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黄土丘陵区林草恢复进程中土壤入渗特征研究

陈文媛 张少妮 华瑞 徐学选

陈文媛, 张少妮, 华瑞, 徐学选. 黄土丘陵区林草恢复进程中土壤入渗特征研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(1): 62-69. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160156
引用本文: 陈文媛, 张少妮, 华瑞, 徐学选. 黄土丘陵区林草恢复进程中土壤入渗特征研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(1): 62-69. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160156
CHEN Wen-yuan, ZHANG Shao-ni, HUA Rui, XU Xue-xuan. Effects of forestland and grassland restoration process on soil infiltration characteristics in loess hilly region[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(1): 62-69. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160156
Citation: CHEN Wen-yuan, ZHANG Shao-ni, HUA Rui, XU Xue-xuan. Effects of forestland and grassland restoration process on soil infiltration characteristics in loess hilly region[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(1): 62-69. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160156

黄土丘陵区林草恢复进程中土壤入渗特征研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160156
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41171421

国家自然科学基金项目 41471439

详细信息
    作者简介:

    陈文媛。主要研究方向:流域管理。Email:chenwy92@163.com  地址:712100  陕西省杨凌市西农路26号西北农林科技大学水土保持研究所

    通讯作者:

    徐学选,研究员,博士生导师。主要研究方向:流域水文。Email:xuxuexuan@nwsuaf.edu.cn  地址:同上

  • 中图分类号: S714.2

Effects of forestland and grassland restoration process on soil infiltration characteristics in loess hilly region

  • 摘要: 植被恢复可以改善土壤的入渗能力,植被恢复方式不同及恢复进程中其土壤性质的改善对土壤水文特征的影响程度也将影响到植被恢复的格局。为确定林地、草地植被恢复年限对土壤水分入渗特征的影响,以黄土丘陵区西部官山林场退耕后栽植的刺槐林地、撂荒草地为对象,选取退耕年限为9年、15年、25年的林地、草地。于2014年5月对各样地的原状土土柱进行定水头入渗,比较不同退耕年限林地、草地的入渗性能和湿润锋穿透60 cm土柱的时间,并分析影响入渗特性的因素。结果表明:退耕年限为25年林地的土壤稳定入渗率、平均入渗率、前120 min累积入渗量、湿润锋到达60 cm土柱的时间分别为1.86,2.60 mm/min,387.82 mm,23.00 min;退耕年限为15年林地分别为1.38,1.90 mm/min,288.88 mm,35.33 min;退耕年限为9年林地分别为0.35,1.03 mm/min,194.50 mm,40.00 min;退耕年限为25年草地分别为3.17,3.17 mm/min,386.43 mm,24.00 min;退耕年限为15年草地分别为1.86,2.60 mm/min,387.82 mm,34.33 min;退耕年限为9年草地分别为1.86,2.60 mm/min,387.82 mm,38.33 min。6种样地的土壤入渗过程均能用通用模型进行高精度拟合。各样地土壤入渗速率与土壤有机质、>0.25 mm水稳性团聚体含量呈正相关关系,与土壤密度呈负相关关系。土壤入渗能力随退耕年限增加而增强,退耕还草比退耕还林更有利于土壤入渗能力增强。因此建议在水资源有限的黄土区以退耕还草为主以促进更多的降雨就地入渗。
  • 图  1  入渗装置示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of experiment apparatus

    图  2  不同年限林地、草地土壤水分入渗过程

    Figure  2.  Soil infiltration process of the forestland and grassland under different vegetation restoration years

    表  1  样地基本情况

    Table  1.   Basic condition of sample plots

    样地
    Sample plot
    退耕年限/a
    Vegetation restoration/year
    群落组成
    Community composition
    树高Tree height/m胸径
    DBH/cm
    地径
    Ground diameter/cm
    郁闭度/覆盖度
    Canopy density/coverage/%
    林分密度/(株·hm-2)
    Stand density/(tree·ha-1)
    L25a25刺槐+茅莓+悬钩子+旱地芦苇Robinia pseudoacacia+Rubus parvifolius+Rubus corchorifoliu+Arundo donax12±2.514±4.917.7±6.890833
    L15a15刺槐+杠柳+蛇葡萄+铁杆蒿Robinia pseudoacacia+Periploca sepium+Ampelopsis sinica+Artemisia sacrorum10±1.111±6.312.9±6.585500
    L9a9刺槐+悬钩子+旱地芦苇Robinia pseudoacacia+Rubus corchorifolius+Arundo donax8±1.67±3.28.4±4.3801 667
    C25a25中华隐子草+铁杆蒿+草地风毛菊Cleistogenes chinensis+Artemisia sacrorum+Saussurea amara95
    C15a15狭叶艾蒿+胡枝子+刺儿菜Artemisia argyi+Lespedeza bicolor+Cirsium setosum90
    C9a9甘草+滨草+胡枝子Glycyrrhiza uralensis+Ammophila breviligulata+Lespedeza bicolor85
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    表  2  样地土壤的基本性质

