黃土高寒區(qū)典型植被類型土壤入滲特征及其影響因素

李 平,王冬梅,*,丁 聰,劉若莎,張 鵬,張琳琳

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京 100083 2 沃德蘭特(北京)生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究院有限公司, 北京 100101

入滲性能是土壤的主要物理性質(zhì),對(duì)土壤調(diào)節(jié)徑流、涵養(yǎng)水源能力有重要作用,也是評(píng)價(jià)土壤侵蝕的重要指標(biāo),研究土壤入滲能力對(duì)防治水土流失、改造及恢復(fù)植被有重要意義[1]。研究發(fā)現(xiàn)土壤容重、孔隙狀況、顆粒組成、水穩(wěn)性團(tuán)聚體及有機(jī)質(zhì)含量等都與土壤入滲能力密切相關(guān)[2- 6]。土壤理化性質(zhì)是導(dǎo)致不同研究區(qū)域土壤滲透性能存在差異的主要因素之一,但不同研究區(qū)主導(dǎo)因子不同,如在青藏高原地區(qū)[5]容重、有機(jī)質(zhì)、< 0.1 mm的微粒是影響土壤入滲的主要因素,而在巖溶坡地[2]則為毛管孔隙度和黏粒含量。同樣,不同土地利用類型的土壤入滲性能差異也與其土壤理化性質(zhì)的差異具有很大相關(guān)性。一般來(lái)說(shuō)林地豐富的根系活動(dòng)導(dǎo)致其孔隙狀況優(yōu)于草地、容重顯著低于草地從而具有良好的土壤滲透性[2,7-8],但風(fēng)沙地[3]由于土質(zhì)疏松、結(jié)構(gòu)松散,荒草地入滲速率較大,林地對(duì)土壤的改良作用強(qiáng)于草地,使得土壤質(zhì)地變好、非毛管孔隙度減少、蓄水能力增強(qiáng),入滲速率較草地小,丁康等[9]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)武塬邊坡地的側(cè)柏林地由于土壤黏粒含量低不利于形成團(tuán)聚體且土壤密度較草地大,入滲性能較差；灌木林地地表植被較林地豐富,土質(zhì)疏松,入滲性能優(yōu)于林地[10]；與闊葉林相比,針葉林有機(jī)質(zhì)含量高、孔隙較多,入滲能力較強(qiáng)[11]；梯田旱地土壤黏粒含量較高,有機(jī)質(zhì)和孔隙度較低,入滲能力較灌木林地差[12]。此外學(xué)者對(duì)退耕年限[13-14]及演替進(jìn)程[15]影響下土壤滲透性能的研究發(fā)現(xiàn)：隨種植年限的增加土壤理化性質(zhì)得到改善,入滲性能逐漸提高；隨演替進(jìn)展土壤飽和導(dǎo)水率顯著提高,植被演替到頂級(jí)群落土壤飽和導(dǎo)水率最高?？梢姴煌芯繀^(qū)甚至同一研究區(qū)不同研究對(duì)象的土壤入滲特征及影響因素存在差異,但以上研究主要集中在比較不同植被類型、退耕年限、土壤類型的土壤滲透特征,對(duì)同一植被不同坡位下的研究缺乏。不同地形部位土壤微氣候的變化會(huì)導(dǎo)致土壤條件產(chǎn)生差異,從而影響植被的恢復(fù)進(jìn)程與生長(zhǎng)狀況[16]。坡位是重要的地形因子,對(duì)林地有機(jī)質(zhì)、氮等養(yǎng)分及水熱狀況的分布有著重要影響[17],植被的多樣性、生物量等存在差異,從而導(dǎo)致不同坡位土壤容重、機(jī)械組成等性質(zhì)發(fā)生變化,進(jìn)而影響土壤的入滲特性。黃土高寒區(qū)位于青藏高原與黃土高原交界地帶,生態(tài)環(huán)境脆弱,是植被重建與生態(tài)退耕的重點(diǎn)區(qū)域。該地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈,不同坡位水熱條件差異明顯,導(dǎo)致植被生長(zhǎng)也存在明顯差異,土壤水分是限制該區(qū)域植物生長(zhǎng)和恢復(fù)的主要因子。為減輕水土流失、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境,該地區(qū)2000年開始大規(guī)模實(shí)行退耕還林工程,水土流失得到極大改善,但在實(shí)施過(guò)程中不考慮土壤水分條件,在坡面由上至下多配置相同植被,可能會(huì)導(dǎo)致植被生長(zhǎng)不良,無(wú)法充分發(fā)揮對(duì)環(huán)境的改善作用。研究典型植被類型在不同坡位下的土壤入滲特征及其主要影響因子可以更好地了解當(dāng)前植被分布的合理性,為驗(yàn)證典型植被攔蓄降雨、涵養(yǎng)水分能力提供數(shù)據(jù)支撐,為后續(xù)植被恢復(fù)與調(diào)整做出指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于青海省大通縣橋頭鎮(zhèn)安門灘小流域,地處黃土高原西部向青藏高原的過(guò)渡帶, 海拔高程2448—2562 m。屬高原大陸性氣候,降水少蒸發(fā)大,多年平均降水量506.5 mm,且主要集中在6—9月份,多年平均蒸發(fā)量1762.8 mm,最大蒸發(fā)量出現(xiàn)在4—6月,屬于典型的黃土高寒區(qū)小流域。主要樹種為2000年退耕后種植的青海云杉(Piceacrassifolia)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechii)、祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)、中國(guó)沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)等,主要草本植物有密生苔草(Carexcrebra)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserna)等。土壤類型為黃土母質(zhì)上發(fā)育的山地棕褐土和栗鈣土。

