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(shí)踐形成的獨(dú)特的保護(hù)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(dāng)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(gè)干土層來阻止毛細(xì)管水的上升,減少實(shí)際的蒸發(fā)。國內(nèi)外許多學(xué)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(jìn)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(xì)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(shí)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(jī)制,對深入理解土壤水分運(yùn)動(dòng)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(kuò)散都有極為重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)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(zhuǎn)化的。國外自20世紀(jì)30年代起就開始對土壤中礫石的重要性進(jìn)行評價(jià),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(guān)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(diǎn),現(xiàn)從以下三個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、孔隙度、土壤含水量和地表土壤結(jié)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(rèn)為這是由于礫石覆蓋增加了礫石下面土壤的有機(jī)質(zhì)含量和阻礙土壤結(jié)皮所產(chǎn)生的結(jié)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(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致土壤的水分運(yùn)移特性不同于均質(zhì)土,層狀土壤孔隙結(jié)構(gòu)的不同空間分布通過影響土層含水率、水力梯度和傳導(dǎo)度,進(jìn)而影響水分蒸發(fā)和溶質(zhì)遷移。相關(guān)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(jìn)而影響其水文特性。時(shí)忠杰等認(rèn)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(jié)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(guān)關(guān)系,Ingelmo等進(jìn)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(jié)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(guān)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(jìn)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(jié)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(jié)皮的影響,結(jié)果表明,對于細(xì)沙土,礫石覆蓋于地面時(shí),可顯著降低地表的土壤結(jié)皮強(qiáng)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(dòng)物活動(dòng)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(yùn)移影響深刻。土壤大孔隙的存在,使進(jìn)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(dá)土壤深層或補(bǔ)給地下水,土壤水分運(yùn)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(jì)80年代以來,土壤大孔隙結(jié)構(gòu)和優(yōu)先流現(xiàn)象逐漸成為土壤物理學(xué)、生態(tài)水文學(xué)和水文土壤學(xué)的研究熱點(diǎn),對土壤大孔隙和優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)的定義、試驗(yàn)觀測、成因分析及溶質(zhì)運(yùn)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(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ),但目前關(guān)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(shè)為毛管狀,將毛管勢大于-300Pa,當(dāng)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(rèn)為大孔隙是可以提供優(yōu)先水流路徑的團(tuán)聚體間孔隙,土壤脹縮形成的裂隙、根孔及動(dòng)物孔穴。從流體動(dòng)力學(xué)的角度,Beven將土壤大孔隙界定為能傳導(dǎo)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(guān)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(xué)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(jìn)而產(chǎn)生了不同的土壤水文過程特征和生態(tài)水文效應(yīng)。試驗(yàn)觀測是認(rèn)識和研究大孔隙結(jié)構(gòu)及其優(yōu)先流的手段,目前主要通過室內(nèi)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)的方法分析土壤大孔隙及優(yōu)先流特征。田間試驗(yàn)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(luò)形態(tài),測量和計(jì)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(dòng)性,常用染料有亮藍(lán)、亞甲基藍(lán)等。染色后對大孔隙結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確性較差。拍照分析是將土壤剖面分成幾個(gè)斷面,進(jìn)行攝像,對孔隙數(shù)量、面積進(jìn)行解譯,精度較高,對土壤結(jié)構(gòu)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(fèi)用較高。室內(nèi)試驗(yàn)方法是把大孔隙結(jié)構(gòu)視作一個(gè)整體,根據(jù)溶質(zhì)遷移和水流特征,通過土柱模擬試驗(yàn),結(jié)合基本水流理論和Poiseuille公式,推算土壤大孔隙的形態(tài)結(jié)構(gòu)。通過田間試驗(yàn)可直觀描述和測量大孔隙的個(gè)體形態(tài)和實(shí)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(yàn)則把土體內(nèi)大孔隙作為一個(gè)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(jì)算結(jié)果小于直接測定的結(jié)果。當(dāng)前研究多通過單一方法對土壤大孔隙和優(yōu)先流進(jìn)行分析,缺少田間試驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(jī)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(yùn)移過程模擬更是建立在多個(gè)理論假設(shè)基礎(chǔ)上的探索,導(dǎo)致研究結(jié)果與實(shí)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(yàn)和室內(nèi)模擬試驗(yàn)兩方面展開的。且這兩方面的研究結(jié)果都表明,土壤表面礫石覆蓋對入滲的影響比較復(fù)雜。李小雁野外小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果表明,砂礫覆蓋能夠改變土壤的水文過程,提高土壤導(dǎo)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(rèn)為砂礫覆蓋能夠截留雨水,消弱雨滴濺蝕力,阻止側(cè)滲,另外,礫石覆蓋能夠防止土壤表面密封和結(jié)皮,增加地表粗糙度,從而增加入滲。Cerda室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了瑞典東南部地區(qū)砂礫覆蓋對入滲特性的影響,結(jié)果表明土壤穩(wěn)滲率與礫石覆蓋度之間為正相關(guān)關(guān)系。他認(rèn)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(shí)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(gè)干土層,干土層能阻止毛管水的上升從而減少實(shí)際蒸發(fā)。對此,一些學(xué)者進(jìn)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(jié)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(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)土壤初始濕潤時(shí),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(dāng)土壤初始干燥時(shí),在得到較少降雨時(shí),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(shí)降低蒸發(fā)和干燥時(shí)增加蒸發(fā)。前人主要采用實(shí)驗(yàn)室土柱模擬試驗(yàn)研究礫石覆蓋對蒸發(fā)的影響,研究結(jié)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(guān)。Diaz等采用土柱模擬試驗(yàn)研究了不同厚度礫石覆蓋對土壤蒸發(fā)的影響,研究結(jié)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(xué)者作累計(jì)蒸發(fā)量或累計(jì)蒸發(fā)率與時(shí)間關(guān)系圖,通過一定時(shí)段內(nèi)累計(jì)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(xué)者作單位時(shí)段內(nèi)蒸發(fā)量與時(shí)間關(guān)系圖,通過相同時(shí)段內(nèi)蒸發(fā)量的比較表明作用效果。由此可見,大部分學(xué)者都是通過稱重法獲得累積蒸發(fā)量隨時(shí)間的關(guān)系,從而來研究砂石覆蓋對土壤蒸發(fā)的影響,較少關(guān)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(qiáng)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(yīng)用廣泛,并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、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(qiáng)等用物理模擬試驗(yàn)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(dǎo)水的大孔隙的大小和數(shù)量。時(shí)忠杰等和關(guān)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(yàn)方法,為揭示礫石覆蓋促進(jìn)降雨入滲的機(jī)理,以及評價(jià)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(jìn)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(guān)分析,有必要在典型區(qū)域開展研究。5關(guān)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(jié)構(gòu)、孔隙度、土壤含水量和地表結(jié)皮數(shù)量,進(jìn)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(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)