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森林土壤的入渗特征和含水率变化受到许多因素的影响,而直接影响因素是土壤孔隙,影响土壤孔隙状况的因素包括土壤质地、林分类型、林龄等因素[1-3]。在同一地区,同一土壤剖面,林龄相近的条件下,不同林分类型对林下土壤结构的影响主要是根系、枯落物和林下动物活动对土壤孔隙度及养分进行了有效的改善[4]。黄土丘陵区是世界上土壤侵蚀最严重的地区之一,合理的植被布局和树种选择对该地区植被恢复建设意义重大。内蒙古黄土丘陵区主要水土保持林中灌木林以柠条(Caragana korshinskii Kom.)为主,研究表明,单一的种植结构和粗放管理,随着林龄的增长,土壤水分越来越成为限制人工柠条林生长的主要因素。为了合理利用水资源,采取多样配置,如山杨(Populus davidiana Dode) × 柠条、山杏(Armeniaca sibirica (L.) Lam) × 柠条和油松(Pinus tabuliformis Carr.) × 柠条,这些混交林在该地区发挥着防风固沙,减少地表径流和冲刷、涵养水源的作用[5]。但这些柠条混交林也同样存在粗放管理,生长状况差、蓄水保土能力差异较大的问题。对于黄土丘陵区柠条林的研究,多数学者针对柠条纯林的不同密度和林龄进行水分动态研究,如张文文[6]探讨了不同密度柠条生长情况和土壤的水分特征,单一的柠条林种植过密,吸收水分较多且生长不良,种植稀疏则覆盖度低,土壤裸露容易被雨水冲刷。梁海滨等[7]探讨了不同林龄的柠条林土壤水分变化特点,随着林龄增大则水分状况变差。而混交模式的柠条林土壤水分入渗情况和水分变化特点还鲜有报道。
本研究采用单环土柱法[8]进行入渗,观察4种柠条林土壤水分入渗特征及水分状况。土柱使用定制的较厚的透明 PVC 管,根据10~15 a植被根系在土层中的分布特征、天然降水入渗平均深度及土壤理化性质差异[9],采用0~60 cm原状土,考虑当地自然降水或灌溉的积水及土柱的高度,确定了5、10、20 mm 3种供水头进行对比,测定4种柠条林土壤水分入渗特征并分析土壤理化性质对入渗特征和土壤实际含水率的影响,以期了解不同柠条林土壤结构状况、养分特征和水分入渗特征,为该地区合理造林及植被恢复提供参考。
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研究区选取在内蒙古清水河县韭菜庄乡境内,39°43′~40°01′ N,111°45′~112°6′ E,海拔1 461 ~1 791 m,总面积 501.28 km2。属于内蒙古高原与黄土高原交接处,是典型的黄土丘陵区。地处中温带,属半干旱典型的大陆性气候,年平均降水量413.8 mm。黄土覆盖较厚,土壤类型主要为栗褐土。主要人工林植被有油松(Pinus tabuliformis Carr.)、山杨(Populus davidiana Dode )、柠条(Caragana korshinskii Kom.)、山杏(Armeniaca sibirica (L.) Lam),草本植物有冷蒿(Artemisia frigida Willd.)、赖草(Leymus secalinus (Georgi) Tzvel.)、长芒草(Stipa bungeana Trin.)、狗尾草(Setaria viridis (L.) Beauv.)、针茅(Stipa capillata L.)、沙蓬(Agriophyllum squarrosum (L.) Moq.)、早熟禾(Poa annua L.)等。
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2021年8月在试验区选取立地类型较一致、海拔在1 600 m左右,林龄都为13~15 a的柠条、山杨 × 柠条、山杏 × 柠条、油松 × 柠条为研究对象。每种林地选择长势良好,地形平坦,近似正方形的面积约400 m2样地3片,共计12片样地,样地基本情况见表1。样地内采用5点取样法,取样时将表层杂草、未分解的枯落物除去后,挖土壤剖面(1.0 m × 1.0 m)。土壤理化性质采用环刀、铝盒、塑封袋,每20 cm一层采集3层土样。土壤粒径分布测定采用马尔文 3000 激光粒度分析仪,用王国梁等[10]计算方法计算土壤分形维数。环刀、铝盒法测定土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、初始含水率,采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定测有机质含量[11]。
