喀斯特高原石漠化区露石岩-土界面与非岩-土界面土壤入渗特性差异

2022-10-10许胜兵彭旭东戴全厚刘婷婷岑龙沛

水土保持学报 2022年5期

许胜兵，彭旭东，戴全厚，刘婷婷，岑龙沛

(1.贵州大学林学院，贵阳 550025；2.贵州大学土壤侵蚀与生态修复研究中心，贵阳 550025)

中国西南地区的喀斯特地貌以分布面积最大、发育最强烈、发育最典型、发育类型最齐全、景观最秀丽、生态环境最脆弱而著称。中国喀斯特地貌面积超过124万km，其中以贵州省的分布面积最大，为13万km。石漠化是中国南方亚热带喀斯特地区严峻的生态问题，西南喀斯特石漠化地区通常具有土层厚度分布不均，基岩大面积裸露，水土流失严重等特点。土壤渗透能力是影响水土流失的重要因素之一，是反映土壤涵养水源和抗侵蚀能力的重要指标。已有研究发现，喀斯特地区的土壤入渗率大于非喀斯特地区，其中重要的原因是喀斯特地区石灰土土壤肥力水平较高，有机质结构稳定、土壤肥力持久，团粒结构良好；土壤水稳性团聚体团粒结构稳定，使得土壤具有更好透水、通气性的特点从而提高了土壤入渗能力。

土壤渗透性受多因素的影响，其中岩石或块石对土壤渗透特性的影响受到广泛的关注。已有研究发现，岩石的存在也会影响水分的入渗。朱彤等为探明喀斯特地区不同块石出露坡面土壤入渗对降雨的响应特征,设置块石出露程度不同的径流小区研究发现，在较大雨强下，块石裸露率为5.4%对入渗影响较小，块石裸露率为13.1%抑制入渗，块石裸露率为42.9%促进入渗，在降雨前期，块石的存在对入渗均有促进作用。党宏宇等为了分析喀斯特地区土石隔层对土壤水分入渗过程的影响，通过室内模拟土柱试验发现，土石隔层位置和隔层碎石粒径均会影响入渗过程。

综上可知，岩石对土壤入渗的影响已进行大量研究，而出露基岩对土壤入渗的影响研究较少。我国西南喀斯特石漠化区不仅存在落石、滚石、人为堆砌石等岩石，还存在大面积裸露的基岩。石漠化区大面出露的基岩与土壤交错分布，在土壤与岩石间形成了突变接触的岩—土界面。由于岩石的不透水性等因素，在降雨时往往会在岩—土界面产生优先流。岩—土界面优先流通道利于雨水的入渗，便于雨水到达地下更深处。Zhao等在喀斯特地区的岩—土界面通过染色示踪法发现，染色剂能在岩—土界面处顺着岩石达到地下更深层次。朱列坤等对喀斯特地区裂隙土壤渗透特性的研究发现，与非喀斯特地区相比，喀斯特裂隙土壤的入渗速率更快；并且在试验过程中发现，水分入渗一段时间后，土壤里的水汇集到两侧岩—土界面，快速下渗。这些研究结果都表明，在岩—土界面的影响下，岩—土界面处的入渗能力得到了加强，但是岩—土界面处与非岩—土界面处土壤入渗特性差异目前尚不清楚。岩石的出露对雨水具有再分配的作用，岩石形状的不同会导致其对雨水的再分配也有所不同，其形成的岩面流对岩—土界面土壤的冲刷或淋溶等作用程度不同。因此本研究在喀斯特石漠化区长顺县，选取了不同岩石形状的岩—土界面与非岩—土界面的土壤。通过室内试验研究岩—土界面与非岩—土界面土壤入渗过程与入渗特征，分析岩—土界面与非岩—土界面土壤入渗差异，通过评价3种常见的入渗模型的拟合程度，筛选出适合喀斯特地区岩—土界面土壤的最优入渗模型，以期为深入研究喀斯特地区水分入渗及水土流失提供新的研究思路与科学理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

