農林復合種植模式對紅壤坡地表土水力特性及儲水的影響

劉 昭，徐燕星，鄭海金，左繼超，陳秀龍

農林復合種植模式對紅壤坡地表土水力特性及儲水的影響

劉 昭1,2，徐燕星3，鄭海金1,2※，左繼超1,2，陳秀龍1,2

（1. 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，南昌 330029；2. 江西省水土保持科學研究院，南昌 330029；3. 江西水利職業學院，南昌 330013）

為探討紅壤坡地不同農林模式表層土壤水力特性差異及其對土體儲水量的影響，該文分析了紅壤坡地“農-林-草”、“農-林+橫坡耕作”、“農-林+順坡耕作”和“純林”4種典型農林復合模式表層土壤（0～0.30 m）的土壤水力特征參數，并通過Richards方程數值求解模擬了不同表層土壤水力特性下的土壤含水率動態和土體儲水量。結果表明，農林復合模式對表層土壤水力特性有較大影響，“農-林-草”、“農-林+橫坡耕作”、“農-林+順坡耕作”、“純林”模式的表層土的土壤性質依次表現為：土壤黏性增強（土壤進氣值倒數減小）、透水性減弱（飽和水力傳導度減小）。飽和水力傳導度、土壤進氣值倒數與土壤容重的相關系數為-0.98和-0.96。當僅考慮表層土壤水力特性差異時，土體儲水能力由強到弱依次為“農-林-草”、“農-林+橫坡耕作”或“農-林+順坡耕作”和“純林”模式土壤。“農-林-草”模式表層土壤具有在蒸發期減少深層土壤水消耗、在降雨期增加深層土壤水補給的作用，該土壤儲水機制為“農-林-草”復合種植模式推廣提供了理論基礎。

土壤；水分；水力特性；Richards方程；紅壤坡地；農林草模式

0 引 言

土壤水文過程是地表水文過程和地下水文過程的重要連接紐帶，也是土壤侵蝕、作物生長、地下水污染等過程的重要影響因素。紅壤坡地是南方重要的農業資源，人為耕作使得土壤上層透水性增強，其年均入滲至土壤中的水量占降雨量的90%以上[1]，加之該區降雨豐沛，其土壤水分運動極其活躍。但是，南方紅壤區干濕交替頻繁，又極易發生洪澇災害和季節性干旱。因此，深入研究該區的土體儲水量規律，可以為防汛抗旱、生態水源涵養及水土流失控制提供理論依據。

土壤水分存儲和消耗會受到土壤水力性質[2]、土層厚度[3]和上覆植被[4]等因素的影響。在經果林下進行農業耕作是南方紅壤坡地重要的開發利用方式[5]。已有研究證實，由于生物影響、土壤侵蝕以及人為翻耕等綜合作用的影響，不同農林開發模式（如不同的耕種方式、是否采取水土保持措施等）會對表層土壤機械組成和土壤微生物等產生影響[6]。在理論上，土壤物質組成改變會引起土壤水力性質的變化，例如一些土壤水力參數可以由土壤物質組成經土壤傳遞函數（pedotransfer function，PTF）計算獲得[7-8]。但是，紅壤坡地不同農林開發模式實測表層土壤水力性質究竟有何差異仍有待進一步證實，而這種表層土壤水力性質差異對于土壤水分存儲規律有何影響也還需要深入研究。

土壤水力性質主要表現為“負壓-含水率-水力傳導度”之間的非線性關系，可以由Gardner-Russo 模型[9]、Brooks-Corey 模型[10]和van Genuchten-Mualem模型[11]等進行描述，這些模型中的參數即土壤水力參數。例如，廣泛使用的van Genuchten-Mualem模型中，即包含了5個獨立的參數。其中，飽和水力傳導度可以通過原位或實驗室的入滲試驗獲取，而其余4個參數則可以采用上述公式擬合試驗測定的“負壓-含水率”等數據集而求得，測定方法通常有快速離心法（離心機）、壓力板法（壓力膜儀）和飽和-蒸發原理（hyprop）等[12]。

