喀斯特峰丛坡地灌木林地与梯田旱地土壤水分入渗特征

徐勤学，李春茂，陈洪松，付智勇，吴 攀，王克林

（1. 中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，长沙 410125；2. 桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，桂林 541004）

0 引 言

土壤入渗作为土壤水分运动开始和转化的重要环节，与降雨产流、土壤侵蚀及土壤水分再分配等密切相关[1-2]，其中土壤入渗能力是反映土壤涵养水源和抗侵蚀能力的重要指标，受人类活动的影响十分明显。目前，人类活动及其对土壤入渗的影响已成为国内外学者关注的焦点[3-4]。在土层浅薄、土壤蓄水能力差及农业活动较多的峰丛坡地上对比研究土壤入渗性能，对进一步了解人类活动与土壤入渗的关系具有较大意义。

峰丛坡地是中国西南喀斯特地区的典型地貌，该地区人口多、耕地少，农业经济效益相对落后，生态系统受石漠化严重影响而退化到脆弱状态。为扩大农业生产效益、扩充耕地面积，村民自发开展建设石坎梯田、坡地开垦等，形成了上部为未扰动灌木林地、下部为农业耕种梯田的独特坡地景观格局[5]。梯田建设能显著改变坡地的水分入渗过程，较多学者对非喀斯特地区的梯田土壤水分变化、梯田土壤入渗特征等水文效应进行了研究，结果表明梯田建设能显著增大土壤入渗能力和入渗时间，有效提高蓄水保土的效益[6-7]。而在喀斯特地区，各层次土壤的入渗性能差异明显[8-9]，一般上层土壤的入渗速率较大，多数降雨条件下的水分都会较快入渗[10-11]，喀斯特梯田的保水效益是否与非喀斯特地区一致还有待进一步研究。

近年来喀斯特地区的土壤入渗研究主要集中在对比不同土地利用方式、不同植被类型等方面[12-15]的变化特征，而对坡下改造建设的梯田的入渗性能研究很少。因此本文以喀斯特峰丛坡地为对象，研究典型分布的坡上灌木林地和坡下梯田旱地的入渗差异，分析影响入渗的因素，并用不同入渗模型对其过程进行拟合评价，为进一步认识喀斯特峰丛坡地土壤入渗规律和开展峰丛坡地土壤入渗过程模拟研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西桂林市灵川县海洋乡琵琶塘村（25°17′32″N，110°33′42″E），属典型的喀斯特峰丛洼地地貌。研究区多年平均气温为17.5 ℃，多年平均降雨量为1 645 mm左右，雨季在4-9月份，10月到次年的3月雨水相对较少，属于亚热带季风气候。土壤属于黑色石灰土或棕色石灰土，呈微酸性到微碱性。

研究区峰丛坡地上部常为灌木林地，其植被类型主要是灌木、竹类，覆盖度大于90%，坡度约20°～30°，人

为扰动少；下部多为人为改造的梯田旱地，以种植蔬菜为主，间有少量果树，每级梯田坡度约1°～3°，田坎由碎石堆砌而成；此外，坡地中部常为裸岩石砾地，岩石裸露率较高（＞70%），土壤较少，且被岩石分割为“石隙土”和“石碗土”等形式的土壤斑块（图1）。

图1 坡面地形与采样现场Fig.1 Slope topography and sampling site

1.2 试验方法

在研究区选取 3组典型的峰丛坡地，并在每个坡地的灌木林地和梯田旱地上随机取2～3个土壤剖面采样，以保证样地的代表性（图1）。同时在每个剖面分0～15、15～30、30～45、45～60 cm采取原状土和扰动土样。灌木林地的土壤厚度不足60 cm时，则挖到基岩为止。由于多数情况在灌木林地45 cm土层以下能采集到原状土，为与梯田旱地土层相对应，灌木林地45 cm土层以下的土样标记为45～60 cm土层。原状土采集用容积100 cm3，高5.3 cm的环刀，扰动土用铁铲采集整层土壤。

