草甸草原不同放牧强度草地土壤水分入渗特征

樊才睿，张成福，史小红，孙 标

(1.集宁师范学院，内蒙古 乌兰察布 012000；2.内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010018)

0 引 言

入渗是水循环过程中的一项基本环节，降水到达地表后一部分由土壤中的孔隙入渗到土壤中形成土壤水，另一部分无法入渗的降水在地表形成地上径流。降水入渗是地表径流与地下径流之间相互转化的关键。土壤入渗水分的多少直接影响着土壤中水分及营养物质的二次分配，同时与地表水土流失程度和流域产汇流也具有密切的关系[1]。干旱半干旱地区的草甸草原，降水量少，蒸发量大，植被的生长主要依靠入渗到土壤中的水分，土壤入渗能力的强弱直接影响着草地植被的生长态势。

现阶段，研究者主要通过室内土柱入渗模拟实验和野外双环入渗实验对不同区域的土壤入渗特性进行研究及模拟[2,3]，主要针对不同入渗材料在入渗过程中的差异、不同利用方式和人类活动所导致的土壤入渗过程的变化以及区域范围内土壤入渗特征的空间变异过程进行研究[4-6]。同时部分研究者利用经验及半经验模型对不同入渗条件下的入渗过程进行模拟，从机理层面探讨了土壤机械组成、团聚体和土壤初始含水量与入渗性能的关系[7,8]。目前对于土壤入渗性能的研究大多集中在湿润的南方丘陵农田土壤和西北干旱半干旱地区的黄土土壤[9,10]，对地理过渡性明显、空间异质性较大、生态环境脆弱的草甸草原砂质土壤的入渗性能研究较少[11]。草甸草原土壤水分来源单一，受放牧活动影响较大，放牧活动对土壤入渗性能的影响是草地植被生长的关键。

呼伦贝尔草原是世界著名的草甸草原，水草肥美物产丰富，但长期的人类活动和放牧生产导致草原生态环境发生退化、破碎化，而草地生态恢复的关键是草地土壤的水文特性与放牧活动之间的协调发展。因此，本文以内蒙古自治区呼伦贝尔草原为研究对象，选取重度放牧、中度放牧和不放牧草地3种不同类型的土壤入渗过程进行研究，探讨影响入渗强度的主要影响因素，并利用不同入渗模型对不同放牧强度草地的入渗过程进行拟合评价，为草甸草原土壤沙化治理及草地水土保持能力的恢复提供一个科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古呼伦贝尔市新巴尔虎右旗宝东苏木(N 48°27′54.95″～48°28′33.07″，E 117°11′41.26″～117°16′19.68″)，地处呼伦贝尔草原腹地，距内蒙古最大的湖泊呼伦湖仅30 km，该区域位于内蒙古东北部，属于北温带半干旱大陆性气候区，年均温度-0.6～1.1 ℃，年日照时间为2 694～3 131 h，多年平均降水量240.5～283.6 mm，主要集中在7-9月，占全年降水的60%以上，多年平均蒸发量为1 455.3～1 754.3 mm，年无霜期110～160 d。土质质地主要为砂土及砂壤土，该类土壤结构松散，肥力较低。研究区内主要植物种有：羊草(Leymus chinensis)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、克氏针茅(Stipa krylovii Roshev)、冷蒿(Artemisia frigida)等植被[12]。

1.2 试验方法

1.2.1 样地选择

本研究于2015年7-8月在研究区附近选取重度放牧、中度放牧和不放牧草地进行入渗模拟实验研究。其中重度放牧草地载畜率可达800 羊/km2，中度放牧草地载畜率为500 羊/km2，不放牧草地为当地牧民的封育草地，全年不进行放牧活动，只在秋季时候进行刈割打草[13]。对3种放牧强度草地按照网格布点法每隔500～1 000 m间隔布设网格点，重度放牧草地10个点，中度放牧草地15个点，不放牧草地9个点，进行土壤调查采集。在每个调查点按照土壤农化分析中的采样要求，采用X布点法和三角布点法，设置取样点，每个取样点按10 cm一层分三层采集0～30 cm深的土壤样品及环刀样品，带回实验室测定土壤质地组成、土壤含水量、土壤容重、孔隙度等物理指标。在每种放牧草地选取物理结构及化学性质最具有代表性的3个点进行双环入渗实验，测定土壤的入渗性能。

