紅棗經(jīng)濟林不同植被覆蓋土壤水分入滲特征

劉煥煥，王改玲*，殷海善，賀潤平，

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護研究所，太原 030031；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟研究所，太原 030006）

0 引 言

入滲過程是水分自土表垂直進入土壤的過程，是降水、地表水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化過程中的重要環(huán)節(jié)，決定著降水進入土壤的數(shù)量。土壤水分入滲性能是評價土壤水土保持能力和抗侵蝕能力的重要指標(biāo)[1-2]，直接影響降水再分配過程中地表徑流與土壤儲水量的大小。紅棗產(chǎn)業(yè)是山西省重要的經(jīng)濟林產(chǎn)業(yè)，紅棗栽培面積33.33×104hm2，年總產(chǎn)量達60×104t以上，是山區(qū)農(nóng)民的主要經(jīng)濟來源之一。其中，呂梁山區(qū)是山西省最大的紅棗生產(chǎn)區(qū)，紅棗種植面積為13.33×104hm2，占全省紅棗種植面積的40%。然而，呂梁山位于黃土高原北部，地形破碎、植被覆蓋稀少，降雨少而集中，水分流失嚴(yán)重。如何促進水分入滲，提高降水資源的利用率，提高棗園生產(chǎn)力，是實現(xiàn)該區(qū)生態(tài)及經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵。

土壤入滲能力受土壤干濕程度、孔隙狀況和地表覆蓋等因素的影響。國內(nèi)外研究表明，植被覆蓋通過根系形成的大孔隙，以及枯枝落葉層形成的有機質(zhì)改良土壤結(jié)構(gòu)，進而提高土壤滲透能力[3-5]；此外，植被還可以攔截降雨，減少徑流，增加入滲[6-7]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已就不同植被類型、植被覆蓋度土壤入滲性能進行大量研究[8-9,19]。果園生草栽培是20世紀(jì)40年代興起的現(xiàn)代化果園土壤管理模式，目前已在美國、日本、法國等國家廣泛推廣。我國于1988年將果園生草制作為綠色果品生產(chǎn)主要技術(shù)措施在全國推廣，生草栽培對果園土壤水分及果樹生長、產(chǎn)量的影響也有較多報道。但截至目前，生草的果園面積不足10%。林下生草覆蓋對土壤入滲的影響還未見報道。呂梁山棗園采用的管理方式主要有2種：第一，清耕，即除去地表所有覆蓋物，包括雜草等；第二，林下種植大豆等糧食作物。通過雙環(huán)法對比研究紅棗經(jīng)濟林不同管理方式下土壤水分入滲特征，并運用模型對入滲過程進行模擬，以期為控制紅棗經(jīng)濟林水土流失提供一定理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于山西省呂梁市臨縣龐家莊，地理位置為 110.532013°E，38.037807°N，海拔928±1 m，屬于大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫9.4 ℃，多年均降雨466.7 mm，雨熱同期，降雨主要集中在夏季。土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土。按照典型性和代表性的原則，選擇該地多年清耕作業(yè)的紅棗經(jīng)濟林地進行試驗，棗樹樹齡為6 a。設(shè)置有A清耕作業(yè)區(qū)；B自然生草區(qū)；C大豆種植區(qū)，3個處理，每個處理3次重復(fù)，共9各小區(qū)，小區(qū)大小為5 m×4 m。試驗區(qū)地形坡度為 20o，半陽坡，試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計。清耕作業(yè)區(qū)1 a內(nèi)3次耕作，除去地表所有覆蓋物，包括雜草；自然生草區(qū)不采取任何管理措施，任雜草自然生長；大豆種植區(qū)，大豆播種時間為每年的5月，播種方式為穴播，播種密度為12穴/m2，播種后定期拔除雜草。試驗開始于2017年3月，2018年為試驗的第2年，各個小區(qū)的布設(shè)與2017年保持一致，小區(qū)布設(shè)示意圖見圖1。入滲試驗進行時對樣地植被進行調(diào)查，樣地基本情況見表1。

圖1 不同植被覆蓋區(qū)布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram in different vegetation coverage areas

表1 不同植被覆蓋區(qū)樣地基本情況Table 1 Basic conditions in different vegetation coverage areas

