紅壤坡地耕作措施對土壤入滲過程的影響機制

王 移，曹龍熹，樊劍波，任 平

（1.四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，四川成都610066； 2.成都理工大學地球科學學院，四川成都610059；3.中國科學院南京土壤研究所，江蘇南京210008；

南方紅壤區有4 335萬畝（289萬 hm2）坡耕地，發生在坡耕地上的水土流失占區域流失總量的40%以上［1］，也是導致土壤養分流失和肥力退化的主要因素.另一方面，以季節性干旱為代表的土壤水分季節分配不均的問題嚴重制約了耕地生產力的提高.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流和水土流失強度，同時也提高旱季土壤涵養水源的能力.

土壤水分入滲是水分通過地表向下流動進入土壤的運動和再分布過程，受到土壤理化性質、土地利用方式、土壤下墊面條件等多種因素的控制［2-3］.其中土壤性質是影響入滲能力的重要方面，土壤有機質含量、團聚體和土壤結構等因素都與土壤入滲能力密切相關［4-5］.土壤屬性在很大程度上受到人類活動的影響，人類活動作用于土壤中生物和理化過程，從而改變土壤有機質、養分含量、容重、孔隙度、初始含水量、團聚體結構等指標［6］.國內外學者已對不同利用方式下的土壤理化性質變化和入滲性能的響應進行了大量的研究［7-10］.在南方紅壤區，學者們也針對農地、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］，對于農地來說，耕作措施和管理方式是決定土壤入滲過程的關鍵方面，而目前紅壤區針對耕作措施影響土壤入滲的機制研究仍相對較為薄弱，特別是多種措施的過程對比和效益評價研究不足.

研究土壤入滲機制需要開展野外或室內模擬試驗，如模擬降雨法、雙環入滲法或者環刀法等［14］，其中雙環入滲法因其原理簡單、擾動較小且能反映野外實際條件，被國內外很多學者用來研究土壤入滲過程和測定入滲參數［15-17］.在獲取土壤入滲過程數據的基礎上可以構建數理模型進行趨勢擬合和參數量化［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.學者們研究發現不同試驗方法測定結果適宜的入滲數理模型各不相同［16］，甚至同一種土壤在不同季節入滲曲線的擬合模型也存在差異［21］，這體現了土壤入滲的復雜機制，也說明了開展不同條件下土壤入滲能力對比量化研究的必要性.

本文以典型紅壤坡耕地為研究對象，布設以花生為主的5種種植措施，基于田間小區長期試驗樣地探究耕作措施對土壤理化性質的影響程度和方式，并通過野外雙環入滲試驗獲取土壤入滲過程參數，在此基礎上分析耕作措施對土壤入滲的影響機制，提出用于研究區坡耕地土壤入滲評價的方法，從而為紅壤坡地耕作措施的優化布設提供理論依據.

1 研究方案

1.1 研究區概況 本研究試驗布設在中國科學院紅壤生態試驗站，位于江西省鷹潭市余江縣內（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向潘陽湖平原過渡地帶，地勢變化平緩，以低丘和崗地為主，海拔均在100 m左右，屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，年平均氣溫17.6℃，年降雨量1 785 mm，但季節分布不均，降雨50%集中于每年的3月至6月，年均日照時數為1 852.4 h，年蒸發量1 378 mm，具有明顯的干濕季節變化、夏、秋之間旱情突出，無霜期為262 d.研究區常見植被有常綠闊葉林、落葉闊葉林及針葉林，覆蓋率約為45%.成土母質以第四紀紅色黏土、泥質頁巖、花崗巖為主，土壤類型為紅壤和紅壤性水稻土，適用于農林牧生產，主要農作物為玉米、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，加之土壤自然風化度程度高、肥力水平低、黏粒含量高，具有易板結、易侵蝕等特點，主要水蝕類型為面蝕和溝蝕，并以面蝕為主［22-23］.

1.2 試驗樣地設置 花生是當地旱作的主要經濟作物，本研究在考慮當地傳統耕作措施的基礎上，以花生為主要作物設置了5個處理，分別為：1）傳統花生順坡壟作；2）花生+蘿卜輪作；3）花生+秸稈覆蓋；4）花生+有機肥；5）花生+柑橘套作.除傳統順坡外，其他幾種處理的花生均為橫坡壟作，耕作措施詳見表1.每個處理設置3個重復，共15個小區樣地，于2012年布設在中科院紅壤生態試驗站站區西側，小區間距大于1 m，使用1 m×1 m的水泥板與周圍地區隔開，水泥板露出地表20 cm，埋在地下80 cm，其中柑橘套作小區為20 m×10 m；其余小區為20 m×5 m.

