黄土高原大部地处我国半干旱地区，水分是限制其生态和经济发展的重要因素之一。朱显谟院士在提出黄土高原治理的“28字方略”中，首先就强调全部雨水就地入渗拦蓄。因此强化黄土高原的渗透性研究，对于黄土高原的可持续发展具有重要意义。自植被恢复以来，黄土高原的土壤性质发生了巨大的变化。多数研究表明，自退耕还林还草以来，黄土高原的有机质、团聚体、容重、土壤微生物、土壤孔隙度以及土壤肥力都趋于良性发展^[1-3]。这些土壤性质的变化对土壤的水文性质造成了巨大的影响。土壤水文性质对于降雨的再分配有着极其重要的作用，其在很大程度上决定了渗入地下的降水与从地面流向河流网络的降水的比例。饱和含水量、田间持水量和饱和导水率通常被认为是重要土壤水文参数。其中土壤饱和导水率，作为应用最广泛的土壤参数之一，其在干旱和半干旱的黄土高原地区，能够较好地表征地表的水文变化过程和土壤对水的转化储存能力^[4-5]。

近些年来，关于黄土高原植被恢复对于土壤饱和导水率的影响因素研究已经受到了越来越多的人的关注^{[2, 4]}。众多学者研究发现，土壤饱和导水率会受到立地类型的强烈影响^{[4, 6]}。但是目前关于不同立地类型土壤饱和导水率的影响因素研究，主要集中在土壤性质方面。而关于根系性质与土壤饱和导水率之间的定量关系没有被重视，而根系对于水分的运移具有重要的影响，因此在考虑土壤饱和导水率的影响因素时，根系性质应该被考虑^[7-8]。同时，目前关于植被恢复中土壤饱和导水率的影响因素研究主要集中在单一植物样地，而对于复合样地，尤其是不同根系构型草本与灌木复合样地土壤饱和导水率的影响因素研究依旧较少^{[1, 7-8]}。因此本文选取黄土高原侵蚀比较严重的黄土丘陵沟壑区域，并选取该区域分布较为广泛的柠条锦鸡儿和冰草(须根系)，柠条锦鸡儿和铁杆蒿(直根系)两个混生群落，探究不同根系构型草本与灌木复合时的根土性质的差异对土壤饱和导水率的影响，并综合考虑根系和土壤性质建立估算土壤饱和导水率的经验方程，以期为黄土高原土壤水分入渗模型的建立做出一定的贡献。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区域位于陕西省绥德县韭园沟中游的王茂沟小流域，属黄土丘陵沟壑区。该区域面积为5.97 km²，主沟长3.75 km，沟壑密度4.31 km/km²。地表覆盖着约120~150 m厚的马兰黄土。该地区受到季风气候的强烈作用，降雨量少且季节分布不均匀。主要集中在6—9月，多年平均降雨量约为513 mm。该区地形破碎且地貌复杂，在黄土高原第一副区具有一定的代表性和典型性。研究区灌木林主要以柠条锦鸡儿、沙棘、达乌里胡枝子为主，其中柠条锦鸡儿较为广泛。撂荒草地主要植物群落有冰草、铁杆蒿等。

1.2 样品采集

本研究于2020年9月在试验地进行采样，选取以柠条锦鸡儿+冰草、柠条锦鸡儿+铁杆蒿为代表，且植被长势均匀的两个样地作为研究对象。样地基本信息详见表 1。为排除土壤类型，相对海拔以及植被恢复年限等因素的影响，本研究选择的两个样地坡面较为接近。样地的土壤类型均为黄绵土，且灌木生长年限均为15 a。在选取合适样点后，小心剪去地上部分，除去地表枯落物及结皮。为了保证环刀内能够含有灌木的根系，在采集距灌木基部不同位置的样品时，需提前在样点周围挖掘40 cm深的剖面，以简单观察灌木的根系分布，然后确定采样位置，从而使得环刀内样品能够含有灌木根系。然后用高5 cm，直径5 cm的圆状环刀进行采样。同时用直径10 cm，高5 cm特制圆状容器。在环刀两侧进行采样。采样方法与测定饱和导水率的环刀的方法一致，采集环刀周围的根土复合样品，用于测定根系参数。同时小心采集未被破坏原状土壤，装在铝制盒子中，用于测定团聚体、有机质和机械组成。采样位置为灌木基部和距灌木基部50 cm处。采样深度为0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm。每个样地选择3株灌木，在每株灌木不同位置的不同深度处均采集1个样品，每个样地共计24个样品，两个样地共计48个样品。

