云南紅壤水力參數(shù)差異較大的原因探究

摘要：為探究造成云南紅壤水力參數(shù)與周邊地區(qū)差異較大的原因，分別采集原狀土農(nóng)田以及土地平整后農(nóng)田的土壤樣品，測定紅壤的基本水力參數(shù)；同時開展持續(xù)2 h的田間地表滴灌入滲試驗，將土壤剖面分為0～15 cm、15～25 cm、25～40 cm、40～55 cm共4層，基于HYDRUS-1D模型的Kosugi經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建不同反演模型，分析不同反演方式對土壤水力參數(shù)的影響。為保障反演模型在田間條件下收斂，將滴頭接觸半徑假定在（1.0±0.2） cm范圍采用試錯法進(jìn)行率定，選出精度最高的條件用于后續(xù)分析。結(jié)果表明，將0.84 L/h灌溉流量通過試錯法率定，在滴頭接觸半徑為0.9 cm、上邊界定通量為2.75 cm/min的條件下反演模型的模擬精度最高，其R2為0.926 18，AIC值為-65.62，BIC值為-62.04；適用于田間紅壤的反演方式為將實測各層狀土的飽和含水量、殘余含水量、飽和導(dǎo)水率固定不變來反演擬合參數(shù)，鑒于紅壤表層在田間滴灌期間會形成阻水層，表層土壤的飽和導(dǎo)水率也需進(jìn)行反演。此外，云南原狀紅壤受地理、紫外線輻射、干濕季節(jié)氣候等因素影響具有極高的保水性以及較強的透水性，但對土地平整后的農(nóng)田進(jìn)行采樣或是通過數(shù)值模型基于不準(zhǔn)確的土壤參數(shù)進(jìn)行反演，可能得出紅壤保水性、透水性較差的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：紅壤；土壤水力參數(shù)；參數(shù)反演；地表滴灌；數(shù)值模擬；云南省

中圖分類號：S152.7" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）12-0024-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.12.005 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Exploration of the reasons for the large difference in hydraulic parameters of

red soil in Yunnan Province

WANG Ying1，2， LI Chong-qing1， LIU Qing-sheng1， LU Qi-ling1

（1.College of Water Conservancy， Yunnan Agricultural University， Kunming" 650201， China； 2.Engineering Research Center of Green Smart Farmland and Carbon Emission Reduction， Kunming" 650201，China）

Abstract： In order to explore the reasons for the large difference in the hydraulic parameters of red soil between Yunnan Province and the surrounding areas， the basic hydraulic parameters of red soil were measured by sampling in undisturbed soil farmland and farmland after land leveling. At the same time， a two-hour field surface drip irrigation infiltration test was carried out. The soil profile was divided into four layers of 0～15 cm， 15～25 cm， 25～40 cm and 40～55 cm. Based on the Kosugi empirical model of HYDRUS-1D model， different inversion models were constructed to analyze the effects of these methods on soil hydraulic parameters. In order to ensure the convergence of the inversion model under field conditions， the contact radius of the emitter was assumed to be in the range of （1.0 ± 0.2） cm， which was calibrated by the trial and error method， and the conditions with the highest accuracy were selected for subsequent analysis. The results showed that the simulation accuracy of the inversion model was the highest when the irrigation flow rate of 0.84 L/h was calibrated by the trial and error method， the contact radius of the emitter was 0.9 cm and the constant flux of the upper boundary was 2.75 cm/min， and the R2 was 0.926 18， the AIC value was -65.62， and BIC value was -62.04. The inversion method suitable for red soil in the field was that the fitting parameters were inverted by fixing the measured saturated water content， residual water content and saturated hydraulic conductivity of each layered soil. In view of the fact that the surface layer of red soil would form a water blocking layer during drip irrigation in the field， the saturated hydraulic conductivity of the surface soil also needed to be inverted. In addition， this study found that the undisturbed red soil in Yunnan Province had high water retention and strong water permeability due to factors such as geography， ultraviolet radiation， and dry and wet season climate. However， sampling of farmland after soil leveling or inversion based on inaccurate soil parameters through numerical models might lead to the conclusion that red soil had poor water retention and permeability.

