入渗对地面径流量的调节和转换起着决定作用(雷孝章等，2005)。土壤渗透性是土壤入渗快慢极为重要的土壤物理特征参数之一。研究表明，土壤侵蚀量与土壤渗透性能呈显著或极显著相关(李新平等，2003)。因此，土壤的渗透能力是影响土壤侵蚀的重要因素之一，是反映植被保持水土和水源涵养作用重要的土壤水文效应评价指标(毛德华等，2003；胡建忠，2003)。影响土壤入渗性能的因素众多，其中土壤质地、土壤结构和土壤含水量是影响土壤水分入渗的主导因素。土壤微生物是土壤生态系统的重要组分之一，几乎所有的土壤过程都直接或间接地与土壤微生物有关(周丽霞等，2007)。土壤酶活性是土壤中的生物催化剂，在森林生态系统中的物质循环和能量流动过程中扮演着重要的角色(Gianfreda et al.，1995)。以往土壤渗透性研究主要从土壤理化性质、地形和植被进行探讨，未有土壤生物因子对土壤渗透性影响的报道。

闽北是典型的南方红壤丘陵区，也是我国著名的“竹子之乡”，竹林种植发展迅速。由于竹林集约经营强度大，降雨量充沛且集中，水土流失和地力维护等方面的生态问题突出。因此，如何在大规模高效培育和利用毛竹林资源的同时，提高毛竹林生态系统服务功能成为目前亟待解决的重大科学问题。同时，开展毛竹林生态功能的研究也是毛竹林生态经营和长期生产力维持的重要理论基础。毛竹林生态功能研究内容广泛，本文仅对闽北不同类型毛竹林水文效应中毛竹林土壤渗透性及其影响因子进行研究，并首次研究了土壤生物因子对土壤渗透性的影响，旨在为南方红壤丘陵区竹林发展及竹林生态经营提供理论和技术指导。有关毛竹林生态功能其他方面的研究将另文发表。

1 试验地概况与研究方法 1.1 自然概况

试验地设在福建省顺昌县洋口国有林场，地处福建省西北部，地理坐标为117°30′—118°14′ E，26°39′—27°12′ N，中亚热带海洋性季风气候类型，年平均气温18.7 ℃，最高温40.3 ℃，最低温-6.8 ℃，≥10 ℃的年有效积温5 388~5 659 ℃，无霜期305 d，雨日164 d，年平均降雨量1 568 mm，日照1 740.7 h。研究地区海拔240~400 m，土壤为红壤或山地红壤，土层深厚，土壤肥沃。常见的植被群落有秃杉(Taiwania flousiana)人工林、毛竹(Phyllostachys edulis)人工林、杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林、木荷(Schima crenata)人工林、马褂木(Liriodendron chinense)人工林、马尾松(Pinus massoniana)人工林、毛竹－杉木混交林、竹阔混交林等。

1.2 样地设置及土样采集

2007年3月下旬，在福建省洋口国有林场以杉木林(A)和常绿阔叶林(E)作为对照，选择有代表性的毛竹林类型：竹杉混交林(B)、毛竹纯林(C)和竹阔混交林(D)，共5种类型(表 1)，每种林分各设2~4块20 m×20 m的标准样地。各样地土壤类型、气候、坡度等条件基本一致。

2007年4月份，首先对建立的各种标准样进行本底调查，之后在各标准样地内沿对角线“S”型布点3个，先挖土壤剖面，再用环刀分层(0~20、20~40和40~60 cm)取样，最后用无菌袋和塑料袋从下至上分3层取0~60 cm的土样以供测试土壤生物活性和土壤理化性质。

1.3 研究方法

土壤密度、孔隙度及水分系数的测定采用环刀法；土壤机械组成采用吸管法；土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法，土壤pH值采用pH计测定(国家林业局，2000)。土壤酶活性测定采用周礼凯(1987)推荐的方法，土壤微生物含量测定采用章家恩(2007)推荐的方法。

