碎石覆蓋對土壤大孔隙的影響

碎石覆蓋對土壤大孔隙的影響

砂田是中國西北干旱地區(qū)經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐形成的獨特的保護農(nóng)業(yè)方法。這是使用碎石覆蓋表面的典型節(jié)水模式。礫石指粒徑≥2mm的礦物質(zhì)顆粒。砂田通過在土壤表面覆蓋10cm左右厚的砂礫以改善土壤的各種特性。砂田有相當長的歷史,主要分布在甘肅省中部、青海省、新疆、寧夏和陜西省的部分干旱地區(qū),是中國旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)典型。在干旱半干旱地區(qū),礫石覆蓋可在土體表面形成一個干土層來阻止毛細管水的上升,減少實際的蒸發(fā)。國內(nèi)外許多學者研究證明砂田具有增溫保墑、控制鹽堿化、減輕土壤侵蝕、抑制雜草、減少病蟲害、提高作物品質(zhì)、促進作物生長等優(yōu)良特性。世界上其他一些干旱、半干旱區(qū)也有砂田分布,如法國的Montpellier,美國的Texas、Montana和Colorado,瑞士的Chamoson以及南非等。土壤中礫石含量對土壤物理特征和水文功能產(chǎn)生不可忽視的作用,尤其是對土壤大孔隙特征、滲透及蒸發(fā)等有重要影響。砂礫覆蓋能防止土壤表面受到雨滴濺蝕,切斷土壤的毛細管作用從而對土壤入滲和蒸發(fā)規(guī)律產(chǎn)生影響。土壤大孔隙形成的優(yōu)先流改變了水土交界面的水文過程,增加了水分入滲,降低了地表徑流和土壤侵蝕,但同時降低了作物對水和養(yǎng)分利用效率,產(chǎn)生化肥或污染物的滲漏,甚至污染地下水。因此,研究砂田土壤中大孔隙和優(yōu)先流特征及其增加入滲、降低產(chǎn)流以及抑制蒸發(fā)的機制,對深入理解土壤水分運動的物理過程、提高農(nóng)業(yè)水分利用效率及發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、降低農(nóng)業(yè)成本、有效控制土壤侵蝕和污染擴散都有極為重要的科學意義和實踐價值。表層土壤在水文循環(huán)中起著極其重要的作用,降水(灌溉)入滲、徑流、蒸發(fā)、土壤水的深層滲漏等土壤水文過程都是以土壤表層為介質(zhì)不斷地發(fā)生和轉化的。國外自20世紀30年代起就開始對土壤中礫石的重要性進行評價,并對其對水文過程影響展開研究。對于砂田,礫石覆蓋增加了地表粗糙度和土壤入滲以致于徑流很少發(fā)生。因此,相關研究多集中于礫石覆蓋對土壤入滲、蒸發(fā)規(guī)律的影響。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及目前研究熱點,現(xiàn)從以下三個方面的研究進展進行回顧:礫石覆蓋對土壤特性的影響;土壤大孔隙及優(yōu)先流研究;礫石覆蓋對土壤水文過程的影響。1礫石覆蓋對土壤大孔隙結構的作用土壤中礫石對水文過程的影響主要是通過改變土壤特性如土壤容重、層次結構、孔隙度、土壤含水量和地表土壤結皮等。礫石的存在對土壤容重有較大的影響。Cerda針對礫石覆蓋度對土壤容重的影響開展的一系列研究表明,土壤中礫石含量越高,土壤容重就越小。Cerda認為這是由于礫石覆蓋增加了礫石下面土壤的有機質(zhì)含量和阻礙土壤結皮所產(chǎn)生的結果。但也有研究表明,土壤容重先隨礫石含量增加而增加,后又隨礫石含量增加而減小。