土壤入渗是降水、地表水、土壤水、地下水、植物水相互转化过程中的一个重要环节(蒋定生，1997)。坡地是径流形成和植被发挥水文作用的重要场所，坡地入渗一直是土壤学、水文学、生态学等众多领域共同关注的热点。研究坡地土壤入渗对深入探讨坡面和小流域尺度的水分转换具有重要意义。

土壤入渗研究方法很多，主要有利用坡地自然降雨径流实测资料反推入渗、野外现场或室内回填土模拟降雨入渗、双环法和大环刀法等。利用降雨径流资料反推法受当地气候条件限制；模拟降雨试验(杨永辉等，2006)多为定点试验，受野外地形条件、仪器移动不便、耗水量大等限制，且降雨强度的变化幅度有限；双环法相对简单，但只能在野外地势平缓处测定，并对土壤结构有一定干扰，测定结果为有压入渗，不能真实反映自然入渗特性(袁建平，2000)；大环刀法取点面积太小且只能分层测定土壤渗透，难以真实反映自然状态土壤的渗透特性。本研究采用人工供水-产流方法，利用水量平衡原理由供水强度和产流强度的过程记录反推土壤稳渗速率，此方法不破坏土壤结构，耗水少，操作简单，设备携带相对方便，可以在保持土壤不受扰动的同时，克服模拟降雨测定法的设备和雨强限制、自然降雨径流实测资料难以取得等弱点。为了分析植被类型对土壤入渗特性的影响，本研究在宁夏固原叠叠沟小流域测定了4种典型植被下的土壤稳渗速率，在分析稳渗速率与各影响因素(Beate et al., 2002；Gomez-Plaza et al., 2001；Chen et al., 2007)数量关系的基础上找出主导因子，以便为进一步深入了解植被、土壤、地形等因素的空间异质性对坡面水文过程的影响和准确模拟坡面生态水文过程提供依据和参考。

1 试验区概况

试验区设在宁夏回族自治区固原市(106°09′—106°30′ E，35°15′—35°41′ N)的叠叠沟小流域，面积25.4km²，海拔1 975~2 615 m。属温带大陆性气候，年均气温5.8 ℃，全年无霜期130天左右，年降水量(432±87.2) mm，降水主要集中在夏秋季，多年平均潜在蒸发量1 420 mm(郭明春，2005；管伟，2007)。

叠叠沟小流域呈南北走向，流域形状系数1.58。根据地形特点可将小流域分成上、中和下3段，面积分别为7.2，11.3和6.9 km²。上段地形较缓，坡度主要在20°以内，土壤类型主要为黄绵土，并有相当比例的耕作土壤，耕作土壤主要分布在具深厚黄土或坡积土的缓坡部位；中、下段较陡，坡度主要分布在10~35°和20~40°范围内，土壤类型主要为灰褐土，土地利用类型以草地、灌丛和人工林为主。

小流域处于森林草原过渡区，流域内草地面积最大，占总面积的58.7%，各种地形均有分布，其他植被镶嵌其中。由于人为干扰，在小流域阳坡主要生长有本氏针茅(Stipa bungeana)和白羊草(Bothriochloa ischaemum)群落；阴坡草地以细叶苔草(Carex stenophylla)和铁杆蒿(Artemisia sacrorum)为优势种，草地中镶嵌分布着岛状虎榛子(Ostryopsis davidiana)灌丛和沙棘(Hippophae ramnoides)灌丛成岛状分布，还点缀着绣线菊(Spiraea sp.)、灰栒子(Cotoneaster acutifolia)、黄蔷薇(Rosa hugonis)和二色胡枝子(Lespedeza bicolor)等灌丛；主要林分类型为华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林。

2 研究方法

在小流域内选取典型植被样地27个，包括草地12个、虎榛子灌丛3个、沙棘灌丛6个、华北落叶松林地6个，样地面积为100 cm×150 cm，样地概况见表 1。

2.1 试验设计

在样地内用4块高30 cm的钢板，水平隔成3块长100 cm、宽50 cm的径流小区，取两侧小区为缓冲区，中间小区为试验区，用铁锤将钢板打入土壤20 cm深处，在每个小区上端设一出水槽，出水槽上方设稳压水槽并与供水水桶连接，确保小区内形成稳压恒定水流。在径流小区下端加装集水槽板。如图 1所示。

2.2 测定方法

打开控水阀门，用量筒率定进水管出水流量，直到达到稳定的设定流量(本试验所有样地进流量均设为60 mL·s^-1)。

水流以漫流的形式流进径流小区，在小区下端集水槽处用量筒量测出流量，待集水槽内出流量稳定时(至少5次相差不超过2%时即视为稳定)即为达到土壤稳渗速率，记录此时出水流量。试验结束后，测定样地的海拔、坡度、坡向、坡位、地表糙度和植被状况。地表糙度(吴发启等，1998)指地表在比降梯度最大方向上凸凹不平的形态或起伏状况。植被状况包括植被覆盖度、地上生物量和枯落物量。另外，采用环刀法测定各样地0~5 cm土层的土壤物理性质。

