农林复合种植模式对红壤坡地表土水力特性及储水的影响

刘 昭，徐燕星，郑海金，左继超，陈秀龙

农林复合种植模式对红壤坡地表土水力特性及储水的影响

刘 昭1,2，徐燕星3，郑海金1,2※，左继超1,2，陈秀龙1,2

（1. 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，南昌 330029；2. 江西省水土保持科学研究院，南昌 330029；3. 江西水利职业学院，南昌 330013）

为探讨红壤坡地不同农林模式表层土壤水力特性差异及其对土体储水量的影响，该文分析了红壤坡地“农-林-草”、“农-林+横坡耕作”、“农-林+顺坡耕作”和“纯林”4种典型农林复合模式表层土壤（0～0.30 m）的土壤水力特征参数，并通过Richards方程数值求解模拟了不同表层土壤水力特性下的土壤含水率动态和土体储水量。结果表明，农林复合模式对表层土壤水力特性有较大影响，“农-林-草”、“农-林+横坡耕作”、“农-林+顺坡耕作”、“纯林”模式的表层土的土壤性质依次表现为：土壤黏性增强（土壤进气值倒数减小）、透水性减弱（饱和水力传导度减小）。饱和水力传导度、土壤进气值倒数与土壤容重的相关系数为-0.98和-0.96。当仅考虑表层土壤水力特性差异时，土体储水能力由强到弱依次为“农-林-草”、“农-林+横坡耕作”或“农-林+顺坡耕作”和“纯林”模式土壤。“农-林-草”模式表层土壤具有在蒸发期减少深层土壤水消耗、在降雨期增加深层土壤水补给的作用，该土壤储水机制为“农-林-草”复合种植模式推广提供了理论基础。

土壤；水分；水力特性；Richards方程；红壤坡地；农林草模式

0 引 言

土壤水文过程是地表水文过程和地下水文过程的重要连接纽带，也是土壤侵蚀、作物生长、地下水污染等过程的重要影响因素。红壤坡地是南方重要的农业资源，人为耕作使得土壤上层透水性增强，其年均入渗至土壤中的水量占降雨量的90%以上[1]，加之该区降雨丰沛，其土壤水分运动极其活跃。但是，南方红壤区干湿交替频繁，又极易发生洪涝灾害和季节性干旱。因此，深入研究该区的土体储水量规律，可以为防汛抗旱、生态水源涵养及水土流失控制提供理论依据。

土壤水分存储和消耗会受到土壤水力性质[2]、土层厚度[3]和上覆植被[4]等因素的影响。在经果林下进行农业耕作是南方红壤坡地重要的开发利用方式[5]。已有研究证实，由于生物影响、土壤侵蚀以及人为翻耕等综合作用的影响，不同农林开发模式（如不同的耕种方式、是否采取水土保持措施等）会对表层土壤机械组成和土壤微生物等产生影响[6]。在理论上，土壤物质组成改变会引起土壤水力性质的变化，例如一些土壤水力参数可以由土壤物质组成经土壤传递函数（pedotransfer function，PTF）计算获得[7-8]。但是，红壤坡地不同农林开发模式实测表层土壤水力性质究竟有何差异仍有待进一步证实，而这种表层土壤水力性质差异对于土壤水分存储规律有何影响也还需要深入研究。

土壤水力性质主要表现为“负压-含水率-水力传导度”之间的非线性关系，可以由Gardner-Russo 模型[9]、Brooks-Corey 模型[10]和van Genuchten-Mualem模型[11]等进行描述，这些模型中的参数即土壤水力参数。例如，广泛使用的van Genuchten-Mualem模型中，即包含了5个独立的参数。其中，饱和水力传导度可以通过原位或实验室的入渗试验获取，而其余4个参数则可以采用上述公式拟合试验测定的“负压-含水率”等数据集而求得，测定方法通常有快速离心法（离心机）、压力板法（压力膜仪）和饱和-蒸发原理（hyprop）等[12]。

