砒砂岩区不同土地利用类型土壤入渗性能及其影响因素研究

杨振奇，秦富仓*，李旻宇，李龙，钱秋颖，李艳

1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区林业监测规划院，内蒙古 呼和浩特 010020

水分在土壤中的入渗过程是自然界水循环的关键环节，也是水分转化为土壤系统中动植物可吸收利用形式的主要过程。土壤的入渗性能是土壤的基础属性之一，关于土壤入渗规律的研究成果十分丰富，有诸如Horton模型、Philip模型和Green-Ampt模型等众多经典的理论（雷廷武等，2017），但土壤入渗模型的研究、环境因素对土壤入渗的影响机制、及其在生产实践中的转化应用等问题，依然是当今国内外土壤科学研究的热点（Zaibon et al.，2017；Esen et al.，2013；Fatehnia et al.，2016；Thierfelder et al.，2009）。相关研究表明，土壤的入渗过程受多种因素综合影响作用（Boulal et al.，2011；Suat et al.，2018），使用单因素无法全面的描述土壤入渗过程。数量生态学中约束性排序方法常用于分析特定环境梯度影响下因变量的响应规律，在土壤学研究中的应用相对较少（郭欣欣等，2018；杨振奇等，2019），可以尝试将约束性排序方法应用于土壤入渗过程的研究中，以期为土壤入渗机制和产汇流模型的研究提供理论基础。

砒砂岩区是黄土高原上侵蚀最剧烈的区域，同时也是黄河中游段粗泥沙的集中来源区。砒砂岩成岩程度低，矿物颗粒间胶结结构差，在风水复合作用下极易溃散侵蚀，治理难度极大（李长明等，2018）。该区自上世纪80年代大面积营造人工林，如今生态环境得到明显改善，但仍面临造林成活率低和林地生态系统退化的严峻问题。开展砒砂岩区不同土地利用类型土壤入渗过程及影响机制研究，对于科学指导植被建设，促进黄河流域生态文明建设有重要现实意义。目前，国内关于土壤入渗规律的研究成果较为丰富，研究区域多集中于黄土区、紫色土区和沙地等区域（李建兴等，2013；刘凯等，2013）。然而，针对砒砂岩区的研究相对较少，特别是土壤因素对入渗过程的影响机制尚不明确。基于以上背景，本研究选取砒砂岩区不同土地利用类型下土壤为研究对象，应用约束性排序的理论方法，研究砒砂岩区土壤入渗过程及其影响机制，以期为砒砂岩区的水文过程模拟和土壤侵蚀预测提供数据支撑，对于促进该区生态修复工作向理想方向发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯市准格尔旗西部暖水乡内的鲍家沟流域，地理坐标为 110°31′—110°35′E，39°46′—39°48′N，海拔在 1110—1300 m 之间；流域地形北高南低；属温带大陆性气候，冬季漫长干燥，夏季短暂温热，年均气温7.2 ℃，年降雨量400 mm；土壤类型以栗钙土为主。该流域自20世纪90年代末实施生态移民搬迁政策，隔绝人类开发建设项目干扰，仅保留少量有灌溉条件的耕地，作为水土保持示范田（无施肥施药）。该区土地利用类型以林地和草地为主，主要植物种有：油松（Pinus tabuliformis）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、羊草（Leymus chinensis）、猪毛菜（Salsola nitraria）、阿尔泰狗娃花（Heteropappus altaicus）等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与试验方法

2018年7月在试验区内依据土地利用类型的不同，选取了最为常见的林地、水浇地、草地和裸地为研究对象每种土地利用类型下选取地形条件一致且地势平坦的地段设置试验点 3个，共设置 12个试验点，每个试验点设计重复试验3次，样地信息见表1。用环刀和铝盒采集0—20 cm土样，每一试验点随机采集5份土样，土壤样品带回室内风干、处理以供分析测定。

表1 样地基本情况Table 1 Basic situation of sample plot

入渗试验采用双环入渗法（张建军等，2013），环高30 cm，厚2 mm，外环直径为20 cm，内环直径为10 cm。测定前清理地表植被和枯落物后，将双环匀速压入土壤中，采用马氏瓶供水，保证内外环水位齐平，测定开始后，记录下降1 cm水量所需要的时间，直至连续5次以上所用时间相同，可以认为土壤已经达到稳渗，稳定入渗速率则为土壤达到稳定入渗后，连续5个时段内的土壤入渗速率的均值。

