土壤饱和导水率(soil saturated hydraulic conductivity, K_fs)是表征土壤通透性的一个综合指标, 即单位水势梯度作用下通过垂直于水流方向的单位面积土壤的水流通量或渗流速度^[1]。饱和导水率越高, 土壤通透性越好。土壤通透性的改善, 不仅可以延缓降水形成的地表径流, 减少土壤侵蚀, 还能使更多的降水更快的进入土壤内, 起到涵养水源的作用。

据国内外研究, 影响土壤饱和导水率的因素主要有植被群落特征和土壤理化性质。由于树木根系生长具有树种特异性, 根系通过穿插、网络及固结将土壤单粒粘结起来改变了土壤通透性^[2-3], 因此不同树种的土壤饱和导水率不同。植物多样性可以显著增加土壤渗透能力, 动态影响着土壤水文性质^[4]。据孟晨等人^[5]研究, 土壤导水性表现为混交林＞纯林＞灌木林＞草本＞裸地。马思文等人^[6]对三峡库区人工防护林研究后认为, 针阔混交林的饱和导水率最大, 其次是阔叶混交林、针叶混交林、针叶纯林。饱和导水率由于土壤质地、容重、孔隙分布以及有机质等变量的影响而空间变异强烈^[7-8]。梁向锋等^[9]认为子午岭林区9种植被下土壤饱和导水率的主要影响因子是有机质含量、容重、＞0.25mm土壤水稳性团聚体含量、毛管孔隙度和粘粒含量; 王子龙等^[10]研究了退耕典型草地饱和导水率特征, 认为水稳性大团聚体含量和有机质对饱和导水率产生显著正效应。而迟春明等^[11]对碱化盐土的研究表明, 土壤碱度、盐度、结构系数、团聚度与饱和导水率的相关性均无显著统计学意义; 张鼎华等^[12]得出沙地土壤饱和导水率与土壤有机质含量呈明显的负相关关系; 刘春利等^[13]认为土壤饱和导水率的波峰对应土壤含水量的波谷, 表明饱和导水率大土壤就不易保持水分, 相反, 土壤容易保持土壤水分。由以上研究结论可知, 不同地区影响饱和导水率的因素不同, 主要围绕在有机质含量、容重、孔隙状况和土壤粒径分布等土壤理化性质中, 而且由于以上影响因素之间存在相互作用, 导致各个因素对饱和导水率的影响十分复杂, 具体地区应该具体分析。目前对饱和导水率的研究多集中在不同沙地、草地、滩涂地和盐碱地中^[14-15], 研究区多选在南方红壤区、黄土高原区和喀斯特地区^[16-18], 对森林土壤和植物的研究较少。

永定河是北京的母亲河, 历史上又名不定河, 但近几年多次出现断流现象。永定河流域涉及内蒙、山西、河北、北京和天津等地, 永定河上游支流有桑干河、洋河、大清河等, 最后汇流于官厅水库, 因此, 官厅水库的水量在很大程度上决定了永定河的水量。为了解决永定河的断流现象, 近几年在永定河上游地区实施了大量的以植树造林为主的生态修复工程, 其中, 京冀生态水源保护林工程是北京市、河北省两地政府为提高森林植被涵水、净水能力, 缓解首都水资源供需矛盾, 促进区域经济社会协调发展而启动的建设合作项目。本文选取官厅水库南岸的生态水源保护林为研究对象, 分析不同林分饱和导水率的特征, 通过与当地成林的对比, 评价目前水源保护林的造林成效; 研究土壤饱和导水率的影响因素并根据因子得分排名得出土壤通透性最好的林分, 科学评价水源保护林功能, 从土壤方面提高永定河源头的水源涵养能力, 恢复永定河流域生态系统。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于张家口市怀来县东南部(115°36′E—115°45′E, 40°13′N—40°18′N)(图 1), 官厅水库南岸, 最近处距离官厅水库不足1 km, 是对官厅水库水质水量影响最为直接的示范区, 生态区位极其重要。区域总面积达50 km², 最高海拔2292 m, 最低海拔520 m。该区地处温带半干旱区, 属温带大陆性季风气候, 四季分明, 雨热同期, 年均日照时数3027 h, 全年无霜期149 d。年平均气温9.6℃, 多年平均降水量390 mm。地貌形态主要有河川平原、丘陵和山地等类型, 土壤类型为褐土, 土壤质地为砂壤土, 研究区主要栽植侧柏(Platycladus orientalis(L.) Franco)、油松(Pinus tabuliformis Carr.)、山杏(Armeniaca sibirica (L.) Lam.)等苗木, 灌木植被主要有榛子(Corylus heterophylla Fisch.)、绣线菊(Spiraea salicifolia L.)等, 草本植被主要有铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、委陵菜(Potentilla chinensis Ser.)等。

