放牧对希拉穆仁草原土壤入渗过程影响的定量评估

耿林昇，李红丽，董 智，郭建英，陈新闯

(1.山东农业大学林学院，泰山森林生态系统定位研究站，山东 泰安 271018；2.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020)

土壤入渗是指降水或灌溉水由地表进入土壤的过程，是水文过程的关键环节，土壤入渗显著影响地表产流和土壤水分再分配，进而影响局部土壤侵蚀和面源污染。入渗是由土壤特性、供水条件、植被根系长势分布特征等因素综合作用的结果，而放牧活动强烈影响着这些特征参数，使土壤入渗过程表现出极大的时空异质性和尺度依赖性。放牧显著改变区域土壤特征，牲畜长期采食、践踏等行为直接对草地植被及土壤特征造成影响，进而影响土壤水分的入渗机制，造成区域水文过程的改变，尤其在干旱、半干旱区域草地生态系统，放牧强度造成土壤水分的入渗及其含量变化，决定着生态系统的植被生长发育、分布格局及土壤—植被系统的演化方向和生态功能，最终影响区域生态系统服务和生态安全。在干旱、半干旱区草地生态系统，基于放牧强度对草地土壤入渗的研究仍较薄弱，且目前缺少可以准确预测土壤入渗的数学模型来估计径流产生时间，并协助规划改善植被保护和水资源管理。希拉穆仁草原是干旱半干旱地区的典型草原，水文特征强烈影响着区域水文过程，探究放牧对土壤入渗特征的影响机制有助于维持草地生态系统稳定。基于此，本研究以希拉穆仁草原为研究对象，分析不同放牧强度对土壤入渗过程的影响，探究土壤入渗过程的预测和控制因子，及其耦合作用机制，比较不同模型模拟结果并评估它们在预测土壤入渗速率和累积入渗方面的准确性，筛选模型适用性，为科学评估干旱、半干旱区典型放牧草原的土壤入渗过程，进而评估草原水文调节功能、防治水土流失提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区包头市达尔罕茂明安联合旗南部的希拉穆仁草原(41°36′N，111°23′E)，属于低山丘陵草原区，地形平缓，海拔1 400 m。研究区属于中温带大陆性季风气候，多年平均气温2.5 ℃，多年平均降水量281 mm，50%以上的降水集中在7，8月。土壤为典型栗钙土，有效土层厚度约为40 cm，其下层为钙积层。主要建群种为克氏针茅(Roshev)、羊草((Trin.)Tzvel.)、糙隐子草((Trin.)Keng)、阿尔泰狗娃花((Willd.)Novopokr.)和银灰旋花(Desr.)。

1.2 试验小区布设

在以克氏针茅为建群植物的典型地段，选取长期自由放牧的草地为研究对象，参照李博草地退化分级标准，采用样线法进行植被样方调查，根据草地植物种类组成、群落高度、盖度、密度和地上生物量等指标对其进行分析，划分出重度放牧(HG，4.5羊/(hm·月))、中度放牧(MG，3.0羊/(hm·月))、轻度放牧(LG，1.5羊/(hm·月))和对照样地(CK，0羊/(hm·月))，然后建设放牧小区，试验区长450 m，宽100 m，小区外围及各小区用1.5 m高的围栏分割。各放牧梯度小区由西北向东南方向分别为重度放牧、中度放牧、轻度放牧和不放牧对照小区，其中3种放牧小区长130 m，宽100 m，不放牧小区长60 m，宽100 m。放牧期为每年6个月，5月1日开始，截止到10月31日。

1.3 土壤入渗与环境参数测定

于2018—2020年每年的7—8月在试验小区依据地统计学采样方法，将每个放牧小区均匀划分为9个取样区，在土样取样区，采用双环入渗法同时进行土壤入渗试验，按照先密后疏原则记录0～10，10～20，20～60，60～120 min时间段(各时间段测定间隔分别为1，2，5，10 min)内的土壤入渗量，直到入渗变化量达到每个测试下垫面的恒定值。入渗数据最终取代表性最强的一组作为该土壤类型的入渗特征曲线。同时在每个取样区进行植被调查，并在每个取样区分别以五点取样法，利用环刀法分别测定0—20 cm的土壤容重、含水率、孔隙度，并同时采集土样，带回室内风干，过2 mm筛，预处理后采用Mastersizer 2000型激光粒度仪测定土壤粒径体积分数。

