砒砂巖區(qū)不同土地利用類型土壤入滲性能及其影響因素研究

楊振奇，秦富倉*，李旻宇，李龍，錢秋穎，李艷

1.內蒙古農業(yè)大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區(qū)林業(yè)監(jiān)測規(guī)劃院，內蒙古 呼和浩特 010020

水分在土壤中的入滲過程是自然界水循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)，也是水分轉化為土壤系統(tǒng)中動植物可吸收利用形式的主要過程。土壤的入滲性能是土壤的基礎屬性之一，關于土壤入滲規(guī)律的研究成果十分豐富，有諸如Horton模型、Philip模型和Green-Ampt模型等眾多經典的理論（雷廷武等，2017），但土壤入滲模型的研究、環(huán)境因素對土壤入滲的影響機制、及其在生產實踐中的轉化應用等問題，依然是當今國內外土壤科學研究的熱點（Zaibon et al.，2017；Esen et al.，2013；Fatehnia et al.，2016；Thierfelder et al.，2009）。相關研究表明，土壤的入滲過程受多種因素綜合影響作用（Boulal et al.，2011；Suat et al.，2018），使用單因素無法全面的描述土壤入滲過程。數(shù)量生態(tài)學中約束性排序方法常用于分析特定環(huán)境梯度影響下因變量的響應規(guī)律，在土壤學研究中的應用相對較少（郭欣欣等，2018；楊振奇等，2019），可以嘗試將約束性排序方法應用于土壤入滲過程的研究中，以期為土壤入滲機制和產匯流模型的研究提供理論基礎。

砒砂巖區(qū)是黃土高原上侵蝕最劇烈的區(qū)域，同時也是黃河中游段粗泥沙的集中來源區(qū)。砒砂巖成巖程度低，礦物顆粒間膠結結構差，在風水復合作用下極易潰散侵蝕，治理難度極大（李長明等，2018）。該區(qū)自上世紀80年代大面積營造人工林，如今生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，但仍面臨造林成活率低和林地生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴峻問題。開展砒砂巖區(qū)不同土地利用類型土壤入滲過程及影響機制研究，對于科學指導植被建設，促進黃河流域生態(tài)文明建設有重要現(xiàn)實意義。目前，國內關于土壤入滲規(guī)律的研究成果較為豐富，研究區(qū)域多集中于黃土區(qū)、紫色土區(qū)和沙地等區(qū)域（李建興等，2013；劉凱等，2013）。然而，針對砒砂巖區(qū)的研究相對較少，特別是土壤因素對入滲過程的影響機制尚不明確。基于以上背景，本研究選取砒砂巖區(qū)不同土地利用類型下土壤為研究對象，應用約束性排序的理論方法，研究砒砂巖區(qū)土壤入滲過程及其影響機制，以期為砒砂巖區(qū)的水文過程模擬和土壤侵蝕預測提供數(shù)據支撐，對于促進該區(qū)生態(tài)修復工作向理想方向發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯市準格爾旗西部暖水鄉(xiāng)內的鮑家溝流域，地理坐標為 110°31′—110°35′E，39°46′—39°48′N，海拔在 1110—1300 m 之間；流域地形北高南低；屬溫帶大陸性氣候，冬季漫長干燥，夏季短暫溫熱，年均氣溫7.2 ℃，年降雨量400 mm；土壤類型以栗鈣土為主。該流域自20世紀90年代末實施生態(tài)移民搬遷政策，隔絕人類開發(fā)建設項目干擾，僅保留少量有灌溉條件的耕地，作為水土保持示范田（無施肥施藥）。該區(qū)土地利用類型以林地和草地為主，主要植物種有：油松（Pinus tabuliformis）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、羊草（Leymus chinensis）、豬毛菜（Salsola nitraria）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與試驗方法

2018年7月在試驗區(qū)內依據土地利用類型的不同，選取了最為常見的林地、水澆地、草地和裸地為研究對象每種土地利用類型下選取地形條件一致且地勢平坦的地段設置試驗點 3個，共設置 12個試驗點，每個試驗點設計重復試驗3次，樣地信息見表1。用環(huán)刀和鋁盒采集0—20 cm土樣，每一試驗點隨機采集5份土樣，土壤樣品帶回室內風干、處理以供分析測定。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of sample plot

入滲試驗采用雙環(huán)入滲法（張建軍等，2013），環(huán)高30 cm，厚2 mm，外環(huán)直徑為20 cm，內環(huán)直徑為10 cm。測定前清理地表植被和枯落物后，將雙環(huán)勻速壓入土壤中，采用馬氏瓶供水，保證內外環(huán)水位齊平，測定開始后，記錄下降1 cm水量所需要的時間，直至連續(xù)5次以上所用時間相同，可以認為土壤已經達到穩(wěn)滲，穩(wěn)定入滲速率則為土壤達到穩(wěn)定入滲后，連續(xù)5個時段內的土壤入滲速率的均值。

