農(nóng)林復(fù)合種植模式對紅壤坡地表土水力特性及儲水的影響

劉 昭，徐燕星，鄭海金，左繼超，陳秀龍

農(nóng)林復(fù)合種植模式對紅壤坡地表土水力特性及儲水的影響

劉 昭1,2，徐燕星3，鄭海金1,2※，左繼超1,2，陳秀龍1,2

（1. 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，南昌 330029；2. 江西省水土保持科學(xué)研究院，南昌 330029；3. 江西水利職業(yè)學(xué)院，南昌 330013）

為探討紅壤坡地不同農(nóng)林模式表層土壤水力特性差異及其對土體儲水量的影響，該文分析了紅壤坡地“農(nóng)-林-草”、“農(nóng)-林+橫坡耕作”、“農(nóng)-林+順坡耕作”和“純林”4種典型農(nóng)林復(fù)合模式表層土壤（0～0.30 m）的土壤水力特征參數(shù)，并通過Richards方程數(shù)值求解模擬了不同表層土壤水力特性下的土壤含水率動態(tài)和土體儲水量。結(jié)果表明，農(nóng)林復(fù)合模式對表層土壤水力特性有較大影響，“農(nóng)-林-草”、“農(nóng)-林+橫坡耕作”、“農(nóng)-林+順坡耕作”、“純林”模式的表層土的土壤性質(zhì)依次表現(xiàn)為：土壤黏性增強(qiáng)（土壤進(jìn)氣值倒數(shù)減小）、透水性減弱（飽和水力傳導(dǎo)度減小）。飽和水力傳導(dǎo)度、土壤進(jìn)氣值倒數(shù)與土壤容重的相關(guān)系數(shù)為-0.98和-0.96。當(dāng)僅考慮表層土壤水力特性差異時，土體儲水能力由強(qiáng)到弱依次為“農(nóng)-林-草”、“農(nóng)-林+橫坡耕作”或“農(nóng)-林+順坡耕作”和“純林”模式土壤?！稗r(nóng)-林-草”模式表層土壤具有在蒸發(fā)期減少深層土壤水消耗、在降雨期增加深層土壤水補(bǔ)給的作用，該土壤儲水機(jī)制為“農(nóng)-林-草”復(fù)合種植模式推廣提供了理論基礎(chǔ)。

土壤；水分；水力特性；Richards方程；紅壤坡地；農(nóng)林草模式

0 引 言

土壤水文過程是地表水文過程和地下水文過程的重要連接紐帶，也是土壤侵蝕、作物生長、地下水污染等過程的重要影響因素。紅壤坡地是南方重要的農(nóng)業(yè)資源，人為耕作使得土壤上層透水性增強(qiáng)，其年均入滲至土壤中的水量占降雨量的90%以上[1]，加之該區(qū)降雨豐沛，其土壤水分運動極其活躍。但是，南方紅壤區(qū)干濕交替頻繁，又極易發(fā)生洪澇災(zāi)害和季節(jié)性干旱。因此，深入研究該區(qū)的土體儲水量規(guī)律，可以為防汛抗旱、生態(tài)水源涵養(yǎng)及水土流失控制提供理論依據(jù)。

土壤水分存儲和消耗會受到土壤水力性質(zhì)[2]、土層厚度[3]和上覆植被[4]等因素的影響。在經(jīng)果林下進(jìn)行農(nóng)業(yè)耕作是南方紅壤坡地重要的開發(fā)利用方式[5]。已有研究證實，由于生物影響、土壤侵蝕以及人為翻耕等綜合作用的影響，不同農(nóng)林開發(fā)模式（如不同的耕種方式、是否采取水土保持措施等）會對表層土壤機(jī)械組成和土壤微生物等產(chǎn)生影響[6]。在理論上，土壤物質(zhì)組成改變會引起土壤水力性質(zhì)的變化，例如一些土壤水力參數(shù)可以由土壤物質(zhì)組成經(jīng)土壤傳遞函數(shù)（pedotransfer function，PTF）計算獲得[7-8]。但是，紅壤坡地不同農(nóng)林開發(fā)模式實測表層土壤水力性質(zhì)究竟有何差異仍有待進(jìn)一步證實，而這種表層土壤水力性質(zhì)差異對于土壤水分存儲規(guī)律有何影響也還需要深入研究。

土壤水力性質(zhì)主要表現(xiàn)為“負(fù)壓-含水率-水力傳導(dǎo)度”之間的非線性關(guān)系，可以由Gardner-Russo 模型[9]、Brooks-Corey 模型[10]和van Genuchten-Mualem模型[11]等進(jìn)行描述，這些模型中的參數(shù)即土壤水力參數(shù)。例如，廣泛使用的van Genuchten-Mualem模型中，即包含了5個獨立的參數(shù)。其中，飽和水力傳導(dǎo)度可以通過原位或?qū)嶒炇业娜霛B試驗獲取，而其余4個參數(shù)則可以采用上述公式擬合試驗測定的“負(fù)壓-含水率”等數(shù)據(jù)集而求得，測定方法通常有快速離心法（離心機(jī)）、壓力板法（壓力膜儀）和飽和-蒸發(fā)原理（hyprop）等[12]。

