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    紅壤坡地耕作措施對(duì)土壤入滲過(guò)程的影響機(jī)制

    2020-07-05 09:18:48曹龍熹樊劍波
    關(guān)鍵詞:順坡紅壤套作

    王 移,曹龍熹,樊劍波,任 平

    (1.四川師范大學(xué)西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610066; 2.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,四川成都610059;3.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所,江蘇南京210008;

    南方紅壤區(qū)有4 335萬(wàn)畝(289萬(wàn) hm2)坡耕地,發(fā)生在坡耕地上的水土流失占區(qū)域流失總量的40%以上[1],也是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失和肥力退化的主要因素.另一方面,以季節(jié)性干旱為代表的土壤水分季節(jié)分配不均的問(wèn)題嚴(yán)重制約了耕地生產(chǎn)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(chǎn)流和水土流失強(qiáng)度,同時(shí)也提高旱季土壤涵養(yǎng)水源的能力.

    土壤水分入滲是水分通過(guò)地表向下流動(dòng)進(jìn)入土壤的運(yùn)動(dòng)和再分布過(guò)程,受到土壤理化性質(zhì)、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(zhì)是影響入滲能力的重要方面,土壤有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體和土壤結(jié)構(gòu)等因素都與土壤入滲能力密切相關(guān)[4-5].土壤屬性在很大程度上受到人類活動(dòng)的影響,人類活動(dòng)作用于土壤中生物和理化過(guò)程,從而改變土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量、容重、孔隙度、初始含水量、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等指標(biāo)[6].國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)不同利用方式下的土壤理化性質(zhì)變化和入滲性能的響應(yīng)進(jìn)行了大量的研究[7-10].在南方紅壤區(qū),學(xué)者們也針對(duì)農(nóng)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(duì)于農(nóng)地來(lái)說(shuō),耕作措施和管理方式是決定土壤入滲過(guò)程的關(guān)鍵方面,而目前紅壤區(qū)針對(duì)耕作措施影響土壤入滲的機(jī)制研究仍相對(duì)較為薄弱,特別是多種措施的過(guò)程對(duì)比和效益評(píng)價(jià)研究不足.

    研究土壤入滲機(jī)制需要開展野外或室內(nèi)模擬試驗(yàn),如模擬降雨法、雙環(huán)入滲法或者環(huán)刀法等[14],其中雙環(huán)入滲法因其原理簡(jiǎn)單、擾動(dòng)較小且能反映野外實(shí)際條件,被國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者用來(lái)研究土壤入滲過(guò)程和測(cè)定入滲參數(shù)[15-17].在獲取土壤入滲過(guò)程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可以構(gòu)建數(shù)理模型進(jìn)行趨勢(shì)擬合和參數(shù)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(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)不同試驗(yàn)方法測(cè)定結(jié)果適宜的入滲數(shù)理模型各不相同[16],甚至同一種土壤在不同季節(jié)入滲曲線的擬合模型也存在差異[21],這體現(xiàn)了土壤入滲的復(fù)雜機(jī)制,也說(shuō)明了開展不同條件下土壤入滲能力對(duì)比量化研究的必要性.

    本文以典型紅壤坡耕地為研究對(duì)象,布設(shè)以花生為主的5種種植措施,基于田間小區(qū)長(zhǎng)期試驗(yàn)樣地探究耕作措施對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響程度和方式,并通過(guò)野外雙環(huán)入滲試驗(yàn)獲取土壤入滲過(guò)程參數(shù),在此基礎(chǔ)上分析耕作措施對(duì)土壤入滲的影響機(jī)制,提出用于研究區(qū)坡耕地土壤入滲評(píng)價(jià)的方法,從而為紅壤坡地耕作措施的優(yōu)化布設(shè)提供理論依據(jù).

    1 研究方案

    1.1 研究區(qū)概況 本研究試驗(yàn)布設(shè)在中國(guó)科學(xué)院紅壤生態(tài)試驗(yàn)站,位于江西省鷹潭市余江縣內(nèi)(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(qū)向潘陽(yáng)湖平原過(guò)渡地帶,地勢(shì)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(rùn)季風(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫17.6℃,年降雨量1 785 mm,但季節(jié)分布不均,降雨50%集中于每年的3月至6月,年均日照時(shí)數(shù)為1 852.4 h,年蒸發(fā)量1 378 mm,具有明顯的干濕季節(jié)變化、夏、秋之間旱情突出,無(wú)霜期為262 d.研究區(qū)常見(jiàn)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(zhì)以第四紀(jì)紅色黏土、泥質(zhì)頁(yè)巖、花崗巖為主,土壤類型為紅壤和紅壤性水稻土,適用于農(nóng)林牧生產(chǎn),主要農(nóng)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(qū)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(fēng)化度程度高、肥力水平低、黏粒含量高,具有易板結(jié)、易侵蝕等特點(diǎn),主要水蝕類型為面蝕和溝蝕,并以面蝕為主[22-23].

