紅壤坡地耕作措施對(duì)土壤入滲過(guò)程的影響機(jī)制

王 移，曹龍熹，樊劍波，任 平

（1.四川師范大學(xué)西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610066； 2.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都610059；3.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇南京210008；

南方紅壤區(qū)有4 335萬(wàn)畝（289萬(wàn) hm2）坡耕地，發(fā)生在坡耕地上的水土流失占區(qū)域流失總量的40%以上［1］，也是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失和肥力退化的主要因素.另一方面，以季節(jié)性干旱為代表的土壤水分季節(jié)分配不均的問(wèn)題嚴(yán)重制約了耕地生產(chǎn)力的提高.因此，有必要采取合理的耕作措施以提高紅壤坡耕地土壤入滲能力，減弱雨季坡耕地地表產(chǎn)流和水土流失強(qiáng)度，同時(shí)也提高旱季土壤涵養(yǎng)水源的能力.

土壤水分入滲是水分通過(guò)地表向下流動(dòng)進(jìn)入土壤的運(yùn)動(dòng)和再分布過(guò)程，受到土壤理化性質(zhì)、土地利用方式、土壤下墊面條件等多種因素的控制［2-3］.其中土壤性質(zhì)是影響入滲能力的重要方面，土壤有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體和土壤結(jié)構(gòu)等因素都與土壤入滲能力密切相關(guān)［4-5］.土壤屬性在很大程度上受到人類活動(dòng)的影響，人類活動(dòng)作用于土壤中生物和理化過(guò)程，從而改變土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量、容重、孔隙度、初始含水量、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等指標(biāo)［6］.國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)不同利用方式下的土壤理化性質(zhì)變化和入滲性能的響應(yīng)進(jìn)行了大量的研究［7-10］.在南方紅壤區(qū)，學(xué)者們也針對(duì)農(nóng)地、林地和草地等不同利用方式研究了土壤入滲能力以及影響因素［11-13］，對(duì)于農(nóng)地來(lái)說(shuō)，耕作措施和管理方式是決定土壤入滲過(guò)程的關(guān)鍵方面，而目前紅壤區(qū)針對(duì)耕作措施影響土壤入滲的機(jī)制研究仍相對(duì)較為薄弱，特別是多種措施的過(guò)程對(duì)比和效益評(píng)價(jià)研究不足.

研究土壤入滲機(jī)制需要開展野外或室內(nèi)模擬試驗(yàn)，如模擬降雨法、雙環(huán)入滲法或者環(huán)刀法等［14］，其中雙環(huán)入滲法因其原理簡(jiǎn)單、擾動(dòng)較小且能反映野外實(shí)際條件，被國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者用來(lái)研究土壤入滲過(guò)程和測(cè)定入滲參數(shù)［15-17］.在獲取土壤入滲過(guò)程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可以構(gòu)建數(shù)理模型進(jìn)行趨勢(shì)擬合和參數(shù)量化［7］，代表性的土壤入滲模型有Horton 模型［18］、Kostiakov 模型［19］和 Philip 模型［20］等.學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)不同試驗(yàn)方法測(cè)定結(jié)果適宜的入滲數(shù)理模型各不相同［16］，甚至同一種土壤在不同季節(jié)入滲曲線的擬合模型也存在差異［21］，這體現(xiàn)了土壤入滲的復(fù)雜機(jī)制，也說(shuō)明了開展不同條件下土壤入滲能力對(duì)比量化研究的必要性.

本文以典型紅壤坡耕地為研究對(duì)象，布設(shè)以花生為主的5種種植措施，基于田間小區(qū)長(zhǎng)期試驗(yàn)樣地探究耕作措施對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響程度和方式，并通過(guò)野外雙環(huán)入滲試驗(yàn)獲取土壤入滲過(guò)程參數(shù)，在此基礎(chǔ)上分析耕作措施對(duì)土壤入滲的影響機(jī)制，提出用于研究區(qū)坡耕地土壤入滲評(píng)價(jià)的方法，從而為紅壤坡地耕作措施的優(yōu)化布設(shè)提供理論依據(jù).

