復(fù)墾區(qū)不同土地利用類型土壤入滲特征及其影響因素

亢晨波,郭漢清,張 垚,劉 洋

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,030801,山西太谷)

煤矸石是煤炭開采和洗選過程產(chǎn)生的巖石廢棄物之一,其結(jié)構(gòu)性差、大孔隙多、保水保肥能力差。矸石大量堆積形成的煤矸石山導(dǎo)致區(qū)域土壤貧瘠、氣候干燥、蒸發(fā)劇烈,對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。因此,植被恢復(fù)是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的重要舉措之一[1-2],而土壤水作為植被恢復(fù)的重要影響因子,關(guān)乎植被的生長及土壤環(huán)境的變化[3]。其中,在土壤水分循環(huán)過程中,入滲是至關(guān)重要的環(huán)節(jié),入滲不僅影響到地表徑流、降雨補(bǔ)給之外,還關(guān)系到土壤水分的再分布和各類溶質(zhì)遷移等方面[4];因此,如何提高復(fù)墾區(qū)土壤水分的利用效率,基于土壤入滲過程來揭示復(fù)墾區(qū)土壤的水源涵養(yǎng)和抗侵蝕能力,對(duì)復(fù)墾區(qū)水土流失防治和植被恢復(fù)具有重要意義。

近年來,較多學(xué)者進(jìn)行了一些關(guān)于復(fù)墾區(qū)土壤入滲規(guī)律的研究并取得一定進(jìn)展。李葉鑫等[5]、張耿杰[6]研究表明復(fù)墾區(qū)植被恢復(fù)能有效改善土壤密度、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、提高土壤的入滲性能。此外,呂剛等[7]研究表明復(fù)墾區(qū)喬灌復(fù)墾模式下土壤入滲性能強(qiáng)于草地復(fù)墾模式。續(xù)海龍等[8]研究表明復(fù)墾區(qū)喬木林對(duì)土壤入滲能力的改善強(qiáng)于荒地和耕地。可見,目前研究多致力于分析復(fù)墾區(qū)不同植被類型對(duì)土壤入滲特征的影響[9-10],而缺乏對(duì)土壤入滲影響因子的系統(tǒng)性研究;筆者以陽泉五礦矸石復(fù)墾區(qū)為研究對(duì)象。該復(fù)墾區(qū)作為陽煤集團(tuán)復(fù)墾示范工程,建成時(shí)間早、植被恢復(fù)好、保存較為完整。選取該復(fù)墾區(qū)4種主要土地利用類型:紫穗槐(Amorphafruticosa)林、楊樹(Populus)林、復(fù)墾耕地和草地,探究其不同土地利用類型土壤入滲規(guī)律及其影響因素,以期為礦區(qū)植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省陽泉市平定縣(E 112°49′～113°41′,N 37°05′～37°58′)。海拔760～906 m,地貌類型主要為中低山和黃土丘陵地形。該區(qū)屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年均降水量為585.9 mm,夏季多雨且較為集中;年均氣溫10.8 ℃,無霜期114～180 d,最大凍土層厚度0.68 m,地帶性植被主要為暖溫帶落葉闊葉林,土壤類型主要為褐土、粗骨土、潮土和石質(zhì)土[11]。研究區(qū)原始地貌為荒溝,于2003年依據(jù)“由上向下、分層碾壓、黃土覆蓋、恢復(fù)植被”的治理方針,采用附近山體黃土對(duì)煤矸石進(jìn)行復(fù)墾種植,其中平臺(tái)覆土1 m,邊坡覆土0.5 m[12]。復(fù)墾后土地類型均為林地和耕地,主要植被有垂柳(Salixbabylonica)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、蘆葦(Phragmitescommunis)、毛白楊(Populustomentosa)、紅葉李(Prunuscerasifera)和紫穗槐等[13]。耕地作物均為玉米(Zeamays) (優(yōu)迪919),管理方式按傳統(tǒng)方式進(jìn)行粗放經(jīng)營,施肥為“一炮轟(結(jié)合整地播種,一次性將肥料施入土壤,生育期間不再追肥)”,中耕除草,復(fù)墾區(qū)內(nèi)無灌溉系統(tǒng),水分均來源于天然降水。