礫石覆蓋形成的干土層使土體的層次結構發(fā)生改變,導致土壤的水分運移特性不同于均質(zhì)土,層狀土壤孔隙結構的不同空間分布通過影響土層含水率、水力梯度和傳導度,進而影響水分蒸發(fā)和溶質(zhì)遷移。相關研究發(fā)現(xiàn),礫石覆蓋對土壤大孔隙的半徑、數(shù)量、連通性和密度都有重要影響。Eriksson等指出礫石能通過影響土壤基質(zhì)中的大孔隙進而影響其水文特性。時忠杰等認為礫石對土壤滲透速率的影響可能是通過影響土壤孔隙的大小和數(shù)量發(fā)揮作用的。楊忠等的研究結果顯示,礫石含量高的土壤的非毛管孔隙度高,通透性較好,是土壤飽和滲透系數(shù)高的主要原因。此外,Valetin指出土壤中的礫石含量與大孔隙度存在正相關關系,Ingelmo等進一步解釋了土壤—礫石兩相界面之間大孔隙的成因,這些研究結果都表明礫石對土壤大孔隙性質(zhì)有重要影響。但在以往的研究中,很少有對礫石與土壤大孔隙之間關系作出直接的解釋,而且以往對土壤大孔隙的研究也多是在土壤質(zhì)地相對均一的條件下進行的,對土壤中石礫在土壤大孔隙形成中作用的研究還相對缺乏,有必要在典型區(qū)域開展研究。土壤中礫石的存在對地表土壤結皮也有影響,Poesen和Lavee研究了礫石在土壤中不同位置對地表結皮的影響,結果表明,對于細沙土,礫石覆蓋于地面時,可顯著降低地表的土壤結皮強度。2土壤大孔隙的界定土壤大孔隙是受干濕交替、凍融變化、根系枯萎、動物活動及人為耕作等因素的影響,在土體內(nèi)形成使水分和溶質(zhì)優(yōu)先遷移的物理孔隙。大量研究表明,大孔隙普遍存在于自然界的土壤中,雖然僅占土壤體積的0.1%~5%,但對降水或灌溉水的入滲及溶質(zhì)運移影響深刻。土壤大孔隙的存在,使進入土壤中的水分形成優(yōu)先流(preferentialflow),繞過土壤基質(zhì),快速到達土壤深層或補給地下水,土壤水分運移過程不再符合均一介質(zhì)下的Darcy定律。大孔隙所形成的優(yōu)先流成為土壤深層水分的唯一可能來源。20世紀80年代以來,土壤大孔隙結構和優(yōu)先流現(xiàn)象逐漸成為土壤物理學、生態(tài)水文學和水文土壤學的研究熱點,對土壤大孔隙和優(yōu)先流運動的定義、試驗觀測、成因分析及溶質(zhì)運移過程的模擬陸續(xù)開展。土壤大孔隙的定義是研究大孔隙形態(tài)結構和功能的基礎,但目前關于土壤大孔隙的定義仍有分歧。例如,Luxmoore等把土壤大孔隙假設為毛管狀,將毛管勢大于-300Pa,當量孔徑在1mm以上的孔隙定義為大孔隙。根據(jù)流速的差異,Skopp認為大孔隙是可以提供優(yōu)先水流路徑的團聚體間孔隙,土壤脹縮形成的裂隙、根孔及動物孔穴。從流體動力學的角度,Beven將土壤大孔隙界定為能傳導非平衡管道水流的非毛管孔隙,孔隙內(nèi)水流主要受重力勢的控制,與毛管勢和基質(zhì)勢關系不大,據(jù)此Radulovich等將介于田間持水量與飽和持水量之間的孔隙界定為大孔隙。國內(nèi)多數(shù)學者將土壤大孔隙定義與其功能相聯(lián)系,即能夠提供優(yōu)先水流路徑,介于田間持水量與飽和持水量之間的孔隙。不同地區(qū)、不同覆被下的土壤大孔隙成因、特征差異很大,進而產(chǎn)生了不同的土壤水文過程特征和生態(tài)水文效應。試驗觀測是認識和研究大孔隙結構及其優(yōu)先流的手段,目前主要通過室內(nèi)試驗和田間試驗的方法分析土壤大孔隙及優(yōu)先流特征。