1 研究方案

1.1 研究區(qū)概況 本研究試驗(yàn)布設(shè)在中國(guó)科學(xué)院紅壤生態(tài)試驗(yàn)站，位于江西省鷹潭市余江縣內(nèi)（28°15′20″N，116°55′30″E），西距南昌市 135 km，東距鷹潭市13 km，該站地處江西省東北山區(qū)向潘陽(yáng)湖平原過(guò)渡地帶，地勢(shì)變化平緩，以低丘和崗地為主，海拔均在100 m左右，屬于中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫17.6℃，年降雨量1 785 mm，但季節(jié)分布不均，降雨50%集中于每年的3月至6月，年均日照時(shí)數(shù)為1 852.4 h，年蒸發(fā)量1 378 mm，具有明顯的干濕季節(jié)變化、夏、秋之間旱情突出，無(wú)霜期為262 d.研究區(qū)常見(jiàn)植被有常綠闊葉林、落葉闊葉林及針葉林，覆蓋率約為45%.成土母質(zhì)以第四紀(jì)紅色黏土、泥質(zhì)頁(yè)巖、花崗巖為主，土壤類型為紅壤和紅壤性水稻土，適用于農(nóng)林牧生產(chǎn)，主要農(nóng)作物為玉米、水稻、油菜、柑橘和花生等，一年兩至三熟.土地利用方式以林荒地為主，坡耕地次之，水田較少.由于該區(qū)人口密度大，丘陵坡地利用率高，雨量豐富且雨熱同期，加之土壤自然風(fēng)化度程度高、肥力水平低、黏粒含量高，具有易板結(jié)、易侵蝕等特點(diǎn)，主要水蝕類型為面蝕和溝蝕，并以面蝕為主［22-23］.

1.2 試驗(yàn)樣地設(shè)置 花生是當(dāng)?shù)睾底鞯闹饕?jīng)濟(jì)作物，本研究在考慮當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作措施的基礎(chǔ)上，以花生為主要作物設(shè)置了5個(gè)處理，分別為：1）傳統(tǒng)花生順坡壟作；2）花生+蘿卜輪作；3）花生+秸稈覆蓋；4）花生+有機(jī)肥；5）花生+柑橘套作.除傳統(tǒng)順坡外，其他幾種處理的花生均為橫坡壟作，耕作措施詳見(jiàn)表1.每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)樣地，于2012年布設(shè)在中科院紅壤生態(tài)試驗(yàn)站站區(qū)西側(cè)，小區(qū)間距大于1 m，使用1 m×1 m的水泥板與周圍地區(qū)隔開，水泥板露出地表20 cm，埋在地下80 cm，其中柑橘套作小區(qū)為20 m×10 m；其余小區(qū)為20 m×5 m.

1.3 土壤樣品采集與指標(biāo)測(cè)定 在每個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)按照“S”形五點(diǎn)法采集0～20 cm土層混合樣，用四分法收集1 kg左右的樣品，除去礫石、草根等雜物，風(fēng)干、過(guò)篩后備用.同時(shí)使用環(huán)刀法采集土樣測(cè)定容重、土壤孔隙度、土壤含水量等指標(biāo).采集團(tuán)聚體指標(biāo)樣品時(shí)，為保證田間原狀土壤結(jié)構(gòu)不被破壞，需在田間采集大土塊，用硬質(zhì)鋁盒承裝至實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干至合適含水量后沿自然破裂面小心掰開儲(chǔ)藏備用.土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀硫酸消煮法，土壤質(zhì)地分析用吸管法；采用濕篩-Yord改進(jìn)法測(cè)定水穩(wěn)性團(tuán)聚體指標(biāo)，并計(jì)算不同耕作措施土壤的平均重量直徑（MWD，mean weigh diameter），團(tuán)聚體分散度（PAD，percentage of aggregate disruption），包含＞0.25 mm 團(tuán)聚體分散度（PAD0.25）和 ＞2 mm團(tuán)聚體分散度（PAD2），水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量（WSA，water stable aggregate），常用的指標(biāo)有 ＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量（WSA0.25）.

