短轮伐期桉树人工林土壤入渗过程模拟与变化特征.pdf

摇第 21 卷摇 第 5 期2023 年 10 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.21摇 No.5Oct.2023短轮伐期桉树人工林土壤入渗过程模拟与变化特征潘天森1,赵明全1,郭天雷2,黄摇 幼1,邓羽松1,黄钰涵1覮(1.广西大学林学院,广西森林生态与保育重点实验室,广西高校亚热带人工林培育与利用重点实验室,530004,南宁;2.长江水利委员会长江科学院,430014,武汉)摘要:中国南亚热带地区桉树种植面积广且轮伐期短,研究短轮伐期内土壤入渗能力的变化对探究水文循环与水土保持效益具有重要意义。以广西东门国有林场桉树人工林为研究对象,据轮伐期选择 4 个不同林龄(1、2、3 和5 a)的尾巨桉第一代植苗林,测量 3 个土层(0 20、20 40 和 40 60 cm)的土壤理化性质和入渗过程。结果表明:1)随林龄的增大,在 0 20、20 40 cm 土层,入渗能力呈“降低升高降低冶的规律变化;而在 40 60 cm 土层呈“升高降低升高冶的规律变化。2)初始入渗率、稳定入渗率以及累积入渗量均与土层深度、土壤密度呈极显著负相关(P 0郾 01),与孔隙度和有机质呈极显著正相关(P 0郾 01)。3)Horton 模型和通用经验模型对桉树人工林的土壤入渗过程拟合较好。综上,短轮伐期内尾巨桉人工林土壤孔隙度、密度和有机质含量变化导致浅层土壤(0 20 cm)的入渗能力整体降低,深层土壤(20 40、40 60 cm)的入渗能力整体升高。关键词:桉树人工林;入渗过程;模型;特征参数;林龄中图分类号:S715郾 3文献标志码:A文章编号:2096鄄2673(2023)05鄄0129鄄09DOI:10.16843/j.sswc.2023.05.015收稿日期:2022 07 15摇 修回日期:2023 05 15项目名称:广西自然科学基金“不同林龄人工林根系生物量与土壤优先流关系的定量研究冶(2021GXNSFBA196020);广西科技基地和人才专项基金“峰丛洼地石漠化治理区不同生物措施对土壤入渗性能的影响机制研究冶(桂科AD22035032)第一作者简介:潘天森(1994),男,硕士研究生。主要研究方向:土壤水文与水土保持。E鄄mail:1379146284 覮 通信作者简介:黄钰涵(1992),女,博士,讲师。主要研究方向:土壤侵蚀,土壤水文与水土保持。E鄄mail:huangyuhan0710 Simulation and change characteristics of soil infiltration process duringthe short rotation of eucalyptus plantationPAN Tiansen1,ZHAO Mingquan1,GUO Tianlei2,HUANG You1,DENG Yusong1,HUANG Yuhan1(1.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory for Cultivation and Utilization of Subtropical Forest Plantation,Guangxi KeyLaboratory of Forest Ecology and Conservation,College of Forestry,Guangxi University,530004,Nanning,China;2.Changjiang River Scientific Research Institute,430014,Wuhan,China)Abstract:Background Soil infiltration is an important process of forest water cycle.The plantation isan essential part of forests,and the change of soil infiltration capacity of plantation soil indicates thechange of benefits on soil and water conservation.Because of the wide planting areas and short rotation ofeucalyptus plantations in the southern subtropical area in China,soil infiltration capacities changing withforest age is meaningful to study the change of benefits on soil and water conservation and the hydrologicalcycle.MethodsOur study focused on the plantation(Eucalyptus urophylla 伊 E.grandis)in the State鄄owned