植被水文生态功能可通过土壤贮水量和入渗性能来表征，多年来一直是研究的热点(雷孝章等，2005；Fedotov et al., 2003；Sharma et al., 1998)。土壤贮水量作为评价植被水源涵养功能的重要指标和水文参数，其大小与土壤厚度、土壤孔隙状况密切相关(刘霞等，2004)。水分渗入土壤的过程是一个复杂的水文过程，它与地表径流、表土结构、土壤密度、土壤持水量及植被特征等多种因素有关，是评价植被层水分调节能力的重要内容(韩冰等，2004)。研究不同植被覆盖下的土壤贮水量及水分入渗规律是探讨森林流域产流机制的基础和前提，对于研究不同植被类型水文过程的调节机制具有重要意义。

有关土壤入渗与贮水特征的研究已有大量报道(刘霞等，2004；王国梁等，2003；许秀丽等，2005；Startsev et al., 2000；Zwieniecki et al., 1996)，但研究对象大多局限于某一林分或几种林分入渗速率的比较(雷孝章等，2005；余新晓等，2003)，研究内容多集中于土壤入渗的时间变化过程、空间变异及其模拟(王玉杰等，2006；袁建平等，2001；周择福等，1997)，缺乏土壤入渗影响因子的系统性和深入性研究。

本文以湘西北女儿寨小流域为研究对象，在对流域内7种典型植被恢复群落土壤贮水量进行研究的基础上，采用双环入渗试验法对不同植被群落不同坡位的土壤水分入渗过程进行模拟，分析不同植被群落土壤入渗的变化规律及其主导影响因子，建立土壤水分入渗率主导因子方程，以期为深入研究山丘侵蚀区植被恢复与重建对土壤贮水量和入渗规律的影响、植被水土保持效益评价和适宜恢复模式的选择提供依据。

1 研究区概况

研究区位于湖南省张家界市慈利县城关镇两溪村女儿寨小流域(29°30′ N，110°10′ E)。母岩以板页岩、砂岩为主，土壤主要为山地黄壤。光热充足，雨量充沛，无霜期长，严寒期短，四季分明，年均日照1 440 h，年均气温16 ℃，年均降水量1 400 mm，平均无霜期216~269 d，属中亚热带山原型季风性湿润气候。流域封闭相对良好，面积2.81 km²，沟口海拔210 m，最高峰海拔917.4 m。流域内坡度陡，土层薄，雨量大，土层抗侵蚀年限短，水土流失严重，1993年开始实施人工造林和封山育林相结合的植被恢复与重建，形成的典型植物群落类型主要有马尾松(Pinus massoniana)天然林、杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林、杜仲(Eucommia ulmoides)人工林、油桐(Vernicia fordii)人工林、润楠(Machilus pingii)次生林和毛竹(Phyllostachys edulis)杉木混交林6种森林群落及荒草灌丛等。

2 研究方法 2.1 样地设置与外业调查

对流域内6种森林群落各设置样地3个，荒草灌丛群落样地2个(作为对照)，样地面积600 m²。每个样地中按对角线等距离设置9个小样方(2 m×2 m)进行灌木层的调查，9个小样方(1 m×1 m)进行草本层的调查，共计调查样地20个，灌木层小样方180个，草本层小样方180个。在样地内全面开展地质、地貌、土壤、植被的调查：1)立地因子调查，包括各植被类型所处海拔、坡度、坡位、坡向等；2)植物群落特征调查，分层测定乔木层、灌木层和草本层生物量，实测群落分层盖度、林分郁闭度、林木胸径、树高、冠幅和枝下高，统计植物种类、株(丛)数、植株高度、盖度等；3)土壤因子调查，每个样地挖土壤剖面1个，剖面规格为1.0 m(宽)×1.5 m(长)，深至母质，详细记录剖面信息，环刀分层(0~20 cm，20~40 cm)采集原状土，测定土壤孔隙状况(非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度)、土壤密度、团聚体含量、最大持水量、最小持水量、毛管持水量等土壤水分物理性质，同时取土样1 kg左右，供室内分析测定用；4)土壤水分入渗测定，在保持原有植被条件下，采用双环入渗法，外环直径28 cm，内环直径9 cm，环高30 cm，测定时双环垂直打入土中15 cm，环内土壤表层保持4~5 cm水层，始终保持内外环水面齐平，以防侧渗，不断补充渗入的水量并记时，记时间隔点为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、10.0、15.0、20.0 min、……，试验至稳渗(单位时间入渗水量相等)为止，重复3次。外业调查于2005年9月21日至9月30日进行。