1.2.2 入渗试验方法

本研究进行的入渗实验采用双环入渗仪，其内外环直径分别为50 cm和80 cm，在实验开始前，首先对3种放牧强度草地进行修整，将土壤上部草本植被全部剪除，并修整至近似平整，然后利用吸能锤将入渗环缓缓打入土层中15 cm深，保持土壤不受破坏，利用马氏瓶向入渗环内注水，保持入渗水头在6 cm恒定高度，并注意内外环内水位平齐，防止内环水分侧渗。实验开始后，按照时间先紧后松原则，分别在0 s、30 s、60 s、120 s、180 s、5 min、7 min、10 min、15 min、25 min、30 min 往后每隔10 min测量一次，直至2 h结束，读取马氏瓶水位刻度，同时测量入渗水温度和盐度等指标。在每种放牧强度草3个入渗测定点均进行3组重复实验，测得该类草地土壤的入渗特征曲线。

1.2.3 数据处理及入渗模型

使用双环入渗仪测定土壤入渗速率的过程中由于无法直接读取透水体积，透水体积是由入渗环面积和单位时间内水面下降高度所决定，因此利用达西公式的变形式计算入渗速率：

式中：K为入渗速率，cm/min；h为t时间内水面下降高度；H为固定水位深度，cm；L为土层厚度，cm；t为时间间隔，min。

3种放牧强度的入渗过程曲线分别采用Horton模型、Philip模型、Kostiakov模型，进行入渗过程曲线的拟合，4种入渗模型具体形式如下：

Horton模型的关系式为：

f(t)=fc+(f0-fc)e-kt

式中：f(t)为入渗速率，mm/min；t为入渗时间，min；f0为初始入渗速率，mm/min；fc为稳定入渗速率，mm/min；k为模型参数。

Philip模型的关系式：

f(t)=S(t)-0.5+A

式中：f(t)为入渗速率，mm/min；t为入渗时间，min；S为土壤吸湿率，mm/min0.5；A为稳定入渗速率，mm/min。

Kostiakov模型的关系式：

f(t)=at-b

式中：f(t)为入渗速率，mm/min；t为入渗时间，min；a,b是由实测数据确定的拟合模型参数。

通用经验模型的关系式：

f(t)=at-n+b

式中：f(t)为入渗速率，mm/min；t为入渗时间，min；a,b,n为由实测数据确定的拟合经验参数。

利用excel2010和SPSS20.0软件对实测数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同放牧强度草地土壤物理特性

不同放牧强度草地的土壤物理性质直接受到自然因素和畜牧因素两方面影响，其中畜牧因素主要通过牲畜在放牧过程中直接对草地土壤的反复踩踏和间接啃食植被，影响植被的生长发育状态来改变土壤的物理结构[11]。通过对3种放牧强度草地的0～30 cm表层土壤的物理性质分析，由表1可以看出，3种放牧草地的土壤质地主要为砂土和壤砂土，且3种放牧草地中均为砂粒含量最多，均达到80%以上。重度放牧、中度放牧和不放牧草地土壤含水量变化范围为8.5%～12.3%，总体显示为随土层深度的增加，土壤含水量逐渐增大的趋势。土壤饱和导水率总体显示为不放牧草地最大，重度放牧草地最小，而在土层垂向上显示0～10 cm深的土壤饱和导水率小于下层土壤饱和导水率。

3种放牧强度草地土壤容重总体变化规律不明显，变化范围在1.43～1.52 g/cm3之间，3种放牧草地土壤容重上下层差异显著(P<0.05)，但各个土层间差异不显著(P>0.05)，不放牧草地土壤容重最小，其次为中度放牧草地，重度放牧草地土壤容重最大。不放牧草地土壤容重值低于其他放牧草地，主要由于不放牧草地中草地植被枯落物较多，在微生物的分解作用下，枯落物转化成腐殖质和有机质，使表层土壤团粒结构增加，土壤变得疏松多孔。

3种放牧草地土壤总孔隙度大小顺序为重度放牧草地<中度放牧草地<不放牧草地。主要是由于3种放牧草地中不放牧草地枯落物分解，与土壤形成团粒结构，改善土壤通气性能及透水性能，而重度放牧及中度放牧草地相对不放牧草地地表枯落植被较少，且随着土层深度的增加，植被的根系穿透能力变弱，植被的根系大多分布在土壤表层，致使表层土壤孔隙度较大而下层土壤孔隙度较低。3种放牧草地的非毛管孔隙度总体显示为重度放牧草地>中度放牧草地>不放牧草地。毛管孔隙度变化趋势与非毛管变化相反。主要由于重度放牧草地地表植被覆盖度较低，在降雨过程中，雨滴直接对地表土壤进行扰动，表层土壤颗粒中的细小颗粒物质黏粒及粉粒随地表径流流失严重，而土壤细小颗粒的流失直接导致毛管孔隙度的降低，非毛管孔隙度增加。

