-
土壤饱和导水率（soil saturated hydraulic conductivity，Ks）是指当土壤所有孔隙处于饱和状态时，在单位水势梯度下，单位时间内垂直通过单位饱和土壤横截面的水流通量[1]。土壤饱和导水率是反映径流入渗和水分渗漏的重要参数，对于特定的土壤是常数，是表征土壤中饱和水流运动的最大能力。通过土壤饱和导水率，可以进一步阐述土壤介质内溶质、水分的运动规律，这对提高土壤渗透性能，预防和控制水土流失具有指导意义[2-4]。
人工林土壤具有极大的水分调节作用，其作用因植被群落特征和土壤基本性质不同而呈现差异。目前，许多学者从植被群落特征和土壤基本性质方面入手进行了大量工作。孟晨等[5]的研究结果表明，人工纯林对土壤饱和导水率的提高效果仅次于混交林。王贤等[6]在重庆市四面山林地土壤的研究中发现人工阔叶林土壤饱和导水率显著高于人工混交林。饱和导水率反映了土壤饱和渗透性能，主要与土壤孔隙分布和形状、有机质等具有强烈关系[7]。张一璇等人[8]在永定河官厅水库的研究认为饱和含水量、有机质含量是饱和导水率的主要影响因素，毛管孔隙度和非毛管孔隙度对其影响作用不大。马思文等[9]在三峡地区开展的研究发现，土壤密度和孔隙度是影响饱和导水率的主要因子。杨倩等[10]在武汉市开展的研究，认为影响该地区饱和导水率的主要因素是砂粒含量和黏粒含量。覃淼等[11]在桂北地区开展的研究认为，土壤饱和导水率的主要影响因子是土壤孔隙度。研究表明[8-10]人工林土壤饱和导水率的主要影响因素因土壤类型，土壤性质的相互作用，环境等因素不同而出现差异，针对具体地区应该具体分析。南亚热带地区高温多雨，土壤易饱和，饱和导水率低加速地表径流的产生，导致水土流失现象的发生。马尾松、杉木等人工林是该地区典型造林树种，种植面积广，生态功能明显，逐渐成为该地区的优势树种[12]，而关于南亚热带地区马尾松、杉木等典型人工林地土壤饱和导水率及其影响因素的研究未见报道。因此，深入研究土壤饱和导水率，了解该地区的土壤入渗等水分运动情况，对该地区合理种植人工林具有指导意义。
鉴于此，本实验以广西国有高峰林场中不同人工林林地土壤为研究对象，测定5种人工林土壤剖面的饱和导水率，探讨不同人工林饱和导水率的变化特征，综合土壤密度、总孔隙度、有机质含量等10项土壤基本性质，分析南亚热带地区土壤饱和导水率与土壤基本性质的关系，了解土壤基本性质对土壤饱和导水率的作用权重，为进一步研究该地区土壤水分运动规律提供基础科学理论支持，也为南亚热带地区合理规划种植人工林提供理论指导。
-
研究区位于广西国有高峰林场（108°20′57″ ~ 108°24′37E、22°56′48″ ~ 23°29′18″N），高峰林场占地32 000 hm2，分布区域呈条带状，位于广西壮族自治区南宁市北部。林场内分布着众多珍贵的树种和大径林木，其森林覆盖率达87 %。研究区属南亚热带季风气候，多年平均气温21.6 ℃，受季风影响，降雨充沛，年平均降雨量1 320 mm，降雨天数104.7 d，且多集中于5—9月（占全年降雨量的79.8 %），多年平均相对湿度79 %。该研究区为丘陵地形，海拔高度为130 ~ 360 m，坡度一般为10 ~ 35 °，土壤类型属于赤红壤，土壤厚度在50 cm以上，呈酸性至强酸性。
-
在保证立地条件基本一致的前提下，选取林场内5块典型人工林林地马尾松（Pinus massoniana）林、杉木（Cunninghamia lanceolata）林、尾巨桉（Eucalyptus urophylla × E. grandis）林、红锥（Castanopsis hystrix）林、米老排（Mytilaria laosensis）林。5种人工林均是优势种，各林区的人工管理措施相似。具体情况如表1。
表 1 研究区基本情况
Table 1. Basic information of the research area
林地类型
Stand type经纬度
Longitude and latitude海拔
Altitude/m坡度
Slope/(°)林龄/a
Stand age/year郁闭度
Canopy density平均树高
Mean tree height/m平均胸径
Mean DBH/cm马尾松
Pinus massoniana108°22′37″E、22°58′37″N 217 18 ~ 22 25 0.6 10.7 23.5 杉木
Cunninghamia lanceolata108°22′40″E、22°58′01″N 180 22 ~ 28 15 0.7 12.3 20.6 尾巨桉
Eucalyptus urophylla ×
E. grandis108°22′01″E、22°59′20″N 358 20 ~ 25 8 0.5 18.2 13.4 米老排
Mytilaria laosensis108°22′04″E、22°58′08″N 234 22 ~ 26 12 0.8 13.5 18.1 红锥
Castanopsis hystrix108°22′37″E、22°58′08″N 190 22 ~ 25 10 0.6 15.6 16.5 林下灌木种类以鹅掌柴（Scheffera octophylla）、粗叶榕（Ficus hirta）、玉叶金花（Mussaenda pubescens）、牛白藤（Oldenlandia hedyotidea）等小型灌木为主，还有细毛鸭嘴草（Ischaemum indicum）、五节芒（Miscanthus floridulus）、东方乌毛蕨（Blechnum orientale）、铁线蕨（Adiantum capillus）、弓果黍（Cyrtococcum patens）、蔓生莠竹（Microstegium vagans）、铁芒萁（Dicranopteris dichotoma）、胜红蓟（Ageratum conyzoides）、半边旗（Pteris semipinnata）等草本植物。
-
土壤样品采集时间在2019年5月上旬。在每个林地内按照随机性原则布设3个面积为20 m × 20 m的样地，在设立的样地内选择能反映林地基本特征，并且具有代表性的区域，避开树干基部，每个样地分别挖掘土壤剖面（宽0.8 m、深1 m）3个。采样前，除去土体表层枯枝落叶，由土壤表层沿剖面向下按照0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm、30 ~ 40 cm、40 ~ 50 cm共分5层采集土壤样品。从土壤表面向下按照0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm、30 ~ 40 cm、40 ~ 50 cm分为5层从上往下用100 cm3环刀取样，每层采样操作重复3次，小心将环刀土包裹，带回实验室，一部分用恒定水头法测定不同林地各层次土壤的饱和导水率，另一部分进行土壤的饱和含水量、土壤密度、孔隙度等测定。用环刀采完土样后，在先前的土壤剖面按照原先分层分别进行采样，每层采样操作重复3次，土层样品分层混匀后，通过四分法采集1 ~ 2 kg土壤样品作风干处理，过2 mm标准筛，用于土壤粒径分析。
-
土壤饱和导水率用恒定水头法（即在测定过程中维持进口端水头不变的情况进行测定的方法）进行测定，重复测定3次，取平均值，按照如下公式进行计算：
$$ {K}_{\rm{s}}=\frac{V}{tA}\times \frac{L}{H} $$ (1) 式中：
${K}_{\rm{s}}$ 为t温度下的饱和导水率（mm/min）；$ V $ 为出水量（mL）；t为水分出流时间（min）；A为土柱的横截面积（cm2）；$ L $ 为土柱的长度（mm）；$ H $ 为进口端水头（mm）。根据式（2）将饱和导水率数值统一换算成10 ℃下的土壤饱和导水率：