土体储水量可以由实测不同点位土壤含水率直接获得，但由于仪器误差、野外条件复杂以及影响因素难以控制等因素[13]，很难直接说明表层土壤水力性质差异对于土壤水分存储规律的影响。而数值模拟方法可以输出仅考虑某单一影响因素下的结果，也便于从机理上分析该因素对结果的影响机制。Richards方程以达西定律和质量守恒定律推导，具有坚实的物理理论基础[14]，在土壤水分数值模拟中广泛应用[15-16]。当明确该方程的土壤参数和定解条件后，即可模拟输出土壤含水率（或负压）空间分布，从而计算土体储水量。土壤水分运动在田间尺度上主要是以垂向一维运动为主，而水平方向上的通量较小，许多Richards方程模型均采用了垂向一维假设[17-19]。查元源等[20-21]评价了几种使用广泛的数值求解方法，其中Ross方法[22]对于非饱和节点采用含水率为主变量，在空间上采用有限单元法进行离散，在时间上采用非迭代算法，在模型收敛性、计算效率和计算精度上均具有优势，这为求解Richards方程和分析土体储水规律提供了有效工具。

本文选用压力膜仪试验和饱和入渗试验测试土壤水力特性，分析不同农林模式下的表层土壤水力参数的差异，然后基于一维Richards方程Ross方法数值求解，探讨表层土壤水力参数的差异对土体储水量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于江西省德安县境内的江西水土保持生态科技园（115°42′38″～115°43′06″ E、29°16′37″～29°17′40″N），属于鄱阳湖水系博阳河流域。该科技园处于中国南方红壤的中心分布区域，成土母质以第四纪红黏土为主，地貌为浅丘岗地，海拔30～100 m，坡度5°～25°；属于亚热带季风气候区，土壤干湿交替频繁，年平均降雨量1 469 mm，但年内分布不均，4—8月降雨量占年降雨量的60%以上。多年平均气温16.7 ℃，7月极端气温可达40 ℃，年日照时数为1 650～2 100 h，多年平均无霜期149 d。在野外试验小区附近，设置了自动气象观测站，可提供降水等气象观测数据。

在土壤理化特性较一致、坡度较均一的同一坡地上，布设4个试验小区。根据当地常用的农林复合方式和水土保持实践经验，4个小区分别设置“农-林-草”、“农-林+横坡耕作”、“农-林+顺坡耕作”和“纯林”4种农林复合模式，如表1所示，于2000年开始运行，初步运行结果表明，这4种农林复合模式的水土保持效果由高到低依次为“农-林-草”、“农-林+横坡耕作”、“农-林+顺坡耕作”和“纯林”。

表1 野外试验小区布置

每个小区均为矩形坡面，垂直坡向宽度5 m，沿坡向水平投影长度为20 m，坡度为12°，四周有隔水用的混凝土墙，坡脚出口设置径流池，用于长期定位观测地表径流量和侵蚀泥沙量；成土母质均为第四纪红黏土，地表下深1 m处为基岩底板。每个小区均种植了12棵成年柑橘，沿坡度方向2列（间距2.5 m），垂直坡度方向6行（间距3 m）。

1.2 样品采集与指标测定

由于各试验小区土壤翻耕深度均在0.30 m左右，本文将土壤表层定义在0～0.30 m。于2015年11月进行土壤样品采集。每个小区在坡上、坡中、坡下3个坡位，各坡位随机设置3个土壤采样点，故4个小区共有36个采样点。以土钻在各采样点0～0.30 m深度取新鲜土样，并将同一小区同一坡位的土样混合均匀后，采用4分法保留1 kg左右土样备用。随后，以100 cm3环刀和压力膜仪专用环刀在每个采样点取原状土样。采用烘干法测试土壤容重，采用比重计法测定土壤机械组成，采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质含量，采用中性乙酸铵法测定土壤阳离子交换量。表层土壤的基本理化性质测试结果如表2所示。对于土壤水力参数，采用美国SEC公司生产的压力膜仪测定土壤水分特征曲线（土壤含水率与负压间的关系曲线），采用饱和入渗试验测试饱和水力传导度。

表2 不同农林复合模式下表层土壤基本理化性质

1.3 数据分析方法

1.3.1 土壤水运动数学模型

土壤水运动控制方程由一维Richards方程描述[20]：

对于无积水的坡地，上边界条件可以由变通量边界表示为