表1 不同放牧强度草地土壤物理性质

2.2 不同放牧强度草地土壤入渗过程

对3种放牧强度草地土壤进行6 cm水头的双环入渗实验，测定不同放牧强度草地的土壤入渗特性，如图1所示，入渗过程开始阶段，水分迅速入渗，土壤水分入渗速率在5 min内急剧下降，随着入渗时间的增加，入渗速率下降趋势减缓，并在23～30 min逐渐趋于稳定。不放牧、中度放牧、重度放牧草地的入渗速率变化规律一致，重度放牧草地与中度放牧草地在相同水头下土壤初始入渗速率不存在显著差异(P>0.05)，但两者与不放牧草地的初始入渗速率差异显著，其中不放牧草地与重度放牧草地达极显著水平(P<0.01)，3种放牧草地间稳定入渗速率差异极显著(P<0.01)。

图1 3种放牧强度草地土壤入渗过程

通过分析对比不同放牧强度草地土壤初始入渗速率和稳定入渗速率，可以看出，3种放牧草地在相同入渗水头下各个入渗时间点的初始入渗速率和稳定入渗速率变化差异显著，3种放牧草地的土壤入渗速率显示为不放牧草地最大，中度放牧草地次之，重度放牧草地最小。不放牧草地的初始入渗速率变化范围在5.35～6.62 mm/min，稳定入渗速率为2.1 mm/min，中度放牧草地的初始入渗速率和稳定入渗速率比不放牧草地偏低，其中初始入渗速率低9.1%，稳定入渗速率低18.8%；重度放牧草地的初始和稳定入渗速率较不放牧草地偏低较多，其中初始入渗速率低17.8%，稳定入渗速率低30.1%。造成该状况的主要原因是重度放牧草地由于常年牲畜踩踏严重，存在较明显的地表结皮现象，且重度放牧草地植被生长状况较差，各项植被生理指标均远低于中度放牧及不放牧草地，土壤入渗速率受结皮现象影响较为明显。而不放牧和中度放牧草地结皮小，所以其初始入渗速率及稳定入渗速率均高于重度放牧草地。徐敬华[18]在黄土高原丘陵地区不同年份的退耕还林地的土壤水分入渗特征进行研究，同样认为地表土壤结皮是影响水分入渗的主要因素，且裸露土地越多，效果越明显。

累积入渗量是某段时间内通过地表单位面积的入渗水分总量，对3种放牧强度的土壤累积入渗量进行分析，由图2可以看出，不放牧、中度放牧、重度放牧草地在相同水头下累积入渗量差异显著(P﹤0.05)，不放牧草地的累积入渗量远高于中度放牧和重度放牧草地，入渗量为248.6 mm，是中度放牧和重度放牧草地的1.18倍和1.37倍。根据3种放牧草地累积入渗状况，可以看出不放牧草地入渗量最大，所以其植被生长状况最优，重度放牧草地入渗量最小，直接导致植被生长受限。因此可以适当的转变放牧方式，改变土壤入渗状况，恢复土壤入渗能力，为更好的保护生态环境在四水转化过程中提供保障。

图2 3种放牧强度草地土壤累积入渗量

2.3 土壤入渗特性的主要影响因素

利用person相关性分析，对土壤的初始入渗速率、稳定入渗速率以及累积入渗量与土壤的各项物理性质进行相关性分析，结果如表2所示。可以看出，土壤的容重、孔隙度、非毛管孔隙度和初始含水量是影响土壤入渗性能好坏的主要因素，而其他的物理性质对土壤的初始入渗速率、稳定入渗速率和累积入渗量的影响较小。在主要影响因素中，起到主导地位的是土壤容重，与3个入渗性能指标呈显著负相关，相关系数达0.8以上，土壤容重是反映土壤压实程度的一项重要指标，容重越大，单位体积内的土壤颗粒越紧密，是影响土壤入渗性能的第一因素。初始含水量与初始入渗速率呈显著负相关，相关系数为-0.69，说明含水量越大初始入渗速率越小，与稳定入渗速率和累积入渗量呈显著正相关。不同地区不同的植被类型及利用方式所导致的土壤入渗性能的影响因素差异较大，部分地区土壤初始含水量对土壤入渗性能影响较小，主要由于该区域含水量相对较高，入渗过程直接进入稳定入渗阶段[3]。孔隙度与非毛管孔隙度也是影响土壤水分入渗的主要因素，与初始入渗速率、稳定入渗速率、累积入渗量均呈显著正相关，相关系数均达到0.72以上。