    1.2 試驗(yàn)樣地設(shè)置 花生是當(dāng)?shù)睾底鞯闹饕?jīng)濟(jì)作物,本研究在考慮當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作措施的基礎(chǔ)上,以花生為主要作物設(shè)置了5個(gè)處理,分別為:1)傳統(tǒng)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(jī)肥;5)花生+柑橘套作.除傳統(tǒng)順坡外,其他幾種處理的花生均為橫坡壟作,耕作措施詳見(jiàn)表1.每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),共15個(gè)小區(qū)樣地,于2012年布設(shè)在中科院紅壤生態(tài)試驗(yàn)站站區(qū)西側(cè),小區(qū)間距大于1 m,使用1 m×1 m的水泥板與周圍地區(qū)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(qū)為20 m×10 m;其余小區(qū)為20 m×5 m.

    1.3 土壤樣品采集與指標(biāo)測(cè)定 在每個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)按照“S”形五點(diǎn)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(fēng)干、過(guò)篩后備用.同時(shí)使用環(huán)刀法采集土樣測(cè)定容重、土壤孔隙度、土壤含水量等指標(biāo).采集團(tuán)聚體指標(biāo)樣品時(shí),為保證田間原狀土壤結(jié)構(gòu)不被破壞,需在田間采集大土塊,用硬質(zhì)鋁盒承裝至實(shí)驗(yàn)室,風(fēng)干至合適含水量后沿自然破裂面小心掰開儲(chǔ)藏備用.土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀硫酸消煮法,土壤質(zhì)地分析用吸管法;采用濕篩-Yord改進(jìn)法測(cè)定水穩(wěn)性團(tuán)聚體指標(biāo),并計(jì)算不同耕作措施土壤的平均重量直徑(MWD,mean weigh diameter),團(tuán)聚體分散度(PAD,percentage of aggregate disruption),包含>0.25 mm 團(tuán)聚體分散度(PAD0.25)和 >2 mm團(tuán)聚體分散度(PAD2),水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量(WSA,water stable aggregate),常用的指標(biāo)有 >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量(WSA0.25).

    表1 不同耕作措施徑流小區(qū)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(qū)開展雙環(huán)入滲試驗(yàn).入滲試驗(yàn)裝置采用特制的雙環(huán),其中內(nèi)環(huán)直徑為35.5 cm,外環(huán)為55.5 cm,環(huán)壁高為25 cm,內(nèi)環(huán)用于入滲試驗(yàn),外環(huán)主要是防止內(nèi)環(huán)入滲時(shí)可能發(fā)生的側(cè)向滲漏.試驗(yàn)時(shí)內(nèi)環(huán)和外環(huán)打入土的深度均為15 cm,兩環(huán)的積水深度均為5 cm,試驗(yàn)采取快速人工加水[24].試驗(yàn)前期入滲速率較快,按圓環(huán)內(nèi)水位下降1 cm計(jì)時(shí),根據(jù)入滲所需的時(shí)間計(jì)算入滲速率,試驗(yàn)后期入滲速率逐漸減小,在試驗(yàn)進(jìn)行到60 min后改為記錄5 min內(nèi)的內(nèi)環(huán)水位下降深度,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間統(tǒng)一為90 min,在這一時(shí)間內(nèi)各處理的入滲速率基本都達(dá)到穩(wěn)定,即連續(xù)5次測(cè)定的入滲速率大致相同.根據(jù)記錄的入滲過(guò)程數(shù)據(jù)計(jì)算初始入滲速率(試驗(yàn)開始5 min內(nèi)的入滲速率平均值)、穩(wěn)定入滲速率(試驗(yàn)結(jié)束前5次入滲速率平均值)和平均入滲速率(每次試驗(yàn)的總耗水量除以試驗(yàn)時(shí)間),入滲試驗(yàn)在每個(gè)小區(qū)進(jìn)行2次重復(fù),共進(jìn)行30次試驗(yàn).