为研究喀斯特石漠化地区岩—土界面与非岩—土界面土壤入渗特征及其差异，研究区选择在具有典型喀斯特石漠化特征、石漠化程度严重的长顺县。长顺县地处贵州省中南部、黔南州西部，位于25°38′48″—26°17′30″N，106°13′06″—106°38′48″E。全县总面积为1 543 km,根据长顺县人民政府2021年公布的数据可知全县喀斯特面积为1 361.84 km，是西南地区典型的喀斯特石漠化大县。长顺县具有典型的喀斯特地貌，可分为岩溶中山、岩溶中低山、峰丛陆地、峰丛谷地、孤峰波地、中山峡谷、溶丘洼地、中低山河谷、丘陵宽谷、丘陵谷地类型。属中亚热带季风湿润气候区，雨热同季，年均气温13.5～18.5 ℃，年极端最低气温-15.5 ℃，极端最高气温40.7 ℃，平均相对湿度81%，无霜期275天，年降水量1 250～1 400 mm。长顺县的土壤类型主要有黄壤、石灰土、水稻土、紫色土等。植被主要以常绿阔叶林、落叶阔叶林、针阔混交林、灌丛、草丛等为主。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计在露石区设置10 m×10 m的样地，并在样地内随机选取平直型、内凹型和外凸型等不同形状岩面的露石进行采样,采样前对露石的汇水面积、倾角和岩—土界面轨迹长度等特征进行测量并记录。在水平方向距离岩—土界面25 cm处进行土壤剖面的开挖，开挖深度为20 cm,同时在每个剖面分0—10，10—20 cm采取原状土和扰动土样。原状土采集用容积100 cm，高5 cm的环刀，每层采集4份。采样时尽可能使环刀靠近岩石，但不能与岩石接触。采样过程中如果与岩石接触则需重新取样，直到取样成功为止。为了提高原状土采集的成功率，可以用细铁丝等探测土层厚度，首先从距岩—土界面2 cm处开始依次向外探测，当土层厚度满足条件时开始采样(使用铁丝等探测过的位置不可作为原状土的采集区域)。用四分法在原状土采样周围采集土壤装入铝盒，每层采集4份。扰动土用密封袋采集整层土壤，每层采集2份。采距离岩—土界面水平方向上0—2 cm的土壤为受岩石影响的岩—土界面土壤，距离岩—土界面水平方向上20 cm之外的土壤为不受岩石影响的非岩—土界面土壤。图1为外凸型露石土壤样品采样方法。

图1 露石土壤样品采样

1.2.2 土壤样品采集及测试本试验于2021年5—6月进行，首先在露石区设置10 m×10 m的样地，本试验采样选取的露石(岩—土界面)形状为平直形、外凸形和内凹形。在进行取样前要对岩—土界面及非岩—土界面的杂草、枯落物等进行清理后再进行土壤剖面开挖。露石的基本信息见表1。环刀样和铝盒样分别采集了24份，扰动土壤样品用密封袋采集了12份。用环刀和铝盒取样后都要及时称重并记录。将环刀、铝盒和密封袋采集的土样带回实验室分析土壤容重、孔隙度、自然含水率、机械组成等基本土壤理化性质。土壤容重、孔隙度、自然含水量参照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤水分—物理性质的测定》(LY/T 1215—1999)进行测定。机械组成采用比重计法并使用国际制土壤颗粒分级标准。

表1 各露石基本信息

1.2.3 土壤水分入渗速率测定采用环刀法测定岩—土界面与非岩—土界面土壤渗透特性。将环刀采集的原状土样带回实验室，在环刀锋利面(有刃面)垫1层纱布(防止环刀内土壤颗粒流出)，取1个相同规格的环刀对接在装有原状土样的环刀上方(厚钝面)，从外侧密封两个环刀间的缝隙；将准备好的双环刀固定在铁架台的玻璃漏斗上(漏斗需进行固定，以防在加水过程中倾斜导致上部环刀内水头不一致)，保持环刀口水平，在漏斗下方放置烧杯，收集穿透土样的水分。试验时，用马氏瓶定水头测量，水头保持在5 cm，待漏斗中滴下第1滴水开始计时，入渗测定过程中前30 min内每1 min记录1次渗水量，30 min以后每2 min记录1次渗水量；直至入渗趋于稳定为止。初始入渗率采用前3 min的速率表示；稳定入渗率采用后6 min的速率表示；平均入渗率为整个入渗过程中各个时刻入渗率的平均值。入渗速率计算公式为：