$$ {K}_{10}=\frac{{K}_{\rm{s}}}{0.7+0.03t} $$ (2) 式中：
$ {K}_{\rm{s}} $ 为t温度下的土壤饱和导水率（mm/min）；t为测定时水的温度（℃）；$ {K}_{10} $ 指的是10 ℃下的土壤饱和导水率（mm/min）。采用Le Bissonasis法[13]测定经过3种处理（快速湿润、慢速湿润、预湿润后扰动处理）后的土壤水稳性团聚体含量。3种处理的土壤水稳性团聚体分类标准均为：> 2 mm、1 ~ 2 mm、0.5 ~ 1 mm、0.2 ~ 0.5 mm、0.1 ~ 0.2 mm、< 0.1 mm。本文只采取快速湿润处理后测定的大于0.2 mm土壤水稳性团聚体含量作为土壤团聚体稳定性指标。土壤粒径分析采用吸管法进行，按照美国制分类标准进行划分：砂粒（0.05 ~ 2 mm，%），粉粒（0.002 ~ 0.05 mm，%），黏粒（< 0.002 mm，%）。有机质含量（g/kg）、土壤密度（g/cm3）、总孔隙度（%）、毛管孔隙度（%）、非毛管孔隙度（%）、饱和含水量（%）等土壤基本性质按照文献[14]方法测定。
-
实验数据通过Microsoft Excel 2010软件作图。利用SPSS 21.0和Microsoft Excel 2010软件对数据进行描述性统计分析和相关性分析。利用Microsoft Excel 2010软件按照灰色关联分析方法[15]对土壤饱和导水率的影响因素进行量化分析。为避免因单位不同而对灰色关联分析结果造成影响，本实验采用均值(
$ \overline{{X}_{i}} $ )和标准差($ {S}_{i} $ )对实验数据进行标准化处理，计算公式如下：$$ X'_{i}\left(k\right)=\frac{{X}_{i}\left(k\right)-\overline{{X}_{i}}}{{S}_{i}} $$ (3) 式中：
$ X'_{i}\left(k\right) $ 为标准化处理后的实验数据；$ {X}_{i}\left(k\right) $ 为标准化处理前的实验数据；$ \overline{{X}_{i}} $ 为对应原始数据的均值；$ {S}_{i} $ 为对应原始数据的标准差。 -
由表2可知，饱和导水率的变化范围为0.28 ~ 1.18 mm/min，变异系数为45.8 %，属于高度变异，说明该地区不同林分和不同土层之间的饱和导水率变异强度较大。饱和导水率的均值和中值分别为0.55 mm/min和0.48 mm/min，说明该地区土壤饱和导水率更趋向于中高值区。在土壤基本性质中，砂粒含量、非毛管孔隙度、饱和含水量和有机质含量的变异系数分别为22.1 %、23.7 %、24.8 %和62.1 %。其中，砂粒含量、非毛管孔隙度、饱和含水量为中度变异，有机质含量为高度变异，表明以上4种土壤理化性质在该地区土壤中存在较大变异，对该地区土壤结构影响较大。粉粒含量、黏粒含量、土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度和大于0.2 mm的水稳性团聚体含量的变异系数为13.7 %、9.5 %、12.6 %、12.5 %、10.5 %和12.4 %，均处于偏低变异程度，说明该地区以上6项土壤结构性质的空间变异性较低。
表 2 土壤基本性质和土壤饱和导水率特征统计
Table 2. Statistics of soil saturated hydraulic conductivity and soil basic properties
土壤基本性质
Basic soil property极小值
Min.极大值
Max.均值
Mean中位数
Median标准差
Standard deviation变异系数
CV/%偏度
SkewnessX1/% 18.32 43.06 30.9 30.70 6.84 22.1 −0.203 X2/% 24.66 40.74 32.23 31.56 4.41 13.7 0.187 X3/% 32.16 44.02 36.87 36.32 3.51 9.5 0.709 X4/(g∙cm−3) 0.96 1.53 1.32 1.38 0.17 12.6 −0.713 X5/% 42.14 63.7 50.22 47.97 6.29 12.5 0.705 X6/% 25.9 37.66 31.82 30.91 3.35 10.5 0.179 X7/% 10.66 26.83 18.59 18.28 4.41 23.7 0.172 X8/(g∙kg−1) 6.28 49.08 20.11 19.31 12.49 62.1 0.779 X9/% 30.58 67.17 43.28 41.97 10.74 24.8 0.915 X10/% 55.08 90.6 74.29 72.50 9.2 12.4 −0.136 X11/(mm∙min−1) 0.28 1.18 0.55 0.48 0.25 45.8 1.357 注：X1为砂粒含量；X2为粉粒含量；X3为黏粒含量；X4为土壤密度；X5为总孔隙度；X6为毛管孔隙度；X7为非毛管孔隙度；X8为有机质含量；X9饱和含水量；X10为大于0.2 mm的水稳性团聚体含量；X11为土壤饱和导水率。下同。
Notes：X1 means content of sand; X2 means content of silt; X3 means content of clay; X4 means soil density; X5 means total porosity; X6 means capillary porosity; X7 means non-capillary porosity; X8 means content of organic matter; X9 means saturated water content; X10 means water stable aggregate content greater than 0.2 mm; X11 means soil saturated hydraulic conductivity. The same below. -
南亚热带地区5种人工林土壤饱和导水率随土壤剖面深度的变化如图1。随着土壤深度的增加，5种人工林土壤的饱和导水率均呈现先减后增的变化趋势。以马尾松为例，其在0 ~ 10 cm土层的饱和导水率（1.18 mm/min）比深层土壤（10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm、30 ~ 40 cm和40 ~ 50 cm）的饱和导水率（0.60、0.38、0.32、0.48 mm/min）分别高0.58、0.80、0.86、0.70 mm/min，其余4种人工林也呈现出与马尾松相似的变化趋势。其次，在0 ~ 20 cm土壤层中，马尾松人工林土壤饱和导水率均最高，且与杉木人工林土壤饱和导水率大致相等；在20 ~ 40 cm土壤层中，杉木人工林土壤饱和导水率最高；在40 ~ 50 cm土壤层中，则是米老排人工林土壤饱和导水率最高。
图 1 不同林地土壤饱和导水率变化
Figure 1. Variation of soil saturated hydraulic conductivity in different stands