1.3 土壤樣品采集與指標測定 在每個實驗小區按照“S”形五點法采集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，風干、過篩后備用.同時使用環刀法采集土樣測定容重、土壤孔隙度、土壤含水量等指標.采集團聚體指標樣品時，為保證田間原狀土壤結構不被破壞，需在田間采集大土塊，用硬質鋁盒承裝至實驗室，風干至合適含水量后沿自然破裂面小心掰開儲藏備用.土壤有機質采用重鉻酸鉀硫酸消煮法，土壤質地分析用吸管法；采用濕篩-Yord改進法測定水穩性團聚體指標，并計算不同耕作措施土壤的平均重量直徑（MWD，mean weigh diameter），團聚體分散度（PAD，percentage of aggregate disruption），包含＞0.25 mm 團聚體分散度（PAD0.25）和 ＞2 mm團聚體分散度（PAD2），水穩性團聚體百分含量（WSA，water stable aggregate），常用的指標有 ＞0.25 mm水穩性團聚體百分含量（WSA0.25）.

表1 不同耕作措施徑流小區基本特征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月份即旱季在小區開展雙環入滲試驗.入滲試驗裝置采用特制的雙環，其中內環直徑為35.5 cm，外環為55.5 cm，環壁高為25 cm，內環用于入滲試驗，外環主要是防止內環入滲時可能發生的側向滲漏.試驗時內環和外環打入土的深度均為15 cm，兩環的積水深度均為5 cm，試驗采取快速人工加水［24］.試驗前期入滲速率較快，按圓環內水位下降1 cm計時，根據入滲所需的時間計算入滲速率，試驗后期入滲速率逐漸減小，在試驗進行到60 min后改為記錄5 min內的內環水位下降深度，試驗結束時間統一為90 min，在這一時間內各處理的入滲速率基本都達到穩定，即連續5次測定的入滲速率大致相同.根據記錄的入滲過程數據計算初始入滲速率（試驗開始5 min內的入滲速率平均值）、穩定入滲速率（試驗結束前5次入滲速率平均值）和平均入滲速率（每次試驗的總耗水量除以試驗時間），入滲試驗在每個小區進行2次重復，共進行30次試驗.

1.4 入滲模型與數理分析方法 為了準確量化土壤入滲過程，結合國內外已有土壤入滲機制研究結果，選取具有較好代表性的Horton方程、Philip方程和Kostiakov方程來模擬不同耕作措施的水分入滲過程.

1）Philip方程

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

2）Horton公式

其中，f1為初滲速率（mm/min），k為試驗求得的參數.

3）Kostiakov方程

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

采用 Nash 等［26］提出的模型有效系數（Ef）對比不同入滲模型的擬合精度，模型效率系數反映的是計算值與實測值1∶1線的接近程度，其取值范圍為 -∞ ～1.如果模型效率系數接近1，表示模型計算值與實測值非常接近，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分析方法探討土壤性質差異及其與入滲參數之間的關系，采用主成分分析方法評價不同耕作措施的綜合入滲能力，所有的數理分析和作圖在EXCEL 2010、SPSS 21.0和Origin 8.1軟件中完成.

2 結果與分析

2.1 不同耕作措施的土壤性質和入滲速率 測定5種耕作措施的土壤理化性質見表（表2）.土壤容重在1.20～1.25 g/cm3之間變動，平均值為1.22 g/cm3.受季節性干旱的影響，土壤初始含水量普遍較低.不同耕作措施表層土壤的有機質含量差異顯著（ANOVA，P＝0.03），套作的有機質含量最高，順坡的有機質含量最低，這是由于桔樹套作增加了土壤中的微生物種類和數量，枯枝落葉、秸稈和有機肥的進一步分解都有利于增加土壤中的有機質含量［27-28］.土壤團聚體指標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］，說明套作和覆蓋相比于順坡和輪作可以改善土壤結構，從而提高保水固土效益.本研究有機肥措施的團聚體指標相對較差，其對土壤結構的作用還需要進一步探討.

表2 不同耕作措施的土壤理化性質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 田間雙環入滲實驗測得不同耕作措施的初滲率、穩滲率和平均入滲率見表3，各指標之間的大小排序為：初滲率＞平均入滲率＞穩滲率，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為：套作＞有機肥＞覆蓋＞輪作＞順坡；5種耕作措施在90 min的入滲過程中用水量也存在顯著差異.套作措施的穩滲率（4.56 mm/min）最大，入滲過程中的用水量（44.05 cm）也最多.秸稈覆蓋和有機肥與順坡和輪作的穩滲率之間沒有顯著差異，但入滲總用水量則顯著偏大，說明這2種措施土壤涵養水分的能力明顯提升.本研究順坡的穩滲率（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定結果（2.58 mm/min）十分接近，說明本試驗結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比Tabl.3 Infiltration parameters of different tillage practices

