鄂尔多斯高原软梁、硬梁弃耕农田土壤水分入渗特性

易三桂, 蔡文涛, 来利明, 周继华, 张晓龙, 管天玉, 姜联合, 郑元润†

(1.中国科学院 植物研究所 北方资源重点实验室，100093，北京；2.中国科学院大学，100049，北京)

在干旱半干旱草地区，以本土灌木植物密度、盖度和生物量增加为主要特征的全球普遍发生的现象称为草地灌丛化[1]。草地灌丛化的发生具有范围广、速度快、危害大等特点。目前，该现象发生的区域包括北美洲、南美洲、中欧、亚洲、地中海、非洲、澳大利亚甚至人迹罕至的北极地区，且该现象在上世纪呈加速发展的趋势[2]。草地灌丛化通常会影响生态系统的结构和功能、生态水文过程、群落生物量和物种丰富度，甚至导致草地退化或荒漠化[2]。全球超过20亿人口受到灌丛化的影响[2]。草地灌丛化的发生一般由放牧、火烧等人为活动以及大气二氧化碳浓度、降水等气候变化因素引起[1]。灌丛化引起的植被类型、盖度等变化会导致土壤水分入渗特性发生改变，影响不同层次的土壤水分含量，进而影响灌木和草本植物的定居和生长[1]。草本植物根系较短，通常在土壤浅层分布较多，能够充分利用土壤浅层水分，而木本植物根系较长，利于利用深层土壤水分；因此，土壤水分入渗特性成为影响草地灌丛化的重要因子之一。关于土壤水分入渗影响因素的研究较多，如地表结皮、土壤初始含水率、土壤质地、土壤密度、和土壤有机质[3- 4]等。土壤水分入渗过程理论与模型得到较大发展，主要包括以达西定律为基础的理论和各种形式的过程模型，如Green-Ampt入渗物理模型、Kostiakov经验模型、Horton经验模型、Philip入渗模型、蒋定生提出的模型等[5]。土壤水分入渗测定方法也有了较大的改进[5]。灌丛化的研究区域较广，但多数研究集中于受放牧和自然因素干扰的灌丛化草地，关于草地灌丛化背景下弃耕农田的植被演替研究较少[1]，对于弃耕农田植被演替过程中土壤水分入渗规律的研究更少[6-7]；因此，研究农田弃耕后土壤水分的入渗规律对灌丛化草地的恢复具有重要意义。

鄂尔多斯高原位于内蒙古自治区，西、北、东3面为黄河环抱，是我国著名的生态过渡带，生态环境脆弱敏感，为我国的荒漠化中心之一，亦是黄河粗泥沙的主要来源[1]；因此，鄂尔多斯高原生态环境的可持续发展直接关系到我国华北及黄河中下游地区的生态安全。历史上，由于大规模战争、大规模土地开垦以及过度放牧导致鄂尔多斯高原变成了目前以灌木、半灌木为主的灌丛草地[8]，其景观类型可概括为3种类型，包括硬梁、软梁、滩地，三者的比例约为6∶3∶1，主要优势植物为油蒿(Artemisiaordosica)，但现代植被地带性的研究认为鄂尔多斯高原气候顶级植被是以本氏针茅(Stipabungeana)为主的暖温带草原[9]。由于生产力下降及退耕政策的实施，许多农田逐渐被弃耕，软梁和硬梁弃耕农田为鄂尔多斯高原弃耕农田的主体，滩地弃耕农田相对较少[7]。由于草地灌丛化是一个相对较长的过程，弃耕农田的长期演替一定程度上可以再现草地灌丛化的发生和恢复过程；因此，笔者通过对鄂尔多斯高原软梁和硬梁不同时间弃耕农田土壤水分入渗规律的研究，揭示弃耕农田植被演替过程中的土壤水分动态特征，分析水分入渗的影响因素，回答植被演替过程中土壤水分入渗如何影响不同层次土壤水分的问题，有助于理解不同阶段弃耕农田植被的水土保持能力，为确定水土保持等生态功能较高的恢复植被类型及给灌丛化草地的生态修复提供理论基础。

