喀斯特山地不同混农林模式的土壤入渗特征及模拟

何方燕 熊康宁 朱大运 张仕豪 张紧紧 伏园园

摘要：[目的]明确喀斯特山地混农林模式的土壤入渗特征及混农林业对土壤入渗的影响。[方法]通过田间试驗，以单作经济林模式为对照，对林药、林粮、林草模式的入渗特征及其影响因子进行分析，并用4种常用的入渗模型对其过程进行拟合。[结果]①3种混农林模式的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率及入渗总量总体优于对照，并随土层的增加而降低;依据入渗过程曲线，将入渗过程按入渗历时（t）分为3个阶段：迅速降低阶段（t≤10min）、缓慢降低阶段（10min40mim）。②从各模式综合得分来看，林药模式（0.405）得分最高，入渗能力最好，其次是林草模式（0.357），林粮模式（0.209）

尽管优于对照（0.175），但与对照差异较小，表明林药模式与林草模式的保水固土效应比林粮模式更佳。③土壤入渗性能与理化性质的相关性分析显示：土壤容重、总孔隙度、非毛管孔隙度分别与入渗性能呈极显著负相关（P<0.01）、极显著正相关（P<0.01）、显著正相关（P<0.05），是影响土壤入渗性能的主导因子。④从R²的均值来看，Phillp模型（0.783）、Kostiakov模型（0.942）对各模式的拟合效果较差，而Horton模型（0.977）与通用经验模型（0.976）拟合效果较好。[结论]各混农林模式通过影响土壤孔隙度及容重改善土壤入渗，但改善效果有差异，其中林药模式对土壤入渗的影响最大，入渗能力最强，林草模式次之，其入渗过程可用Horton模型及通用经验模型进行描述。

关键词：混农林;入渗;模拟;土壤水分;喀斯特

中图分类号：S152.7+2;S 156.92文献标志码：A 文章编号：1008-0384（2020）02-0200-10

0 引言

（研究意义）土壤入渗作为水文循环过程中实现土壤水分运移、转化的重要环节，是雨水资源向地下水转化的必然过程。土壤入渗性能是影响土壤侵蚀的重要因子，对地表径流的调节与转换起着决定作用，反映了土壤涵养水源和抗侵蚀的能力。增强表层土壤的入渗能力有利于调控径流，防止土壤侵蚀。喀斯特山区地表破碎，成土速度缓慢，生态系统脆弱且敏感;坡度较峭，可形成强大的侵蚀动力，传统的耕作方式尤其不合理的人类活动，易导致水土及养分流失。水土流失最直接的后果是造成土地资源丧失而形成石漠化。因此，在土层浅薄、蓄水能力差且具有较多农业活动的喀斯特山地研究不同混农林模式对土壤入渗的影响，将有助于筛选出水土保持效果显著的生态种植模式。（前人研究进展）近年来，山地混农林业在水土保持研究中受到较多关注，喀斯特地区巨大的发展潜力也得到学者的肯定。有学者对喀斯特地区混农林业的入渗特征及其影响因素进行了研究，表明混农林业对土壤入渗具有显著的影响，如秦华军等发现林草模式能显著提高土壤渗透能力;李天阳等对4种林粮模式的土壤入渗研究表明，在血橙林地间作农作物可显著改善血橙纯林地的土壤入渗性能。（本研究切入点）喀斯特地区人口多，可利用的耕地少，农业经济相对落后，混农林业在该区地位举足轻重，然而目前混农林业在土壤入渗方面的研究多数集中于单一类型的对比分析，缺乏不同类型山地混农林模式之间入渗性能的综合比较及入渗模型的适应性评价。（拟解决的关键问题）本文以林药、林粮及林草等3种类型的混农林模式为研究对象，阐明喀斯特山地不同混农林模式对土壤入渗特征的影响，通过入渗性能与模型评价，探究适合于喀斯特山地的混农林模式及入渗模型，为喀斯特山地混农林产业模式的选择及入渗模型的选取提供理论依据。