2 材料與方法

2.1 野外雙環(huán)入滲試驗

采用雙環(huán)法測定土壤水分入滲率，內(nèi)環(huán)直徑為20 cm，外環(huán)直徑為35 cm，高30 cm，用橡皮錘將內(nèi)環(huán)和外環(huán)均垂直打入土壤，深度為12 cm。開始測定時向內(nèi)環(huán)和外環(huán)同時注水，并使水層深度始終保持8 cm，利用醫(yī)用注射器隨時往內(nèi)環(huán)內(nèi)注水，以此保持內(nèi)環(huán)水位一定，測定單位時間內(nèi)內(nèi)環(huán)所加的水量。測定開始時，每5 min記錄1次消耗的水量，直到入滲達到穩(wěn)定，總?cè)霛B時間為120 min，進而計算土壤水分入滲速率，入滲率的計算式[10]為：

式中：f為入滲率（mm/min）；v為單位時間加水量（mm3/min）；a為內(nèi)環(huán)面積（mm2），本試驗中，a為31 415.926 mm2。選取土壤初始入滲速率、平均入滲速率和穩(wěn)定入滲速率作為評價土壤入滲性能的基本指標(biāo)，其中土壤初始入滲速率（mm/min）為最初入滲時土壤的入滲速率，本試驗選擇前5 min的平均入滲速率作為初始入滲速率；平均入滲速率（mm/min）為測定時段內(nèi)各入滲速率的平均值；穩(wěn)定入滲速率（mm/min）為入滲達到穩(wěn)定時土壤水分的入滲速率。

2.2 土壤體積質(zhì)量和孔隙度的測定

在3個不同植被覆蓋區(qū)內(nèi)用環(huán)刀采集原狀土，同時采集混合土樣，采樣深度均為0~20 cm，采集后帶回實驗室內(nèi)進行土壤體積質(zhì)量、土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及土壤含水率的測定。其中，體積質(zhì)量采用環(huán)刀法的測定，總孔隙度根據(jù)體積質(zhì)量計算，計算公式為：土壤總孔隙度=[（土壤比重-土壤體積質(zhì)量）/土壤比重]×100%；毛管孔隙度、非毛管孔隙度采用圓筒浸透法[11]的測定；含水率采用烘干法[12]的測定。入滲試驗和體積質(zhì)量、孔隙度及含水率的測定于2018年10月9日進行。

2.3 土壤入滲模型選擇

本研究選擇Philip模型、Horton模型、Kostiakov模型[13-14]對不同處理小區(qū)果園土壤入滲過程進行模型擬合，如表2所示。

表2 土壤水分入滲模型公式及參數(shù)說明Table 2 Soil water infiltration model formula and parameter description

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0進行顯著性檢驗，模型擬合采用Origin8.0，利用Excel 2010進行制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被覆蓋區(qū)土壤的物理特征

如表3所示，不同植被覆蓋區(qū)0~20 cm土層土壤體積質(zhì)量和孔隙度不同，具體表現(xiàn)為自然生草區(qū)緊實，體積質(zhì)量最大，總孔隙度最??；清耕區(qū)相對疏松，體積質(zhì)量最小，總孔隙度最大；大豆區(qū)則介于自然生草區(qū)和清耕區(qū)之間。從大小孔隙的分布情況看，自然生草區(qū)毛管孔隙度最小，非毛管孔隙度最大；大豆區(qū)則表現(xiàn)為毛管孔隙度最大，非毛管孔隙度最小，清耕區(qū)2種孔隙孔隙度介于自然生草區(qū)和大豆區(qū)之間。

清耕區(qū) 0~20 cm土層土壤初始含水率最高，為10.44%，自然生草區(qū)最低，為9.43%，大豆區(qū)則介于清耕區(qū)和自然生草區(qū)之間。不同植被覆蓋區(qū)0~20 cm土層土壤飽和含水率為36.34%~39.22%。

表3 不同植被覆蓋區(qū)0~20 cm土層土壤物理性質(zhì)Table 3 0~20 cm soil layer soil physical propertiesin different vegetation cover areas

3.2 不同植被覆蓋區(qū)土壤水分入滲特征

不同植被區(qū)土壤入滲過程總體上可以分為 3個階段（圖2）。①入滲瞬變階段（0~5 min）：入滲初期土壤含水率較低，入滲水分在分子力的作用下，使下滲鋒面快速延伸。此階段內(nèi)土壤入滲速率較高，入滲速率隨時間急劇下降。②入滲漸變階段（5~35 min），此階段主要是水分在毛細管引力和重力作用下填充土壤孔隙過程，土壤入滲速率迅速降低。不同小區(qū)中，自然生草區(qū)入滲速率的減少速度明顯快于其他 2種類型小區(qū)，至35 min時自然生草區(qū)與其他2種小區(qū)的入滲速率已基本相當(dāng)。③穩(wěn)定入滲階段（35 min后），土壤孔隙被水分充滿達到飽和后，水分在重力作用下向下滲透，入滲速率相對穩(wěn)定，即為穩(wěn)滲速率。

