土壤渗透性是指降水以及其他形式的地表水进入土壤的过程，其渗透能力决定了灌溉、降水过程中地面径流量的调节和转换，是反映土壤涵养水源和水土保持功能的重要参数^[1-2]。土壤入渗性能越好，地表径流量越小，林木水分利用效率高，植物生长旺盛，发生土壤侵蚀概率小，是影响土壤侵蚀和土壤的水源涵养作用重要因素之一，是土壤水文效应评价的重要指标^[3-5]。土壤渗透性也是评价植被恢复下土壤水分调节能力的重要指标，与地表径流、表土结构、土壤密度、土壤孔隙状况、土壤持水量及植被特征等多种因素有关。有关土壤入渗与持水量的研究国内外已有大量报道^[6]。国外主要集中在土壤入渗过程机理及模型方面^[7-8]。国内研究^[9-11]表明，土壤渗透能力与土壤容重、孔隙度等物理性质关系显著或极显著，与土壤有机质、氮、磷、钾等化学性质有直接或间接的关系。还与降雨强度、植被类型、植被根系结构、土壤理化学性质、土壤种类、土壤微生物和土壤动物等有关系。因此，探讨红壤区植被恢复下土壤水分入渗对于改善土壤退化和预防土壤侵蚀的防治具有十分重要的意义。中国是世界上遭受水力侵蚀引起的土壤退化的国家之一^[12]，其中南方红壤区侵蚀强度仅次于黄土高原，福建长汀县是南方红壤区水力侵蚀引起的土壤退化的最严重的地区之一^[13-14]。自20世纪80年代以来，一直进行红壤退化的植被恢复治理研究工作，并取得丰硕成果。该治理研究已经从植物恢复多样性、土壤理化和土壤微生物性质和植被恢复下土壤微生物多样性、侵蚀退化地土壤生态化学计量学等方面进行研究^[15-17]，但从不同植被恢复模式对土壤渗透性和持水量的还显薄弱。为此，本文对不同植被恢复模式下花岗岩退化红壤的土壤渗透性和持水量进行研究，揭示土壤渗透规律，探讨不同植被恢复模式下影响土壤渗透能力的主要因子。以期为红壤区的水土保持和红壤退化地的精准恢复提供理论依据和实践。

1 研究区概况

福建省长汀县河田镇(35°35′—25°46′N，116°16°—116°30′E)，属于中亚热带季风气候区，气候温暖湿润，降雨充沛，年降雨量1 698.7 mm，年均温17.5~18.8 ℃，季节性降雨显著，降水集中在3—6月。植被以马尾松人工林为主，林分结构较单一。土壤以花岗岩红壤为主，土壤抗冲刷和抗蚀能力较弱，土壤保肥保水能力差，存在极其严重的林下水土流失现象。但该地区自20世纪80年代以来一直采取植被恢复措施，水土流失得到明显改善。

2 研究方法 2.1 样地设置

2020年11月，在长汀县河田镇选取2006年开始植被恢复的且具有典型性的不同植被恢复模式样地，以严重侵蚀退化地和自然林为对照，严重侵蚀退化地是未采取任何植被治理措施的严重水土流失区，自然林是乡村人自发组织营造林地，保留较好，没有自然和人为因素的破坏。本研究选择样地坡度均处于13°~20°，研究区内分别设置相邻的3个20 m×20 m的标准样地。样地基本概况详见表 1。

2.2 土壤样品采集与测定

每一样地沿对角线取3个土壤剖面，100 m³的环刀分别取0—5，5—20，20—40 cm样品，每个土层重复3次。

(1) 土壤物理指标。烘干法测定土壤含水量和环刀法(100 cm³)测定土壤容重、土壤孔隙度；双环刀法(100 cm³)测定土壤渗透性；土壤硬度计测定土壤硬度；激光粒度仪测定土壤颗粒组成。

(2) 土壤化学指标。重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳，半微量开氏法测定土壤全氮；浓硫酸和高氯酸消煮法测定土壤全磷，双酸浸提法测定土壤速效磷，氢氧化钠熔融法测定土壤全钾，乙酸铵浸提法测定土壤速效钾。火焰光度计测定土壤钾素。水和土壤比为2.5∶1浸提法测定土壤pH值。