1 研究区概况

鄂尔多斯高原介于E 106°42′40″～111°27′20″, N 37°35′24″～39°29′37.6″之间，海拔850～1 600 m，东西长约400 km，南北宽约340 km，是我国西北戈壁向黄土高原过渡的干旱半干旱地带。鄂尔多斯高原气候为温带四季分明的强大陆性、弱季风性、干旱半干旱高原气候，冬季寒冷，夏季凉爽；年降水量为250～400 mm，93%的降雨集中在4—10月，自东向西逐渐减少[1]。研究地点位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗中部伊金霍洛镇(E 109°50′～109°52′， N 39°24′～39°26′)的弃耕农田。软梁弃耕农田土壤主要由砂质壤土、砂土或壤质砂土组成，硬梁弃耕农田土壤主要由砂质壤土组成[1]。

2 研究方法

2.1 样地选择

土壤水分入渗野外试验于2015年生长季9月下旬进行。在软梁弃耕年限为1、3、6、10、15和20年的农田上分别设置1个观测样地；在硬梁弃耕年限为3、6、10、15和20年的农田上分别设置1个观测样地；在软梁和硬梁上分别选择未开垦过的地段设置样地，作为对照(CK)，共12个样地，每个样地面积为150 m×150 m。在每个样地进行3次入渗实验作为重复。为保证代表性，每个测量点距离至少在50 m以上。为保证各个样地的可比性和环境条件相同，软梁和硬梁各自不同年限弃耕样地及对照样地尽量集中在2 km的范围内[1]。硬梁对照样地(CK)的土壤水分入渗数据自动记录被意外覆盖，本文未包括硬梁CK样地入渗数据。

2.2 土壤水分初渗速率、稳渗速率、80 min内不同阶段的累积入渗高度

在每个样方内采用双环入渗仪(INI2-W，北京渠道科学器材有限公司，中国)测量土壤入渗特性，内外环直径分别为30 cm和60 cm。用秒表计时，最初0～5 min内每隔30 s计数，5～15 min每隔1 min计数，15～45 min每隔3 min计数，45～80 min每隔5 min计数。测量过程中水温为8～12 ℃。根据野外实践情况和经验，笔者测量了80 min时间段内不同阶段的累积入渗高度。由于初始入渗0～3 min变异较大，最后30 min的入渗差异较小；因此笔者以0～3 min平均入渗速率作为初始入渗速率(简称初渗速率)，以50～80 min的平均入渗速率近似等于稳定入渗速率(简称稳渗速率)。初渗速率(mm/min)=前3 min的实际累积入渗高度/3 min；稳渗速率(mm/min)=后30 min的实际累积入渗高度/30 min[5]。累积入渗量(mL)=累积入渗高度(mm)×入渗面积(mm2)/1 000。

2.3 数据处理

Green-Ampt入渗模型简单，且有一定的物理基础，但湿润锋处土壤基质吸力的确定较为困难，不能描述水分实际分布情况。Horton模型可以有效地应用于单点降雨入渗，但描述流域入渗规律存在一定局限。Philip模型具有明确的物理意义，对于描述短历时的入渗情况较准确，但只适用于均质土壤，在长历时的入渗情况下，计算值与实际相比存在较大偏差。蒋定生公式是在积水条件下求得的，适用于黄土高原的入渗状态，与实际降雨条件相比存在一定差异。Kostiakov模型是一个经典的经验入渗模型，其参数没有明确的物理意义，但计算方便，要求条件不多，应用较为广泛。武雯昱等[10]和郭华等[11]在黄土高原、刘凯等[3]在毛乌素沙地采用Kostiakov公式研究水分入渗。Kostiakov公式的不足之处在于当时间无限长时，入渗率为零，时间趋于零时，入渗率趋于无限大，这与实际不符。Kostiakov-Lewis模型在Kostiakov模型基础上进行了改进，克服了Kostiakov公式的不足[5]。

