何方燕 熊康寧 朱大運 張仕豪 張緊緊 伏園園
摘要:[目的]明確喀斯特山地混農(nóng)林模式的土壤入滲特征及混農(nóng)林業(yè)對土壤入滲的影響。[方法]通過田間試驗,以單作經(jīng)濟林模式為對照,對林藥、林糧、林草模式的入滲特征及其影響因子進行分析,并用4種常用的入滲模型對其過程進行擬合。[結(jié)果]①3種混農(nóng)林模式的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率及入滲總量總體優(yōu)于對照,并隨土層的增加而降低;依據(jù)入滲過程曲線,將入滲過程按入滲歷時(t)分為3個階段:迅速降低階段(t≤10min)、緩慢降低階段(10min40mim)。②從各模式綜合得分來看,林藥模式(0.405)得分最高,入滲能力最好,其次是林草模式(0.357),林糧模式(0.209)
盡管優(yōu)于對照(0.175),但與對照差異較小,表明林藥模式與林草模式的保水固土效應(yīng)比林糧模式更佳。③土壤入滲性能與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析顯示:土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度分別與入滲性能呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)、極顯著正相關(guān)(P<0.01)、顯著正相關(guān)(P<0.05),是影響土壤入滲性能的主導(dǎo)因子。④從R2的均值來看,Phillp模型(0.783)、Kostiakov模型(0.942)對各模式的擬合效果較差,而Horton模型(0.977)與通用經(jīng)驗?zāi)P停?.976)擬合效果較好。[結(jié)論]各混農(nóng)林模式通過影響土壤孔隙度及容重改善土壤入滲,但改善效果有差異,其中林藥模式對土壤入滲的影響最大,入滲能力最強,林草模式次之,其入滲過程可用Horton模型及通用經(jīng)驗?zāi)P瓦M行描述。
關(guān)鍵詞:混農(nóng)林;入滲;模擬;土壤水分;喀斯特
中圖分類號:S152.7+2;S 156.92文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1008-0384(2020)02-0200-10
0 引言
(研究意義)土壤入滲作為水文循環(huán)過程中實現(xiàn)土壤水分運移、轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié),是雨水資源向地下水轉(zhuǎn)化的必然過程。土壤入滲性能是影響土壤侵蝕的重要因子,對地表徑流的調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換起著決定作用,反映了土壤涵養(yǎng)水源和抗侵蝕的能力。增強表層土壤的入滲能力有利于調(diào)控徑流,防止土壤侵蝕??λ固厣絽^(qū)地表破碎,成土速度緩慢,生態(tài)系統(tǒng)脆弱且敏感;坡度較峭,可形成強大的侵蝕動力,傳統(tǒng)的耕作方式尤其不合理的人類活動,易導(dǎo)致水土及養(yǎng)分流失。水土流失最直接的后果是造成土地資源喪失而形成石漠化。因此,在土層淺薄、蓄水能力差且具有較多農(nóng)業(yè)活動的喀斯特山地研究不同混農(nóng)林模式對土壤入滲的影響,將有助于篩選出水土保持效果顯著的生態(tài)種植模式。(前人研究進展)近年來,山地混農(nóng)林業(yè)在水土保持研究中受到較多關(guān)注,喀斯特地區(qū)巨大的發(fā)展?jié)摿σ驳玫綄W(xué)者的肯定。有學(xué)者對喀斯特地區(qū)混農(nóng)林業(yè)的入滲特征及其影響因素進行了研究,表明混農(nóng)林業(yè)對土壤入滲具有顯著的影響,如秦華軍等發(fā)現(xiàn)林草模式能顯著提高土壤滲透能力;李天陽等對4種林糧模式的土壤入滲研究表明,在血橙林地間作農(nóng)作物可顯著改善血橙純林地的土壤入滲性能。