西南喀斯特區(qū)不同土地利用梯田優(yōu)先流定量分析

司 琴，余佳峻，高澤超，張帥普，付智勇，徐勤學

（1. 桂林理工大學 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地，廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004； 3. 西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048； 4. 中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125）

0 引 言

我國西南喀斯特地區(qū)具有成土速率慢，土層淺薄，地下裂隙發(fā)育強烈等特點［1］。該地區(qū)梯田分布廣泛，梯田的建設(shè)顯著改善了西南喀斯特地區(qū)“地少人多”和耕地水土流失嚴重等問題，坡耕地改為梯田后蓄水效益高達67.6%，保土效益達85%以上［2］。土壤水分入滲特征是評價梯田水土保持效益的重要指標，且可以對梯田的水文循環(huán)系統(tǒng)造成直接影響［3，4］。

梯田上不同土地利用類型的土壤入滲特征與土壤性質(zhì)差異巨大，導致不同土地利用梯田水土流失與地下水污染程度均有不同，進而對梯田的水土保持措施合理布設(shè)造成較大影響［5］。優(yōu)先流是土壤入滲中重要的一環(huán)，且由于喀斯特地區(qū)特殊的二元三維結(jié)構(gòu)和充沛的降雨，更加促進了優(yōu)先流的產(chǎn)生［6，7］，而這一現(xiàn)象一方面補充了地下水，另一方面可能會導致水肥漏失，對當?shù)厮Y源環(huán)境和農(nóng)業(yè)發(fā)展造成較大影響［8］。

優(yōu)先流常見的研究方法主要為室內(nèi)模擬土壤大孔隙，或使用同位素及染色示蹤技術(shù)，測算優(yōu)先流在總?cè)霛B中所占的比例［9］。這些研究大多是對優(yōu)先流的染色路徑和發(fā)育程度進行分析，對于優(yōu)先流量的具體大小并無涉及［10-13］。張婧［14］根據(jù)土壤總?cè)霛B為基質(zhì)入滲與優(yōu)先流入滲之和的事實，發(fā)展了用土壤總?cè)霛B扣除基質(zhì)入滲測量得到優(yōu)先流量的方法，并在黃土高原林地研究了土壤基質(zhì)入滲和優(yōu)先流的定量關(guān)系。黃永超等［15］通過模型擬合表明表置式環(huán)式入滲儀在紫色土也有很好的適用性，其相關(guān)系數(shù)均大于0.93。

西南喀斯特地區(qū)梯田快速擴張，但對該地區(qū)梯田的優(yōu)先流定量特征還缺乏研究。由于喀斯特地區(qū)與非喀斯特地區(qū)土壤入滲差異巨大，也不能基于非喀斯特地區(qū)的成果對該地區(qū)梯田水土保持效益做出評價。為了深入了解該地區(qū)梯田土壤優(yōu)先流入滲的定量特征，本文以廣西壯族自治區(qū)桂林市海洋鄉(xiāng)不同土地利用梯田（園地、耕地、林地）作為研究對象，利用表置式環(huán)式入滲儀，定量劃分不同土地利用類型梯田的入滲過程，研究其優(yōu)先流入滲量與染色特征差異。相關(guān)結(jié)果將加深對西南喀斯特地區(qū)梯田優(yōu)先流入滲過程的理解，同時為西南喀斯特地區(qū)梯田的土壤水分管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)桂林市靈川縣海洋鄉(xiāng)南灣村（25°17′39″N，110°33′39″E），該地區(qū)屬典型的喀斯特峰叢洼地地貌。研究區(qū)多年平均氣溫為17.5 ℃，多年平均降雨量為1 645 mm，降雨集中于4-9月，屬于亞熱帶季風氣候［15］。

研究區(qū)梯田主要以耕地和經(jīng)果林為主，每級梯田坡度約1°～3°，土壤屬于黑色或棕色石灰土，田坎由塊石堆砌而成。樣地設(shè)置在石坎梯田的園地和耕地以及林地，試驗于2021 年3 月進行。水平方向依次間隔1 m 左右距離，選取地勢相對平坦的3個試驗點（a、b、c），每個試驗點分別間隔2 m 放置兩個表置式環(huán)式入滲儀（由兩個不銹鋼鐵環(huán)制成，外環(huán)直徑為40 cm，內(nèi)環(huán)直徑20 cm，高10 cm），呈3×2 長方形排列。每種土地利用類型3個試驗點，共9個有效試驗點。