2 材料與方法

2.1 采樣與調(diào)查

于2020年7月中旬,根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)研究區(qū)地形地貌特征、植被生長狀況等因素進(jìn)行調(diào)查。依據(jù)立地條件一致、不受外界環(huán)境干擾的原則,在復(fù)墾區(qū)同一區(qū)域(平臺(tái),復(fù)墾年限為17 a)內(nèi)選取相鄰但之間無影響的草地(蘆葦)、紫穗槐林、楊樹林和復(fù)墾耕地作為研究對(duì)象。在4個(gè)樣地中分別布設(shè)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地(20 m×20 m),隨后在各標(biāo)準(zhǔn)樣地的對(duì)角線及中心位置選取5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣方(3 m×3 m),去除地表枯落物和土石雜物,挖掘土壤剖面,用容積200 cm3的環(huán)刀,按照0～20、20～40和40～60 cm分層取樣,每層3個(gè)重復(fù)。同時(shí),取各剖面擾動(dòng)土樣1 kg左右裝入自封袋帶回室內(nèi)風(fēng)干,所測指標(biāo)均為3個(gè)重復(fù)。研究區(qū)樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本概況

2.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤密度、孔隙度等采用環(huán)刀法測定;重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量;比重計(jì)法測定土壤機(jī)械組成;濕篩法測定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體。不同土地利用類型、土壤理化性質(zhì)見表2。土壤滲透速率采用環(huán)刀法測定,入滲試驗(yàn)中對(duì)入滲速率進(jìn)行10 ℃修正。參考前人研究結(jié)果[14],選取Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型和通用經(jīng)驗(yàn)方程4種常用模型對(duì)研究區(qū)4種土地利用類型土壤水分入滲過程進(jìn)行擬合。

表2 不同土地利用類型土壤理化性質(zhì)比較

1)Kostiakov模型:

f(t)=at-n。

(1)

式中:f(t)為入滲速率,mm/min;a,b為擬合參數(shù),量綱為1;t為時(shí)間,min。

2)Horton模型:

f(t)=fc+(fo—fc)e-kt。

(2)

式中:fc、fo分別為穩(wěn)滲率和初滲率,mm/min;k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

3)通用經(jīng)驗(yàn)方程:

f(t)=at-n+b。

(3)

式中:a,b均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù);n為擬合參數(shù)。

4)Philip模型:

f(t)=0.5S-1/2+A。

(4)

式中:S為模型參數(shù),表示土壤吸水能力的強(qiáng)弱;A為穩(wěn)滲率,mm/min。

采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行方差分析、Duncan多重比較和Pearson相關(guān)性分析,采用Origin 2018軟件作圖。圖表數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤入滲特征

通常采用初滲速率、穩(wěn)滲速率來評(píng)價(jià)土壤的滲透能力。筆者取前5 min的平均入滲速率作為初滲速率,穩(wěn)定入滲率為單位時(shí)間內(nèi)入滲量趨于穩(wěn)定時(shí)的滲透速率。由圖1可知,4種土地利用類型在不同土層間入滲速率存在差異;楊樹林、紫穗槐林、復(fù)墾耕地和草地表層土壤初滲速率依次為6.61、3.55、2.55和0.46 mm/min,穩(wěn)滲速率依次為0.89、0.51、0.35和0.08 mm/min。表層土壤初滲速率在0.46～6.61 mm/min之間,穩(wěn)滲速率在0.08～0.89 mm/min之間。其中,楊樹林下表層土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率均最高,草地最低。

不同大寫字母表示同一土層和不同土地利用方式下差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示相同土地利用方式和不同土層差異顯著(P<0.05)。Different capital letters indicate significant differences between the same soil layer and different land use patterns (P<0.05), and different lowercase letters indicate significant differences between the same land use methods and different soil layers (P<0.05)

3.2 土壤入滲過程模擬

由圖2可見,紫穗槐林、楊樹林、復(fù)墾耕地和草地土壤水分入滲速率隨時(shí)間的變化曲線基本相似,入滲均隨時(shí)間的延長逐漸降低并趨于穩(wěn)定。入滲速率在0～10 min之間降低最快,10～50 min逐漸平緩,在50 min左右土壤達(dá)到飽和狀態(tài),入滲速率基本不再變化。入滲速率在不同土層間表現(xiàn)出隨土層加深逐漸減小。