土壤有机质的测定采用 K2CrO7外加热法，土壤含水量的测定采用烘干法，土壤容重和孔隙度的测定采用环刀法，＞0.25 mm团聚体含量测定采用湿筛法，土壤颗粒平均粒径测定采用马尔文 3000激光粒度测定仪。

土壤颗粒d0的平均粒径计算公式如下：

式中，φ16、φ50、φ84分别为累积频率分别为 16%、50%和84%时所对应的颗粒直径。

1.2.2 入渗模型

本研究的入渗模型采用 Kostiakov模型、通用经验模型、Philip模型和Horton模型。

（1）Kostiakov模型

式中：f(t)为入渗速率（mm·min-1），t为入渗时间（min），a、b为拟合参数。

（2）通用经验模型

式中：f(t)为入渗速率（mm·min-1），t为入渗时间（min），a1、b1、k为拟合参数。

（3）Philip模型

式中：f(t)为入渗速率（mm·min-1），t为入渗时间（min），S为土壤吸渗率、A为稳渗率。

（4）Horton模型

式中：f(t)为入渗速率，f0为初渗率，fc为稳渗率，t为入渗时间（min），n为拟合参数。

1.2.3 数据处理

土壤因子与入渗速率与土壤因子的关系研究采用Canoco 4.5软件进行分析，入渗模型拟合、单因素方差分析和LSD多重比较运用SPSS 19.0完成，数据可视化在Orgin 2018下完成。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型土壤理化性质

土壤作为一种多元结构的复杂介质，其理化性质对水分的入渗过程至关重要。由表2可知，研究区水浇地土壤颗粒最细，其平均粒径为155.97 μm，其次为林地和草地平均粒径分别为 167.57 μm 和231.20 μm，裸地土壤颗粒最粗，平均粒径为380.63 μm；从土壤的紧实程度来看，不同土地利用类型土壤容重在1.34—1.52 g·cm-3之间，水浇地土壤容重最低为1.34 g·cm-3，孔隙度最高为47.67%，其土壤相对较为疏松，而草地和裸地的土壤相对紧实且通气性差；从土壤的自然含水率来看，林地土壤含水率为22.33%，显著高于其他土地利用类型，裸地的含水率显著低于其他土地利用类型，水浇地与草地的含水率差异不显著；不同土地利用类型土壤中大于0.25 mm的团聚体含量差异显著，呈水浇地＞林地＞草地＞裸地的规律；土壤有机质含量则表现为裸地显著低于其他土地利用类型。整体来看，林地和水浇地相比其他土地利用类型土壤较为疏松且肥沃，利于水分的入渗和保持。

表2 不同土地利用类型土壤理化性质Table 2 Soil physical and chemical properties of different land use types

2.2 不同土地利用类型土壤入渗过程及模型

图1 不同土地利用类型土壤入渗特征Fig.1 Soil infiltration characteristics of different land use types

图 1a为不同土地利用类型土壤的入渗过程，可以看出几种土地利用类型土壤入渗速率随时间变化的曲线形态相似，均表现为入渗初期的2 min以内入渗速率最快，随着时间延长，入渗速率呈波动性的下降趋势。当入渗持续时间约达到40 min以上后，土壤水分环境逐渐饱和，入渗速率下降速率变缓，最终维持在稳定的入渗速率状态下。由图1b可知，林地的初始入渗速率为14.96 mm·min-1，显著高于其他土地利用类型，其入渗速率下降幅度最为剧烈，其余依次为水浇地、草地和裸地；土壤稳渗速率呈水浇地＞林地＞草地＞裸地的趋势。裸地的入渗速率普遍低于其他地类，可能与基岩出露现象有关。