杉木、马尾松、米老排、红锥、尾巨桉的平均饱和导水率依次为0.60、0.59、0.56、0.52、0.50 mm/min，且变异系数为马尾松（0.52）、米老排（0.48）、尾巨桉（0.42）、杉木（0.40）、红锥（0.35）。5种林地的土壤平均饱和导水率变化范围为0.50 ~ 0.60 mm/min，5种林地土壤的饱和导水率属于高度变异，且变异系数变化范围为0.35 ~ 0.52。其中，杉木和马尾松的平均饱和导水率大致相等，但马尾松的变异系数大于杉木的变异系数，这说明2种林地土壤导水透水能力大致相等，马尾松的空间异质性较强烈。米老排和红锥2种人工林的平均饱和导水率相差较少，而米老排变异系数较大，这表明米老排和红锥的导水透水能力相似，但米老排林地土壤的空间异质性较强烈。尾巨桉土壤的平均饱和导水率相对较小，但变异系数较大，尾巨桉土壤的导水能力较差，空间异质性也较强烈。
-
由表3可知，砂粒含量、粉粒含量及土壤密度均与饱和导水率呈负相关关系，土壤密度与饱和导水率呈显著的负相关关系（P < 0.05）。黏粒含量、有机质含量、大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、饱和含水量均与饱和导水率呈正相关关系，且有机质含量、大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度与饱和导水率呈极显著的正相关关系（P < 0.01），饱和含水量与饱和导水率呈显著的正相关关系（P < 0.05）。
表 3 土壤基本性质与饱和导水率的相关性分析
Table 3. Correlation analysis of soil basic properties and saturated hydraulic conductivity
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 饱和导水率
Saturated hydraulic
conductivity/(mm∙min−1)Pearson 相关性
Pearson correlation−0.12 −0.04 0.29 −0.661** 0.661** 0.418** 0.600** 0.846** 0.428* 0.673** 显著性
Significance level0.41 0.85 0.06 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.04 0.00 注：*表示P < 0.05 显著相关；**表示P < 0.01极显著相关。N = 25。Notes: * indicates a significant correlation at P < 0.05 level; ** indicates a significant correlation at P < 0.01 level. N = 25. 将10项土壤基本性质和饱和导水率按照灰色关联分析的计算步骤进行计算绘出表4、5。各基本性质的重要性以关联度表示，关联度越高表示该指标重要性越高，关联度的序列变化表示各基本性质重要性的变化。由表5可知，砂粒含量（0.640 0）、粉粒含量（0.592 5）和黏粒含量（0.693 6）的关联度在0.5 ~ 0.7之间，其余指标的关联度均在0.7以上。根据孙林凯等[16]关于灰色关联分析理论的研究：关联度在0.7以上为重要影响因素；0.5 ~ 0.7之间为次重要影响因素；0.5以下为不重要因素。因此，有机质含量、大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、土壤密度、总孔隙度、饱和含水量、非毛管孔隙度和毛管孔隙度是该地区土壤饱和导水率的重要影响因素；砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量是次重要因素。
表 4 土壤基本性质与饱和导水率的关联系数（ζi）
Table 4. Correlation coefficients of soil basic properties and soil saturated hydraulic conductivity (ζi)
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 0.348 0 0.388 2 0.333 8 0.463 0 0.463 0 0.353 4 0.542 6 0.703 3 0.403 2 0.525 1 0.922 8 0.907 8 0.972 3 0.860 7 0.860 7 0.776 1 0.924 9 0.609 6 0.962 4 0.663 7 0.816 2 0.575 7 0.738 4 0.926 1 0.926 1 0.918 5 0.855 4 0.631 6 0.802 9 0.935 2 1.000 0 0.429 3 0.765 4 0.883 8 0.883 8 0.987 4 0.977 0 0.922 3 0.896 4 0.963 4 0.648 8 0.528 4 0.733 0 0.601 5 0.601 5 0.503 4 0.861 7 0.661 4 0.785 3 0.454 2 0.662 4 0.407 9 0.946 5 0.718 3 0.718 3 0.880 2 0.520 9 0.745 1 0.425 7 0.894 8 0.548 0 0.581 0 0.509 1 0.636 9 0.636 9 0.589 2 0.823 8 0.783 0 0.627 0 0.846 3 0.536 7 0.701 1 0.704 9 0.536 7 0.536 7 0.946 4 0.440 8 0.778 0 0.870 7 0.743 1 0.797 5 0.598 4 0.646 8 0.985 6 0.985 6 0.758 8 0.820 9 0.787 7 0.646 6 0.557 6 0.688 9 0.651 7 0.625 5 0.973 4 0.973 4 0.768 6 0.722 7 0.863 6 0.792 4 0.835 6 0.384 7 0.653 2 0.360 2 0.568 8 0.568 8 0.439 5 0.691 9 0.625 6 0.933 3 0.677 8 0.837 7 0.489 9 0.756 2 0.914 4 0.914 4 0.776 1 0.873 3 0.695 3 0.438 7 0.722 3 0.918 2 0.456 2 0.925 8 0.751 1 0.751 1 0.758 0 0.462 1 0.742 1 0.608 5 0.737 7 0.560 8 0.394 1 0.671 6 0.754 4 0.754 4 0.635 2 0.556 4 0.802 8 0.747 1 0.793 5 0.542 6 0.426 4 0.722 9 0.622 4 0.622 4 0.811 5 0.871 6 0.716 2 0.709 2 0.801 1 0.451 7 0.483 3 0.603 6 0.881 8 0.881 8 0.725 0 0.718 1 0.856 9 0.905 2 0.600 0 0.466 0 0.573 6 0.429 3 0.413 3 0.413 3 0.501 3 0.447 3 0.872 2 0.450 9 0.700 8 0.412 8 0.871 0 0.412 7 0.568 8 0.568 8 0.396 0 0.889 2 0.735 8 0.358 1 0.963 7 0.761 3 0.784 8 0.942 2 0.970 0 0.970 0 0.551 8 0.642 0 0.844 3 0.748 9 0.993 9 0.872 3 0.664 6 0.976 1 0.832 8 0.832 8 0.643 9 0.594 6 0.701 9 0.920 2 0.963 5 0.583 7 0.615 8 0.685 6 0.797 6 0.797 6 0.845 2 0.823 4 0.905 3 0.858 3 0.829 9 0.427 9 0.457 8 0.531 5 0.685 6 0.685 6 0.590 3 0.883 0 0.747 7 0.920 3 0.519 0 0.477 7 0.577 5 0.761 6 0.774 5 0.774 5 0.898 7 0.715 5 0.890 5 0.722 5 0.618 0 0.561 8 0.890 8 0.912 1 0.820 3 0.820 3 0.820 7 0.764 7 0.916 6 0.838 2 0.798 9 0.770 2 0.704 9 0.672 8 0.959 6 0.959 6 0.694 3 0.764 7 0.647 5 0.896 9 0.496 4 表 5 土壤基本性质与饱和导水率的关联度（ri）