(本研究切入點)喀斯特地區(qū)人口多,可利用的耕地少,農(nóng)業(yè)經(jīng)濟相對落后,混農(nóng)林業(yè)在該區(qū)地位舉足輕重,然而目前混農(nóng)林業(yè)在土壤入滲方面的研究多數(shù)集中于單一類型的對比分析,缺乏不同類型山地混農(nóng)林模式之間入滲性能的綜合比較及入滲模型的適應(yīng)性評價。(擬解決的關(guān)鍵問題)本文以林藥、林糧及林草等3種類型的混農(nóng)林模式為研究對象,闡明喀斯特山地不同混農(nóng)林模式對土壤入滲特征的影響,通過入滲性能與模型評價,探究適合于喀斯特山地的混農(nóng)林模式及入滲模型,為喀斯特山地混農(nóng)林產(chǎn)業(yè)模式的選擇及入滲模型的選取提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1研究區(qū)概況
研究區(qū)位于貴州省黔東南苗族侗族自治州施秉縣牛大場鎮(zhèn)石橋村(27°13'N,108°1'37”E),地貌類型屬于典型的喀斯特峰叢洼地。研究區(qū)年平均氣溫15℃,全年無霜期270d左右,年平均降雨量l060mm,屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。該區(qū)土壤以黃壤、紅壤或黑色石灰土為主,呈弱堿性,適宜藥材植物太子參的生長。
研究區(qū)坡地上部為灌木林地,主要為矮生灌木,植被覆蓋度為80%左右,巖石裸露較多,土層較為淺薄;下部為坡改梯旱地,主要種植太子參和玉米,零星出現(xiàn)桂花樹間作太子參的間作模式,土壤較為肥沃;中部主要為林下種植太子參的坡耕地,巖石裸露率為40%左右,屬于潛在石漠化。近年來,林下種植在該地區(qū)得到較快的發(fā)展,山地混農(nóng)林模式初具雛形。
1.2 試驗方法
在研究區(qū),建立4個5m×12m規(guī)格的徑流池,分別設(shè)置林藥模式、林糧模式、林草模式3個混農(nóng)林模式和1個對照樣地,經(jīng)濟林為當(dāng)?shù)卮笠?guī)模推廣的梨樹(Pyrus bretschneideri),按株行距1.9m×1.2m的規(guī)格種植,并在其行間進行林下種植。林藥模式、林糧模式和林草模式分別為梨+太子參(Pseudostellaria>heterophyllaa)、梨+大豆(Glycinemax)、梨+黑麥草(Lolium perenne),對照樣地為梨樹單作。近年來,梨樹在研究區(qū)得到規(guī)?;N植示范,因而在梨樹經(jīng)濟林下進行混農(nóng)林復(fù)合試驗具備典型性。不同山地混農(nóng)林種植模式的基本概況如表1所示。
為了保證采樣點的代表性,2019年7月下旬,在各個模式的樣地分別隨機選取采樣點3個,依據(jù)徑流池的土層深度,各個樣點挖出45cm深的土壤剖面,利用環(huán)刀在各采樣點按0~15cm、15~30cm及30~45cm的土層深度采集原狀土,每層取6個環(huán)刀,帶回實驗室測定土壤容重及土壤毛管孔隙度,并通過計算得出毛管孔隙度、非毛管孔隙度。土壤樣品采集使用高5.1cm、容積為100cm3的環(huán)刀。
土壤滲透性能利用環(huán)刀法測定,參照森林土壤滲透性的測定(GB7838-1987)。初始入滲率采用土壤水分入滲前3min的速率來表示,穩(wěn)定入滲率采用單位時間內(nèi)土壤水分入滲量趨于穩(wěn)定時的速率來表示,平均入滲率為達(dá)到穩(wěn)定時的入滲總量與達(dá)到穩(wěn)定時的時間的比值。因所有土樣在60min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定,為了便于比較,滲透總量統(tǒng)一采用前60min的單位面積滲出水總量(mm)來表示,入滲系數(shù)為單位時間內(nèi)土壤水分入滲量趨于穩(wěn)定時的系數(shù)Kit,人滲性能評價選取4個指標(biāo),分別為初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率及入滲總量。