Key words： red soil； soil hydraulic parameters； parameter inversion； surface drip irrigation； numerical simulation； Yunnan Province

收稿日期：2023-12-05

基金項目：興滇人才支持計劃項目（XDYC-QNRC-2022-0107）；云南省教育廳基金項目（2022Y290）

作者簡介：王 瑩（ 1982-），女，河北秦皇島人，副教授，博士，主要從事高效灌排理論與生態(tài)灌區(qū)管理研究，（電子信箱）865289885@qq.com；通信作者，李重慶（2000-），男，重慶人，碩士，主要從事高效灌排理論與生態(tài)灌區(qū)管理研究，（電子信箱）198766496@qq.com。

付曉莉［1］的研究指出，重壤土（黏土、砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏壤土、黏壤土、粉砂質(zhì)黏壤土和黏粒含量大于25%的土壤［2］）難以通過土柱回填的方式還原田間容重，對其進(jìn)行研究分析最好采用原狀土。同時又存在部分文獻(xiàn)在室內(nèi)試驗中成功使重壤土按田間容重回填的案例，但卻普遍得出紅壤保水性［3-6］和透水性［5-8］較差的結(jié)論。

紅壤分布較廣，種類繁多，性質(zhì)具有一定的地域特征。在江西采樣的紅壤，保水性及透水性都較差［5，6］。廣西采樣的紅壤，保水性較高且透水性良好［9］。黃凱等［8］通過HYDRUS模型得出廣西紅壤保水性較高，透水性較差。對于云南紅壤，本研究在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田采樣并送檢，發(fā)現(xiàn)云南紅壤飽和含水量極高、透水性較強，但同樣的采樣區(qū)域也有研究得出紅壤的保水性和透水性較差的結(jié)論［4，7］。

云南省干濕季節(jié)明顯，土壤的保水性高于溫帶地區(qū)［10］，土壤較高的保水性使得作物能在雨季儲存到足夠的水分并在鮮有降雨的旱季正常生長，同時為避免作物在含水量較高的土壤中爛根，土壤也具有較強的透水性。這種土壤特性是生態(tài)系統(tǒng)為應(yīng)對干濕季節(jié)明顯的氣候演化而來。但又是出于何種因素使得研究者得出云南紅壤保水性和透水性較差的結(jié)論，有待進(jìn)一步探究。

在土壤水力參數(shù)的測定中，對田間層狀土進(jìn)行采樣測定耗費較大，研究者往往基于HYDRUS模型根據(jù)土壤機械組成通過PTF函數(shù)進(jìn)行預(yù)測或是根據(jù)滴灌期間實測含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型水力參數(shù)反演，但將上述方式應(yīng)用于云南紅壤時存在一些局限。Tomasella等［10］的研究指出，熱帶地區(qū)的土壤水力參數(shù)不同于溫帶地區(qū)。而HYDRUS模型中的Rosetta數(shù)據(jù)庫是在溫帶地區(qū)采樣，并且該數(shù)據(jù)庫的說明書也提到模型給出的飽和導(dǎo)水率參數(shù)是通過線性插值預(yù)測的，其結(jié)果可能不準(zhǔn)。Elnesr等［11］的研究表明，對質(zhì)地黏重的土壤進(jìn)行參數(shù)反演時需實測基本水力參數(shù)來保證模型精度，若是通過模型給出的預(yù)測參數(shù)進(jìn)行迭代反演，即便能率定出恰當(dāng)?shù)臄?shù)值（模型收斂必有結(jié)果），也會出現(xiàn)與實際的土壤指標(biāo)偏差較大的結(jié)果。李美婷等［12］的研究指出，對于有機質(zhì)含量較高、土壤含水量較高的土壤，TDR測值不太準(zhǔn)，這導(dǎo)致在田間滴灌入滲試驗中，TDR探針達(dá)到穩(wěn)定時顯示的數(shù)值并非如室內(nèi)試驗中是飽和含水量而是100%，這將影響模型反演中實測含水量中的土壤水分上限（飽和含水量）。