表2 土壤入渗特征与物理性质相关性

注：*表示相关性达到0.05显著水平，**表示相关性达到极显著水平。

2.4 土壤入渗过程模拟

土壤入渗模型是研究者在根据实验入渗过程的基础上建立的理想状态数学模型，土壤入渗模型可以分为理论入渗模型、经验入渗模型、半经验入渗模型等，其中理论模型有Horton模型、Philip模型、Green-Ampt模型，经验半经验公式主要包括Kostiakov模型、通用经验模型。为了探讨不同模型方程在草甸草原的适用性，在前人的基础上，本文从中选取应用广泛、概念明确的Horton模型、Philip模型、Kostiakov模型和通用经验模型对不同放牧强度草地实测入渗过程进行拟合。模型计算参数结果见表3。

表3 4种入渗模型拟合参数

由表3可以看出，Horton模型参数f0代表初始入渗速率，其变化范围为6.86～7.25，与实测值相比高于实测的初始入渗速率，fc为温度入渗速率，变化范围为1.50～2.08，与实测值的变化规律较一致，k值为土壤特性参数，可以看出，不同放牧草地土壤特性相差较大。Philip模型中的参数A代表稳定入渗速率、S代表初始入渗速率，A值变化范围较小，稳定入渗速率相差不大，S值变化较大，受土壤中初始含水量影响显著，可以看出中度放牧及不放牧草地中含水量较高，蓄水能力较好。Kostiakov模型中参数a代表入渗速率衰减速度的快慢，可以看出3种放牧草地中不放牧草地入渗速率衰减最快，并最先达到稳定，b代表土壤入渗速率随时间变化的趋势，其变化范围为0.12～0.26，变化幅度较小。通用经验模型a表示初始入渗速率，变化范围1.96～2.95，b表示稳定入渗速率，变化范围在0.29～0.91，与实测情况相差较大。4种入渗模型对不同放牧草地入渗过程模拟，由相关系数可以看出，Horton模型相关系数为0.94～0.99，Philip模型为0.92～0.97，Kostiakov模型0.86～0.87，通用经验模型0.89～0.94。4种模型中就相关系数而言，Horton模型相关系数最高，Kostiakov模型和通用经验模型的相关系数较低。

图3 4种模型拟合结果

由图3可以看出，土壤入渗过程实测值与4种模型的计算值进行对比，在重度放牧和不放牧草地中Horton模型对土壤入渗的瞬变阶段模拟效果较好，可以模拟出入渗过程的拐点，但在平稳阶段模拟结果出现偏差，但Philip模型和Kostiakov模型可以较好的模拟平稳入渗阶段，但对于瞬变阶段模拟效果有所欠缺，通用经验模型在瞬变阶段和平稳阶段的模拟结果均与实际差距较大。而在中度放牧草地中Horton模型在瞬变阶段和稳定阶段模拟效果较好，基本与实测值相吻合，Kostiakov模型对于瞬变阶段的模拟出现偏差，与实测值不吻合。对4种模型的模拟误差进行分析，由表4可以看出，在3种放牧强度草地中Horton模型的各项误差均小于其他3种模型，而通用经验模型除最大误差小于Kostiakov模型外，其他误差均大于Kostiakov模型。因此4种模型基本都可以较好的模拟土壤入渗过程，而Horton模型的模拟值与实测值最接近，模拟精度最高。

