喀斯特区不同植被覆盖类型土石混合工程堆积体坡面入渗特征

Infiltration characteristics of slopes of soil-rock engineering accumulation bodies under different vegetation cover types in karst areas

摘要

目的 揭示喀斯特地区不同植被覆盖类型对土石混合工程堆积体坡面入渗特征的影响机制，为解决该区域工程堆积体水土流失防治和生态修复中的入渗调控难题提供科学依据。 方法 通过双环入渗试验，对贵州省喀斯特区不同恢复年限（3 a，5 a，7 a）、不同植被覆盖类型（草地、草灌混交地）土石混合工程堆积体坡面入渗特征进行了研究，并通过主成分分析法，对其入渗性能进行研究分析。 结果 （1） 堆积体坡面入渗过程表现为先快速下降后逐步趋于稳定，Horton模型适宜模拟此过程。（2） 植物措施对堆积体坡面水分入渗性能有明显的改善作用，植被恢复类型为草灌混交地的堆积体在土壤水分入渗性能方面优于草地。（3） 堆积体坡面土壤水分入渗受多因素共同影响，与非毛管孔隙度、有机质、地上生物量相关性显著。（4） 堆积体土壤入渗特征与其物质组成及基本特性关系复杂，需深入研究相互作用机制及考虑其他影响因素。 结论 喀斯特区土石工程堆积体坡面入渗性能受多因素影响，草灌混交作为一种理想的植被搭配模式，有利于改善土石混合工程堆积体的入渗性能。

Abstract

Objective This study aims to reveal the effects of different vegetation cover types on infiltration characteristics of the slopes of soil-rock engineering accumulation bodies in karst areas， providing a scientific basis for addressing the challenges of infiltration regulation in soil erosion prevention and control and ecological restoration of the accumulation body in these areas. Methods This study conducted double-ring infiltration experiments to investigate the infiltration characteristics of the slope of soil-rock engineering accumulation body with different restoration periods （3 a， 5 a， 7 a） and different vegetation cover types （grassland and grass-shrub mixture） in the karst area of Guizhou Province. Principal component analysis （PCA） was applied to further analyze its infiltration performance. Results （1） The infiltration process in the slope of the accumulation body showed a rapid initial decline followed by a gradual stabilization， and the Horton model was found suitable for simulating this process. （2） Vegetation measures significantly improved the water infiltration performance on the slope of accumulation body. The vegetation restoration type of grass-shrub mixture was better than grassland in terms of soil water infiltration. （3） Soil water infiltration on the slope of accumulation body was jointly affected by multiple factors， showing significant correlations with non-capillary porosity， organic matter， and aboveground biomass. （4） The correlation of infiltration characteristics of the accumulation body with material composition and basic characteristics was complex， indicating the need for further study of interaction mechanism and consideration of additional influencing factors. Conclusion The infiltration performance of the slopes of soil-rock engineering accumulation bodies in karst areas is affected by multiple factors. As an ideal vegetation pattern， grass-shrub mixture helps improve their infiltration performance.

Graphical abstract

关键词

喀斯特区 / 土石混合工程堆积体 / 入渗 / 生态修复

Key words

karst area / soil-rock engineering accumulation body / infiltration / ecological restoration

我国经济的快速增长伴随着众多工程建设项目的崛起，不仅占用了大量土地，还产生大量废弃土石，进一步造成严重水土流失，破坏生态环境，喀斯特区这一现象尤为突出。土壤水分亏缺是影响植被恢复的重要非生物胁迫之一^［1］，土壤水分入渗是水文循环的重要组成部分^［2-3］，且坡面产流产沙与其入渗关系密切^［4］。工程堆积体的物质组成和入渗性能均较原地貌存在明显差异性，整体来看，工程堆积体坡面入渗率随时间变化呈快速减小、缓慢减小、稳定入渗3个阶段^［5］。