在國內(nèi)相關(guān)的層狀土（質(zhì)地黏重）入滲研究中，模型反演后的飽和導(dǎo)水率普遍集中在0.001 3［13］～0.078 8 mm/min［14］，這在透水性劃分上屬于較差，因此反演方式的不同是否會導(dǎo)致研究者忽略自然因素而得出云南紅壤保水性和透水性較差的結(jié)論有待進(jìn)一步探究。因此，本研究旨在通過數(shù)值模型探究采樣紅壤指標(biāo)與已有研究中反演土壤參數(shù)之間差異較大的原因，并對這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋，以探究出造成云南紅壤水力參數(shù)與周邊地區(qū)差異較大的原因。

1 材料與方法

1.1 田間采樣及試驗

2022年4月底在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田（25°08′04″N，102°45′27″E）采集土樣。采樣點1周邊情況如圖1所示。該農(nóng)田處于休耕狀態(tài)，地表存在大量的有機覆蓋物，采樣期間土質(zhì)疏松，同時將采樣點1的土壤稱為原狀土。分別取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土樣各250 g，每層土樣在相鄰位置取3個環(huán)刀樣品，送于四川華標(biāo)檢測公司測量土壤的機械組成、干容重及飽和導(dǎo)水率、飽和含水量、殘余含水量（單獨選一個環(huán)刀樣品采用生物法測定凋萎系數(shù)［15］），其中土壤機械組成通過激光粒度分析儀（BT-9300HT）測定，試驗土壤檢測指標(biāo)見表1。將表1中土壤機械組成和容重數(shù)據(jù)輸入HYDRUS-1D模型Rosetta數(shù)據(jù)庫對水力參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果見表2。

雨季結(jié)束后，采樣點1土地被平整，無法開啟后續(xù)田間試驗，故在距采樣點1處715 m的農(nóng)田（25° 08′26″N，102°45′19″E），于2022年11月初完成后續(xù)田間試驗。將土壤剖面按10～20 cm為1層人為劃分為0～15 cm、15～25 cm、25～40 cm、40～55 cm共4層。在入滲起點位置的豎直正下方對應(yīng)的各土層中插入TDR，設(shè)5個觀測點，O1觀測點距地表10 cm，O2觀測點距地表20 cm，O3觀測點距地表27 cm，O4觀測點距地表36 cm，O5觀測點距地表47 cm。滴灌流量為0.84 L/h，持續(xù)滴灌2 h，每間隔5 min記錄1次TDR數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后，刨除濕潤部分對層狀土進(jìn)行采樣及送檢。并將該采樣點命名為采樣點2，其土壤稱為擾動土，采樣點周邊情況如圖2所示。試驗土壤實測土壤水力參數(shù)見表3。將表3中土壤機械組成和容重數(shù)據(jù)輸入HYDRUS-1D模型Rosetta數(shù)據(jù)庫對水力參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果見表4。但值得注意的是，2次采樣點的經(jīng)緯度坐標(biāo)通過Vincenty公式計算相距715 m，實測的土壤水力參數(shù)卻偏差極大。

1.2 數(shù)值模型構(gòu)建

1.2.1 模型理論 田間試驗采樣土壤為粉質(zhì)黏土，石文豪等［16］的研究表明Kosugi模型適用于此類土壤。因此采用HYDRUS-1D模型［17］中的Kosugi模型對田間數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其中Kosugi模型的土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率的計算式如下。

[Se=θ-θrθs-θr=12erfcln（h/α）2nhlt;01h≥0] （1）

[K（h）=KsSle12erfcln（h/α）2n+n2hlt;0Ksh≥0] （2）

式中，Se為有效飽和度；[θ]為土壤體積含水率；[θs]和[θr]分別為飽和含水量和殘余含水量；[Ks]為飽和導(dǎo)水率；[α]為孔隙毛細(xì)管壓力分布的峰值；[n]為孔隙毛細(xì)管壓力分布的標(biāo)準(zhǔn)差；l為孔隙關(guān)聯(lián)參數(shù)，取值為0.5；h為土壤吸力；K（h）為非飽和導(dǎo)水率。