笔者采用Kostiakov-Lewis模型进行水分入渗研究，其表达式为：I(t)=Kta+f0t，当f0=0时，为Kostiakov公式。式中：I(t)为80min内不同阶段的累积入渗量(简称累积入渗量)，mL；t为入渗时间，min；f0为稳定入渗速率，即土壤水分饱和情况下的入渗速率，mm/min；K和a为拟合参数，其中，K为经验入渗系数，在数值上等于第1个单位时间内的入渗量减去稳渗速率，反映土壤的入渗能力；a为经验入渗指数。在入渗初期，参数K起主导作用，随着入渗时间的增长，f0成为影响入渗大小的主要因素。

为了便于理解，将公式I(t)=Kta+f0t对t求导，得到结果d(I)/d(t)=aKt(a-1)+f0。d(I)/d(t)表示瞬时入渗速率，由函数的数学性质可知，d(I)/d(t)与K、a、f0都呈正相关关系(t>0.5 min，a>0.25，K>0，f0>0 mm/min)，与t呈负相关关系，表明瞬时入渗速率随时间的增加递减。

采用单因素方差分析、多重比较法(LSD，least significant difference，α=0.05)分析软梁、硬梁弃耕农田的初渗速率、稳渗速率和80 min累积入渗高度的差异。数据统计分析在R3.3.1和SPSS 10.0中完成，使用SigmaPlot 10.0软件作图。

3 结果与分析

3.1 初渗速率、稳渗速率和80 min内累积入渗高度变化

由图1可见，软梁土壤初渗、稳渗速率和累积入渗高度都高于硬梁土壤。这是由于软梁土层较硬梁深厚，植被发育较好，土壤入渗能力较高。软梁土壤初渗、稳渗速率和累积入渗高度随弃耕年限的增加呈降低趋势，稳渗速率和累积入渗高度在弃耕10年时显著降低。软梁农田弃耕初期土壤表层粘粒含量低，土壤入渗过程强烈，但随着弃耕年限的增加，表层土壤粘粒增加，入渗能力逐渐降低，弃耕10年左右，土壤水分入渗达到稳定。硬梁土壤初渗、稳渗速率和累积入渗高度随弃耕年限增加均呈现先增加后降低的趋势，且在弃耕10～15年之间明显升高。这可能是由于硬梁土层瘠薄，初期不足以支撑较高的入渗，其后由于土壤和植被的恢复，使得土壤保水能力提高，入渗增加。随弃耕年限的继续增加，表层土壤粘粒增加，入渗能力随之降低。在弃耕10年左右，土壤水分入渗达到较为稳定的状态。

不同小写字母表示同一参数在不同弃耕年限间存在显著差异 (P<0.05)。下同。 Same parameters with different lowercase letters are significantly different from each other under different abandoned years at P<0.05. The same below.图1 弃耕农田土壤初渗速率、稳渗速率和80 min内不同阶段的累积入渗高度随弃耕年限的变化(平均值±标准误)Fig.1 Dynamics of initial infiltration rate, final infiltration rate and total infiltration height in 80 min in different abandoned years (Mean±SE)

3.2 入渗模型模拟

由表1可见，软梁弃耕农田土壤入渗速率与入渗时间的拟合模型很好，P值均<0.01，表明软梁弃耕农田土壤入渗规律符合该复合函数递增模型：80 min内不同阶段的累积入渗量随入渗时间逐渐增加，初始时快速增加，随后增加的幅度逐渐减小。

由表2可见，硬梁弃耕农田土壤入渗速率与入渗时间的拟合模型很好，P值均<0.01，表明硬梁弃耕农田土壤入渗规律符合该复合函数递增模型：80 min内不同阶段的累积入渗量随入渗时间逐渐增加，初始时快速增加，随后增加的幅度逐渐减小。