2.3 土壤渗透性的测定

土壤初始入渗率=最初入渗时段内渗透量/入渗时间。初始入渗时间取前3 min，平均渗透速率=达稳渗时渗透总量/达稳渗时时间，稳渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定时的渗透速率，因为所有土样渗透速率在30 min前已达稳定，本文渗透总量统一取前30 min内的渗透量^[18]。

2.4 土壤持水量的测定

土壤持水量包括毛管持水量和非毛管持水量，二者之和为土壤最大持水量^[18]。计算公式为：

$ W_c=1\;000 P_c H R $

(1)

$ W_o=1\;000 P_o H R $

(2)

$ W_p=W_c+W_o $

(3)

式中：W_p，W_c，W_o分别为土壤最大持水量(kg/hm²)、非毛管持水量(kg/hm²)、毛管持水量(kg/hm²)；P_c，P_o分别是非毛管孔隙度(%)、毛管孔隙度(%)；H为土层厚度(cm)；R是水的密度。

2.5 数据分析

首先用单因素方差分析和LSD多重比较对不同植被恢复模式和对照样地的0—5 cm土壤理化指标进行差异性分析，再用单因素方差分析不同植被恢复模式和对照样地的差异性。以上分析在SPSS 21.0中进行。再用Canoco 5.0对0—5 cm不同植被恢复模式土壤渗透性和土壤理化指标的关系进行冗余分析。图表用Origin 2022和Excel 2007整理绘制。

3 结果与分析 3.1 不同植被恢复模式下土壤理化指标特征

由表 2可知，0—5 cm不同植被恢复模式和对照样地的土壤颗粒组成存在显著差异(p＜0.05)。砂粒含量在严重退化地最大72.90%，自然林砂粒含量最低61.67%，其中乔灌草植被模式砂粒含量最低67.67%，从整体的数值来看，粉粒的含量差异较小；黏粒的含量最小值出现在严重退化地为10.66%，最大值出现在自然林24.06%。土壤容重和土壤含水量的最大值和最小值均出现在自然林和严重退化地，不同植被恢复模式的土壤容重、土壤含水量和pH值差异不显著(p＞0.05)。但不同植被恢复模式与自然林和严重退化地的土壤养分指标差异显著(p＜0.05)。不同植被恢复模式的土壤养分指标差异显著(p＜0.05)。土壤有机碳、全氮、全磷和速效磷以及全钾和速效钾的最大值和最小值分别出现在自然林和严重退化地，但是乔灌草植被恢复模式的土壤养分指标数值最大。

3.2 不同植被恢复模式下土壤渗透性指标特征

由图 1可知，0—5，5—20，20—40 cm不同植被恢复模式和对照样地之间的土壤初始入渗率、稳定入渗率、平均渗透率差异显著(p＜0.05)，且不同植被恢复模式之间和对照样地前30 min渗透总量差异显著(p＜0.05)，但0—5 cm，5—20 cm，20—40 cm不同植被恢复模式之间的土壤初始入渗率、稳定入渗率、平均渗透率差异不显著(p＞0.05)(图 1)。0—5 cm不同植被恢复模式初始入渗率分别为严重退化地的94.51，24.01，9.88，3.59，2.86和1.76倍，5—20 cm不同植被恢复模式的初始入渗率分别为严重退化地的30.30，4.65，4.74，3.30，2.60和1.94倍，20—40 cm不同治理模式初始入渗率分别为严重退化地的13.20，5.36，10.56，7.52，4.72，3.00倍。0—5 cm平均渗透率的平均值分别为严重退化地的61.01，16.19，5.40，2.42，1.91和0.98倍，5—20 cm平均渗透率的平均值分别为严重退化地的23.31，3.61，3.36，2.38，1.92和1.56倍，20—40 cm平均渗透率的平均值分别为严重退化地的6.00，5.67，5.44，3.63，2.96，1.11倍。0—5 cm稳渗率的平均值分别为严重退化地的98.96，26.60，9.15，3.45，3.4和1.62倍，5—20 cm稳渗率的平均值分别是严重退化地的38.00，4.93，4.53，3.71，3.41和2.07倍，20—40 cm稳渗率的平均值分别为严重退化地的26.47，12.35，13.28，6.29，6.06和2.65倍。0—5，5—20，20—40 cm土层土壤初始入渗率、平均渗透率、稳渗率数值总体表现为：自然林＞乔灌草＞条沟草灌＞封禁＞低效林改造＞全坡面播草。不同植被恢复模式前30 min渗透总量的规律为：自然林＞乔灌草＞条沟草灌＞封禁＞低效林改造＞全坡面播草＞严重侵蚀退化地。不同植被恢复模式土壤渗透性均随土层深度的增加而降低，说明不同植被恢复模式均不同程度改善土壤渗透性，但改善程度存在差异，乔灌草植被恢复模式改善土壤渗透性效果最好。