土壤渗透性采用双环刀法测定。各指标计算的方法为：初渗率＝最初入渗时段内渗透量/入渗时间，本研究取最初入渗时间为2 min；平均渗透速率＝达稳渗时的渗透总量/达稳渗时的时间；稳渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定时的渗透速率；因所有土样渗透速率在1 h前已达稳定，为了便于比较，渗透总量统一取前60 min内的渗透量。

试验数据利用Matlab和Spss统计软件进行分析处理。

2 结果与分析 2.1 不同林地土壤入渗能力

水分入渗过程是一个复杂的水文过程，与降水地表径流、土壤结构、含水量、质地和有机质含量等因素密切相关(张华，2007；李雪转等，2006；解文艳等，2004)。在林地中，其大小还受林分类型、林分结构、林地枯落物储量和根系分布等的影响(周维等，2006；刘霞等，2004；漆良华等，2007)。在研究土壤入渗时，常采用的4个指标是最初入渗速率(初渗率)、平均渗透速率、最终入渗速率(稳渗率)和渗透总量(刘道平等，2007；韩冰等，2005)。

从图 1可以看出，虽然各林分初渗率、稳渗率、平均渗透率和前60 min渗透总量存在较大差异，但其大小均表现为随土壤深度的增加而降低，表明各林分土壤渗透性能随土壤深度的增加而减弱，其原因应与森林对林地的改良作用随土壤深度的增加而减弱密切相关。此外，它们均呈现随杉木比例减少而增大、随阔叶树比例增加而增强的趋势，这说明树种混交，无论是竹杉混交、竹阔混交，还是阔叶树混交均能增强林地土壤渗透性能。各林分不同层次土壤渗透性能各指标优劣次序不尽相同，在0~20 cm层中，除稳渗率外，各林分其他土壤渗透性指标大小依次为：常绿阔叶林＞竹阔混交林＞竹杉混交林＞杉木林＞毛竹林；在20~40 cm层中，除初渗率外，各林分其他土壤渗透性指标大小依次为：常绿阔叶林＞竹阔混交林＞竹杉混交林＞杉木林＞毛竹林；在40~60 cm层中，各林分土壤渗透性能指标大小依次为：竹阔混交林＞常绿阔叶林＞杉木林＞竹杉混交林＞毛竹林。毛竹纯林土壤各项渗透性指标在土壤各层中最低，说明毛竹纯林在5种林分中，土壤渗透性最差，其初渗率、稳渗率、平均渗透率和渗透总量平均分别为1.68 mm·min^-1，0.89 mm·min^-1，1.05 mm·min^-1和61.38 mL·cm^-2，这是土壤、林分结构及经营活动共同作用的结果。

为比较各林分不同层次土壤渗透性优劣秩序，现以最初入渗速率(X₁)、平均渗透速率(X₂)、最终入渗速率(X₃)和前60 min总渗透总量(X₄)指标进行主分量分析。结果(表 2)表明，第一个主分量的方差累积贡献率高达98.610%，几乎解释了整个总方差，信息损失量非常少。因子负荷量表明，第一主分量上所有变量的正荷载相差不大，但以前60 min总渗透量的最高(0.999 6)，可以解释为对渗透能力总的量度。其主分量方程为：P₁=α₁=1.465 7Y₁+0.850 5Y₂+ 1.012 4Y₃+ 58.305 0Y₄(Y_i为各指标标准化数据)。为了更直观地比较各林地土壤入渗性能，根据第一个主分量方程，计算各林分不同层次土壤渗透性能得分，并进行排序。