林地类型
Stand type林龄
Age/a郁闭度
Canopy
density平均树高
Average tree
height/m平均胸径
Average
DBH/cm林分密度
Stand density/
(tree·hm−2)枯落物平均厚度
Average litter
thickness/cm海拔
Altitude/m草本盖度
The herb
coverge林下植被
Undergrowth
vegetation柠条
C. korshinskii13 0.72 1.4 -- 1 000 0.3 1 648 0.47 长芒草、赖草 山杨 × 柠条
P. davidiana × C. korshinskii15/13 0.75 8.4/1.0 10.3/-- 500/600 1.4 1 655 0.52 冷蒿、狗尾草 山杏 × 柠条
A. sibirica × C. korshinskii12/13 0.76 3.0/1.7 -- 400/500 1.4 1 644 0.65 冷蒿、沙蓬 油松 × 柠条
P. tabuliformis × C. korshinskii15/12 0.74 7.2/1.2 15.3/-- 500/500 1.1 1 681 0.45 狗尾草、冷蒿 注:“/”前后表示混交林不同树种林龄、树高、胸径、密度;灌木没有胸径,密度为每公顷丛数;“--”表示无数据。
Note: “/”Indicates the height, DBH and density of different tree species in the mixed forest; while the shrub has no DBH,density is clumps per hectare; “--” Indicates no data.Table 1. Sample plot overview
土壤入渗和含水率测定采用单环土柱法。土柱为定制的高80 cm,直径15 cm的圆柱形透明 PVC硬管,硬管壁有3个小孔,与底座分开的带有水龙头的基座。研究区石砾较少,直接向下取原状土柱。在原来土壤理化性质取样点附近将表层杂草除去后,将管壁抹上一层凡士林防止形成大孔隙流,将土柱轻砸进土中,并抠去土柱周围的土,将土柱取出后,填上直径5 mm左右的石砾后将底座安装,在土柱上方放入铁丝网和孔板,防止水的击溅。将3个水分探头分层插入土柱中,并连接HOBO仪器。马氏瓶直径15 cm、高40 cm,保证连续供水,中途不加入水。湿润锋观察与测定时,为水平视角下与土柱刻度线垂直的湿润界面,开始前10 min由于入渗速度较快,湿润锋迁移速度快,由相机拍摄湿润锋前进过程,之后每隔5 min记录1次,1 h后10 min记录1次。
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土壤体积分形维数Dv采用美国土壤粒径分级制度:黏粒(< 2 μm)、粉粒(2~50 μm)、砂粒(50~2 000 μm)计算。计算公式(1)[10]:
式中:
$\bar{d}_i$ 为相邻两个粒级di与di + 1间的平均粒径(μm);$\bar{d}_{{\rm{max}}}$ 表示最大粒级的平均粒径(μm);V(δ <$\bar{d}_i$ )为粒径小于$\bar{d}_i$ 的颗粒累计体积百分比;VT表示各级颗粒的体积之和百分比。入渗率f 采用 Kostiakov 公式[12],对各时段入渗率计算后进行模型拟合,公式(2):
式中,f为入渗率(mm·min−1);a为常数;t为时间(min)。
湿润锋前进速率M 计算公式3:
式中:Hs为湿润锋通过的土层深度(mm);Δt为时段(min)。
土壤饱和含水率和田间持水率均由HOBO水分记录仪得出,数据和绘图采用Excel 2010和Spss 23软件。