用环刀浸透法测定土壤容重、毛管孔隙度和土壤渗透性能，在室内采用常规方法对散土进行基本理化性质的测定。环刀分层取原状土后带回室内浸水24 h以上，浸水深度 5.1 cm，土壤渗透性的测定参考森林土壤渗透性的测定依据（GB7838-1987）。描述土壤水分入渗特征的指标有初始入渗率、稳定入渗率和入渗系数[16]。其中初始入渗率采取前3min的速率来表示，另外渗透系数为10 ℃时的稳定入渗系数K10。

1.3 数据分析

采用SPSS18.0、Origin8.0软件对数据进行处理，SPSS用于进行相关性分析，Origin8.0用于入渗模型拟合。4种常见土壤水分入渗模型[17]如下。

1）kostiakov模型

式中 f （ t）为入渗速率，mm/min；t为入渗历时，min；β和α为经验参数。

2）Philip模型

式中S为吸渗率，mm/min0.5； A为稳定入渗率，mm/min；3）Horton模型

式中f0为初始入渗率，mm/min；fc为稳定入渗率，mm/min；k为试验求得的经验参数。

4）通用经验模型

式中a，b，n为试验所得经验参数。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质分析

灌木林地和梯田旱地的土壤理化性质如表1。方差分析显示，灌木林地和梯田旱地的土壤容重均随土层的深入呈递增趋势，且两者在表层 0～15 cm差异显著（P＜0.05），表现为坡面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上梯田旱地的表层0～15 cm土壤容重分别是灌木林地的1.4、1.5、1.27倍。但对于较深土层而言，仅在坡面Ⅰ的30～60cm土层两者差异显著，而在其他土层的差异不显著（P＞0.05）。将各剖面的土壤容重加权平均后发现，坡面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上灌木林地的平均土壤容重分别为 1.27、1.47、1.70 g/cm3，梯田旱地的平均土壤容重分别为 1.57、1.58、1.74 g/cm3，可见梯田旱地的土壤容重总体比灌木林地较高。

孔隙度方面，灌木林地的总孔隙度和非毛管孔隙度比梯田旱地高，尤其是Ⅰ、Ⅱ样地的表层非毛管孔隙度要显著高于同层的梯田旱地。随着土层的深入，灌木林地的孔隙度呈递减的趋势，0～15 cm土层的总孔隙度、非毛管孔隙度要明显大于下层。梯田旱地的孔隙度随土层的深入也呈递减的趋势，尤其在深层30～60 cm的土壤总孔隙度、非毛管孔隙度要显著（P＜0.05）小于上层0～30 cm。而两者毛管孔隙度在不同土层之间的规律相对不明显，仅在坡面Ⅲ上表现为表层0～15 cm要显著高于下层（P＜0.05）。

有机质方面，坡面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上灌木林地的平均有机质含量分别为30.56、18.90、6.76 g/kg，坡面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上梯田旱地的平均有机质含量分别为8.6、14.21、17.73 g/kg，可见灌木林地的有机质含量普遍相对较高。方差分析显示灌木林地和梯田旱地的有机质含量在不同土壤深度差异多数不显著，但随土层加深大体有降低趋势。

机械组成方面，坡面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上灌木林地的平均砂粒含量分别为19.01%、13.07%、8.8%，坡面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上梯田旱地的平均砂粒含量分别为 2.32%、9.19%、10.69%，可见灌木林地的土壤砂粒含量比梯田旱地较高。与此相反，灌木林地的土壤黏粒含量比梯田旱地较低，表现为坡面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上灌木林地的平均黏粒含量分别为11.33%、13.28%、13.92%，坡面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上梯田旱地的平均黏粒含量分别为 23.34%、17.0%、16.49%。结果表明灌木林地土壤中的砂粒含量高、黏粒含量低，而梯田旱地土壤的黏粒含量高、砂粒含量低。方差分析进一步表明灌木林地和梯田旱地30～60 cm土层的砂粒含量较低，黏粒含量较高。

表1 土壤基本理化性质Table1 Soil physical and chemical properties

表2 入渗特征Table 2 Infiltration characteristics

2.2 灌木林地与梯田旱地的入渗特征

灌木林地与梯田旱地的入渗特征差异如表2。方差分析显示，灌木林地与梯田旱地的初始入渗率、稳定入渗率和入渗系数在0～30 cm土层无明显差异，但在30～60 cm梯田旱地的入渗率均显著（P＜0.05）小于灌木林地，表现为梯田旱地在30～60 cm的初始入渗率、稳定入渗率、入渗系数分别是灌木林地的4.3%、4.4%、2.2%。将两者的入渗性能加权平均后发现梯田旱地的平均初渗率、稳渗率和平均入渗系数分别是灌木林地的75.7%、76.5%、78.6%。