田間試驗方法包括染色法和CT掃描法。其中,染色法是野外觀測土壤大孔隙和優(yōu)先流常用的一種方法,是將染料與水分混合,模擬降雨過程使染色劑滲入土壤,根據(jù)土體染色特征,描繪土壤剖面大孔隙網(wǎng)絡形態(tài),測量和計算孔隙大小、數(shù)量和體積。染色劑必須有良好的可視性和移動性,常用染料有亮藍、亞甲基藍等。染色后對大孔隙結構的分析可通過野外剖面描繪、拍照或制作切片后室內(nèi)分析等途徑。由于土壤表面不平整,肉眼分辨力有限,目視分析準確性較差。拍照分析是將土壤剖面分成幾個斷面,進行攝像,對孔隙數(shù)量、面積進行解譯,精度較高,對土壤結構破壞小,是一種可行的分析方法。CT掃描法是利用X射線層析掃描攝像,分析土壤大孔隙,比較簡便快捷,但費用較高。室內(nèi)試驗方法是把大孔隙結構視作一個整體,根據(jù)溶質(zhì)遷移和水流特征,通過土柱模擬試驗,結合基本水流理論和Poiseuille公式,推算土壤大孔隙的形態(tài)結構。通過田間試驗可直觀描述和測量大孔隙的個體形態(tài)和實際大小,但不能反映大孔隙間的連通性,與優(yōu)先流發(fā)生過程聯(lián)系不緊密。而室內(nèi)試驗則把土體內(nèi)大孔隙作為一個整體,根據(jù)優(yōu)先流特征推算土壤大孔隙的形態(tài)特征,由于土壤孔隙內(nèi)水流速度取決于孔徑最小的孔隙,計算結果小于直接測定的結果。當前研究多通過單一方法對土壤大孔隙和優(yōu)先流進行分析,缺少田間試驗與室內(nèi)實驗的對比研究,未能從物理過程上分析大孔隙影響入滲和產(chǎn)流的機制。綜上所述,目前對大孔隙的定義尚存在分歧,由于研究目的不同以致觀測手段也各不相同。水和溶質(zhì)的運移過程模擬更是建立在多個理論假設基礎上的探索,導致研究結果與實際情況差異較大。3礫石覆蓋對蒸發(fā)的影響地表礫石覆蓋對入滲規(guī)律的影響研究主要從野外小區(qū)試驗和室內(nèi)模擬試驗兩方面展開的。且這兩方面的研究結果都表明,土壤表面礫石覆蓋對入滲的影響比較復雜。李小雁野外小區(qū)試驗結果表明,砂礫覆蓋能夠改變土壤的水文過程,提高土壤導水率,從而減少蒸發(fā)和產(chǎn)流,提高入滲。他通過測定小區(qū)不同土壤深度的水勢和基質(zhì)勢發(fā)現(xiàn):在較淺土壤層,礫石覆蓋小區(qū)的水勢和基質(zhì)勢比對照小,但在較深土壤層,礫石覆蓋小區(qū)的水勢和基質(zhì)勢比對照小區(qū)的大,表明礫石覆蓋的小區(qū)有較高的入滲。他認為砂礫覆蓋能夠截留雨水,消弱雨滴濺蝕力,阻止側滲,另外,礫石覆蓋能夠防止土壤表面密封和結皮,增加地表粗糙度,從而增加入滲。Cerda室內(nèi)模擬試驗研究了瑞典東南部地區(qū)砂礫覆蓋對入滲特性的影響,結果表明土壤穩(wěn)滲率與礫石覆蓋度之間為正相關關系。他認為土體和礫石之間的孔隙有利于入滲水快速向深層土壤滲透。同時砂礫能攔蓄大量雨水,故而土壤中砂礫含量越高,越有利于植被根系的生長和孔隙的發(fā)育,從而使得土壤入滲率越高。礫石覆蓋能夠有效地抑制蒸發(fā)。由于礫石覆蓋能在土體表面形成一個干土層,干土層能阻止毛管水的上升從而減少實際蒸發(fā)。對此,一些學者進行了深入研究,發(fā)現(xiàn)礫石粒徑和厚度對水文過程等產(chǎn)生影響。如劉謙和等研究了不同礫石組成和覆蓋厚度砂田的水分蒸發(fā)、土溫變化特性,確定了最佳的礫石組成和覆蓋厚度;陳士輝等在甘肅省皋蘭縣的研究結果表明,礫石粒徑愈大,砂田土壤蒸發(fā)愈多。Wesemael等通過室內(nèi)模擬試驗發(fā)現(xiàn),當土壤初始濕潤時,在蒸發(fā)初始階段礫石覆蓋能顯著降低土壤蒸發(fā)深度,但是當土壤初始干燥時,在得到較少降雨時,礫石覆蓋會使得蒸發(fā)顯著高于無礫石覆蓋。因此,礫石覆蓋對蒸發(fā)的影響表現(xiàn)為在濕潤時降低蒸發(fā)和干燥時增加蒸發(fā)。前人主要采用實驗室土柱模擬試驗研究礫石覆蓋對蒸發(fā)的影響,研究結果表明,砂礫覆蓋能夠抑制蒸發(fā),抑制效果與砂礫粒徑大小、顏色和厚度等有關。Diaz等采用土柱模擬試驗研究了不同厚度礫石覆蓋對土壤蒸發(fā)的影響,研究結果表明:10cm厚的礫石覆蓋的抑制蒸發(fā)效果要優(yōu)于5cm的。謝忠奎等模擬研究了不同厚度和不同粒徑礫石覆蓋對蒸發(fā)的抑制效果。在研究過程中,大部分學者作累計蒸發(fā)量或累計蒸發(fā)率與時間關系圖,通過一定時段內(nèi)累計量的比較表明砂石覆蓋抑制蒸發(fā)的作用效果。另有一部分學者作單位時段內(nèi)蒸發(fā)量與時間關系圖,通過相同時段內(nèi)蒸發(fā)量的比較表明作用效果。由此可見,大部分學者都是通過稱重法獲得累積蒸發(fā)量隨時間的關系,從而來研究砂石覆蓋對土壤蒸發(fā)的影響,較少關注砂石覆蓋對蒸發(fā)過程和土壤水分的再分布規(guī)律的影響,因此有必要加強此方面的研究。4礫石覆蓋對雨水入滲的影響砂田我國西北干旱區(qū)應用廣泛,并取得了顯著的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益。李小雁和陳士輝等的研究表明,砂田土壤由于礫石覆蓋土壤水分入滲速率顯著增加,土壤蒸發(fā)受到抑制。吳繼強等用物理模擬試驗研究了大孔隙對土壤水分入滲特性影響,研究表明,土壤飽和入滲性能在很大程度上依賴于能導水的大孔隙的大小和數(shù)量。時忠杰等和關紅杰等研究了土壤中礫石對滲透性和蒸發(fā)的影響。此外,砂田退化程度影響著土壤水文過程,如增加入滲和抑制蒸發(fā)性能的降低勢必造成水分利用效率的降低。這些研究為土壤大孔隙優(yōu)先流發(fā)生過程的監(jiān)測提供了可借鑒的試驗方法,為揭示礫石覆蓋促進降雨入滲的機理,以及評價農(nóng)田調(diào)控徑流、保持水土、抑制蒸發(fā)的水文生態(tài)功能提供了研究思路、方法和手段。綜上所述,礫石覆蓋土壤能增加大孔隙并促進降水入滲,加快壤中流的發(fā)生,減少徑流和抑制蒸發(fā),改變了土壤水文循環(huán)過程,土壤水文生態(tài)功能也隨之改變。但國內(nèi)對礫石覆蓋土壤大孔隙特征和優(yōu)先流的研究尚處于定性和半定量研究階段,缺少礫石覆蓋下土壤大孔隙及優(yōu)先流的變化對土壤入滲和蒸發(fā)等水文過程影響的相關分析,有必要在典型區(qū)域開展研究。5關于砂田退化程度的研究礫石覆蓋對土壤大孔隙的形成具有重要作用。土壤表層覆蓋礫石通過影響土壤容重、層次結構、孔隙度、土壤含水量和地表結皮數(shù)量,進而影響土壤水文過程。土壤大孔隙是可以提供優(yōu)先水流路徑的孔隙。礫石覆蓋對土壤大孔隙的半徑、數(shù)量、連通性和密度都有重要影響。大孔隙的研究方法可分為直接觀測法和間接描述法,其各有適用性和局限性。揭示這些實驗方法的優(yōu)點