表1 不同耕作措施徑流小區(qū)基本特征Tab.1 Basic characteristics of runoff plot

考慮到在土壤含水量較低的條件下可以獲取變幅較大的入滲曲線，于花生收獲后的9月份即旱季在小區(qū)開展雙環(huán)入滲試驗(yàn).入滲試驗(yàn)裝置采用特制的雙環(huán)，其中內(nèi)環(huán)直徑為35.5 cm，外環(huán)為55.5 cm，環(huán)壁高為25 cm，內(nèi)環(huán)用于入滲試驗(yàn)，外環(huán)主要是防止內(nèi)環(huán)入滲時(shí)可能發(fā)生的側(cè)向滲漏.試驗(yàn)時(shí)內(nèi)環(huán)和外環(huán)打入土的深度均為15 cm，兩環(huán)的積水深度均為5 cm，試驗(yàn)采取快速人工加水［24］.試驗(yàn)前期入滲速率較快，按圓環(huán)內(nèi)水位下降1 cm計(jì)時(shí)，根據(jù)入滲所需的時(shí)間計(jì)算入滲速率，試驗(yàn)后期入滲速率逐漸減小，在試驗(yàn)進(jìn)行到60 min后改為記錄5 min內(nèi)的內(nèi)環(huán)水位下降深度，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間統(tǒng)一為90 min，在這一時(shí)間內(nèi)各處理的入滲速率基本都達(dá)到穩(wěn)定，即連續(xù)5次測(cè)定的入滲速率大致相同.根據(jù)記錄的入滲過(guò)程數(shù)據(jù)計(jì)算初始入滲速率（試驗(yàn)開始5 min內(nèi)的入滲速率平均值）、穩(wěn)定入滲速率（試驗(yàn)結(jié)束前5次入滲速率平均值）和平均入滲速率（每次試驗(yàn)的總耗水量除以試驗(yàn)時(shí)間），入滲試驗(yàn)在每個(gè)小區(qū)進(jìn)行2次重復(fù)，共進(jìn)行30次試驗(yàn).

1.4 入滲模型與數(shù)理分析方法 為了準(zhǔn)確量化土壤入滲過(guò)程，結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有土壤入滲機(jī)制研究結(jié)果，選取具有較好代表性的Horton方程、Philip方程和Kostiakov方程來(lái)模擬不同耕作措施的水分入滲過(guò)程.

1）Philip方程

其中，f（t）為入滲速率（mm/min），s為吸滲率（cm/min），t為入滲時(shí)間（min），fc為穩(wěn)滲速率（mm/min）.

2）Horton公式

其中，f1為初滲速率（mm/min），k為試驗(yàn)求得的參數(shù).

3）Kostiakov方程

其中，y為土壤入滲率（mm/min），x為土壤入滲時(shí)間（min），a為經(jīng)驗(yàn)入滲常數(shù)，代表一個(gè)單位時(shí)段內(nèi)平均入滲速率，b值的大小則反映土壤入滲速率遞減狀況，其值越大，表明入滲速率隨時(shí)間遞減的越快［25］.

采用 Nash 等［26］提出的模型有效系數(shù)（Ef）對(duì)比不同入滲模型的擬合精度，模型效率系數(shù)反映的是計(jì)算值與實(shí)測(cè)值1∶1線的接近程度，其取值范圍為 -∞ ～1.如果模型效率系數(shù)接近1，表示模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值非常接近，也就是模型的有效性好，反之，表示模型的有效性較差.

使用單因素方差分析和相關(guān)分析方法探討土壤性質(zhì)差異及其與入滲參數(shù)之間的關(guān)系，采用主成分分析方法評(píng)價(jià)不同耕作措施的綜合入滲能力，所有的數(shù)理分析和作圖在EXCEL 2010、SPSS 21.0和Origin 8.1軟件中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施的土壤性質(zhì)和入滲速率 測(cè)定5種耕作措施的土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表（表2）.土壤容重在1.20～1.25 g/cm3之間變動(dòng)，平均值為1.22 g/cm3.受季節(jié)性干旱的影響，土壤初始含水量普遍較低.不同耕作措施表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量差異顯著（ANOVA，P＝0.03），套作的有機(jī)質(zhì)含量最高，順坡的有機(jī)質(zhì)含量最低，這是由于桔樹套作增加了土壤中的微生物種類和數(shù)量，枯枝落葉、秸稈和有機(jī)肥的進(jìn)一步分解都有利于增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量［27-28］.土壤團(tuán)聚體指標(biāo)在不同措施之間差異也較大，套作和覆蓋的MWD和WSA0.25含量顯著高于順坡和輪作，這2種措施的PAD0.25與PAD2的百分含量則小于順坡和輪作處理，研究表明MWD與WSA0.25含量越大、PAD0.25與 PAD2的含量越小越有利于水分入滲和防止土壤侵蝕［29］，說(shuō)明套作和覆蓋相比于順坡和輪作可以改善土壤結(jié)構(gòu)，從而提高保水固土效益.本研究有機(jī)肥措施的團(tuán)聚體指標(biāo)相對(duì)較差，其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的作用還需要進(jìn)一步探討.