诸多因素影响着工程堆积体坡面入渗，其中，石砾对堆积体坡面入渗能力有明显的影响作用^［6］，有研究表明堆积体坡面入渗量随石砾含量增加而增加^［7］；有研究者发现，堆积体的砾石可以减缓砂土入渗，却加速黏土入渗，而壤土初始入渗和稳定入渗均随砾石质量分数增大而递增^［8］；李叶鑫等^［9］发现，堆积体下垫面稳定入渗率及达到稳定入渗的时间均与其碎石含量呈正相关的关系；Lv等^［7］也发现随着砾石质量分数增加，堆积体的稳定入渗速率显著增大；甘凤玲等^［10］却发现，堆积体入渗能力随碎石含量的变化呈不规律的变化；而Gong等^［11］进一步指出，堆积体稳定入渗率受砾石含量和坡度的共同影响；甚至有学者研究堆积体粗、巨颗粒富集位置对其降雨入渗的影响，得出坡脚处粗、巨颗粒富集对坡中富集入渗影响更大的结论^［12］。同时，Jiang等^［13］研究发现堆积体坡面入渗量和入渗系数随坡度的增加而减小；倪含斌等^［14］指出，随着坡度增大，工程堆积体坡面产流越快、入渗过程越不稳定，而坡长越长，产流越慢、入渗率变化越大；李叶鑫等^［15］通过双环入渗法对弃渣场入渗特征进行研究发现，弃渣场入渗性能随着恢复年限的增加有明显改善，且逐渐接近试验场地周边的桑树林地；Peng等^［16］亦通过双环入渗法对生产建设项目扰动形成的各种地貌类型入渗特征进行研究，结果显示，与试验场地原地貌相比较，建设活动改变了原地貌的渗透能力，稳定入渗率出现了明显的下降；降雨强度对工程堆积体入渗性能的影响因堆积体类型的不同而呈现出不同的规律，赵暄等^［17］通过室内模拟降雨试验对陕西杨凌周边生产建设项目弃土堆置体进行了研究，结果显示平均入渗率、平均径流率、平均侵蚀速率与降雨强度呈线性相关；刘志鹏等^［18］对天府矿区的煤矿堆积体研究发现，工程堆积体的入渗速率在降雨条件下变小，且不同降雨强度对工程堆积体的入渗速率影响不同。另一方面，杨国敏等^［19］利用稳定性同位素示踪技术，分析了排土场土壤水分的稳定性同位素特征，矿区土壤中活塞流和优先流并存于降水入渗过程中，从而有利于对深层土壤水分或地下水的补给。

研究工程堆积体土壤水分入渗特征是了解掌握其水文特性，提高其水分利用效率，防治工程堆积体水土流失的基础。因此，本研究以喀斯特区不同植被覆盖类型土石混合工程堆积体为研究对象，采用双环入渗法研究堆积体坡面入渗特征，并对其入渗性能进行评价，以期为喀斯特区工程堆积体植被恢复重建和区域生态恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省贵阳市花溪区，地理坐标为东经106°27′—106°52′，北纬26°11′—26°34′。花溪区地处长江、珠江分水岭，苗岭山脉中段，海拔在999~1 656 m。花溪区地质构造为扬子准地台次级构造单元黔北台隆遵义断拱之贵阳复杂构造变形区，出露有泥盆纪、石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪、第四纪红色黏土（老风化壳）等不同地质年代的岩层母质；地貌类型以山地和丘陵为主。区内年平均气温15.6 ℃，年降水量1 450.8 mm，年日照时数1 287.4 h，全年无霜期270 d，气候类型属于典型中亚热带湿润季风气候区，同时又具有高原型季风气候的特点，因此其具有气候温和、雨热同期、降水充沛、降水夏秋多冬春少等特点。区域内植被类型为中亚热带常绿阔叶林植被带，森林覆盖率为55.54%（2023年）。地表土壤以黄壤、石灰土及水稻土为主。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤理化性质测定