2.3 稳渗速率计算公式

土壤稳渗速率的计算公式为：

(1)

式中：f_c为土壤稳渗速率(mm·min^-1)；A为小区面积(5 000cm²)；Q_e为小区上端进流量(mL·s^-1)；Q_o为小区下端出流量(mL·s^-1)。

2.4 数据统计与处理方法

土壤入渗速率的统计分析在EXCEL软件下完成，土壤稳渗速率与各影响因素的相关性分析和回归分析在SPSS软件上完成。

为了对各影响因素进行相关性分析和回归分析，首先要对各因素(坡向、坡度和坡位)进行数量化处理。本研究基于北坡水分条件最好和南坡水分条件最差的事实，在进行相关分析时，坡向赋值采用以正北为0°，正南为180°，顺时针或逆时针旋转偏离正北方向的坡向角度(变化在0~180°)数值的余弦值。坡度采用各点坡度角度的正弦值。坡位采用各点距离坡脚的相对高度(高差)替代。

3 结果与分析 3.1 不同植被类型下的土壤稳渗速率

从表 2可知，不同植被类型下的土壤稳渗速率平均值表现为：天然草地＞虎榛子灌丛＞沙棘灌丛＞华北落叶松林地。这表明华北落叶松林地土壤入渗特性最差，主要是由于人工林林下植被较少，虽有大量枯落物存在，但组分单一加上针叶本身较难分解，导致土壤表层特性的改善不如其他植被。

在所选样地的土壤稳渗速率最大值中，坡度15~20°的沙棘灌丛最高，20~25°的沙棘灌丛最低；在所选样地的土壤稳渗速率最小值中，坡度15~20°的沙棘灌丛最大，20~25°的沙棘灌丛最小。坡度30~35°的几组样地的土壤稳渗速率最大值表现为：虎榛子灌丛＞天然草地＞沙棘灌丛，最小值表现为：天然草地＞虎榛子灌丛＞沙棘灌丛，平均值表现为：天然草地＞虎榛子灌丛＞沙棘灌丛。坡度在20°以下的样地的土壤稳渗速率的最大、最小和平均值均表现为沙棘灌丛大于华北落叶松林地。

3.2 不同坡向草地的土壤稳渗速率

由表 3可知：不同坡向草地的土壤稳渗速率的平均值表现为阴坡＞半阴坡＞半阳坡。这主要是由于随着坡向从阴坡转向阳坡，光热条件增强，土壤水分条件变差，进而导致植被生长变差和改良土壤作用变弱。

3.3 不同坡位植被的土壤稳渗速率

在有限数量的调查样地里，仅有草地样地在上、中、下3个坡位均有分布。不同坡位草地的土壤稳渗速率平均值表现为中坡位>下坡位>上坡位，草地稳渗速率的坡位顺序和其生物量顺序是一致的，说明土壤入渗特性受到植被生长情况的影响很大。2个不同坡位华北落叶松林的土壤稳渗速率平均值表现为中坡位＞下坡位。随着坡位下降，植被覆盖度虽然逐渐增加，但以前放牧割草等人为干扰强度逐渐增加，土壤密度增大，进而导致下坡位的土壤入渗特性较差。

在上坡位，虎榛子灌丛的土壤稳渗速率平均值要大于草地；在中坡位，草地土壤稳渗速率大于华北落叶松林；在下坡位，不同植被类型的土壤稳渗速率表现为草地＞沙棘灌丛＞华北落叶松林。以上顺序与土壤密度的顺序正好相反，可见，土壤密度大孔隙度小，则入渗特性差。它们的顺序仍然可以用生物量顺序进行很好地解释。

3.4 不同坡度的土壤稳渗速率

一般情况下，当坡面坡度a＜15°时称为缓坡，当15°≤a＜25°时称为中坡，当25°≤a≤45°时称为陡坡(周启鸣等，2006；仙巍等，2007)。由表 5可知，在3个坡度范围内，土壤稳渗速率平均值表现为中坡＞陡坡＞缓坡。

鉴于缓坡和中坡的样本数不足，所以将2个坡度范围合并为a＜25°一个坡度范围。在a＜25°范围内，土壤稳渗速率与坡度的正弦值之间呈正相关；但在25°≤a≤45°范围内，土壤稳渗速率与坡度的正弦值之间却呈负相关。这说明在a=25°附近有可能存在土壤稳渗速率的一个拐点。

坡面坡度的陡缓通过改变水体切应力来影响水流在坡面的停留时间和下渗作用力，当坡度超过临界坡度25°时，坡面产流为急流，随着坡度增加，水流速度增大，而入渗作用力却减小，因此当坡面坡度≥25°时，土壤稳渗速率随坡度增大而减小；在坡度＜25°时，坡度对水流速度和下渗作用力的影响不是太大，但随着坡度增大，人为扰动强度可能变弱，植被相对较好，因此土壤稳渗速率增加。

