放牧對希拉穆仁草原土壤入滲過程影響的定量評估

耿林昇，李紅麗，董 智，郭建英，陳新闖

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，泰山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，山東 泰安 271018；2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020)

土壤入滲是指降水或灌溉水由地表進入土壤的過程，是水文過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，土壤入滲顯著影響地表產(chǎn)流和土壤水分再分配，進而影響局部土壤侵蝕和面源污染。入滲是由土壤特性、供水條件、植被根系長勢分布特征等因素綜合作用的結(jié)果，而放牧活動強烈影響著這些特征參數(shù)，使土壤入滲過程表現(xiàn)出極大的時空異質(zhì)性和尺度依賴性。放牧顯著改變區(qū)域土壤特征，牲畜長期采食、踐踏等行為直接對草地植被及土壤特征造成影響，進而影響土壤水分的入滲機制，造成區(qū)域水文過程的改變，尤其在干旱、半干旱區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)，放牧強度造成土壤水分的入滲及其含量變化，決定著生態(tài)系統(tǒng)的植被生長發(fā)育、分布格局及土壤—植被系統(tǒng)的演化方向和生態(tài)功能，最終影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)安全。在干旱、半干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)，基于放牧強度對草地土壤入滲的研究仍較薄弱，且目前缺少可以準確預(yù)測土壤入滲的數(shù)學(xué)模型來估計徑流產(chǎn)生時間，并協(xié)助規(guī)劃改善植被保護和水資源管理。希拉穆仁草原是干旱半干旱地區(qū)的典型草原，水文特征強烈影響著區(qū)域水文過程，探究放牧對土壤入滲特征的影響機制有助于維持草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定?；诖?，本研究以希拉穆仁草原為研究對象，分析不同放牧強度對土壤入滲過程的影響，探究土壤入滲過程的預(yù)測和控制因子，及其耦合作用機制，比較不同模型模擬結(jié)果并評估它們在預(yù)測土壤入滲速率和累積入滲方面的準確性，篩選模型適用性，為科學(xué)評估干旱、半干旱區(qū)典型放牧草原的土壤入滲過程，進而評估草原水文調(diào)節(jié)功能、防治水土流失提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市達爾罕茂明安聯(lián)合旗南部的希拉穆仁草原(41°36′N，111°23′E)，屬于低山丘陵草原區(qū)，地形平緩，海拔1 400 m。研究區(qū)屬于中溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫2.5 ℃，多年平均降水量281 mm，50%以上的降水集中在7，8月。土壤為典型栗鈣土，有效土層厚度約為40 cm，其下層為鈣積層。主要建群種為克氏針茅(Roshev)、羊草((Trin.)Tzvel.)、糙隱子草((Trin.)Keng)、阿爾泰狗娃花((Willd.)Novopokr.)和銀灰旋花(Desr.)。

1.2 試驗小區(qū)布設(shè)

在以克氏針茅為建群植物的典型地段，選取長期自由放牧的草地為研究對象，參照李博草地退化分級標準，采用樣線法進行植被樣方調(diào)查，根據(jù)草地植物種類組成、群落高度、蓋度、密度和地上生物量等指標對其進行分析，劃分出重度放牧(HG，4.5羊/(hm·月))、中度放牧(MG，3.0羊/(hm·月))、輕度放牧(LG，1.5羊/(hm·月))和對照樣地(CK，0羊/(hm·月))，然后建設(shè)放牧小區(qū)，試驗區(qū)長450 m，寬100 m，小區(qū)外圍及各小區(qū)用1.5 m高的圍欄分割。各放牧梯度小區(qū)由西北向東南方向分別為重度放牧、中度放牧、輕度放牧和不放牧對照小區(qū)，其中3種放牧小區(qū)長130 m，寬100 m，不放牧小區(qū)長60 m，寬100 m。放牧期為每年6個月，5月1日開始，截止到10月31日。