Dongmen Forest Farm in the Guangxi Zhuang Autonomous Region of China.According to therotation of eucalyptus plantation,four first generation eucalyptus plantations with differently forest ages(1,2,3,and 5 a)were selected for measuring the physical and chemical properties of soil particle size,摇中国水土保持科学2023 年soil bulk density,soil porosity,soil organic matter,and soil aggregate groups in three soil layers of 0-20,20-40 and 40-60 cm.The soil infiltration rate was measured by the cutting ring method withvariable water head and the soil infiltration process was fitted by four common models.Results 1)Asthe forest age increasing,the soil bulk density of four eucalyptus plantations ranged from 1郾 03 to 1郾 38 g/cm3with a fluctuant increase trend.The soil total porosities of four eucalyptus plantations ranged from47郾 84%to 60郾 96%with a fluctuant decrease trend and the soil organic matter content of foureucalyptusplantations ranged from 8郾 94 to 29郾 06 g/kg with a fluctuant increase trend,as the forest age increasing.2)Initial infiltration rate,stable infiltration rate,and cumulative infiltration had the significantly negativecorrelations with soil depth and soil bulk density(P 0郾 01),while these parameters had thesignificantly positive correlations with soil porosity and soil organic matter(P 0郾 25 mm/%水稳性大团聚体 Waterstable macroaggregate0郾 25 mm/%11郾 05 依0郾 04Ab60郾 54 依1郾 61Aa29郾 06 依3郾 31Aa91郾 58 依2郾 37Abc77郾 93 依9郾 18Ab0 2021郾 26 依0郾 05Ba52郾 51 依2郾 00Ab28郾 65 依4郾 57Aa92郾 51 依0郾 66Cb68郾 26 依4郾 38Ac31郾 03 依0郾 05Bb60郾 96 依1郾 90Aa21郾 64 依2郾 44Ab95郾 31 依1郾 04Ba77郾 34 依5郾 13Ab51郾 07 依0郾 04Cb59郾 62 依1郾 66Aa27郾 47 依2郾 57Aa90郾 67 依0郾 24Cc83郾 53 依1郾 96Aa11郾 08 依0郾 08Ac59郾 33 依3郾 18Aa20郾 31 依2郾 27Ba93郾 30 依1郾 72Ab73郾 71 依10郾 71Ab20 4021郾 37 依0郾 04Aa48郾 12 依1郾 62Bc22郾 25 依5郾 00Ba95郾 70 依0郾 76Ba62郾 86 依6郾 05Ac31郾 07 依0郾 08Bc59郾 58 依3郾 37Aa12郾 67 依1郾 48Bb96郾 82 依0郾 81Aa78郾 57 依5郾 83Aab51郾 23 依0郾 11Bb53郾 63 依4郾 43Bb22郾 43 依1郾 83Ba96郾 45 依0郾 94Ba83郾 92 依3郾 55Aa11郾 12 依0郾 15Ab57郾 69 依5郾 82Aa12郾 36 依1郾 38Cb91郾 77 依2郾 65Ac73郾 28 依9郾 86Aab40 6021郾 37 依0郾 08Aa48郾 28 依2郾 98Bb13郾 04 依2郾 40Cb98郾 16 依0郾 62Aa68郾 80 依7郾 71Ab31郾 15 依0郾 08Ab56郾 60 依3郾 01Ba8郾 94 依1郾 64Cc96郾 61 依0郾 54Ab76郾 09 依4郾 74Aab51郾 38 依0郾 10Aa47郾 84 依3郾 92Cb17郾 27 依2郾 39Ca97郾 63 依0郾 62Aab77郾 40 依6郾 66Ba摇 注:同一列中不同大写字母表示相同林龄下不同土层间的差异在 0郾 05 水平上显著,同一列中不同小写字母表示同一土层下不同林龄之间的差异在0郾 05 水平上显著。