1.3土壤入滲過程模擬
土壤入滲模型可以對入滲速率與入滲歷時的關(guān)系進行模擬。本研究選擇理論模型(Philip模型)與經(jīng)驗性模型(kostiakov模型、Horton模型及通用經(jīng)驗?zāi)P停ν寥廊霛B過程進行模擬,將模擬所得經(jīng)驗參數(shù)帶人模型,分別計算各模式各土層的入滲速度。4種常用的入滲模型如下:
1.4 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)整理與分析,Origin 2018進行作圖分析,SPSS 25.0進行方差分析、主成分分析、相關(guān)性分析及非線性模型擬合。
2 結(jié)果與分析
2.1 山地混農(nóng)林模式下的土壤入滲特征
喀斯特山地不同混農(nóng)林模式的入滲特征差異如圖1所示。方差分析顯示,初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率和入滲總量除林糧模式的0-15cm層土壤與對照無顯著差異外,其余各模式各土層與對照均存在顯著差異(P<0.05),且除0-15cm層林糧模式的穩(wěn)定入滲率低于對照,混農(nóng)林模式其余各層的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率及人滲總量均高于對照,表明林下間作可促進經(jīng)濟林地土壤入滲。
在3種混農(nóng)林模式中,初始入滲率在0-15cm及15-35cm兩層均表現(xiàn)為:林藥>林草>林糧,30-45cm表現(xiàn)為:林草>林糧>林藥,3個土層初始入滲率的均值表現(xiàn)為:林藥>林草>林糧,依次是對照的3.02、2.73、1.08倍。穩(wěn)定入滲率在0-15cm表現(xiàn)為:林藥>林草>林糧,在15~35cm表現(xiàn)為:林藥>林糧>林草,30~45cm表現(xiàn)為:林草>林糧>林藥,3個土層穩(wěn)定入滲率的均值表現(xiàn)為:林藥>林草>林糧,依次是對照的2.92、2.49、1.05倍。平均入滲率0~15cm表現(xiàn)為:林藥>林草>林糧,在15~35cm表現(xiàn)為:林藥>林糧>林草,30~45cm表現(xiàn)為:林草>林糧>林藥,3個土層平均入滲率的均值表現(xiàn)為:林藥>林草>林糧,依次是對照的3.08、2.61、1.07倍。入滲總量在0~15cm表現(xiàn)為:林藥>林草>林糧,在15~35cm表現(xiàn)為:林藥>林糧>林草,30~45cm表現(xiàn)為:林草>林糧>林藥,3個土層入滲總量的均值表現(xiàn)為:林藥>林草>林糧,分別是對照的3.08、2.60、1.07倍??梢?,各模式的土壤入滲能力存在一定的差異,但均高于對照,表明林下種植具有改善經(jīng)濟林地土壤入滲性能的作用,但改善程度因經(jīng)濟林下間作植被的不同而存在差異。
從圖1來看,除林草模式中15~30cm與30~45cm的初始入滲率無顯著差異外,其余土層在同一模式內(nèi)的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率和人滲總量均存在顯著差異。通過各模式的土壤入滲過程曲線(圖2)可看出,無論是對照樣地還是混農(nóng)林地,土壤入滲性能均隨著土層深度的增加而依次降低,其中,0~15cm土層至15~30cm土層的下降幅度最為劇烈,呈現(xiàn)明顯的“空窗”:表明入滲性能與土層深度呈反比。依據(jù)入滲過程曲線,可將土壤入滲過程按入滲歷時(t)分為3個階段:迅速降低階段(t≤10min)、緩慢降低階段(10min40mim)。前10min人滲速率的降低過程為迅速降低階段,此階段為入滲初期,入滲速率迅速降低;入滲歷時在10~40min為緩慢降低階段,此階段入滲速率下降幅度較小,具有緩慢降低的特征;入滲歷時大于40min為趨于穩(wěn)定階段,此時的入滲速率下降幅度極小,并逐漸趨于穩(wěn)定。