土體儲水量可以由實測不同點位土壤含水率直接獲得，但由于儀器誤差、野外條件復(fù)雜以及影響因素難以控制等因素[13]，很難直接說明表層土壤水力性質(zhì)差異對于土壤水分存儲規(guī)律的影響。而數(shù)值模擬方法可以輸出僅考慮某單一影響因素下的結(jié)果，也便于從機(jī)理上分析該因素對結(jié)果的影響機(jī)制。Richards方程以達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)，具有堅實的物理理論基礎(chǔ)[14]，在土壤水分?jǐn)?shù)值模擬中廣泛應(yīng)用[15-16]。當(dāng)明確該方程的土壤參數(shù)和定解條件后，即可模擬輸出土壤含水率（或負(fù)壓）空間分布，從而計算土體儲水量。土壤水分運動在田間尺度上主要是以垂向一維運動為主，而水平方向上的通量較小，許多Richards方程模型均采用了垂向一維假設(shè)[17-19]。查元源等[20-21]評價了幾種使用廣泛的數(shù)值求解方法，其中Ross方法[22]對于非飽和節(jié)點采用含水率為主變量，在空間上采用有限單元法進(jìn)行離散，在時間上采用非迭代算法，在模型收斂性、計算效率和計算精度上均具有優(yōu)勢，這為求解Richards方程和分析土體儲水規(guī)律提供了有效工具。

本文選用壓力膜儀試驗和飽和入滲試驗測試土壤水力特性，分析不同農(nóng)林模式下的表層土壤水力參數(shù)的差異，然后基于一維Richards方程Ross方法數(shù)值求解，探討表層土壤水力參數(shù)的差異對土體儲水量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于江西省德安縣境內(nèi)的江西水土保持生態(tài)科技園（115°42′38″～115°43′06″ E、29°16′37″～29°17′40″N），屬于鄱陽湖水系博陽河流域。該科技園處于中國南方紅壤的中心分布區(qū)域，成土母質(zhì)以第四紀(jì)紅黏土為主，地貌為淺丘崗地，海拔30～100 m，坡度5°～25°；屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，土壤干濕交替頻繁，年平均降雨量1 469 mm，但年內(nèi)分布不均，4—8月降雨量占年降雨量的60%以上。多年平均氣溫16.7 ℃，7月極端氣溫可達(dá)40 ℃，年日照時數(shù)為1 650～2 100 h，多年平均無霜期149 d。在野外試驗小區(qū)附近，設(shè)置了自動氣象觀測站，可提供降水等氣象觀測數(shù)據(jù)。

在土壤理化特性較一致、坡度較均一的同一坡地上，布設(shè)4個試驗小區(qū)。根據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｓ玫霓r(nóng)林復(fù)合方式和水土保持實踐經(jīng)驗，4個小區(qū)分別設(shè)置“農(nóng)-林-草”、“農(nóng)-林+橫坡耕作”、“農(nóng)-林+順坡耕作”和“純林”4種農(nóng)林復(fù)合模式，如表1所示，于2000年開始運行，初步運行結(jié)果表明，這4種農(nóng)林復(fù)合模式的水土保持效果由高到低依次為“農(nóng)-林-草”、“農(nóng)-林+橫坡耕作”、“農(nóng)-林+順坡耕作”和“純林”。

表1 野外試驗小區(qū)布置

每個小區(qū)均為矩形坡面，垂直坡向?qū)挾? m，沿坡向水平投影長度為20 m，坡度為12°，四周有隔水用的混凝土墻，坡腳出口設(shè)置徑流池，用于長期定位觀測地表徑流量和侵蝕泥沙量；成土母質(zhì)均為第四紀(jì)紅黏土，地表下深1 m處為基巖底板。每個小區(qū)均種植了12棵成年柑橘，沿坡度方向2列（間距2.5 m），垂直坡度方向6行（間距3 m）。

1.2 樣品采集與指標(biāo)測定

由于各試驗小區(qū)土壤翻耕深度均在0.30 m左右，本文將土壤表層定義在0～0.30 m。于2015年11月進(jìn)行土壤樣品采集。每個小區(qū)在坡上、坡中、坡下3個坡位，各坡位隨機(jī)設(shè)置3個土壤采樣點，故4個小區(qū)共有36個采樣點。以土鉆在各采樣點0～0.30 m深度取新鮮土樣，并將同一小區(qū)同一坡位的土樣混合均勻后，采用4分法保留1 kg左右土樣備用。隨后，以100 cm3環(huán)刀和壓力膜儀專用環(huán)刀在每個采樣點取原狀土樣。采用烘干法測試土壤容重，采用比重計法測定土壤機(jī)械組成，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，采用中性乙酸銨法測定土壤陽離子交換量。表層土壤的基本理化性質(zhì)測試結(jié)果如表2所示。對于土壤水力參數(shù)，采用美國SEC公司生產(chǎn)的壓力膜儀測定土壤水分特征曲線（土壤含水率與負(fù)壓間的關(guān)系曲線），采用飽和入滲試驗測試飽和水力傳導(dǎo)度。

表2 不同農(nóng)林復(fù)合模式下表層土壤基本理化性質(zhì)

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 土壤水運動數(shù)學(xué)模型

土壤水運動控制方程由一維Richards方程描述[20]：

對于無積水的坡地，上邊界條件可以由變通量邊界表示為