    1.4 入滲模型與數(shù)理分析方法 為了準(zhǔn)確量化土壤入滲過(guò)程,結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有土壤入滲機(jī)制研究結(jié)果,選取具有較好代表性的Horton方程、Philip方程和Kostiakov方程來(lái)模擬不同耕作措施的水分入滲過(guò)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(shí)間(min),fc為穩(wěn)滲速率(mm/min).

    2)Horton公式

    其中,f1為初滲速率(mm/min),k為試驗(yàn)求得的參數(shù).

    3)Kostiakov方程

    其中,y為土壤入滲率(mm/min),x為土壤入滲時(shí)間(min),a為經(jīng)驗(yàn)入滲常數(shù),代表一個(gè)單位時(shí)段內(nèi)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(shí)間遞減的越快[25].

    采用 Nash 等[26]提出的模型有效系數(shù)(Ef)對(duì)比不同入滲模型的擬合精度,模型效率系數(shù)反映的是計(jì)算值與實(shí)測(cè)值1∶1線的接近程度,其取值范圍為 -∞ ~1.如果模型效率系數(shù)接近1,表示模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(guān)分析方法探討土壤性質(zhì)差異及其與入滲參數(shù)之間的關(guān)系,采用主成分分析方法評(píng)價(jià)不同耕作措施的綜合入滲能力,所有的數(shù)理分析和作圖在EXCEL 2010、SPSS 21.0和Origin 8.1軟件中完成.

    2 結(jié)果與分析

    2.1 不同耕作措施的土壤性質(zhì)和入滲速率 測(cè)定5種耕作措施的土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表(表2).土壤容重在1.20~1.25 g/cm3之間變動(dòng),平均值為1.22 g/cm3.受季節(jié)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(jī)質(zhì)含量差異顯著(ANOVA,P=0.03),套作的有機(jī)質(zhì)含量最高,順坡的有機(jī)質(zhì)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(shù)量,枯枝落葉、秸稈和有機(jī)肥的進(jìn)一步分解都有利于增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量[27-28].土壤團(tuán)聚體指標(biāo)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(shuō)明套作和覆蓋相比于順坡和輪作可以改善土壤結(jié)構(gòu),從而提高保水固土效益.本研究有機(jī)肥措施的團(tuán)聚體指標(biāo)相對(duì)較差,其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的作用還需要進(jìn)一步探討.

    表2 不同耕作措施的土壤理化性質(zhì)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(huán)入滲實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同耕作措施的初滲率、穩(wěn)滲率和平均入滲率見(jiàn)表3,各指標(biāo)之間的大小排序?yàn)椋撼鯘B率>平均入滲率>穩(wěn)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(xiàn)為:套作>有機(jī)肥>覆蓋>輪作>順坡;5種耕作措施在90 min的入滲過(guò)程中用水量也存在顯著差異.套作措施的穩(wěn)滲率(4.56 mm/min)最大,入滲過(guò)程中的用水量(44.05 cm)也最多.秸稈覆蓋和有機(jī)肥與順坡和輪作的穩(wěn)滲率之間沒(méi)有顯著差異,但入滲總用水量則顯著偏大,說(shuō)明這2種措施土壤涵養(yǎng)水分的能力明顯提升.本研究順坡的穩(wěn)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(cè)定結(jié)果(2.58 mm/min)十分接近,說(shuō)明本試驗(yàn)結(jié)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(duì)比Tabl.3 Infiltration parameters of different tillage practices