试验于2019年5月进行。采用五点法在堆积体坡面布置采样点，采样点位于植物样方内。首先，用镰刀及锄头等工具轻轻将地表枯落物去除，然后用200 cm³的环刀分五层（A：0—10 cm，B：10—20 cm，C：20—40 cm，D：40—60 cm，E：60—80 cm）采集地表土壤原状土，用于测定土壤容重、含水率及饱和导水率，每个土层采集3个环刀样；另外用自封袋在各层采集3 kg左右的土石混合样，带回室内风干后测定石砾组成、土壤机械组成、团聚体及基本理化性质。土壤容重和孔隙度采用环刀法，土壤机械组成采用鲍氏比重计法（土壤粒级分级采用美国制），土壤有机质采用重铬酸钾外加热法，土壤非水稳性团聚体采用干筛法、水稳性团聚体采用湿筛法（采用国标LYT1227-1999）。

1.2.2 土壤入渗过程

采用野外双环原位入渗法测定堆积体土壤水分入渗速率，测定指标有：初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率及渗透总量。双环入渗仪由两个不同规格的金属环（内环直径为15 cm，外环直径为30 cm）及两个马里奥特管组成，水头高为5 cm。入渗试验于堆积体边坡坡上、坡中及坡下开展，每个位置选择3个入渗试验点。试验步骤主要为：

（1） 在堆积坡面上选择局部较为平缓的地面作为入渗试验点，然后将双环入渗仪垂直缓缓打入地表10 cm深，安装好试验仪器，并准备好秒表及试验记录表，然后同时向与内外环连接的马里奥特管里加水；

（2） 计时开始，不断向连接的马里奥特管里加水且始终保持内外环水位一致，同时记录每次内环加水量，试验前10 min内每次记录间隔时间为1 min，第10—20 min时段内每间隔2 min记录一次，第20—60 min时段内每间隔5 min记录一次，直到入渗稳定；每个堆积体重复三次，分别位于在坡顶、坡中及坡下。

（3） 因为各个堆积体试验时间不一致，试验时温度存在一定差异，因此，在结果计算时要矫正水温。堆积体入渗速率计算公式如下：

R=\mathrm{10}Q/ST（1）

式中：R为入渗率（mm/min）；10为cm与mm之间的转换系数；Q为时间段T内的入渗量（ml）；S为入渗面积，即内环面积（176.63 cm²）；T为时段（min）。

（4） 初始入渗率为最初入渗量与最初入渗时间（2 min）的比值，稳定入渗率为入渗量趋于稳定时的入渗速率，平均入渗率为达到稳渗时的入渗总量与达到稳渗时间的比值，渗透总量为试验过程中入渗量与内环横截面积的比值。

1.2.3 入渗性能评价

主成分分析法能够从多个原始变量中提取出少量、不相关且综合的抽象指标，以便对分析对象进行定性评价。因此，本研究采用主成分分析方法对堆积体入渗性能进行评价分析，尽量排除因依赖单一入渗指标带有的偶然性和局限性，全面准确反映实际情况。主要通过SPSS软件对堆积体初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率及渗透总量4个主要指标进行主成分分析，进一步对其入渗性能进行综合评价。