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不同林地土壤理化性质差异见表2,土壤理化性质随土层深度变化差异性逐渐变小。表层(0~20 cm)土壤的理化性质差异最大。柠条表层土壤密度最大在1.32~1.36 g·cm−3之间,山杏 × 柠条最小在1.18~1.22 g·cm−3之间,油松 × 柠条、山杨 × 柠条土壤密度差异较小。山杏 × 柠条和山杨 × 柠条的土壤毛管孔隙度较大,在45.62 %~52.49 %之间。土壤非毛管孔隙度:山杏 × 柠条(6.21%~8.71 %) > 山杨 × 柠条(4.02%~6.26 %) > 油松 × 柠条(1.76%~3.05 %)、柠条(2.02%~3.44 %)。从前3种物理性质来看,柠条纯林表层土壤紧实,通透性较差,3种混交柠条林地土壤疏松多孔,山杏 × 柠条的土壤孔隙状况最好。土壤初始含水率在同时监测,地理环境一致的条件下,山杨 × 柠条的3层土壤的含水率均较高,山杏 × 柠条在0~20 cm土层的含水率与山杨 × 柠条相当。土壤体积分形维数是反映土壤颗粒分布重要指标[13],不同林地的土壤体积分形维数在2.281 9~2.409 0之间,粉砂粒较多,黏粒较少,在同一土层差异不显著,说明4种林地的土壤质地相似。4种林地的有机质含量都集中在0~20 cm的土层,山杨 × 柠条(11.72~21.3 g·kg−1) > 山杏 × 柠条(5.52~11.5 g·kg−1)、油松 × 柠条(7.93~14.7 g·kg−1) > 柠条(3.00~9.58 g·kg−1),20 cm以下土层,山杨 × 柠条有机质含量最多,其余林地差异不显著。说明4种林地土壤理化性质差异较大的分别为土壤密度、孔隙度和有机质。
土层
Soil
layer/cm林分类型
Stand
type土壤密度
Soil bulk
density/(g·cm−3)毛管孔隙度
Capillary
porosity/%非毛管孔隙度
Non capillary
porosity/%初始含水率
Initial water
content/%土壤体积
分形维数
Dv有机质 含量
Organic matter
content/(g·kg−1)0~20 Ⅰ 1.34 ± 0.02 c 41.35 ± 1.23 c 2.89 ± 0.55 c 3.92 ± 0.26 b 2.313 2 ± 0.021 6 7.32 ± 2.26 bc Ⅱ 1.26 ± 0.01 b 48.17 ± 2.32 a 5.14 ± 1.12 b 6.18 ± 0.77 a 2.312 4 ± 0.031 5 18.34 ± 2.96 a Ⅲ 1.20 ± 0.02 a 49.52 ± 3.61 a 7.46 ± 1.25 a 6.05 ± 0.33 a 2.331 4 ± 0.030 5 10.25 ± 1.25 b Ⅳ 1.25 ± 0.02 b 45.70 ± 1.23b 2.07 ± 0.31 c 4.09 ± 0.49 b 2.335 8 ± 0.025 6 12.23 ± 2.56 b 20~40 Ⅰ 1.37 ± 0.03 b 38.35 ± 0.29 b 1.74 ± 0.17 b 5.21 ± 0.31 b 2.323 1 ± 0.024 7 4.95 ± 1.69 b Ⅱ 1.33 ± 0.03 a 43.80 ± 1.22 a 5.24 ± 1.20 a 5.81 ± 0.35 a 2.332 3 ± 0.044 4 8.89 ± 1.17 a Ⅲ 1.29 ± 0.02 a 41.55 ± 0.66 a 4.61 ± 0.05 a 4.98 ± 0.36 b 2.347 4 ± 0.051 2 5.24 ± 0.69 b Ⅳ 1.38 ± 0.01 b 43.26 ± 0.78 a 1.88 ± 0.46 b 4.89 ± 0.21 b 2.329 8 ± 0.042 5 5.91 ± 0.59 b 40~60 Ⅰ 1.39 ± 0.02 39.12 ± 0.43 b 2.47 ± 0.41 b 5.01 ± 0.53 b 2.355 7 ± 0.027 4 4.54 ± 1.02 b Ⅱ 1.36 ± 0.01 40.12 ± 0.96 b 4.25 ± 0.69 a 6.46 ± 0.34 a 2.334 3 ± 0.021 2 6.15 ± 0.84 a Ⅲ 1.36 ± 0.02 41.08 ± 0.35 b 5.10 ± 0.76 a 5.16 ± 1.22 b 2.353 8 ± 0.019 6 4.56 ± 0.63 b Ⅳ 1.38 ± 0.02 44.25 ± 0.91 a 1.53 ± 0.56 b 5.23 ± 1.36 b 2.357 0 ± 0.022 4 4.68 ± 0.55 b 注:Ⅰ−柠条;Ⅱ−山杨 × 柠条;Ⅲ−山杏 × 柠条;Ⅳ−油松 × 柠条;不同小写字母表示不同林地同一土层的土壤性质差异(P < 0.05)。