1.3 土壤入滲與環(huán)境參數(shù)測定

于2018—2020年每年的7—8月在試驗小區(qū)依據(jù)地統(tǒng)計學(xué)采樣方法，將每個放牧小區(qū)均勻劃分為9個取樣區(qū)，在土樣取樣區(qū)，采用雙環(huán)入滲法同時進行土壤入滲試驗，按照先密后疏原則記錄0～10，10～20，20～60，60～120 min時間段(各時間段測定間隔分別為1，2，5，10 min)內(nèi)的土壤入滲量，直到入滲變化量達到每個測試下墊面的恒定值。入滲數(shù)據(jù)最終取代表性最強的一組作為該土壤類型的入滲特征曲線。同時在每個取樣區(qū)進行植被調(diào)查，并在每個取樣區(qū)分別以五點取樣法，利用環(huán)刀法分別測定0—20 cm的土壤容重、含水率、孔隙度，并同時采集土樣，帶回室內(nèi)風干，過2 mm篩，預(yù)處理后采用Mastersizer 2000型激光粒度儀測定土壤粒徑體積分數(shù)。

1.4 土壤入滲模型選擇與數(shù)據(jù)分析

國內(nèi)外學(xué)者在大量研究土壤入滲過程的基礎(chǔ)上，先后提出了多種描述土壤入滲過程的數(shù)學(xué)模型，為了篩選適合放牧條件下草原土壤入滲模型，本研究分別利用土壤入滲速率Kostiakov(KM)模型、Horton(HM)模型、Philip(PM)模型和通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ?GM)，土壤累積入滲Philip(PH)模型、Kostiakov(KO)模型、Modifiedkostiakov(MK)模型、Horton(HO)模型、Swartzendruber(SW)模型模擬希拉穆仁不同放牧下的土壤入滲過程特征，并與實測值進行對比分析，進而通過相關(guān)系數(shù)()、均方根誤差(RMSE)、納什效率系數(shù)(NSE)和平均偏差(AD)4個統(tǒng)計參數(shù)檢驗其適用性和準確性，最終篩選出適合本區(qū)域的土壤入滲模型。

(1)土壤入滲模型

Kostiakov模型：()=-

(1)

Horton模型：()=+(-)e-

(2)

Philip模型：()=05-05+

(3)

通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?)=+-

(4)

式中：()為時刻土壤入滲速率(mm/min)；為初始入滲速率(mm/min)；為穩(wěn)定入滲速率(mm/min)；為入滲時間(min)；為土壤吸滲率；、、、為經(jīng)驗參數(shù)。

(2)土壤累積入滲模型

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：()為時刻土壤累積入滲量；、、、、、為經(jīng)驗參數(shù)。

采用Excel 2010、Origin 2021、SPSS 18、R 4.0.5軟件進行數(shù)據(jù)整理、計算分析和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同放牧強度土壤入滲過程的差異性變化特征

不同放牧強度下，土壤入滲過程均隨著時間的增加，入滲速率變化均呈現(xiàn)從快速入滲階段到趨穩(wěn)階段，最終達到穩(wěn)滲階段(圖1)。CK、LG的快速入滲階段(0～14 min)所歷時間均接近，而LG的趨穩(wěn)階段(14～70 min)、穩(wěn)滲階段(>70 min)均較CK的趨穩(wěn)階段(14～60 min)、穩(wěn)滲階段(>60 min)推后。MG、HG的快速入滲階段(0～20 min)所歷時間接近，但MG的趨穩(wěn)階段(20～50 min)與穩(wěn)滲階段(>50 min)均較HG的趨穩(wěn)階段(20～35 min)、穩(wěn)滲階段(>35 min)推遲發(fā)生，表明放牧強度超過適度放牧時，土壤入滲速率達到穩(wěn)滲速率的時間縮短，土壤入滲能力下降，地表產(chǎn)流發(fā)生更快。隨著放牧強度的增加，土壤初始入滲率呈“N”形變化，入滲速率在MG最低(3.41 mm/min)，其次為HG(3.87 mm/min)，LG最高(5.12 mm/min)(圖2)。土壤穩(wěn)定入滲速率則呈倒“V”形變化，在LG最高(1.93 mm/min)，在HG最低(1.41 mm/min)。LG達到穩(wěn)滲速率所用時間比CK延長，穩(wěn)滲速率二者接近，而初滲速率較CK高。HG土壤初滲速率較MG略高，但穩(wěn)滲速率及達到穩(wěn)滲所用時間均較其他強度差。LG土壤結(jié)構(gòu)情況在放牧活動下較CK改善，入滲性能變得更好，而MG、HG入滲性能卻變差。