    Table  2.   Basic soil properties of sample plots

    样地
    Sample plot
    初始含水率
    Initial moisture content/%
    土壤密度
    Soil density/(g·cm-3)
    水稳性团聚体含量
    Water-stable aggregate content/%
    有机质含量
    Organic matter content/(g·kg-1)
    L25a17.73±0.291.25±0.0158.97±1.638.75±1.33
    L15a15.96±0.341.26±0.0257.20±3.767.87±1.09
    L9a18.20±0.541.29±0.0347.77±2.746.15±0.80
    C25a14.07±0.671.26±0.0454.20±3.877.77±0.63
    C15a15.82±1.041.27±0.0449.82±4.416.74±0.64
    C9a18.78±1.381.31±0.0343.66±3.015.85±0.67
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    表  3  4种模型的公式及参数说明

    Table  3.   Formula and parameter description of the four models

    模型名称Model name公式Formula参数说明Parameter description
    Kostiakov模型Kostiakov model$f\left(t \right)=a{{t}^{-b}}$a为初始入渗率,mm/min;b为衰减系数a means initial infiltration rate, mm/min; b means decay factor
    Horton模型Horton model$f\left(t \right)={{f}_{\text{c}}}+({{f}_{0}}-{{f}_{\text{c}}}){{\text{e}}^{-kt}}$f0fc分别为初始入渗率和稳定入渗率,mm/min;k为参数f0 means the initial infiltration rate and fc means the stable infiltration rate, mm/min; k represents parameter
    Philip模型Philip model$f\left(t \right)=\left(1/2 \right)s{{t}^{-\frac{1}{2}}}+a$s为土壤吸湿率,$\text{mm}/{{\min }^{\frac{1}{2}}}$;a为常数,mm/min s means soil moisture absorption rate, $\text{mm}/{{\min }^{\frac{1}{2}}}$; a represents the constant, mm/min
    通用经验模型Universal empirical model$f\left(t \right)={{f}_{\text{c}}}+({{f}_{0}}-{{f}_{\text{c}}})/{{t}^{-a}}$f0fc分别为初始入渗率和稳定入渗率,mm/min;a为参数f0 means the initial infiltration rate and fc means the stable infiltration rate, mm/min; a represents the parameter
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    表  3  不同年限林地、草地土壤入渗特征指标

    Table  3.   Soil infiltration characteristic indices of the forestland and grassland under different vegetation restoration years

    样地
    Sample plot
    初始入渗率
    Initial infiltration rate/(mm·min-1)
    稳定入渗率
    Stable infiltration rate/(mm·min-1)
    平均入渗率
    Mean infiltration rate/(mm·min-1)
    前120 min累积入渗量
    Accumulative infiltration amount in 120 minutes/mm
    L25a13.94±1.89ab1.86±0.33b2.60±0.34bc387.82±46.63b
    L15a8.85±1.27b1.38±0.29bd1.90±0.16ac288.88±14.31ab
    L9a20.23±4.36a0.35±0.12a1.03±0.17a194.50±23.29a
    C25a11.57±3.21b3.17±0.13c3.17±0.32b386.43±85.98b
    C15a12.60±2.14ab2.03±0.75bc2.73±0.81bc377.77±96.78b
    C9a13.28±1.48ab0.78±0.25ad1.55±0.25a270.70±29.20ab
    注:同列不同字母表示不同年限林地、草地土壤入渗特征指标之间差异显著(P<0.05)。Note: different letters in the same column mean significant differences between the soil infiltration characteristic indices of forestland and grassland under different vegetation restoration years at P<0.05 level.
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    表  5  4种入渗模型参数的回归结果

    Table  5.   Regression results of 4 model parameters

    样地
    Sample plot
    Kostiakov模型
    Kostiakov model
    Horton模型
    Horton model
    Philip模型
    Philip model
    通用经验模型
    Universal empirical model
    abR2fcf0-fckR2asR2fcf0-fcaR2
    L25a13.20.30.9252.214.20.20.8301.813.60.9011.914.40.30.929
    L15a7.70.40.9041.49.80.20.7021.314.30.8831.59.10.40.905
    L9a19.90.70.9820.49.90.50.8090.425.70.9740.510.10.60.983
    C25a11.70.30.7723.213.80.10.8552.115.10.8823.013.20.20.946
    C15a12.30.30.9391.910.90.20.8471.521.40.9351.710.90.40.941
    C9a13.60.40.9270.511.50.40.9400.328.20.9090.711.90.90.950
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    表  4  湿润锋到达60 cm的时间