1 材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于贵州省黔东南苗族侗族自治州施秉县牛大场镇石桥村（27°13'N，108°1'37”E），地貌类型属于典型的喀斯特峰丛洼地。研究区年平均气温15℃，全年无霜期270d左右，年平均降雨量l060mm，属于亚热带季风性湿润气候。该区土壤以黄壤、红壤或黑色石灰土为主，呈弱碱性，适宜药材植物太子参的生长。

研究区坡地上部为灌木林地，主要为矮生灌木，植被覆盖度为80%左右，岩石裸露较多，土层较为浅薄;下部为坡改梯旱地，主要种植太子参和玉米，零星出现桂花树间作太子参的间作模式，土壤较为肥沃;中部主要为林下种植太子参的坡耕地，岩石裸露率为40%左右，属于潜在石漠化。近年来，林下种植在该地区得到较快的发展，山地混农林模式初具雏形。

1.2 试验方法

在研究区，建立4个5m×12m规格的径流池，分别设置林药模式、林粮模式、林草模式3个混农林模式和1个对照样地，经济林为当地大规模推广的梨树（Pyrus bretschneideri），按株行距1.9m×1.2m的规格种植，并在其行间进行林下种植。林药模式、林粮模式和林草模式分别为梨+太子参（Pseudostellaria>heterophyllaa）、梨+大豆（Glycinemax）、梨+黑麦草（Lolium perenne），对照样地为梨树单作。近年来，梨树在研究区得到规模化种植示范，因而在梨树经济林下进行混农林复合试验具备典型性。不同山地混农林种植模式的基本概况如表1所示。

为了保证采样点的代表性，2019年7月下旬，在各个模式的样地分别随机选取采样点3个，依据径流池的土层深度，各个样点挖出45cm深的土壤剖面，利用环刀在各采样点按0～15cm、15～30cm及30～45cm的土层深度采集原状土，每层取6个环刀，带回实验室测定土壤容重及土壤毛管孔隙度，并通过计算得出毛管孔隙度、非毛管孔隙度。土壤样品采集使用高5.1cm、容积为100cm³的环刀。

土壤渗透性能利用环刀法测定，参照森林土壤渗透性的测定（GB7838-1987）。初始入渗率采用土壤水分入渗前3min的速率来表示，稳定入渗率采用单位时间内土壤水分入渗量趋于稳定时的速率来表示，平均入渗率为达到稳定时的入渗总量与达到稳定时的时间的比值。因所有土样在60min内达到稳定，为了便于比较，渗透总量统一采用前60min的单位面积渗出水总量（mm）来表示，入渗系数为单位时间内土壤水分入渗量趋于稳定时的系数K_it，人渗性能评价选取4个指标，分别为初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率及入渗总量。

1.3土壤入渗过程模拟

土壤入渗模型可以对入渗速率与入渗历时的关系进行模拟。本研究選择理论模型（Philip模型）与经验性模型（kostiakov模型、Horton模型及通用经验模型）对土壤入渗过程进行模拟，将模拟所得经验参数带人模型，分别计算各模式各土层的入渗速度。4种常用的入渗模型如下：

1.4 数据处理

数据采用Excel 2019进行数据的基础整理与分析，Origin 2018进行作图分析，SPSS 25.0进行方差分析、主成分分析、相关性分析及非线性模型拟合。

2 结果与分析

2.1 山地混农林模式下的土壤入渗特征

喀斯特山地不同混农林模式的入渗特征差异如图1所示。方差分析显示，初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和入渗总量除林粮模式的0-15cm层土壤与对照无显著差异外，其余各模式各土层与对照均存在显著差异（P<0.05），且除0-15cm层林粮模式的稳定入渗率低于对照，混农林模式其余各层的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率及人渗总量均高于对照，表明林下间作可促进经济林地土壤入渗。