Table 5. Degree of association of both soil basic properties and soil saturated hydraulic conductivity (ri)
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 0.640 0 0.592 5 0.693 6 0.756 1 0.756 1 0.702 8 0.727 5 0.767 5 0.730 8 0.745 4 -
饱和导水率是反映土壤通透性优劣的重要指标。已有的研究表明，不同人工林的根系生长具有树种特异性，根系通过物理穿插、网络以及固结等方式改变土壤孔隙状况进而达到改善土壤通透性的目的[17]。本研究中，5种人工林土壤平均饱和导水率表现为杉木 > 马尾松 > 米老排 > 红锥 > 尾巨桉，与马思文等[9]的研究结果一致，人工林可以明显改善土壤通透性，提高土壤饱和导水率。不同人工林之间土壤饱和导水率存在明显差异。其中，杉木和马尾松2种人工林的土壤通透性良好，红锥和尾巨桉2种人工林土壤通透性较差，米老排土壤通透性中等。随着土壤深度的增加，5种人工林的土壤饱和导水率呈现出先减后增的变化趋势，与李向富等[18]、王贤等[6]等的研究结果存在差异，这可能是因为该地区的成土母质为砂页岩，土壤剖面下层存在少量非毛管孔隙，形成了水分的优先通道[19-20]。杉木和马尾松等是南亚热带地区常用的造林树种[12]，5种人工林对土壤通透性的改良作用存在明显差异，相比其他3种人工林，杉木和马尾松人工林地土壤通透性较好，具有更好的土壤渗透性能。
已有的研究表明[21-22]，不同研究地区土壤饱和导水率的影响因素不同，加之不同土壤基本性质存在相互作用，这导致不同研究地区饱和导水率的机理存在明显差异。本研究中，有机质含量、大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、饱和含水量均与饱和导水率呈正相关关系，土壤密度与饱和导水率呈负相关关系，这与已有研究结果一致[6-8]，主要原因是饱和导水率与土壤孔隙状况存在直接因果关系，这一点不因研究地区的不同而有所改变，因此，土壤密度、有机质含量、大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和饱和含水量与饱和导水率的相关关系与其他研究结果[6-8]相一致。砂粒含量、粉粒含量与饱和导水率呈负相关，黏粒含量与饱和导水率呈正相关关系，这与李平等[23]、陈雪等[24]的研究结果有所差异，主要原因是研究区土壤质地与后两者的土壤质地存在差异，研究区土壤质地为黏壤土，黏粒的含量比砂粒的含量、粉粒含量均高，而后两者的土壤质地是砂壤土，黏粒含量明显少于砂粒含量和粉粒含量，这导致黏粒含量与饱和导水率的相关关系因不同地区而产生差异。在明确10项土壤基本性质与饱和导水率相关性的基础上，运用灰色关联分析法进一步分析10项土壤基本性质的作用权重。在该地区中，有机质含量、大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、土壤密度、总孔隙度、饱和含水量、非毛管孔隙度和毛管孔隙度是该地区土壤饱和导水率的重要影响因素，砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量是次重要因素。这与阮芯竹等[21]、王子龙等[25]、刘宇等[26]的研究结果相一致，主要原因是不同研究的样地均存在定期的人工管理，如松土、除草与施肥等，有机质含量、大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、土壤密度、总孔隙度、饱和含水量、非毛管孔隙度和毛管孔隙度有比较快速的变化，从而提高土壤饱和导水率。在总孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度方面与张一璇等[8]的研究结果存在明显的差异，这可能是研究区的土壤质地存在明显差异所致，本研究区内的土壤质地属于黏壤土，而后者研究区内土壤质地属于砂壤土，不同土层毛管孔隙所占的比例相差不大所导致的结果。对于土壤机械组成的影响权重，王贤等[6]、张一璇等[8]、王子龙等[25]的研究之间存在差异，直接原因是不同研究区的土壤质地具有明显差异，以及各因素之间的相互作用强度也存在差异，导致土壤机械组成的作用权重不同。许多研究表明[27]，有机质通过间接影响和改善土壤的物理特性和土壤结构稳定性，从而达到提高土壤饱和导水率的目的。大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、土壤密度、总孔隙度直接影响土壤饱和导水率。土壤团聚体是土壤结构的基本单位，提高大于0.2 mm的水稳性团聚体含量有利于产生更多孔隙。而饱和含水量、土壤密度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度反映土壤孔隙状况，土壤孔隙是土壤水分移动的主要通道，其分布状况直接影响到土壤饱和导水率的变化。
-
南亚热带地区，5种人工林平均饱和导水率从大到小为：杉木、马尾松、米老排、红锥、尾巨桉。杉木和马尾松人工林可以显著提高土壤饱和导水率。随着土壤深度的增加，不同人工林土壤饱和导水率呈现先减小后增加的变化趋势。各土壤基本性质对土壤饱和导水率的作用权重不同，其中起主要影响的因素依次为有机质含量、大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、土壤密度、总孔隙度、饱和含水量、非毛管孔隙度和毛管孔隙度，次重要因素为砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量。饱和导水率是评价土壤通透性优劣的重要指标。有机质含量是该地区提高土壤通透性的驱动因子，从土壤方面提高土壤饱和导水率，要对其主要影响因素加以改良。人工管理措施对该地区的人工林土壤通透性的改良作用显著，合理调整人工管理措施，有效提高该地区土壤通透性，提高土壤饱和导水率。
Characteristics of soil saturated hydraulic conductivity and its influencing factors of typical plantations in South Subtropical Zone
-
摘要:
