西南喀斯特区不同土地利用梯田优先流定量分析

2023-08-28余佳峻高泽超张帅普付智勇徐勤学

中国农村水利水电 2023年8期

司琴，余佳峻，高泽超，张帅普，付智勇，徐勤学

（1. 桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西桂林 541004；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，广西桂林 541004； 3. 西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西西安 710048； 4. 中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南长沙 410125）

0 引言

我国西南喀斯特地区具有成土速率慢，土层浅薄，地下裂隙发育强烈等特点［1］。该地区梯田分布广泛，梯田的建设显著改善了西南喀斯特地区“地少人多”和耕地水土流失严重等问题，坡耕地改为梯田后蓄水效益高达67.6%，保土效益达85%以上［2］。土壤水分入渗特征是评价梯田水土保持效益的重要指标，且可以对梯田的水文循环系统造成直接影响［3，4］。

梯田上不同土地利用类型的土壤入渗特征与土壤性质差异巨大，导致不同土地利用梯田水土流失与地下水污染程度均有不同，进而对梯田的水土保持措施合理布设造成较大影响［5］。优先流是土壤入渗中重要的一环，且由于喀斯特地区特殊的二元三维结构和充沛的降雨，更加促进了优先流的产生［6，7］，而这一现象一方面补充了地下水，另一方面可能会导致水肥漏失，对当地水资源环境和农业发展造成较大影响［8］。

优先流常见的研究方法主要为室内模拟土壤大孔隙，或使用同位素及染色示踪技术，测算优先流在总入渗中所占的比例［9］。这些研究大多是对优先流的染色路径和发育程度进行分析，对于优先流量的具体大小并无涉及［10-13］。张婧［14］根据土壤总入渗为基质入渗与优先流入渗之和的事实，发展了用土壤总入渗扣除基质入渗测量得到优先流量的方法，并在黄土高原林地研究了土壤基质入渗和优先流的定量关系。黄永超等［15］通过模型拟合表明表置式环式入渗仪在紫色土也有很好的适用性，其相关系数均大于0.93。

西南喀斯特地区梯田快速扩张，但对该地区梯田的优先流定量特征还缺乏研究。由于喀斯特地区与非喀斯特地区土壤入渗差异巨大，也不能基于非喀斯特地区的成果对该地区梯田水土保持效益做出评价。为了深入了解该地区梯田土壤优先流入渗的定量特征，本文以广西壮族自治区桂林市海洋乡不同土地利用梯田（园地、耕地、林地）作为研究对象，利用表置式环式入渗仪，定量划分不同土地利用类型梯田的入渗过程，研究其优先流入渗量与染色特征差异。相关结果将加深对西南喀斯特地区梯田优先流入渗过程的理解，同时为西南喀斯特地区梯田的土壤水分管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区桂林市灵川县海洋乡南湾村（25°17′39″N，110°33′39″E），该地区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，降雨集中于4-9月，属于亚热带季风气候［15］。

研究区梯田主要以耕地和经果林为主，每级梯田坡度约1°～3°，土壤属于黑色或棕色石灰土，田坎由块石堆砌而成。样地设置在石坎梯田的园地和耕地以及林地，试验于2021 年3 月进行。水平方向依次间隔1 m 左右距离，选取地势相对平坦的3个试验点（a、b、c），每个试验点分别间隔2 m 放置两个表置式环式入渗仪（由两个不锈钢铁环制成，外环直径为40 cm，内环直径20 cm，高10 cm），呈3×2 长方形排列。每种土地利用类型3个试验点，共9个有效试验点。

1.2 试验方法

1.2.1 染色入渗试验

试验前清除样地表面杂草，使用表置式环式入渗仪垂直压入土壤深度1 cm。细纱布铺在内环及内-外环之间的土壤表面，在其表面均匀撒上一层3 cm 厚的细沙遮挡土壤大孔隙，保证入渗方式仅为基质入渗。将4 g/L 的混合亮蓝溶液加入内环8 cm 刻度处，内-外环之间加入清水，保证与内环水位等高。采用落水头法测定土壤入渗过程，连续3次入渗时间相同或相近，即视为稳渗状态，入渗时间控制在90 min 左右。总入渗与基质入渗的安装和测量方法基本一致，不同点在于不用在土壤表面铺细沙和纱布。