3.3 不同植被恢复模式下土壤持水量特征

不同植被恢复模式和对照样地的0—5，0—20，0—40 cm土层持水量总体表现差异性显著(p＜0.05)(图 2)。0—5 cm土层持水能力的最大值和最小值分别在自然林和严重退化地4.06，2.06 kg/hm²，其中乔灌草植被恢复模式的持水量最大3.95 kg/hm²。0—5 cm其他植被恢复模式持水量规律为：条沟草灌＞低效林改造＞封禁＞全坡面播草。0—20 cm土层持水量最大值和最小值的数值为15.4，5.4 kg/hm²，乔灌草模式持水量最大是12.3 kg/hm²，其他植被恢复模式持水量大小表现为：封禁＞条沟草灌＞低效林改造＞全坡面播草。0—40 cm土层持水量自然林最大数值为30.5 kg/hm²，最小值是严重侵蚀退化地数值为13.2 kg/hm²，乔灌草模式持水量最大是22.59 kg/hm²，其他植被恢复模式持水能力规律为：条沟草灌＞封禁＞低效林改造＞全坡面播草。

3.4 不同植被恢复模式下土壤渗透性指标和土壤理化指标冗余分析

基于不同植被恢复模式0—5 cm土壤渗透性和0—5 cm土壤理化性质的13个指标进行冗余分析(图 3)，主成分1的贡献率为99.97%，主成分2的贡献率为0.02%，累计贡献率已达99.99%，基本上保留了13个指标评价不同植被恢复模式的绝大部分信息，因此选取这2个主成分作为评价不同治理模式土壤渗透性主成分分析的依据。主成分1中土壤有机碳、全氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、pH值、粉粒含量的权重系数较大，均超过了0.900。相反地，主成分2中土壤硬度、土壤容重、黏粒和砂砾含量明显负相关，表明主成分1主要反映土壤有机碳、氮素、磷素、钾素和土壤含水量表征不同植被恢复模式土壤渗透的特征的信息。所以土壤渗透性与土壤有机碳、全氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、pH值、粉粒含量显著相关，是表示自然林、条沟草灌和乔灌草模式土壤渗透性的重要因子。

4 讨论

本研究表明，土壤渗透性指标和前30 min土壤渗透总量数值是自然林数值最大，严重侵蚀退化地数值最小，不同植被恢复模式数值顺序为：乔灌草＞条沟草灌＞封禁＞低效林改造＞全坡面播草。且0—40 cm土壤持水量数值顺序和以上指标一致，且乔灌草恢复模式以上数值仅次于自然林。影响0—5 cm土壤渗透性的因子是：土壤硬度、土壤容重、黏粒、砂砾、土壤有机碳、全氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、pH值、粉粒。其结果主要因为地上植被群落结构和多样性，地表凋落物和地表微生物、地表土壤动物和地下根系、微生物和土壤动物这三方面相互影响、相互制约、相互耦合。

(1) 地上植物群落结构和多样性，不同植被恢复模式均引种阔叶高大乔木、灌木和草本，但乔灌草植被恢复模式引种的乔灌木种类更多样，如引种枫香、木荷等中亚热带常见的落叶阔叶树种以及固氮灌木胡枝子和紫穗槐等，所以自然林和乔灌草恢复模式相比较其他植被恢复模式林分结构完整。