在3种混农林模式中，初始入渗率在0-15cm及15-35cm两层均表现为：林药>林草>林粮，30-45cm表现为：林草>林粮>林药，3个土层初始入渗率的均值表现为：林药>林草>林粮，依次是对照的3.02、2.73、1.08倍。稳定入渗率在0-15cm表现为：林药>林草>林粮，在15～35cm表现为：林药>林粮>林草，30～45cm表现为：林草>林粮>林药，3个土层稳定入渗率的均值表现为：林药>林草>林粮，依次是对照的2.92、2.49、1.05倍。平均入渗率0～15cm表现为：林药>林草>林粮，在15～35cm表现为：林药>林粮>林草，30～45cm表现为：林草>林粮>林药，3个土层平均入渗率的均值表现为：林药>林草>林粮，依次是对照的3.08、2.61、1.07倍。入渗总量在0～15cm表现为：林药>林草>林粮，在15～35cm表现为：林药>林粮>林草，30～45cm表现为：林草>林粮>林药，3个土层入渗总量的均值表现为：林药>林草>林粮，分别是对照的3.08、2.60、1.07倍。可见，各模式的土壤入渗能力存在一定的差异，但均高于对照，表明林下种植具有改善经济林地土壤入渗性能的作用，但改善程度因经济林下间作植被的不同而存在差异。

从图1来看，除林草模式中15～30cm与30～45cm的初始入渗率无显著差异外，其余土层在同一模式内的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和人渗总量均存在显著差异。通过各模式的土壤入渗过程曲线（图2）可看出，无论是对照样地还是混农林地，土壤入渗性能均随着土层深度的增加而依次降低，其中，0～15cm土层至15～30cm土层的下降幅度最为剧烈，呈现明显的“空窗”：表明入渗性能与土层深度呈反比。依据入渗过程曲线，可将土壤入渗过程按入渗历时（t）分为3个阶段：迅速降低阶段（t≤10min）、缓慢降低阶段（10min40mim）。前10min人渗速率的降低过程为迅速降低阶段，此阶段为入渗初期，入渗速率迅速降低;入渗历时在10～40min为缓慢降低阶段，此阶段入渗速率下降幅度较小，具有缓慢降低的特征;入渗历时大于40min为趋于稳定阶段，此时的入渗速率下降幅度极小，并逐渐趋于稳定。

2.2 不同混农林模式的入渗性能

为了进行不同混农林模式土壤水分入渗性能的综合评价，本文选取初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率及入渗总量4个指标（表2）进行主成分分析。结果发现，第1个主成分的方差累计贡献率高达99.245%，信息损失量极小，几乎解释了整个总方差。从第1个主成分的负荷量来看，所有变量的正荷载差异均在0.008以内，但以平均入渗率最高（0.999），说明平均入渗率可较好表征土壤的渗透性能。土壤入渗性能的主成分方程为：0.25β₁+0.25β₂+0.252β₃+0.251β₄（β₁为各指标的极差法标准化数据），根据方程计算不同模式不同土层土壤入渗性能得分，并进行排名。

从表3可以看出，无论混农林地还是对照样地的土壤入渗性能均随着土层深度的增加而降低，各个土层在排名上存在细微差别，在0～15cm和15～30cm土层，3种混农林模式中林药模式的入渗性能最佳，在30～45cm土层，3种混农林模式中林草模式的入渗性能最好，林药模式最差，这可能与太子参根部较短，对30～45cm土层入渗的影响不显著有关。从各模式综合得分来看，林药模式3个土层的综合得分最高，土壤入渗能力最佳，林草模式次之，而林粮模式的综合得分尽管高于对照，但与对照差异较小，表明林药模式及林草模式的保水固土效应优于林粮模式。

2.3 土壤入渗与主要影响因子的关系

土壤作为一种多孔介质，其水分入渗状况必然会受到土壤结构、有机质等的影响。表4为土壤入渗特征与其影响因子的相关性分析。结果表明，不同混农林模式的土壤入渗性能与土层深度、毛管孔隙度、土壤容重、粉粒含量、黏粒含量呈负相关，其中与土层深度、土壤容重达到极显著水平（P<0.01），表明土壤入渗性能随土壤深度增加而减弱，土壤容重越大，入渗性能越小。此外，土壤入渗性能与总孔隙度、非毛管孔隙度、有机质、砂粒含量呈正相关，其中分别与总孔隙度（P<0.01）、非毛管孔隙度（P<0.05）达到极显著、显著水平，而与毛管孔隙、砂粒、粉粒、黏粒、有机质含量的相关性未达到显著水平（P>0.05）。总的来看，混农林模式的入渗性能比单作经济林模式好，且总孔隙度及土壤容重为主要驱动因素，表明林下种植模式主要是通过改善土壤孔隙度、降低土壤容重来提高土壤水分的入渗性能。