1.2.2 模型的條件設(shè)定 采用HYDRUS-1D模型模擬土壤在滴灌期間入滲起點處的垂向水分運移過程。在數(shù)值模型構(gòu)建中將土壤剖面設(shè)定為55 cm，將土壤剖面分為0～15 cm、15～25 cm、25～40 cm、40～55 cm共4層，不考慮土壤蒸發(fā)與根系吸水作用。邊界條件不考慮土壤水分側(cè)向流動。底部邊界條件設(shè)定為自由排水。土壤剖面的上邊界條件選為定通量邊界，灌溉流量0.84 L/h（14 cm3/min），持續(xù)灌溉時間為2 h，上邊界定通量按照滴頭流量除以滴頭接觸面積計算［14］。

[q=QS] （3）

S=2pr2" （4）

式中，Q為滴灌流量，cm3/min；r為滴頭接觸半徑，cm；S為滴頭接觸的表面積，cm2；q為上邊界定通量，cm/min。

模型中各觀測點與田間試驗插入的TDR位置一致，由于田間條件較為復(fù)雜，例如部分深度土層的初始含水量較高、土壤剖面內(nèi)部存在螞蟻窩和空穴、入滲過程中懸移泥沙的沉積與遷移等，所以在滴灌期間TDR達(dá)到穩(wěn)定時顯示的數(shù)值并非是飽和含水量而是100%。因此，將試驗期間測定的TDR數(shù)據(jù)通過實測的土壤飽和含水量進(jìn)行處理（剔除含水量超過實測飽和含水量以及后一時刻小于前一時刻的數(shù)值）得到表5用于模型反演。土壤剖面初始條件含水量采用表5中t=0時刻的數(shù)據(jù)。其中O3、O4觀測點位于同一土層，在HYDRUS Soil Profile Summary界面將26～32 cm土層土壤含水量數(shù)據(jù)設(shè)為O3觀測點初始數(shù)據(jù)，33～39 cm土層土壤含水量數(shù)據(jù)設(shè)為O4觀測點初始數(shù)據(jù)。在時間界面，HYDRUS-1D模型每隔5 min輸出1次數(shù)據(jù)，總計24次。

1.2.3 模型評價指標(biāo) 田間土壤層通常是按10～20 cm為1層進(jìn)行劃分，層狀土壤入滲滿足非線性關(guān)系［18］。因此在決定系數(shù)R2的基礎(chǔ)上添加HYDRUS-1D模型內(nèi)置的赤池信息量準(zhǔn)則 （AIC）以及貝葉斯信息準(zhǔn)則（BIC）作為模型反演的評價指標(biāo)，其中當(dāng)R2越接近1且當(dāng)AIC、BIC值越小時則反演模型模擬的精度就越高。本研究主要探究導(dǎo)致研究者得出紅壤保水性和透水性較差的原因，基于實測的土壤水力參數(shù)進(jìn)行反演雖高于模型預(yù)測土壤參數(shù)反演的精度，但受反演方式不同的影響，僅通過模型原有的非線性指標(biāo)仍不夠反映反演結(jié)果的合理性，因此新增一個限制條件，即表層土壤反演后的飽和導(dǎo)水率需低于實測飽和導(dǎo)水率，這是由于田間滴灌期間，土壤表層會形成阻水層［19］。

1.2.4 模型水力特征參數(shù)的反演 由于在田間試驗中，TDR測定的表層土壤初始含水量較接近實測殘余含水量，調(diào)整數(shù)值模型的空間以及時間迭代步長仍可能使模型不收斂，因此為確保模型收斂，本研究對上邊界通量中有關(guān)的滴頭接觸半徑采用試錯法進(jìn)行率定。

后續(xù)分別基于實測土壤水力參數(shù)和HYDRUS-1D模型預(yù)測的水力參數(shù)進(jìn)行參數(shù)反演，用于探究水力參數(shù)對后續(xù)飽和導(dǎo)水率反演的影響。參數(shù)反演分3組模式進(jìn)行，并驗證不同反演模式的精度以及對飽和導(dǎo)水率與飽和含水量的影響。參數(shù)組A實測各層狀土壤的θs、θr、Ks，將其固定不變反演剩余參數(shù)α、n，由于質(zhì)地黏重的土壤表層在滴灌期間會形成阻水層，因此表層土的飽和導(dǎo)水率也需進(jìn)行反演。參數(shù)組B、參數(shù)組C按照室內(nèi)試驗常用反演方式進(jìn)行反演。參數(shù)組B對θs、α、n進(jìn)行反演。參數(shù)組C對Ks、α、n進(jìn)行反演［20］。