3.3 入渗参数a、K值的变化

由图2可见，软梁和硬梁的a值处于0.6～0.8之间；其K值>0。由表达式数学性质可知，ta随t的增加而减小，所以a反映土壤水分入渗能力的降低，K反映土壤入渗能力的增加。软梁拟合参数a随弃耕年限的变化有升有降，而参数K呈降低趋势。硬梁拟合参数a随弃耕年限的变化有升有降，参数K从第10年开始显著增加。表明软梁土壤入渗能力的增加随弃耕年限增加而减少，硬梁土壤第10年时入渗能力显著增加，二者的入渗降低状况没有明显变化，这与3.1节的结果一致。

表1 软梁不同弃耕年限农田土壤累积入渗量I(t)与入渗时间(t)关系的Kostiakov-Lewis模型

表2 硬梁不同弃耕年限农田土壤累积入渗量I(t)与入渗时间(t)关系的Kostiakov-Lewis模型

图2 拟合参数a、K值随弃耕年限的变化(平均值±标准误)Fig.2 Dynamics of fitted a and K in different abandoned years (Mean±SE)

4 讨论和结论

软梁弃耕农田在20年内水分入渗随弃耕年限增加显著降低，入渗规律符合Kostiakov-Lewis递增模型，80 min内累积入渗量随入渗时间增加，初始时快速增加，其后增加幅度逐渐减小。初渗速率、稳渗速率随弃耕年限增加而逐渐降低。拟合参数a值在20年内无明显变化，参数K呈现降低趋势。硬梁弃耕农田在20年内水分入渗随弃耕年限显著增加。入渗规律符合Kostiakov-Lewis递增模型，80 min内不同阶段的累积入渗量随入渗时间增加，初始时快速增加，其后增加幅度逐渐减小。初渗速率、稳渗速率和累积入渗高度随弃耕年限增加均呈先增加后降低的趋势。参数a随弃耕年限变化略微降低，参数K随弃耕年限变化显著增加。总体而言，随弃耕年限增加，软梁土壤水分入渗浅层化，硬梁土壤水分入渗能力有所提高。

4.1 弃耕农田土壤水分入渗变化

土壤入渗随弃耕年限增加多呈增加趋势[6,12-14]，也有研究表明土壤入渗随弃耕年限增加呈减少趋势[15]。随弃耕年限增加，农田土壤有机质和水稳性团聚体增加，土壤理化性质和土壤结构空隙状况得到改善，植被逐步恢复，水分入渗增加[6,12-14]。上述结果与本文硬梁入渗的结果类似，这可能是由于硬梁土层瘠薄，初期不足以支撑较高的入渗，其后由于土壤和植被的恢复，土壤保水能力提高，入渗增加。徐萍[15]的研究表明在弃耕9年内，稳渗速率和初渗速率随弃耕年限的增加而降低，该研究区土壤具有粗骨性砂土的物理特性，保水性较弱，渗透性较强，弃耕后水分入渗大，但随着弃耕年限的增加，土壤表层结构改善，入渗逐渐降低。这与笔者对软梁的研究结果一致。软梁土层较硬梁深厚，弃耕初期土壤表层粘粒含量低，土壤入渗过程强烈，但随着表层土壤结构改善，入渗能力逐渐降低。陈瑶等[16]研究表明：在弃耕初期，土壤有机质含量少，结构差，土壤表面以受雨滴打击形成的机械结皮为主，导致入渗减小；在弃耕后期，土壤有机质含量增加，结构改善，植被逐步恢复，生物结皮发育良好，导致入渗增加。徐敬华等[4]研究表明土壤结皮显著影响土壤入渗，随弃耕年限增加，表层土壤入渗能力下降，而下层入渗能力增强。J. M. García-Ruiz等[17]研究表明在欧洲大部分地区，农田弃耕后会迅速演替为茂密的森林或灌木群落，一些农田会成为牧场，弃耕农田入渗通常随着植被演替而增加。但在半干旱区(如西班牙东南部)，农田弃耕后植被演替的速度很慢，土壤结皮得到发育，降低了土壤入渗。J.Hou等[7]研究表明由于土壤结皮限制了土壤水分的储存和入渗，黄土高原弃耕农田的径流量随弃耕年限增加呈增加趋势。也有研究表明与耕作土地相比，免耕土地的水分入渗能力更高[18]，但也存在结果相反的研究例证[19]。上述研究结果的不同可能是由于各研究区的土壤、植被及气候状况不同所致，土壤孔隙度，碳氮水平、含水量、有机质、植被状况均会影响土壤水分入渗。尽管不同地区农田弃耕后水分入渗变化规律不同，但大体上都是由于土壤黏粒含量的增加导致入渗的变化。一方面，黏粒增加，土壤结构和植被改善，入渗增加；另一方面，黏粒增加，结皮形成，入渗减少。