由表4可知，不同植被覆蓋區(qū)土壤水分入滲速率具有相同的變化趨勢，初始入滲速率最大，平均入滲速率次之，穩(wěn)定入滲速率最小。3種小區(qū)土壤初始入滲速率表現(xiàn)為：自然生草區(qū)最大，為4.902 0 mm/min清耕區(qū)次之，為4.058 5 mm/min，大豆區(qū)最小，為4.055 3 mm/min。自然生草區(qū)土壤初始入滲速率明顯高于清耕區(qū)、大豆區(qū)（p<0.05），而清耕區(qū)、大豆區(qū)差異不顯著。穩(wěn)定入滲速率為：清耕區(qū)最大，自然生草區(qū)次之，大豆區(qū)最小，其值依次為：1.952 8、1.743 5、1.559 7 mm/min，3種小區(qū)之間土壤穩(wěn)定入滲速率均有顯著差異（p<0.05）。平均入滲速率表現(xiàn)為：清耕區(qū)最大，大豆區(qū)次之，自然生草區(qū)最小，且清耕區(qū)與自然生草區(qū)、大豆區(qū)土壤的平均入滲速率差異明顯，而自然生草區(qū)與大豆區(qū)差異不明顯。

圖2 不同植被覆蓋區(qū)土壤水分入滲過程Fig.2 Soil water infiltration process in different vegetation cover areas

表4 不同植被覆蓋區(qū)土壤入滲特征Table 4 Characteristics of soil infiltration in different vegetation cover areas

3.3 土壤入滲模擬分析

采用Philip模型、Horton模型和Kostiakov模型對不同植被覆蓋區(qū)土壤水分入滲過程進行擬合，比較不同模型的擬合優(yōu)度（表5）。

Philip模型中，S表示土壤吸滲率，反映了土壤入滲能力的大小，S值越大，表示土壤入滲能力越強。從擬合結(jié)果來看，S值大小依次為大豆區(qū)最大，其次為自然生草區(qū)，清耕區(qū)最小，與實測值存在一定偏差。土壤穩(wěn)定入滲速率fc清耕區(qū)最大，其次是自然生草區(qū)，大豆區(qū)最小，與實測值大小順序一致，但與實測值存在一定偏差。

Horton模型中，f0代表初始入滲速率，清耕區(qū)與大豆區(qū)土壤初始入滲速率分別為 4.543 mm/min，4.594 mm/min與實測值相差極小。土壤穩(wěn)定入滲速率fc清耕區(qū)最大，為2.006 mm/min，其次是自然生草區(qū)，為1.796 mm/min，大豆區(qū)最小，為1.592 mm/min，其擬合結(jié)果與實測值大小順序一致且偏差較小。

Kostiakov 模型中，參數(shù)a為經(jīng)驗入滲系數(shù)，a的主要影響因素有土壤含水率、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地 和有機質(zhì)等[16]，a值的大小與初始入滲速率呈正比。清耕區(qū)、自然生草區(qū)、大豆區(qū)的a值分別為5.667、6.102、6.624與實測初始入滲速率的大小不一致，說明擬合結(jié)果與實測存在一定偏差。

Philip模型、Horton模型和Kostiakov 模型的決定系數(shù)R2分別介于為：從決定系數(shù)上來看和各參數(shù)所反映的結(jié)果來看，Horton模型對土壤入滲過程擬合效果最好，Philip模型次之，Kostiakov效果較差。