圖2 不同土地利用類型和不同剖面土壤入滲過程曲線

將土壤入滲速率隨時(shí)間的變化過程選取不同的入滲模型進(jìn)行擬合,結(jié)果如表3和表4所示。Kostiakov模型擬合系數(shù)介于0.915～0.995之間,平均相關(guān)系數(shù)為0.973;Horton模型擬合系數(shù)介于 0.936～0.998之間,平均相關(guān)系數(shù)為0.977;通用經(jīng)驗(yàn)方程擬合系數(shù)介于0.961～0.996之間,平均相關(guān)系數(shù)為0.988;Philip模型擬合系數(shù)介于0.906～0.990之間,平均相關(guān)系數(shù)為0.967。各樣地的最優(yōu)入滲模型決定系數(shù)在0.961～0.998之間,其中通用經(jīng)驗(yàn)方程最多,占12個(gè)。這表明通用經(jīng)驗(yàn)方程較Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型更適宜于該區(qū)域水分入滲過程的模擬預(yù)測。

表3 不同土地利用類型Kostiakov模型和Horton模型回歸擬合結(jié)果

表4 不同土地利用類型通用經(jīng)驗(yàn)方程和Philip模型回歸擬合結(jié)果

3.3 土壤滲透性能影響因素

3.3.1 土壤理化性質(zhì)對(duì)入滲的影響 土壤密度與初滲速率和穩(wěn)滲速率分別呈極顯著(P<0.01)和顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(表5),總孔隙度與入滲速率呈顯著正相關(guān) (P<0.05),土壤含水量與初滲速率和穩(wěn)滲速率分別呈極顯著(P<0.01)和顯著正相關(guān)(P<0.05)。初滲速率、穩(wěn)滲速率與>2 mm和>1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。初滲速率與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表5 土壤入滲性能與影響因子相關(guān)性分析

3.3.2 土壤入滲性能主導(dǎo)因子篩選 通過對(duì)土壤滲透性能主成分因子篩選(表6)可知:前4個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)87.760%,可用來解釋各因子對(duì)土壤滲透性能的影響。影響土壤入滲性能的第1個(gè)主成分因子主要由水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成,貢獻(xiàn)率為44.708%,>5、>2、>1和>0.5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體因子負(fù)荷量較大,該類土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較高;第2個(gè)主成分因子主要由土壤孔隙決定,方差貢獻(xiàn)率為18.703%,毛管孔隙度和非毛管孔隙度在第2主成分上載荷均較高;第3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15.540%,黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)含量較多,砂粒(0.02～0.2 mm)含量相比較少,三者負(fù)荷量均較高;第4個(gè)主成分因子主要由有機(jī)質(zhì)決定,因子負(fù)荷量為0.754。

表6 土壤水分入滲能力的PCA分析

由表7可知,通過綜合主成分得分評(píng)價(jià)得出不同土地利用方式下土壤水分入滲能力排序?yàn)闂顦淞?紫穗槐林>復(fù)墾耕地>草地。

表7 土壤入滲能力評(píng)價(jià)

4 討論

通過對(duì)復(fù)墾區(qū)4種土地利用類型土壤入滲性能測量試驗(yàn),結(jié)果顯示林地土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率大于復(fù)墾耕地和草地。這與續(xù)海龍等[8]的研究結(jié)果相符。主要原因可能是林地較少受到人為擾動(dòng),保持原有的堆積狀態(tài),林內(nèi)枯落物有利于減少孔隙堵塞,林木根系的生長促使下層孔隙增大,增強(qiáng)土壤入滲性能。但也有學(xué)者得出不同結(jié)論,如溫明霞等[15]對(duì)神東集團(tuán)馬家塔露天煤礦復(fù)墾區(qū)研究發(fā)現(xiàn),草地土壤水分下滲速率遠(yuǎn)大于林地和灌木林。兩者結(jié)果不同的原因在于馬家塔露天煤礦位于鄂爾多斯高原南部。該區(qū)土壤類型以風(fēng)沙土為主,風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)疏松多孔,水分下滲速度較快,而林地對(duì)土質(zhì)結(jié)構(gòu)的改良效果強(qiáng)于草地,土壤結(jié)構(gòu)變好,土壤較為緊實(shí),密度增大,從而導(dǎo)致草地的水分下滲過程強(qiáng)于林地和灌木。