1.4 土壤入渗模型选择与数据分析

国内外学者在大量研究土壤入渗过程的基础上，先后提出了多种描述土壤入渗过程的数学模型，为了筛选适合放牧条件下草原土壤入渗模型，本研究分别利用土壤入渗速率Kostiakov(KM)模型、Horton(HM)模型、Philip(PM)模型和通用经验模型(GM)，土壤累积入渗Philip(PH)模型、Kostiakov(KO)模型、Modifiedkostiakov(MK)模型、Horton(HO)模型、Swartzendruber(SW)模型模拟希拉穆仁不同放牧下的土壤入渗过程特征，并与实测值进行对比分析，进而通过相关系数()、均方根误差(RMSE)、纳什效率系数(NSE)和平均偏差(AD)4个统计参数检验其适用性和准确性，最终筛选出适合本区域的土壤入渗模型。

(1)土壤入渗模型

Kostiakov模型：()=-

(1)

Horton模型：()=+(-)e-

(2)

Philip模型：()=05-05+

(3)

通用经验模型：()=+-

(4)

式中：()为时刻土壤入渗速率(mm/min)；为初始入渗速率(mm/min)；为稳定入渗速率(mm/min)；为入渗时间(min)；为土壤吸渗率；、、、为经验参数。

(2)土壤累积入渗模型

Philip模型：()=05+

(5)

Swartzendruber模型：

(6)

Horton模型：()=+(1-e-)

(7)

Kostiakov模型：()=

(8)

Modifiedkostiakov模型：()=+

(9)

式中：()为时刻土壤累积入渗量；、、、、、为经验参数。

采用Excel 2010、Origin 2021、SPSS 18、R 4.0.5软件进行数据整理、计算分析和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同放牧强度土壤入渗过程的差异性变化特征

不同放牧强度下，土壤入渗过程均随着时间的增加，入渗速率变化均呈现从快速入渗阶段到趋稳阶段，最终达到稳渗阶段(图1)。CK、LG的快速入渗阶段(0～14 min)所历时间均接近，而LG的趋稳阶段(14～70 min)、稳渗阶段(>70 min)均较CK的趋稳阶段(14～60 min)、稳渗阶段(>60 min)推后。MG、HG的快速入渗阶段(0～20 min)所历时间接近，但MG的趋稳阶段(20～50 min)与稳渗阶段(>50 min)均较HG的趋稳阶段(20～35 min)、稳渗阶段(>35 min)推迟发生，表明放牧强度超过适度放牧时，土壤入渗速率达到稳渗速率的时间缩短，土壤入渗能力下降，地表产流发生更快。随着放牧强度的增加，土壤初始入渗率呈“N”形变化，入渗速率在MG最低(3.41 mm/min)，其次为HG(3.87 mm/min)，LG最高(5.12 mm/min)(图2)。土壤稳定入渗速率则呈倒“V”形变化，在LG最高(1.93 mm/min)，在HG最低(1.41 mm/min)。LG达到稳渗速率所用时间比CK延长，稳渗速率二者接近，而初渗速率较CK高。HG土壤初渗速率较MG略高，但稳渗速率及达到稳渗所用时间均较其他强度差。LG土壤结构情况在放牧活动下较CK改善，入渗性能变得更好，而MG、HG入渗性能却变差。

图1 不同放牧强度下土壤入渗过程

图2 不同放牧强度下土壤入渗速率变化

土壤入渗试验结束时，在不同放牧强度下，CK、LG最终2 h累积入渗量较MG、HG表现出显著差异(图3)。LG累积入渗量最高(213.42 mm)，其次为CK(208.20 mm)，二者最为接近，HG累积入渗量最低(148.26 mm)。LG快速入渗阶段时长及变化速率均较其他放牧强度快，CK累积入渗变化速率整体较其他3区最小，但在15 min后，两区之间的累积入渗速率变化较为接近。MG、HG前期快速入渗段变化率较为接近，但在20 min后，二者之间的累积入渗速率变化逐渐增大。LG、MG、HG土壤入渗能力均受到放牧活动的干扰，LG表现与CK接近且更好，而MG与HG却呈现变差趋势。