1.2.5 模型定通量取值模擬 通常將滴頭接觸半徑視為1 cm，然后按照滴頭流量除以滴頭接觸面積計算上邊界定通量數(shù)值，但在復(fù)雜的田間條件下，調(diào)整模型的迭代時間與步長仍可能出現(xiàn)對應(yīng)的定通量數(shù)值導(dǎo)致反演模型不收斂的情況。因此，將參數(shù)組A確定為模型反演方式，將滴頭接觸半徑假定在（1.0±0.2） cm的小范圍內(nèi)采用試錯法進(jìn)行率定，與之對應(yīng)的定通量數(shù)值在1.55～3.48 cm/min。通過試錯法對模型模擬精度進(jìn)行整理，選出模擬精度最高的1組作為模擬的上邊界定通量用于后續(xù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試錯法率定上邊界定通量

按照參數(shù)組A的反演方式采用不同定通量取值對4層土壤入滲進(jìn)行模擬，反演結(jié)果見表6。由表6可知，模型在滴頭接觸半徑r=0.9 cm、上邊界定通量q=2.75 cm/min下非線性擬合精度最高，將其作為后續(xù)模擬的上邊界定通量條件。

2.2 數(shù)值模型對水力參數(shù)的反演

2.2.1 基于實測水力參數(shù)對Ks的反演 基于實測水力參數(shù)在定通量2.75 cm/min以及4層土壤滴灌入滲模擬條件下，采用參數(shù)組A、參數(shù)組C進(jìn)行反演，參數(shù)組A模擬精度R2為0.926 18、AIC值為-65.62、BIC值為-62.04，其中參數(shù)組A在0～15 cm土層反演的土壤飽和導(dǎo)水率為0.054 4 cm/min；參數(shù)組C模擬精度R2為0.925 51、AIC值為-57.42、BIC值為-52.64。其中，參數(shù)組C在0～15 cm、15～25 cm、25～40 cm、40～55 cm土層反演后的飽和導(dǎo)水率分別為0.060 3、0.059 4、0.020 5、0.004 9 cm/min。

2.2.2 基于預(yù)測水力參數(shù)對Ks的反演 基于表4水力參數(shù)預(yù)測數(shù)據(jù)，在上邊界定通量2.75 cm/min以及4層土壤滴灌入滲模擬條件下，采用參數(shù)組A進(jìn)行反演時模型不收斂，參數(shù)組C模擬精度R2為0.267 9、AIC值為-33.96、BIC值為-29.19。其中，參數(shù)組C在0～15 cm、15～25 cm、25～40 cm、40～55 cm土層反演后的飽和導(dǎo)水率分別為0.324 6、0.212 9、0.941 0、0.151 3 cm/min。

2.2.3 基于特定水力參數(shù)對[θs]的反演 由于用于反演的體積含水量數(shù)據(jù)是基于實測飽和含水量數(shù)據(jù)處理的，為探究水力參數(shù)對[θs]的影響，需對預(yù)測水力參數(shù)以及實測水力參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的結(jié)果見表7，其中表7的飽和導(dǎo)水率為“2.2.1”節(jié)中基于實測水力參數(shù)反演后的數(shù)據(jù)（采用0.058 cm/min進(jìn)行反演會導(dǎo)致模型不收斂），殘余含水量為實測數(shù)據(jù)，飽和含水量是基于PTF函數(shù)的預(yù)測數(shù)據(jù)。選用參數(shù)組B作為反演方式，在上邊界定通量2.75 cm/min以及4層土壤滴灌入滲模擬條件下，模擬精度R2為0.935 58、AIC值為-61.15、BIC值為-56.38；在0～15 cm、15～25 cm、25～40 cm、40～55 cm土層反演后的飽和含水量分別為0.629 7、0.558 8、0.544 6、0.719 9 cm3/cm3。

