨體積質(zhì)量的增加，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)逐漸瓦解、孔隙度和入滲率隨之降低。也有研究認(rèn)為入滲性能主要由土壤機(jī)械組成的比例、團(tuán)聚體含量和初始含水率等多種不定因素決定[8-9]。一般來(lái)說(shuō)植物截流、雨量蒸發(fā)和填洼量不及下滲量，高效的入滲有利于降低土壤產(chǎn)流、減緩徑流沖刷土表、增加蓄水量，還可避免超滲產(chǎn)流的產(chǎn)生[10]。研究土壤水分入滲特性是探討流域產(chǎn)流機(jī)制的基礎(chǔ)和前提，同時(shí)也為改善土壤生態(tài)建設(shè)、開(kāi)發(fā)土壤內(nèi)部潛力、發(fā)揮土壤水文效應(yīng)提供數(shù)據(jù)支持[11-13]。

土壤侵蝕可破壞耕地，制約著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅的全球性災(zāi)害之一，而土壤入滲是分析和表征土壤侵蝕過(guò)程的重要參數(shù)，也是土壤水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[14-16]。土壤水分入滲規(guī)律是探討地表徑流產(chǎn)生的前提和基礎(chǔ)，對(duì)明確地表徑流的調(diào)節(jié)機(jī)制及土壤侵蝕防治具有十分重要的意義[17]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就土壤入滲問(wèn)題雖進(jìn)行了較多研究，但多集中于黃土高原區(qū)、干熱河谷區(qū)、川中丘陵區(qū)及三峽庫(kù)區(qū)等，對(duì)若爾蓋濕地的研究甚少[18]。若爾蓋濕地地處長(zhǎng)江上游，是世界上面積最大的高原沼澤濕地，被譽(yù)為“高原之腎”、“黃河蓄水池”，對(duì)于保護(hù)生物多樣性、維持區(qū)域乃至全球碳循環(huán)平衡以及保障地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[19]。近年來(lái)，該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，土壤侵蝕嚴(yán)重，水土流失降低了當(dāng)?shù)赝恋厣a(chǎn)力，造成土壤質(zhì)量退化，嚴(yán)重制約了區(qū)域資源、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[20]。諸多研究者發(fā)現(xiàn)土壤入滲性能與土壤容重、土壤團(tuán)聚體、有機(jī)碳、孔隙度等理化性質(zhì)密切相關(guān)，土壤類型理化性質(zhì)差異很大，從而造成其土壤入滲性能的差異也顯著[20-21]。為了探索不同土壤類型入滲性能及其驅(qū)動(dòng)因素，通過(guò)回歸分析得出土壤理化性質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)與土壤入滲性能之間的權(quán)重關(guān)系。以期為若爾蓋濕地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、土壤入滲以及土壤理化性質(zhì)與之相關(guān)性等研究提供資料參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于青藏高原東緣若爾蓋高原，海拔3 400～3 900 m，地理位置101°36′—103°30′E，32°20′—34°00′N，隸屬于四川省阿壩州若爾蓋縣。地貌類型為平坦的高原地貌，以低山、丘陵、閉流寬谷地和湖群洼地為主。主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為長(zhǎng)冬無(wú)夏，降水多、濕度大，屬于高原寒溫帶濕潤(rùn)氣候，年平均降水量為660～750 mm，5—10月為雨季，降水占全年的90%。年平均氣溫為1.2℃，7—8月份平均氣溫為10.9℃。

1.2 樣品采集

于2017年9月在若爾蓋地區(qū)選擇4種典型土壤(泥炭土、沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土)采集土樣。每種土壤類型設(shè)3個(gè)重復(fù)采樣區(qū)，運(yùn)用五點(diǎn)混合法用土鉆從地表向下取0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm共3個(gè)深度采集土樣。用環(huán)刀取原狀土，室內(nèi)用環(huán)刀法分別測(cè)定體積質(zhì)量、毛管孔隙度和土壤入滲速率。孔隙度和非毛管孔隙度由計(jì)算得到。土壤風(fēng)干研磨過(guò)0.25 mm篩，用丘林法測(cè)定土壤有機(jī)碳；過(guò)1 mm篩，用比重計(jì)法分析顆粒組成。取原狀土壤用薩維諾夫法分析>5 mm、>2 mm、>0.25 mm風(fēng)干和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