图3 不同放牧强度下土壤累积入渗过程

2.2 不同放牧强度土壤入渗与土壤特征参数响应关系

由于外界环境的胁迫，随着放牧强度的增加，草地植被的多年生根茎禾草逐渐向多年生丛生禾草及1，2年生植物杂草演变，植被覆盖度呈下降趋势。CK、LG植被覆盖度接近，且均显著高于MG、HG。LG中的放牧活动，使多年生根茎禾草所占比例减少，但丛生禾草比例却相对增加，且覆盖度增加。随着放牧强度的增加，土壤含水率、总孔隙度、毛管孔隙度均呈先增大后减小趋势，且均在LG表现为最大值，HG为最小值(表1)，而土壤容重的表现则完全相反。其中，总孔隙度在不同放牧强度条件下表现出的变化差异性最大。

表1 不同放牧强度植被与土壤特征

土壤机械组成随着放牧强度的增加，砂粒体积分数逐渐增大，粉粒、黏粒体积分数逐渐减小。HG的砂粒、粉粒、黏粒体积百分比均较CK发生显著变化，土壤逐渐粗化。

运用皮尔逊相关性分析法分析不同放牧强度下土壤特征参数与初渗速率、稳渗速率、2 h累积入渗量之间的关系(表2)。随着放牧强度的增加，土壤初渗速率、稳渗速率均呈极显著下降趋势(<0.01)，2 h累积入渗量呈显著下降趋势(<0.05)。不同放牧强度下，土壤初始入渗速率、稳定入渗速率、累积入渗量变化均与土壤容重、含水率、孔隙度以及机械组成相关。土壤容重与初渗速率、2 h累积入渗量呈显著负相关(<0.05)，与稳渗速率则呈极显著负相关关系(<0.01)。总孔隙度、毛管孔隙度均与初渗速率、稳渗速率呈极显著正相关关系(<0.01)。土壤容重与孔隙度对入渗速率的影响较含水率、土壤机械组成更为明显。含水率与初渗速率、稳渗速率、2 h累积入渗量的相关性无显著性差异，这与李卓等的研究结果不一致，原因可能是该区土壤含水率变化范围仅为5.42%～6.94%，整体土壤含水率均较小导致。

表2 不同放牧强度土壤参数与入渗特征的相关性

2.3 土壤入渗模型验证

2.3.1 土壤入渗速率模型验证 由于土壤水分入渗过程变化复杂，许多研究者针对土壤入渗建立了若干模型，根据模型是否具有物理意义划分为2大类：一类是物理模型，包括HM模型和PM模型；另一类是经验模型，包括KM模型和GM模型。为进一步研究不同土壤类型对入渗过程的影响，选用以上4个模型对土壤入渗过程进行模拟。利用4种不同的入渗模型对不同放牧强度下4个小区的入渗速率进行模拟拟合(图4)。

图4 不同放牧强度下土壤入渗速率实际值与拟合值的比较

HM拟合的初始入渗速率较实际值低5.21%～9.55%，其拟合值除在入渗过程中的趋向稳定阶段及初始入渗速率低于实际值外，其他阶段拟合效果均较好。KM、GM拟合的初始入渗速率分别较实际值高6.40%～12.02%，6.94%～9.26%，二者对实际入渗过程的拟合效果相似，对实际入渗过程的快速入渗的前半段拟合效果较好，其后一直到稳渗阶段前，拟合值高于实际值，达到稳渗速率后，拟合值低于实际值，且差值逐渐增大。PM拟合的初始入渗速率较实际值高12.19%～18.93%，其对入渗过程的快速入渗阶段拟合效果较实际值偏低，而入渗过程的趋稳阶段拟合效果则高于实际值。观测4种放牧强度下土壤入渗过程发现，当趋稳阶段历时越长时，最终稳定入渗速率的拟合值与实际最终稳渗速率值拟合效果越好。通过比较拟合模型系数、NSE、RMSE、AIC值判定各模型的拟合效果，、NSE值越接近于1，RMSE、AIC值越小，模型拟合效果越好。由表3可知，HM针对该区土壤水分入渗过程的拟合效果较其他模型与实际值偏差最小，模型性能优良，可信度最高；其次为KM和GM，二者拟合效果接近，PM拟合效果最差。

