人文地理与城乡规划

　　土壤是由固体、液体和气体三相物质共同组成的多相分散体系且作为单独的自然体,一般依附在岩石表层,也是植物发育成熟的重要基础，是农业发展的主要条件,和周边环境位于彼此影响的状态,也在持续开展物质、能量、信息等转化、循环与互动,此外水、气与热量在土壤内始终在进行运动与转化,是人类的生产、生活密切相关，是人类赖以生存的基本资源[1]。

　　但是随着气候变化以及人类活动的加剧，水土流失成为我国面临的重大问题，水土流失破坏地表完整性，降低了地表土壤肥力，造成土地沙化，影响农业生产生活，加剧了自然灾害的发生，阻碍了经济的可持续发展[2]。水土流失的形成是多种因素综合作用的结果，每种因素在诱发水土流失的作用中所占比例不同。其中，土壤入渗性能大小与水土流失的形成和发展关系密切[3]。

　　所以本文将希拉穆仁草原天然草地当做分析主体，分析本地区普遍存在的多种群落结构下土壤渗透性能和入渗过程中下渗水分分布特征，以此探讨希拉穆仁草原不同植被群落土壤水分运移规律，为有效维持草地群落结构稳定，提升植被水分使用率，确保植物-土壤-大气系统水分顺利流通，确保生态均衡[4]，减少水土流失寻找合理的理论基础。

　　现在，分析方式不断出现，国内外对于土壤入渗的分析也开始增加，现在与之相关的研究多涉及土壤入渗速率以及水分下渗过程中优先流发育特征。就当前现状来看，有关土壤入渗水分分布路径大多从优先流特征及其影响因素方面对其进行评价。对水土保持程度产生的影响，取决于植物群落和地形地貌，更取决与土壤入渗的情况和水分分布状态。

　　1.2.1希拉穆仁草原土壤研究进展

　　希拉穆仁草原是比较明显的半干旱荒漠草原，到现在，大量专家都开始分析此草原内土壤粒度构成情况，主要使用地表与钻孔取样两个方式，研究该草原土壤粒度分布特点和环境作用，丁延龙[5]等分析该草原风蚀地表颗粒粒度特点，且通过马尔文Master Sizer3000激光衍射科技研究0~2cm表层土壤粒度构成，利用研究土壤的平均粒径、标准偏差、偏度、峰态和分形维数等相关参数特点，论述风蚀颗粒范围。多个群落下土壤水分的特点分析数不胜数，黄昕[6]等分析该草原退化评价和地表风蚀颗粒特点，参考植被盖度与生物量等有关重要标准对此草原开展土地退化诊断和具体使用评估，且将上述分析结果当做基础深入分析草原退化程度的地表土壤粗粒构成。王琴等[7]分析该草原近自然恢复时期植被土壤响应特点。

　　1.2.2土壤入渗研究进展

　　多年以来，众多国内外学者们对土壤入渗的模型和速率等方面进行探讨研究，并在一定的基础上取得了很大的进展。如张勇勇[8]的垄沟灌溉土壤水分入渗模拟研究是利用室内土槽仿照垄沟灌土壤水分入渗环节，主要使用HYDRUS-2D软件数值完成整个模拟的具体环节。利用定量评价研究土壤物理性质、耕作科技参数与灌水科技等条件对垄沟灌入渗时期的影响程度以及湿润体特征的相关分析，为田间试验和灌水技术优化管理提供理论支撑；张源沛[9]等利用定位观测方法研究荒漠化草原不同机械组成土壤水分的运移规律，受降雨影响，松砂土的保蓄水能力较弱，中壤土较强，年度内土壤贮水量的变化趋势基本相同；水源涵养服务管理是地区水资源科学发展与使用的关键部分，充分了解与认知此部分服务的生态学制度是生态系统水源涵养服务管理的重要基础，贾晓燕[4]主要使用野外调查和室内研究相融合的方式，对各类土地使用类型的林冠对大气降水的截留功能进行分析，通过灌草、凋落物、土壤的最高持水量的测定来分析不同利用类型的水源涵养服务特点；张宇[10]主要使用传统统计学与地统计研究相融合的方式，通过多种取样标准对荒漠草原开展土壤水分的空间异质性研究，便于明确分析此情况下取样的最佳尺度，在上述前提下对多种载畜率下此类草原土壤水分空间异质性开展深入分析；刘金涛[11]等利用入渗及染色示踪实验，开展了山坡土壤水分运动路径及运动过程的研究。