1.2 研究方法

1.2.1樣地布設(shè)與土樣采集

研究區(qū)位于青海省東部安門灘小流域,2000年進(jìn)行退耕還林,行間距為3 m×2 m。2018年7月至8月,在流域內(nèi)選取青海云杉林、華北落葉松林、祁連圓柏林3種典型植被類型設(shè)置樣地進(jìn)行調(diào)查,并選擇荒草地作為對(duì)照(表1)。按照樣地海拔高度進(jìn)行坡位分類,樣地實(shí)際海拔與坡頂海拔之比為小于1/3的定義為下坡位,1/3—2/3的為中坡位,大于2/3則為下坡位。針對(duì)每一種典型植被類型在不同坡位分別布設(shè)2個(gè)10 m×10 m的樣地進(jìn)行每木檢尺,確保同一坡位各樣地保持在同一海拔高度上。

每個(gè)樣地沿任一對(duì)角線的三等分點(diǎn)處挖取2個(gè)60 cm深的土壤剖面,用環(huán)刀在垂直方向上每隔20 cm分層采集原狀土樣,每層3個(gè)重復(fù),共360個(gè)樣品。同時(shí),每個(gè)土壤剖面分層用“四分法”取擾動(dòng)土500 g左右裝入布袋帶回室內(nèi)自然風(fēng)干,共120袋。

表1 樣地基本情況

1.2.2土壤理化性質(zhì)測(cè)定

室內(nèi)用定水頭法測(cè)定[8]土壤滲透速率；環(huán)刀法和烘干法測(cè)定土壤容重、土壤含水量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；利用Mater Sizer 2000 激光顆粒分析儀測(cè)定土壤機(jī)械組成,并按國(guó)際制分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002—0.02 mm)、砂粒(0.02—2 mm)；濕篩法測(cè)定>3 mm、3—2 mm、2—1 mm、1—0.5 mm、0.5—0.25 mm、0.25—0.1 mm、<0.1 mm各粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量；重鉻酸鉀稀釋加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

選取Kostiakov方程、Horton方程、通用經(jīng)驗(yàn)方程3種常用的模型,在SPSS 18.0中對(duì)不同植被類型的土壤入滲過(guò)程進(jìn)行擬合,模型表達(dá)及參數(shù)意義見前人研究[4,12,18]。在SPSS中進(jìn)行ANOVA方差分析、Duncan多重比較、Person相關(guān)分析,并利用多元回歸、通徑分析提取主導(dǎo)因子。在Origin 8.5中作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同植被類型土壤入滲特征