2.2 不同混農(nóng)林模式的入滲性能
為了進行不同混農(nóng)林模式土壤水分入滲性能的綜合評價,本文選取初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率及入滲總量4個指標(biāo)(表2)進行主成分分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),第1個主成分的方差累計貢獻率高達(dá)99.245%,信息損失量極小,幾乎解釋了整個總方差。從第1個主成分的負(fù)荷量來看,所有變量的正荷載差異均在0.008以內(nèi),但以平均入滲率最高(0.999),說明平均入滲率可較好表征土壤的滲透性能。土壤入滲性能的主成分方程為:0.25β1+0.25β2+0.252β3+0.251β4(β1為各指標(biāo)的極差法標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)),根據(jù)方程計算不同模式不同土層土壤入滲性能得分,并進行排名。
從表3可以看出,無論混農(nóng)林地還是對照樣地的土壤入滲性能均隨著土層深度的增加而降低,各個土層在排名上存在細(xì)微差別,在0~15cm和15~30cm土層,3種混農(nóng)林模式中林藥模式的入滲性能最佳,在30~45cm土層,3種混農(nóng)林模式中林草模式的入滲性能最好,林藥模式最差,這可能與太子參根部較短,對30~45cm土層入滲的影響不顯著有關(guān)。從各模式綜合得分來看,林藥模式3個土層的綜合得分最高,土壤入滲能力最佳,林草模式次之,而林糧模式的綜合得分盡管高于對照,但與對照差異較小,表明林藥模式及林草模式的保水固土效應(yīng)優(yōu)于林糧模式。
2.3 土壤入滲與主要影響因子的關(guān)系
土壤作為一種多孔介質(zhì),其水分入滲狀況必然會受到土壤結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)等的影響。表4為土壤入滲特征與其影響因子的相關(guān)性分析。結(jié)果表明,不同混農(nóng)林模式的土壤入滲性能與土層深度、毛管孔隙度、土壤容重、粉粒含量、黏粒含量呈負(fù)相關(guān),其中與土層深度、土壤容重達(dá)到極顯著水平(P<0.01),表明土壤入滲性能隨土壤深度增加而減弱,土壤容重越大,入滲性能越小。此外,土壤入滲性能與總孔隙度、非毛管孔隙度、有機質(zhì)、砂粒含量呈正相關(guān),其中分別與總孔隙度(P<0.01)、非毛管孔隙度(P<0.05)達(dá)到極顯著、顯著水平,而與毛管孔隙、砂粒、粉粒、黏粒、有機質(zhì)含量的相關(guān)性未達(dá)到顯著水平(P>0.05)??偟膩砜矗燹r(nóng)林模式的入滲性能比單作經(jīng)濟林模式好,且總孔隙度及土壤容重為主要驅(qū)動因素,表明林下種植模式主要是通過改善土壤孔隙度、降低土壤容重來提高土壤水分的入滲性能。
2.4土壤入滲的模型擬合
利用Kostiakov、Phillp、Horton及通用經(jīng)驗?zāi)P蛯ν寥廊霛B的實測數(shù)據(jù)進行擬合,得到不同模型的擬合精度和參數(shù)估計值(表5)。
在Kostiakov入滲模型中,β為入滲經(jīng)驗參數(shù),即第一個單位時段內(nèi)的平均入滲速率;α值大小可指示入滲速率隨時間的減小程度,α值越大,表明入滲速率隨時間減小的程度越快。由表5可知,Kostiakov方程的擬合參數(shù)β值介于0.07~18.118,其中林藥模式在0~15cm土層的β值最大,對照樣地30~45cm土層的β值最小,這與林藥模式在0~15cm土層的初始入滲率最大,而對照樣地30~45cm土層的初始入滲率最小的規(guī)律相一致。α值在林藥模式的15~30cm土層最小,說明其土壤入滲率隨時間遞減較慢。