1.3 样品测定 1.3.1 土壤样品测定

将在室外用环刀取的原状土样，带回室内浸入水中，浸泡24 h。浸水时要保持水面与环刀上表面平齐。在达到预定时间后，将环刀取出，除去上盖，在上面套上一个空环刀。接口处用不透水胶带紧密缠绕后，再用橡胶圈固定，然后将接合好的环刀放到漏斗上，漏斗下面用100 ml烧杯承接。向上面的空环刀中加水，水层厚5 cm。待水头稳定后，开始接水计时。水头稳定时间一般为1 h左右。本试验设定接水时间为5 min，同时测定水温。饱和导水率(渗透系数)计算公式为：

$K_t=\frac{10 \times Q_n \times L}{t_n \times S \times(h+L)}$

(1)

式中：K_t为温度为t(℃)时的饱和导水率(渗透系数)(mm/min); Q_n为第n次渗出水量(cm³)；t_n为每次渗透所间隔时间(min)；S为土壤横截面积(cm²)；h为水层厚度(cm)；L为土层厚度(cm)。

待饱和导水率测定完毕后，将样品放在105 ℃烘箱，烘干至恒重测定土壤容重。同时将铝制盒子中的样品过筛，测定土壤团聚体和有机质。土壤团聚体的测定采用湿筛法，土壤有机质的测定采用重铬酸钾外加热法，土壤粒径采用马尔文激光粒度仪测定。

1.3.2 根系样品测定

将直径10 cm，高5 cm特制圆状容器内的根土复合样品置于0.25 mm土筛内冲洗得到根系样品。之后用彩色扫描仪对根系样品进行扫描(400 dpi)。扫描完毕后，用Win RHIZO根系分析系统对根长、根表面积、根径(RD)进行分析。根重密度(RMD，mg/cm³)、根长密度(RLD，cm/cm³)、根表面积密度(RSD，cm²/cm³)的计算公式为：

$\mathrm{RMD}=\frac{\mathrm{RM}}{V}$

(2)

$ \mathrm{RLD}=\frac{\mathrm{RL}}{V}$

(3)

$ \mathrm{RSD}=\frac{\mathrm{RSA}}{V}$

(4)

式中：RM为根重(mg)；V为容器的体积(cm³)；RL为根长(cm)；RSA为根系表面积(cm²)。

1.4 数据分析

采统计分析采用IBM SPSS Statistics 19.0，绘图采用Origin 8.0。

2 结果与分析 2.1 土壤饱和导水率分布特征

从表 2可以看出，样地类型、深度以及两者的交互作用对土壤饱和导水率的影响均达到显著水平。3者对土壤饱和导水率的因子贡献率依次26%，52%，12%。其中柠条锦鸡儿加冰草的在0—30 cm的土壤饱和导水率的分布范围为0.29~1.05 m/d。柠条锦鸡儿加铁杆蒿的在0—30 cm的土壤饱和导水率的分布范围为0.58~1.05 m/d。不同样地的土壤饱和导水率随深度的增加均呈降低的趋势。总体来说，柠条锦鸡儿加铁杆蒿样地的土壤饱和导水率均值高于柠条锦鸡儿加冰草样地(图 1)。