1.2 研究方法 1.2.1 样地选择与土样采集

2017年7月, 在保证立地条件基本一致的前提下, 选取示范区内5种生态水源保护林典型林分(侧柏纯林、油松纯林、侧柏×山杏混交林、油松×山杏混交林、侧柏×油松混交林)作为研究样地并在附近选取立地条件相近的3种林分(侧柏成林、油松成林、山杏成林)作为成林对比, 选取荒草地作为非林地对比, 样地基本情况见表 1。

在选取的样地中布设20m×20m的样方, 进行林分调查, 调查结果见表 2。在样方中按照均匀分布和随机布点的原则设置3个采样点(深60cm), 进行土样采集, 采样深度分为3层(0—20cm、20—40cm、40—60cm), 每层均用环刀(环刀体积100cm³, 直径5cm, 高5cm)取原状土以及自封袋取样, 其中环刀取样每层设置3个重复, 共采样324个、其中环刀样243个, 所有样品带回实验室立即进行测定。

1.2.2 测定方法

土壤饱和导水率测定采用恒定水头法, 计算方法见公式(1), 结果取平均值。

(1)

式中：K_fs为饱和导水率(mm/min); Q为时间t内的出流量(ml); L为水流路径的直线距离(cm); A为水流经过的横截面积(cm²); ΔH为渗流路径始末断面的总水头差(cm); T为出流时间(min)。

土壤水分的运动与温度有关, 为了便于统一对比, 下文所列数据统一用标准温度10℃时的饱和导水率表示, 其他温度下所测得的导水率要换算成标准温度下的导水率, 具体换算方法采用哈赞公式(2)：

(2)

式中：K₁₀为10℃时的饱和导水率(mm/min); K_t为t℃时的饱和导水率(mm/min); t为测量时的水温(℃)。

土壤质地采用吸管法测定, 并参照国际制来划分土壤质地类型(砂粒：0.02—2 mm, 粉粒：0.002—0.02 mm, 粘粒：< 0.002 mm); 饱和含水量、容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度采用环刀法测定; 土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法来测定。

1.3 数据处理

采用origin软件作图, R语言3.3.1软件对土壤饱和导水率进行单因素方差分析(One-way ANOVA)并利用TukeyHSD标注差异显著性; 用双因素方差分析(Two-way ANOVA)研究不同林分类型和土壤深度对土壤理化性质的影响; 对饱和导水率和土壤理化性质进行相关性分析和显著性检验, 并对所得矩阵按方差最大法旋转, 用主成分法进行因子分析(R语言软件对数据矩阵已做标准化处理), 通过方差贡献率划出公共因子, 在了解每个公共因子的具体含义后, 采用回归估计法计算样本的综合得分^[19]。土壤理化性质参数指标进行相关性分析和因子分析时, 均使用各参数指标的平均值。

2 结果与讨论 2.1 不同林分土壤饱和导水率特征

图 2是包括非林地在内9种样地(侧柏纯林、油松纯林、侧柏×山杏混交林、油松×山杏混交林、侧柏×油松混交林、侧柏成林、油松成林、山杏成林、荒草地)不同土层深度的土壤饱和导水率。首先从整体土壤分层来看, 越深层的土壤, 饱和导水率越小。0—20cm土层的饱和导水率是40—60cm土层的2.77—17.36倍。这是因为0—20cm土层有机质含量高, 土壤通透性好, 随着土壤深度的增加, 土壤结构较为紧实, 总孔隙度逐渐减小, 导致较深层次土壤的通气透水能力较差^[20]。可以推断, 植被对表层土壤通透性的改善大于深层土壤。