式中：为入渗速率(mm/min)；为第次测定时间的透水量(mL)；为内环横截面积(cm)；为第次测定时间间隔(min)。

1.3 数据处理及分析

采用Excel 2016软件进行数据统计，Origin 2018软件用于入渗模型拟合，SPSS 20软件对数据进行相关性分析。常见3种土壤水分入渗模型为：

(1)Kostiakov模型：

()=-

式中：()为入渗速率(mm/min)；为入渗时间(min)；和为经验参数。

(2)Philip模型：

()=05-05+

式中：()为入渗速率(mm/min)；为吸渗率(mm/min)；为稳定入渗率(mm/min)。

(3)Horton模型：

()=+(-)e-

式中：()为入渗速率(mm/min)；为初始入渗率(mm/min)；为稳定入渗率(mm/min)；为经验参数。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

表2为不同岩—土界面的土壤及其与之相对应的非岩—土界面的土壤理化性质。由表2可知，岩—土界面与非岩—土界面之间、不同岩石形状之间、0—10 cm土层与10—20 cm土层之间的土壤理化性质存在差异。岩—土界面的土壤容重为1.08～1.34 g/cm，非岩—土界面的土壤容重为0.97～1.22 g/cm，平直形和内凹形(10—20 cm)岩—土界面与外凸形(0—10 cm)非岩—土界面差异显著。岩—土界面土壤的含水率为21.88%～25.29%，非岩—土界面土壤的含水率为18.15%～24.98%，岩—土界面间土壤含水率差异不显著，非岩—土界面间土壤含水率差异也不显著，但岩—土界面中的外凸形(10—20 cm)与非岩—土界面中的外凸形(0—10 cm)和内凹形(0—10 cm)差异显著。岩—土界面土壤的非毛管孔隙度为6.40%～19.63%，非岩—土界面土壤的非毛管孔隙度为11.26%～23.94%；岩—土界面土壤的毛管孔隙度为34.90%～39.50%，非岩—土界面土壤的毛管孔隙度为35.32%～38.54%；岩—土界面土壤的总孔隙度为44.60%～54.52%，非岩—土界面土壤的总孔隙度为47.60%～59.26%。非毛管孔隙度中岩—土界面的平直形(10—20 cm)和内凹形(10—20 cm)与非岩—土界面的外凸形(0—10 cm)差异显著；岩—土界面和非岩—土界面中的毛管孔隙度差异不显著，在二者间的差异也不显著；总孔隙度中岩—土界面的平直形(10—20 cm)和内凹形(10—20 cm)与非岩—土界面的外凸形(0—10 cm)差异显著。此外岩—土界面与非岩—土界面在黏粒、粉粒、砂粒和排水能力均存在显著差异。岩—土界面上层和下层土壤容重均大于非岩—土界面，土壤总孔隙度均小于非岩—土界面。岩—土界面含水率和毛管孔隙总体上大于非岩—土界面，非毛管孔隙度、黏粒和排水能力总体上小于非岩—土界面。

表2 研究区土壤性质

2.2 岩-土界面与非岩-土界面土壤水分入渗特征

图2为不同形状露石岩—土界面与非岩—土界面土壤入渗过程；图3为不同形状露石岩—土界面与非岩—土界面土壤入渗特征。由图2可知，土壤的入渗过程均是逐渐下降然后趋于稳定的，各个入渗过程的降幅有所不同。结合图3可知，平直形岩—土界面0—10 cm土层土壤初始入渗速率、平均入渗率均大于非岩—土界面，其入渗率是逐渐递减的，降幅为36.97%；而非岩—土界面的入渗率降幅仅为6.29%，但是岩—土界面稳定入渗率小于非岩—土界面；10—20 cm土层岩—土界面3种入渗率(初始入渗速率、平均入渗率和稳定入渗率)均大于非岩—土界面，且0—10 cm土层岩—土界面与非岩—土界面的3种入渗率均大于10—20 cm土层。外凸形和内凹形岩—土界面与非岩—土界面、0—10 cm土层与10—20 cm土层之间土壤3种入渗率的比较则是完全相反的，即外凸形和内凹形岩—土界面0—10 cm土层和10—20 cm土层土壤的3种入渗率均小于非岩—土界面。特别地内凹形0—10 cm土层与10—20 cm土层岩—土界面土壤的3种入渗率均远小于平直形与外凸形，即：内凹形<外凸形<平直形。内凹形与平直形0—10 cm土层的3种入渗率均表现为0—10 cm土层大于10—20 cm土层，而外凸形却并非如此。外凸形岩—土界面0—10 cm土层小于10—20 cm土层；非岩—土界面0—10 cm土层具有较好的降幅为28.01%，10—20 cm土层为3.71%；0—10 cm土层的初始入渗速率、平均入渗率大于10—20 cm土层，而0—10 cm土层的稳定入渗率小于10—20 cm土层。