由圖1可知,青海云杉林地、華北落葉松林地、祁連圓柏林地、荒草地60 cm土層內(nèi)穩(wěn)滲速率均值分別為3.59、2.04、3.01、1.45 mm/min,存在顯著差異性,林地均顯著高于荒草地(P<0.01)。說(shuō)明相較荒草地,林地具有顯著改善土壤結(jié)構(gòu),增加入滲的能力。通過(guò)比較3種與荒草地的基本理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn)(表2),林地容重小于荒草地,孔隙狀況優(yōu)于荒草地,這是因?yàn)榱值匕l(fā)達(dá)的根系、豐富的地表植被和枯枝落葉增加了土壤孔隙,提高了有機(jī)質(zhì)含量,促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成,對(duì)土壤的改善作用較荒草地顯著,從而提高了土壤的滲透性能[18]。這與姚淑霞等[19]研究結(jié)果相同,而徐學(xué)選等[9]在黃土高原研究發(fā)現(xiàn)退耕年限較短草地表層的飽和導(dǎo)水率大于林地?？赡苁怯捎谘芯繀^(qū)內(nèi)人類活動(dòng)劇烈,頻繁放牧,導(dǎo)致荒草地被踐踏、結(jié)構(gòu)變緊密,入滲能力降低。

圖1 不同植被類型土壤入滲特征 Fig.1 Soil infiltration characteristics of different vegetation types不同小寫字母表示不同植被類型滲透性能差異顯著 (PPP>0.01

流域內(nèi)不同坡位光照水分的再分配不均,制約植被的生長(zhǎng),也影響土壤理化性質(zhì)的變化。由圖2可知,同一坡位3種林地滲透速率不存在顯著差異性(P>0.05),但仍存在上坡位和下坡位青海云杉>祁連圓柏>華北落葉松,中坡位青海云杉>華北落葉松>祁連圓柏。這是由于上坡位、下坡位林地總孔隙度、毛管孔隙度表現(xiàn)為：青海云杉>祁連圓柏>華北落葉松,容重表現(xiàn)為：華北落葉松>青海云杉>祁連圓柏；中坡位3種林地的土壤孔隙度不存在顯著差異(P>0.05),但華北落葉松林地總孔隙度、毛管孔隙度較小,容重顯著大于青海云杉林地、祁連圓柏林地,這是由于華北落葉松為落葉樹種,林下枯落物豐富,但地表植被缺乏,根系分布較少,導(dǎo)致土壤中孔隙較少,導(dǎo)水性能較差,加之林地內(nèi)人類游憩活動(dòng)頻繁,踐踏導(dǎo)致土壤容重較大。

3種林地在不同坡位間的土壤滲透速率不存在顯著差異(P>0.05),但仍表現(xiàn)出青海云杉林地、祁連圓柏林地初滲速率和穩(wěn)滲速率及華北落葉松林地穩(wěn)滲速率上坡位<中坡位<下坡位。這是由于研究區(qū)下坡位土壤水分條件較好,植被生長(zhǎng)旺盛,有機(jī)質(zhì)與水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,土壤結(jié)構(gòu)良好,入滲能力較強(qiáng)(表2)。吳欽孝等[20]在黃土丘陵區(qū)發(fā)現(xiàn)由于降雨侵蝕產(chǎn)生的泥沙細(xì)顆粒沿坡面逐漸沉積,堵塞土壤孔隙,導(dǎo)致森林及荒坡草灌小流域沿坡面向下土壤的滲透速率減?。患{磊等[21-22]在晉西黃土區(qū)研究發(fā)現(xiàn)由于不同坡位土壤水分條件的差異,導(dǎo)致下坡位植被生長(zhǎng)較上坡位茂盛,同一植被類型均表現(xiàn)為下坡位土壤入滲速率較上坡位高。后者與本研究的結(jié)果一致,可能是由于研究區(qū)大規(guī)模進(jìn)行退耕還林,人工整地使坡度減緩,泥沙顆粒沿坡面的沉積較弱,且研究區(qū)海拔較高、輻射強(qiáng)烈使得下坡位水分條件較中、上坡位好,植被生長(zhǎng)茂盛,根系穿插導(dǎo)致土壤孔隙狀況良好,所以下坡位入滲速率較大。

圖2 不同坡位土壤入滲特征Fig.2 Soil infiltration characteristics at different slope positions不同小寫字母表示相同植被類型下不同坡位間滲透速率差異顯著 (PP<0.05