按土层深度分析每一层不同林分的饱和导水率, 由于林分整体的土壤通透性受饱和导水率数值最小的土层的影响, 所以将40—60cm土层作为代表进行分析。在40—60cm土层, 饱和导水率的范围为0.02—1.98 mm/min, 山杏成林的K_fs(1.98 mm/min)>油松成林的K_fs(1.2 mm/min)>侧柏×山杏混交林的K_fs(0.91 mm/min)>油松×山杏混交林的K_fs(0.40 mm/min)>侧柏成林的K_fs(0.26 mm/min)>侧柏×油松混交林的K_fs(0.22 mm/min)>油松纯林的K_fs(0.14 mm/min)>侧柏纯林的K_fs(0.11 mm/min)>荒草地的K_fs(0.02 mm/min)。总体可以看出, 在生态水源保护林中, 混交林的饱和导水率>纯林的饱和导水率, 混交林之间的饱和导水率相差不大, 其中侧柏×山杏混交林的饱和导水率最高。生态水源保护林与成林对比可知, 混交林的饱和导水率已接近侧柏成林, 在40—60cm土层, 侧柏×山杏混交林和油松×山杏混交林的饱和导水率要大于侧柏成林, 侧柏×山杏混交林的饱和导水率接近于油松成林。这是由于侧柏属于浅根性树种, 根系水平分布。在40—60cm土层, 生长快、深根性的山杏根系更发达, 因此与山杏混交的林分对土壤渗透性的改善能力更好。其次, 生态水源保护林的饱和导水率远远大于非林地, 说明生态水源保护林确实改良了土壤结构, 提高了土壤通透性, 目前水源保护林造林颇具成效。

2.2 土壤理化性质对饱和导水率的影响

表 3是9种样地的双因素重复测量方差分析结果, 由结果可知, 林分类型对饱和导水率、砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量、饱和含水量、容重和有机质含量均有极显著影响, 土壤深度对饱和导水率、粘粒含量、饱和含水量、容重和有机质含量有极显著影响, 林分类型和土壤深度的交互作用对饱和导水率、粘粒含量、饱和含水量和有机质含量有极显著影响, 对粉粒含量有显著影响。这表明林分类型对土壤理化性质的改变有显著作用, 一方面植被类型不同其根系结构不同, 根系通过穿插和根际生物活动改变了土壤团粒结构和孔隙性; 另一方面, 林分树种组成不同造成了林下动植物残体和微生物分解后进入土壤中养分的差异。此外, 随着土壤深度增加, 土壤理化性质也会改变。土壤深度对粘粒含量有影响, 而对砂砾含量与粉粒含量影响不明显, 说明同一林分土壤质地有相对的稳定性。

以上土壤理化性质的改变都可能造成饱和导水率的差异, 为进一步探明土壤理化性质中对饱和导水率起主导作用的因素, 本文选取了土壤砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量、饱和含水量、容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有机质含量8个与土壤饱和导水率有关的土壤理化性质作为变量进行研究。首先用R语言统计软件进行相关分析与显著性检验, 结果如表 4, 8个变量与饱和导水率的相关系数绝对值排序为：有机质含量>饱和含水量>容重>非毛管孔隙度>粉粒含量>毛管孔隙度>粘粒含量>砂粒含量, 饱和导水率与容重和粘粒含量成负相关关系, 与其他变量成正相关关系, 且饱和导水率与有机质含量、饱和含水量和容重表现为极显著相关关系。这与目前大部分研究结果一致^[21-22], 一般而言粘粒含量越高的土壤孔隙越小^[23], 渗透能力越低。