Phillp方程中A為穩(wěn)定入滲速率,S為吸滲率,在一定程度上可反映初始入滲率的大小,將各模式A值帶人即可求得s.S值在0.079~22.111,最小出現(xiàn)在對照樣地的30~45cm土層,這與其實測初始人滲率最小的結(jié)果相一致(圖1)。
通用經(jīng)驗公式中,a值實質(zhì)上相當(dāng)于穩(wěn)定入滲速率。在Horton入滲方程中,穩(wěn)定入滲率的實測值代人,擬合得到的初始入滲率與實測初始入滲率吻合較好(圖3),各模式各土層的模擬值與實測值僅相差0.003~0.698mm·min-1。
不同模型對土壤入滲過程的擬合優(yōu)度可用方程的決定系數(shù)R2來表達(dá),即R2越大擬合越佳。從4種模型來看,不同的模型對于不同混農(nóng)林模式入滲過程的模擬精度存在一定的差異,可以看出,Phillp模型的擬合優(yōu)度在0.723~0.823,平均值為0.783,Kostiakov模型的擬合優(yōu)度在0.904~0.953,平均值為0.962,Horton模型的擬合優(yōu)度在0.947~0.986,平均值為0.977,通用經(jīng)驗?zāi)P偷臄M合優(yōu)度在0.952~0.989,平均值為0.976.從R2均值來看,模型擬合程度排序大致為Horton模型(0.977)>通用經(jīng)驗?zāi)P停?.976)>Kostiakov模型(0.942)>Philip模型(0.783),Horton模型及通用經(jīng)驗?zāi)P偷哪M效果較好,適合于描述本研究不同混農(nóng)林模式的土壤人滲特征。
4種模型的擬合效果在各個土層不存在顯著差異,因而入滲模擬值與實測值的擬合對比以表層(0-15cm)為例,可以看出(圖3),入滲初期的入滲速率變化較為劇烈,接著變化速度逐步放緩直至趨于穩(wěn)定。Horton及通用經(jīng)驗?zāi)P驮诟髂J饺霛B過程的初期、中期及后期模擬效果均十分優(yōu)異,而Philip模型的擬合效果在后期與實測值差異較大,對各模式入滲過程的模擬效果較差。
3 討論
本研究發(fā)現(xiàn),山地混農(nóng)林模式可促進土壤水的滲入。主要原因可能與混農(nóng)林對土壤結(jié)構(gòu)及孔隙狀況的影響有關(guān)。一方面,土壤動物具有較強的活動力,在土壤中挖掘、筑穴、排便等活動,可改變土壤的孔隙度及容重,進而影響土壤的滲透性。混農(nóng)林系統(tǒng)可促進種植的多樣化,為土壤動物提供適宜的生存及活動環(huán)境,從而增加土壤動物的豐富度;另一方面,林下種植使地表擁有相對密集的植物覆蓋,其根系的生長、穿插、交織及剪切作用會形成縱向或者橫向的植物根孔,從而增加土壤滲透性。此外,植物根系對水力學(xué)特性有一定的影響,主要通過串聯(lián)、固結(jié)土壤顆粒、增強土壤的抗蝕能力及土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,促進土壤滲透性,這是林下種植模式的土壤入滲性能優(yōu)于單作經(jīng)濟林地的原因。
不同混農(nóng)林模式對土壤的影響亦存在差異。研究表明,在山地混農(nóng)林模式中林藥模式的綜合入滲率最高,其次是林草模式,盡管林糧模式綜合得分優(yōu)于對照,但與對照差異較小。造成這種差異的主要原因可能與林下植被層有關(guān),林藥模式、林草模式使地表擁有相對密集的植被覆蓋,增大了地表的粗糙度和雨水在地表流動的摩擦力,林下植物層通過影響地表粗糙率來避免降雨對土壤的直接擊濺,可提高土壤的抗蝕性,起到保護土壤結(jié)構(gòu)完整性的作用。而植被覆蓋相對稀疏的單作經(jīng)濟林模式及林糧模式,缺乏相對密集的植物層對雨水再分配的調(diào)控,表層土壤易受降雨的直接濺擊,造成土壤的結(jié)皮,從而影響土壤的入滲。盡管林糧模式綜合入滲性能相對較差,但仍然高于對照,說明林下種植是控制土壤侵蝕一種有效種植方式,在一定程度上能有效減輕經(jīng)濟林地土壤侵蝕發(fā)生的風(fēng)險。