土壤有機質的測定采用 K2CrO7外加熱法，土壤含水量的測定采用烘干法，土壤容重和孔隙度的測定采用環(huán)刀法，＞0.25 mm團聚體含量測定采用濕篩法，土壤顆粒平均粒徑測定采用馬爾文 3000激光粒度測定儀。

土壤顆粒d0的平均粒徑計算公式如下：

式中，φ16、φ50、φ84分別為累積頻率分別為 16%、50%和84%時所對應的顆粒直徑。

1.2.2 入滲模型

本研究的入滲模型采用 Kostiakov模型、通用經驗模型、Philip模型和Horton模型。

（1）Kostiakov模型

式中：f(t)為入滲速率（mm·min-1），t為入滲時間（min），a、b為擬合參數(shù)。

（2）通用經驗模型

式中：f(t)為入滲速率（mm·min-1），t為入滲時間（min），a1、b1、k為擬合參數(shù)。

（3）Philip模型

式中：f(t)為入滲速率（mm·min-1），t為入滲時間（min），S為土壤吸滲率、A為穩(wěn)滲率。

（4）Horton模型

式中：f(t)為入滲速率，f0為初滲率，fc為穩(wěn)滲率，t為入滲時間（min），n為擬合參數(shù)。

1.2.3 數(shù)據處理

土壤因子與入滲速率與土壤因子的關系研究采用Canoco 4.5軟件進行分析，入滲模型擬合、單因素方差分析和LSD多重比較運用SPSS 19.0完成，數(shù)據可視化在Orgin 2018下完成。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤理化性質

土壤作為一種多元結構的復雜介質，其理化性質對水分的入滲過程至關重要。由表2可知，研究區(qū)水澆地土壤顆粒最細，其平均粒徑為155.97 μm，其次為林地和草地平均粒徑分別為 167.57 μm 和231.20 μm，裸地土壤顆粒最粗，平均粒徑為380.63 μm；從土壤的緊實程度來看，不同土地利用類型土壤容重在1.34—1.52 g·cm-3之間，水澆地土壤容重最低為1.34 g·cm-3，孔隙度最高為47.67%，其土壤相對較為疏松，而草地和裸地的土壤相對緊實且通氣性差；從土壤的自然含水率來看，林地土壤含水率為22.33%，顯著高于其他土地利用類型，裸地的含水率顯著低于其他土地利用類型，水澆地與草地的含水率差異不顯著；不同土地利用類型土壤中大于0.25 mm的團聚體含量差異顯著，呈水澆地＞林地＞草地＞裸地的規(guī)律；土壤有機質含量則表現(xiàn)為裸地顯著低于其他土地利用類型。整體來看，林地和水澆地相比其他土地利用類型土壤較為疏松且肥沃，利于水分的入滲和保持。

表2 不同土地利用類型土壤理化性質Table 2 Soil physical and chemical properties of different land use types

2.2 不同土地利用類型土壤入滲過程及模型

圖1 不同土地利用類型土壤入滲特征Fig.1 Soil infiltration characteristics of different land use types

圖 1a為不同土地利用類型土壤的入滲過程，可以看出幾種土地利用類型土壤入滲速率隨時間變化的曲線形態(tài)相似，均表現(xiàn)為入滲初期的2 min以內入滲速率最快，隨著時間延長，入滲速率呈波動性的下降趨勢。當入滲持續(xù)時間約達到40 min以上后，土壤水分環(huán)境逐漸飽和，入滲速率下降速率變緩，最終維持在穩(wěn)定的入滲速率狀態(tài)下。由圖1b可知，林地的初始入滲速率為14.96 mm·min-1，顯著高于其他土地利用類型，其入滲速率下降幅度最為劇烈，其余依次為水澆地、草地和裸地；土壤穩(wěn)滲速率呈水澆地＞林地＞草地＞裸地的趨勢。裸地的入滲速率普遍低于其他地類，可能與基巖出露現(xiàn)象有關。