表3 不同放牧强度下土壤入渗速率拟合模型拟合结果对比

2.3.2 土壤累积入渗模型验证 通过5种不同土壤累积入渗模型对不同放牧强度下4个小区的累积入渗量进行模拟拟合(图5)。由拟合效果的、NSE、RMSE、AIC值可知，HO拟合结果与实际值偏差小，拟合性能优良，可信度高，SW拟合效果仅次之，KO拟合效果最差。PH、KO拟合的初始累积入渗量分别较实际值相差-20.04%～13.67%，-86.64%～-33.50%，二者对实际入渗过程的拟合效果相似，实际入渗过程的快速入渗阶段拟合值略低于实际值，入渗趋稳阶段拟合值略高于实际值，达到稳渗速率后，拟合值低于实际值且差值逐渐增大。MK拟合的初始累积入渗量分别较实际值高46.37%～53.64%，入渗过程中快速入渗的后半阶段的拟合值略高于实际值，其余阶段拟合结果均较好。HO、SW拟合的初始累积入渗量分别较实际值相差14.29%～18.43%，-28.51%～5.98%，前者拟合值较实际初始累积入渗量偏高且变化幅度较后者小，后者较实际值偏低且变化幅度较大，而二者拟合效果评估值相似且与实际值相差均较小。通过比较拟合模型系数、NSE、RMSE、AIC值(表4)可知，5种拟合模型的、NSE值均高于0.98，各模型之间差别较小，表明5种模型均能较好地拟合土壤累积入渗过程。而通过RMSE、AIC值分析可知，HM对该区土壤累积入渗过程的拟合效果较其他模型与实际值偏差最小，模型性能优良，可信度最高，其余拟合效果由优到劣依次为SW模型、MK模型、PH模型和KO模型。

图5 不同放牧强度下实际土壤累积入渗与拟合土壤累积入渗的比较

表4 不同放牧强度下土壤累积入渗拟合模型拟合结果对比

3 讨 论

希拉穆仁草原位于干旱半干旱地区的风蚀、水蚀两相侵蚀区，土壤水文过程对该区域生态系统的植物群落类型、分布、结构和组成起决定性作用。当地的放牧活动使土壤参数发生改变，进而影响土壤入渗过程，且不同土壤参数之间的耦合效应对入渗的影响也有较大的差异。放牧活动的加强，外加干旱的环境胁迫，使草地植被受到最直接的影响，植物群落的高度、覆盖度、生物量下降，植物由叶片面积较大、根系分布较深的多年生根茎禾草向多年生丛生禾草及1，2年生植物杂草演变，土壤孔隙度、含水率、黏粒体积分数、粉粒体积分数整体变化趋势呈减小趋势，而土壤容重、砂粒体积分数则呈增大趋势，土壤入渗性能降低，入渗水文过程发生改变。这是由于在过度放牧下，家畜的践踏、采食能够抑制微生物和植物根系的生长发育，恶化土壤结构，降低土壤通气性，土壤容重增大，土壤结构的稳定性减弱，土壤机械组成向粗化趋势转变，促使土壤表面紧实度增加，地表产流量增加，水力侵蚀能力增大，同时由于降雨入渗的利用率降低，外加剧烈的风蚀活动，使当地主要环境因子土壤含水率不断下降，导致生态环境逐渐恶化。通常情况下，土壤入渗速率与土壤含水率呈负相关，与土壤孔隙度、土壤砂粒体积分数呈正相关，但本研究的土壤含水率范围为5.42%～6.94%，整体含量较小，加之土壤孔隙度对土壤入渗速率的影响显著大于土壤含水率、土壤砂粒体积分数及其耦合效应，且LG的土壤孔隙度显著高于其他放牧强度，因而有利于降水的入渗，导致LG的初始入渗速率、稳渗速率在各放牧强度下均为最大。适度放牧可改善土壤参数及植被生长情况，增大土壤的入渗性能。HG的土壤初始入渗速率的变化趋势与其他放牧强度不同，且并不为最小值，这是由于HG较MG相比，二者孔隙度虽无显著差异，但HG土壤表层含水率更低，且砂粒体积分数更高，多个土壤参数的耦合效应使HG较MG表现更为疏松，吸水性更强，初始入渗速率因此也较MG高。研究同时发现，不同放牧强度下，土壤入渗过程均经历快速入渗阶段、趋稳阶段及稳渗阶段，与杨思维等研究的入渗过程变化相一致，但本研究结果也表明，当放牧强度超过一定程度时，土壤入渗速率达到稳渗阶段的时间缩短，使土壤抗降雨侵蚀能力下降，发生土壤侵蚀的风险增大。