1.2 試驗方法

1.2.1 染色入滲試驗

試驗前清除樣地表面雜草，使用表置式環(huán)式入滲儀垂直壓入土壤深度1 cm。細紗布鋪在內(nèi)環(huán)及內(nèi)-外環(huán)之間的土壤表面，在其表面均勻撒上一層3 cm 厚的細沙遮擋土壤大孔隙，保證入滲方式僅為基質(zhì)入滲。將4 g/L 的混合亮藍溶液加入內(nèi)環(huán)8 cm 刻度處，內(nèi)-外環(huán)之間加入清水，保證與內(nèi)環(huán)水位等高。采用落水頭法測定土壤入滲過程，連續(xù)3次入滲時間相同或相近，即視為穩(wěn)滲狀態(tài)，入滲時間控制在90 min 左右?？?cè)霛B與基質(zhì)入滲的安裝和測量方法基本一致，不同點在于不用在土壤表面鋪細沙和紗布。

一次入滲試驗完成24 h 后沿著內(nèi)外環(huán)切線位置及內(nèi)環(huán)的1/4 和1/2 的位置開挖剖面。在剩余1/2 的濕潤土體中，分別在距土壤表面5，10，20 和30 cm 的4 個深度進行水平開挖。開挖完成后，在土壤深度分別為0～10，10～20，20～40，40～80 和80～100 cm 處取樣。每個土壤深度收集3 個樣品，土壤性質(zhì)如表1所示。

表1 不同土地利用類型梯田土壤基本理化特性參數(shù)Tab.1 Basic physico-chemical characteristics of terraced soils of different land use types

1.2.2 優(yōu)先流定量計算

參考張婧［16］的計算方法，根據(jù)土壤總?cè)霛B為基質(zhì)入滲與優(yōu)先流入滲之和的事實，土壤優(yōu)先流入滲量QP(t) （mm）的計算公式為：

將式（1）對時間t求導可得：

式中：Qt(t)是土壤總?cè)霛B量，mm；Qm(t)是基質(zhì)入滲量，mm；IRP是優(yōu)先流入滲率，mm/h；IRt是土壤總?cè)霛B率，mm/h；IRm是基質(zhì)入滲率，mm/h。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本試驗使用excel、origin 2021進行數(shù)據(jù)處理和圖像繪制，運用Photoshop CS5 軟件進行土壤剖面圖像后期處理。運用image pro plus 6.0 對圖像信息進行統(tǒng)計，計算不同深度土壤黑白染色比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型梯田優(yōu)先流入滲量

不同土地利用類型梯田的優(yōu)先流累積入滲量大小順序為園地＞耕地＞林地（圖1），分別占總?cè)霛B量的23%、16%和19%，其中園地優(yōu)先流累積入滲量分別是耕地和林地的1.3 和1.5 倍。不同土地利用類型梯田入滲過程均以基質(zhì)入滲為主，基質(zhì)入滲量占總?cè)霛B比例可達到77%～89%。園地基質(zhì)累積入滲量與林地差異并不顯著，但均明顯低于耕地。不同土地利用類型梯田總?cè)霛B量大小順序為耕地＞園地＞林地，其中耕地累積總?cè)霛B量分別是園地和林地的1.1和1.5倍。

圖1 不同土地利用類型梯田各部分累積入滲量Fig.1 Cumulative infiltration in various parts of terraces of different land use types

不同土地利用類型梯田的優(yōu)先流入滲量變化特征均表現(xiàn)為隨入滲時間先快速增大，隨后增加速度減慢（圖2）。園地、耕地和林地分別的3個試驗點中優(yōu)先流最大入滲量較最小入滲量分別增大了1.55、1.96 和1.38 倍，且耕地3 個試驗點的優(yōu)先流入滲量變化趨勢差異較明顯，說明耕地入滲過程具有較強的空間異質(zhì)性。園地與林地在不同試驗點優(yōu)先流入滲量同樣具有明顯差異，但總體趨勢一致，其入滲過程較耕地更穩(wěn)定。