專家學者們對于經典的土壤入滲模型在砒砂巖區(qū)的適用性尚無統(tǒng)一的結論，故此本研究選取常用的4種模型對其在砒砂巖區(qū)的適用性進行評價。由表3可知，4種模型的決定系數(shù)均在0.900以上，擬合效果良好。Kostiakov模型中的a被稱作經驗入滲系數(shù)，不具備特定的物理意義，其值與初滲速率成正比，擬合a值與實測的初滲速率的差異規(guī)律一致，模型中的b值為經驗入滲指數(shù)，亦不具備特定的物理意義；通用經驗模型中，a1和b1分別與初滲速率和穩(wěn)滲速率呈正比，擬合a1值與b1值與實測規(guī)律不符；Philip模型中S為土壤的吸濕速率，A值為穩(wěn)定入滲速率，其值范圍為 0.119—1.829，與實測值相差較大；Horton模型f0和fc分別代表了初滲速率和穩(wěn)滲速率，擬合的f0值范圍為 0.700—22.53，與實測值接近，擬合fc值范圍為 2.420—5.057，與裸地的實測值存在較大出入。綜上，雖然4個模型對土壤入滲過程均可實現(xiàn)良好擬合，但從擬合的初滲速率和穩(wěn)滲速率值與實測值的一致程度來看，Kostiakov模型和Horton模型模擬效果相對較好，然而Horton模型擬合的裸地土壤入滲過程與實測值存在較大誤差，這可能與裸地存在砒砂巖出露的實際情況有關，因此Kostiakov模型更適用于砒砂巖區(qū)不同土地利用類型土壤入滲規(guī)律的模擬。

表3 土壤入滲模型擬合結果Table3 Results of soil infiltration model fitting

2.3 土壤因素對入滲過程的影響

水分的入滲過程主要受溫度、氣壓、土壤和人類活動的影響較大，研究流域實施移民搬遷后，排除大面積的人類開發(fā)建設項目干擾，不考慮溫度和氣壓差異的前提下，土壤本身的因素對入滲過程的影響就顯得尤為突出。本文選取土壤容重、孔隙度、土壤含水率、平均粒徑、＞0.25 mm團聚體含量和有機質含量6個土壤因素，通過約束性排序的方法分析其對入滲過程的影響。

表4為初滲速率、穩(wěn)滲速率與土壤因子的冗余分析結果，典范軸梯度最大值分別為0.16和0.100，適宜采用冗余分析方法。第一軸和所有軸的蒙特卡羅置換檢驗結果P值均小于0.05，說明冗余分析的結果可信（α=0.05水平）。初滲和穩(wěn)滲速率的兩組排序中，第一軸特征值分別為 0.87、0.95，前兩個排序軸所形成的排序關系可以充分反映土壤因子對入滲速率的影響作用。根據初滲（穩(wěn)滲）速率與土壤因子排序軸的相關度，可以將第一排序軸可以定義為容重軸。將第二排序軸定義為粒徑軸。同理，穩(wěn)滲速率排序模型中第一排序軸定義為有機質軸，第二軸定義為容重軸。

為了進一步分析單個因子的解釋能力，以單個因子作為主變量，其余因子作為協(xié)變量，進行偏冗余分析。由圖 2a可以看出各土壤因子容重對初滲速率的解釋能力最強，有機質含量對穩(wěn)滲速率的解釋能力最強。

圖3為不同土地利用類型土壤初滲（穩(wěn)滲）速率與土壤因子的排序關系圖，土壤因子箭頭的長度反映了土壤因子對響應變量的解釋量，樣地間距離和分散程度反映了各樣地土壤入滲性能的相近關系。由圖3a可以看出，相同土地利用類型土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率相接近，裸地土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率與其他土地利用類型土壤存在明顯的差異。林地樣地的沿第一軸排列，說明土壤容重對初滲速率變化存在較大的影響作用，平均粒徑和團聚體含量等因素的交互作用對其影響相對較小。草地和裸地樣地沿第二軸排列，說明平均粒徑、團聚體含量、有機質含量等土壤含水率因素的交互作用對其初滲速率影響較大，土壤容重的影響相對較小。水澆地則分布在原點范圍，說明其土壤初滲速率受多個土壤因素綜合影響。由圖3b可以看出，林地、裸地、草地樣地主要沿第二軸分布，容重對其土壤穩(wěn)滲速率的限制性作用較強，土壤有機質含量等因素的交互作用對其影響較弱，而水澆地樣地沿第一軸分布，其土壤穩(wěn)滲速率受有機質含量的影響較大。

表4 入滲速率與土壤因子冗余分析結果Table 4 Results of RDA of SOM and SOIL factors

圖2 單個土壤因子的解釋量Fig.2 The explain content of individual soil factors

圖3 土壤因子與初滲（穩(wěn)滲）速率的冗余分析排序Fig.3 RDA ordination of soil factors and initial (steady) infiltration rate