2.2 不同植被類型土壤入滲過(guò)程模擬

圖3表明土壤入滲速率隨時(shí)間推移逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定。除荒草地外,青海云杉林地、華北落葉松林地、祁連圓柏林地在入滲前期入滲速率有明顯的降低過(guò)程。除青海云杉林地中坡位和華北落葉松林地上坡位的土壤入滲速率在40 min左右達(dá)到穩(wěn)定外,其他土壤的入滲速率均在15 min左右即達(dá)到穩(wěn)定。各林地下坡位土壤的穩(wěn)滲速率明顯高于上坡位和中坡位。將不同林地上、中、下坡位的土壤入滲速率(y)隨時(shí)間(t)的變化過(guò)程選取不同模型進(jìn)行擬合,結(jié)果如表3所示：青海云杉林地中Horton 模型擬合R2最大介于0.862—0.918,通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?R2介于0.614—0.839)擬合效果最差,3種模型對(duì)入滲性能最好的下坡位入滲過(guò)程的模擬擬合程度最好。華北落葉松林地中,Horton模型(0.827—0.910)擬合程度最好,與Kostiakov模型(0.853—0.899)擬程度的差異不大,通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?0.702—0.785)擬合效果最差。對(duì)于祁連圓柏林地,3種模型擬合程度為Horton 模型(0.895—0.930)>Kostiakov模型(0.883—0.984)>通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?0.756—0.982)。對(duì)荒草地入滲過(guò)程模擬效果是Kostiakov模型(0.938)>Horton模型(0.938)>通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?0.830)。

表2 不同植被類型土壤物理化性質(zhì)比較

圖3 坡面入滲速率隨時(shí)間變化Fig.3 The variation of infiltration rate with time on the slope-surface

表3 入滲模型模擬結(jié)果

y表示土壤入滲速率(mm/min),t表示自開始滲水后第tmin(min)

綜上所述,Horton模型對(duì)不同植被類型的土壤入滲過(guò)程模擬的擬合精度均在0.8以上；Kostiakov模型除青海云杉林地上坡位擬合精度稍差(0.727),其他部位均大于0.85,但在t趨向0和趨向正無(wú)窮時(shí),穩(wěn)滲速率趨向無(wú)窮大和0,不符合實(shí)際情況；通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合精度較差,決定系數(shù)在0.614—0.982之間。這與劉目興等[1]在三峽庫(kù)區(qū)研究結(jié)果一致。對(duì)比不同林地模型的模擬效果發(fā)現(xiàn),對(duì)祁連圓柏林地的擬合程度最高。劉潔等[23]在元謀干熱河谷研究發(fā)現(xiàn)通用經(jīng)驗(yàn)方程最適于描述該流域的土壤入滲過(guò)程,閆東峰等[18]發(fā)現(xiàn)Kostiakov模型、Philip模型和Horton模型均適合丹江口水庫(kù)地區(qū),李志等[24]在武功山研究則發(fā)現(xiàn)通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透m合草甸土壤。說(shuō)明不同研究區(qū)域、不同研究對(duì)象模型的適應(yīng)性不同。

2.3 土壤水分入滲的影響因素

2.3.1土壤理化性質(zhì)對(duì)入滲的影響

本研究選取與土壤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的16個(gè)因子(表4)與土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率進(jìn)行相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)：

穩(wěn)滲速率、初滲速率均與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。容重是土壤的基本物理性質(zhì),它的大小間接反映了土壤的緊實(shí)程度、透氣透水能力[25]。容重越大土壤越緊實(shí),則孔隙度隨之減少,土壤透氣透水能力下降,入滲速率減小[12]。土壤孔隙度、容重與土壤入滲能力對(duì)應(yīng)較好,土壤容重小、孔隙度大的土壤入滲能力較強(qiáng),由表1可知坡面向下林地土壤總孔隙、毛管孔隙度增大,容重減小,土壤滲透性能增強(qiáng)。

穩(wěn)滲速率、初滲速率與>3 mm、>1 mm、>2 mm、>0.5 mm、>0.25 mm、>0.1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與<0.1 mm團(tuán)聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),其中與>0.25 mm的團(tuán)聚體相關(guān)性最高,表明入滲速率受>0.25 mm 團(tuán)聚體的影響最大。土壤團(tuán)聚體是反映土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一,良好的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)對(duì)保持土壤水分、肥力有著重要作用進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)根系發(fā)育。土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)越好,其孔隙越多、持水性、通透性越好[9]。二者還與有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)較高(0.665、0.663)。土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成、維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有著重要作用,有機(jī)質(zhì)含量越多,土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)就越多,從而具有良好的透氣透水能力,促進(jìn)土壤入滲[6]。