    Table  4.   Wetting front penetration time of 60 cm

    样地
    Sample plot
    最大值
    Max./min
    最小值
    Min./min
    均值
    Average/min
    标准差
    SD/min
    变异系数
    CV/%
    L25a271923.00a4.0017.39
    L15a402835.33a6.4318.20
    L9a453340.00a6.2415.61
    C25a291524.00a7.8132.54
    C15a353434.33a0.581.68
    C9a452838.33a9.0723.67
    注:同列不同字母表示不同退耕年限林地、草地湿润锋到达60 cm的时间之间差异显著(P<0.05)。Note: different letters in the same column mean significant differences between the wetting front penetration time of 60 cm on the forestland and grassland under different vegetation restoration years at P<0.05 level.
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    表  6  土壤理化性质与土壤入渗速率的相关性

    Table  6.   Correlations between soil physical and chemical properties and soil infiltration rates

    指标
    Index
    土壤密度
    Soil bulk density/(g·cm-3)
    有机质含量
    Organic matter content/(g·kg-1)
    >0.25 mm水稳性团聚体含量
    >0.25 mm water-stable aggregate content/%
    初始入渗率Initial infiltration rate-0.606*0.681*0.532*
    稳定入渗率Stable infiltration rate-0.782**0.719**0.646*
    平均入渗率Mean infiltration rate-0.704**0.658*0.555*
    注:**表示极显著相关(P<0.01);*表示显著相关(P<0.05)。Notes:** means extremely significant correlation (P<0.01); * means significant correlation (P<0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-09
  • 修回日期:  2016-09-09
  • 刊出日期:  2017-01-01

黄土丘陵区林草恢复进程中土壤入渗特征研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160156
    基金项目:

    国家自然科学基金项目 41171421

    国家自然科学基金项目 41471439

    作者简介:

    陈文媛。主要研究方向:流域管理。Email:chenwy92@163.com  地址:712100  陕西省杨凌市西农路26号西北农林科技大学水土保持研究所

    通讯作者: 徐学选,研究员,博士生导师。主要研究方向:流域水文。Email:xuxuexuan@nwsuaf.edu.cn  地址:同上
  • 中图分类号: S714.2

摘要: 植被恢复可以改善土壤的入渗能力,植被恢复方式不同及恢复进程中其土壤性质的改善对土壤水文特征的影响程度也将影响到植被恢复的格局。为确定林地、草地植被恢复年限对土壤水分入渗特征的影响,以黄土丘陵区西部官山林场退耕后栽植的刺槐林地、撂荒草地为对象,选取退耕年限为9年、15年、25年的林地、草地。于2014年5月对各样地的原状土土柱进行定水头入渗,比较不同退耕年限林地、草地的入渗性能和湿润锋穿透60 cm土柱的时间,并分析影响入渗特性的因素。结果表明:退耕年限为25年林地的土壤稳定入渗率、平均入渗率、前120 min累积入渗量、湿润锋到达60 cm土柱的时间分别为1.86,2.60 mm/min,387.82 mm,23.00 min;退耕年限为15年林地分别为1.38,1.90 mm/min,288.88 mm,35.33 min;退耕年限为9年林地分别为0.35,1.03 mm/min,194.50 mm,40.00 min;退耕年限为25年草地分别为3.17,3.17 mm/min,386.43 mm,24.00 min;退耕年限为15年草地分别为1.86,2.60 mm/min,387.82 mm,34.33 min;退耕年限为9年草地分别为1.86,2.60 mm/min,387.82 mm,38.33 min。6种样地的土壤入渗过程均能用通用模型进行高精度拟合。各样地土壤入渗速率与土壤有机质、>0.25 mm水稳性团聚体含量呈正相关关系,与土壤密度呈负相关关系。土壤入渗能力随退耕年限增加而增强,退耕还草比退耕还林更有利于土壤入渗能力增强。因此建议在水资源有限的黄土区以退耕还草为主以促进更多的降雨就地入渗。

English Abstract

陈文媛, 张少妮, 华瑞, 徐学选. 黄土丘陵区林草恢复进程中土壤入渗特征研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(1): 62-69. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160156
引用本文: 陈文媛, 张少妮, 华瑞, 徐学选. 黄土丘陵区林草恢复进程中土壤入渗特征研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(1): 62-69. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160156
CHEN Wen-yuan, ZHANG Shao-ni, HUA Rui, XU Xue-xuan. Effects of forestland and grassland restoration process on soil infiltration characteristics in loess hilly region[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(1): 62-69. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160156
Citation: CHEN Wen-yuan, ZHANG Shao-ni, HUA Rui, XU Xue-xuan. Effects of forestland and grassland restoration process on soil infiltration characteristics in loess hilly region[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(1): 62-69. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160156
  • 黄土高原是我国水土流失最严重的区域,不合理的土地利用和植被破坏起到了负面的助推作用。自1999年逐步开展退耕还林还草工程以来,黄土区大力营造植被,强化了植被增加降雨的就地入渗,出现了部分流域地表径流趋减,这种现象是否会随着退耕还林草的时间进程而强化,需要研究土地利用改变后土壤水文性质的变化过程。在植被恢复的过程中,土壤入渗是其关键的限制因素[1]。植被恢复通过改善土壤的物理性质来增加土壤入渗能力。目前国内外学者普遍认为土壤入渗能力主要受土壤机械组成、水稳性团聚体含量、土壤密度及有机质含量等影响[2-6]