专家学者们对于经典的土壤入渗模型在砒砂岩区的适用性尚无统一的结论，故此本研究选取常用的4种模型对其在砒砂岩区的适用性进行评价。由表3可知，4种模型的决定系数均在0.900以上，拟合效果良好。Kostiakov模型中的a被称作经验入渗系数，不具备特定的物理意义，其值与初渗速率成正比，拟合a值与实测的初渗速率的差异规律一致，模型中的b值为经验入渗指数，亦不具备特定的物理意义；通用经验模型中，a1和b1分别与初渗速率和稳渗速率呈正比，拟合a1值与b1值与实测规律不符；Philip模型中S为土壤的吸湿速率，A值为稳定入渗速率，其值范围为 0.119—1.829，与实测值相差较大；Horton模型f0和fc分别代表了初渗速率和稳渗速率，拟合的f0值范围为 0.700—22.53，与实测值接近，拟合fc值范围为 2.420—5.057，与裸地的实测值存在较大出入。综上，虽然4个模型对土壤入渗过程均可实现良好拟合，但从拟合的初渗速率和稳渗速率值与实测值的一致程度来看，Kostiakov模型和Horton模型模拟效果相对较好，然而Horton模型拟合的裸地土壤入渗过程与实测值存在较大误差，这可能与裸地存在砒砂岩出露的实际情况有关，因此Kostiakov模型更适用于砒砂岩区不同土地利用类型土壤入渗规律的模拟。

表3 土壤入渗模型拟合结果Table3 Results of soil infiltration model fitting

2.3 土壤因素对入渗过程的影响

水分的入渗过程主要受温度、气压、土壤和人类活动的影响较大，研究流域实施移民搬迁后，排除大面积的人类开发建设项目干扰，不考虑温度和气压差异的前提下，土壤本身的因素对入渗过程的影响就显得尤为突出。本文选取土壤容重、孔隙度、土壤含水率、平均粒径、＞0.25 mm团聚体含量和有机质含量6个土壤因素，通过约束性排序的方法分析其对入渗过程的影响。

表4为初渗速率、稳渗速率与土壤因子的冗余分析结果，典范轴梯度最大值分别为0.16和0.100，适宜采用冗余分析方法。第一轴和所有轴的蒙特卡罗置换检验结果P值均小于0.05，说明冗余分析的结果可信（α=0.05水平）。初渗和稳渗速率的两组排序中，第一轴特征值分别为 0.87、0.95，前两个排序轴所形成的排序关系可以充分反映土壤因子对入渗速率的影响作用。根据初渗（稳渗）速率与土壤因子排序轴的相关度，可以将第一排序轴可以定义为容重轴。将第二排序轴定义为粒径轴。同理，稳渗速率排序模型中第一排序轴定义为有机质轴，第二轴定义为容重轴。

为了进一步分析单个因子的解释能力，以单个因子作为主变量，其余因子作为协变量，进行偏冗余分析。由图 2a可以看出各土壤因子容重对初渗速率的解释能力最强，有机质含量对稳渗速率的解释能力最强。

图3为不同土地利用类型土壤初渗（稳渗）速率与土壤因子的排序关系图，土壤因子箭头的长度反映了土壤因子对响应变量的解释量，样地间距离和分散程度反映了各样地土壤入渗性能的相近关系。由图3a可以看出，相同土地利用类型土壤初渗速率和稳渗速率相接近，裸地土壤的初渗速率和稳渗速率与其他土地利用类型土壤存在明显的差异。林地样地的沿第一轴排列，说明土壤容重对初渗速率变化存在较大的影响作用，平均粒径和团聚体含量等因素的交互作用对其影响相对较小。草地和裸地样地沿第二轴排列，说明平均粒径、团聚体含量、有机质含量等土壤含水率因素的交互作用对其初渗速率影响较大，土壤容重的影响相对较小。水浇地则分布在原点范围，说明其土壤初渗速率受多个土壤因素综合影响。由图3b可以看出，林地、裸地、草地样地主要沿第二轴分布，容重对其土壤稳渗速率的限制性作用较强，土壤有机质含量等因素的交互作用对其影响较弱，而水浇地样地沿第一轴分布，其土壤稳渗速率受有机质含量的影响较大。

表4 入渗速率与土壤因子冗余分析结果Table 4 Results of RDA of SOM and SOIL factors

图2 单个土壤因子的解释量Fig.2 The explain content of individual soil factors

图3 土壤因子与初渗（稳渗）速率的冗余分析排序Fig.3 RDA ordination of soil factors and initial (steady) infiltration rate