穩(wěn)滲速率、初滲速率與土壤機(jī)械組成、土壤含水量均沒(méi)有顯著相關(guān)性(P>0.05)。與高嬋嬋等人研究結(jié)果相同[8]。

表4 土壤入滲性能與影響因子相關(guān)性分析

2.3.2影響土壤入滲性能主導(dǎo)因素篩選

在SPSS中對(duì)以上16個(gè)與土壤滲性性能密切相關(guān)的因子進(jìn)行主成分分析,結(jié)果如表5所示。表5表明,16個(gè)因子可概括為4個(gè)獨(dú)立的主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率82.959%,可用來(lái)解釋對(duì)土入滲性能的影響。第1個(gè)主成分因子主要由水穩(wěn)性團(tuán)聚體決定,貢獻(xiàn)率為45.219%,>2 mm、>1 mm、>0.5 mm、>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體有較高載荷,該類土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量高,同時(shí)有較高的非毛管孔隙度和總孔隙度；第2個(gè)主成分因子主要由土壤機(jī)械組成決定,方差貢獻(xiàn)率為18.599%,粘粒、粉粒含量高,砂粒含量極低(-0.966),三者載荷均較高；第3個(gè)主成分因子主要由土壤孔隙狀況決定,總孔隙度、毛管孔隙度、容重在第3主成分上載荷較高；第4個(gè)主成分因子主要由土壤含水量決定,載荷量為0.940。

表5 土壤水分入滲能力的PCA分析

選擇由主成分分析中載荷較高的11個(gè)因子共60組數(shù)據(jù)作為自變量分別和因變量穩(wěn)滲速率(Y1)、初滲速率(Y2)進(jìn)行多元逐步回歸,篩選出主要影響因子,經(jīng)檢驗(yàn)二者符合正態(tài)分布。結(jié)果顯示：

Y1=-3.391-4.767X1+7.890X2+13.693X3,R2=0.818,P<0.001

Y2=-18.393+10.196X2+69.626X3-42.721X4,R2=0.781,P<0.001

式中,X1：容重,X2：>0.25 mm團(tuán)聚體,X3：總孔隙度,X4：毛管孔隙度

可知,影響穩(wěn)滲速率的主要因子為容重、>0.25 mm團(tuán)聚體、總孔隙度,影響初滲速率的主要因子為>0.25 mm團(tuán)聚體、總孔隙度、毛管孔隙度。為了判斷已篩選的因子分別對(duì)穩(wěn)滲速率和初滲速率的影響程度,進(jìn)一步進(jìn)行通徑分析。

由表6可知,初滲速率與相關(guān)因子的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值大小為>0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)<毛管孔隙度<總孔隙度,總孔隙度的直接通徑系數(shù)最大,為0.939,對(duì)初滲速率產(chǎn)生的直接正效應(yīng)最強(qiáng),說(shuō)明總孔隙度越大,初滲速率越大；同時(shí)通過(guò)毛管孔隙度、>0.25 mm團(tuán)聚體間接對(duì)初滲速率產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)最弱(-0.178)。>0.25 mm團(tuán)聚體對(duì)初滲速率的直接正效應(yīng)最弱(0.404),其通過(guò)總孔隙度和毛管孔隙度對(duì)初滲速率的間接正效應(yīng)較強(qiáng)(0.361)。毛管孔隙度對(duì)初滲速率有著極顯著的負(fù)向作用,可見土壤毛管孔隙度越多,初滲速率有減小趨勢(shì)；但毛管孔隙度與初滲速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(0.544),這是毛管孔隙度對(duì)初滲速率直接效應(yīng)(-0.446)受到總孔隙度間接正效應(yīng)(0.846)綜合影響,導(dǎo)致毛管孔隙度對(duì)初滲速率的直接效應(yīng)不能通過(guò)二者的相關(guān)系數(shù)大小顯示出來(lái)。通過(guò)計(jì)算決策系數(shù)可知,毛管孔隙度決策系數(shù)絕對(duì)值最大,且是負(fù)值,說(shuō)明是初滲速率的主要限制因子。(Durbin Watson2.213,剩余通徑系數(shù)=0.468)