圖1 不同放牧強度下土壤入滲過程

圖2 不同放牧強度下土壤入滲速率變化

土壤入滲試驗結(jié)束時，在不同放牧強度下，CK、LG最終2 h累積入滲量較MG、HG表現(xiàn)出顯著差異(圖3)。LG累積入滲量最高(213.42 mm)，其次為CK(208.20 mm)，二者最為接近，HG累積入滲量最低(148.26 mm)。LG快速入滲階段時長及變化速率均較其他放牧強度快，CK累積入滲變化速率整體較其他3區(qū)最小，但在15 min后，兩區(qū)之間的累積入滲速率變化較為接近。MG、HG前期快速入滲段變化率較為接近，但在20 min后，二者之間的累積入滲速率變化逐漸增大。LG、MG、HG土壤入滲能力均受到放牧活動的干擾，LG表現(xiàn)與CK接近且更好，而MG與HG卻呈現(xiàn)變差趨勢。

圖3 不同放牧強度下土壤累積入滲過程

2.2 不同放牧強度土壤入滲與土壤特征參數(shù)響應(yīng)關(guān)系

由于外界環(huán)境的脅迫，隨著放牧強度的增加，草地植被的多年生根莖禾草逐漸向多年生叢生禾草及1，2年生植物雜草演變，植被覆蓋度呈下降趨勢。CK、LG植被覆蓋度接近，且均顯著高于MG、HG。LG中的放牧活動，使多年生根莖禾草所占比例減少，但叢生禾草比例卻相對增加，且覆蓋度增加。隨著放牧強度的增加，土壤含水率、總孔隙度、毛管孔隙度均呈先增大后減小趨勢，且均在LG表現(xiàn)為最大值，HG為最小值(表1)，而土壤容重的表現(xiàn)則完全相反。其中，總孔隙度在不同放牧強度條件下表現(xiàn)出的變化差異性最大。

表1 不同放牧強度植被與土壤特征

土壤機械組成隨著放牧強度的增加，砂粒體積分數(shù)逐漸增大，粉粒、黏粒體積分數(shù)逐漸減小。HG的砂粒、粉粒、黏粒體積百分比均較CK發(fā)生顯著變化，土壤逐漸粗化。

運用皮爾遜相關(guān)性分析法分析不同放牧強度下土壤特征參數(shù)與初滲速率、穩(wěn)滲速率、2 h累積入滲量之間的關(guān)系(表2)。隨著放牧強度的增加，土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率均呈極顯著下降趨勢(<0.01)，2 h累積入滲量呈顯著下降趨勢(<0.05)。不同放牧強度下，土壤初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、累積入滲量變化均與土壤容重、含水率、孔隙度以及機械組成相關(guān)。土壤容重與初滲速率、2 h累積入滲量呈顯著負相關(guān)(<0.05)，與穩(wěn)滲速率則呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(<0.01)?？偪紫抖取⒚芸紫抖染c初滲速率、穩(wěn)滲速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)。土壤容重與孔隙度對入滲速率的影響較含水率、土壤機械組成更為明顯。含水率與初滲速率、穩(wěn)滲速率、2 h累積入滲量的相關(guān)性無顯著性差異，這與李卓等的研究結(jié)果不一致，原因可能是該區(qū)土壤含水率變化范圍僅為5.42%～6.94%，整體土壤含水率均較小導(dǎo)致。