一次入渗试验完成24 h 后沿着内外环切线位置及内环的1/4 和1/2 的位置开挖剖面。在剩余1/2 的湿润土体中，分别在距土壤表面5，10，20 和30 cm 的4 个深度进行水平开挖。开挖完成后，在土壤深度分别为0～10，10～20，20～40，40～80 和80～100 cm 处取样。每个土壤深度收集3 个样品，土壤性质如表1所示。

表1 不同土地利用类型梯田土壤基本理化特性参数Tab.1 Basic physico-chemical characteristics of terraced soils of different land use types

1.2.2 优先流定量计算

参考张婧［16］的计算方法，根据土壤总入渗为基质入渗与优先流入渗之和的事实，土壤优先流入渗量QP(t) （mm）的计算公式为：

将式（1）对时间t求导可得：

式中：Qt(t)是土壤总入渗量，mm；Qm(t)是基质入渗量，mm；IRP是优先流入渗率，mm/h；IRt是土壤总入渗率，mm/h；IRm是基质入渗率，mm/h。

1.3 数据处理

本试验使用excel、origin 2021进行数据处理和图像绘制，运用Photoshop CS5 软件进行土壤剖面图像后期处理。运用image pro plus 6.0 对图像信息进行统计，计算不同深度土壤黑白染色比例。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型梯田优先流入渗量

不同土地利用类型梯田的优先流累积入渗量大小顺序为园地＞耕地＞林地（图1），分别占总入渗量的23%、16%和19%，其中园地优先流累积入渗量分别是耕地和林地的1.3 和1.5 倍。不同土地利用类型梯田入渗过程均以基质入渗为主，基质入渗量占总入渗比例可达到77%～89%。园地基质累积入渗量与林地差异并不显著，但均明显低于耕地。不同土地利用类型梯田总入渗量大小顺序为耕地＞园地＞林地，其中耕地累积总入渗量分别是园地和林地的1.1和1.5倍。

图1 不同土地利用类型梯田各部分累积入渗量Fig.1 Cumulative infiltration in various parts of terraces of different land use types

不同土地利用类型梯田的优先流入渗量变化特征均表现为随入渗时间先快速增大，随后增加速度减慢（图2）。园地、耕地和林地分别的3个试验点中优先流最大入渗量较最小入渗量分别增大了1.55、1.96 和1.38 倍，且耕地3 个试验点的优先流入渗量变化趋势差异较明显，说明耕地入渗过程具有较强的空间异质性。园地与林地在不同试验点优先流入渗量同样具有明显差异，但总体趋势一致，其入渗过程较耕地更稳定。

图2 不同土地利用类型梯田优先流量随入渗时间变化情况Fig.2 Variation of priority flow with infiltration time in terraces of different land use types

2.2 不同土地利用类型梯田优先流入渗率

3种土地利用类型梯田的优先流入渗率变化特征均表现为随入渗时间先急剧下降，在20 min 左右下降速率减小，随后逐渐趋于平稳，直至达到稳渗状态（图3）。3种土地利用类型梯田的优先流的起始入渗率差异较大，其中园地和耕地的起始入渗率达到1 995.1 和2 549.6 mm/h，分别是林地的5.6 和7.1 倍。不同土地利用类型梯田的优先流稳定入渗率大小顺序为耕地＞园地＞林地，稳定入渗率均介于21.6～39.0 mm/h之间。

图3 不同土地利用类型梯田优先流入渗率随时间变化情况Fig.3 Variation in priority infiltration rates over time in terraces of different land use types