2.3 模型反演對水力參數(shù)的影響

2.3.1 模型反演對Ks的影響 紅壤表層在滴灌期間會形成阻水層使得土壤表層的飽和導(dǎo)水率低于實測的飽和導(dǎo)水率（滴灌前表層土壤的飽和導(dǎo)水率為0.058 cm/min），但基于實測水力參數(shù)在4層土壤條件下通過參數(shù)組C反演后的表層土壤飽和導(dǎo)水率（0.060 3 cm/min）卻高于實測值，這在理論上是不可能的，僅是在特定數(shù)值組合下反演的結(jié)果。而這在另一方面影響了反演模型的預(yù)測精度，盡管參數(shù)組C所構(gòu)建的4層土壤反演模型在評價線性關(guān)系的R2指標(biāo)中接近參數(shù)組A在4層土壤反演模型的模擬結(jié)果，但在AIC、BIC值這類防止模型過度擬合的非線性指標(biāo)值明顯不如后者。這表明參數(shù)組A是最適用于質(zhì)地黏重的田間土壤入滲模擬的反演方式。

基于HYDRUS-1D模型，利用采樣土壤的機械組成以及容重所預(yù)測的土壤水力參數(shù)是當(dāng)前研究中較常用的水力參數(shù)獲取方式，其預(yù)測值與云南紅壤指標(biāo)實測值偏差極大，構(gòu)建的反演模型的模擬精度R2低于0.8，模擬精度并不能接受。由于模型根據(jù)采樣土壤機械組成及容重預(yù)測的飽和含水量普遍低于實測值，所以在參數(shù)反演時明顯降低了土壤飽和導(dǎo)水率，以此達(dá)到數(shù)值上的平衡，而這也可能是相關(guān)室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ头囱葜型寥里柡蛯?dǎo)水率普遍過低（透水性較差）的原因。

2.3.2 模型反演對[θs]的影響 將“2.2.3”中的反演結(jié)果與表3、表4數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)反演的飽和導(dǎo)水率（實測值）遠(yuǎn)高于模型預(yù)測數(shù)據(jù)，同時反演后的飽和含水量數(shù)據(jù)接近實測數(shù)據(jù)，并高于模型預(yù)測數(shù)據(jù)。這表明在反演過程中，反演前的初始飽和導(dǎo)水率與反演后的飽和含水量滿足正相關(guān)關(guān)系。即通過室內(nèi)試驗基于HYDRUS-1D模型預(yù)測的飽和導(dǎo)水率（低于實測值）反演的紅壤飽和含水量也會低于實測值，在表4中，數(shù)值模型根據(jù)土壤機械組成以及容重預(yù)測的飽和含水量為0.463 6～0.506 9 cm3/cm3，飽和含水量較低，而實測的飽和含水量為0.514～0.644 cm3/cm3，飽和含水量較高。

研究者基于不準(zhǔn)確的土壤水力參數(shù)進(jìn)行反演，反演模型為保障收斂，會相應(yīng)地降低土壤飽和導(dǎo)水率或提高土壤飽和含水量，但模型反演中土壤飽和含水量往往是定值，因此研究者通過反演普遍得出土壤透水性較差的結(jié)論，飽和含水量則由于與原先模型給出的預(yù)測值一致，最終使研究者忽略了HYDRUS-1D模型中土壤數(shù)據(jù)庫對熱帶以及亞熱帶地區(qū)土壤不適用的問題。