表6 土壤主要物理因子對(duì)土壤初滲速率的通徑系數(shù)

X2：>0.25 mm團(tuán)聚體 >0.25 mm aggregate；X3：總孔隙度 Total porosity；X4：毛管孔隙度 Capillary porosity

由表7可知,>0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總孔隙度對(duì)穩(wěn)滲速率表現(xiàn)出極顯著的正向作用,說(shuō)明二者對(duì)穩(wěn)滲速率的增大有明顯的促進(jìn)作用。容重對(duì)穩(wěn)滲速率具有極顯著的負(fù)向作用,表明隨著容重增大穩(wěn)滲速率有減小趨勢(shì)。>0.25 mm團(tuán)聚體的直接通徑系數(shù)最大,為0.460,對(duì)穩(wěn)滲速率產(chǎn)生的直接正效應(yīng)最強(qiáng),同時(shí)通過(guò)容重、總孔隙度間接對(duì)穩(wěn)滲速率產(chǎn)生的正效應(yīng)最弱(0.315)；總孔隙度對(duì)穩(wěn)滲速率的直接正效應(yīng)最弱(0.271),但其通過(guò)容重、>0.25 mm團(tuán)聚體對(duì)穩(wěn)滲速率的間接正效應(yīng)最強(qiáng)(0.518)。容重對(duì)穩(wěn)滲速率的直接負(fù)效應(yīng)較弱(-0.323),通過(guò)>0.25 mm團(tuán)聚體、總孔隙度間接對(duì)穩(wěn)滲速率產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)較強(qiáng)。由決策系數(shù)可知,>0.25 mm團(tuán)聚體單獨(dú)作用排序第1,容重排序第2,總孔隙度排序第3,所以>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體是影響穩(wěn)滲速率的主要決策因子。沿坡面向下,容重減小降低了土壤緊實(shí)度,提高總孔隙度和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,進(jìn)而提高了土壤的穩(wěn)滲速率[15]；總孔隙度、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量沿坡面向下逐漸增大,土壤容重減小孔隙性提高,進(jìn)而促進(jìn)土壤入滲。(Durbin Watson 1.767,剩余通徑系數(shù)=0.426)

表7 土壤主要物理因子對(duì)土壤穩(wěn)滲速率的通徑系數(shù)

