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喀斯特地区退耕还林下不同植被恢复阶段土壤渗透性研究

来源:论文联盟  作者:潘佑静 [字体: ]

喀斯特地区退耕还林下不同植被恢复阶段土壤渗透性研究

土壤渗透是水分进入土壤的过程,它是降水、地面水、土壤水和地下水相互转化过程中的一个重要环节[1-2]。土壤的渗透性能由土壤性质决定,用渗透系数的大小来表示。土壤的渗透性能是影响土壤侵蚀的重要因素之一,土壤渗透性能越好,地表径流越少,土壤的侵蚀量也相应减少[3-4]。贵州喀斯特地区水土流失严重,剧烈的土壤侵蚀制约着当地经济社会发展[5],研究土壤的渗透性能对于减少喀斯特水土流失、护生态环境具有重要的意义。目前,国内外对土壤渗透做了大量研究,主要集中在土壤渗透过程机理及模型方面[6-8],从土壤渗透性的影响因素[9-12]、不同立地情况[13-16]的角度进行研究 。对喀斯特地区人为扰动后,植被恢复过程中的土壤渗透性能变化研究报道较少。
  陡坡耕作是贵州喀斯特地区水土流失严重的一个重要原因。近年来,贵州喀斯特地区退耕还林面积逐渐增大,在推动社会经济发展和保护生态环境方面都起到了重要作用[17]。该文以喀斯特典型小流域——蚂蝗田小流域流域为研究对象,研究其在退耕还林后不同植被恢复阶段土壤渗透特征,探求造成这种差异的原因,以期为为贵州喀斯特地区生态重建及植被恢复中的退耕还林模式提供理论依据。
  1 研究区概况
  研究区位处贵州省关岭县蚂蝗田小流域,属长江流域乌江水系,地理位置为东经105°32′56″~105°36′53″,北纬25°45′01″~25°50′17″之间,总面积为30.91 km2,相对高差达1 080 m。该地属亚热带湿润季风气候,年平均气温19.2 ℃,月平均最低气温1月最低,为6.5 ℃,8月最高,为24.1 ℃,多年平均降雨量为1 236 mm,无霜期298 d。
  研究区域为岩溶低中山丘陵地貌,岩溶面积3 236.09 hm2,占流域面积的98.42%。以溶峰林、峰丛-洼地、谷地为主,水土流失以水力侵蚀为主,是典型的喀斯特地貌流域。土壤主要以水稻土、黄壤、石灰土等为主。由于长期陡本文由论文联盟http://www.LWlm.cOm收集整理坡开垦,森林植被屡遭破坏,水土流失严重,近些年开始实施水土保持综合治理,逐步进行退耕与封山育林,现区域植被类型多为次生乔木林、疏幼林,森林覆盖率为22.42%。其主要树种有柳杉(Cryptomeria fortunEi Hooibrenk ex Otto et Dietr)、光皮桦(Betula luminifera H.Winkl.)、马尾松(Pinusmassson-iana)、女贞(Ligustrum lucidum)、滇柏(Cuprrssus duclouxiana Hickel)等。