Note: Ⅰ−C. korshinskii;Ⅱ− P. davidiana × C. korshinskii;Ⅲ−A. sibirica × C. korshinskii;Ⅳ−P. tabulaeformis × C. korshinskii;Different lower-case letters indicate the differences of soil properties in the same soil layer of different woodlands (P < 0.05).Table 2. Physical and chemical properties of soil in different woodlands
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用3种不同的供水头压力作为对比,不同供水头会对初始入渗率有一定影响,供水头压力越大,初始入渗率会加强[14]。由于前1 min入渗率受供水头影响较大,因此取开始2 min的入渗率为初始入渗率,稳定入渗率为入渗曲线平稳时的平均入渗率。在确定的入渗时间下,用 Kostiakov 公式保留初始入渗率和稳定入渗率将中间入渗率较散乱的点拟合后得到的入渗曲线(图1),曲线均接近模型中的系数1/2,相关系数均大于0.8。由图1可知,在3种供水头压力下,初始入渗率5 mm、10 mm供水头差异较小,但与20 mm供水头差异较大,而稳定入渗率、累计入渗量相同林地的差异不显著。初始入渗率均值依次为:山杏 × 柠条(8.6 mm·min−1)、山杨 × 柠条(5.6 mm·min−1)、油松 × 柠条(4.80 mm·min−1)、柠条(3.16 mm·min−1)。判断到达稳定入渗的状态为入渗曲线一直趋于平缓的时为稳定入渗,4种林地中,山杏 × 柠条稳定入渗率最高,均值为1.05 mm·min−1;柠条林地的稳定入渗率最小,均值为0.53 mm·min−1;山杨 × 柠条0.76 mm·min−1、油松 × 柠条0.73 mm·min−1,2种林地稳定入渗率差异较小;国内外研究一般把30 min累计入渗量作为衡量土壤入渗性能的指标,但本研究中30 min水分仅仅渗入到10 cm左右土层,而180 min前土壤理化性质差异较大,5 h时,除柠条外,其余林地水分基本渗入底层,能代表整个土层的情况。3种供水头下30 min,3 h,5 h累计入渗量均值依次为:山杏 × 柠条(82.24 mm,241.40 mm,279.83 mm)、山杨 × 柠条(58.95 mm,173.25 mm,255.65 mm)、油松 × 柠条(53.58 mm,161.83 mm,243.03 mm)、柠条(36.31 mm,117.44 mm,178.64 mm)。根据4种林地的初始入渗率、稳定入渗率、累计入渗量来看,山杏 × 柠条的入渗能力最强。
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湿润锋指土壤下渗过程中,土壤被湿润的部位与干土层形成的明显的交界面。湿润锋转移过程是土壤水分入渗的特征之一,反映了灌溉或降水量是否满足要求,同时也反映了土壤对水的吸附能力和土壤的理化性质[15]。由图2可知,不同林地湿润锋前进到60 cm土层深度所用时间在4~6 h之间。3种供水头下不同林地湿润锋速率都是减小,直到湿润锋消失。不同供水头对前期短时间的湿润锋前进速率有一定影响,但3种供水头下整个湿润锋前进速度差异不明显。不同林地湿润锋平均用时:山杏 × 柠条最快240 min,山杨 × 柠条270 min,油松 × 柠条和柠条都在300 min以上。4种林地的湿润锋前进速率均值:山杏 × 柠条(2.5 mm·min−1) > 山杨 × 柠条(2.2 mm·min−1) > 油松 × 柠条(2.0 mm·min−1) > 柠条(1.9 mm·min−1)。不同林地表层土壤的前进速率最快,差异最大,0~20 cm土层的平均值:山杏 × 柠条(6.1 mm·min−1) > 山杨 × 柠条(4.1 mm·min−1) > 油松 × 柠条(3.9 mm·min−1) > 柠条(3.4 mm·min−1);在单环土柱中,湿润锋湿润面积及前进速度可以直接判断土壤入渗强度,因此山杏 × 柠条土壤的入渗强度最大,而柠条林下土壤入渗强度最小。