　　1.2.3土壤入滲与优先流测量研究进展

　　在最近几年对土壤入渗的研究过程中，优先流的测量方法值得我们去借鉴，在土壤大孔隙中快速运动的水分统称为优先流(preferential flow)[12],属于比较普遍的土壤水分运动方式,也是此部分分析从均质进入到非均质层面的转折点。牛健植[13]等综合介绍了目前国际上公认的土壤优先流定义、优先流多种表现形式及其重要特征,但由于优先流运动自身类型较多,开展优先流的研究加大了水文过程研究的难度,但国内外学者并没有放弃对于优先流的研究。Jarvis指出土地利用方式对优先流的影响仍存在很大的探讨空间[14]。

　　我国的学者也在积极地研究，例如田香姣[15]利用染色示踪法观察优先流的发生区域，采用PhotoshopCS4、Image pro Plus 6.0等软件进行图像处理，通过对优先流形态特征参数的计算，分析了2种土地利用方式下的优先流特征；张婧[16]对土壤入滲与优先流测量方法研究提出了环式入渗仪测量入渗率的优化算法与改进装置及定量区分土壤基质与优先流过程的方法；高超[17]通过野外测定、染色示踪试验，研究土壤孔隙、土壤结构、土壤有机质含量、根系特征、石砾质量及表面积等对土壤优先流的影响及作用机制；陈晓冰[18]等应用亮蓝染色示踪法和图像分析法，同时结合SPSS软件对比研究紫色砂岩区针阔混交林、竹林和草地3种不同植被类型下的土壤优先流特征及其影响因素；徐宗恒[19]主要使用染色示踪测试，分析土体内优先流的形态特点，利用送样与实地测试，研究和优先流形成与发展的现实因素，最终分析其具体形态特点与大孔隙分布特征两者的关系；何凡[20]等为研究降雨因子对优先流的影响采用自记流量计记录了优先流过程,同时对降雨过程进行测试，优先流过程中测定具体流量、历时、对降雨响应的滞后时间、峰值流量四部分；吴庆华[21]等选取不同深度的田间原状土样，在不同降雨强度下进行土壤优先流的室内物理模拟试验，并采用双渗透介质模型Hydrus-1D对优先流发育过程进行数值模拟，考虑了优先通道发育程度对此规律的影响，丰富了优先流理论；齐登红[22]等根据土壤的水力性质、气候等资料建立不存在优先流的数值模拟模型来刻画降水入渗补给过程,通过模拟获得的地下水入渗补给量与实测地下水入渗补给量的历时曲线,将大于模拟值的实测值视为优先流的量及确定其在总补给量中所占的比例。

　　希拉穆仁草原，地处内蒙古达尔罕茂明安联合旗（也就是达茂旗）南边，地理坐标是北纬N41°21′1.39″，东经E111°13′39.20″[6]。希拉穆仁镇总面积约720km²，占达茂旗总面积的4%。位居包头市达茂旗的东南部，是蜚声海内外的旅游避暑胜地。

　　希拉穆仁镇位于大青山北部、内蒙古高原核心区域的南边[23]。属于阴山山地向内蒙古的过渡区域，因此是低山丘陵种类，地形缓慢变化，地貌大部分是圆滑丘陵波状，一般海拔高度为1600m，坡度相对较大。