(2) 地表凋落物的数量和质量，化学组成成分差异和分解程度的差异，以及地表微生物和土壤动物的数量、质量和多样性的差异，地表微生物和土壤动物加速地表凋落物的分解，形成的腐殖质也增加了土壤的孔隙度，且地表动物的生命活动过程改善土壤孔隙的结构，加速了水分的入渗和土壤的持水^[19-25]。植被恢复模式下积累较多的凋落物，分解后形成较多的有机碳，引种固氮灌木胡枝子等提高了土壤氮素，改善土壤化学性质，提高土壤渗透性，这与李林代等^[5-6]的研究结果一致。此外，土壤有机碳对促进团粒结构的形成、维持土壤结构稳定有着重要作用，有机质含量越多，土壤团粒结构就越多，从而具有良好的透气透水能力，土壤有机碳还可以通过改善土壤的孔隙性，增加入渗水流的过水断面面积，提高土壤的水力传导度^[21]，实现土壤渗透和持水能力的改善。三是地下土壤微生物多样性和生态功能、地下根系的分布、生长、分解、死亡和分泌物以及地下土壤动物的活动如筑穴、挖掘、促进有机物分解等活动，影响土壤的物理和化学指标。不同树种或者草本的根系分布特征会影响土壤结构，高大乔木和灌木以及百喜草、宽叶雀稗这些草本植物的根系主要分布在土壤不同层次，根系在土壤中缠绕、生长过程的穿插、挤压和分割等作用增加土壤中的大孔隙，以及根系死亡后在土壤中形成较多的小孔隙，改善土壤容重，提高土壤渗透性能和持水量；根系的代谢还会产生有机化合物胶结土壤颗粒，促进团聚体的形成，进而影响土壤的渗透性能^[24-27]。以上地上、地表和地下的所有生物的生命过程，是地上植被恢复过程改善地表凋落物、地表土壤微生物和土壤动物以及地下根系、地下土壤微生物和土壤动物等，实际是通过以上过程改善土壤理化性质，改善土壤结构，增强土壤通透性，进而改善土壤渗透性和持水量。

土壤入渗指标与土壤容重、土壤硬度呈负相关，这个和众多学者的研究结论一样，均认为土壤容重和土壤孔隙度是决定土壤水源涵养功能的重要物理指标^[26]。李建兴等^[22]研究发现土壤入渗性能与机械组成中砂粒含量显著正相关，与粉粒和黏粒含量显著负相关，其认为主要是由于土壤中砂粒含量越多，黏粒含量越低，其结构越疏松，质地越粗糙，越有利于水分的渗透。但与本研究不一致，本研究结果是土壤渗透性与砂砾和黏粒呈负相关，与粉粒正相关，一方面可能是研究区域不同，另一方面可能是本研究区历史上由于自然和人文环境的影响，强降雨和植被的缺乏造成0—5 cm表层土壤黏粒和粉粒的流失，导致表层土壤颗粒组成不合理，砂砾含量增多，土壤粉粒缺失持水能力弱。所以，合理的土壤颗粒组成更有利于提高土壤渗透性和持水量。土壤pH值对渗透性影响显著，与赵洋毅等^[4]研究结果一致。而刘广路等^[23]认为土壤pH值与土壤渗透性关系不显著，原因可能是由于该区属于酸雨较严重的地区，土壤酸化严重，对土壤结构产生了破坏，导致土壤pH值与土壤渗透性没有直接关系。关于土壤pH值和土壤酸化对土壤渗透性的影响问题有待进一步探讨。

5 结论

(1) 不同植被恢复模式和对照样地的土壤渗透性均随土层深度的增加而降低。

(2) 不同植被恢复模式和对照样地土壤渗透性指标均表现为：初始入渗率＞平均渗透率＞稳定入渗率；且土壤渗透性指标和前30 min土壤渗透总量数值顺序为：自然林最大，严重侵蚀退化地最小，不同植被恢复模式顺序为：乔灌草＞条沟草灌＞封禁＞低效林改造＞全坡面播草。

(3) 0—40 cm土壤持水量乔灌草恢复模式仅次于自然林，严重侵蚀退化地最低，其余植被恢复模式顺序为：条沟草灌＞封禁＞低效林改造＞全坡面播草。

(4) 筛选出不同植被恢复模式下退化花岗岩红壤区制约0—5 cm土壤渗透性因子是土壤硬度、土壤容重、黏粒和砂砾；提高0—5 cm土壤渗透性的因子是土壤有机碳、全氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、pH值和粉粒。

(5) 不同植被恢复模式均不同程度地提高了土壤渗透性和持水量，其中，乔灌草植被恢复模式是改善土壤渗透性和持水量的最佳模式。