目的 分析南亚热带典型人工林土壤饱和导水率的变化特征及其影响因素，了解水分在土壤中的运动规律，为进一步研究人工林土壤水分运动规律提供基础科学理论支持。 方法 以广西国有高峰林场内的马尾松、杉木、尾巨桉、米老排、红锥等人工林土壤为研究对象，采用恒定水头法测定5种人工林地的土壤饱和导水率，利用相关性分析和灰色关联分析法等数学分析方法，探讨南亚热带人工林土壤饱和导水率的变化特征及其影响因素。 结果 （1）杉木和马尾松2种人工林土壤的平均饱和导水率相对较高，尾巨桉人工林土壤的平均饱和导水率最低。不同人工林土壤饱和导水率与土壤深度均具有先减小后增加的变化规律，且土壤表层（0 ~ 10 cm）的饱和导水率均显著高于土壤下层（10 ~ 50 cm）。（2）相关性分析结果表明，有机质含量、大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、饱和含水量和黏粒含量均与饱和导水率呈正相关关系，土壤密度与饱和导水率呈显著的负相关关系。（3）灰色关联分析结果表明，有机质含量、大于0.2 mm的水稳性团聚体含量、土壤密度、总孔隙度、饱和含水量、非毛管孔隙度和毛管孔隙度是土壤饱和导水率的重要影响因素，砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量是次重要因素。 结论 相比红锥、尾巨桉和米老排，杉木和马尾松可以显著提高土壤饱和导水率，延缓地表径流产生，减少土壤侵蚀。应注重科学的人工林经营措施，以便有效提高土壤的导水与贮水能力。 Abstract:Objective The changing characteristics and influencing factors of soil saturated hydraulic conductivity in typical plantations were analyzed in South Subtropical Zone, the soil moisture movement law in the soil was studied, which provides basic scientific theoretical support for further study of soil moisture movement law in plantations in this area. Method Taking the soils of Pinus massoniana, Cunninghamia lanceolata, Eucalyptus urophylla × E. grandis, Mytilaria laosensis and Castanopsis hystrix located in the state-owned Gaofeng Forest Farm of Guangxi Zhuang Autonomous Region as the research objects, the soil saturated hydraulic conductivity (Ks ) of plantations was determined by the constant water head method, and mathematical analysis methods such as correlation analysis and grey correlation analysis were used to explore the characteristics and influencing factors of soil saturated hydraulic conductivity of plantation soils in South Subtropical Zone. Result (1) The average saturated hydraulic conductivity of Cunninghamia lanceolata and Pinus massoniana was relatively higher, and the average saturated hydraulic conductivity of Eucalyptus urophylla × E. grandis was lowest. The soil saturated hydraulic conductivity and soil depth of different plantations had the changing rule of decreasing first and then increasing, in which the saturated hydraulic conductivity of the surface soils was significantly higher than that of the deep soils. (2) Correlation analysis result showed that content of organic matter, water stable aggregate content greater than 0.2 mm, total porosity, non-capillary porosity, capillary porosity, saturated water content and content of clay were positively correlated with soil saturated hydraulic conductivity, while soil density was significantly negatively correlated with soil saturated hydraulic conductivity. (3) Grey correlation analysis result showed that content of organic matter, water stable aggregate content greater than 0.2 mm, soil density, total porosity, saturated water content, non-capillary porosity and capillary porosity were important factors, content of sand, content of silt and content of clay were the secondary important factors. Conclusion In comparison to Castanopsis hystrix, Eucalyptus urophylla × E. grandis and Mytilaria laosensis, Cunninghamia lanceolata and Pinus massoniana can significantly increase soil saturated hydraulic conductivity, delay the generation of surface runoff and reduce incidence of soil erosion. Scientific management measures should be paid more attention to effectively improve soil water carrying capacity and water storage capacity. -
图 1 不同林地土壤饱和导水率变化
CL为杉木；PM为马尾松；ML为米老排；CM为红锥；EU为尾巨桉。CL, Cunninghamia lanceolata; PM, Pinus massoniana; ML, Mytilaria laosensis; CM, Castanopsis hystrix; EU, Eucalyptus urophylla × E. grandis.