    不同土地利用方式的土壤入渗能力存在差异[7-13]。土地利用方式是人类对土壤的各种活动的综合反映,土地利用方式不同引起土壤结构的差异和土壤的基本性质的变化会反映到土壤入渗规律和溶质运移特征上[14]。席彩云等[15]研究了北京密云山区4种典型林地的入渗特征,发现土壤稳渗率为灌木林地>刺槐(Robinia pseudoacacia)林地>针阔混交林地>侧柏(Platycladus orientalis)林地。刘宇等[16]对秦岭火地塘林不同土地利用下土壤入渗能力的研究发现松栎混交林>荒草地>农用地。

    土壤入渗能力随退耕年限的增加多表现为增强趋势的影响[17-18]。王进鑫等[19]发现与退耕还林1年的新造幼林地相比,退耕还林后13年生的侧柏林地土壤清水、浑水累积入渗量均减小,而退耕还林后13年生的刺槐林地清水入渗能力明显增强,但浑水入渗能力因入渗水流特性的不同而异。赵勇钢等[20]发现在退耕时间序列中,随着退耕年限的延长,样地的入渗率逐渐增加。

    然而,已有研究反映了不同退耕年限、不同退耕方式下土壤入渗存在差异,但进一步将土壤入渗能力的改善与土壤中的有机质、水稳性团聚体等影响因素综合分析尚不多见。而且目前对入渗的研究常采用人工降雨法、盘式入渗仪法、双环法、环刀法等,不能准确观察土壤入渗的湿润锋运移过程,本试验在此基础上采用原状土柱入渗的方法观测不同退耕年限林、草地的入渗性能,研究林草地土壤的理化性质对土壤入渗的影响,为退耕还林还草提供依据。

    • 样地位于黄土高原中部甘肃省泾川县官山林场,地理位置介于107°15′~107°45′ E、35°11′~35°31′ N,属温带大陆性季风气候,四季分明,雨热同季,光照充足,年内降雨分配不均,主要集中在7—9月。年平均气温10 ℃,无霜期174 d,年均降水量553.4 mm,年蒸发量1 181.6 mm。海拔1 072~1 351 m,土壤为黄绵土。刺槐是黄土高原常见的退耕还林树种,退耕还草是1999年国家提出的适合黄土高原的退耕方式,官山林场于上世纪80年代将大面积耕地改造成刺槐林地和退耕撂荒地,近十年来由于退耕还草政策的推行,官山林场又进行退耕还林还草。官山林场3次大规模的退耕还林还草已分别实施了9年、15年和25年,这3个年龄段样地多、面积大。退耕9年后的草地逐渐出现小灌木种,25年时草本仍占有主要优势;刺槐林在幼林期生长较快,前几年郁闭度不足,第9年可以基本达到郁闭,为刺槐快速生长阶段,25年时林下小灌木较多,林冠郁闭好,可以代表刺槐的成熟林,另外该林场尚无超过25年的退耕草地。为了研究退耕还林还草年限对土壤入渗性能的影响,选择退耕年限分别为9年的林地(L9a)、草地(C9a),15年的林地(L15a)、草地(C15a)和25年的林地(L25a)、草地(C25a)6块样地为研究对象,样地基本情况见表 1