2 研究方法
  2.1 标准地设置与调查
  根据研究区内退耕还林现状,选择研究区具有代表性的5个主要植被类型样地,以及3个顶级群落自然乔木林、自然裸地、农耕玉米地样地作为对比样地。采用样地调查法,设置标准地8块,其面积均为20 m×30 m,各样地的立地状况详见表1。采取剖面法在各标准地内随机设置土壤剖面,记载剖面特征,用环刀分别在0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层取自然状态土样2份,带回室内一份用环刀法测定土壤容重、饱和含水量、总孔隙度等指标;一份用变水头法做渗透。
  2.2 变水头土壤渗透测定
  采用TST-55型变水头渗透仪对样地区内的24个土壤试样进行土壤渗透试验。变水头渗透测定法操作简单,适用于透水性小的细粒土。样地区内的黏质土壤渗流总水量较小,不易准确测定渗透系数,应用常水头渗透桶进行渗透测定试验土壤浸泡时间长,受蒸发和温度变化影响大,试验误差大,采用变水头试验操作简单,需水量少,设备简易,止水严密,便于时间控制,测量精确,试验周期时间要求短,适用于样地区内土壤渗透系数的测定。
  2.3 土壤物理性质测定
  采用环刀法(LY/T 1215—1999)测定土壤容重、土壤自然含水量、饱和含水水量、土壤总孔隙、毛管孔隙度、非毛管孔隙等物理性质。
  2.4 数据分析
  采用Excel软件对数据进行统计分析和作图,采用SPSS软件对不同植被措施下各土层土壤渗透性能与土壤物理性质进行Pearson 相关分析。
  3 结果与分析
  3.1 不同样地土壤的渗透性质
  不同退耕阶段的样地土壤渗透性具有一定的差异,由图1可知,在20°时土壤剖面A层(0~20 cm)样地渗透系数有LD(自然裸地)<qr(乔木林)<qg(乔灌过渡林)<gm(灌木林)<ym(玉米)<dq(自然林地)<sl(乔木疏林)<cd(草地),草地与乔木疏林地渗透系数分别为0.030 7、0.030="" 1="" s,明显高于其他阶段;自然裸地渗透系数为0.004="" 9="" cm="" s低于退耕阶段样地与自然林地,土壤渗透性能较差,易发生水土流失;玉米地渗透系数大于自然裸地低于天然林地,玉米地因为人为干扰破坏土壤结构渗透性能提高大于自然裸地。自然乔木林渗透系数大于自然裸地,介于玉米地与乔木疏林间,天然林土壤随着森林的演替,理化性质逐渐改善,渗透性能增强,玉米地与乔木疏林由于人为开垦破坏土壤结构,渗透性加强。在退耕地中随着森林正向演替的进行,植被根系对土壤结构作用加强,退耕还林地土壤渗透能力逐渐降低,但均大于植被度盖度最小的自然裸地。="" <br="">  在土壤剖面B层(20~40 cm)有QR(乔木林)<qg(乔灌过渡林)<ld(裸地)<gm(灌木林)<ym(玉米)<dq(自然林地)<sl(乔木疏林)<cd(草地),对于退耕样地有qr(乔木林)<qg(乔灌过渡林) 1="" cm="" <br="" <gm(灌木林)<sl(乔木疏林)<cd(草地),与a层(0~20="" cm)一致,在退耕还林地中,不同演替阶段植被对土壤a层与土壤b层的作用一致。土壤渗透系数最大为草地(0.038="" s),最小有乔木人工林(0.005="" 7="" s),自然裸地在b层渗透系数为0.089,为a层的1.82倍,介于乔灌过渡林与灌木林之间。="">  在土壤剖面C层(40~60 cm)有YM(玉米)<ld(裸地)<qr(乔木林)<qg(乔灌过渡林)<gm(灌木林)<sl(乔木疏林)<dq(自然林地)<cd(草地),草地的土壤渗透性能最好,裸地的土壤渗透性能最差,c层退耕各阶段样地土壤渗透性能变化趋势与a、b土层一致,玉米样地与乔木疏林渗透性变小,是b层的0.062 <br="" 5、0.063="" 5倍,这可能是由于玉米样地与乔木疏林人为干扰只达到0~40="" cm,40~60="" cm为未被人为破坏土层,乔木疏林地对土壤渗透性能的作用力较小。="">  各样地不同土层间土壤渗透性能存在差异,由图2可知,对于退耕还林不同植被恢复阶段的样地有对于人工乔木林、草地存在A层<b层<c层,土壤渗透系数随着土壤深度的增加而逐渐加大,乔木林根系垂直作用于土壤各层次,通过根系对土壤的结构产生作用,改善坡耕地土壤松散结构,影响土壤的渗透性能。随着土壤深度的增加,其作用能力减弱,土壤渗透系数加大。草地受地表踩压影响,表土比较夯实,土壤孔隙度低,土壤渗透系数在表层最小,随着土壤深度增加,土壤渗透系数加大。在乔灌过渡林样地中有b层<c层<a层,随着土壤深度的增加,乔灌过渡林内土壤渗透系数先减小而后变大。 <br="">  灌木林地、乔木疏林地的渗透系数均存在C层<a层<b层,在植被恢复过程中,灌木林地、乔木疏林的土壤渗透系数随土着层深度的加深先增加而后降低,土壤渗透性随土壤深度的增加在0~40 1="" cm="" <br="" 7="" cm内增加,在40~60="" cm而逐渐衰减,在乔木疏林地中最为明显,a表层渗透系数为0.030="" s,而b层增大为0.031="" 0="" s,到c层则减小到0.019="" s,这可能与长期耕作过程中在地表下层形成的阻滞层有关[18]。对于自然林地样地中有a层<b层<c层,这与李建兴等[13-14]的研究结果一致:自然林地中随着土壤层次的加深土壤渗透性逐渐减弱。="">  3.2 不同样地土壤的物理性质
  土壤渗透过程是一个复杂的水文过程,不仅受地表类型、林分结构和根系分布等的影响,与降水、地表径流、表土结构、土壤容重和土壤含水量等因素也密切相关[19-20]。测取各阶段样地土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙、含水量等物理性质重要指标发现:不同退耕阶段土壤物理性质存在一定的差异。由表2可知,土壤容重的平均值表现为QG

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