4 討 論

土壤水分入滲是水分循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，決定了降水轉(zhuǎn)化為土壤水以及徑流水的大小，直接影響降水資源的利用率。初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率以及平均入滲速率是反映土壤入滲能力的常用指標(biāo)。其中，表層土壤的初始入滲率與超滲產(chǎn)流密切相關(guān)。本試驗結(jié)果表明，自然生草區(qū)土壤初始入滲速率明顯高于清耕區(qū)和大豆區(qū)，這與自然生草區(qū)植被覆蓋度大（60%）、土壤的初始含水率低有關(guān)。受草本植物根系影響，土壤大孔隙（非毛管孔隙）多，而在降雨（入滲）初期土壤水處于不飽和狀態(tài)，入滲率主要受土水勢和土壤大孔隙流的控制[17]。這與武曉莉等[18]、胡陽等[19]研究結(jié)論相一致。武曉莉等[18]對晉西黃土區(qū)典型植被類型土壤水分特性研究發(fā)現(xiàn)，非毛管孔隙對土壤入滲的影響最大，其與初始入滲速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。同樣，胡陽等[18]對巖溶坡地荒地、草地、灌叢和林灌不同植被類型土壤水分入滲特征及影響因素的研究亦發(fā)現(xiàn)，影響土壤初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率的主要因素為土壤非毛管孔隙度，且呈正相關(guān)關(guān)系。自然生生草區(qū)土壤自然含水率最低，而自然生草區(qū)土壤的初始入滲速率最高，這與郭曉霞等[20]研究結(jié)果一致，其對黃土高原土壤水分入滲特性進行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)0~20 cm土壤含水率較低時，土壤水分初始入滲速率較高。穩(wěn)定入滲速率是評價土壤物理特性的一個重要指標(biāo)，本試驗結(jié)果表明，不同小區(qū)土壤穩(wěn)定入滲率為清耕區(qū)>自然生草區(qū)>大豆區(qū)。而趙夢杰等[21]研究表明，植被覆蓋對穩(wěn)定入滲率的影響比較明顯，植被覆蓋度越高，穩(wěn)滲率越大；何子淼等[22]對黃丘區(qū)野外草被坡面土壤入滲參數(shù)變化規(guī)律與模擬的研究也得出相似結(jié)論。清耕區(qū)植被覆蓋度為0，而清耕區(qū)穩(wěn)定入滲率大于自然生草區(qū)和大豆區(qū)，這是由于清耕區(qū)人為的耕作除草，土壤較為疏松，不僅總孔隙度大，大孔隙也相對較多。而大豆區(qū)初始入滲率和穩(wěn)定入滲率均最小，這可能與大豆區(qū)土壤體積質(zhì)量大，且大孔隙少有關(guān)。劉澄靜等[23]研究亦表明，土壤滲透特性與土壤體積質(zhì)量、總孔隙度存在顯著相關(guān)關(guān)系，其中總孔隙度對土壤滲透性能產(chǎn)生的影響作用最大；陳家林等[8]對太行山低山丘陵區(qū)不同植被類型土壤滲透特性及影響因素的研究也得出相同結(jié)論。土壤體積質(zhì)量越小，總孔隙度越大，土壤水分入滲速率越大，入滲速率與體積質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)，與總孔隙度呈正相關(guān)。不同植被覆蓋區(qū)土壤入滲速率均表現(xiàn)為：初始入滲速率>平均入滲速率>穩(wěn)定入滲速率，這與閆建梅等[17]研究川中丘陵區(qū)甜橙林、核桃林、水保林、梯平地、緩坡耕地這 5種不同土地利用方式土壤入滲特征的研究結(jié)果一致。

運用Philip、Horton、Kostiakov模型這3種經(jīng)典模型對紅棗經(jīng)濟林不同植被覆蓋土壤水分入滲過程進行擬合發(fā)現(xiàn)，Horton入滲模型對紅棗經(jīng)濟林不同植被覆蓋區(qū)土壤入滲過程擬合效果最好，這與武曉莉等[18]對晉西黃土區(qū)的研究結(jié)論相似。而張志華等[25]對太行山低山丘陵區(qū)土壤滲透性進行研究則發(fā)現(xiàn)，Kostiakov擬合效果最好，Horton模型次之，Philip模型擬合效果最差。研究區(qū)域的不同可能是造成模型擬合效果差異的主要原因，但還需進一步深入研究

5 結(jié) 論

1）植被覆蓋影響紅棗經(jīng)濟林土壤水分入滲特征。清耕對照區(qū)土壤的初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率分別為4.058 5 mm/min和1.952 8 mm/min，自然生草區(qū)明顯提高了土壤初始入滲速率，達 4.902 0 mm/min；大豆區(qū)土壤初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率均低于自然生草區(qū)和清耕區(qū)。

2）自然生草提高了植被蓋度，還有效提高了土壤非毛管孔隙度，從而提高了初始入滲速率；與清耕相比，大豆區(qū)降低了土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，降低了土壤初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率。

3）Horton模型擬合效果最好，Philip模型次之，Kostiakov模型的擬合效果較差。