表2 不同放牧強度土壤參數(shù)與入滲特征的相關(guān)性

2.3 土壤入滲模型驗證

2.3.1 土壤入滲速率模型驗證 由于土壤水分入滲過程變化復(fù)雜，許多研究者針對土壤入滲建立了若干模型，根據(jù)模型是否具有物理意義劃分為2大類：一類是物理模型，包括HM模型和PM模型；另一類是經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，包括KM模型和GM模型。為進一步研究不同土壤類型對入滲過程的影響，選用以上4個模型對土壤入滲過程進行模擬。利用4種不同的入滲模型對不同放牧強度下4個小區(qū)的入滲速率進行模擬擬合(圖4)。

圖4 不同放牧強度下土壤入滲速率實際值與擬合值的比較

HM擬合的初始入滲速率較實際值低5.21%～9.55%，其擬合值除在入滲過程中的趨向穩(wěn)定階段及初始入滲速率低于實際值外，其他階段擬合效果均較好。KM、GM擬合的初始入滲速率分別較實際值高6.40%～12.02%，6.94%～9.26%，二者對實際入滲過程的擬合效果相似，對實際入滲過程的快速入滲的前半段擬合效果較好，其后一直到穩(wěn)滲階段前，擬合值高于實際值，達到穩(wěn)滲速率后，擬合值低于實際值，且差值逐漸增大。PM擬合的初始入滲速率較實際值高12.19%～18.93%，其對入滲過程的快速入滲階段擬合效果較實際值偏低，而入滲過程的趨穩(wěn)階段擬合效果則高于實際值。觀測4種放牧強度下土壤入滲過程發(fā)現(xiàn)，當趨穩(wěn)階段歷時越長時，最終穩(wěn)定入滲速率的擬合值與實際最終穩(wěn)滲速率值擬合效果越好。通過比較擬合模型系數(shù)、NSE、RMSE、AIC值判定各模型的擬合效果，、NSE值越接近于1，RMSE、AIC值越小，模型擬合效果越好。由表3可知，HM針對該區(qū)土壤水分入滲過程的擬合效果較其他模型與實際值偏差最小，模型性能優(yōu)良，可信度最高；其次為KM和GM，二者擬合效果接近，PM擬合效果最差。

表3 不同放牧強度下土壤入滲速率擬合模型擬合結(jié)果對比

2.3.2 土壤累積入滲模型驗證 通過5種不同土壤累積入滲模型對不同放牧強度下4個小區(qū)的累積入滲量進行模擬擬合(圖5)。由擬合效果的、NSE、RMSE、AIC值可知，HO擬合結(jié)果與實際值偏差小，擬合性能優(yōu)良，可信度高，SW擬合效果僅次之，KO擬合效果最差。PH、KO擬合的初始累積入滲量分別較實際值相差-20.04%～13.67%，-86.64%～-33.50%，二者對實際入滲過程的擬合效果相似，實際入滲過程的快速入滲階段擬合值略低于實際值，入滲趨穩(wěn)階段擬合值略高于實際值，達到穩(wěn)滲速率后，擬合值低于實際值且差值逐漸增大。MK擬合的初始累積入滲量分別較實際值高46.37%～53.64%，入滲過程中快速入滲的后半階段的擬合值略高于實際值，其余階段擬合結(jié)果均較好。HO、SW擬合的初始累積入滲量分別較實際值相差14.29%～18.43%，-28.51%～5.98%，前者擬合值較實際初始累積入滲量偏高且變化幅度較后者小，后者較實際值偏低且變化幅度較大，而二者擬合效果評估值相似且與實際值相差均較小。通過比較擬合模型系數(shù)、NSE、RMSE、AIC值(表4)可知，5種擬合模型的、NSE值均高于0.98，各模型之間差別較小，表明5種模型均能較好地擬合土壤累積入滲過程。而通過RMSE、AIC值分析可知，HM對該區(qū)土壤累積入滲過程的擬合效果較其他模型與實際值偏差最小，模型性能優(yōu)良，可信度最高，其余擬合效果由優(yōu)到劣依次為SW模型、MK模型、PH模型和KO模型。