　　希拉穆仁镇大陆性气候特点相对明显，大陆度大概是72%左右，是中温带半干早大陆性季风气候，季风气候特征并不突出，位于国内季风地区的尾闽部分[23]，降雨量不多，年际与月际变动明显，雨期一般是70d。夏天雨量充足，每年降水少于300mm，年蒸发量超过200mm，常年平均降水量是279.4mm，雨量一般汇聚在八月份，2015年则是190.2mm，实际频率是92%；春季雨水少，温度变化较快，秋季，气温降低，雨量减少：冬季时间长；夏季时间短暂。秋冬季节变动相对明显，昼夜温度差异较大，温度最高是32℃，最低-31℃，一般气温20℃。年有效积温1985~2800℃d；年均日照时间3200h；无霜期大概是83d；冬春主要是北风与西北风，年均风速4.5m/s，年大风时间是63d。沙尘暴时间是23d[24]。

　　希拉穆仁镇地带性土壤主要是粟钙土，质地相对粗劣，大部分是轻质地[25]。土层厚度通常是三十五厘米左右，此后钙积层通常是厚四十厘米左右。分析地区是比较明显的荒漠草原，境内少数区域，植被较少，景观相对萧条，以蒙古韭、银灰旋花、克氏针茅、羊草、洽草、短花针茅等多年生旱生草本等为建群种的希拉穆仁草原为分析主体，主要地理方位与植被种类具备明显的典型性。

　　（1）希拉穆仁草原多种群落下渗水分垂直分布规律

　　通过对不同的群落进行野外染色示踪实验，分析不同群落土壤垂直剖面上下渗水分分布规律。

　　（2）不同群落下渗水分湿润面积及湿润锋深度变化规律

　　分析不同群落染色水分下渗过程中，染色面积比随土层深度变化规律，比较不同群落土壤入渗中湿润锋深度变化特征。

　　（3）土壤入渗水分分布与入渗速率的关系

　　3.2.1样地选择

　　实验地位于水利部牧科所从2002年开始围封的围封区，至2017年已围封15年，围封面积达到133hm2在围封地区内，依照东西方向分布四条样线，其中间隔一百米，样线总长是六百米，研究区内地形平缓，排除了放牧和旅游等人为干扰，查看且记载周边植被特点，在所有样线上参考植物群落结构和主要优势种变动情况设定6到12个1m×1m样方，测试样方内所有植物高度、盖度、多度等相关重要指标。统计样方内全部植物重要值，使用TWINSPAN双向指示种研究法对围封区内草地群落类型进行划分。

　　用以下公式计算群落内草本植物重要值[26]：

　　Pi=(Hr+Dr+Br)/3（6）

　　其中：Pi是重要值，相对高度（Hr）=（某物种高度/样方内全部物种的高度总和）×100%；相对密度（Dr）=（某物种株数/样方内全部物种的株数总和）×100%；相对生物量（Br）=（某一物种的生物量/样方内所有物种的生物量之和）×100%。

　　TWINSPAN研究表示双向指示种研究（Two-way indicator species analysis），主要从指示种研究延伸而来，和指示种研究只提供样方分类方案来说，双指示种研究能全面进行样方与种类分类（张金屯，2011），上述具体分类过程主要利用Win TWINS Version 2.3软件进行[27]。

　　3.2.2野外染色示踪实验

　　为测量野外实地情况下不同群落类型土壤内部优先流路径特征，研究采用野外实地染色剂示踪实验。在已选取的不同土地利用类型的研究区样地内，将亮蓝当做示踪剂，开展染色测试。第一，在确定的样地中，把其划分成三个20cm×20cm的子测试点作为重复，剪除地表植物层和枯落物，且尽量不扰动土体，再将1个长、宽、高依次为20cm，20cm，25cm的铁框埋入土中20cm，用凡士林涂抹铁框内壁，防止染料依照铁框内壁的缝隙渗入，之后使用浓度是4g/L的亮蓝溶液1L，均衡喷洒在框内0.2m×0.2m的地区。为防止试验过程中蒸发对其影响，用塑料袋对喷洒染色剂区域密封覆盖保存24h之后，将试验点以5cm厚为一层相应地挖垂直剖面。采用尼康D7000数码相机的微距模式P档，焦距稳固在21 mm，相机镜头与土壤剖面的距离确定30cm，对不同土层土壤剖面进行拍摄[28]。拍照时在垂直与水平方向上拉直尺，便于之后对比校正。