分析水分入滲速率和土壤理化性質的相關性見表4，土壤容重與穩滲率呈負相關，容重越大說明土壤板結嚴重，土壤孔隙較小，不利于水分的下滲.一般認為土壤前期含水量越大，入滲速率越慢.本研究分析結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，可以從2個方面解釋.首先，本實驗開展時正值旱季，土壤前期含水量較低，不足以影響入滲過程；另一方面，套種、覆蓋等措施同時具有較好的保水能力和改善土壤結構的功能，因而既表現出相對較高的土壤含水量，也表現出較強的水分入滲能力.另外初滲速率與土壤有機質含量正相關，表明土壤中有機質含量越高越利于土壤入滲.進一步探討入滲速率與團聚體結構指標之間的關系，發現入滲速率與WSA0.25顯著正相關，與 PAD0.25顯著負相關，平均入滲速率還與MWD呈正相關關系（R2＝0.62），說明土壤中水穩性團聚體含量越高，越有利于水分的入滲，團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之間的關系體現了不同的耕作措施會進一步改善土壤理化性質，如提高土壤團聚體穩定性的作用機制［30］、改變土壤有機質含量、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相關系數表Tab.4 Correlation coefficients between soil infiltration rate and influencing factors

2.3 不同耕作措施土壤入滲過程以及模型擬合 由5種耕作措施雙環入滲實驗的過程曲線（圖1）看出，不同處理的入滲曲線在試驗前10 min內呈現明顯下降趨勢，隨實驗時間的延長逐漸達到穩定入滲狀態.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時達到穩定入滲狀態，整個入滲過程都低于其他措施，說明這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，達到穩定入滲的時間在50 min左右，這與前文所述套作具有較高的有機質和水穩性團聚體含量有關，說明套作利于改善土壤性質及其結構，增加土壤入滲能力.有機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，但入滲速率隨時間遞減較快，其穩定入滲速率與輪作接近，說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，但對于長時間的持續性降雨減流能力有限.

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

使用Philip、Horton和Kostiakov入滲方程對不同耕作措施的入滲速率和入滲時間進行擬合，擬合參數和結果見表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］，由模擬結果可知，套作、覆蓋和有機肥措施的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公式對各措施穩定入滲速率（最低的5個數值）的估算值與實測值相比均顯著偏高（ANOVA，P＜0.001）.整體上來看Philip公式對入滲速率的估算值與1∶1線較為接近，盡管對于最大入滲速率的估算存在一定程度低估，但對于各措施初始入滲速率（最高的5個數值）的估算值與實測值差異不大（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系并不明顯.由1∶1線圖可以看出，Horton方程對首個入滲速率普遍存在低估，特別是套作措施，其前5個初始入滲速率的估算值顯著低于實測值（ANOVA，P＝0.02）.隨著入滲繼續進行，Horton方程的估算值開始超過實測值，除順坡外各措施的估算值都在1∶1線以上.而到穩定入滲階段估算值則又回到1∶1線附近，后5個穩定入滲速率的估算值與實測值差異不大.

由Kostiakov方程模擬的結果來看，不同耕作措施a值大小排序為：套作 ＞有機肥 ＞覆蓋 ＞順坡＞輪作，這與實測的入滲曲線趨勢一致，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，說明其入滲速率衰減較快，這與圖1覆蓋措施實測入滲速率降低較快的現象吻合.Kostiakov方程的估算結果全程與1∶1線較為接近，估算得到的初始入滲速率和穩定入滲速率均與實測值差異不大.

進一步比較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均值，分別為0.73、0.88和0.95，由此可見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程.

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

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

3 研究結論

本文通過野外采樣、模擬試驗和數理分析，對比了典型紅壤坡耕地5種耕作措施條件下的土壤性質和入滲能力，得出主要結論如下.

1）在紅壤坡耕地采用套作、覆蓋和有機肥處理的耕作措施可以顯著增加土壤有機質含量，增強團聚體穩定性并改善土壤結構，從而提高土壤入滲能力.

2）從整體統計、過程分析和數理模擬的結果都可以看出，套作、覆蓋和有機肥處理的土壤入滲能力指標均顯著高于輪作和傳統順坡耕作措施，可見采用套作措施的土壤入滲能力最強，涵養水分的效益最優；入滲速率指標與土壤有機質含量、團聚體平均重量直徑、水穩性團聚體含量呈正相關，與土壤容重、團聚體分散度指標呈負相關關系.

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程，發現Philip將導致穩定入滲速率高估，Horton方程則可能低估初始入滲速率，而在后續階段則存在高估問題，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程.