测量值用平均值 依 标准差表示。下同。Notes:Different capital letters in the same column indicate that the difference be鄄tween different soil layers under the same forest age is significant at the 0郾 05 level,and different lowercase letters in the same column indicate that thedifference between different forest ages in the same soil layer is significant at the 0郾 05 level.The measured values are represented as means 依 standarddeviation.The same below.231摇摇 第 5 期潘天森等:短轮伐期桉树人工林土壤入渗过程模拟与变化特征各土层水稳性大团聚体质量分数最高(77郾 40%83郾 92%)。3郾 2摇 不同林龄桉树人工林土壤入渗过程与模拟采用 4 种土壤入渗模型拟合桉树人工林入渗过程,结果表明大部分拟合效果良好(图 2 和表3),其中,5 a 桉树人工林在 0 20 cm 土层中土壤入渗用 Kostiakov 模型的拟合效果较差;1 a 桉树人工林在 40 60 cm 土层中土壤入渗用通用经验模型拟合效果最好,其他模型拟合效果较差。此外,对比不同林龄桉树人工林入渗速率发现:3 a 桉树人工林在 0 20、20 40 cm 土层的入渗速率最大,2 a 桉树人工林在 40 60 cm 土层的入渗速率最大。即土层越深,入渗变化速率越小;各土层的入渗速率差异大。图 2摇 不同林龄桉树人工林分层土壤入渗过程Fig.2摇 Soil infiltration processes of layered soils in differently aged eucalyptus plantations摇表 3摇 不同土壤入渗模型拟合参数Tab.3摇 Fitting parameters of different soil infiltration models土层深度Soil depth/cm林龄Forestage/aKostiakov 模型Philip 模型Horton 模型通用经验模型Kostiakov modelPhilip modelHorton modelGeneral empirical model茁琢R2ABR2VcV0kR2abnR2126郾 150郾 090郾 8226郾 7816郾 590郾 9019郾 0521郾 990郾 420郾 92摇 18郾 6828郾 281郾 340郾 980 20221郾 360郾 150郾 9929郾 0210郾 180郾 9411郾 377郾 370郾 050郾 99-201郾 31 221郾 720郾 010郾 99334郾 500郾 130郾 9645郾 2917郾 510郾 9920郾 9213郾 110郾 120郾 9618郾 3223郾 350郾 580郾 99519郾 730郾 130郾 7226郾 5210郾 080郾 8412郾 4622郾 060郾 400郾 9812郾 3549郾 091郾 810郾 98110郾 140郾 080郾 919郾 546郾 730郾 977郾 513郾 350郾 170郾 987郾 145郾 500郾 740郾 9620 40211郾 410郾 100郾 9812郾 536郾 800郾 997郾 693郾 430郾 100郾 976郾 606郾 200郾 450郾 99316郾 620郾 080郾 9914郾 0311郾 480郾 9512郾 103郾 540郾 060郾 99-88郾 07 104郾 470郾 010郾 99510郾 410郾 120郾 8513郾 125郾 580郾 926郾 789郾 050郾 370郾 936郾 5611郾 961郾 210郾 9810郾 320郾 040郾 710郾 180郾 260郾 750郾 280郾 190郾 520郾 730郾 270郾 141郾 060郾 9540 6025郾 540郾 090郾 955郾 273郾 570郾 873郾 391郾 580郾 030郾 99-35郾 8641郾 320郾 010郾 9730郾 560郾 180郾 980郾 870郾 220郾 940郾 250郾 220郾 050郾 97-2郾 993郾 810郾 010郾 9450郾 820郾 050郾 950郾 510郾 640郾 940郾 670郾 130郾 080郾 970郾 540郾 300郾 210郾 77摇 注:R2为各模型的决定系数;茁,琢 为 Kostiakov 模型的参数;A,B 为 Philip 模型的参数;Vc,V0,k 为 Horton 模型的参数;a,b,n 为通用经验模型参数。