从表 3可看出，各林分不同层次的土壤渗透性能均表现出相同的规律，即土壤渗透性能随土壤深度的增加而降低，随杉木比例增加而降低，随阔叶树比例增大而增强。虽各林分不同土层土壤渗透性排序略有不同，但土壤各层中，毛竹纯林土壤渗透性能最差，常绿阔叶林或竹阔混交林最好。整体来看，常绿阔叶林土壤渗透性最佳，其次是竹阔混交林和竹杉混交林，毛竹纯林的最差。上述结果与实测的渗透结果基本吻合，其中阔叶林土壤渗透性最强主要是由于其为天然林，植被保护完好，林地枯落物储量大，土壤有机质丰富；而毛竹纯林人为干扰大，林地枯落物储量少，养分归还量少，故其土壤渗透性能差，同时也说明，适当增加毛竹林中其他树种的混交比例可增强林地土壤渗透性能。对此，在南方丘陵区经营毛竹时应加以重视。

2.2 不同林分林地土壤入渗模型

有关土壤水分入渗的数学模型有许多，包括纯经验公式和半理论、半经验模型，如Green-Ampt公式、Philip公式、Kostiakov经验公式、Horton公式和Smith-Parange入渗方程等(赵西宁等，2004；Murray et al., 2005)。本文选用3个概念较为明确、可靠又常用的土壤水分入渗模型对各林分不同层次土壤入渗过程进行模拟：1)考氏(Kostiakov)公式：f(t) ＝at^-b。f(t)为入渗速率；t为入渗时间；a、b为拟合参数。2)霍顿(Horton)公式：f(t)=f_c+(f_o-f_c)e^-βt。f(t)为入渗速率；t为人渗时间；f_o和f_c分别为初渗率和稳渗率；β为经验参数。3)通用经验公式：f(t)＝a+bt^-c。f(t)为入渗速率；t为入渗时间；a、b为经验参数；c为拟合参数。

结果(表 4)表明：各林分不同层次水分入渗3个回归模型均达极显著相关，但模型的拟合优度存在差异。其中Horton方程拟合优度为0.667~0.993，Kostiakov方程拟合优度为0.730~0.993，通用经验方程拟合优度为0.837~0.999。在18个土壤水分入渗最优模型中，通用经验方程10个，占总数的55.6%，Horton方程5个，Kostiakov方程3个，且当Kostiakov方程最优时，Horton方程或通用经验方程的拟合优度几乎与其相等，表明在这3种模拟土壤水分入渗过程的方程中，通用经验方程效果最佳，Kostiakov方程效果最差。

2.3 土壤渗透性影响因子 2.3.1 土壤理化性质对渗透性的影响

设土壤最大持水量为X₁，毛管持水量为X₂，田间持水量为X₃，密度为X₄，总孔隙度为X₅，毛管孔隙度为X₆，非毛管孔隙度为X₇，2~0.25 mm土壤颗粒含量为X₈，0.25~0.05 mm土壤颗粒含量为X₉，0.05~0.01 mm土壤颗粒含量为X₁₀，0.01~0.005 mm土壤颗粒含量为X₁₁，0.005~0.001 mm土壤颗粒含量为X₁₂，小于0.001 mm的土壤颗粒含量为X₁₃，土壤有机质含量为X₁₄，土壤pH值为X₁₅，最初2 min渗透率为Y_l，稳渗率为Y₂，平均渗透率为Y₃，总渗透量为Y₄进行相关分析，结果见表 5。

可以看出(表 5)，土壤渗透性与土壤最大持水量、非毛管孔隙度、0.005~0.001 mm颗粒含量和土壤有机质含量极显著正相关，与土壤密度极显著或显著负相关，与毛管持水量、总孔隙度显著正相关，这说明土壤理化性质显著影响林地土壤渗透性能。

2.3.2 土壤生物因子对渗透性的影响

将各林分不同层次土壤生物因子与土壤渗透特性指标进行相关分析。结果表明(表 6)：土壤渗透性与细菌含量、放线菌含量和蛋白酶活性活性达极显著或显著相关，与脲酶活性显著相关。此外，初渗速率和平均平均渗透速率与多酚氧化酶活性的相关系数也达显著水平，说明土壤生物因子对林地土壤渗透性能有较大影响。土壤生物因子对土壤渗透性强化效应的实质是森林改善了土壤理化性质，提高土壤有机质含量，从而改善土壤微环境，提高土壤生物活性，而土壤生物活性的增强又加速土壤风化和养分循环，最终提高土壤渗透性能。