圖2 不同土地利用類型梯田優(yōu)先流量隨入滲時間變化情況Fig.2 Variation of priority flow with infiltration time in terraces of different land use types

2.2 不同土地利用類型梯田優(yōu)先流入滲率

3種土地利用類型梯田的優(yōu)先流入滲率變化特征均表現(xiàn)為隨入滲時間先急劇下降，在20 min 左右下降速率減小，隨后逐漸趨于平穩(wěn)，直至達到穩(wěn)滲狀態(tài)（圖3）。3種土地利用類型梯田的優(yōu)先流的起始入滲率差異較大，其中園地和耕地的起始入滲率達到1 995.1 和2 549.6 mm/h，分別是林地的5.6 和7.1 倍。不同土地利用類型梯田的優(yōu)先流穩(wěn)定入滲率大小順序為耕地＞園地＞林地，穩(wěn)定入滲率均介于21.6～39.0 mm/h之間。

圖3 不同土地利用類型梯田優(yōu)先流入滲率隨時間變化情況Fig.3 Variation in priority infiltration rates over time in terraces of different land use types

由表2 可知，不同土地利用梯田優(yōu)先流入滲率隨入滲時間的增加大幅度降低，其中園地優(yōu)先流入滲率的降幅最大，從791.9 mm/h 降低到31.3 mm/h，耕地次之，從553.5 mm/h 降低到38.4 mm/h，林地優(yōu)先流入滲率降幅最小，從121.6 mm/h 降低到21.0 mm/h。初始入滲階段（0～10 min），園地和耕地的優(yōu)先流入滲率差異并不顯著，但顯著大于林地入滲率。3 種土地利用類型梯田的穩(wěn)定入滲率大小順序為耕地＞園地＞林地，其中耕地的穩(wěn)定入滲率分別為園地和林地的1.0和1.9倍。

表2 不同入滲階段土壤入滲率Tab.2 Soil infiltration rates at different stages of infiltration

不同土地利用類型梯田的基質(zhì)入滲速率隨時間變化的特征與優(yōu)先流入滲率相似，均為隨入滲時間的增大而減小。在3個入滲階段中，園地、耕地和林地的基質(zhì)入滲率降幅分別為643.9、689.1 和454.6 mm/h。3 種土地利用類型梯田的平均入滲率和穩(wěn)定入滲率大小順序均為耕地＞園地＞林地，其中耕地的平均入滲率分別為園地和林地的1.2 和1.5 倍，穩(wěn)定入滲率分別為園地和林地的1.4和1.3倍。

園地和耕地的總?cè)霛B率在初始階段（0～10 min）顯著高于林地，其初滲速率分別是林地的2.1和2.0倍，但3種土地利用類型總?cè)霛B率均在90 min 左右達到穩(wěn)滲狀態(tài)，穩(wěn)定入滲率差異較小，保持在201.9～273.3 mm/h范圍內(nèi)。

在整個入滲過程中土壤優(yōu)先流入滲率是基質(zhì)流的0.1～0.95倍（圖4）。在初始階段（0～10 min），園地的基質(zhì)入滲率與優(yōu)先流入滲率差異不大，耕地和林地的基質(zhì)入滲率分別是優(yōu)先流入滲率的1.7 和5.3 倍；隨著更多水分進入土壤孔隙中，優(yōu)先流入滲率主要呈降低趨勢，穩(wěn)滲階段（60～90 min）時土壤基質(zhì)入滲相對優(yōu)先流占據(jù)主要優(yōu)勢，此時基質(zhì)入滲率是優(yōu)先流入滲率的6～9倍，3種土地利用梯田的優(yōu)先流入滲率占總?cè)霛B率比差異較?。?0%～15%）。

圖4 不同入滲階段土壤基質(zhì)入滲率與優(yōu)先流入滲率占總?cè)霛B比值Fig.4 Infiltration rate of the soil matrix at different stages of infiltration and priority infiltration rate as a percentage of total infiltration