在灌木林地中,随土层深度增加，入渗能力逐渐降低。表层0～15cm的初始入渗率最大，分别是15～30、30～45、45～60 cm土层的1.9、3.52、3.53倍。不同土层间稳定入渗率和入渗系数的差异与初始入渗率相似。在梯田旱地中，上层0～30 cm的初始入渗率、稳定入渗率和入渗系数均显著（P＜0.05）高于下层30～60 cm。梯田旱地在表层的初始入渗率、稳定入渗率和入渗系数均较高，与灌木林地接近。但在土层30～60 cm，梯田旱地的初始入渗率迅速降低至0.05 mm/min，仅为上层土壤初始入渗率的2%，稳定入渗率也迅速降低至0.03 mm/min，仅为上层稳定入渗率的1.6%。

灌木林地与梯田旱地的入渗过程如图2。两者的入渗性能均随土层深度的增加而明显减小。在入渗前期，入渗速率有明显的降低过程，梯田旱地和灌木林地在表层0～15 cm入渗速率的变化最明显，从初始入渗率到稳定入渗率下降了 30%左右，然后趋于稳定。而在深层入渗速率的下降幅度较小，尤其在梯田旱地的30～60 cm土层，初始入渗率与稳定入渗率几乎不变。虽然梯田旱地上层的入渗过程与灌木林地相似，但是在梯田旱地的30～60 cm土层，具有和其他土层明显不同的入渗过程，没有明显的从初始入渗率到稳定入渗率的变化过程，且显著低于其他土层的入渗速率。

2.3 土壤入渗与土壤性质的关系

对土壤入渗特征与影响土壤入渗的直接和间接因子进行相关分析（表 3）。灌木林地中，其初始入渗率与土壤容重具有极显著（-0.816**）的负相关性，与总孔隙度和非毛管孔隙度也有极显著（0.811**、0.877**）的正相关性，而与毛管孔隙度的相关性较低。初始入渗率与土壤的砂粒含量、黏粒含量有显著（0.583*、-0.704*）的相关性，虽然与有机质含量没有达到显著的相关性，但有较高的相关系数。梯田旱地中，初始入渗率与土层深度有极显著（-0.880**）的负相关性，与容重也有极显著（-0.893**）的负相关性。初始入渗率与总孔隙度和非毛管孔隙度有极显著（0.882**、827**）的正相关性，而与毛管孔隙度的相关性较低，初始入渗率与机械组成和有机质含量的相关性也较低。

图2 坡地与梯田土壤入渗曲线Fig.2 Soil infiltration curve of slope and terrace

灌木林地的稳定入渗率与土壤性质的相关性相似于初始入渗率，其稳定入渗率与土壤容重、总孔隙度、非毛管孔隙度均有极显著的相关性，与机械组成有显著相关性，尤其与黏粒含量有极显著（-0.734**）的相关性。梯田旱地的稳定入渗率与土壤性质的相关性与初始入渗率相似。

灌木林地的入渗系数与土壤性质的相关性相似于初始入渗率和稳定入渗率。不同之处在于，入渗系数还与土层深度有显著的（-0.577*）的相关性。与土壤黏粒含量有极显著的（-0.768**）的相关性，而与有机质含量的相关性较弱。梯田旱地的入渗系数与土壤性质的相关性与其初始入渗率、稳定入渗率相似。

表3 土壤入渗性能与影响因子相关性分析Table3 Correlation analysis of soil infiltration properties and influencing factors

2.4 土壤入渗的模型拟合

入渗模型对灌木林地和梯田旱地土壤入渗过程的拟合参数如表 4。灌木林地中，Horton模型（R2介于0.904～0.986）拟合程度较好，而通用经验模型（0.846～0.956）、Philip模型（0.842～0.953）和Kostiakov模型（0.851～0.946）三者间的拟合程度差异不明显。梯田旱地中，模型拟合程度高低排序大致为 Horton模型（0.97～0.983）＞通用经验模型（0.938～0.988）＞Kostiakov模型（0.910～0.964）＞Philip 模型（0.905～0.986）。