由表2 可知，不同土地利用梯田优先流入渗率随入渗时间的增加大幅度降低，其中园地优先流入渗率的降幅最大，从791.9 mm/h 降低到31.3 mm/h，耕地次之，从553.5 mm/h 降低到38.4 mm/h，林地优先流入渗率降幅最小，从121.6 mm/h 降低到21.0 mm/h。初始入渗阶段（0～10 min），园地和耕地的优先流入渗率差异并不显著，但显著大于林地入渗率。3 种土地利用类型梯田的稳定入渗率大小顺序为耕地＞园地＞林地，其中耕地的稳定入渗率分别为园地和林地的1.0和1.9倍。

表2 不同入渗阶段土壤入渗率Tab.2 Soil infiltration rates at different stages of infiltration

不同土地利用类型梯田的基质入渗速率随时间变化的特征与优先流入渗率相似，均为随入渗时间的增大而减小。在3个入渗阶段中，园地、耕地和林地的基质入渗率降幅分别为643.9、689.1 和454.6 mm/h。3 种土地利用类型梯田的平均入渗率和稳定入渗率大小顺序均为耕地＞园地＞林地，其中耕地的平均入渗率分别为园地和林地的1.2 和1.5 倍，稳定入渗率分别为园地和林地的1.4和1.3倍。

园地和耕地的总入渗率在初始阶段（0～10 min）显著高于林地，其初渗速率分别是林地的2.1和2.0倍，但3种土地利用类型总入渗率均在90 min 左右达到稳渗状态，稳定入渗率差异较小，保持在201.9～273.3 mm/h范围内。

在整个入渗过程中土壤优先流入渗率是基质流的0.1～0.95倍（图4）。在初始阶段（0～10 min），园地的基质入渗率与优先流入渗率差异不大，耕地和林地的基质入渗率分别是优先流入渗率的1.7 和5.3 倍；随着更多水分进入土壤孔隙中，优先流入渗率主要呈降低趋势，稳渗阶段（60～90 min）时土壤基质入渗相对优先流占据主要优势，此时基质入渗率是优先流入渗率的6～9倍，3种土地利用梯田的优先流入渗率占总入渗率比差异较小（10%～15%）。

图4 不同入渗阶段土壤基质入渗率与优先流入渗率占总入渗比值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 不同土地利用类型梯田优先流路径分布特征

根据Weiler［17］等人研究的分类标准，本试验区优先流类型主要是大孔隙流和裂隙流。3种利用类型梯田的优先流染色面积均随土壤深度增加而减小。其中耕地优先流染色深度最深，园地其次，林地最浅。染色面积大小顺序依次为耕地＞园地＞林地。在0～8 cm 的土层深度上，园地和耕地染色呈均匀分布，随后染色面积大幅减小。园地在8～20 cm 土层中呈现出深度不同的染色分支并呈带状分布，说明其孔隙之间的横向联通性较差；耕地在5～30 cm 土层中出现分支；林地在0～13 cm 土层中呈现少量不均匀染色现象，说明在同等水分入渗条件下林地地优先流现象并不明显。

不同土地利用梯田的最大染色深度顺序为：耕地＞园地＞林地（表3）。3 种土地利用类型梯田的染色部分主要分布于0～20 cm 深度土壤，染色面积比随着入渗深度的增加呈现递减的趋势。在土壤深度0～10 cm 范围内，耕地染色面积最大，占该土壤深度范围总染色面积的83%，园地次之，林地最小。随着土壤深度的增加（10～20 cm），园地、耕地和林地染色比较上层土壤（0～10 cm）分别减少了45%、23%和54%，其中林地的染色比减小幅度最大，且在土壤深度20 cm 以下染色比降为0，在该土层深度范围，耕地和园地也分别降至7%和2%。

表3 不同利用类型梯田土壤剖面染色参数Tab.3 Soil profile staining parameters for different use types of terraces