为研究土壤理化性质与其生物活性的关系，在此仅研究与土壤渗透性能显著或极显著相关的理化性质与生物活性之间的相关关系。设最大持水量为X₁，毛管持水量为X₂，密度为X₃，总孔隙度为X₄，非毛管孔隙度为X₅，0.005~0.001 mm的颗粒含量为X₆，有机质含量为X₇，细菌含量为Y₁，放线菌含量为Y2，真菌含量Y₃，过氧化氢酶活性为Y₄，蔗糖酶活性Y₅，多酚氧化酶Y₆，蛋白酶活性为Y₇，脲酶活性为Y₈，酸性磷酸酶活性为Y₉，对2组进行相关分析(表 7)，结果表明，脲酶活性与这些理化性质存在极显著或显著相关关系；除总孔隙度和0.005~0.001 mm的颗粒含量外，其余理化性质与蛋白酶活性极显著相关，与土壤细菌数量存在极显著或显著的相关关系；土壤放线菌数量与土壤密度极显著负相关，与土壤有机质含量极显著正相关，与毛管持水量显著相关；酸性磷酸酶活性与毛管持水量和总孔隙度极显著相关，与土壤最大持水量和土壤密度显著相关。这表明土壤物理性质对土壤生物活性有显著影响，从而也证明前文有关土壤生物因子强化土壤渗透性结论的正确性。

2.4 土壤入渗主导因子方程

根据土壤渗透性与土壤理化性质和土壤生物活性的相关分析结果，选择了与土壤渗透性指标均极显著或显著相关的因子：土壤最大持水量(B₁)、毛管持水量(B₂)、密度(B₃)、总孔隙度(B₄)、非毛管孔隙度(B₅)、0.005~0.001土壤颗粒含量(B₆)、土壤有机质含量(B₇)、细菌含量(B₈)、放线菌(B₉)、蛋白酶活性(B₁₀)和脲酶活性(B₁₁)，分别对其进行主分量分析(表 8)，结果表明，土壤理化性质和土壤生物活性的第一主分量方差贡献率分别为71.85%，且土壤理化及生物因子在第一主分量上的负荷量均在0.718 5以上，其中土壤最大持水量在第一组分量的负荷量最大，达0.958 7，其次为土壤密度(0.948 4)，土壤有机质含量的负荷量最小，但也高达0.718 5，表明与土壤渗透性极显著相关的土壤理化及生物活性因子的第一主分量表达了其绝大多数信息，其方程为β=2.119 5B₁+ 1.404 0B₂-0.298 0B₃+ 1.150 1B₄+ 0.664 2B₅+ 0.454 5B₆+ 2.705 3B₇+ 3.117 5B₈+ 0.132 8B₉+0.005 1B₁₀+ 0.172 1B₁₁(B_i表示各指标标准化数据)。

因此，结合前文土壤渗透性主分量分析结果，α₁和β₁分别解释为土壤渗透性、土壤理化性质和生物活性综合量度的主分量，可定义P为土壤渗透性综合参数，β为土壤理化性质和土壤生物活性综合参数，以最初入渗速率(Y₁)、稳渗速率(Y₂)、平均渗透速率(Y₃)和前60 min总渗透总量(Y₄)和渗透性综合参数P为因变量，以土壤理化性质和土壤生物活性综合参数(β)为自变量进行回归分析，得到回归方程：Y₁=4.664 0 + 0.815 8β (R²=0.690 2，p=0.000 1)；Y₂=2.502 0 + 0.462 8β(R²=668 1，p=0.000 2)；Y₃=3.053 3 + 0.546 3β(R²=0.666 7，p=0.000 2)；Y₄=177.439 9 + 31.772 3β(R²=0.681 4，p=0.000 1)；P=-6.9E-06 + 0.585 1β(R²=0.827 5，p=0.000 1)，均达极显著水平。