Figure 1. Variation of soil saturated hydraulic conductivity in different stands
表 1 研究区基本情况
Table 1. Basic information of the research area
林地类型
Stand type经纬度
Longitude and latitude海拔
Altitude/m坡度
Slope/(°)林龄/a
Stand age/year郁闭度
Canopy density平均树高
Mean tree height/m平均胸径
Mean DBH/cm马尾松
Pinus massoniana108°22′37″E、22°58′37″N 217 18 ~ 22 25 0.6 10.7 23.5 杉木
Cunninghamia lanceolata108°22′40″E、22°58′01″N 180 22 ~ 28 15 0.7 12.3 20.6 尾巨桉
Eucalyptus urophylla ×
E. grandis108°22′01″E、22°59′20″N 358 20 ~ 25 8 0.5 18.2 13.4 米老排
Mytilaria laosensis108°22′04″E、22°58′08″N 234 22 ~ 26 12 0.8 13.5 18.1 红锥
Castanopsis hystrix108°22′37″E、22°58′08″N 190 22 ~ 25 10 0.6 15.6 16.5 
下载: 导出CSV
表 2 土壤基本性质和土壤饱和导水率特征统计
Table 2. Statistics of soil saturated hydraulic conductivity and soil basic properties
土壤基本性质
Basic soil property极小值
Min.极大值
Max.均值
Mean中位数
Median标准差
Standard deviation变异系数
CV/%偏度
SkewnessX1/% 18.32 43.06 30.9 30.70 6.84 22.1 −0.203 X2/% 24.66 40.74 32.23 31.56 4.41 13.7 0.187 X3/% 32.16 44.02 36.87 36.32 3.51 9.5 0.709 X4/(g∙cm−3) 0.96 1.53 1.32 1.38 0.17 12.6 −0.713 X5/% 42.14 63.7 50.22 47.97 6.29 12.5 0.705 X6/% 25.9 37.66 31.82 30.91 3.35 10.5 0.179 X7/% 10.66 26.83 18.59 18.28 4.41 23.7 0.172 X8/(g∙kg−1) 6.28 49.08 20.11 19.31 12.49 62.1 0.779 X9/% 30.58 67.17 43.28 41.97 10.74 24.8 0.915 X10/% 55.08 90.6 74.29 72.50 9.2 12.4 −0.136 X11/(mm∙min−1) 0.28 1.18 0.55 0.48 0.25 45.8 1.357 注：X1为砂粒含量；X2为粉粒含量；X3为黏粒含量；X4为土壤密度；X5为总孔隙度；X6为毛管孔隙度；X7为非毛管孔隙度；X8为有机质含量；X9饱和含水量；X10为大于0.2 mm的水稳性团聚体含量；X11为土壤饱和导水率。下同。
Notes：X1 means content of sand; X2 means content of silt; X3 means content of clay; X4 means soil density; X5 means total porosity; X6 means capillary porosity; X7 means non-capillary porosity; X8 means content of organic matter; X9 means saturated water content; X10 means water stable aggregate content greater than 0.2 mm; X11 means soil saturated hydraulic conductivity. The same below.
下载: 导出CSV
表 3 土壤基本性质与饱和导水率的相关性分析
Table 3. Correlation analysis of soil basic properties and saturated hydraulic conductivity
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 饱和导水率
Saturated hydraulic
conductivity/(mm∙min−1)Pearson 相关性
Pearson correlation−0.12 −0.04 0.29 −0.661** 0.661** 0.418** 0.600** 0.846** 0.428* 0.673** 显著性
Significance level0.41 0.85 0.06 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.04 0.00 注：*表示P < 0.05 显著相关；**表示P < 0.01极显著相关。N = 25。Notes: * indicates a significant correlation at P < 0.05 level; ** indicates a significant correlation at P < 0.01 level. N = 25.