1.3 入滲速率、毛管孔隙度的測(cè)定及計(jì)算

本試驗(yàn)過(guò)程中采用雙環(huán)入滲測(cè)定，該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，要求兩環(huán)的高度均達(dá)到35 cm，內(nèi)環(huán)、外環(huán)的直徑分別為30，50 cm，土層深度達(dá)到25 cm；在進(jìn)行記錄之前要求在內(nèi)側(cè)作標(biāo)記，并結(jié)合秒表，加水采取人工控制，但要求水深至少在5 cm以上；入滲后進(jìn)行人工加水需間隔一定時(shí)間，同時(shí)做好數(shù)據(jù)的記錄，本試驗(yàn)中各個(gè)測(cè)定區(qū)均為平緩地帶，無(wú)明顯的坡度，待入滲穩(wěn)定后方結(jié)束試驗(yàn)；進(jìn)行原狀土取樣后，在環(huán)刀有孔的一端墊上濾紙，然后置于盛水托盤(pán)，要求水深在2～3 cm，土樣膨脹后刮去膨脹出環(huán)刀的多余土壤，稱重后取土5 g，測(cè)定其含水率，并對(duì)土重進(jìn)行換算，進(jìn)而對(duì)孔隙度進(jìn)行計(jì)算[22]。

試驗(yàn)要求環(huán)刀達(dá)到200 cm3，高度為5.1 cm，將取出的原狀土在水深4.9 cm的水盤(pán)內(nèi)浸泡24 h，待其取出，將一空環(huán)刀套其上部，將結(jié)合部密封，然后將之固氮在漏斗架，并在下方放置燒杯，空環(huán)刀內(nèi)注水，要求水層達(dá)到4.9 cm，計(jì)時(shí)從第一滴水落下開(kāi)始，每及時(shí)更換燒杯，做好記錄，最后計(jì)算滲水量，在試驗(yàn)過(guò)程中要求對(duì)前3 min的入滲速率進(jìn)行計(jì)算，并分別記錄30 min、1 h的入滲水量，計(jì)算出穩(wěn)定入滲率，為便于試驗(yàn)對(duì)比，將10℃下穩(wěn)定入滲系數(shù)作為該穩(wěn)定入滲速率，即：

K10=Kt/(0.7+0.03t)

式中：Kt代表在t℃下的入滲速率(mm/min)；t表示水溫。

采取模型進(jìn)行參數(shù)模擬[23]。

考斯加科夫公式：入滲速率y=at-b

式中：y用mm/min表示；t表示入滲時(shí)間，以min計(jì);a，b代表參數(shù)。

菲利普公式：y=A+0.5St-1/2

式中：S代表吸濕率；A代表穩(wěn)定入滲率；

霍頓公式：y=A+(A-B)e-kt

式中:常數(shù)用k表示；

1.4 數(shù)據(jù)處理

Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，SPSS 18.0做回歸分析和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，在p<0.05和p<0.01水平檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

本研究測(cè)得各土壤層的有機(jī)碳、容重、孔隙度、顆粒組成和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量結(jié)果詳見(jiàn)表1。從表1可知，不同土壤類型土壤含水量變化范圍在6.2%～15.9%，其中以風(fēng)沙土最小，泥炭土最大，其大小基本表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，各土壤類型土壤含水量隨土層深度的增加呈逐漸減低趨勢(shì)；不同土壤類型土壤有機(jī)碳變化范圍在4.1～19.8 g/kg，其大小基本表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，各土壤類型土壤有機(jī)碳隨土層深度的增加呈逐漸減低趨勢(shì)；土壤容重變化范圍在0.98～1.38 g/cm3，其大小基本表現(xiàn)為泥炭土<沼澤土<草甸土<風(fēng)沙土，各土壤類型容重隨土層深度的增加呈逐漸增加趨勢(shì)。毛管孔隙度基本表現(xiàn)為泥炭土<沼澤土<草甸土<風(fēng)沙土，各土壤類型毛管孔隙度隨土層深度的增加呈逐漸增加趨勢(shì)。非毛管孔隙度隨土層深度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)。1～0.05 mm顆粒組成基本表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，隨著土層深度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)，<0.01 mm顆粒組成基本表現(xiàn)為泥炭土<沼澤土<草甸土<風(fēng)沙土，隨著土層深度的增加呈逐漸增加趨勢(shì)。>5 mm，>2 mm，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體基本表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，隨著土層深度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)。

表1 不同土壤類型理化性質(zhì)

2.2 土壤入滲特征與過(guò)程

由圖1可知，不同土壤類型土壤入滲過(guò)程存在一定差異，入滲速率在開(kāi)始階段陡降，隨著時(shí)間的推移，下降幅度逐漸減小，最后達(dá)到穩(wěn)滲。其中泥炭土達(dá)穩(wěn)定入滲的時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)130 min；風(fēng)沙土達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間最短，僅為80 min；沼澤土和草甸土達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間大概為110 min?？梢?jiàn)，4種土壤類型中，泥炭土能使土壤滲透性能得到明顯改善，延緩地表發(fā)生徑流的時(shí)間，降低土壤侵蝕發(fā)生的可能性；而相比之下，風(fēng)沙土則將加速地表徑流的形成，造成大量表層土壤被沖刷；而相對(duì)于風(fēng)沙土來(lái)說(shuō)，泥炭土于土壤侵蝕的防治具有一定的積極效應(yīng)。