图2 土壤入渗过程

图3 土壤入渗特征

2.3 岩-土界面土壤水分入渗影响因素

已有研究表明，土壤的入渗与土壤的性质具有相关性。由表3可知，初始入渗速率、平均入渗率、稳定入渗率和入渗总量与土壤的容重呈极显著负相关关系(<0.01)；与非毛管孔隙度呈极显著正相关关系(<0.01)；与毛管孔隙度的相关关系显著(<0.05，平均入渗率<0.01)；与总孔隙度呈极显著正相关关系(<0.01，稳定入渗率<0.05)；与排水能力呈显著正相关关系(<0.01)；与黏粒、粉粒、砂粒和含水率的相关关系不显著(>0.05)。

表3 土壤入渗特征与各土壤属性Spearman相关性分析

由表4可知，岩—土界面入渗特征与容重、毛管孔隙度和砂粒呈负相关关系(>0.05)，与含水率、排水能力、非毛管孔隙度、总孔隙度、黏粒和粉粒呈正相关关系(>0.05)，而与岩石的汇水面积呈极显著负相关关系(<0.01,=-1.000)。非岩—土界面容重与初始入渗速率呈极显著负相关关系(<0.01)，与平均入渗率、稳定入渗率和入渗总量呈显著负相关关系(<0.05)。非岩—土界面入渗特征与毛管孔隙度呈显著负相关关系(<0.05)，与其余指标的相关性不显著(>0.05)。

表4 岩-土界面与非岩-土界面土壤入渗特征与各土壤属性Spearman相关性分析

2.4 岩-土界面土壤水分入渗模型拟合

本研究采用了比较常见的3种水分入渗模型(Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型)对岩—土界面与非岩—土界面土壤的入渗过程进行优化模拟。3种入渗模型对不同岩石形状的岩—土界面与非岩—土界面及不同土层的回归分析结果见表5。(拟合决定系数)的数值越大，说明模型的拟合效果越好。在岩—土界面处Kostiakov模型的为0.071～0.901，平均值为0.685；Philip模型的为0.043～0.713，平均值为0.513；Horton模型的为0.116～0.985，平均值为0.785。在岩—土界面处3个模型的无论是最大值、平均值还是最小值都表现为：Horton模型>Kostiakov模型>Philip模型。这表明Horton模型能更好地模拟岩—土界面土壤的入渗能力和入渗过程，Kostiakov模型次之，Philip模型最差。相似地，在非岩—土界面处3个模型的最大值、平均值和最小值都表现为：Horton模型>Kostiakov模型>Philip模型。研究结果与徐勤学等、曾江敏等、朱列坤等研究结果一致。根据本研究结果可知，在喀斯特地区不管是在岩—土界面处还是在非岩—土界面处，Horton模型对土壤入渗的拟合效果最好，Kostiakov模型次之，Philip模型最差。

表5 岩-土界面与非岩-土界面土壤入渗模型拟合结果

3 讨论

本研究发现，相对于非喀斯特地区而言，研究区土壤的容重较小，土壤孔隙度大，具有较好的通气性。研究区土壤的入渗能力较大，这与朱列坤等在喀斯特裂隙中对土壤入渗的研究结果相似。本研究也发现，岩—土界面处土壤的含水率、土壤容重、毛管孔隙度、砂粒和粉粒总体上大于非岩—土界面处，但是岩—土界面处的非毛管孔隙度、总孔隙度、排水能力和黏粒总体上均小于非岩—土界面处。究其原因是露头岩石对雨水等具有一定的汇集作用，使岩—土界面处的土壤在长期的冲刷和湿润环境中，其土壤容重相对于非岩—土界面较大，土壤孔隙度小。除了粉粒和砂粒外其余指标间差异最明显的均在岩—土界面与非岩—土界面之间。