Notes:R2denotes the determination coefficient of each model.茁 and 琢 are the parameters of Koschakov model;A and B are the parameters ofPhilip model;Vc,V0,and k are the parameters of Horton model;and a,b,and n are general empirical model parameters.331摇中国水土保持科学2023 年摇 摇 根据各林龄的入渗过程计算出各土层的 IIR、SIR 和 CI(表 4)。IIR、SIR 和 CI 均随土层加深而减小,其中,1 a 桉树人工林的降低幅度最大,分别为62郾 29%、60郾 09%和 61郾 11%。随林龄增加,IIR、SIR和 CI 在 0 20 cm 土层呈“降低升高降低冶、40 60 cm 土层呈“升高降低升高冶 的规律变化;在 20 40 cm 土层,随林龄的增加 IIR、SIR 呈“升高升高降低冶的规律变化、CI 呈“降低升高降低冶的规律变化。在 0 20、20 40 cm 土层中,3 a 桉树人工林的 IIR、SIR 和 CI 最大,土壤入渗能力最好;40 60 cm 土层中,2 a 桉树人工林的 IIR、SIR 和 CI 最大,土壤入渗能力最好。表 4摇 不同林龄桉树人工林分层土壤的入渗特征Tab.4摇 Soil infiltration characteristics of layered soils in differently aged eucalyptus plantations土层深度Soil depth/cm林龄Forest age/a初始入渗率Initial infiltration rate/(mm min-1)稳定入渗率Stable infiltration rate/(mm min-1)累积入渗量Cumulative infiltration/mL125郾 30 依9郾 05Aab18郾 54 依5郾 80Aab1 796郾 17 依548郾 11Aa0 20217郾 84 依5郾 07Ab11郾 50 依5郾 15Ac983郾 84 依368郾 70Aa330郾 94 依9郾 26Aa20郾 44 依3郾 65Aa1 414郾 68 依721郾 79Aa519郾 04 依3郾 46Ab12郾 81 依3郾 15Abc1 249郾 65 依326郾 50Aa19郾 54 依9郾 12Ba7郾 40 依7郾 65Ba699郾 00 依692郾 43Ba20 40210郾 44 依9郾 04ABa7郾 58 依5郾 68Aa653郾 11 依563郾 96Aa315郾 28 依10郾 05Ba12郾 20 依8郾 22Ba1 006郾 23 依657郾 67Aa59郾 80 依11郾 05ABa6郾 49 依7郾 02ABa657郾 62 依676郾 12ABa10郾 32 依0郾 20Bb0郾 27 依0郾 17Bb25郾 19 依16郾 15Bb40 6024郾 92 依1郾 85Ba3郾 71 依1郾 61Aa277郾 59 依106郾 59Aa30郾 45 依0郾 35Cb0郾 26 依0郾 21Cb24郾 16 依18郾 54Bb50郾 78 依1郾 34Bb0郾 67 依1郾 18Bb67郾 30 依117郾 57Bb4摇 讨论比较 4 个入渗模型拟合的 R2可得出,Horton 模型和通用经验模型拟合效果较好,Kostiakov 模型和Philip 模型拟合效果较差。巩炜19研究临泽县荒漠绿洲过渡带固沙植物土壤入渗也发现 Kostiak鄄ov 模型的拟合效果较差,原因是 Kostiakov 模型为经验模型,没有表征土壤稳定入渗率的拟合项,随着时间递增,稳定入渗率趋于零,与实际入渗不符。席彩云等20研究北京密云山区 4 种典型林地入渗特征后也发现 Philip 模型的拟合效果较差,原因是 Philip模型中 t 的指数为-0郾 5,限制入渗的衰减速率。Horton 模型和通用经验模型在入渗时长较大时正好与 SIR 相吻合,更能准确反映土壤的入渗过程5。所以,Horton 模型和通用经验模型描述桉树人工林土壤入渗过程效果较好。土壤理化性质与入渗特征参数的相关性分析如表 5 所示,结果表明:土壤入渗特性与土层深度、土壤密度呈极显著负相关(P 0郾 01),与有机质、孔隙度呈极显著正相关(P 0郾 01),这与巩炜19、王金悦等15对影响土壤入渗能力的相关性分析结果类似。对比 1、2、3 和 5 a 桉树人工林不同土层的入渗特性发现:1)0 20 cm 土层,IIR、SIR 和 CI 随林龄增加呈“降低升高降低冶的规律。桉树人工林经营前期进行带状除草,导致地表灌木、草本减少,降低土壤孔隙度,从而降低入渗能力21。