      表 1  样地基本情况

      Table 1.  Basic condition of sample plots

      样地
      Sample plot
      退耕年限/a
      Vegetation restoration/year
      群落组成
      Community composition
      树高Tree height/m胸径
      DBH/cm
      地径
      Ground diameter/cm
      郁闭度/覆盖度
      Canopy density/coverage/%
      林分密度/(株·hm-2)
      Stand density/(tree·ha-1)
      L25a25刺槐+茅莓+悬钩子+旱地芦苇Robinia pseudoacacia+Rubus parvifolius+Rubus corchorifoliu+Arundo donax12±2.514±4.917.7±6.890833
      L15a15刺槐+杠柳+蛇葡萄+铁杆蒿Robinia pseudoacacia+Periploca sepium+Ampelopsis sinica+Artemisia sacrorum10±1.111±6.312.9±6.585500
      L9a9刺槐+悬钩子+旱地芦苇Robinia pseudoacacia+Rubus corchorifolius+Arundo donax8±1.67±3.28.4±4.3801 667
      C25a25中华隐子草+铁杆蒿+草地风毛菊Cleistogenes chinensis+Artemisia sacrorum+Saussurea amara95
      C15a15狭叶艾蒿+胡枝子+刺儿菜Artemisia argyi+Lespedeza bicolor+Cirsium setosum90
      C9a9甘草+滨草+胡枝子Glycyrrhiza uralensis+Ammophila breviligulata+Lespedeza bicolor85
    • 采样于2014年5月进行,在6块样地中随机选取3个采样点,在土壤垂直方向上用大铝盒和100 cm3环刀按0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm和50~60 cm分层采样,将土样带回实验室后,100 cm3环刀用烘干法测定土壤密度和初始含水率;将大铝盒中的土用小刀沿自然裂隙切成1 cm左右的小块,将土放在通风处自然风干,取风干土样500 g两份进行干筛,获得>5 mm、2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm、<0.25 mm的各土壤团粒质量,计算各粒级土壤团粒质量百分比,按照干筛法获得的各粒级团粒比例配成50 g风干土样进行湿筛,用团聚体分析仪,湿筛1 min,将各粒级的筛子取出,用水将筛子上的团聚体清洗到烧杯中,得到>5 mm、2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm、<0.25 mm各粒级的水稳性团粒,使用沙浴烘干,然后称质量,得出>0.25 mm粒级土壤水稳性团聚体的质量百分比;将风干土样过2 mm筛,采用马尔文激光粒度仪测定土壤的机械组成;将风干土样过0.15 mm筛,采用重铬酸钾法测定土壤有机碳含量。土壤基本性质见表 2

      表 2  样地土壤的基本性质

      Table 2.  Basic soil properties of sample plots

      样地
      Sample plot
      初始含水率
      Initial moisture content/%
      土壤密度
      Soil density/(g·cm-3)
      水稳性团聚体含量
      Water-stable aggregate content/%
      有机质含量
      Organic matter content/(g·kg-1)
      L25a17.73±0.291.25±0.0158.97±1.638.75±1.33
      L15a15.96±0.341.26±0.0257.20±3.767.87±1.09
      L9a18.20±0.541.29±0.0347.77±2.746.15±0.80
      C25a14.07±0.671.26±0.0454.20±3.877.77±0.63
      C15a15.82±1.041.27±0.0449.82±4.416.74±0.64
      C9a18.78±1.381.31±0.0343.66±3.015.85±0.67
    • 试验采用定水头入渗,观测原状土柱土壤的入渗性能及湿润锋穿透60 cm的时间。在每个样地用有机玻璃管(直径20 cm,厚0.6 cm,长65 cm)取表层原状土,有机玻璃管上部预留出5 cm,作为水头的位置。用马氏瓶控制水头3 cm,在土柱下端的漏斗形接水装置中铺滤纸和石英砂作为反滤层,确保土壤中多余水分均能流出,并保证水分澄清,用500 mL的收集瓶在土柱下出口接取出流液,按1、2、3、4、5、10、20、30、40、50、60、80、100、120、140、160、180、200和240 min的时间间隔记录马氏瓶中的水量。试验在采集原状土柱后集中进行入渗试验,以便消除土柱蒸发耗水引起的初始含水量误差。装置如图 1所示。

      图  1  入渗装置示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of experiment apparatus

    • 目前国内外学者建立了许多模拟入渗速率随时间变化的入渗模型,其适用条件各异,根据官山林场林、草地的具体特点,选取了Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型和通用经验模型4种模型对各样地的入渗数据进行拟合,4种模型的公式及参数说明见表 3

      表 3  4种模型的公式及参数说明

      Table 3.  Formula and parameter description of the four models

      模型名称Model name公式Formula参数说明Parameter description
      Kostiakov模型Kostiakov model$f\left(t \right)=a{{t}^{-b}}$a为初始入渗率,mm/min;b为衰减系数a means initial infiltration rate, mm/min; b means decay factor
      Horton模型Horton model$f\left(t \right)={{f}_{\text{c}}}+({{f}_{0}}-{{f}_{\text{c}}}){{\text{e}}^{-kt}}$f0fc分别为初始入渗率和稳定入渗率,mm/min;k为参数f0 means the initial infiltration rate and fc means the stable infiltration rate, mm/min; k represents parameter
      Philip模型Philip model$f\left(t \right)=\left(1/2 \right)s{{t}^{-\frac{1}{2}}}+a$s为土壤吸湿率,$\text{mm}/{{\min }^{\frac{1}{2}}}$;a为常数,mm/min s means soil moisture absorption rate, $\text{mm}/{{\min }^{\frac{1}{2}}}$; a represents the constant, mm/min
      通用经验模型Universal empirical model$f\left(t \right)={{f}_{\text{c}}}+({{f}_{0}}-{{f}_{\text{c}}})/{{t}^{-a}}$f0fc分别为初始入渗率和稳定入渗率,mm/min;a为参数f0 means the initial infiltration rate and fc means the stable infiltration rate, mm/min; a represents the parameter
    • 采用Excel 2013软件对土壤入渗速率和湿润锋穿透60 cm土柱的时间进行统计分析,采用SPSS 18.0软件对土壤入渗速率与各影响因素进行Pearson相关分析,采用SigmaPlot 12.5软件对土壤入渗数据进行作图。