2.2 根系及土壤指标分布特征

从图 2可知，在随土层深度的变化中，在根系性质方面，不同样地的根重密度、根长密度、根面积密度、根径随着土层深度的加深均表现出降低的趋势。在土壤性质方面，团聚体以及有机质含量随土层深度的增加整体表现出降低的趋势，而容重表现出增加的趋势。黏粒、粉粒、砂粒含量随土层深度的增加变化幅度较小。在随样地的变化中，柠条锦鸡儿加冰草样地的根重密度均值、根面积密度均值、根径均值较柠条锦鸡儿加铁杆蒿样地相比呈现出增加的趋势，其分别增加51.95%，5.05%，14.96%。而根长密度均值较柠条锦鸡儿加铁杆蒿样地相比呈现出减少的趋势，其降低8.99%。在土壤性质方面，柠条锦鸡儿加冰草样地的砂粒均值、容重均值较柠条锦鸡儿加铁杆蒿样地相比呈现出增加的趋势，其分别增加41.66%和7.23%，而黏粒均值、粉粒均值、有机质均值、团聚体均值较柠条锦鸡儿加铁杆蒿样地相比表现出减小的趋势，其分别减小28.44%，13.78%，33.87%，67.80%。

2.3 饱和导水率影响因素分析及估算

由于野外植被类型多样，空间异质性较强，因此将不同属性样品的相同指标体系与土壤饱和导水率做回归分析和相关性分析，从而探究在不同样地下影响土壤饱和导水率的共性指标，并用这些指标去估算饱和导水率，对于土壤饱和导水率预测模型的建立和推广具有一定的意义^[7-8]。由图 3可知，在根系指标中，根长密度与根面积密度与土壤饱和导水率呈显著正相关，且根长密度与饱和导水率的相关系数高于根面积密度。在土壤指标中，与土壤饱和率呈显著正相关的指标是黏粒、粉粒、有机质和团聚体，而与土壤饱和导水率呈负相关的是砂粒和容重。其中不同土壤指标相关性从大到小依次为土壤容重、土壤团聚体、土壤有机质、黏粒、砂粒、粉粒。为综合考虑土壤性质和根系性质对于土壤饱和导水率的影响，分别选取根系性质中相关性最大的根长密度以及土壤性质中相关性最大的土壤容重作为模拟土壤饱和导水率的指标。但是从相关性分析中可以看到，土壤团聚体也具有较高的相关性。由于团聚体主要反映土壤结构的稳定性，而黄土高原地区的土壤遇水容易滑脱落实，甚至失陷，这会导致土壤的渗透性突然下降，因此土壤结构的稳定性也是影响黄土高原土壤渗透的一个重要指标。本研究将土壤团聚体也作为分析和模拟饱和导水率的指标。总的来说，本研究将根长密度、团聚体以及土壤容重作为模拟土壤饱和导水率的指标，模拟结果如表 3所示。从表 3可以得知，本文在将根系和土壤性质综合考虑时，其回归方程(6)R²可以达到0.86。而前人仅仅只用根系性质或土壤性质模拟土壤饱和导水率时，R²在0.66~0.79之间。本文在将根系和土壤性质综合考虑时，其回归方程的拟合精度较前人相比，得到一定的提升。

3 讨论

在本研究中，直根系草本与灌木复合的土壤饱和导水率高于须根系草本与灌木复合的土壤饱和导水率，这与Zhu Pingzong等^[8]研究结果类似。这可能与不同样地的根系和土壤性质的差异有关。在本研究中，根长密度与根表面积密度与土壤饱和导水率呈现显著正相关关系，这与多数研究者研究结果相似^{[7, 9]}。研究^[12-13]表明，随着根长密度和根表面积密度的增加，其对土壤支撑作用往往也会增强。这能够较大程度避免土壤的滑脱落实，从而使得土壤保持了较高的透水性。植物根系的分布路径也会极大程度影响土壤的导水性能。研究表明，根长密度和根表面积越大，其在土壤中穿插缠绕形成的大孔隙数量就越多，水分在下渗时，往往会在这些大孔隙中形成优先流而快速下渗，这可能是随着根长密度和根表面积密度的增加，土壤饱和导水率表现出增加趋势的原因^{[7, 14]}。在土壤性质中，土壤团聚体和有机质与土壤饱和导水率呈正相关，容重与土壤饱和导水率呈负相关关系，这与多数研究结果一致^{[4, 7]}。