2.4土壤入渗的模型拟合

利用Kostiakov、Phillp、Horton及通用经验模型对土壤入渗的实测數据进行拟合，得到不同模型的拟合精度和参数估计值（表5）。

在Kostiakov入渗模型中，β为入渗经验参数，即第一个单位时段内的平均入渗速率;α值大小可指示入渗速率随时间的减小程度，α值越大，表明入渗速率随时间减小的程度越快。由表5可知，Kostiakov方程的拟合参数β值介于0.07～18.118，其中林药模式在0～15cm土层的β值最大，对照样地30～45cm土层的β值最小，这与林药模式在0～15cm土层的初始入渗率最大，而对照样地30～45cm土层的初始入渗率最小的规律相一致。α值在林药模式的15～30cm土层最小，说明其土壤入渗率随时间递减较慢。

Phillp方程中A为稳定入渗速率，S为吸渗率，在一定程度上可反映初始入渗率的大小，将各模式A值带人即可求得s.S值在0.079～22.111，最小出现在对照样地的30～45cm土层，这与其实测初始人渗率最小的结果相一致（图1）。

通用经验公式中，a值实质上相当于稳定入渗速率。在Horton入渗方程中，稳定入渗率的实测值代人，拟合得到的初始入渗率与实测初始入渗率吻合较好（图3），各模式各土层的模拟值与实测值仅相差0.003～0.698mm·min^-1。

不同模型对土壤入渗过程的拟合优度可用方程的决定系数R²来表达，即R²越大拟合越佳。从4种模型来看，不同的模型对于不同混农林模式入渗过程的模拟精度存在一定的差异，可以看出，Phillp模型的拟合优度在0.723～0.823，平均值为0.783，Kostiakov模型的拟合优度在0.904～0.953，平均值为0.962，Horton模型的拟合优度在0.947～0.986，平均值为0.977，通用经验模型的拟合优度在0.952～0.989，平均值为0.976.从R²均值来看，模型拟合程度排序大致为Horton模型（0.977）>通用经验模型（0.976）>Kostiakov模型（0.942）>Philip模型（0.783），Horton模型及通用经验模型的模拟效果较好，适合于描述本研究不同混农林模式的土壤人渗特征。

4种模型的拟合效果在各个土层不存在显著差异，因而入渗模拟值与实测值的拟合对比以表层（0-15cm）为例，可以看出（图3），入渗初期的入渗速率变化较为剧烈，接着变化速度逐步放缓直至趋于稳定。Horton及通用经验模型在各模式入渗过程的初期、中期及后期模拟效果均十分优异，而Philip模型的拟合效果在后期与实测值差异较大，对各模式入渗过程的模拟效果较差。

3 讨论

本研究发现，山地混农林模式可促进土壤水的渗入。主要原因可能与混农林对土壤结构及孔隙状况的影响有关。一方面，土壤动物具有较强的活动力，在土壤中挖掘、筑穴、排便等活动，可改变土壤的孔隙度及容重，进而影响土壤的渗透性。混农林系统可促进种植的多样化，为土壤动物提供适宜的生存及活动环境，从而增加土壤动物的丰富度;另一方面，林下种植使地表拥有相对密集的植物覆盖，其根系的生长、穿插、交织及剪切作用会形成纵向或者横向的植物根孔，从而增加土壤渗透性。此外，植物根系对水力学特性有一定的影响，主要通过串联、固结土壤颗粒、增强土壤的抗蚀能力及土壤结构的稳定性，促进土壤渗透性，这是林下种植模式的土壤入渗性能优于单作经济林地的原因。