    • 土壤入渗过程呈现初始时入渗较快,然后逐渐减慢并趋于稳定的过程(图 2)。随着退耕年限的增加,稳定入渗率增加。在入渗前30 min林地和草地的入渗速率受初始含水量影响,入渗率递减较快,30 min后随着退耕年限的增加,入渗速率增大。不同退耕年限林地的稳定入渗率差值较小,而草地的稳定入渗率差值较大。

      图  2  不同年限林地、草地土壤水分入渗过程

      Figure 2.  Soil infiltration process of the forestland and grassland under different vegetation restoration years

      退耕年限相同的林地、草地的稳定入渗率均为草地>林地。L9a和L15a的入渗速率衰减速度快于相同年限的草地,C25a的入渗速率衰减速度快于L25a。退耕年限相同时,L9a的初始入渗率大于C9a,随着入渗时间的推移,入渗速率差值先逐渐减小再趋于稳定;L15a的初始入渗率小于C15a,入渗50 min后,逐渐趋于稳定入渗,入渗速率的差值恒定;L25a的初始入渗率高于C25a,入渗速率的差值先减小后增大,最后逐渐趋于稳定。

      初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量是常用来评价土壤入渗能力的指标。从表 3可以看出,不同退耕年限林地、草地的土壤入渗指标之间差异显著。随着退耕年限的增加,林地、草地的稳定入渗率、平均入渗率和前120 min累积入渗量均增加。草地的初始入渗率随退耕年限的增加而减小,林地的初始入渗率随退耕年限的增加先减小后增加。随着退耕年限的增长,稳定入渗率和平均入渗率增幅均在1.3 mm/min内,前120 min累积入渗量的增幅在100 mm左右。

      表 3  不同年限林地、草地土壤入渗特征指标

      Table 3.  Soil infiltration characteristic indices of the forestland and grassland under different vegetation restoration years

      样地
      Sample plot
      初始入渗率
      Initial infiltration rate/(mm·min-1)
      稳定入渗率
      Stable infiltration rate/(mm·min-1)
      平均入渗率
      Mean infiltration rate/(mm·min-1)
      前120 min累积入渗量
      Accumulative infiltration amount in 120 minutes/mm
      L25a13.94±1.89ab1.86±0.33b2.60±0.34bc387.82±46.63b
      L15a8.85±1.27b1.38±0.29bd1.90±0.16ac288.88±14.31ab
      L9a20.23±4.36a0.35±0.12a1.03±0.17a194.50±23.29a
      C25a11.57±3.21b3.17±0.13c3.17±0.32b386.43±85.98b
      C15a12.60±2.14ab2.03±0.75bc2.73±0.81bc377.77±96.78b
      C9a13.28±1.48ab0.78±0.25ad1.55±0.25a270.70±29.20ab
      注:同列不同字母表示不同年限林地、草地土壤入渗特征指标之间差异显著(P<0.05)。Note: different letters in the same column mean significant differences between the soil infiltration characteristic indices of forestland and grassland under different vegetation restoration years at P<0.05 level.

      相同年限林地、草地的稳定入渗率、平均入渗率和前120 min累积入渗量均呈现草地大于林地。随着年限的增加,林地、草地的平均入渗率和前120 min累积入渗量的差值递减,其原因是林地的有机质含量高于相同年限的草地,土壤易形成团粒结构有助于水分的入渗。相同退耕年限林地、草地的初始含水率、平均入渗率和前120 min累积入渗量均为达到显著差异(P<0.05)。退耕年限为9年和15年的林地、草地的稳定入渗率差异不大,C9a的稳定入渗率比L9a高出0.43 mm/min,C15a比L15a高出0.83 mm/min,C25a比L25a的稳定入渗率差异显著,C25a的稳定入渗率比L25a高出1.57 mm/min。

    • 表 5可以看出,随着退耕年限的增加,林地、草地湿润锋穿透60 cm土柱的时间均减少。不同退耕年限林地、草地之间的湿润锋穿透60 cm土柱的时间差值较大,L25a和L15a、L15a和L9a之间的差值分别为12.33和4.67 min,C25a和C15a、C15a和C9a之间的差值分别为10.33和4.00 min。林地不同退耕年限的标准差都小于6.50 min,变异系数都小于20%;草地不同退耕年限标准差的差值较大,C25a为7.81 min,C15a为0.58 min,C9a为9.07 min,变异系数也存在很大差异,C15a为1.68%,C25a和C9a都在20%以上。