研究表明，土壤团聚体与土壤结构的稳定性密切相关，随着大于0.25 mm土壤团聚体含量的增加，土壤结构稳定性会不断增强，其抵抗水的崩解能力将会不断增加，在一定程度可以降低土壤遇水时滑脱落实的风险，这可能是随着土壤大团聚体含量增加，土壤饱和导水率表现出增加趋势的原因^[15-16]。而土壤容重能够直接反映土壤的孔隙状况，研究表明，土壤容重与土壤孔隙状况呈负相关关系^[8]，而土壤孔隙作为水分下渗的主要路径，其数量越高，土壤导水能力往往越强，这可能是随着容重的降低土壤饱和导水率表现出增加趋势的原因^[17-18]。土壤有机质作为土壤团聚体的重要胶结物质，其含量的增加，能够促进大团聚体的形成，提高土壤的水力传导能力和结构稳定性，从而间接提高土壤的饱和导水率^[7-8]。这可能是土壤饱和导水率与有机质呈正相关关系的原因。因此在本研究中，柠条锦鸡儿加铁杆蒿样地的饱和导水率高于柠条锦鸡儿加冰草样地，可能是因为柠条锦鸡儿加铁杆蒿样地的根长密度、大于0.25 mm团聚体含量高于柠条锦鸡儿加冰草样地，而容重低于柠条锦鸡儿加冰草样地所致。

在不同样地中，土壤饱和导水率随着土层深度的增加，均表现出降低的趋势，这与桑凯欣等^[7]和陈永华等^[19]研究结果类似。从以上分析中可以发现，根长密度、根面积密度、团聚体、有机质随着土层深度的增加表现出降低的趋势，而容重表现出增加的趋势。这可能是因为随着土层深度的增加，土壤的水分和养分往往会趋于减少，而容重往往会趋于增加，对根系的生长起到了一定的限制作用，这可能是根长密度和根表面积密度随土层深度增加整体表现出降低趋势的原因^[20-21]。而根系不仅对于土壤团聚体的形成具有极为重要的作用，并且其输入的根系分泌物也是土壤有机质的重要来源之一，根系的减少可能是土壤团聚体和有机质随土层深度的增加整体表现出降低趋势的原因^[22-23]。由于土壤饱和导水率与根长密度、根表面积密度、团聚体、有机质呈显著正相关关系，而与土壤容重呈现显著负相关关系，因此根长密度、根表面积密度、团聚体含量、有机质含量随土层深度的增加而降低，容重随土层深度的增加而增加，可能是土壤饱和导水率随着土层深度的增加表现出降低趋势的原因。

由于土壤饱和导水率的测定常常费时费力，因此通过选取一些便于得到的土壤和根系参数对其进行模拟是多数学者常用的手段^{[4, 8]}。从表 3可以看出，本研究基于根长密度、团聚体以及土壤容重建立的经验方程较单一考虑根系或者土壤性质时，方程的拟合精度有较大提高。这说明植被恢复的坡面尺度上，对于土壤饱和导水率进行模拟时，根系参数应当被考虑^{[8, 11, 19, 24]}。但是受限于样本的数量，本研究所得到的经验方程的适用性需要进一步验证。

4 结论

在本试验中，多因素方差分析表明，样地类型和土层深度对于土壤饱和导水率均有显著的影响，两者对土壤饱和导水率的因子贡献率依次为26%，52%。直根系草本铁杆蒿与柠条锦鸡儿混合样地的土壤饱和导水率高于须根系草本冰草与柠条锦鸡儿混合样地。将根系性质的根长密度以及土壤性质的团聚体和土壤容重与土壤饱和导水率建立经验方程时，拟合精度R²可达到0.86，较前人仅考虑土壤性质或者根系性质与土壤饱和导水率建立的经验方程的相比，拟合精度R²提高了16.22%~30.30%。