X1：容重 Soil bulk density

通徑分析發(fā)現(xiàn)土壤物理因子與初滲速率、穩(wěn)滲速率的剩余通徑系數(shù)較大,均在0.4以上,說(shuō)明存在重要因素未考慮,如作物根系分布、根長(zhǎng)密度、土壤生物等。研究表明根系作為植物的重要功能器官,它的構(gòu)型及生長(zhǎng)狀況反映了植被對(duì)環(huán)境的適應(yīng)及對(duì)土壤的固持,改良了土壤的緊實(shí)度,強(qiáng)化了土壤的抗侵蝕能力,是水土流失防治的關(guān)鍵[26]。根系一方面在土壤中的穿插、分割等作用增加了土壤中的大孔隙,改善土壤滲透性能；另一方面根系的代謝還會(huì)產(chǎn)生有機(jī)化合物膠結(jié)土壤顆粒,促進(jìn)團(tuán)聚體的形成,進(jìn)而影響土壤的滲透性能[27]。王國(guó)彬等[28]研究發(fā)現(xiàn)土壤有效孔隙度和根長(zhǎng)密度是影響表層土壤穩(wěn)定入滲的主要因子；王意錕等[29]發(fā)現(xiàn)土壤的滲透指標(biāo)均隨根長(zhǎng)密度的減少而變??；閆東鋒等[18]研究發(fā)現(xiàn)土壤的入滲速率與根長(zhǎng)密度、根體積密度及根系生物量均存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均在0.85以上,且數(shù)量多、密度大的0.5—1 mm、1—2 mm徑級(jí)的根系改善土壤入滲性能的作用最強(qiáng)；徐少君等[30]發(fā)現(xiàn)根系的根長(zhǎng)密度、根表面積密度越大,土壤抵抗水蝕的能力越強(qiáng),且徑級(jí)越小的根系與土壤抗水蝕增強(qiáng)系數(shù)的相關(guān)性越大；王鑫皓等[31]研究發(fā)現(xiàn)傾斜根、垂直根影響土壤水分的縱向運(yùn)動(dòng),數(shù)量越多土壤穩(wěn)滲速率越大,水平根系能阻止水分下滲,數(shù)量越多穩(wěn)滲速率越小。除根系在土壤中的纏繞串聯(lián)改善土壤理化性質(zhì)外,土壤動(dòng)物在土中的筑穴、挖掘、促進(jìn)有機(jī)物分解等活動(dòng)也進(jìn)一步了改善土壤理化性質(zhì),增強(qiáng)土壤通透性,進(jìn)而影響土壤中水分入滲[29]。王意錕等[32]發(fā)現(xiàn)在毛竹林中土壤動(dòng)物的數(shù)量會(huì)隨著土壤密度的增大而減少,土壤動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)類群與土壤的有機(jī)質(zhì)含量、pH、全N含量具有正相關(guān)關(guān)系。土壤入滲特征與多數(shù)大中型節(jié)肢動(dòng)物、小型節(jié)肢動(dòng)物的密度存在正相關(guān)關(guān)系,這些動(dòng)物的減少不利于土壤水分入滲[29]。毛竹林的長(zhǎng)期覆蓋會(huì)限制土壤動(dòng)物活動(dòng),惡化土壤性質(zhì),減弱土壤入滲,最終導(dǎo)致林地退化[29]。微生物是土壤動(dòng)物的食物來(lái)源,它們的生物量及活性會(huì)因動(dòng)物取食而提高[33]。土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)重要的組分之一,參與眾多土壤過(guò)程,土壤酶活性作為生物催化劑,具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)土壤滲透特性指標(biāo)與細(xì)菌、放線菌含量和蛋白酶、脲酶活性極顯著或顯著相關(guān),初滲速率、平均滲透速率與多酚氧化酶活性顯著相關(guān),說(shuō)明土壤生物因子能夠改善土壤環(huán)境,加速土壤風(fēng)化和養(yǎng)分循環(huán),最終提高土壤滲透性能[34]。因試驗(yàn)時(shí)間關(guān)系未對(duì)以上因子進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查,將在后續(xù)研究中進(jìn)行完善。

3 結(jié)論

(1)不同植被類型的入滲速率存在顯著差異,初滲速率和穩(wěn)滲速率均表現(xiàn)為青海云杉>祁連圓柏>華北落葉松>荒草地；同一坡位三種植被類型滲透速率不存在顯著差異性,但仍表現(xiàn)出上坡位和下坡位青海云杉>祁連圓柏>華北落葉松,中坡位青海云杉>華北落葉松>祁連圓柏；同一植被類型在不同坡位的土壤入滲不存在顯著差異,青海云杉林地、祁連圓柏林地土壤滲透性能及華北落葉松林地穩(wěn)滲速率均表現(xiàn)為上坡位最差、下坡位最好,華北落葉松林地初滲速率在中坡位最大、下坡位最小.

(2)對(duì)不同坡位的3種林地及荒草地的入滲過(guò)程進(jìn)行模擬,擬合精度最高的是Horton模型,均在0.8以上；Kostiakov模型除在青海云杉林地上坡位擬合精度稍差(0.727),其他部位均大于0.85；通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合精度總體較差,決定系數(shù)在0.614—0.982之間,但對(duì)青海云杉林地和祁連圓柏林地的中、下坡位及荒草地的擬合精度較高。

(3)土壤入滲性能與孔隙狀況、水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)含量均有極顯著正相關(guān)性,與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)性。主成分分析結(jié)果表明影響因子可歸為4個(gè)主成分,分別為水穩(wěn)性團(tuán)聚體因子、土壤機(jī)械組成因子、土壤孔隙狀況因子、土壤水分因子,累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.959%。多元分析可知影響初滲速率的主要因子為>0.25 mm團(tuán)聚體、總孔隙度、毛管孔隙度,影響穩(wěn)滲速率的主要因子為容重、>0.25 mm團(tuán)聚體、總孔隙度。通徑分析可知,總孔隙度是影響初滲速率最主要的決策因素,而毛管孔隙度是主要的限制因子；>0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響穩(wěn)滲速率的主要決策因素。二者的剩余通徑系數(shù)較大(0.468、0.426),說(shuō)明滲透速率的影響因子還有部分未考慮。