土體儲水量可以由實測不同點位土壤含水率直接獲得，但由于儀器誤差、野外條件復雜以及影響因素難以控制等因素[13]，很難直接說明表層土壤水力性質差異對于土壤水分存儲規律的影響。而數值模擬方法可以輸出僅考慮某單一影響因素下的結果，也便于從機理上分析該因素對結果的影響機制。Richards方程以達西定律和質量守恒定律推導，具有堅實的物理理論基礎[14]，在土壤水分數值模擬中廣泛應用[15-16]。當明確該方程的土壤參數和定解條件后，即可模擬輸出土壤含水率（或負壓）空間分布，從而計算土體儲水量。土壤水分運動在田間尺度上主要是以垂向一維運動為主，而水平方向上的通量較小，許多Richards方程模型均采用了垂向一維假設[17-19]。查元源等[20-21]評價了幾種使用廣泛的數值求解方法，其中Ross方法[22]對于非飽和節點采用含水率為主變量，在空間上采用有限單元法進行離散，在時間上采用非迭代算法，在模型收斂性、計算效率和計算精度上均具有優勢，這為求解Richards方程和分析土體儲水規律提供了有效工具。

本文選用壓力膜儀試驗和飽和入滲試驗測試土壤水力特性，分析不同農林模式下的表層土壤水力參數的差異，然后基于一維Richards方程Ross方法數值求解，探討表層土壤水力參數的差異對土體儲水量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于江西省德安縣境內的江西水土保持生態科技園（115°42′38″～115°43′06″ E、29°16′37″～29°17′40″N），屬于鄱陽湖水系博陽河流域。該科技園處于中國南方紅壤的中心分布區域，成土母質以第四紀紅黏土為主，地貌為淺丘崗地，海拔30～100 m，坡度5°～25°；屬于亞熱帶季風氣候區，土壤干濕交替頻繁，年平均降雨量1 469 mm，但年內分布不均，4—8月降雨量占年降雨量的60%以上。多年平均氣溫16.7 ℃，7月極端氣溫可達40 ℃，年日照時數為1 650～2 100 h，多年平均無霜期149 d。在野外試驗小區附近，設置了自動氣象觀測站，可提供降水等氣象觀測數據。

在土壤理化特性較一致、坡度較均一的同一坡地上，布設4個試驗小區。根據當地常用的農林復合方式和水土保持實踐經驗，4個小區分別設置“農-林-草”、“農-林+橫坡耕作”、“農-林+順坡耕作”和“純林”4種農林復合模式，如表1所示，于2000年開始運行，初步運行結果表明，這4種農林復合模式的水土保持效果由高到低依次為“農-林-草”、“農-林+橫坡耕作”、“農-林+順坡耕作”和“純林”。

表1 野外試驗小區布置

每個小區均為矩形坡面，垂直坡向寬度5 m，沿坡向水平投影長度為20 m，坡度為12°，四周有隔水用的混凝土墻，坡腳出口設置徑流池，用于長期定位觀測地表徑流量和侵蝕泥沙量；成土母質均為第四紀紅黏土，地表下深1 m處為基巖底板。每個小區均種植了12棵成年柑橘，沿坡度方向2列（間距2.5 m），垂直坡度方向6行（間距3 m）。

1.2 樣品采集與指標測定

由于各試驗小區土壤翻耕深度均在0.30 m左右，本文將土壤表層定義在0～0.30 m。于2015年11月進行土壤樣品采集。每個小區在坡上、坡中、坡下3個坡位，各坡位隨機設置3個土壤采樣點，故4個小區共有36個采樣點。以土鉆在各采樣點0～0.30 m深度取新鮮土樣，并將同一小區同一坡位的土樣混合均勻后，采用4分法保留1 kg左右土樣備用。隨后，以100 cm3環刀和壓力膜儀專用環刀在每個采樣點取原狀土樣。采用烘干法測試土壤容重，采用比重計法測定土壤機械組成，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質含量，采用中性乙酸銨法測定土壤陽離子交換量。表層土壤的基本理化性質測試結果如表2所示。對于土壤水力參數，采用美國SEC公司生產的壓力膜儀測定土壤水分特征曲線（土壤含水率與負壓間的關系曲線），采用飽和入滲試驗測試飽和水力傳導度。

表2 不同農林復合模式下表層土壤基本理化性質

1.3 數據分析方法

1.3.1 土壤水運動數學模型

土壤水運動控制方程由一維Richards方程描述[20]：

對于無積水的坡地，上邊界條件可以由變通量邊界表示為