下载: 导出CSV
表 4 土壤基本性质与饱和导水率的关联系数（ζi）
Table 4. Correlation coefficients of soil basic properties and soil saturated hydraulic conductivity (ζi)
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 0.348 0 0.388 2 0.333 8 0.463 0 0.463 0 0.353 4 0.542 6 0.703 3 0.403 2 0.525 1 0.922 8 0.907 8 0.972 3 0.860 7 0.860 7 0.776 1 0.924 9 0.609 6 0.962 4 0.663 7 0.816 2 0.575 7 0.738 4 0.926 1 0.926 1 0.918 5 0.855 4 0.631 6 0.802 9 0.935 2 1.000 0 0.429 3 0.765 4 0.883 8 0.883 8 0.987 4 0.977 0 0.922 3 0.896 4 0.963 4 0.648 8 0.528 4 0.733 0 0.601 5 0.601 5 0.503 4 0.861 7 0.661 4 0.785 3 0.454 2 0.662 4 0.407 9 0.946 5 0.718 3 0.718 3 0.880 2 0.520 9 0.745 1 0.425 7 0.894 8 0.548 0 0.581 0 0.509 1 0.636 9 0.636 9 0.589 2 0.823 8 0.783 0 0.627 0 0.846 3 0.536 7 0.701 1 0.704 9 0.536 7 0.536 7 0.946 4 0.440 8 0.778 0 0.870 7 0.743 1 0.797 5 0.598 4 0.646 8 0.985 6 0.985 6 0.758 8 0.820 9 0.787 7 0.646 6 0.557 6 0.688 9 0.651 7 0.625 5 0.973 4 0.973 4 0.768 6 0.722 7 0.863 6 0.792 4 0.835 6 0.384 7 0.653 2 0.360 2 0.568 8 0.568 8 0.439 5 0.691 9 0.625 6 0.933 3 0.677 8 0.837 7 0.489 9 0.756 2 0.914 4 0.914 4 0.776 1 0.873 3 0.695 3 0.438 7 0.722 3 0.918 2 0.456 2 0.925 8 0.751 1 0.751 1 0.758 0 0.462 1 0.742 1 0.608 5 0.737 7 0.560 8 0.394 1 0.671 6 0.754 4 0.754 4 0.635 2 0.556 4 0.802 8 0.747 1 0.793 5 0.542 6 0.426 4 0.722 9 0.622 4 0.622 4 0.811 5 0.871 6 0.716 2 0.709 2 0.801 1 0.451 7 0.483 3 0.603 6 0.881 8 0.881 8 0.725 0 0.718 1 0.856 9 0.905 2 0.600 0 0.466 0 0.573 6 0.429 3 0.413 3 0.413 3 0.501 3 0.447 3 0.872 2 0.450 9 0.700 8 0.412 8 0.871 0 0.412 7 0.568 8 0.568 8 0.396 0 0.889 2 0.735 8 0.358 1 0.963 7 0.761 3 0.784 8 0.942 2 0.970 0 0.970 0 0.551 8 0.642 0 0.844 3 0.748 9 0.993 9 0.872 3 0.664 6 0.976 1 0.832 8 0.832 8 0.643 9 0.594 6 0.701 9 0.920 2 0.963 5 0.583 7 0.615 8 0.685 6 0.797 6 0.797 6 0.845 2 0.823 4 0.905 3 0.858 3 0.829 9 0.427 9 0.457 8 0.531 5 0.685 6 0.685 6 0.590 3 0.883 0 0.747 7 0.920 3 0.519 0 0.477 7 0.577 5 0.761 6 0.774 5 0.774 5 0.898 7 0.715 5 0.890 5 0.722 5 0.618 0 0.561 8 0.890 8 0.912 1 0.820 3 0.820 3 0.820 7 0.764 7 0.916 6 0.838 2 0.798 9 0.770 2 0.704 9 0.672 8 0.959 6 0.959 6 0.694 3 0.764 7 0.647 5 0.896 9 0.496 4
下载: 导出CSV
表 5 土壤基本性质与饱和导水率的关联度（ri）
Table 5. Degree of association of both soil basic properties and soil saturated hydraulic conductivity (ri)
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 0.640 0 0.592 5 0.693 6 0.756 1 0.756 1 0.702 8 0.727 5 0.767 5 0.730 8 0.745 4
下载: 导出CSV
-
[1] Fodor N, Sandor R, Orfanus T, et al. Evaluation method dependency of measured saturated hydraulic conductivity[J]. Geoderma, 2011, 165(1): 60−68. doi: 10.1016/j.geoderma.2011.07.004 [2] Xu C H, Xu X L, Liu M X, et al. Enhancing pedotransfer functions(PTFs) using soil spectral reflectance data for estimating saturated hydraulic conductivity in southwestern China[J]. Catena, 2017, 158: 350−356. doi: 10.1016/j.catena.2017.07.014 [3] Klopp H, Arriaga F, Daigh A, et al. Analysis of pedotransfer functions to predict the effects of salinity and sodicity on saturated hydraulic conductivity of soils[J]. Geoderma, 2020, 362: 1−6. [4] Becker R, Gebremichael M, Märker M. Impact of soil surface and subsurface properties on soil saturated hydraulic conductivity in the semi-arid walnut gulch experimental watershed, Arizona, USA[J]. Geoderma, 2018, 322: 112−120. doi: 10.1016/j.geoderma.2018.02.023 [5] 孟晨, 牛健植, 骆紫藤, 等. 鹫峰地区不同植被群落土壤性质及饱和导水率特征[J]. 水土保持学报, 2015, 29(3):156−160. Meng C, Niu J Z, Luo Z T, et al. Soil properties and saturated hydraulic conductivity under different plant communities in Jiufeng area[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(3): 156−160. [6] 王贤, 张洪江, 程金花, 等. 重庆市四面山典型林分土壤饱和导水率研究[J]. 水土保持通报, 2012, 32(2):29−34. Wang X, Zhang H J, Cheng J H, et al. Saturated hydraulic conductivity in soils under typical forests in Simian mountains of Chongqing City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2012, 32(2): 29−34. [7] 胡传旺, 王辉, 刘常, 等. 南方典型土壤水力特征差异性分析[J]. 水土保持学报, 2017, 31(2):97−102. Hu C W, Wang H, Liu C, et al. Difference analysis of hydraulic characteristics of typical soils in south China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(2): 97−102. [8] 张一璇, 史常青, 杨浩, 等. 永定河流域官厅水库南岸典型林分土壤饱和导水率研究[J]. 生态学报, 2019, 39(18):6681−6689. Zhang Y X, Shi C Q, Yang H, et al. Saturated hydraulic conductivity of soils of typical forest of the south coast of guanting reservoir in Yongding River Watershed[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(18): 6681−6689. [9] 马思文, 张洪江, 程金花, 等. 三峡库区典型城郊防护林土壤饱和导水率特征研究[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2018, 42(5):99−106. Ma S W, Zhang H J, Cheng J H, et al. Characteristics of soil saturated hydraulic conductivity in classic suburb shelter forests in the Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition), 2018, 42(5): 99−106. [10] 杨倩, 刘目兴, 王苗苗, 等. 武汉市典型绿地植被类型对表层土壤入渗和持水性能的影响[J]. 长江流域资源与环境, 2019, 28(6):1324−1333. Yang Q, Liu M X, Wang M M, et al. Characterization of surface soil water infiltration and retention capacity in urban green space of Wuhan city[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2019, 28(6): 1324−1333. [11] 覃淼, 翟禄新, 周正朝. 