前人在喀斯特地区通过测量土壤渗透系数()和染色剂示踪的方法对岩—土界面及非岩—土界面土壤的入渗能力进行了研究，结果发现，相比于非岩—土界面，岩—土界面处值显著增加；染色剂往往能通过岩—土界面到达地下深处；岩石露头通过改善土壤性质，建立连通良好的优先流网络，可以极大地改变岩溶土壤的渗透性和水流特性。其结果与王发等、王甲荣等在喀斯特地区的研究结果相似。朱列坤等在喀斯特裂隙中的研究也发现，在入渗过程中土壤里的水会汇集到两侧岩—土界面，快速下渗。然而在本研究中发现，岩—土界面处土壤的入渗能力总体上小于非岩—土界面处，其初始入渗速率、平均入渗率、稳定入渗率小于非岩—土界面处。本研究的结果与前人的研究结果差异很大，究其原因，本研究主要揭示了岩—土界面处与非岩—土界面处土壤本身的入渗特征，研究结果是土壤本身的入渗性能，而未结合岩—土界面这一特殊条件。Sohrt等通过小规模灌溉试验(入渗试验)结合染料示踪剂应用，以及土壤水分测量发现，半干旱喀斯特地区露石岩—土界面平均入渗速率(2.8 cm/min)大于非岩—土界面平均入渗速率(0.08 cm/min)，岩—土界面流具有更大的地下水补给潜力。Li等在中国西南喀斯特石漠化地区的研究发现，雨季降水引起的岩石露头径流通过岩—土界面渗入深层。由此结合前人的研究结果可知，岩—土界面处土壤本身的入渗能力较弱，但是岩—土界面的存在会形成优先流并能建立连通良好的优先流网络，使岩—土界面处的入渗能力大于非岩—土界面处。但是不同形状岩—土界面实际的入渗特性还未可知，在今后还需设计野外试验对其进行研究。

岩石的出露对雨水具有再分配的作用，岩石形状的不同会导致其对雨水的再分配也有所不同。在本研究中内凹形岩石的汇水面积最大，外凸形次之，平直形最小。3种形状岩—土界面0—10 cm土层和10—20 cm土层土壤的初始入渗速率、平均入渗率和稳定入渗率均表现为平直形>外凸形>内凹形。0—10 cm土层土壤容重表现为内凹形>平直形>外凸形；总孔隙度为平直形>外凸形>内凹形。10—20 cm土层情况与0—10 cm土层相似，可见岩—土界面处土壤的入渗能力是由土壤的容重和总孔隙度共同决定的，土层深度越深，土壤容重越大，总孔隙度越小，入渗能力越弱。在岩—土界面土壤水分入渗相关性分析中发现，岩—土界面的初始入渗速率、平均入渗率、稳定入渗率与岩石的汇水面积呈极显著负相关(<0.01,=-1.000)。岩石形状对土壤水分入渗的影响，实则是岩石通过对雨水的再分配作用，使雨水汇集并冲刷其下部土壤。岩石的汇水面积越大，其能到达底部岩—土界面的雨水量越多，在长期的作用下土壤容重相对增大，孔隙度变小，入渗能力弱。本研究发现，土壤入渗特征与土壤容重和孔隙度的相关性强，非岩—土界面处的入渗与岩—土界面处的入渗具有相似性，即由土壤的容重和总孔隙度共同决定，研究结果与刘建伟等、李叶鑫等、徐勤学等、曾江敏等、朱列坤等的研究结果一致。用Kostiakov模型、Philip模型和Horton模型对入渗过程进行优化模拟发现，喀斯特地区不管是在岩—土界面处还是在非岩—土界面处，Horton模型对土壤入渗的拟合效果最好，Kostiakov次之，Philip模型效果最差，研究结果与徐勤学等、曾江敏等、朱列坤等研究结果一致。究其原因是Horton模型的参数因子较多，3个参数因子有实测数据，能更好地模拟喀斯特地区复杂情况下土壤的入渗特征。