3 討論

本研究為探究云南紅壤透水性、保水性較好的原因，查閱國內(nèi)外近30年文獻(xiàn)找出以下幾種與地理以及氣候相關(guān)的因素。Tomasella等［10］指出由于礦物學(xué)和風(fēng)化歷史的差異，微團聚、強風(fēng)化的熱帶土壤與溫帶土壤具有不同的保水性能。因此，根據(jù)溫帶土壤數(shù)據(jù)得出的土壤傳輸函數(shù)（PTF）在應(yīng)用于熱帶土壤時具有局限性。云南省為亞熱帶季風(fēng)氣候，全年分雨季以及旱季，生態(tài)系統(tǒng)為保證作物在旱季能正常生長，其土壤的保水性一般高于溫帶地區(qū)。Yang等［21］的研究指出，光照對土壤有機碳具有活化作用，使土壤中難于降解的有機物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成有機碳，而有機碳含量的上升會提高土壤的保水性；同時在紫外光照下，土體的微觀結(jié)構(gòu)有所變化，其中土體的粒徑有所下降，進(jìn)而使得相關(guān)土層土壤機械組成的黏粒、粉粒含量所占比例相對增加。由于云南省屬高原地區(qū)，在非雨季期間長期遭受紫外線暴曬，所以云南紅壤的性質(zhì)不同于一般紅壤。樊貴盛等［19］的研究表明，造成田間土壤飽和導(dǎo)水率（透水性）降低的原因有以下幾個方面：首先，土壤黏粒的水化作用，分布于砂粒和粉粒之間的黏粒吸濕膨脹使土壤孔隙減小，導(dǎo)致水力傳導(dǎo)度的減??；其次，土壤表層在停水期間的固結(jié)，引起地表土層導(dǎo)水率減小；再次，灌溉水中懸移質(zhì)泥沙的沉積和遷移在土壤表層形成阻水層，引起水力傳導(dǎo)度減??；最后，土壤中禁錮的氣體引起水力傳導(dǎo)度減小。潘劍君［22］的研究發(fā)現(xiàn)紅壤生土和紅壤熟土的保水性能存在顯著差異，前者具有更強的保水能力。對于野外的自然土壤，表面分布有大量植物根系的疏松表層（耕作層）為熟土，下面緊實的植物根系很難扎入的這層土為生土。這表明耕作方式影響云南紅壤的保水性以及透水性。Abid等［23］的研究表明免耕無排水處理的農(nóng)田中有機覆蓋物的存在改善了土壤聚集性，增加了生物活性，增強了通氣性和宏觀孔隙度；土壤結(jié)構(gòu)和保水特性與土壤有機碳濃度密切相關(guān)。本研究中20～30 cm土層的實測飽和含水量高達(dá)97%（有機土的飽和含水量可高達(dá)90%以上），采樣點1所描述的田間情況與Abid等［23］給出的原因相類似。吳楊等［24］的研究表明云南紅壤的水力參數(shù)受干濕季節(jié)影響，這也是云南雨季剛結(jié)束時（11月）紅壤的飽和含水量以及飽和導(dǎo)水率都低于干熱季節(jié)（4月）的原因。高躍［25］的研究指出，早在2002年國內(nèi)研究者就發(fā)現(xiàn)田間采樣的紅壤導(dǎo)水性能良好，但其易受環(huán)境因子影響而發(fā)生變化。

采樣點2的土壤指標(biāo)近似于HYDRUS-1D模型內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫，表明云南紅壤的保水性較好、透水性較差。這與2022年4月采樣的土壤指標(biāo)中云南紅壤保水性極高、透水性較強的結(jié)論相悖，盡管查閱相關(guān)文獻(xiàn)并給予解釋，但2次土壤采樣點相距不超過" " "1 000 m，測定出的土壤指標(biāo)卻偏差較大。

通過對試驗場地以及土壤層參數(shù)數(shù)據(jù)的對比，本研究認(rèn)為造成云南紅壤保水性以及透水性研究結(jié)論前后不一致的現(xiàn)象在于土壤的深層擾動。一般的田間原狀土，其容重從上到下是逐漸增加的，對其進(jìn)行耕作往往只會破壞0～15 cm的地表土層，而深層的土壤結(jié)構(gòu)并未遭到擾動破壞，而本次田間試驗田旁有大棚，表明該地段紅壤并非是原狀土，而是經(jīng)歷過土地平整以及重塑回填形成的土擾動。這可能也是余楊等［7］及張川等［4］在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田采樣并經(jīng)過室內(nèi)試驗得出紅壤透水性和保水性較差的原因。

土地平整導(dǎo)致云南紅壤的水力參數(shù)與其他地區(qū)紅壤無明顯差異，部分研究者認(rèn)為土地平整會提高云南糧食產(chǎn)量，本研究對此持懷疑態(tài)度。艾天成等［26］認(rèn)為土地平整會造成土壤養(yǎng)分和物理性狀大幅度下降，但與之相反的是，范王濤［27］認(rèn)為土地平整能降低土壤pH并提高土壤中的黏粒含量，同時會增加土壤全氮、有效磷、速效鉀以及有機質(zhì)含量，但在研究中回避了土壤的總孔隙度。經(jīng)過土地平整后農(nóng)田土壤的總孔隙度（保水性）以及飽和導(dǎo)水率（透水性）顯著降低。可見此類重構(gòu)紅壤遠(yuǎn)不如云南生態(tài)系統(tǒng)為應(yīng)對干濕季節(jié)明顯的氣候特征所演化的原狀紅壤土。