表2 不同耕作措施的土壤理化性質(zhì)Tabl.2 Basic soil physical and chemical properties of different tillage practices

2.2 不同耕作措施的入滲速率及其影響因素 田間雙環(huán)入滲實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同耕作措施的初滲率、穩(wěn)滲率和平均入滲率見(jiàn)表3，各指標(biāo)之間的大小排序?yàn)椋撼鯘B率＞平均入滲率＞穩(wěn)滲率，3種入滲速率在不同處理之間均有顯著差異性.初滲率和平均入滲率排序均表現(xiàn)為：套作＞有機(jī)肥＞覆蓋＞輪作＞順坡；5種耕作措施在90 min的入滲過(guò)程中用水量也存在顯著差異.套作措施的穩(wěn)滲率（4.56 mm/min）最大，入滲過(guò)程中的用水量（44.05 cm）也最多.秸稈覆蓋和有機(jī)肥與順坡和輪作的穩(wěn)滲率之間沒(méi)有顯著差異，但入滲總用水量則顯著偏大，說(shuō)明這2種措施土壤涵養(yǎng)水分的能力明顯提升.本研究順坡的穩(wěn)滲率（2.76 mm/min）與呂殿青等［13］采用相同方法在紅壤坡耕地條件下的測(cè)定結(jié)果（2.58 mm/min）十分接近，說(shuō)明本試驗(yàn)結(jié)果具有較好的可靠性.

表3 不同耕作措施入滲速率及用水量對(duì)比Tabl.3 Infiltration parameters of different tillage practices

分析水分入滲速率和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性見(jiàn)表4，土壤容重與穩(wěn)滲率呈負(fù)相關(guān)，容重越大說(shuō)明土壤板結(jié)嚴(yán)重，土壤孔隙較小，不利于水分的下滲.一般認(rèn)為土壤前期含水量越大，入滲速率越慢.本研究分析結(jié)果為土壤前期含水量與初滲速率和平均入滲率均呈顯著正相關(guān)，可以從2個(gè)方面解釋.首先，本實(shí)驗(yàn)開展時(shí)正值旱季，土壤前期含水量較低，不足以影響入滲過(guò)程；另一方面，套種、覆蓋等措施同時(shí)具有較好的保水能力和改善土壤結(jié)構(gòu)的功能，因而既表現(xiàn)出相對(duì)較高的土壤含水量，也表現(xiàn)出較強(qiáng)的水分入滲能力.另外初滲速率與土壤有機(jī)質(zhì)含量正相關(guān)，表明土壤中有機(jī)質(zhì)含量越高越利于土壤入滲.進(jìn)一步探討入滲速率與團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)指標(biāo)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)入滲速率與WSA0.25顯著正相關(guān)，與 PAD0.25顯著負(fù)相關(guān)，平均入滲速率還與MWD呈正相關(guān)關(guān)系（R2＝0.62），說(shuō)明土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高，越有利于水分的入滲，團(tuán)聚體高分散度則不利于土壤的水分入滲.土壤入滲速率與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系體現(xiàn)了不同的耕作措施會(huì)進(jìn)一步改善土壤理化性質(zhì)，如提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用機(jī)制［30］、改變土壤有機(jī)質(zhì)含量、降低容重等，從而增加土壤的入滲能力［31］.

表4 土壤入滲速率與理化性質(zhì)相關(guān)系數(shù)表Tab.4 Correlation coefficients between soil infiltration rate and influencing factors

2.3 不同耕作措施土壤入滲過(guò)程以及模型擬合 由5種耕作措施雙環(huán)入滲實(shí)驗(yàn)的過(guò)程曲線（圖1）看出，不同處理的入滲曲線在試驗(yàn)前10 min內(nèi)呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸達(dá)到穩(wěn)定入滲狀態(tài).順坡和輪作的入滲曲線下降速率最快，且2種措施入滲曲線十分接近，在大約40 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定入滲狀態(tài)，整個(gè)入滲過(guò)程都低于其他措施，說(shuō)明這2種措施的土壤不利于水分入滲.相比之下，套種的入滲曲線下降速率較慢且明顯高于其他措施，達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間在50 min左右，這與前文所述套作具有較高的有機(jī)質(zhì)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量有關(guān)，說(shuō)明套作利于改善土壤性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)，增加土壤入滲能力.有機(jī)肥和覆蓋措施的入滲曲線處在中間位置，其中覆蓋的入滲曲線在入滲初期較高，但入滲速率隨時(shí)間遞減較快，其穩(wěn)定入滲速率與輪作接近，說(shuō)明如果不考慮地表秸稈攔蓄徑流的作用，覆蓋在降雨初期具有一定的減流效益，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性降雨減流能力有限.

圖1 不同處理的入滲曲線對(duì)比Fig.1 Infiltration rates for the different tillage practices

使用Philip、Horton和Kostiakov入滲方程對(duì)不同耕作措施的入滲速率和入滲時(shí)間進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)和結(jié)果見(jiàn)表5和圖2.