第 2 年至第 3 年,人工抚育强度下降,为林下灌木与草本层扩张提供空间,所以林下生物量开始上升6,土壤孔隙度增大,使表层土壤的IIR、SIR 和 CI 显著升高。营林后期因枯落物厚度迅速增加,产生大量挥发性油及其化合物,直接抑制林下草本植物生长22,降低入渗能力。2)20 40 cm 土层中,IIR 与 SIR 随着林龄增加呈“升高升高降低冶的规律变化,CI 呈“降低升高降低冶的规律变化。第1 年至第2 年 CI 略有降低,原因可能是降雨淋溶作用下,林下土壤密度增加、孔隙度和水稳性大团聚体下降23,导致入渗能力降低。第 2 年至第 3 年 IIR、SIR 和 CI 升高,由于桉树种植后 2 3 年,根系快速发育,增加土壤孔隙度24 25,提高入渗能力。第 3 年至第 5 年 IIR、SIR431摇摇 第 5 期潘天森等:短轮伐期桉树人工林土壤入渗过程模拟与变化特征和 CI 降低,是因在降雨条件下,雨滴对土壤大团聚体的拆分作用导致较大的团聚体转化为微团聚体,微团聚体在水的作用下运移,堵塞下层土壤孔隙,导致土壤的渗透性降低6,26。3)40 60 cm 土层中,IIR、SIR 和 CI 随着林龄增加呈“升高降低升高冶的规律变化。第 1 年至第 2 年土壤有机质在降水作用下从浅层土运移到深层土27,导致土壤入渗能力变大5;而20 40 cm 土层的有机质含量减少,降低对更深土层有机质的运移,间接导致第 2 至第 3 年 IIR、SIR 和 CI 出现降低。第 3年至第 5 年由于表层大量枯枝落叶覆盖,补充有机质来源,从而增加土壤有机质的下移28,有机质的增加促进了团聚体的形成29,使 5 a 桉树人工林的入渗能力更强。总体上,桉树人工林种植后,随着林龄的增加,0 20、20 40 和 40 60 cm 土层的土壤密度、孔隙度、有机质、大团聚体和水稳性大团聚体的含量发生变化,使浅层土壤(0 20cm)的入渗能力随林龄增加整体呈降低趋势,深层土壤(20 40、40 60 cm)的入渗能力随林龄增加整体呈增强趋势。这与王纪杰等30、于婧睿等1研究桉树人工林随着林龄增加土壤渗透性增大的结果不一致,原因可能是土壤类型、造林方式和抚育措施不同,所以针对不同区域桉树人工林开展土壤入渗研究是极有必要的。表 5摇 土壤入渗特征的相关性分析Tab.5摇 Correlation analysis of soil infiltration characteristics入渗特征Infiltrationcharacteristics土层深度Soil depth土壤密度Bulk density总孔隙度Total porosity土壤有机质Soil organicmatter大团聚体macroaggregate水稳性大团聚体Water stablemacroaggregateIIR-0郾 77*-0郾 43*0郾 39*0郾 52*-0郾 250郾 18SIR-0郾 75*-0郾 45*0郾 40*0郾 49*-0郾 230郾 18CI-0郾 77*-0郾 46*0郾 42*0郾 54*-0郾 28*0郾 22摇 注:*指在 0郾 01 水平上具有有显著相关性,P 0郾 01,*指在 0郾 05 水平上具有显著相关性,P 0郾 05。Notes:*indicates the significant corre鄄lation at the 0郾 01 level,P 0郾 01.*indicates the significant correlation at the 0郾 05 level,P 0郾 05.5摇 结论本研究测量短轮伐期尾巨桉人工林第一代植苗林不同土层(0 20、20 40 和 40 60 cm)的土壤理化性质与土壤入渗能力,分析林龄变化影响下不同土层的土壤理化性质与土壤入渗能力的关系,探讨4 种经典入渗模型模拟尾巨桉人工林土壤入渗过程的适用性。结果表明:1)随着林龄增大,土壤密度(1郾 03 1郾 38 g/cm3)呈波动升高的趋势,孔隙度(47郾 84%60郾 96%)和有机质质量分数(8郾 94 29郾 06 g/kg)分别呈波动降低、波动增加的趋势。2)土层深度与土壤理化性质对土壤入渗能力有较大的影响,其中土壤入渗能力(IIR、SIR 和 CI)与土层深度、土壤密度呈极显著负相关(P 0郾 01),与孔隙度和有机质呈极显著正相关(P 0郾 01)。土层越深,土壤密度越大、孔隙度和有机质含量越低,土壤的入渗能力越差;土壤入渗能力随林龄的增加在 0 20cm、20 40 cm 土层呈“降低升高降低冶、40 60 cm 土层呈“升高降低升高冶的规律变化。3)入渗模型的拟合结果表明,Horton 模型和通用经验模型更适用于描述研究区内不同林龄桉树人工林土壤入渗速率随时间变化情况。本文研究结果可为科学经营桉树人工林、评估桉树人工林水土保持效益及防治水土流失提供科学依据。6摇 参考文献1摇 于婧睿,杨钙仁,田雪,等.桉树人工林取代长周期人工林对土壤入渗特性的影响 J.水土保持研究,2017,24(6):11.YU Jingrui,YANG Gairen,TIAN Xue,et al.Effects ofeucalyptus 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