    分析水分入滲速率和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性見(jiàn)表4,土壤容重與穩(wěn)滲率呈負(fù)相關(guān),容重越大說(shuō)明土壤板結(jié)嚴(yán)重,土壤孔隙較小,不利于水分的下滲.一般認(rèn)為土壤前期含水量越大,入滲速率越慢.本研究分析結(jié)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(guān),可以從2個(gè)方面解釋.首先,本實(shí)驗(yàn)開展時(shí)正值旱季,土壤前期含水量較低,不足以影響入滲過(guò)程;另一方面,套種、覆蓋等措施同時(shí)具有較好的保水能力和改善土壤結(jié)構(gòu)的功能,因而既表現(xiàn)出相對(duì)較高的土壤含水量,也表現(xiàn)出較強(qiáng)的水分入滲能力.另外初滲速率與土壤有機(jī)質(zhì)含量正相關(guān),表明土壤中有機(jī)質(zhì)含量越高越利于土壤入滲.進(jìn)一步探討入滲速率與團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)指標(biāo)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)入滲速率與WSA0.25顯著正相關(guān),與 PAD0.25顯著負(fù)相關(guān),平均入滲速率還與MWD呈正相關(guān)關(guān)系(R2=0.62),說(shuō)明土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高,越有利于水分的入滲,團(tuán)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(zhì)之間的關(guān)系體現(xiàn)了不同的耕作措施會(huì)進(jìn)一步改善土壤理化性質(zhì),如提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用機(jī)制[30]、改變土壤有機(jī)質(zhì)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(zhì)相關(guān)系數(shù)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(guò)程以及模型擬合 由5種耕作措施雙環(huán)入滲實(shí)驗(yàn)的過(guò)程曲線(圖1)看出,不同處理的入滲曲線在試驗(yàn)前10 min內(nèi)呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì),隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸達(dá)到穩(wěn)定入滲狀態(tài).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(shí)達(dá)到穩(wěn)定入滲狀態(tài),整個(gè)入滲過(guò)程都低于其他措施,說(shuō)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(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間在50 min左右,這與前文所述套作具有較高的有機(jī)質(zhì)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量有關(guān),說(shuō)明套作利于改善土壤性質(zhì)及其結(jié)構(gòu),增加土壤入滲能力.有機(jī)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(shí)間遞減較快,其穩(wěn)定入滲速率與輪作接近,說(shuō)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(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性降雨減流能力有限.

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

    使用Philip、Horton和Kostiakov入滲方程對(duì)不同耕作措施的入滲速率和入滲時(shí)間進(jìn)行擬合,擬合參數(shù)和結(jié)果見(jiàn)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(jié)果可知,套作、覆蓋和有機(jī)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(duì)各措施穩(wěn)定入滲速率(最低的5個(gè)數(shù)值)的估算值與實(shí)測(cè)值相比均顯著偏高(ANOVA,P<0.001).整體上來(lái)看Philip公式對(duì)入滲速率的估算值與1∶1線較為接近,盡管對(duì)于最大入滲速率的估算存在一定程度低估,但對(duì)于各措施初始入滲速率(最高的5個(gè)數(shù)值)的估算值與實(shí)測(cè)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(guān)系并不明顯.由1∶1線圖可以看出,Horton方程對(duì)首個(gè)入滲速率普遍存在低估,特別是套作措施,其前5個(gè)初始入滲速率的估算值顯著低于實(shí)測(cè)值(ANOVA,P=0.02).隨著入滲繼續(xù)進(jìn)行,Horton方程的估算值開始超過(guò)實(shí)測(cè)值,除順坡外各措施的估算值都在1∶1線以上.而到穩(wěn)定入滲階段估算值則又回到1∶1線附近,后5個(gè)穩(wěn)定入滲速率的估算值與實(shí)測(cè)值差異不大.

    由Kostiakov方程模擬的結(jié)果來(lái)看,不同耕作措施a值大小排序?yàn)椋禾鬃?>有機(jī)肥 >覆蓋 >順坡>輪作,這與實(shí)測(cè)的入滲曲線趨勢(shì)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(shuō)明其入滲速率衰減較快,這與圖1覆蓋措施實(shí)測(cè)入滲速率降低較快的現(xiàn)象吻合.Kostiakov方程的估算結(jié)果全程與1∶1線較為接近,估算得到的初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率均與實(shí)測(cè)值差異不大.

    進(jìn)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(shù)均值,分別為0.73、0.88和0.95,由此可見(jiàn)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(guò)程.

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

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

    3 研究結(jié)論

    本文通過(guò)野外采樣、模擬試驗(yàn)和數(shù)理分析,對(duì)比了典型紅壤坡耕地5種耕作措施條件下的土壤性質(zhì)和入滲能力,得出主要結(jié)論如下.

    1)在紅壤坡耕地采用套作、覆蓋和有機(jī)肥處理的耕作措施可以顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性并改善土壤結(jié)構(gòu),從而提高土壤入滲能力.

    2)從整體統(tǒng)計(jì)、過(guò)程分析和數(shù)理模擬的結(jié)果都可以看出,套作、覆蓋和有機(jī)肥處理的土壤入滲能力指標(biāo)均顯著高于輪作和傳統(tǒng)順坡耕作措施,可見(jiàn)采用套作措施的土壤入滲能力最強(qiáng),涵養(yǎng)水分的效益最優(yōu);入滲速率指標(biāo)與土壤有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體平均重量直徑、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈正相關(guān),與土壤容重、團(tuán)聚體分散度指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)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(guò)程,發(fā)現(xiàn)Philip將導(dǎo)致穩(wěn)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(xù)階段則存在高估問(wèn)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(shù)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(guò)程.

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