用Philip入滲方程擬合的吸滲率s值變化范圍在21.57到26.55之間，s值越大入滲速率越大［32-33］，由模擬結(jié)果可知，套作、覆蓋和有機(jī)肥措施的s值最大且明顯大于輪作和順坡.由圖2的1∶1線圖可以看出，Philip公式對(duì)各措施穩(wěn)定入滲速率（最低的5個(gè)數(shù)值）的估算值與實(shí)測(cè)值相比均顯著偏高（ANOVA，P＜0.001）.整體上來(lái)看Philip公式對(duì)入滲速率的估算值與1∶1線較為接近，盡管對(duì)于最大入滲速率的估算存在一定程度低估，但對(duì)于各措施初始入滲速率（最高的5個(gè)數(shù)值）的估算值與實(shí)測(cè)值差異不大（ANOVA，P＞0.05）.

Horton入滲方程擬合的5種耕作措施的k值變化范圍在0.04到0.08之間，各措施k值與入滲速率之間的關(guān)系并不明顯.由1∶1線圖可以看出，Horton方程對(duì)首個(gè)入滲速率普遍存在低估，特別是套作措施，其前5個(gè)初始入滲速率的估算值顯著低于實(shí)測(cè)值（ANOVA，P＝0.02）.隨著入滲繼續(xù)進(jìn)行，Horton方程的估算值開始超過(guò)實(shí)測(cè)值，除順坡外各措施的估算值都在1∶1線以上.而到穩(wěn)定入滲階段估算值則又回到1∶1線附近，后5個(gè)穩(wěn)定入滲速率的估算值與實(shí)測(cè)值差異不大.

由Kostiakov方程模擬的結(jié)果來(lái)看，不同耕作措施a值大小排序?yàn)椋禾鬃?＞有機(jī)肥 ＞覆蓋 ＞順坡＞輪作，這與實(shí)測(cè)的入滲曲線趨勢(shì)一致，由模型擬合得到b值變化范圍在0.34～0.53，覆蓋的b值為0.53，說(shuō)明其入滲速率衰減較快，這與圖1覆蓋措施實(shí)測(cè)入滲速率降低較快的現(xiàn)象吻合.Kostiakov方程的估算結(jié)果全程與1∶1線較為接近，估算得到的初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率均與實(shí)測(cè)值差異不大.

進(jìn)一步比較Philip、Horton和Kostiakov 3種入滲方程用于估算不同耕作措施入滲速率的模型有效系數(shù)均值，分別為0.73、0.88和0.95，由此可見(jiàn)Kostiakov模型更適于擬合本研究5種耕作措施土壤水分的入滲過(guò)程.

表5 不同耕作措施3種常見(jiàn)入滲方程的擬合參數(shù)Tab.5 Fitting parameters of infiltration of different tillage treatments

圖2 3種模型對(duì)不同耕作措施入滲速率的擬合效果對(duì)比Fig.2 Comparison of the fitting effects of three models on infiltration rate of different tillage practices

3 研究結(jié)論

本文通過(guò)野外采樣、模擬試驗(yàn)和數(shù)理分析，對(duì)比了典型紅壤坡耕地5種耕作措施條件下的土壤性質(zhì)和入滲能力，得出主要結(jié)論如下.

1）在紅壤坡耕地采用套作、覆蓋和有機(jī)肥處理的耕作措施可以顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性并改善土壤結(jié)構(gòu)，從而提高土壤入滲能力.

2）從整體統(tǒng)計(jì)、過(guò)程分析和數(shù)理模擬的結(jié)果都可以看出，套作、覆蓋和有機(jī)肥處理的土壤入滲能力指標(biāo)均顯著高于輪作和傳統(tǒng)順坡耕作措施，可見(jiàn)采用套作措施的土壤入滲能力最強(qiáng)，涵養(yǎng)水分的效益最優(yōu)；入滲速率指標(biāo)與土壤有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體平均重量直徑、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈正相關(guān)，與土壤容重、團(tuán)聚體分散度指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.

3）使用Philip、Horton和Kostiakov 3種入滲方程估算各耕作措施的土壤入滲過(guò)程，發(fā)現(xiàn)Philip將導(dǎo)致穩(wěn)定入滲速率高估，Horton方程則可能低估初始入滲速率，而在后續(xù)階段則存在高估問(wèn)題，Kostiakov方程在入滲全程的擬合效果均較好，整體模型有效系數(shù)也表明該方程的估算精度較高，可用于估算本研究紅壤坡耕地的土壤入滲過(guò)程.