圖5 不同放牧強度下實際土壤累積入滲與擬合土壤累積入滲的比較

表4 不同放牧強度下土壤累積入滲擬合模型擬合結(jié)果對比

3 討 論

希拉穆仁草原位于干旱半干旱地區(qū)的風蝕、水蝕兩相侵蝕區(qū)，土壤水文過程對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的植物群落類型、分布、結(jié)構(gòu)和組成起決定性作用。當?shù)氐姆拍粱顒邮雇寥绤?shù)發(fā)生改變，進而影響土壤入滲過程，且不同土壤參數(shù)之間的耦合效應(yīng)對入滲的影響也有較大的差異。放牧活動的加強，外加干旱的環(huán)境脅迫，使草地植被受到最直接的影響，植物群落的高度、覆蓋度、生物量下降，植物由葉片面積較大、根系分布較深的多年生根莖禾草向多年生叢生禾草及1，2年生植物雜草演變，土壤孔隙度、含水率、黏粒體積分數(shù)、粉粒體積分數(shù)整體變化趨勢呈減小趨勢，而土壤容重、砂粒體積分數(shù)則呈增大趨勢，土壤入滲性能降低，入滲水文過程發(fā)生改變。這是由于在過度放牧下，家畜的踐踏、采食能夠抑制微生物和植物根系的生長發(fā)育，惡化土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤通氣性，土壤容重增大，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性減弱，土壤機械組成向粗化趨勢轉(zhuǎn)變，促使土壤表面緊實度增加，地表產(chǎn)流量增加，水力侵蝕能力增大，同時由于降雨入滲的利用率降低，外加劇烈的風蝕活動，使當?shù)刂饕h(huán)境因子土壤含水率不斷下降，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境逐漸惡化。通常情況下，土壤入滲速率與土壤含水率呈負相關(guān)，與土壤孔隙度、土壤砂粒體積分數(shù)呈正相關(guān)，但本研究的土壤含水率范圍為5.42%～6.94%，整體含量較小，加之土壤孔隙度對土壤入滲速率的影響顯著大于土壤含水率、土壤砂粒體積分數(shù)及其耦合效應(yīng)，且LG的土壤孔隙度顯著高于其他放牧強度，因而有利于降水的入滲，導(dǎo)致LG的初始入滲速率、穩(wěn)滲速率在各放牧強度下均為最大。適度放牧可改善土壤參數(shù)及植被生長情況，增大土壤的入滲性能。HG的土壤初始入滲速率的變化趨勢與其他放牧強度不同，且并不為最小值，這是由于HG較MG相比，二者孔隙度雖無顯著差異，但HG土壤表層含水率更低，且砂粒體積分數(shù)更高，多個土壤參數(shù)的耦合效應(yīng)使HG較MG表現(xiàn)更為疏松，吸水性更強，初始入滲速率因此也較MG高。研究同時發(fā)現(xiàn)，不同放牧強度下，土壤入滲過程均經(jīng)歷快速入滲階段、趨穩(wěn)階段及穩(wěn)滲階段，與楊思維等研究的入滲過程變化相一致，但本研究結(jié)果也表明，當放牧強度超過一定程度時，土壤入滲速率達到穩(wěn)滲階段的時間縮短，使土壤抗降雨侵蝕能力下降，發(fā)生土壤侵蝕的風險增大。