3 讨论

不同土地利用类型梯田优先流累积入渗量差异明显，大小顺序为园地＞耕地＞林地，其优先流累积入渗量分别占总入渗量的24%、16%、11%。王发［18］等在岩溶区对常年翻耕的农地优先流特征进行了研究，结果显示，其优先流比仅为35.00%，与本试验结果相似。本试验中耕地与园地由于翻耕，导致土壤孔隙度增大，优先流占比更大，而林地由于常年封育，几乎没有人为扰动，优先流现象并不明显。张静举［19］以喀斯特区甘蔗地为研究对象得出免耕处理下土壤大孔隙流发育程度较耕作处理高。与本研究结论不同，这主要是由于优先流发育程度受土壤含水率、生物活动等多种因素影响，仅用优先流量的占比并不能完整的描述优先流，具有一定局限性［10］。

结果表明，试验区3 种土地利用类型梯田的整个入渗过程中，土壤优先流入渗率是基质入渗率的0.1～0.95 倍。初始入渗阶段（0～10 min）时基质流和优先流占比差异较小，达到稳定入渗阶段（60～90 min）后，基质入渗逐渐占据主导形式。陶婷婷［20］等在紫色土的入渗研究中表明，稳渗阶段时基质流占比较大，与本试验结果一致。而张婧［13］在黄土高原测得稳渗阶段优先流入渗率是基质入渗的2.3～4.9 倍，与本研究结果相反，这可能与土壤质地有关。本试验区位于喀斯特地区，土壤中黏粒含量明显高于黄土高原地区，而砂粒含量较少，有研究表明砂粒含量的增加有利于土壤优先流的形成和发展，黏粒、粉粒含量增加，导致土壤孔隙率减小，优先流发育受阻［21-23］。

本研究区园地、耕地和林地的最大染色深度分别为25.5、32.1 和15.7 cm（图5）。田香姣［24］以重庆四面山的农地与草地为研究对象，结果表明农地染色深度集中于0～20 cm，与本试验结果相似。本研究区林地为自然封育状态，受人为扰动小，且入渗试验选点时避开了马尾松根系范围，因此20 cm 以下的土壤孔隙率明显低于园地和耕地（表1），进而影响了优先流的产生。吕刚［25］等认为优先流入渗深浅与植物根长密度关系密切，本研究区内柑橘和花生根系主体分布在土壤深度为0～30 cm 左右，增加了浅层土壤中的生物大孔隙的分布，故其优先流染色可以达到更深［10］。结果显示，园地、耕地和林地0～10 cm土壤深度的优先流染色面积比分别为75%、83%和70%，且随着土壤深度的增加，染色面积比逐渐减小。这是由于随着土壤深度的增加，3 种土地利用类型梯田的土壤容重均在增大（表1），土壤大孔隙难以形成，其对应土壤深度的优先流路径数量也随之降低［26］。

图5 不同利用类型梯田土壤垂向剖面染色图Fig.5 Soil staining in the vertical profile of terraces of different use types

本试验中随着土壤深度的增加，土壤有机质含量呈现逐渐降低的趋势，优先流入渗率也逐渐减小。有机质含量高的土壤中生物活动相对更加频繁，能够有效促进土壤中优先路径的形成［27］。阮新竹［28］等在重庆四面山的研究中表示，有机质含量与土壤大孔隙数量呈正相关关系；李雪转［29］等在基于壤土的水分入渗试验中得出结论，随着土壤有机质含量的增加，土壤入渗能力会随之增加，与本试验结果一致。本试验中，林地恢复时间较其他两种土地利用类型土地更长，但有机质含量和其他两种土地利用类型并无显著差异。相关研究表明，在一定范围内，植被恢复时间越长，土壤有机质含量就越高［30］，与本试验结论具有差异。这是由于土壤有机质的变化规律会受到土壤环境条件的影响，而喀斯特地区生态环境十分脆弱，极易受到人为因素的影响，仅用有机质含量对优先流特征进行描述并不准确。

最后，本试验结果仅对西南喀斯特梯田3 种土地利用类型的优先流入渗特征进行了初步的定量分析，为了更好的探究西南喀斯特地区优先流入渗机理，还需要对该地区其他土地利用类型以及不同耕作方式梯田的优先流定量分析做进一步研究。