已有研究[16-17]表明,土壤密度、有機(jī)質(zhì)含量、各粒級(jí)含量和團(tuán)聚體等土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤的入滲性能影響較大。土壤密度決定土壤的緊實(shí)和松散程度。密度越大,土壤孔隙越小,則土壤的透水通氣性能越差,導(dǎo)致土壤滲透能力減弱[18]。土壤有機(jī)質(zhì)含量通過促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成,進(jìn)而增強(qiáng)土壤的滲透性能。經(jīng)過對(duì)復(fù)墾區(qū)前期野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),楊樹林和紫穗槐林地枯落物豐富,有機(jī)質(zhì)歸還量大,團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、密度小,土質(zhì)疏松,孔隙度大,入滲性能較好。草地根系細(xì)且發(fā)育深度較低是造成入滲速率小的關(guān)鍵因素。研究區(qū)多為短歷時(shí)降雨,土壤初滲速率越大,降雨產(chǎn)生的地表徑流就越少,土壤所攔蓄的水分就越多,這對(duì)礦區(qū)植被的生長具有重要意義[19]。不同土地利用類型土壤的初滲速率大于穩(wěn)滲速率。一方面是因?yàn)楸韺油寥烙鏊焖贊駶欉^程中土壤團(tuán)聚體迅速膨脹崩解,加之原狀土表面細(xì)顆粒的堵塞,導(dǎo)致土壤孔隙連通性變差,造成入滲速率明顯減小;另一方面,復(fù)墾區(qū)下層土壤較為緊實(shí),密度大,導(dǎo)致下層土壤入滲性能差,入滲速率偏低,且本文研究發(fā)現(xiàn)入滲速率與土壤密度呈顯著負(fù)相關(guān)。這與楊政等[19]研究結(jié)果相符。

針對(duì)不同土地利用類型土壤入滲規(guī)率進(jìn)行的模擬研究發(fā)現(xiàn),通用經(jīng)驗(yàn)方程的擬合程度明顯優(yōu)于Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型,這與劉潔等[20]的研究結(jié)果相符。對(duì)于Kostiakov方程,其模型是假設(shè)起始入滲速率無窮大,隨時(shí)間的無限延長,入滲速率將趨近于0。但在本研究中,由于在垂直入滲的過程中有重力勢的存在,入滲速率隨時(shí)間的無限延長將接近穩(wěn)滲速率從而保持穩(wěn)定,這較為符合土壤水動(dòng)力學(xué)[9]。通用經(jīng)驗(yàn)方程是在Kostiakov模型垂直入滲的基礎(chǔ)上增加常數(shù)項(xiàng)b,來反映時(shí)間無限長的情況下在重力作用下達(dá)到穩(wěn)定入滲[20]。根據(jù)擬合得到的相關(guān)系數(shù)大小,通用經(jīng)驗(yàn)方程對(duì)該區(qū)域土壤入滲過程的模擬效果最好。白中科和康示勇指出[21-22],礦區(qū)復(fù)墾地與黃土高原相比土壤更易發(fā)生水土流失,導(dǎo)致地貌加重,土壤水蝕模數(shù)增加59%;復(fù)墾后水蝕模數(shù)減少至原地貌的34%。因此,對(duì)礦區(qū)復(fù)墾后土壤水分運(yùn)移規(guī)律及其影響因子還需深入研究,從而為我國礦區(qū)復(fù)墾工作的開展和植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

1)不同土地利用類型的入滲速率存在差異,初滲速率和穩(wěn)滲速率均表現(xiàn)為楊樹林>紫穗槐林>復(fù)墾耕地>草地;初滲速率和穩(wěn)滲速率均隨土層厚度增加逐漸減小,但同一土地利用類型在不同土層間入滲速率不存在顯著差異。

2)對(duì)不同土地利用類型下土壤水分入滲過程的擬合發(fā)現(xiàn)通用經(jīng)驗(yàn)方程的相關(guān)擬合系數(shù)最好,決定系數(shù)均在0.961以上;各樣地的最優(yōu)入滲模型決定系數(shù)在0.961～0.998之間,其中通用經(jīng)驗(yàn)方程最多占12個(gè),通用經(jīng)驗(yàn)方程較Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型,可以較好地模擬預(yù)測該區(qū)土壤水分的入滲過程。

3)土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率均與土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),入滲速率與總孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05);主成分分析表明土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體、孔隙度、機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤滲透性的4個(gè)主要因子,四者累積貢獻(xiàn)率達(dá)87.760%。通過計(jì)算各土地利用類型土壤入滲能力綜合得分,得出不同土地利用類型土壤入滲能力由強(qiáng)到弱依次為楊樹林地(0.813)、紫穗槐林地(0.243)、復(fù)墾耕地(-0.117)和草地(-0.937)。