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利用HOBO水分探头记录3种供水头压力下土壤饱和含水率及田间持水率实际值(图3)。土壤饱和含水率为底座出水供水头与入供水头的流量相等时达到稳定的HOBO读数,田间持水率为模拟室外田间状态下排水良好的土壤,土柱下方有砂石保证土壤排水良好并将土柱移至室外,为停止供水头2 d的HOBO读数。土壤体积含水率的变化是对入渗的响应,指土壤中水分占有的体积和土壤总体积的比值,比值越高,说明土壤中的孔隙占有和储存的水分越多,饱和含水率说明土壤所能容纳水分的多少,田间持水率说明土壤能稳定保持的最高含水量[16]。入渗前的天然状态下,0~60 cm土层土壤初始含水率与铝盒测量的数据较一致(P < 0.05),说明受到天气影响较小;入渗过程中,土层从上到下依次达到饱和,入渗结束土壤水分达到饱和后,停止供水头,非毛管孔隙中的水分及重力水向下运动,由上到下土壤水分迅速下降,一段时间后达到田间持水率,土壤饱和含水率、田间持水率山杏 × 柠条较大,各层土壤饱和含水率都在27 %以上,田间持水率在21 %以上;柠条纯林较小,各层土壤饱和含水率都小于29 %,田间持水率在19 %以下。而山杨 × 柠条和油松 × 柠条差异较小。说明山杏 × 柠条林地土壤的保水能力、涵养水源能力强,柠条纯林最弱。
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不同林地土壤入渗特性与土壤理化性质相关关系见表3,初始入渗率、稳定入渗率、累计入渗量、湿润锋前进速率、土壤饱和含水率、田间持水率都与土壤密度呈显著负相关,与毛管孔隙度、非毛管孔隙度呈显著正相关,与初始含水率、土壤体积分形维数及有机质没有形成显著相关性。说明土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度是影响研究区土壤入渗的主要因素。
相关因子
Correlation factor土壤密度
Soil bulk
density毛管孔隙度
Capillary
porosity非毛管孔隙度
Non Capillary
porosity初始含水率
Initial water
content土壤体积
分形维数
Dv有机质含量
Organic matter
content初始入渗率
Initial infiltration rate−0.668** 0.527* 0.749** 0.480 −0.011 0.084 稳定入渗率
Stable infiltration rate−0.622* 0.584* 0.657** −0.308 −0.114 0.067 累计入渗量
cumulative infiltration−0.676** 0.544* 0.727** −0.125 0.300 0.150 湿润锋前进速率
Wetting front advance rate−0.712** 0.761** 0.530* −0.244 0.353 0.412 土壤饱和含水率
Soil saturated moisture−0.722** 0.776** 0.540* −0.407 0.353 0.342 田间持水率
Field capacity−0.793** 0.812** 0.651** −0.423 0.256 0.157 注:“**”表示相关性极显著(P < 0.01),“*”表示相关性显著(P < 0.05)
Note: “**”Indicates extremely significant correlation (P < 0.01), “*” indicates significant correlation (P < 0.05)Table 3. Relationship between soil infiltration characteristics and soil physical and chemical properties in different woodlands
Soil Water Infiltration Characteristics of Four Caragana korshinskii Forests in Loess Hilly Area of Inner Mongolia
- Received Date: 2022-01-20
- Accepted Date: 2022-03-10
- Available Online: 2022-10-20
Abstract: