喀斯特高原石漠化區露石巖-土界面與非巖-土界面土壤入滲特性差異

許勝兵， 彭旭東， 戴全厚， 劉婷婷， 岑龍沛

(1.貴州大學林學院，貴陽 550025；2.貴州大學土壤侵蝕與生態修復研究中心，貴陽 550025)

中國西南地區的喀斯特地貌以分布面積最大、發育最強烈、發育最典型、發育類型最齊全、景觀最秀麗、生態環境最脆弱而著稱。中國喀斯特地貌面積超過124萬km，其中以貴州省的分布面積最大，為13萬km。石漠化是中國南方亞熱帶喀斯特地區嚴峻的生態問題，西南喀斯特石漠化地區通常具有土層厚度分布不均，基巖大面積裸露，水土流失嚴重等特點。土壤滲透能力是影響水土流失的重要因素之一，是反映土壤涵養水源和抗侵蝕能力的重要指標。已有研究發現，喀斯特地區的土壤入滲率大于非喀斯特地區，其中重要的原因是喀斯特地區石灰土土壤肥力水平較高，有機質結構穩定、土壤肥力持久，團粒結構良好；土壤水穩性團聚體團粒結構穩定，使得土壤具有更好透水、通氣性的特點從而提高了土壤入滲能力。

土壤滲透性受多因素的影響，其中巖石或塊石對土壤滲透特性的影響受到廣泛的關注。已有研究發現，巖石的存在也會影響水分的入滲。朱彤等為探明喀斯特地區不同塊石出露坡面土壤入滲對降雨的響應特征,設置塊石出露程度不同的徑流小區研究發現，在較大雨強下，塊石裸露率為5.4%對入滲影響較小，塊石裸露率為13.1%抑制入滲，塊石裸露率為42.9%促進入滲，在降雨前期，塊石的存在對入滲均有促進作用。黨宏宇等為了分析喀斯特地區土石隔層對土壤水分入滲過程的影響，通過室內模擬土柱試驗發現，土石隔層位置和隔層碎石粒徑均會影響入滲過程。

綜上可知，巖石對土壤入滲的影響已進行大量研究，而出露基巖對土壤入滲的影響研究較少。我國西南喀斯特石漠化區不僅存在落石、滾石、人為堆砌石等巖石，還存在大面積裸露的基巖。石漠化區大面出露的基巖與土壤交錯分布，在土壤與巖石間形成了突變接觸的巖—土界面。由于巖石的不透水性等因素，在降雨時往往會在巖—土界面產生優先流。巖—土界面優先流通道利于雨水的入滲，便于雨水到達地下更深處。Zhao等在喀斯特地區的巖—土界面通過染色示蹤法發現，染色劑能在巖—土界面處順著巖石達到地下更深層次。朱列坤等對喀斯特地區裂隙土壤滲透特性的研究發現，與非喀斯特地區相比，喀斯特裂隙土壤的入滲速率更快；并且在試驗過程中發現，水分入滲一段時間后，土壤里的水匯集到兩側巖—土界面，快速下滲。這些研究結果都表明，在巖—土界面的影響下，巖—土界面處的入滲能力得到了加強，但是巖—土界面處與非巖—土界面處土壤入滲特性差異目前尚不清楚。巖石的出露對雨水具有再分配的作用，巖石形狀的不同會導致其對雨水的再分配也有所不同，其形成的巖面流對巖—土界面土壤的沖刷或淋溶等作用程度不同。因此本研究在喀斯特石漠化區長順縣，選取了不同巖石形狀的巖—土界面與非巖—土界面的土壤。通過室內試驗研究巖—土界面與非巖—土界面土壤入滲過程與入滲特征，分析巖—土界面與非巖—土界面土壤入滲差異，通過評價3種常見的入滲模型的擬合程度，篩選出適合喀斯特地區巖—土界面土壤的最優入滲模型，以期為深入研究喀斯特地區水分入滲及水土流失提供新的研究思路與科學理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

為研究喀斯特石漠化地區巖—土界面與非巖—土界面土壤入滲特征及其差異，研究區選擇在具有典型喀斯特石漠化特征、石漠化程度嚴重的長順縣。長順縣地處貴州省中南部、黔南州西部，位于25°38′48″—26°17′30″N，106°13′06″—106°38′48″E。全縣總面積為1 543 km,根據長順縣人民政府2021年公布的數據可知全縣喀斯特面積為1 361.84 km，是西南地區典型的喀斯特石漠化大縣。長順縣具有典型的喀斯特地貌，可分為巖溶中山、巖溶中低山、峰叢陸地、峰叢谷地、孤峰波地、中山峽谷、溶丘洼地、中低山河谷、丘陵寬谷、丘陵谷地類型。屬中亞熱帶季風濕潤氣候區，雨熱同季，年均氣溫13.5～18.5 ℃，年極端最低氣溫-15.5 ℃，極端最高氣溫40.7 ℃，平均相對濕度81%，無霜期275天，年降水量1 250～1 400 mm。長順縣的土壤類型主要有黃壤、石灰土、水稻土、紫色土等。植被主要以常綠闊葉林、落葉闊葉林、針闊混交林、灌叢、草叢等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 在露石區設置10 m×10 m的樣地，并在樣地內隨機選取平直型、內凹型和外凸型等不同形狀巖面的露石進行采樣,采樣前對露石的匯水面積、傾角和巖—土界面軌跡長度等特征進行測量并記錄。在水平方向距離巖—土界面25 cm處進行土壤剖面的開挖，開挖深度為20 cm,同時在每個剖面分0—10，10—20 cm采取原狀土和擾動土樣。原狀土采集用容積100 cm，高5 cm的環刀，每層采集4份。采樣時盡可能使環刀靠近巖石，但不能與巖石接觸。采樣過程中如果與巖石接觸則需重新取樣，直到取樣成功為止。為了提高原狀土采集的成功率，可以用細鐵絲等探測土層厚度，首先從距巖—土界面2 cm處開始依次向外探測，當土層厚度滿足條件時開始采樣(使用鐵絲等探測過的位置不可作為原狀土的采集區域)。用四分法在原狀土采樣周圍采集土壤裝入鋁盒，每層采集4份。擾動土用密封袋采集整層土壤，每層采集2份。采距離巖—土界面水平方向上0—2 cm的土壤為受巖石影響的巖—土界面土壤，距離巖—土界面水平方向上20 cm之外的土壤為不受巖石影響的非巖—土界面土壤。圖1為外凸型露石土壤樣品采樣方法。

圖1 露石土壤樣品采樣

1.2.2 土壤樣品采集及測試 本試驗于2021年5—6月進行，首先在露石區設置10 m×10 m的樣地，本試驗采樣選取的露石(巖—土界面)形狀為平直形、外凸形和內凹形。在進行取樣前要對巖—土界面及非巖—土界面的雜草、枯落物等進行清理后再進行土壤剖面開挖。露石的基本信息見表1。環刀樣和鋁盒樣分別采集了24份，擾動土壤樣品用密封袋采集了12份。用環刀和鋁盒取樣后都要及時稱重并記錄。將環刀、鋁盒和密封袋采集的土樣帶回實驗室分析土壤容重、孔隙度、自然含水率、機械組成等基本土壤理化性質。土壤容重、孔隙度、自然含水量參照中華人民共和國林業行業標準《森林土壤水分—物理性質的測定》(LY/T 1215—1999)進行測定。機械組成采用比重計法并使用國際制土壤顆粒分級標準。

表1 各露石基本信息

1.2.3 土壤水分入滲速率測定 采用環刀法測定巖—土界面與非巖—土界面土壤滲透特性。將環刀采集的原狀土樣帶回實驗室，在環刀鋒利面(有刃面)墊1層紗布(防止環刀內土壤顆粒流出)，取1個相同規格的環刀對接在裝有原狀土樣的環刀上方(厚鈍面)，從外側密封兩個環刀間的縫隙；將準備好的雙環刀固定在鐵架臺的玻璃漏斗上(漏斗需進行固定，以防在加水過程中傾斜導致上部環刀內水頭不一致)，保持環刀口水平，在漏斗下方放置燒杯，收集穿透土樣的水分。試驗時，用馬氏瓶定水頭測量，水頭保持在5 cm，待漏斗中滴下第1滴水開始計時，入滲測定過程中前30 min內每1 min記錄1次滲水量，30 min以后每2 min記錄1次滲水量；直至入滲趨于穩定為止。初始入滲率采用前3 min的速率表示；穩定入滲率采用后6 min的速率表示；平均入滲率為整個入滲過程中各個時刻入滲率的平均值。入滲速率計算公式為：

式中：為入滲速率(mm/min)；為第次測定時間的透水量(mL)；為內環橫截面積(cm)；為第次測定時間間隔(min)。

1.3 數據處理及分析

采用Excel 2016軟件進行數據統計，Origin 2018軟件用于入滲模型擬合，SPSS 20軟件對數據進行相關性分析。常見3種土壤水分入滲模型為：

(1)Kostiakov模型：

()=-

式中：()為入滲速率(mm/min)；為入滲時間(min)；和為經驗參數。

(2)Philip模型：

()=05-05+

式中：()為入滲速率(mm/min)；為吸滲率(mm/min)；為穩定入滲率(mm/min)。

(3)Horton模型：

()=+(-)e-

式中：()為入滲速率(mm/min)；為初始入滲率(mm/min)；為穩定入滲率(mm/min)；為經驗參數。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

表2為不同巖—土界面的土壤及其與之相對應的非巖—土界面的土壤理化性質。由表2可知，巖—土界面與非巖—土界面之間、不同巖石形狀之間、0—10 cm土層與10—20 cm土層之間的土壤理化性質存在差異。巖—土界面的土壤容重為1.08～1.34 g/cm，非巖—土界面的土壤容重為0.97～1.22 g/cm，平直形和內凹形(10—20 cm)巖—土界面與外凸形(0—10 cm)非巖—土界面差異顯著。巖—土界面土壤的含水率為21.88%～25.29%，非巖—土界面土壤的含水率為18.15%～24.98%，巖—土界面間土壤含水率差異不顯著，非巖—土界面間土壤含水率差異也不顯著，但巖—土界面中的外凸形(10—20 cm)與非巖—土界面中的外凸形(0—10 cm)和內凹形(0—10 cm)差異顯著。巖—土界面土壤的非毛管孔隙度為6.40%～19.63%，非巖—土界面土壤的非毛管孔隙度為11.26%～23.94%；巖—土界面土壤的毛管孔隙度為34.90%～39.50%，非巖—土界面土壤的毛管孔隙度為35.32%～38.54%；巖—土界面土壤的總孔隙度為44.60%～54.52%，非巖—土界面土壤的總孔隙度為47.60%～59.26%。非毛管孔隙度中巖—土界面的平直形(10—20 cm)和內凹形(10—20 cm)與非巖—土界面的外凸形(0—10 cm)差異顯著；巖—土界面和非巖—土界面中的毛管孔隙度差異不顯著，在二者間的差異也不顯著；總孔隙度中巖—土界面的平直形(10—20 cm)和內凹形(10—20 cm)與非巖—土界面的外凸形(0—10 cm)差異顯著。此外巖—土界面與非巖—土界面在黏粒、粉粒、砂粒和排水能力均存在顯著差異。巖—土界面上層和下層土壤容重均大于非巖—土界面，土壤總孔隙度均小于非巖—土界面。巖—土界面含水率和毛管孔隙總體上大于非巖—土界面，非毛管孔隙度、黏粒和排水能力總體上小于非巖—土界面。

表2 研究區土壤性質

2.2 巖-土界面與非巖-土界面土壤水分入滲特征

圖2為不同形狀露石巖—土界面與非巖—土界面土壤入滲過程；圖3為不同形狀露石巖—土界面與非巖—土界面土壤入滲特征。由圖2可知，土壤的入滲過程均是逐漸下降然后趨于穩定的，各個入滲過程的降幅有所不同。結合圖3可知，平直形巖—土界面0—10 cm土層土壤初始入滲速率、平均入滲率均大于非巖—土界面，其入滲率是逐漸遞減的，降幅為36.97%；而非巖—土界面的入滲率降幅僅為6.29%，但是巖—土界面穩定入滲率小于非巖—土界面；10—20 cm土層巖—土界面3種入滲率(初始入滲速率、平均入滲率和穩定入滲率)均大于非巖—土界面，且0—10 cm土層巖—土界面與非巖—土界面的3種入滲率均大于10—20 cm土層。外凸形和內凹形巖—土界面與非巖—土界面、0—10 cm土層與10—20 cm土層之間土壤3種入滲率的比較則是完全相反的，即外凸形和內凹形巖—土界面0—10 cm土層和10—20 cm土層土壤的3種入滲率均小于非巖—土界面。特別地內凹形0—10 cm土層與10—20 cm土層巖—土界面土壤的3種入滲率均遠小于平直形與外凸形，即：內凹形<外凸形<平直形。內凹形與平直形0—10 cm土層的3種入滲率均表現為0—10 cm土層大于10—20 cm土層，而外凸形卻并非如此。外凸形巖—土界面0—10 cm土層小于10—20 cm土層；非巖—土界面0—10 cm土層具有較好的降幅為28.01%，10—20 cm土層為3.71%；0—10 cm土層的初始入滲速率、平均入滲率大于10—20 cm土層，而0—10 cm土層的穩定入滲率小于10—20 cm土層。

圖2 土壤入滲過程

圖3 土壤入滲特征

2.3 巖-土界面土壤水分入滲影響因素

已有研究表明，土壤的入滲與土壤的性質具有相關性。由表3可知，初始入滲速率、平均入滲率、穩定入滲率和入滲總量與土壤的容重呈極顯著負相關關系(<0.01)；與非毛管孔隙度呈極顯著正相關關系(<0.01)；與毛管孔隙度的相關關系顯著(<0.05，平均入滲率<0.01)；與總孔隙度呈極顯著正相關關系(<0.01，穩定入滲率<0.05)；與排水能力呈顯著正相關關系(<0.01)；與黏粒、粉粒、砂粒和含水率的相關關系不顯著(>0.05)。

表3 土壤入滲特征與各土壤屬性Spearman相關性分析

由表4可知，巖—土界面入滲特征與容重、毛管孔隙度和砂粒呈負相關關系(>0.05)，與含水率、排水能力、非毛管孔隙度、總孔隙度、黏粒和粉粒呈正相關關系(>0.05)，而與巖石的匯水面積呈極顯著負相關關系(<0.01,=-1.000)。非巖—土界面容重與初始入滲速率呈極顯著負相關關系(<0.01)，與平均入滲率、穩定入滲率和入滲總量呈顯著負相關關系(<0.05)。非巖—土界面入滲特征與毛管孔隙度呈顯著負相關關系(<0.05)，與其余指標的相關性不顯著(>0.05)。

表4 巖-土界面與非巖-土界面土壤入滲特征與各土壤屬性Spearman相關性分析

2.4 巖-土界面土壤水分入滲模型擬合

本研究采用了比較常見的3種水分入滲模型(Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型)對巖—土界面與非巖—土界面土壤的入滲過程進行優化模擬。3種入滲模型對不同巖石形狀的巖—土界面與非巖—土界面及不同土層的回歸分析結果見表5。(擬合決定系數)的數值越大，說明模型的擬合效果越好。在巖—土界面處Kostiakov模型的為0.071～0.901，平均值為0.685；Philip模型的為0.043～0.713，平均值為0.513；Horton模型的為0.116～0.985，平均值為0.785。在巖—土界面處3個模型的無論是最大值、平均值還是最小值都表現為：Horton模型>Kostiakov模型>Philip模型。這表明Horton模型能更好地模擬巖—土界面土壤的入滲能力和入滲過程，Kostiakov模型次之，Philip模型最差。相似地，在非巖—土界面處3個模型的最大值、平均值和最小值都表現為：Horton模型>Kostiakov模型>Philip模型。研究結果與徐勤學等、曾江敏等、朱列坤等研究結果一致。根據本研究結果可知，在喀斯特地區不管是在巖—土界面處還是在非巖—土界面處，Horton模型對土壤入滲的擬合效果最好，Kostiakov模型次之，Philip模型最差。

表5 巖-土界面與非巖-土界面土壤入滲模型擬合結果

3 討 論

本研究發現，相對于非喀斯特地區而言，研究區土壤的容重較小，土壤孔隙度大，具有較好的通氣性。研究區土壤的入滲能力較大，這與朱列坤等在喀斯特裂隙中對土壤入滲的研究結果相似。本研究也發現，巖—土界面處土壤的含水率、土壤容重、毛管孔隙度、砂粒和粉?？傮w上大于非巖—土界面處，但是巖—土界面處的非毛管孔隙度、總孔隙度、排水能力和黏?？傮w上均小于非巖—土界面處。究其原因是露頭巖石對雨水等具有一定的匯集作用，使巖—土界面處的土壤在長期的沖刷和濕潤環境中，其土壤容重相對于非巖—土界面較大，土壤孔隙度小。除了粉粒和砂粒外其余指標間差異最明顯的均在巖—土界面與非巖—土界面之間。

前人在喀斯特地區通過測量土壤滲透系數()和染色劑示蹤的方法對巖—土界面及非巖—土界面土壤的入滲能力進行了研究，結果發現，相比于非巖—土界面，巖—土界面處值顯著增加；染色劑往往能通過巖—土界面到達地下深處；巖石露頭通過改善土壤性質，建立連通良好的優先流網絡，可以極大地改變巖溶土壤的滲透性和水流特性。其結果與王發等、王甲榮等在喀斯特地區的研究結果相似。朱列坤等在喀斯特裂隙中的研究也發現，在入滲過程中土壤里的水會匯集到兩側巖—土界面，快速下滲。然而在本研究中發現，巖—土界面處土壤的入滲能力總體上小于非巖—土界面處，其初始入滲速率、平均入滲率、穩定入滲率小于非巖—土界面處。本研究的結果與前人的研究結果差異很大，究其原因，本研究主要揭示了巖—土界面處與非巖—土界面處土壤本身的入滲特征，研究結果是土壤本身的入滲性能，而未結合巖—土界面這一特殊條件。Sohrt等通過小規模灌溉試驗(入滲試驗)結合染料示蹤劑應用，以及土壤水分測量發現，半干旱喀斯特地區露石巖—土界面平均入滲速率(2.8 cm/min)大于非巖—土界面平均入滲速率(0.08 cm/min)，巖—土界面流具有更大的地下水補給潛力。Li等在中國西南喀斯特石漠化地區的研究發現，雨季降水引起的巖石露頭徑流通過巖—土界面滲入深層。由此結合前人的研究結果可知，巖—土界面處土壤本身的入滲能力較弱，但是巖—土界面的存在會形成優先流并能建立連通良好的優先流網絡，使巖—土界面處的入滲能力大于非巖—土界面處。但是不同形狀巖—土界面實際的入滲特性還未可知，在今后還需設計野外試驗對其進行研究。

巖石的出露對雨水具有再分配的作用，巖石形狀的不同會導致其對雨水的再分配也有所不同。在本研究中內凹形巖石的匯水面積最大，外凸形次之，平直形最小。3種形狀巖—土界面0—10 cm土層和10—20 cm土層土壤的初始入滲速率、平均入滲率和穩定入滲率均表現為平直形>外凸形>內凹形。0—10 cm土層土壤容重表現為內凹形>平直形>外凸形；總孔隙度為平直形>外凸形>內凹形。10—20 cm土層情況與0—10 cm土層相似，可見巖—土界面處土壤的入滲能力是由土壤的容重和總孔隙度共同決定的，土層深度越深，土壤容重越大，總孔隙度越小，入滲能力越弱。在巖—土界面土壤水分入滲相關性分析中發現，巖—土界面的初始入滲速率、平均入滲率、穩定入滲率與巖石的匯水面積呈極顯著負相關(<0.01,=-1.000)。巖石形狀對土壤水分入滲的影響，實則是巖石通過對雨水的再分配作用，使雨水匯集并沖刷其下部土壤。巖石的匯水面積越大，其能到達底部巖—土界面的雨水量越多，在長期的作用下土壤容重相對增大，孔隙度變小，入滲能力弱。本研究發現，土壤入滲特征與土壤容重和孔隙度的相關性強，非巖—土界面處的入滲與巖—土界面處的入滲具有相似性，即由土壤的容重和總孔隙度共同決定，研究結果與劉建偉等、李葉鑫等、徐勤學等、曾江敏等、朱列坤等的研究結果一致。用Kostiakov模型、Philip模型和Horton模型對入滲過程進行優化模擬發現，喀斯特地區不管是在巖—土界面處還是在非巖—土界面處，Horton模型對土壤入滲的擬合效果最好，Kostiakov次之，Philip模型效果最差，研究結果與徐勤學等、曾江敏等、朱列坤等研究結果一致。究其原因是Horton模型的參數因子較多，3個參數因子有實測數據，能更好地模擬喀斯特地區復雜情況下土壤的入滲特征。

4 結 論

(1)巖—土界面0—10 cm土層和10—20 cm土層土壤容重大于非巖—土界面，土壤總孔隙度小于非巖—土界面。巖—土界面含水率和毛管孔隙度總體上大于非巖—土界面，非毛管孔隙度、黏粒和排水能力總體上小于非巖—土界面。

(2)巖—土界面土壤的入滲能力總體上小于非巖—土界面，其初始入滲速率、平均入滲率、穩定入滲率小于非巖—土界面(平直形除外)。

(3)3種形狀巖—土界面0—10 cm土層和10—20 cm土層土壤的初始入滲速率、平均入滲率和穩定入滲率均表現為平直形>外凸形>內凹形。非巖—土界面土壤入滲與巖—土界面具有相似性，主要由土壤容重和總孔隙度共同決定。

(4)Horton模型對巖—土界面與非巖—土界面土壤入滲的擬合效果優于Kostiakov模型和Philip模型，能更好地模擬喀斯特地區復雜情況下土壤的入滲特征。