天山林区不同群落土壤水分入渗特性的对比分析与模拟

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土壤入渗性能是森林生态水文过程的一个基本环节。为了比较不同群落类型土壤水分入渗特性的差异,本文在天山中段北坡林区分别使用双环入渗法和环刀法,测定天然云杉林、人工云杉林、林窗草地、草地、林缘灌木林、山前灌木林六种群落类型的森林土壤入渗过程,采用相关分析和线性回归分析法对比分析有机质含量、毛管孔隙度、容重、土壤含水率等土壤理化性质对入渗过程的影响,并且使用三种常用入渗模型进行入渗过程模拟,分析比较这些模型在天山林区的适宜性,为天山林区生态水文长期定位观测提供有益借鉴。得出结论如下:(1)六种群落类型土壤理化性质存在一定差异,表现为:同一群落类型土壤层之间,土壤容重也有所差异,并且都表现出随土层深度的增加而增加;毛管持水量和最大持水量都随土层增加而减小。各土壤层土壤含水量并没有特别大的差异,但是整体上0-20 cm土层含水量高于其它层。土壤有机质含量有较大的差异,天然云杉林各土壤层有机质含量整体大于其它五种群落类型。(2)六种群落类型土壤入渗性能均具有:初始入渗速率>平均入渗速率>稳定入渗速率的相同趋势。前60 min土壤初始入渗率介于2.63-9.00 mm/min之间,稳定入渗率介于0.85-5.12 mm/min之间;天然云杉林无论是初始入渗速率、稳定入渗速率还是平均入渗速率以及渗透总量都大于其它五种群落类型。人工云杉林初始入渗速率最小,但是稳定入渗率仅次于天然云杉林。不同群落类型土壤平均入渗率从大到小的排序为:天然云杉林>林缘灌木林>林窗草地>草地>人工云杉林>山前灌木林。(3)环刀法入渗拟合结果表明,Kostiakov模型决定系数在0.48和0.97之间;在Horton模型中,决定系数除人工林与草地外,也都接近或者超过0.90;Philip模型决定系数介于0.57和0.86之间,适宜性较差。总体来说,Kostiakov模型对试验六种群落类型土壤入渗过程的拟合精度比较高,适用于描述本研究区域水源涵养林地土壤入渗特征。(4)土壤有机质含量与土壤入渗速率呈正相关,且与初始入渗率达到极显著水平;土壤的含水率、土壤毛管孔隙度和土壤容重与土壤入渗能力呈现显著的负相关。由环刀法测得土壤渗透率的各参数值相关分析结果可知,土壤有机质含量与土壤入渗速率(初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率)呈正相关,并且与初始入渗速率达到极显著水平。土壤毛管孔隙度与土壤入渗速率呈现负相关,与平均入渗速率显著负相关,与初始入渗速率极显著负相关。土壤容重与土壤入渗能力呈现负相关关系,并且与初始入渗率显著负相关。土壤的含水率与入渗过程呈现负相关,土壤初始含水量越大,则初始入渗速率越低。也可以说,在土壤结构相同的情况下,土壤入渗速率与土壤含水量呈现反比关系,随土壤含水量的增加而递减,直至稳定入渗。(5)同一群落类型,双环法测得入渗速率均大于环刀法;说明仪器测量存在一定误差。
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