3.5 土壤稳渗速率影响因素分析

由以上分析可知，不同坡度范围内，坡度的正弦值与稳渗速率的关系趋势不同，因此以坡度25°为界，分段进行分析。

由表 6可知，在坡度＜25°条件下土壤稳渗速率与植被覆盖度、生物量和0~5 cm土层土壤总孔隙度呈显著正相关，相关系数分别为0.645，0.584和0.666。表明地表植被的总覆盖度和土壤孔隙度越大，土壤的稳渗速率越大。另外，相对高差越大说明地理位置越高，人为干扰的概率越小，土壤的稳渗速率就越大。土壤稳渗速率与坡向余弦值、0~5 cm土层土壤密度、0~5 cm土层土壤石砾体积含量呈显著负相关，相关系数分别为0.669，0.686和0.742，这表明土壤稳渗速率随土壤密度的增大而减小，表层土壤中石砾含量越大土壤稳渗速率越小。

进而对坡度＜25°时土壤稳渗速率的影响因素进行多元逐步回归分析，得到以下模型：

式中：X₁为坡向角度的余弦值；X₂为植被覆盖度(%)；X₃为生物量(g·m^-2)；X₄为0~5 cm土层土壤密度(g·cm^-3)；X₅为0~5 cm土层石砾体积含量(%)；X₆为0~5 cm土层总孔隙度(%)。

在坡度≥25°条件下的土壤稳渗速率与各因素的相关分析可以看出，稳渗速率与植被覆盖度、地表 0~5 cm土壤总孔隙度和0~5 cm毛管孔隙度呈正相关；与坡度正弦值、0~5 cm土层土壤密度、0~5 cm土层土壤石砾体积含量呈负相关。

进而对坡度≥25°时土壤稳渗速率的影响因素进行多元逐步回归分析，得到以下模型：

4 结论与讨论

本研究采用小区漫流法对坡地的土壤稳渗速率进行测定，测得流域内不同植被类型的土壤稳渗速率平均值分别为天然草地5.33 mm·min^-1，虎榛子灌丛5.13 mm·min^-1，沙棘灌丛4.29 mm·min^-1和华北落叶松林3.81 mm·min^-1，较杜阿朋(2006)在同一流域内大环刀法测定的0~100 cm土层的平均值天然草地1.28 mm·min^-1，虎榛子灌丛1.91 mm·min^-1，华北落叶松林0.97 mm·min^-1和沙棘灌丛0.72 mm·min^-1要大许多。大环刀法测定面积仅40 cm²，且只能分层测定，对土壤扰动较大；小区漫流法测定面积5 000 cm²，且在野外实地测定时未对小区土壤造成明显扰动。因此小区漫流法较大环刀法测定结果更可信。关于2种测定方法的定量比较和可信度检验，将在今后研究中进行更系统地分析。

不同坡向草地土壤稳渗速率的表现为阴坡＞半阴坡＞半阳坡，这表明在水分限制性的植被恢复区，坡向通过影响植被生长状况来影响土壤稳渗速率。另外，不同坡位土壤稳渗速率表现为中坡位＞下坡位＞上坡位，这与韩冰等(2004)在黄土丘陵区人工油松(Pinus tabulaeformis)林地以及漆良华等(2007)在湘西北女儿寨小流域杜仲(Eucommia ulmoides)人工林地的土壤入渗率研究结果不尽相同，这是因为沿坡面应该是自上往下植被越来好，但下坡位经常受到人为割草放牧影响，土壤变得紧实，因此导致下坡位土壤稳渗速率虽大于上坡却较中坡位小。

本研究中土壤稳渗速率最主要的影响因子是0~5 cm土层中的石砾体积含量，随着石砾体积含量的增大稳渗速率呈下降趋势，不同于时忠杰(2006)得出的土壤稳渗速率与0~10 cm土层石砾体积含量呈抛物线关系。因此，不同土壤层次中石砾的体积含量、直径大小、分布位置及排列方式等对土壤稳渗速率的影响需进一步研究。另外，石砾含量特别是表土层的石砾含量与坡度关系紧密。Simanton等(1994)得出石砾含量与坡度存着一种对数关系；Poesen(1998)采用4种回归曲线(直线函数、对数函数、幂函数、指数函数)分析了石砾含量与坡度的关系后认为可用直线、对数或指数来描述。但Thornes等(1996)认为，在干旱半干旱地区的石灰石、玄武岩、片岩和花岗岩山坡，石砾含量与坡度之间存在着多种函数关系。本研究试验区位于半干旱区的六盘山南段，土壤是粗骨土，由于石砾含量对土壤稳渗速率影响很大，由于石砾含量与坡度的复杂关系很可能导致土壤稳渗速率与坡度之间出现多种函数关系。本研究认为在坡度25°附近存在一个坡度拐点是一种试探，这需要对稳渗速率重要影响因子中石砾含量的空间变异特征进一步研究和验证。

影响土壤稳渗速率的因素很多，需要在做单个因素分析时要有足够的样本数量，所以在以后研究过程中需要增加样本和重复，使分析结果更加真实可信。