      表 5  4种入渗模型参数的回归结果

      Table 5.  Regression results of 4 model parameters

      样地
      Sample plot
      Kostiakov模型
      Kostiakov model
      Horton模型
      Horton model
      Philip模型
      Philip model
      通用经验模型
      Universal empirical model
      abR2fcf0-fckR2asR2fcf0-fcaR2
      L25a13.20.30.9252.214.20.20.8301.813.60.9011.914.40.30.929
      L15a7.70.40.9041.49.80.20.7021.314.30.8831.59.10.40.905
      L9a19.90.70.9820.49.90.50.8090.425.70.9740.510.10.60.983
      C25a11.70.30.7723.213.80.10.8552.115.10.8823.013.20.20.946
      C15a12.30.30.9391.910.90.20.8471.521.40.9351.710.90.40.941
      C9a13.60.40.9270.511.50.40.9400.328.20.9090.711.90.90.950

      相同退耕年限的林地、草地,C15a和C9a湿润锋穿透60 cm土柱的时间短于相同年限的林地,并且时间差有缩短的趋势。C9a湿润锋穿透60 cm土柱的时间比L9a短1.67 min;C15a湿润锋穿透60 cm土柱的时间比L15a短1 min;L25a湿润锋穿透60 cm土柱的时间短于C25a,说明随着退耕时间的推移,林地土壤更有利于水分快速向深处运移。

    • 表 4可知,用Kostiakov模型拟合的初始入渗率f0值介于7.7~19.9,L15a最小,L9a最大;b值介于0.3~0.7,b值反映了入渗速率的衰减速度,C25a和C15a的入渗速率衰减较慢,L9a衰减最快;决定系数R2在0.772~0.939,C25a的决定系数最小,拟合效果最差。用Horton模型拟合的稳定入渗率fc介于0.4~3.2,初始入渗率减稳定入渗率f0-fc介于9.8~14.2;k值介于0.1~0.5,k值反映了入渗速率的递减情况,C25a的入渗速率递减最慢,L9a递减最快;决定系数R2在0.702~0.940,L15a的决定系数最小,拟合效果最差。用Philip模型拟合的参数a值介于0.3~2.1,C9a值最小,C25a最大;土壤吸湿率s值介于13.6~28.2,最小值出现在L25a,最大值出现在C9a,土壤密度越大,吸湿率越小;决定系数R2介于0.882~0.974,L15a和L25a的决定系数最小,拟合效果最差。用通用经验模型拟合的稳定入渗率fc介于0.5~3.0,最小值出现在L9a,最大值出现在C25af0-fc介于9.1~13.2,最大值出现在L25a,最小值出现在L15aa值介于0.2~0.9;决定系数R2介于0.905~0.983,L15a的决定系数最小,拟合效果最差。

      表 4  湿润锋到达60 cm的时间

      Table 4.  Wetting front penetration time of 60 cm

      样地
      Sample plot
      最大值
      Max./min
      最小值
      Min./min
      均值
      Average/min
      标准差
      SD/min
      变异系数
      CV/%
      L25a271923.00a4.0017.39
      L15a402835.33a6.4318.20
      L9a453340.00a6.2415.61
      C25a291524.00a7.8132.54
      C15a353434.33a0.581.68
      C9a452838.33a9.0723.67
      注:同列不同字母表示不同退耕年限林地、草地湿润锋到达60 cm的时间之间差异显著(P<0.05)。Note: different letters in the same column mean significant differences between the wetting front penetration time of 60 cm on the forestland and grassland under different vegetation restoration years at P<0.05 level.

      从各模型的决定系数R2的大小可以判定不同模型的拟合效果,通用经验模型的决定系数R2介于0.905~0.983,这表明通用模型更适用于描述本研究区的土壤入渗特征。Kostiakov模型除C25a外均能很好地拟合其他5种样地的入渗过程,除L15a和C25a外Philip模型拟合土壤入渗过程的决定系数均大于0.900,Horton模型除对C9a的入渗过程拟合程度较好外,对其他5种样地的入渗过程拟合效果均不理想。

    • 对土壤入渗速率与土壤的理化性质进行Pearson相关性分析(表 6)得出,土壤入渗速率与密度呈负相关关系,与>0.25 mm水稳性团聚体含量、有机质含量呈正相关关系,土壤入渗速率与密度、有机质含量、>0.25 mm水稳性团聚体含量均达到显著性水平,其中稳定入渗率与密度、有机质,平均入渗率与密度均达到极显著水平。土壤密度越大,土壤越密实,孔隙度越小,水分入渗难度越大。有机质含量和>0.25 mm水稳性团聚体含量越大,土壤结构越好,越有利于水分入渗。

      表 6  土壤理化性质与土壤入渗速率的相关性

      Table 6.  Correlations between soil physical and chemical properties and soil infiltration rates