2.2 土壤贮水量计算

在一定土壤厚度条件下，土壤贮水量取决于土壤孔隙大小及数量。根据土壤剖面信息，各植被恢复群落的土层厚度为40~60 cm，为便于比较，仅计算40 cm土层贮水量。土壤贮水方式可分为毛管孔隙的吸持贮存和非毛管孔隙的滞留贮存2种，二者所持水量之和即为土壤饱和贮水量(Sampson et al., 1999)。公式为

式中W_c、W_n和W_t分别为土壤水分最大吸持贮水量(mm)、最大滞留贮水量(mm)和饱和贮水量(mm)；P_c、P_n分别为毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)；h为计算土层深度(m)。

2.3 土壤水分入渗模型的选择

有关土壤水分入渗的数学模型有许多种，包括理论模型、经验模型以及半理论半经验模型，其适用条件各异，如Green-Ampt方程、Philip方程、Kostiakov经验公式、Horton公式和Smith入渗方程等(赵西宁等，2004；Murray et al., 2005)。按女儿寨小流域不同植被恢复群落的具体特点，从中选出3个概念较为明确可靠又常用的土壤水分入渗模型：1)考氏(Kostiakov)公式：f(t)=at^-n。f(t)为入渗速率；t为入渗时间；a、n为拟合参数。2)霍顿(Horton)公式：f(t)=f_c+(f₀-f_c)e^-kt。f(t)为入渗速率；t为入渗时间；f₀和f_c分别为初渗率和稳渗率；k为经验参数。3)通用经验公式：f(t)=a+bt^-n。f(t)为入渗速率；t为入渗时间；a、b为经验参数；n为拟合参数。

2.4 数据统计分析

土壤水分入渗模型的拟合：根据60组土壤双环入渗试验数据对3个入渗模型进行回归拟合，其中Kostiakov方程及Horton方程化为线性方程后，采用最小二乘法在SPSS软件上求解，通用经验公式为非线性方程，采用单纯形法在Forstat软件上求解。

主成分分析：为确定主成分，先将坡位和坡向2个定性因子定量化，即坡位为上坡、中坡、下坡时，分别取值1、2、3；坡向为阳坡、半阴半阳坡、阴坡时，分别取值1、2、3，采用标准差法进行数据标准化，用SPSS统计分析软件，根据最小特征根大于1、累积方差贡献率大于85%的原则确定入选主成分。

双重筛选逐步回归分析：采用DPS软件处理，变量入选临界值(F_x ＝1.83，F_y＝2.11)为系统默认值。

3 结果与分析 3.1 不同植被恢复群落土壤贮水量

由图 1可以看出，不同植被群落之间土壤贮水量差异明显，6种森林植被类型的土壤贮水总体能力均高于荒草灌丛，饱和贮水量由高到低分别为润楠次生林(140.24 mm)、马尾松天然林(134.96 mm)、杉木人工林(120.54 mm)、毛竹杉木混交林(112.74 mm)、杜仲人工林(102.96 mm)和油桐人工林(100.42 mm)，分别比荒草灌丛群落类型高75.04%、68.45%、50.45%、40.71%、28.51%和25.34%。

森林植被土壤最大吸持贮水量均高于荒草灌丛，其高低顺序表现出与土壤饱和贮水量基本一致的变化规律，润楠次生林、马尾松天然林、杉木人工林、毛竹杉木混交林、杜仲人工林和油桐人工林的吸持贮水量分别比荒草灌丛群落类型高135.87%、100.00%、73.42%、66.25%、51.80%和61.97%。

土壤最大滞留贮水量表现为马尾松天然林(35.06 mm)＞杉木人工林(33.90 mm)＞荒草灌丛(30.16 mm)＞毛竹杉木混交林(29.68 mm)＞杜仲人工林(27.16 mm)＞润楠次生林(22.40 mm)＞油桐人工林(21.68 mm)，表明马尾松天然林与杉木人工林对土壤水分滞留贮存的改善作用较好，分别比荒草灌丛高16.25%和12.40%，而其余4种森林恢复类型土壤滞留贮存能力较差。

3.2 不同植被恢复群落土壤入渗过程模拟

3种土壤入渗模型回归拟合结果见表 1。经F检验，不同坡位不同群落土壤水分入渗3个估测模型的相关程度均达到极显著水平，但模型的拟合精度存在差异。其中，拟合精度以通用经验方程最高，Horton方程拟合效果最差，Kostiakov方程介于两者之间。Kostiakov方程拟合的相关系数为0.825 2~0.981 8，平均相关系数为0.901 7，其中1/2在0.9以上。Horton方程拟合相关系数为0.641 9~0.957 6，其中1/3在0.8以下，平均相关系数为0.832 0。通用经验方程拟合相关系数为0.866 2~0.995 9，3/4在0.9以上，平均相关系数为0.947 8。20个土壤水分入渗最优模型中，通用经验方程13个，Kostiakov方程5个，Horton方程仅2个，且当Horton方程为最优模型时，3个模型之间的相关系数相差不大，拟合精度比较接近，这反映了Horton方程基本不适于该流域土壤水分入渗过程的模拟。