2.3 不同土地利用類型梯田優(yōu)先流路徑分布特征

根據(jù)Weiler［17］等人研究的分類標準，本試驗區(qū)優(yōu)先流類型主要是大孔隙流和裂隙流。3種利用類型梯田的優(yōu)先流染色面積均隨土壤深度增加而減小。其中耕地優(yōu)先流染色深度最深，園地其次，林地最淺。染色面積大小順序依次為耕地＞園地＞林地。在0～8 cm 的土層深度上，園地和耕地染色呈均勻分布，隨后染色面積大幅減小。園地在8～20 cm 土層中呈現(xiàn)出深度不同的染色分支并呈帶狀分布，說明其孔隙之間的橫向聯(lián)通性較差；耕地在5～30 cm 土層中出現(xiàn)分支；林地在0～13 cm 土層中呈現(xiàn)少量不均勻染色現(xiàn)象，說明在同等水分入滲條件下林地地優(yōu)先流現(xiàn)象并不明顯。

不同土地利用梯田的最大染色深度順序為：耕地＞園地＞林地（表3）。3 種土地利用類型梯田的染色部分主要分布于0～20 cm 深度土壤，染色面積比隨著入滲深度的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢。在土壤深度0～10 cm 范圍內(nèi)，耕地染色面積最大，占該土壤深度范圍總?cè)旧娣e的83%，園地次之，林地最小。隨著土壤深度的增加（10～20 cm），園地、耕地和林地染色比較上層土壤（0～10 cm）分別減少了45%、23%和54%，其中林地的染色比減小幅度最大，且在土壤深度20 cm 以下染色比降為0，在該土層深度范圍，耕地和園地也分別降至7%和2%。

表3 不同利用類型梯田土壤剖面染色參數(shù)Tab.3 Soil profile staining parameters for different use types of terraces

3 討 論

不同土地利用類型梯田優(yōu)先流累積入滲量差異明顯，大小順序為園地＞耕地＞林地，其優(yōu)先流累積入滲量分別占總?cè)霛B量的24%、16%、11%。王發(fā)［18］等在巖溶區(qū)對常年翻耕的農(nóng)地優(yōu)先流特征進行了研究，結(jié)果顯示，其優(yōu)先流比僅為35.00%，與本試驗結(jié)果相似。本試驗中耕地與園地由于翻耕，導致土壤孔隙度增大，優(yōu)先流占比更大，而林地由于常年封育，幾乎沒有人為擾動，優(yōu)先流現(xiàn)象并不明顯。張靜舉［19］以喀斯特區(qū)甘蔗地為研究對象得出免耕處理下土壤大孔隙流發(fā)育程度較耕作處理高。與本研究結(jié)論不同，這主要是由于優(yōu)先流發(fā)育程度受土壤含水率、生物活動等多種因素影響，僅用優(yōu)先流量的占比并不能完整的描述優(yōu)先流，具有一定局限性［10］。

結(jié)果表明，試驗區(qū)3 種土地利用類型梯田的整個入滲過程中，土壤優(yōu)先流入滲率是基質(zhì)入滲率的0.1～0.95 倍。初始入滲階段（0～10 min）時基質(zhì)流和優(yōu)先流占比差異較小，達到穩(wěn)定入滲階段（60～90 min）后，基質(zhì)入滲逐漸占據(jù)主導形式。陶婷婷［20］等在紫色土的入滲研究中表明，穩(wěn)滲階段時基質(zhì)流占比較大，與本試驗結(jié)果一致。而張婧［13］在黃土高原測得穩(wěn)滲階段優(yōu)先流入滲率是基質(zhì)入滲的2.3～4.9 倍，與本研究結(jié)果相反，這可能與土壤質(zhì)地有關(guān)。本試驗區(qū)位于喀斯特地區(qū)，土壤中黏粒含量明顯高于黃土高原地區(qū)，而砂粒含量較少，有研究表明砂粒含量的增加有利于土壤優(yōu)先流的形成和發(fā)展，黏粒、粉粒含量增加，導致土壤孔隙率減小，優(yōu)先流發(fā)育受阻［21-23］。