4.2 弃耕农田土壤水分入渗变化的原因

土壤水分入渗主要受土壤质地、土壤含水量、土壤密度、土壤有机质、生物结皮、植被和凋落物等因素影响。鄂尔多斯高原软梁弃耕农田随弃耕年限增加，0～40 cm的黏粒含量、植被和凋落物盖度呈增加趋势，0～40 cm土壤含水量和土壤密度呈下降趋势；硬梁弃耕农田随弃耕年限增加，0～40 cm土壤密度、黏粒含量、植被和凋落物盖度以及结皮盖度和厚度呈增加的趋势，0～40 cm土壤含水量呈下降的趋势[1]。研究表明砂土、壤土、黏土的水分入渗能力依次减小，土壤黏粒含量越多，土壤孔隙度越小，水分入渗能力越差[20]。土壤有机质能够改良土壤结构，促进团粒状结构的形成，从而增加土壤的疏松性，改善土壤的通气性和透水性，土壤有机质含量越高，土壤水分入渗能力越强[21]。随弃耕年限增加，软梁弃耕农田0～40 cm土壤黏粒含量增加了1.08%[1]。这可能降低了软梁土壤的孔隙度，进而导致软梁的土壤水分入渗降低。随弃耕年限增加，硬梁弃耕农田0～40 cm土壤黏粒含量增加了1%[1]。硬梁弃耕农田黏粒含量增加会显著改善较为瘠薄的土壤结构，导致土壤的持水能力增加，进而使得土壤水分入渗随弃耕年限的增加而增加。生物土壤结皮(biological soil crust, BSC)是由隐花植物和相关土壤微生物与表层土壤颗粒胶结而形成的复合体[22]，生物结皮的存在会阻碍水分入渗，增加径流[23]；植被的存在会加剧生物结皮的阻水性[24]，但也存在相反的研究结果[16]，这可能与生物结皮的种类及研究区域的具体特点有关。硬梁弃耕农田土壤结皮的发育，增加土壤水分入渗，可能是由于结皮改善土壤结构，增加有机质含量，导致土壤入渗能力增强。

4.3 弃耕农田土壤水分入渗变化对植被恢复的影响

在半干旱区气候背景下，鄂尔多斯高原软梁农田弃耕后，由于表层土壤黏粒含量增加，土壤水分入渗显著减少，土壤水分浅层化，有利于以本氏针茅为主的草本植物发育，而不利于深根系的灌木及半灌木发育，如人为干扰较少，植被最终会演替为以草本植物为主的草原植被。对于硬梁，弃耕初期，土壤瘠薄、入渗和保水能力差，随着弃耕年限的增加，保水和入渗能力增强，且由于土壤厚度和结构演替的长期性，这一趋势仍会保持相当长的时间。但总体上由于地处半干旱区，土层浅薄，植被演替的趋势仍为向以草本植物为主的草原植被发展。上述过程启示我们，如要保持目前软梁以油蒿为主的灌丛化草地，则应保持一定的干扰，一定程度上阻止地表结皮的大面积发生，增加土壤入渗；反之则应减少人为干扰，促进表层土壤结构改善和地表结皮形成，减少降水向土壤深层的入渗，促进草本植物发育。对于硬梁则应减少人为干扰，避免本已较为瘠薄的土壤继续侵蚀，促进表层土壤结构的改善，增加土壤入渗和保水性能，促进草本植物的恢复。