土壤飽和含水量相當(dāng)于灌溉時間選擇的容錯率，當(dāng)前以作物長出特定性狀作為灌溉時間的判定標(biāo)準(zhǔn)，由于云南省旱季鮮有降雨，在農(nóng)業(yè)灌溉上易出現(xiàn)灌溉時間選擇不當(dāng)使作物大幅減產(chǎn)的情況。云南省人民政府公布的2023年夏糧綜合單產(chǎn)為" " " "2 656.06 kg/hm2，并明確提到云南省土豆單產(chǎn)增長明顯，同時小麥、大麥、豆類等單產(chǎn)略有下降［28］。此外，以云麥114為例，在云南西雙版納麗江市的試驗區(qū)同一試驗田產(chǎn)量［29］在一年內(nèi)由7 713 kg/hm2提升至11 646 kg/hm2；而在云南省昭通市云麥114［30］的種植中平均產(chǎn)量卻僅為5 572.05 kg/hm2，其背后產(chǎn)量差異較大的原因與云南原狀土壤特性有著密切關(guān)系。對此本研究認(rèn)為云南省大規(guī)模開展的土地平整以及后續(xù)的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)降低了云南紅壤的保水性能及導(dǎo)水性能，而在后續(xù)土地整治中卻又難以恢復(fù)原先的土壤性狀，進(jìn)而影響到后續(xù)作物灌溉時間的確定及與之對應(yīng)的水分脅迫，出現(xiàn)如云麥114或“水稻上山”報道中［31］推廣的3.54萬hm2農(nóng)田平均產(chǎn)量為5 250～6 000 kg/hm2，且僅有347 m2的農(nóng)田出現(xiàn)11 820 kg/hm2的最高產(chǎn)量，將近6 000 kg/hm2的增產(chǎn)更像是依靠保水性強的土壤特性而非通過灌溉決策實現(xiàn)的穩(wěn)定高產(chǎn)。后續(xù)更應(yīng)該關(guān)注的是如何應(yīng)對在旱季期間受土地平整影響導(dǎo)致的云南紅壤保水性和導(dǎo)水性大幅下降及農(nóng)田穩(wěn)產(chǎn)問題。

4 小結(jié)

對云南紅壤入滲的研究需基于田間試驗驗證，田間試驗采用HYDRUS-1D模型基于預(yù)測水力參數(shù)以及實測水力參數(shù)按不同反演組合進(jìn)行反演，發(fā)現(xiàn)基于預(yù)測水力參數(shù)反演的紅壤飽和含水量和飽和導(dǎo)水率普遍低于田間實測數(shù)據(jù)。

采用HYDRUS-1D構(gòu)建適用于云南紅壤的入滲模型，需選用Kosugi經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合含水量數(shù)據(jù)，同時實測土壤基本水力參數(shù)，在此基礎(chǔ)上僅對擬合參數(shù)進(jìn)行反演。同時鑒于重壤土在滴灌期間會在表層形成阻水層，在進(jìn)行參數(shù)反演時也需對土壤表層的飽和導(dǎo)水率進(jìn)行反演。在構(gòu)建出合適的反演模型后，為確保反演模型收斂，需通過試錯法對反映灌溉流量的定通量數(shù)值進(jìn)行有效率定。田間采樣指標(biāo)表明云南原狀紅壤具有極高的保水性和良好的透水性，但通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)對土壤進(jìn)行擾動或是基于不準(zhǔn)確的土壤參數(shù)進(jìn)行反演會使紅壤原先的保水性及透水性大幅下降。同時本研究發(fā)現(xiàn)云南原狀紅壤與擾動紅壤的保水性和透水性指標(biāo)偏差過大。這是由土壤有機碳含量、土壤結(jié)構(gòu)、干濕季節(jié)、耕作方式、土地平整、采用數(shù)值模型基于不準(zhǔn)確水力參數(shù)進(jìn)行參數(shù)反演、滴灌期間灌溉水在地表層所形成的阻水層等因素綜合影響造成的。

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