桂北地区土地利用类型对土壤饱和导水率和持水能力的影响研究[J]. 水土保持研究, 2015, 22(3):28−39. Qin M, Zhai L X, Zhou Z Z. Influence of land use types on soil saturated hydraulic conductivity and water retention in northern Guangxi[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2015, 22(3): 28−39. [12] 朱积余, 廖培来. 广西名优经济树种[M]. 北京: 中国林业出版社, 2006. Zhu J Y, Liao P L. Famous and high-quality economic tree species in Guangxi[M]. Beijing: China Forestry Publishing House, 2006. [13] Le Bissonnais Y. Aggregate stability and assessment of soil crustability and erodibility: theory and methodology[J]. European Journal of Soil Science, 1996, 47: 425−437. doi: 10.1111/j.1365-2389.1996.tb01843.x [14] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社, 2001. Bao S D. Soil agrochemical analysis[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2001. [15] Zhang Y J, Zhang X. Grey correlation analysis between strength of slag cement and particle fractions of slag powder[J]. Cement& Concrete Composites, 2007, 29(6): 498−504. [16] 孙林凯, 金家善, 耿俊豹. 基于修正邓氏灰色关联度的设备费用影响因素分析[J]. 数学实践与认识, 2012, 42(8):140−145. Sun L R, Jin J S, Geng J B. Research on the influence factors of the equipment’s expense based on the amend grey correlation[J]. Journal of Mathematics in Practice and Theory, 2012, 42(8): 140−145. [17] 金晓, 陈丽华. 晋西黄土区不同植被类型土壤抗冲性及表层根系分布特征[J]. 水土保持学报, 2019, 33(6):120−126. Jin X, Chen L H. Soil anti-scourability and root distribution characteristics in surface soil under different vegetation types in the loess region of western Shanxi province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(6): 120−126. [18] 李向富, 刘目兴, 易军, 等. 三峡山地不同垂直带土壤层的水文功能及其影响因子[J]. 长江流域资源与环境, 2018, 27(8):1809−1818. Li X F, Liu M X, Yi J, et al. Soil hydrological function of different altitudinal hillslopes of the Three Gorges mountain and its impact factors[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2018, 27(8): 1809−1818. [19] 刘目兴, 吴丹, 吴四平, 等. 三峡库区森林土壤大孔隙特征及对饱和导水率的影响[J]. 生态学报, 2016, 36(11):3189−3196. Liu M X, Wu D, Wu S P, et al. Characteristic of soil macropores under various types of forest coverage and their influence on saturated hydraulic conductivity in the Three Gorges reservoir area[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(11): 3189−3196. [20] 骆紫藤, 牛健植, 孟晨, 等. 华北土石山区森林土壤中石砾分布特征对土壤大孔隙及导水性质的影响[J]. 水土保持学报, 2016, 30(3):305−316. Luo Z T, Niu J Z, Meng C, et al. Effect of distribution of rock fragment on macropores and hydraulic conductivity in forest soil in rocky mountain area of northern China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(3): 305−316. [21] 阮芯竹, 程金花, 张洪江, 等. 重庆市四面山不同土地利用类型饱和导水率[J]. 水土保持通报, 2015, 35(1):79−84. Ruan X Z, Cheng J H, Zhang H J, et al. Saturated hydraulic conductivity of different land use types in Simian mountain of Chongqing city[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015, 35(1): 79−84. [22] 毛娜, 黄来明, 邵明安. 黄土区坡面尺度不同植被类型土壤饱和导水率剖面分布及影响因素[J]. 土壤, 2019, 51(2):381−389. Mao N, Huang L M, Shao M A. Profile distribution of soil saturated hydraulic conductivity and controlling factors under different vegetations on slope in loess region[J]. Soils, 2019, 51(2): 381−389. [23] 李平, 王冬梅, 丁聪, 等. 黄土高寒区小流域土壤饱和导水率和土壤密度的分布特征[J]. 中国水土保持科学, 2019, 17(4):10−17. Li P, Wang D M, Ding C, et al. Distributions characteristics of soil saturated hydraulic conductivity and soil bulk density in a small watershed in the alpine zone of the loess plateau[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2019, 17(4): 10−17. [24] 陈雪, 宋娅丽, 王克勤, 等. 布设等高反坡阶对滇中松华坝水源区坡耕地土壤饱和导水率的影响[J]. 福建农林大学学报(自然科学版), 2019, 48(5):649−655. Chen X, Song Y L, Wang K Q, et al. Effect contour reverse slope terrace on the saturated water conductivity of sloping farmland in Songhuaba water source area in central Yunnan[J]. Journal of Fujian Agriculture and Forestry University (Natural Science Edition), 2019, 48(5): 649−655. [25] 王子龙, 赵勇刚, 赵世伟, 等. 退耕典型草地土壤饱和导水率及其影响因素研究[J]. 草地学报, 2016, 24(6):1254−1262. doi: 10.11733/j.issn.1007-0435.2016.06.015 Wang Z L, Zhao Y G, Zhao S W, et al. Study on soil saturated hydraulic conductivity and its influencing factors in typical grassland of farmland conservation[J]. Acta Agrestia Sinica, 2016, 24(6): 1254−1262. doi: 10.11733/j.issn.1007-0435.2016.06.015 [26] 刘宇, 张洪江. 张友燚, 等. 晋西黄土丘陵区主要人工林土壤饱和导水率研究[J]. 水土保持通报, 2013, 33(4):131−135. Liu Y, Zhang H J, Zhang Y Y, et al. Saturated hydraulic conductivity of soil under main planted forests in loess hilly region of western Shanxi province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2013, 33(4): 131−135. [27] 李建兴, 何丙辉, 谌芸. 不同护坡草本植物的根系特征及对土壤渗透性的影响[J]. 生态学报, 2013, 33(5):1535−1547. doi: 10.5846/stxb201205170737 Li J X, He B H, Chen Y. Root features of typical herb plants for hillslope protection and their effects on soil infiltration[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(5): 1535−1547. doi: 10.5846/stxb201205170737 -
点击查看大图
图(1) / 表 (5)
计量
- 文章访问数: 95
- HTML全文浏览量: 25
- PDF下载量: 15
- 被引次数: 0