3 结论与讨论

1) 各林地土壤渗透性能随土壤深度的增加而减弱，而不同林分的土壤渗透性存在很大差异，呈现随林分杉木比例增加而减小，随阔叶树比例增大而增强的趋势，毛竹纯林土壤渗透性指标最低。虽竹阔混交林土壤渗透性(1.438 2)劣于常绿阔叶林(1.732 6)，但其土壤渗透性能显著优于其他竹林和杉木人工林(-0.892 5)。常绿阔叶林因土壤有机质丰富，土壤生物活性强，土壤渗透性能佳，而毛竹纯林人为干扰大，土壤较紧实，土壤结构较差，土壤通透性不佳，渗透性能差。

2) 土壤入渗过程模拟结果表明：通用经验方程拟合效果最好，Horton方程拟合效果次之，Kostiakov方程拟合效果最差，且当Kostiakov方程拟合效果最优时，与Horton方程拟合优度与其几乎相等，表明Kostiakov方程模拟该地区土壤水分入渗过程并非最佳。

3) 影响土壤渗透性的因素众多，以往主要研究土壤理化性质、地形、地上生物量和根系等对土壤渗透性的影响，本文首次研究土壤生物活性对土壤渗透性有显著的影响，并发现土壤生物活性显著影响着土壤渗透性能，其实质是森林改善了土壤理化性质和土壤微环境，提高了有机质含量，增强了土壤生物活性，生物活性的增强又促进土壤的风化和养分循环，进而影响土壤的渗透性能。这也是常绿阔叶林土壤渗透性显著高于其他林分类型的重要原因。此外，众多研究表明植物根系显著影响土壤渗透性，而本文研究却发现，所有竹林不同土壤层次中根系指标都高于其他林分，而其渗透性能并非最好，相关分析发现竹林根系与土壤渗透性的相关不显著(鉴于此，本文未对根系与土壤渗透性影响进行探讨)，其原因可能是由于竹类植物的生物学特性独特，竹林根系影响其土壤渗透性的机理可能与其他植被不同，对此，还有待于进一步深入研究。

4) 在以往的研究中，大多研究林地表层土或0~60 cm土层土壤平均初渗率或平均稳渗率或平均渗透速率，之后通过方差分析比较不同林分各指标的差异，这种研究和评价林地土壤渗透性能的方法不够全面。如在一次长历时降水中，用表层土壤初渗率或稳渗率或平均入渗率就不能真实反映土壤渗透性能与地表径流的关系，此时用下层土土壤渗透性能来评价林地土壤渗透性能更准确。因此，采用分层次多指标法来比较不同林分类型土壤渗透性能十分必要。经主分量分析，得到表征土壤渗透性能综合参数(P=1.465 7Y₁+0.850 5Y₂+1.012 4Y₃+ 58.305 0Y₄)和表征极显著影响土壤渗透性主要因子的综合参数(β=β₁＝2.119 5B₁+1.404 0B₂-0.298 0B₃+1.150 1B₄+0.664 2B₅+0.454 5B₆+2.705 3B₇+3.117 5B₈+0.132 8B₉+0.005 1B₁₀+0.172 1B₁₁)，并构建了土壤初渗速率(Y₁)、稳渗速率(Y₂)、平均速率(Y₃)、渗透总量(Y₄)和渗透性能综合参数P与与土壤渗透性极显著相关因子的综合参数β的回归模型：Y₁=4.664 0 + 0.815 8β(R²=0.690 2，p=0.000 1)；Y₂=2.502 0+0.462 8β(R²=0.668 1，p=0.000 2)；Y₃=3.053 3+0.546 3β(R²=0.666 7，p=0.000 2)；Y₄=177.439 9 + 31.772 3β(R²=0.681 4，p=0.000 1)；P=-6.9E-06 + 0.585 1β(R²=0.827 5，p=0.000 1)。