3.3 不同植被恢复群落土壤入渗率的变化规律

由图 2及表 2可知：除杉木人工林群落外，3个土壤入渗特征值大小在不同植被群落之间表现出初渗率＞平均入渗率＞稳渗率的规律，且土壤初渗率、稳渗率及平均入渗率在不同植被群落类型之间变化较大。土壤初渗率以毛竹杉木混交林(17.10 mm·min^-1)最高，油桐人工林(4.93 mm·min^-1)最低，前者是后者的3.47倍，杉木人工林(14.34 mm·min^-1)、杜仲人工林(14.28 mm·min^-1)、荒草灌丛(11.45 mm·min^-1)、马尾松天然林(10.17 mm·min^-1)以及润楠次生林(8.77 mm·min^-1)则介于二者之间。

土壤稳渗率以杉木人工林(11.51 mm·min^-1)最高，其次为马尾松天然林(3.91 mm·min^-1)、毛竹杉木混交林(3.80 mm·min^-1)、杜仲人工林(3.31 mm·min^-1)和润楠次生林(2.24 mm·min^-1)，荒草灌丛与油桐人工林最小，分别为0.88和0.52 mm·min^-1。

土壤平均入渗率大小排序为：毛竹杉木混交林(7.42mm·min^-1)＞杉木人工林(7.33 mm·min^-1)＞杜仲人工林(5.73 mm·min^-1)＞马尾松天然林(4.85 mm·min^-1)＞荒草灌丛(4.29 mm·min^-1)＞润楠次生林(3.20mm·min^-1)＞油桐人工林(1.23 mm·min^-1)。

从表 2可以看出，不同植被恢复群落的土壤入渗性能在不同坡位条件下呈现不同的变化规律。杜仲人工林土壤入渗率表现为上坡＞中坡＞下坡，而马尾松天然林、润楠次生林及荒草灌丛群落则以下坡入渗率最高，上坡最低；杉木人工林和毛竹杉木混交林则以上坡最高，中坡最低；油桐人工林以中坡最高，上坡最低。

3.4 土壤入渗影响因子主成分分析

土壤入渗能力大小与植被、土壤以及地形等多种因素有关，从中筛选出的主导影响因子对于掌握土壤入渗规律、调控土壤入渗性能具有重要意义。女儿寨小流域不同植被类型土壤入渗主要影响因子共19个(表 2)，包括海拔(x₁)、坡度(x₂)、坡位(x₃)及坡向(x₄)4个微地形因子，林分郁闭度(x₅)、林分平均树高(x₆)、林分平均胸径(x₇)、群落乔层盖度(x₈)、灌层盖度(x₉)、草层盖度(x₁₀)、群落地上生物量(x₁₁)、地下生物量(x₁₂)等8个植被特征因子和土壤密度(x₁₃)、土壤最大持水量(x₁₄)、最小持水量(x₁₅)、毛管持水量(x₁₆)、非毛管孔隙度(x₁₇)、毛管孔隙度(x₁₈)、总孔隙度(x₁₉)等7个土壤物理结构及水分因子。经主成分分析求得各主成分特征向量、特征根、方差贡献率及方差累积贡献率，结果见表 3。

5个主成分的特征根分别为6.993、4.875、2.186、1.602和1.018，贡献率分别为36.80%、25.66%、11.51%、8.43%和5.36%，其累积贡献率为87.76%，因此，可以用这5个成分来代替19个原始因子，其提取结果比较理想。第1主成分中，最大持水量、最小持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度的系数较大，是对第1主成分影响较大的特征向量，可以综合为土壤持水量-孔隙状况因子；第2主成分中，郁闭度、平均树高、乔层盖度的系数较大，综合为林分结构因子；第3主成分中，地上生物量、地下生物量、平均胸径、灌层盖度、坡度所占比重较大，由于平均胸径、灌层盖度与群落生物量有关，故可以命名为生物量-坡度因子；第4主成分中，海拔、非毛管孔隙度是主要决定因子，可以命名为海拔-非毛管孔隙状况因子；第5成分中，坡位占最大比重，可以命名为坡位因子。

主成分分析结果表明：女儿寨小流域不同植被恢复类型土壤水分入渗性能与土壤持水量、土壤孔隙状况密切相关，并在很大程度上受到林分结构、植物群落生物量及坡度的影响；海拔及坡位因子也是其重要影响因子；而坡向、草层盖度、土壤密度等因子对土壤入渗性能的影响则较小。