可以看出，4种模型中对灌木林地和梯田旱地的入渗过程拟合适用性较好的是 Horton模型，而 Kostiakov、Philip模型拟合程度较差。而对比灌木林地和梯田旱地，入渗模型对梯田旱地的拟合程度高于对灌木林地的拟合程度。就不同土层深度而言，4种模型对梯田旱地不同土层深度的土壤入渗拟合程度没有明显差别，但在灌木林地深层（45～60 cm）的拟合程度比上层较差。

将灌木林地和梯田旱地的表层（0～15 cm）、深层(45～60 cm)入渗拟合值与实测值进行拟合对比如图3。可以看出入渗初期，入渗速率变化较为剧烈，然后逐步趋于平缓达到稳定。从图3直观来看，灌木林地上4种模型对0～15 cm土层深度的拟合程度均比45～60 cm较好，且Horton公式的曲线更接近于实测值曲线。梯田旱地上，4种模型对表层和深层的拟合度均较好，Horton公式的曲线与实测值曲线最贴合（R2＞0.97），且对梯田旱地表层和深层的拟合度比对灌木林地的拟合度更好。

表4 入渗模型参数拟合结果Table 4 Results of infiltration model parameters fitting

图3 入渗拟合值与实测值对比Fig.3 Comparison of infiltration fitting value and measured value

3 讨 论

本文结果表明灌木林地与梯田旱地的入渗特征在30～60 cm土层存在显著差异。梯田旱地在30～60 cm的入渗性能明显小于同层的灌木林地，并且同时显著小于梯田旱地0～30 cm土层，造成这一差别的主要原因是在喀斯特地区的梯田土壤入渗中存在一种入渗隔层[12-14]。首先，正常发育的土地构型多为腐殖质层-淀积层-母质层，但在喀斯特地区受石漠化影响，土体构型一般为腐殖质层-母质层。土壤直接与母岩接触，易出现明显的砂化现象，且水稳性团聚体下降，母岩与土壤之间的亲和力较差，遇暴雨时土-岩界面较细的土壤颗粒易往坡下迁移、累积[18]，同时土壤肥力状况、微生物多样性等都随之变化，这为梯田旱地的土壤垂直渗漏提供了充足的黏粒。已有研究[19-20]指出当水分到达黏土夹层时，土壤入渗速率均明显减慢，黏土夹层对水分入渗起到显著的阻碍作用。其次，人类活动将坡耕地改为人工梯田后，在土壤扰动和水土流失的作用下，土壤物理及化学性质会呈现不同程度的下降[21]，且梯田旱地作为耕作性土地常年有耕作、翻耕等干扰活动，改造年限较长后深层土经反复压实土壤相对密实，而表层土被进行翻耕及不同的轮耕模式后土壤的体积质量发生变化[22]，上、下土层的入渗差异就会凸显。最后，喀斯特地区地下岩溶裂隙发达，土壤可能从岩溶裂隙流失[23]。已有研究[24]表明梯田虽然改造坡面地形在一定程度降低了地表侵蚀，但无法避免垂直渗漏的发生。人为耕种加剧了土壤侵蚀，尤其加剧了缓坡部土壤的地下侵蚀[25],梯田由于坡度较缓、无覆盖物，落到地表的雨水更容易形成壤中流，从而把粒径较小的黏粒搬运后自然沉积在土层下方，因此喀斯特地区特殊的地下环境为土壤的垂直运动创造了有利的空间条件[26]。