本研究區(qū)園地、耕地和林地的最大染色深度分別為25.5、32.1 和15.7 cm（圖5）。田香姣［24］以重慶四面山的農(nóng)地與草地為研究對象，結(jié)果表明農(nóng)地染色深度集中于0～20 cm，與本試驗結(jié)果相似。本研究區(qū)林地為自然封育狀態(tài)，受人為擾動小，且入滲試驗選點時避開了馬尾松根系范圍，因此20 cm 以下的土壤孔隙率明顯低于園地和耕地（表1），進而影響了優(yōu)先流的產(chǎn)生。呂剛［25］等認為優(yōu)先流入滲深淺與植物根長密度關(guān)系密切，本研究區(qū)內(nèi)柑橘和花生根系主體分布在土壤深度為0～30 cm 左右，增加了淺層土壤中的生物大孔隙的分布，故其優(yōu)先流染色可以達到更深［10］。結(jié)果顯示，園地、耕地和林地0～10 cm土壤深度的優(yōu)先流染色面積比分別為75%、83%和70%，且隨著土壤深度的增加，染色面積比逐漸減小。這是由于隨著土壤深度的增加，3 種土地利用類型梯田的土壤容重均在增大（表1），土壤大孔隙難以形成，其對應土壤深度的優(yōu)先流路徑數(shù)量也隨之降低［26］。

圖5 不同利用類型梯田土壤垂向剖面染色圖Fig.5 Soil staining in the vertical profile of terraces of different use types

本試驗中隨著土壤深度的增加，土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，優(yōu)先流入滲率也逐漸減小。有機質(zhì)含量高的土壤中生物活動相對更加頻繁，能夠有效促進土壤中優(yōu)先路徑的形成［27］。阮新竹［28］等在重慶四面山的研究中表示，有機質(zhì)含量與土壤大孔隙數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系；李雪轉(zhuǎn)［29］等在基于壤土的水分入滲試驗中得出結(jié)論，隨著土壤有機質(zhì)含量的增加，土壤入滲能力會隨之增加，與本試驗結(jié)果一致。本試驗中，林地恢復時間較其他兩種土地利用類型土地更長，但有機質(zhì)含量和其他兩種土地利用類型并無顯著差異。相關(guān)研究表明，在一定范圍內(nèi)，植被恢復時間越長，土壤有機質(zhì)含量就越高［30］，與本試驗結(jié)論具有差異。這是由于土壤有機質(zhì)的變化規(guī)律會受到土壤環(huán)境條件的影響，而喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，極易受到人為因素的影響，僅用有機質(zhì)含量對優(yōu)先流特征進行描述并不準確。

最后，本試驗結(jié)果僅對西南喀斯特梯田3 種土地利用類型的優(yōu)先流入滲特征進行了初步的定量分析，為了更好的探究西南喀斯特地區(qū)優(yōu)先流入滲機理，還需要對該地區(qū)其他土地利用類型以及不同耕作方式梯田的優(yōu)先流定量分析做進一步研究。

4 結(jié) 論

將雙環(huán)入滲和染色示蹤相結(jié)合，研究了西南喀斯特梯田3種土地利用方式土壤優(yōu)先流入滲特征，得到以下結(jié)論。

（1） 3 種土地利用方式下的土壤入滲過程均為基質(zhì)入滲占據(jù)主要優(yōu)勢。

（2） 3 種土地利用方式的優(yōu)先流穩(wěn)定入滲率大小順序為耕地（40.3 mm/h）＞園地（39.0 mm/h）＞林地（21.6 mm/h）。在穩(wěn)滲階段（60～90 min），園地和耕地的入滲率值差異較小，但園地的優(yōu)先流累積入滲量是耕地的1.3倍。

（3） 3 種土地利用方式下的優(yōu)先流分布特征有明顯的區(qū)別。耕地優(yōu)先流到達的最大深度為32.1 cm，林地優(yōu)先流到達的最大深度為15.7 cm，即在同等水分入滲條件下，林地的優(yōu)先流現(xiàn)象沒有耕地和園地明顯。

（4） 不同的土地利用方式改變了土壤物理性質(zhì)，與林地相比，園地和耕地的孔隙度較之更大，同時優(yōu)先流入滲深度和入滲量也更大。