　　对图像的处理使用的工具是photoshopCS4软件，主要环节包含下面多个部分：（1）图片样式编辑、大小调节；（2）灰度与对比度调节；（3）降噪操作、颜色更新，把染色部分调节成黑色，没有染色的就调节成白色；（4）阈值调节，得到不同剖面的染色图像。整理好的图像使用ImageproPlus6.0工具进行数值化，得出一组只包含0与255组成的200ｘ240阶的位图数值矩阵，之后将其转移到Microsoft Excel表格来进行多种形态参数的统计[29,30]。

　　为充分研究希拉穆仁草原土壤水分下渗分布规律特征，对野外染色示踪实验中以亮蓝溶液为示踪剂对六种不同群落样地剖面进行染色处理后经过photoshopCS4软件处理的图像进行分析，以此来探究希拉穆仁草原不同群落的土壤质地以及土层之间水分下渗过程的分布规律。

　　由图2可知，不同群落样地染色后，染色面积有一定程度的相似性，整体上各样地染色垂直深度基本上均在10cm以上且六种不同群落类型样地垂直剖面染色面积均随土层深度的增加而减少。但是也存在明显的差异性，六种群落中的短花针茅群落、克氏针茅群落以及银灰旋花群落土壤入渗过程中下渗水分分布均匀，湿润峰水平相对较一致，无明显水分下渗优先通道，其中短花针茅群落染色面积分布最为均匀且其湿润峰分界线极为明显，其下渗的染色溶液主要集中在0~5cm层土壤，而在土层深度为15cm以下几乎没有被染色，同时其整体图像上很少有独立染色斑块出现。而六种群落中的蒙古韭群落、洽草群落、羊草群落下

　　渗水分分布中存在较为明显的连续或不连续的分支结构以及水分下渗优先通道，同时湿润峰分界线较为模糊且不连续，其中洽草群落染色面积分布最不均匀，在土层深度为3cm处出现了有表明水分优先下渗的分支结构，且不同剖面间染色面积分布差异性较大。

　　4.2.1不同群落土壤垂直剖面染色面积百分比

　　为探究土壤下渗水分染色面积变化规律，通过数据处理得到希拉穆仁草原六种不同植被群落染色面积百分比随土层深度变化图像，如下图所示。

　　由图3可知，从整体而言不同群落染色面积比均随土层深度的增加呈减小趋势。其中银灰旋花、克氏针茅和短花针茅群落土壤染色面积比均呈现在一定范围内随着土层增加而急剧减小的变化规律，短花针茅群落土壤染色面积比是在6~15cm土层范围内随土层增加呈急剧减小；克氏针茅群落土壤染色面积比在6~12cm土层范围内急剧减小；银灰旋花群落土壤染色面积比在8~11cm土层范围内急剧减小。

　　而蒙古韭群落和洽草群落与银灰旋花、克氏针茅和短花针茅群落形成鲜明对比入渗水流染色面积百分比随土壤深度的增加波动变化较大，其中蒙古韭群落的染色面积百分比在土层深度为12cm左右位置呈现一定程度的上升趋势，之后又随土层深度增加呈下降趋势；洽草群落的染色面积百分比在土层深度为10cm左右位置呈现一定程度的上升趋势，之后又随土层深度增加呈下降趋势。

　　相对于其他五种群落而言羊草群落的不同剖面间土壤染色面积比变化规律差异较大，其中剖面1土壤染色面积比随着土层深度变化规律表现为在7~10cm土层处急剧减小，然后在10~18cm土层范围内不断波动变化。而剖面2和剖面3土壤染色面积比在11cm之前均呈现下降趋势，之后剖面2土壤染色面积比在13~17cm处有小幅的增加。由此说明，蒙古韭、洽草以及羊草群落土壤入渗过程中不同土层间存在较为明显的水分传递优先通道。