本文研究表明灌木林地和梯田旱地的土壤性质存在差异，且两者入渗特征均与土壤性质有极显著或显著的相关性。灌木林地上有密集的地表植被长期覆盖，土壤根系的生长和剪切作用可以增加土壤孔隙含量和土壤结构的稳定性，一般土壤通透性能良好[27]。灌木林地由于长期未被扰动，枯枝落叶掉落后被土壤重复吸收利用，会使土壤中有机质含量增高，Jimenez等[28]指出未受干扰的自然土壤有机质较高。土壤颗粒作为构成土壤结构体的基本单元，与成土母质及其理化性质密切相关，由于喀斯特灌木林地的土层浅薄且较接近于基岩，表现为地表物质颗粒组成中细粒减少，粗大颗粒占据优势，这是造成灌木林地土壤中的砂粒含量显著高于梯田旱地、黏粒含量低于梯田旱地的重要原因。而由于喀斯特地区改坡耕地为水平梯田等人类活动，使得原有生境条件下的土壤特征发生变化，从而会对土壤入渗产生了一定影响[29]。梯田旱地的土壤黏粒含量较高，而土壤有机质和孔隙度较低，这主要是由于喀斯特地区的梯田位于坡下较缓部位，容易接受来自上方土壤流失中细小颗粒的迁移，加上人为过度利用和翻耕，土壤颗粒的团聚性及肥力有所下降。梯田旱地土层30～60 cm和0～30 cm的土壤容重及孔隙度含量等性质存在明显差异，这主要受喀斯特地区农业活动及复杂的地质背景的影响。相关性分析显示，入渗速率受土壤理化性质的影响明显，梯田旱地的入渗速率与土壤容重呈显著负相关。土壤容重在剖面上随土壤深度的增大而增大，非毛管孔隙度随土壤深度增大而减小。这与付同刚等[30]在喀斯特地区的研究结论相似，土层越深，土壤容重越大，孔隙度较低，尤其是非毛管孔隙度小于毛管孔隙度后，毛管孔隙度对土壤毛管水的运移有束缚作用[31]，另外李卓[32]研究指出土壤机械组成也对土壤入渗能力有较大影响，入渗能力随土壤黏粒含量增加递减。这与梯田旱地30～60 cm土层的入渗速率较低的结果比较一致。

本文通过4种常见入渗模型的拟合对比发现，Horton模型的拟合程度优于通用经验模型、Philip模型和Kostiakov模型，这与郝文静等[33]研究结果相似。Kostiakov模型是假设起始时的入渗速率是无穷大，当时间无限增大时，入渗速率将趋近于0。但在本文中，由于在垂直入渗的情况下有重力势的作用，入渗速率最后会接近于稳定入渗率后保持稳定，这更符合土壤水动力学。Horton和通用经验模型增加了常数项 b以反映无限长时在重力作用下达到了稳定入渗[34]，因此Horton和通用经验模型的拟合适用性更好。

4 结 论

1）灌木林地的入渗性能比梯田旱地较好，尤其在30～60 cm灌木林地的初渗率、稳渗率显著高于梯田旱地。两者的入渗能力随土层深度增加而减小，梯田旱地在较深层（30～60 cm）的入渗速率显著变小，存在明显的入渗隔层。这主要是梯田旱地本身的土壤黏粒含量充足，加上人为翻耕、土壤较细颗粒向下移动、堆积的结果。

2）灌木林地土壤中的砂粒含量、有机质含量较高，孔隙度较大。梯田旱地不同土层的土壤性质差异明显，30～60 cm比0～30 cm的土壤容重大、土壤孔隙度小。灌木林地的入渗特征与土壤容重、土壤孔隙度、砂粒和黏粒含量有显著的相关性（P＜0.05），梯田旱地的入渗能力与土层深度、土壤容重、土壤孔隙度有显著的相关性（P＜0.05）。

3）与Philip模型和Kostiakov模型相比，Horton模型和通用经验模型对灌木林地和梯田旱地的入渗过程具有较好的适用性，梯田旱地不同土层深度的土壤入渗拟合程度没有明显差别，灌木林地深层（45～60 cm）的拟合程度比上层较差。

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从单个英文译本内部来看,53个术语只出现过1次(不存在不一致的问题),109个术语出现2次以上:t1中31个术语有多个译文(一处误译guarantor);78个术语仅1个译文版本。t2中26个术语有多个译文(一处误译mortgagee);83个术语仅1个译文版本。t3中31个术语有多个译文;78个术语仅1个译文版本。

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恶嘴攻击与串谋攻击都是从信任模型的间接信任入手,提供不正常的推荐信任数据。在本实验中,共同邻居节点只提供虚假的推荐信任,而不发动其他攻击。设置0.1到0.4的恶意推荐率,分别迭代 1 000 次,观察恶嘴攻击与串谋攻击对间接信任的影响与各模型的防御能力。

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