      指标
      Index
      土壤密度
      Soil bulk density/(g·cm-3)
      有机质含量
      Organic matter content/(g·kg-1)
      >0.25 mm水稳性团聚体含量
      >0.25 mm water-stable aggregate content/%
      初始入渗率Initial infiltration rate-0.606*0.681*0.532*
      稳定入渗率Stable infiltration rate-0.782**0.719**0.646*
      平均入渗率Mean infiltration rate-0.704**0.658*0.555*
      注:**表示极显著相关(P<0.01);*表示显著相关(P<0.05)。Notes:** means extremely significant correlation (P<0.01); * means significant correlation (P<0.05).
    • 退耕方式和退耕年限对土壤入渗能力有显著影响。高朝侠等[21]对长武塬区的主要土地利用方式进行了入渗试验,发现入渗能力依次为:刺槐林地>草地>小麦(Triticum aestivum)地>苹果(Malus pumila)林地。李贵玉等[22]对延安燕沟流域刺槐、沙棘(Hippophae rhamnoides)、草地3种植被类型的原状土柱的入渗能力的研究结果表明,3种植被类型的稳渗率分别为草地>刺槐>沙棘。王国梁等[23]发现在植被恢复过程中草本和灌木的作用优于乔木,更利于提高土壤的稳定入渗率。本研究也表明草地的入渗能力优于刺槐林地,本试验主要研究土壤表层的入渗能力,草地的根系主要集中表层,根系能作为入渗通道,更有利于水分入渗。大量研究表明土壤的入渗速率随着退耕年限的增加而增加[17-20],本研究也表明随着退耕年限的增加,土壤的入渗性能越好。随着退耕年限的增加,土壤密度减小,水稳性团聚体和有机质含量增加,土壤结构越稳定,更有利于水分入渗。

      随着退耕年限的增加,湿润锋穿透60 cm土柱的时间减少,C9a和C15a的湿润锋穿透60 cm土柱的时间短于相同年限的林地,L25a湿润锋穿透60 cm土柱的时间短于C25a,表明随着时间的推移,林地更利于水分向深处运移。其原因是草本的根系主要分布在表层且根径较小,而乔木的根系易于向土壤深处生长且根径较大更易形成水分向深处运移的通道。

      4种模型对各样地的入渗数据进行拟合结果表明:通用经验模型对本试验6块样地的入渗过程的拟合最好,决定系数均在0.900以上。其中,Kostiakov模型当t→∞时,f(t)→0,这与实际情况不相吻合,仅这点来说,该模型在物理概念上不够严谨。Horton模型中土壤渗透速率与时间之间存在着逆相指数曲线关系,改进的Horton模型即通用经验模型较好一些:f(t)=fc+(f0-fc)/t-a,此时随着t无限大,f(t)就是fc。因此,通用经验模型是适合于模拟黄土区原状土土柱入渗过程的模型。

      土壤入渗性能受土壤密度、土壤有机质和>0.25 mm水稳性团聚体含量等因素的影响。在植被恢复过程中,土壤基本性质如土壤密度的降低提高了土壤的总孔隙度[22],裴青宝等[24]认为在入渗初期密度对土壤入渗能力影响较大,入渗200 min后影响减弱,李卓等[25]认为土壤稳定入渗率和前120 min累积入渗量均随密度的增加而减少。有机质含量、水稳性团聚体含量增加使得土壤孔隙结构稳定[26],入渗通道相应地也就稳定。李雪转等[27]认为有机质通过影响土壤的孔隙尺寸和分布来影响土壤的水力传导度。Zhang等[28]认为随着水稳性团聚体的增加,土壤稳渗率增加。本文研究结果与这些结论基本吻合。

    • 1) 退耕年限相同时草地的稳定入渗率、平均入渗率和前120 min累积入渗量大于林地;林地、草地随着退耕年限的增加,稳定入渗率、平均入渗率和前120 min累积入渗量增加。

      2) C15a和C9a的湿润锋穿透60 cm土柱的时间短于相同年限的林地,并且时间差有缩短的趋势,L25a的湿润锋穿透60 cm土柱的时间短于C25a。随着退耕年限的增加,林地、草地湿润锋穿透60 cm土柱的时间均减少,随着退耕时间的推移,林地土壤更有利于水分快速向深处运移。

      3) 通用模型比Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型更适用于描述本研究区的土壤入渗特征。

      4) 本研究区各样地土壤入渗速率与密度呈显著负相关关系,与>0.25 mm水稳性团聚体含量、有机质含量呈显著正相关关系。

      植被恢复在25年内,土壤入渗能力上持续增强,必将引起地表径流减弱,向地下水传输能力增强,降低了土壤流失风险。基于林地、草地土壤入渗性能及其随退耕年限的差异变化,在黄土区有限的水资源环境下,退耕还草在退耕时间进程的前25年较退耕还林更有利于促进降雨入渗,25年以后退耕还林在提高土壤的降雨入渗率,促进该区生态环境的改善方面开始强于退耕还草。

参考文献 (28)

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