表4 4种模型模拟误差

3 结论与讨论

3.1 讨 论

土壤入渗过程是地表积水通过土壤孔隙进入土壤内部的一个水分运动过程，在3种放牧强度草地进行土壤水分入渗实验，显示入渗前期，土壤水分初始入渗速率较大，是稳定入渗速率的3.1～3.7倍，各放牧强度草地的入渗差异较为明显。主要由于在重度放牧、中度放牧、不放牧草地的土壤初始含水量相对较低，最高没有超过12.3%，而土壤入渗过程前期主要依靠土壤毛管对水分的吸收性能，即土壤吸湿能力为主要动力，控制土壤的前期入渗过程，土壤的吸湿性能主要取决于土壤含水量的多少，土壤含水量越大，土壤的吸湿性能就越弱[15]。因此3种放牧草地由于土壤前期含水量较低，吸湿性能较强，土壤初始入渗速率较快。在后续的入渗过程中，根据土壤水势变化原则，随着土壤中水分的不断增加，土壤水分吸力开始不断减小，直至将所有毛管孔隙全部填满后，水分吸力降低为零，此时土壤水分的入渗过程只受重力作用影响，即土壤水分入渗速率开始达到稳定状态[16]。所以3种放牧强度草地的土壤初始入渗速率与稳定入渗速率相差较大。

土壤的入渗性能主要是影响土壤中水分含量多少及土壤水分分布的重要因素，也是衡量土壤含蓄水量及水土保持的重要指标。不放牧草地和中度放牧草地的土壤渗透性能和土壤含蓄水量的能力要高于重度放牧草地。主要由于重度放牧草地常年进行超载放牧，大量的牲畜在草地上一遍遍的啃食践踏，导致草地的土壤的容重增加，孔隙度降低，而大量的啃食植被造成植被叶片残缺，降低有效的光合作用，植被生长矮小，且根系不发达，无法改善草地土壤的孔隙及通气性能。不放牧草地和中度放牧草地载畜率有所降低，草地植被生长状况优于重度放牧草地，植被覆盖度较高，且植被枯落物也较多，大量的枯落物形成的腐殖质层可以提供更多的有机质用于改善土壤结构，并且大量的植被具有发达的根系，在根系生长过程中会增加土壤孔隙度，增强土壤含蓄水分的能力，更有利于更多的水分下渗，形成良好的内部循环。该状况与王则宇等人[14]在达茂旗对不同植被群落土壤入渗特性的研究结果一致，均得出，草地植被生长状况越好，土壤入渗性能越强。

土壤入渗性能作为土壤的基本功能之一，受到多种因素影响，不同区域的土壤入渗性能所受的影响因素受到研究区具体情况的限制，很多学者对影响土壤入渗的因素进行了分析，其中张治伟[17]认为影响熔岩坡地土壤水分入渗的主要影响因子有有机质含量、初始含水量、水稳定团粒结构含量。而徐敬华[18]认为黄土丘陵区耕地土壤入渗速率取决于土壤有机质含量和孔隙度而与初始含水量的无关，不同的研究者对各个地区土壤入渗因素的研究各有不同，与各个地区土壤利用类型和植被生长方式密切相关。本研究区处于呼伦贝尔草原腹地，实验期间草地长期干旱少雨，因此草地土壤的含水量相对较低，所以土壤初始含水量是作为影响土壤入渗的主要因素，该结果与张治伟的研究结果相同，与徐敬华的略有差异，主要由于徐敬华在黄土丘陵区退耕地的土壤入渗实验中，表层土壤存在较严重且致密的地表土壤结皮，且土壤主要为粉粒含量较高的黄土，土壤中的孔隙相对较小，因此，虽然两地土壤含水量相差不大，但是受地表结皮和土壤孔隙大小的影响，产生的结果相差较大。

3.2 结 论

(1)3种放牧强度草地土壤入渗过程可以分为3个阶段，0～5 min内的入渗速率快速下降阶段，5～23 min内的入渗速率减缓阶段，30 min以后的入渗稳定阶段。3种放牧强度草地土壤入渗速率差异显著，不放牧草地>中度放牧草地>重度放牧草地，不放牧草地入渗性能最好，具有较好的含蓄水分的能力，重度放牧草地入渗性能最差，需适当减轻载畜率，以保持水土。

(2)土壤初始含水量、土壤容重、土壤总孔隙度和非毛管孔隙度是影响3种放牧强度草地入渗性能的主要因素，相关性均达到显著相关，随着放牧强度的增加，草地植被减少，土壤物理结构变化显著，土壤的孔隙度降低，土壤入渗性能变差。

(3)利用Horton模型、Philip模型、Kostiakov模型和通用经验模型模拟不同放牧强度草地土壤入渗过程，结果显示，Horton模型对3种放牧强度草地土壤入渗速率的模拟效果最好，通用经验模型模拟效果最差。