圖1 土壤入滲特征與過(guò)程

由表2可知，土壤入滲特征為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，不同土層土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均滲透率和滲透總量均隨著土層深度的增加而降低。對(duì)于0—20 cm土層，泥炭土的初始入滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.15，1.78，3.11倍，穩(wěn)滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.91，2.47，4.99倍，平均滲率和滲透總量分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.10，2.05，3.32倍和1.29，2.77，4.31倍。對(duì)于20—40 cm土層，泥炭土的初始入滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.00，1.67，3.54倍，穩(wěn)滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.96，2.27，4.99倍，平均滲率和滲透總量分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.12，2.22，3.35倍和1.19，2.98，4.09倍。對(duì)于40—60 cm土層，泥炭土的初始入滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.11，1.72，3.94倍，穩(wěn)滲率分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.80，2.13，5.00倍，平均滲率和滲透總量分別是沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土的1.06，2.09，3.98倍和1.21，2.96，4.41倍。由此可見(jiàn)，不同土壤類型入滲特征差異較為明顯，其中泥炭土的入滲特征最好，可以有效地延緩地表徑流的產(chǎn)生，抑制土壤侵蝕，有利于水土保持。

表2 土壤入滲指標(biāo)

2.3 土壤入滲模型擬合

通過(guò)表3不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于考斯加科夫公式擬合而言，a值在2.369之上、4.569之下，且以泥炭土系數(shù)最高，a的主要影響因素在于土壤結(jié)構(gòu)、容重等，這說(shuō)明初始入滲率最高的是泥炭土，其次是沼澤土、草甸土，而風(fēng)沙土的初始入滲率最低；b值擬合分析得知，說(shuō)明在時(shí)間降低的情況下，入滲速率降低最慢的是沼澤土，其次是泥炭土、草甸土，而風(fēng)沙土則是入滲速率快速下降，即沼澤土>泥炭土>草甸土>風(fēng)沙土，也就是說(shuō)a與b的變化趨勢(shì)相反。從菲利普擬合來(lái)看，S代表土壤入滲能力，是一種吸水性的正向表征，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得知，泥炭土的S值最大，其次是沼澤土、草甸土，而風(fēng)沙土最小，說(shuō)明土壤吸水率最大的是泥炭土；從考斯加科夫分析來(lái)看，擬合r較高，說(shuō)明該模型具有較好的擬合性，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，泥炭土而言，其隨時(shí)間的變化而呈現(xiàn)較快的入滲速率下降；該擬合下相關(guān)系數(shù)較高。上述分析可知，本試驗(yàn)中采用的3種公式都能較好地模擬出降雨向土壤中入滲的過(guò)程，但從相關(guān)系數(shù)r的大小而論，考斯加可夫公式擬合效果較菲利普入滲公式和霍頓公式好。

2.4 土壤入滲的影響因素

由表4可知，土壤有機(jī)碳含量與土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，并且相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大致表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，土壤含水量與泥炭土和沼澤土土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與草甸土和風(fēng)沙土累積入滲量相關(guān)性不顯著(p>0.05)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大致表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土；土壤容重與泥炭土和沼澤土土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與草甸土和風(fēng)沙土累積入滲量相關(guān)性不顯著(p>0.05)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大致表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土；毛管孔隙度與土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大致表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土；非毛管孔隙度與土壤滲透性能呈負(fù)相關(guān)；1～0.05 mm顆粒與土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，>5 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤滲透性能呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，其相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大致表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土。

2.5 主成分分析

主成分分析表明：前3個(gè)特征值>1的成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到87.902%，滿足主成分分析條件，故可以從前3個(gè)成分來(lái)表征對(duì)入滲性能的影響。從表5—6可以看出，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率最大達(dá)到了55.856%，負(fù)荷量絕對(duì)值>0.9的影響因素為有機(jī)碳和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體決定；代表第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為19.457%，由表6可知影響因素為有機(jī)碳和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體；第3主成分僅為12.589%，影響因子為有機(jī)碳和毛管孔隙度。結(jié)合各成分方差貢獻(xiàn)率與影響因子負(fù)荷量絕對(duì)值大小，經(jīng)過(guò)分析影響入滲的3個(gè)主要因子是有機(jī)碳、含水量、毛管孔隙度、>5 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體。