土壤入渗速率拟合模型的拟合结果表明，较其他拟合模型相比，Horton模型的、NSE、RMSE、AIC值均表现最好，对本研究区的土壤入渗速率拟合效果最好，其次为Kostiakov模型、通用经验模型，Philip模型拟合效果最差。导致4种模型表现出差异，可能是由于土壤入渗过程曲线为前期入渗速率较高，经入渗速率快速下降阶段后，入渗速率变化减缓且逐渐趋于一个稳定常数值，而KM的后期拟合结果仍呈指数下降趋势，稳渗后期拟合效果较差；GM中指数参数反映入渗速率的下降速率，虽然拟合效果较好，但与实际情况不符；PM的拟合模型的指数系数恒定，对于入渗速率下降减缓趋稳部分的拟合效果，与多参数的GM、HM相比，拟合效果较差。HM的、的数值变化范围分别为3.53～6.5，1.24～1.78 mm/min，均与实际值范围3.71～7.12，1.33～1.78 mm/min相接近，表明、均能较好代表实际的初渗速率与稳渗速率，可以得出HM能较好地描述长时间土壤入渗速率的变化，这与许多学者的研究结果一致。土壤累积入渗拟合模型的拟合结果表明，Horton模型拟合结果最佳，Swartzendruber模型拟合效果与Horton模型接近。这是由于二者模型中的主要影响参数、分别与、意义相同，但Swartzendruber模型的中的又是1个指数参数，两参数之间具有显著制约关系，在该区中的拟合效果较Horton模型差。Kostiakov模型拟合效果表现最差，经修改后的Modified kostiakov模型的拟合效果较Kostiakov模型表现更好。因此，在本研究区中，Horton模型对土壤入渗速率及土壤累积入渗量的拟合效果均较好。而陈娟等研究表明，通用模型更适合于荒漠草原区水分的研究，吕文聪等研究结果表明，Kostiakov模型可以更好地反映不同粒径砾石覆盖土壤水分入渗过程，杜建会等研究发现，典型绿地土壤累积入渗过程更符合Kostiakov模型，表明不同区域入渗模型适用性存在差异，因此应更注重不同区域类型、不同研究对象的土壤入渗特征研究。

4 结 论

(1)在不同放牧强度下，LG初始入渗速率(5.12 mm/min)、稳渗速率(1.93 mm/min)、2 h累积入渗量(213.42 mm)分别较其他放牧强度表现最佳。随着放牧强度的增大，土壤入渗速率达到稳渗速率的历时逐渐缩短，而LG的历时较其他放牧强度延长。适度放牧会提高土壤入渗性能，增强对降雨的快速贮存以及蓄洪与涵养水源作用

(2)随着放牧强度的增大，土壤孔隙度、含水率、黏粒体积分数、粉粒体积分数、植被盖度、初始入渗速率、稳渗速率均呈先增大后减小趋势，土壤容重、砂粒体积分数呈增大趋势，土壤参数特征值均在LG表现最佳。土壤容重与土壤总孔隙度、毛管孔隙度是土壤入渗速率的显著影响因子，分别与土壤入渗速率和累积入渗量呈显著负相关和显著正相关关系，显著影响土壤的入渗能力和贮水能力。适度放牧可改善土壤参数、植被生长情况以及土壤的入渗性能。

(3)通过土壤入渗速率模型和土壤累积入渗模型分析，Horton模型对土壤入渗速率及土壤累积入渗量的拟合效果均表现为拟合结果与实际值偏差最小，拟合性能优良，可信度最高。土壤入渗速率模型中Philip模型拟合效果最差。土壤累积入渗模型中Kostiakov模型拟合效果表现最差；Swartzendruber模型拟合效果仅次于Horton模型，主要是二者中的主要参数意义相似，但后者的各个参数独立性、适用性更好。