3 討論

水分在土壤中的入滲過程，是水分在土壤介質中通過不斷的填充和移動最終達到動態(tài)平衡的過程。大量研究證實，土壤的物理性質是影響土壤入滲過程的重要因素（譚學進等，2019；Omulabi et al.，2013）。本研究以砒砂巖區(qū)土壤為研究對象，該區(qū)裸地附近常伴隨著基巖的出露，且基巖礦物成分中的蒙脫石吸水極易膨脹堵塞孔隙，不利于水分的入滲過程（劉慧等，2016；李長明等，2016）。本研究證實，無植裸地土壤容重為1.52 g·cm-3，有機質含量僅為3.65 g·kg-1，土壤緊實且缺乏團粒結構，通氣透水性能差，因而裸地土壤不利于水分的入滲。而林地和草地因為植被生長過程中對土壤的改良和覆蓋作用，水澆地土壤則是由于人為的田間管理作用，使其土壤長期保持相對松散和肥沃的狀態(tài)，利于水分的入滲和保持。本研究的前期研究也證實了，林地土壤在持水能力等方面均明顯優(yōu)于草地（楊振奇等，2017）。

土壤入滲過程可以通過對入滲速率與入滲時間建立數(shù)學關系來進行模擬。吳思萱等（2019）和陳文媛等（2017）對黃土區(qū)不同土地利用類型土壤入滲模型的研究表明，通用經驗模型和Philip模型的擬合效果良好。馬文梅等（2018）的研究表明，Kostiakov模型更適宜于砒砂巖區(qū)原狀和擾動土壤入滲過程的模擬。本研究選取了常用的4種數(shù)學模型對砒砂巖區(qū)不同土地利用類型土壤的入滲過程進行模擬，4種模型的決定系數(shù)均達到了0.9以上。從數(shù)學角度來看，4種模型均可以表達入滲速率與入滲時間的關系，但從實測吻合程度來看，通用經驗模型、Philip模型和Horton模型與實測值均存在差異，特別是對裸地的模擬誤差較大。部分研究認為，Kostiakov模型中，t無窮大時，f(t)趨近于0，與實際情況不符（陳娟等，2018）。但本研究認為Kostiakov模型作為經驗模型雖然不具備物理基礎，但模型中的a和b值反映出的初始入滲速率和入滲速率的衰減幅度信息與實際情況相近，在能夠確定t范圍的前提下，該模型參數(shù)獲取簡便，可以用于砒砂巖區(qū)不同土地利用類型土壤入滲規(guī)律的模擬。

前人的研究中，土壤入滲過程的影響因素的研究中多采用相關分析或線性回歸法（劉芝芹等，2014；張治偉等，2010）。本研究則嘗試將約束性排序的方法引入到土壤入滲過程的研究中，通過將入滲速率按照土壤因子的梯度變化進行排列，以研究多因子對入滲速率的影響作用。本研究中土壤入滲速率沿影響因素排序的原因是，森林植被對于土壤物理性質的影響較慢，因而容重對林地土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率起主導作用，有機質等土壤肥力因素的影響相對較弱（Kooch et al.，2016；譚學進等，2019）。相反，草地和裸地抵抗土壤侵蝕和外界干擾的能力較弱，土壤物理性質和肥力條件較差，淺層土壤結構不穩(wěn)定（張曉娜等，2018）。水分在入滲初期與土壤的機械組成情況有關，但隨著入滲路徑的延長，制約其入滲過程的因素仍與林地一致，因此土壤機械組成、肥力條件和團聚體結構的交互作用是制約草地和裸地的初滲速率的主導因素，而容重是影響其穩(wěn)滲速率的主要因素。水澆地的土壤肥力和土壤結構受人為調控，特別是耕作層的各項土壤性質均優(yōu)于其他地類，因此水澆地初滲速率受各土壤因素的綜合制約，而隨著入滲時間的延長，土壤養(yǎng)分的遷移和淋溶會造成土壤結構的差異，因此有機質含量是限制其穩(wěn)滲速率的主要因素。

4 結論

砒砂巖區(qū)不同土地利用類型土壤初滲速率在1.56—14.96 mm·min-1之間，呈林地＞水澆地＞草地＞裸地的規(guī)律，穩(wěn)滲速率在0.53—2.71 mm·min-1之間，呈水澆地＞林地＞草地＞裸地的規(guī)律，不同土地利用類型土壤入滲過程可以用Kostiakov模型進行模擬。

砒砂巖區(qū)林地土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率的主要受土壤容重的影響；草地和裸地土壤的初滲速率受土壤結構和肥力因素的綜合影響，穩(wěn)滲速率主要受土壤容重的影響；水澆地土壤的初滲速率受各土壤因素的綜合影響，穩(wěn)滲速率主要受土壤機質含量的影響。