不同混农林模式对土壤的影响亦存在差异。研究表明，在山地混农林模式中林药模式的综合入渗率最高，其次是林草模式，尽管林粮模式综合得分优于对照，但与对照差异较小。造成这种差异的主要原因可能与林下植被层有关，林药模式、林草模式使地表拥有相对密集的植被覆盖，增大了地表的粗糙度和雨水在地表流动的摩擦力，林下植物层通过影响地表粗糙率来避免降雨对土壤的直接击溅，可提高土壤的抗蚀性，起到保护土壤结构完整性的作用。而植被覆盖相对稀疏的单作经济林模式及林粮模式，缺乏相对密集的植物层对雨水再分配的调控，表层土壤易受降雨的直接溅击，造成土壤的结皮，从而影响土壤的入渗。尽管林粮模式综合入渗性能相对较差，但仍然高于对照，说明林下种植是控制土壤侵蚀一种有效种植方式，在一定程度上能有效减轻经济林地土壤侵蚀发生的风险。

从入渗过程来看，各模式0-15cm土层至15-30cm土层入渗速率的下降幅度最为剧烈，呈现明显的“空窗”效应，造成这种现象的原因可能与喀斯特地区存在入渗隔层有关。喀斯特地区土层浅薄，成土速度慢，土体结构表现为腐殖质层一母质层，缺乏淀积层的调节，土壤直接与母岩接触，易出现明显的沙化现象，较细的土壤颗粒遇到降雨易形成垂直迁移、富集，从而形成一定的黏土夹层，导致夹层上下的入渗速度呈现较大的差异。

入渗过程实质是水分在土壤孔隙通道中流动的过程，土壤容重越大，孔隙度越小，入渗能力越低。本研究显示，土壤总孔隙度、土壤容重、非毛管孔隙度是影响混农林模式土壤入渗性能优于对照的主要驱动因子，这与秦华军等对林下种植模式的研究一致。有机质作为影响因子，主要通过促进团聚体的形成及改善土壤孔隙度间接影响土壤入渗。本研究表明入渗性能与有机质含量相关性不显著，原因可能与混农林种植年限较短，有机质的累积量差异较小有关。

本研究利用4种常见的模型对山地混农林模式的拟合发现，Horton模型及通用经验模型的拟合效果优于Kostiakov模型与Phillp模型，这与刘目兴等、Almeida等的研究结果相似。Phillp模型的假设是均质土壤，初始含水量分布均匀，且供水充足，在喀斯特地区应用的局限性在于未能考虑土壤水分及土壤环境的时空异质性，因而在长时间入渗的情况下与实测值偏差较大。Kostiakov假设起始时的入渗速率是无穷大的，入渗速率将随时间的增大而趋近于0，该模型可有效地描述入渗初始阶段的变化情况，而不适用于长时间的入渗变化描述。而在本研究中，由于入渗受垂直重力势的作用，入渗速率随着时间的增加逐渐降低并趋于稳定，Horton模型及通用经验模型由于增加了常数项，反映了无限时长在重力作用下达到稳定，更符合土壤水动力学的规律，因而在水分入渗过程的中后期[缓慢降低阶段（10min40mim）]拟合效果更为优秀。Horton模型与通用经验模型的适用性较好，适合于描述喀斯特地区山地混农林业的土壤入渗规律。

4 结论

（1）林药、林粮、林草3种模式均可改善土壤入渗，但改善程度存在差异。土壤的入渗性能均随土层深度的增加而降低，表明入渗性能与土层深度呈反比。

（2）通过主成分分析，得到了计算土壤入渗性能的综合参数（0.25β₁+0.25β₂+0.252β₃+0.251β₄）。从各模式综合得分来看，林药模式综合得分最高，土壤入渗能力最强，其次为林草模式。尽管林粮模式优于对照，但与对照差异较小，表明林药模式与林草模式可产生比林粮模式更佳的保水固土效益。

（3）入渗性能与土层深度、土壤容重呈极显著负相关（P<0.01），与总孔隙度、非毛管孔隙度的相关性分别达到了极显著（P<0.01）、显著（P<0.05）水平，而与砂粒、粉粒、黏粒、有机质含量的相关性不显著（戶>0.05）。表明林下种植模式主要是通过改善土壤孔隙度、降低土壤容重来提高土壤水分的入渗性能。

（4）从R²均值来看，Horton模型及通用经验模型适合于描述本研究不同混农林模式的土壤入渗特征。