3.5 土壤水分入渗率主导因子方程

在土壤水分入渗过程的不同阶段，主导影响因子也存在差异。在主成分分析剔除坡向(x₄)、草层盖度(x₁₀)、土壤密度(x₁₃)3个因子的基础上，以其余16个因子作为自变量，以土壤水分初渗率(y₁)、稳渗率(y₂)及平均入渗率(y₃)为因变量，进行双重筛选逐步回归分析，得到土壤水分初渗率、稳渗率及平均入渗率的主导因子方程：y₁＝0.015 9－0.182 7x₅－0.311 8x₈+0.184 1x₁₆+4.631 1x₁₇－4.212 5x₁₉，相关系数R为0.976 9，剩余标准差S为0.250 6，p值为0.000 1；y₂＝0.002 7+0.045 7x₃+0.289 6x₆+0.150 1x₇－7.312 1x₈－0.156 9x₉－0.137 3x₁₁+7.073 3x₁₂+0.219 7x₁₄+0.305 2x₁₆+1.380 9x₁₈－0.596 8x₁₉，相关系数R为0.998 5，剩余标准差S为0.083 5，p值为0.000 1；y₃＝0.006 1－0.145 3x₅－0.384 4x₈+0.304 3x₁₆+0.795 7x₁₇+0.030 9x₁₉，相关系数R为0.977 1，剩余标准差S为0.247 8，p值为0.000 1。

4 结论

森林植被类型的土壤饱和贮水量与最大吸持贮水量均高于荒草灌丛群落，可见森林植被对于改善土壤结构、提高土壤吸持水分含量、发挥森林保水功能具有重要作用。土壤最大滞留贮水量仅马尾松天然林与杉木人工林高于荒草灌丛，其余4种森林类型土壤滞留贮存能力较差，这可能与群落结构、年龄以及所处立地条件、海拔、坡度等因子有关，可通过结构调整，并辅之以水土保持工程措施来进一步提高其水源涵养功能。

土壤入渗过程的模拟结果表明：Horton方程拟合效果最差，通用经验方程拟合效果最好。对于Kostiakov方程而言，起始时的入渗速率趋于无穷大，但当时间无限增大时，入渗速率将趋于0。从土壤水分动力学角度出发，对于水平入渗，由于没有重力势的作用，随着入渗时间t的延长，水流运动的动力势梯度渐减为0，其最终入渗速率有可能为0，但在垂直入渗的情况下，最终入渗速率在重力势的作用下不可能为0。通用经验方程增加了常数项a，正是对Kostiakov方程在垂直入渗的情况下的修正，反映了时间t无限长时在重力作用下达到了稳定入渗(韩冰等，2004)。从拟合的稳渗率参数看，通用经验方程的a值与f_c值非常接近，表明通用经验方程比较适合于模拟女儿寨小流域不同植被恢复群落的土壤水分入渗过程。

毛竹杉木混交林、杉木人工林和杜仲人工林的土壤初渗率、稳渗率及平均入渗率均高于荒草灌丛群落，表明这3种群落对土壤入渗性能的改善作用较好，而油桐人工林较差，土壤入渗率低于荒草灌丛群落，应加强林分抚育与经营管理，使之获得改善和提高。坡位对土壤入渗率的影响具有不确定性，反映土壤入渗是一个受诸多因素影响、非常复杂的水文生态过程。杜仲人工林土壤入渗率表现为上坡＞中坡＞下坡，这与黄土丘陵区人工油松林地土壤入渗率研究结果一致(韩冰等，2004)；但马尾松天然林、润楠次生林及荒草灌丛群落表现出与之相反的规律，以下坡入渗率最高，上坡最低；杉木人工林和毛竹杉木混交林则以上坡最高，中坡最低；油桐人工林以中坡最高，上坡最低。

土壤入渗影响因子主成分分析结果表明：土壤水分入渗性能与土壤持水量、土壤孔隙状况密切相关，并受林分结构、群落生物量、海拔、坡度及坡位因子的制约，而坡向、草层盖度、土壤密度等因子对土壤入渗性能的作用较小，这些因子对土壤入渗过程的影响机制还有待进一步研究。

通过双重筛选逐步回归分析，建立了土壤初渗率、稳渗率、平均入渗率的主导因子方程。入渗率主导因子方程表明，初渗率及平均入渗率受相同自变量集的影响，主导影响因子有林分郁闭度、群落乔木层盖度、土壤毛管持水量、非毛管孔隙度以及总孔隙度；而土壤入渗达到稳定状态则受较多因素的影响，这些因素包括坡位、林分平均树高、林分平均胸径、群落乔木层盖度、灌木层盖度、群落生物量、土壤最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度及总孔隙度。其中，乔木层盖度、土壤毛管持水量以及总孔隙度是2组方程的共同影响因子，亦即表明这3个因子影响着土壤水分入渗的全过程。