表3 土壤入滲模型擬合

注：a代表第一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的入滲速率，b代表為入滲速率隨時(shí)間降低的快慢性；S為土壤入滲能力大?。籄為穩(wěn)定入滲速率；k為入滲速率隨時(shí)間變化快慢；r為相關(guān)性程度。

表4 土壤入滲性能與理化因子相關(guān)性

注：**表示在0.01水平差異顯著，*表示在0.05水平差異顯著(雙尾)。

表5 主成分方差貢獻(xiàn)率

3 討論與結(jié)論

在本研究中，土壤有機(jī)碳、含水量、毛管孔隙度、1～0.05 mm顆粒組成>5 mm、>2 mm和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體均表現(xiàn)為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，并且隨著土層深度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)，而土壤容重、非毛管孔隙度和<0.01 mm顆粒組成基本表現(xiàn)為泥炭土<沼澤土<草甸土<風(fēng)沙土，隨著土層深度的增加呈逐漸增加趨勢(shì)。土壤滲透性能直接關(guān)系到地表徑流的產(chǎn)生、土壤侵蝕和化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移等過(guò)程，是評(píng)價(jià)土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)之一[24]。本研究中，不同土壤類型土壤入滲過(guò)程存在一定差異，入滲速率在開(kāi)始階段陡降，隨著時(shí)間的推移，下降幅度逐漸減小，最后達(dá)到穩(wěn)滲。其中泥炭土達(dá)穩(wěn)定入滲的時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)130 min；風(fēng)沙土達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間最短，僅為80 min；沼澤土和草甸土達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間大概為110 min。由此可見(jiàn)，4種土壤類型中，泥炭土能使土壤滲透性能得到明顯改善，延緩地表發(fā)生徑流的時(shí)間，降低土壤侵蝕發(fā)生的可能性；而相比之下，風(fēng)沙土則將加速地表徑流的形成，造成大量表層土壤被沖刷；而相對(duì)于風(fēng)沙土來(lái)說(shuō)，泥炭土于土壤侵蝕的防治具有一定的積極效應(yīng)。

表6 主成分載荷矩陣

土壤入滲特征為泥炭土>沼澤土>草甸土>風(fēng)沙土，不同土層土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均滲透率和滲透總量均隨著土層深度的增加而降低，不同土壤類型入滲特征差異較為明顯，其中泥炭土的入滲特征最好，可以有效地延緩地表徑流的產(chǎn)生，抑制土壤侵蝕，有利于水土保持。本試驗(yàn)中采用的3種公式都能較好地模擬出降雨向土壤中入滲的過(guò)程，但從相關(guān)系數(shù)r的大小而論，考斯加可夫公式擬合效果較菲利普入滲公式和霍頓公式好，其相關(guān)系數(shù)都高于0.9；泥炭土穩(wěn)定滲率及入滲量都為最高，風(fēng)沙土最低。土壤入滲與土壤狀況相關(guān)，在本研究中土壤的入滲率與土壤容重、孔隙度及有機(jī)碳含量顯著相關(guān)。結(jié)合主成分方差貢獻(xiàn)率與影響因子負(fù)荷量絕對(duì)值大小，經(jīng)過(guò)分析影響入滲的3個(gè)主要因子是有機(jī)碳、含水量、毛管孔隙度、>5 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體。以往研究表明，土壤中砂粒含量越多，黏粒含量越低，越有利于水分的滲透[26]。土壤有機(jī)碳含量與土壤滲透性能呈正相關(guān)，且均達(dá)到顯著水平。土壤有機(jī)碳在礦化過(guò)程中能釋放大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)土壤水、氣、熱等各種肥力因素起著重要的調(diào)節(jié)作用，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)形成也有很大影響[27-28]。有研究表明，有機(jī)碳含量較多的土壤，土壤團(tuán)聚體多，孔隙率大，連通性好，對(duì)其中運(yùn)動(dòng)流體的阻力小，因而土壤水分流通量大，相應(yīng)的土壤入滲能力增強(qiáng)。因此，有機(jī)碳通過(guò)促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，間接影響土壤滲透性能[29]。土壤容重與土壤滲透性能呈負(fù)相關(guān)。土壤容重越大，土壤越緊實(shí)，孔性越差，滲透性能越弱；容重越小，土壤越松散，孔性越好，滲透性能越強(qiáng)[29-30]。非毛管孔隙度與土壤滲透性能呈正相關(guān)，且均達(dá)到顯著水平；而毛管孔隙度與土壤滲透性能呈負(fù)相關(guān)，總孔隙度與土壤滲透性能呈正相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平。綜合分析表明：若爾蓋濕地泥炭土于土壤侵蝕的防治具有一定的積極效應(yīng)。