3 讨论

水分在土壤中的入渗过程，是水分在土壤介质中通过不断的填充和移动最终达到动态平衡的过程。大量研究证实，土壤的物理性质是影响土壤入渗过程的重要因素（谭学进等，2019；Omulabi et al.，2013）。本研究以砒砂岩区土壤为研究对象，该区裸地附近常伴随着基岩的出露，且基岩矿物成分中的蒙脱石吸水极易膨胀堵塞孔隙，不利于水分的入渗过程（刘慧等，2016；李长明等，2016）。本研究证实，无植裸地土壤容重为1.52 g·cm-3，有机质含量仅为3.65 g·kg-1，土壤紧实且缺乏团粒结构，通气透水性能差，因而裸地土壤不利于水分的入渗。而林地和草地因为植被生长过程中对土壤的改良和覆盖作用，水浇地土壤则是由于人为的田间管理作用，使其土壤长期保持相对松散和肥沃的状态，利于水分的入渗和保持。本研究的前期研究也证实了，林地土壤在持水能力等方面均明显优于草地（杨振奇等，2017）。

土壤入渗过程可以通过对入渗速率与入渗时间建立数学关系来进行模拟。吴思萱等（2019）和陈文媛等（2017）对黄土区不同土地利用类型土壤入渗模型的研究表明，通用经验模型和Philip模型的拟合效果良好。马文梅等（2018）的研究表明，Kostiakov模型更适宜于砒砂岩区原状和扰动土壤入渗过程的模拟。本研究选取了常用的4种数学模型对砒砂岩区不同土地利用类型土壤的入渗过程进行模拟，4种模型的决定系数均达到了0.9以上。从数学角度来看，4种模型均可以表达入渗速率与入渗时间的关系，但从实测吻合程度来看，通用经验模型、Philip模型和Horton模型与实测值均存在差异，特别是对裸地的模拟误差较大。部分研究认为，Kostiakov模型中，t无穷大时，f(t)趋近于0，与实际情况不符（陈娟等，2018）。但本研究认为Kostiakov模型作为经验模型虽然不具备物理基础，但模型中的a和b值反映出的初始入渗速率和入渗速率的衰减幅度信息与实际情况相近，在能够确定t范围的前提下，该模型参数获取简便，可以用于砒砂岩区不同土地利用类型土壤入渗规律的模拟。

前人的研究中，土壤入渗过程的影响因素的研究中多采用相关分析或线性回归法（刘芝芹等，2014；张治伟等，2010）。本研究则尝试将约束性排序的方法引入到土壤入渗过程的研究中，通过将入渗速率按照土壤因子的梯度变化进行排列，以研究多因子对入渗速率的影响作用。本研究中土壤入渗速率沿影响因素排序的原因是，森林植被对于土壤物理性质的影响较慢，因而容重对林地土壤的初渗速率和稳渗速率起主导作用，有机质等土壤肥力因素的影响相对较弱（Kooch et al.，2016；谭学进等，2019）。相反，草地和裸地抵抗土壤侵蚀和外界干扰的能力较弱，土壤物理性质和肥力条件较差，浅层土壤结构不稳定（张晓娜等，2018）。水分在入渗初期与土壤的机械组成情况有关，但随着入渗路径的延长，制约其入渗过程的因素仍与林地一致，因此土壤机械组成、肥力条件和团聚体结构的交互作用是制约草地和裸地的初渗速率的主导因素，而容重是影响其稳渗速率的主要因素。水浇地的土壤肥力和土壤结构受人为调控，特别是耕作层的各项土壤性质均优于其他地类，因此水浇地初渗速率受各土壤因素的综合制约，而随着入渗时间的延长，土壤养分的迁移和淋溶会造成土壤结构的差异，因此有机质含量是限制其稳渗速率的主要因素。

4 结论

砒砂岩区不同土地利用类型土壤初渗速率在1.56—14.96 mm·min-1之间，呈林地＞水浇地＞草地＞裸地的规律，稳渗速率在0.53—2.71 mm·min-1之间，呈水浇地＞林地＞草地＞裸地的规律，不同土地利用类型土壤入渗过程可以用Kostiakov模型进行模拟。

砒砂岩区林地土壤的初渗速率和稳渗速率的主要受土壤容重的影响；草地和裸地土壤的初渗速率受土壤结构和肥力因素的综合影响，稳渗速率主要受土壤容重的影响；水浇地土壤的初渗速率受各土壤因素的综合影响，稳渗速率主要受土壤机质含量的影响。