　　4.2.2不同群落土壤垂直剖面最大染色深度及染色总面积比

　　图4不同群落土壤垂直剖面最大染色深度及染色总面积比

　　图4表示的是研究区6种群落土壤垂直剖面最大染色深度以及染色总面积比，由表中可以看出6种不同群落土壤垂直剖面最大染色深度大小依次为羊草群落＞蒙古韭群落＞洽草群落＞克氏针茅群落＞银灰旋花群落＞短花针茅群落，由此可以看出与其它5种群落相比，羊草群落土壤垂直最大染色深度为最高，其最大染色深度大于200mm，短花针茅群落土壤垂直最大染色深度最低，其最大染色深度为146mm，由此说明羊草群落土壤地表水分很容易下渗到土壤而短花针茅群落地表水分较难下渗到深层土壤。6种不同群落土壤垂直剖面染色总面积比大小表现为蒙古韭群落＞银灰旋花群落＞羊草群落＞克氏针茅群落＞短花针茅群落＞洽草群落。其中，洽草群落土壤垂直剖面染色总面积比仅为30%左右，为6种群落土壤垂直剖面染色总面积比的最低值，而蒙古韭群落为最高值。

　　图5表示六种不同群落结构下土壤入渗过程曲线，由图可以看出，六种群落样地的土壤入渗速率都表现出随时间明显减小之后趋于平稳的变化规律。由图可以看出，洽草的初始入渗速率为8.01mm/min，羊草的初始入渗速率为7.72mm/min，蒙古韭的初始入渗速率为6.62mm/min，克氏针茅的初始入渗速率为5.88mm/min，短花针茅的初始入渗速率为5.50mm/min，银灰旋花的初始入渗速率为5.22mm/min；然后在0~10min之间急剧减少，在10到30 min土壤入渗速率降低幅度开始缓慢，且更加平稳，入渗出现三十分钟之后入渗速率大致维持平稳，各群落样地的稳定入渗速率均在0.5~1.5mm/min之间，其大小依次为洽草＞羊草＞克氏针茅＞蒙古韭＞短花针茅＞银灰旋花。

　

　　（1）希拉穆仁草原的六种不同群落中短花针茅群落、克氏针茅群落以及银灰旋花群落在土壤入渗过程中下渗水分分布相对均匀，无明显的下渗优先通道，其中短花针茅群落染色面积分布最为均匀且其湿润峰分界线极为明显；蒙古韭群落、洽草群落、羊草群落水分下渗过程中存在较为明显的连续或不连续的分支结构以及下渗优先通道，同时湿润峰分界线较为模糊且不连续。

　　（2）不同群落染色面积比均随土层深度的增加呈减小趋势，其中银灰旋花、克氏针茅和短花针茅群落土壤染色面积比均呈现在一定范围内随着土层增加而急剧减小的变化规律，而蒙古韭群落，洽草群落，羊草群落入渗水染色面积百分比随土壤深度的增加波动变化较大。

　　（3）六种群落类型土壤入渗环节主要被划分成三个时期，第一时期，入渗速率在入渗正式开始之后，0到10min为明显降低，第二时期是10到20min，下降速率开始变缓且更加平稳，第三时期，在30min之后进入稳渗时期。多种群落类型土壤入渗性能出现明显的差距，银灰旋花群落的性能最弱，遇到雨天容易达到饱和状态，出现土壤侵蚀的概率更高。

　　（4）土壤入渗性能较强洽草和羊草群落样地入渗湿润峰较深在20cm左右，入渗性能较差的银灰旋花和短花针茅群落染色深度集中在15cm以上土层，湿润峰深度也较浅，湿润锋深度与土壤入渗速率呈多项式关系，其中与土壤初渗速率相关性最强（R2为0.87）。

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