土壤入滲速率擬合模型的擬合結(jié)果表明，較其他擬合模型相比，Horton模型的、NSE、RMSE、AIC值均表現(xiàn)最好，對本研究區(qū)的土壤入滲速率擬合效果最好，其次為Kostiakov模型、通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，Philip模型擬合效果最差。導(dǎo)致4種模型表現(xiàn)出差異，可能是由于土壤入滲過程曲線為前期入滲速率較高，經(jīng)入滲速率快速下降階段后，入滲速率變化減緩且逐漸趨于一個穩(wěn)定常數(shù)值，而KM的后期擬合結(jié)果仍呈指數(shù)下降趨勢，穩(wěn)滲后期擬合效果較差；GM中指數(shù)參數(shù)反映入滲速率的下降速率，雖然擬合效果較好，但與實際情況不符；PM的擬合模型的指數(shù)系數(shù)恒定，對于入滲速率下降減緩趨穩(wěn)部分的擬合效果，與多參數(shù)的GM、HM相比，擬合效果較差。HM的、的數(shù)值變化范圍分別為3.53～6.5，1.24～1.78 mm/min，均與實際值范圍3.71～7.12，1.33～1.78 mm/min相接近，表明、均能較好代表實際的初滲速率與穩(wěn)滲速率，可以得出HM能較好地描述長時間土壤入滲速率的變化，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果一致。土壤累積入滲擬合模型的擬合結(jié)果表明，Horton模型擬合結(jié)果最佳，Swartzendruber模型擬合效果與Horton模型接近。這是由于二者模型中的主要影響參數(shù)、分別與、意義相同，但Swartzendruber模型的中的又是1個指數(shù)參數(shù)，兩參數(shù)之間具有顯著制約關(guān)系，在該區(qū)中的擬合效果較Horton模型差。Kostiakov模型擬合效果表現(xiàn)最差，經(jīng)修改后的Modified kostiakov模型的擬合效果較Kostiakov模型表現(xiàn)更好。因此，在本研究區(qū)中，Horton模型對土壤入滲速率及土壤累積入滲量的擬合效果均較好。而陳娟等研究表明，通用模型更適合于荒漠草原區(qū)水分的研究，呂文聰?shù)妊芯拷Y(jié)果表明，Kostiakov模型可以更好地反映不同粒徑礫石覆蓋土壤水分入滲過程，杜建會等研究發(fā)現(xiàn)，典型綠地土壤累積入滲過程更符合Kostiakov模型，表明不同區(qū)域入滲模型適用性存在差異，因此應(yīng)更注重不同區(qū)域類型、不同研究對象的土壤入滲特征研究。

4 結(jié) 論

(1)在不同放牧強度下，LG初始入滲速率(5.12 mm/min)、穩(wěn)滲速率(1.93 mm/min)、2 h累積入滲量(213.42 mm)分別較其他放牧強度表現(xiàn)最佳。隨著放牧強度的增大，土壤入滲速率達到穩(wěn)滲速率的歷時逐漸縮短，而LG的歷時較其他放牧強度延長。適度放牧會提高土壤入滲性能，增強對降雨的快速貯存以及蓄洪與涵養(yǎng)水源作用

(2)隨著放牧強度的增大，土壤孔隙度、含水率、黏粒體積分數(shù)、粉粒體積分數(shù)、植被蓋度、初始入滲速率、穩(wěn)滲速率均呈先增大后減小趨勢，土壤容重、砂粒體積分數(shù)呈增大趨勢，土壤參數(shù)特征值均在LG表現(xiàn)最佳。土壤容重與土壤總孔隙度、毛管孔隙度是土壤入滲速率的顯著影響因子，分別與土壤入滲速率和累積入滲量呈顯著負相關(guān)和顯著正相關(guān)關(guān)系，顯著影響土壤的入滲能力和貯水能力。適度放牧可改善土壤參數(shù)、植被生長情況以及土壤的入滲性能。

(3)通過土壤入滲速率模型和土壤累積入滲模型分析，Horton模型對土壤入滲速率及土壤累積入滲量的擬合效果均表現(xiàn)為擬合結(jié)果與實際值偏差最小，擬合性能優(yōu)良，可信度最高。土壤入滲速率模型中Philip模型擬合效果最差。土壤累積入滲模型中Kostiakov模型擬合效果表現(xiàn)最差；Swartzendruber模型擬合效果僅次于Horton模型，主要是二者中的主要參數(shù)意義相似，但后者的各個參數(shù)獨立性、適用性更好。