相关性分析表明的是简单自变量之间的相互关系, 受因子间相互影响的作用, 单纯以相关系数往往不能正确反映它们之间的真正关系。因子分析是一种把多个变量化为少数几个综合变量的多变量分析方法, 用有限个不可观测的隐变量来解释原始变量之间的相关关系。相关分析中各变量间表现出较好的相关性是进行因子分析的前提, 由表 4可知, 原变量适合进行因子分析。表 5是将变量按方差最大法旋转后, 通过分析方差贡献率划出公共因子, 并且计算各个变量在公因子中的负荷, 得出每个变量在不同公因子中的作用大小。由旋转后的因子载荷矩阵可以看出, 公因子1的特征值为2.86, 占全部方差的35.73%, 公因子1在饱和含水量、容重和有机质含量上的载荷值都很大, 可视为反映土壤孔性的公共因子, 其中以饱和含水量影响最大, 容重次之; 公因子2的特征值为2.31, 占全部方差的28.83%, 公因子2在砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量上的载荷值很大, 可视为反映土壤质地的因子; 公因子3的特征值为1.58, 占全部方差的19.71%, 公因子3在非毛管孔隙度和毛管孔隙度上的载荷值很大, 其对土壤饱和导水率的影响不大, 可以忽略不计。前3个公因子累计方差贡献率为84.27%, 能够反映全部数据的大部分信息。饱和含水量反映了土壤总孔隙度和持水特性, 容重反映了自然土壤孔隙性, 有机质含量促进了土壤结构形成。总孔隙度大, 大小孔隙分配适当, 团粒之间排列疏松, 则土壤通透性好。因此饱和含水量、容重和有机质含量是影响饱和导水率的最主要因素。土壤质地主要是单个土粒的数量和级别分析, 且变化速度缓慢, 主要通过粘粒含量影响土壤孔隙, 因此间接影响了饱和导水率。非毛管孔隙度和毛管孔隙度对饱和导水率影响较弱, 可能是由于本区域的土壤质地为砂壤土, 持水孔隙不足, 不同林分毛管孔隙占土壤体积的比例相差不大。

2.3 不同林分土壤通透性综合评价

因子分析模型建立后, 还有一个重要的作用是应用因子分析模型去评价每个样本在整个模型中的地位, 即进行综合评价。本文采用定水头法测定土壤饱和导水率, 但是野外取样时不同测量点的测量结果会有差异, 并且较大空间尺度上需要采集大量样本。由于直接测量方法费时费力, 国内外众多学者通过土壤转换函数间接获取土壤水力参数, 即用土壤理化性质参数来构建估算土壤水力学参数。由此得到启发, 评价不同林分土壤通透性可以利用因子分析模型中的因子得分排名, 即以各因子的方差贡献率为权, 由各因子的线性组合得到综合评价指标函数并计算综合得分, 根据得分排序得到不同林分土壤通透性高低的排名。结果如表 6, 可以得出生态水源保护林中土壤通透性的排序为：侧柏×山杏混交林>油松×山杏混交林>侧柏×油松混交林>油松纯林>侧柏纯林, 其中侧柏×山杏混交林的土壤通透性要好于油松成林。

3 结论

(1) 土壤饱和导水率随土层深度增加而减小, 植被对表层土壤通透性的改善大于深层土壤。水源保护林中混交林的饱和导水率大于纯林接近于成林, 待水源保护林完全郁闭时会发挥比成林更好的水源涵养效果。与非林地对比可知, 目前水源保护林对土壤通透性的改善优势明显, 造林颇具成效。

(2) 林分类型对土壤理化性质的改变有显著作用, 这是由于林分组成不同造成根系结构、林下动植物残体和微生物不同, 进而导致了土壤团粒结构、孔隙性和土壤养分的差异。土壤理化性质中影响饱和导水率最主要的因素为饱和含水量、容重和有机质含量; 次重要因子为土壤砂粒、粉粒和粘粒含量, 土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度对本区域饱和导水率影响不大。饱和导水率是评价水源保护林功能的重要指标, 要从土壤方面提高林分的水源涵养能力, 需要对其主要影响因子进行改良, 通过深根性树种和浅根性树种搭配, 提高根系对土壤空间的利用, 从而改变土壤孔性; 通过提高林分物种多样性增加土壤有机质含量来改善土壤结构。

(3) 从综合因子得分排名来看, 以侧柏×山杏混交林的土壤通透性最好, 油松×山杏混交林次之。为了恢复永定河流域的生态系统, 在源头涵养水源, 增加官厅水库的流量, 为永定河提供补给, 日后京冀生态水源保护林工程可优先考虑种植针阔混交林, 尤其是侧柏×山杏混交林。

(4) 由于实验条件和工程区所在位置的限制, 本论文尚存在不足之处。在今后的研究中应考虑年内季节和年际变化对饱和导水率的影响, 选取更大尺度的区域进行研究, 使结论更具有信服力。