從入滲過程來看,各模式0-15cm土層至15-30cm土層入滲速率的下降幅度最為劇烈,呈現(xiàn)明顯的“空窗”效應(yīng),造成這種現(xiàn)象的原因可能與喀斯特地區(qū)存在入滲隔層有關(guān)。喀斯特地區(qū)土層淺薄,成土速度慢,土體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為腐殖質(zhì)層一母質(zhì)層,缺乏淀積層的調(diào)節(jié),土壤直接與母巖接觸,易出現(xiàn)明顯的沙化現(xiàn)象,較細(xì)的土壤顆粒遇到降雨易形成垂直遷移、富集,從而形成一定的黏土夾層,導(dǎo)致夾層上下的入滲速度呈現(xiàn)較大的差異。
入滲過程實質(zhì)是水分在土壤孔隙通道中流動的過程,土壤容重越大,孔隙度越小,入滲能力越低。本研究顯示,土壤總孔隙度、土壤容重、非毛管孔隙度是影響混農(nóng)林模式土壤入滲性能優(yōu)于對照的主要驅(qū)動因子,這與秦華軍等對林下種植模式的研究一致。有機質(zhì)作為影響因子,主要通過促進團聚體的形成及改善土壤孔隙度間接影響土壤入滲。本研究表明入滲性能與有機質(zhì)含量相關(guān)性不顯著,原因可能與混農(nóng)林種植年限較短,有機質(zhì)的累積量差異較小有關(guān)。
本研究利用4種常見的模型對山地混農(nóng)林模式的擬合發(fā)現(xiàn),Horton模型及通用經(jīng)驗?zāi)P偷臄M合效果優(yōu)于Kostiakov模型與Phillp模型,這與劉目興等、Almeida等的研究結(jié)果相似。Phillp模型的假設(shè)是均質(zhì)土壤,初始含水量分布均勻,且供水充足,在喀斯特地區(qū)應(yīng)用的局限性在于未能考慮土壤水分及土壤環(huán)境的時空異質(zhì)性,因而在長時間入滲的情況下與實測值偏差較大。Kostiakov假設(shè)起始時的入滲速率是無窮大的,入滲速率將隨時間的增大而趨近于0,該模型可有效地描述入滲初始階段的變化情況,而不適用于長時間的入滲變化描述。而在本研究中,由于入滲受垂直重力勢的作用,入滲速率隨著時間的增加逐漸降低并趨于穩(wěn)定,Horton模型及通用經(jīng)驗?zāi)P陀捎谠黾恿顺?shù)項,反映了無限時長在重力作用下達(dá)到穩(wěn)定,更符合土壤水動力學(xué)的規(guī)律,因而在水分入滲過程的中后期[緩慢降低階段(10min40mim)]擬合效果更為優(yōu)秀。Horton模型與通用經(jīng)驗?zāi)P偷倪m用性較好,適合于描述喀斯特地區(qū)山地混農(nóng)林業(yè)的土壤入滲規(guī)律。
4 結(jié)論
(1)林藥、林糧、林草3種模式均可改善土壤入滲,但改善程度存在差異。土壤的入滲性能均隨土層深度的增加而降低,表明入滲性能與土層深度呈反比。
(2)通過主成分分析,得到了計算土壤入滲性能的綜合參數(shù)(0.25β1+0.25β2+0.252β3+0.251β4)。從各模式綜合得分來看,林藥模式綜合得分最高,土壤入滲能力最強,其次為林草模式。盡管林糧模式優(yōu)于對照,但與對照差異較小,表明林藥模式與林草模式可產(chǎn)生比林糧模式更佳的保水固土效益。
(3)入滲性能與土層深度、土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與總孔隙度、非毛管孔隙度的相關(guān)性分別達(dá)到了極顯著(P<0.01)、顯著(P<0.05)水平,而與砂粒、粉粒、黏粒、有機質(zhì)含量的相關(guān)性不顯著(戶>0.05)。表明林下種植模式主要是通過改善土壤孔隙度、降低土壤容重來提高土壤水分的入滲性能。
(4)從R2均值來看,Horton模型及通用經(jīng)驗?zāi)P瓦m合于描述本研究不同混農(nóng)林模式的土壤入滲特征。