数据分析通过SPSS分析软件完成，图表通过Excel 2010制作完成。

2 结果与分析

2.1 入渗过程

图1是堆积体土壤入渗拟合过程。由图可知，恢复3 a的草地入渗率最初快速下降出现在第4 min，其值从7.08 mm/min下降到5.66 mm/min；而土壤入渗率最终在第85 min后趋于稳定，稳定值为2.03 mm/min；草灌混交地入渗率最初快速下降出现在第5 min，其值从17.55 mm/min下降到15.85 mm/min；而土壤入渗率最终在第70 min后趋于稳定，稳定值为5.32 mm/min。恢复5 a草地入渗率最初快速下降出现在第1 min，其值从13.25 mm/min下降到8.61 mm/min；而土壤入渗率最终在第90 min后趋于稳定，稳定值为3.49 mm/min；草灌混交地入渗率最初快速下降出现在第2 min，其值从37.82 mm/min下降到33.34 mm/min；而土壤入渗率最终在第75 min后趋于稳定，稳定值为16.00 mm/min。恢复7 a草地入渗率最初快速下降出现在第2 min，其值从36.23 mm/min下降到32.27 mm/min；而土壤入渗率最终在第70 min后趋于稳定，稳定值为16.32 mm/min；草灌混交地入渗率最初快速下降出现在第3.5 min，其值从80.77 mm/min下降到69.83 mm/min；而土壤入渗率最终在第75 min后趋于稳定，稳定值为27.53 mm/min。整体而言，堆积体土壤入渗率在初始阶段会经历一个快速下降的过程，随后逐渐趋于稳定。不同恢复年限和植被覆盖类型的土壤入渗率存在显著差异，恢复年限越长、植被覆盖类型越丰富的土壤入渗率越高。

2.2 入渗过程模型拟合

对不同样地的回归模型拟合优度进行了对比分析，采用了Horton模型、Kastiakov模型和Philip模型3种不同的土壤入渗模型进行拟合，并通过决定系数（R²）这一关键指标来评估各模型的拟合效果（表1）。由表可知，各样地回归模型的拟合优度存在差异，Horton模型拟合的决定系数在0.787~0.984，均值为0.914；Kastiakov模型和Philip模型为幂函数，Kastiakov模型拟合的决定系数在0.819~0.951，均值为0.896；Philip模型拟合的决定系数分别在0.556~0.950，均值为0.760。其中，Horton模型拟合相关系数均值最大，达到0.914，拟合效果最优，这说明Horton模型在描述堆积体入渗过程时具有更高的准确性和适用性，更适宜于堆积体入渗过程的模拟，可以作为喀斯特区土石混合工程堆积体边坡入渗的适宜性模型。

2.3 入渗特征

表2为工程堆积体水分入渗特征。由表可知，恢复3 a，5 a和7 a的堆积体土壤初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率及渗透总量均表现为草灌混交地>草地，且植被覆盖类型为草地的堆积体不同恢复年限的初始入渗速率表现为差异显著。对于恢复3 a的堆积体，植被覆盖类型为草灌混交地的渗透总量为82.55 mm，是草地（32.80 mm）的2.52倍；对于恢复5 a的堆积体，植被覆盖类型为草灌混交地的渗透总量为239.83 mm，是草地（43.61 mm）的5.50倍；对于恢复7 a的堆积体，植被覆盖类型为草灌混交地的渗透总量为409.85 mm，是草地（207.77 mm）的1.97倍；反映出灌木的生长能够明显提升堆积体坡面渗透总量，可能是由于灌木根系形成和发育增加了堆积体内部的空隙，为水分运移提供了通道。同时，无论堆积体植被覆盖类型为草地还是草灌混交地，堆积体土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及渗透总量均随恢复年限的增加而增大。整体来看，植物措施对于工程堆积体水分入渗性能有明显的改善作用，其中最为理想的是草灌混交；且工程堆积体坡面水分入渗性能随着恢复年限的增加有明显的改善，尤其对草灌混交地这一植被恢复类型改善作用最为明显，反映出草灌混交这一植被搭配模式有利于改善初期土石混合工程堆积体坡面入渗性能。

2.4 入渗影响因素分析

堆积体土壤水分入渗是一个复杂过程，其入渗能力不仅受土壤质地、土壤结构特征、土壤有机质、土壤类型及土地利用方式等方面的影响，还受其内部参杂各种碎石和地表植被的影响。表3为堆积体土壤水分入渗特征与其物质组成及基本特性相关性分析表。可以看出，工程堆积体初始入渗率、稳定入渗速率、平均入渗速率、渗透总量与非毛管孔隙度、有机质、地上生物量之间呈正相关关系，其中与有机质、地上生物量之间呈极显著（p<0.01）正相关，稳定入渗速率、平均入渗速率、渗透总量与非毛管孔隙度之间呈显著（p<0.05）正相关。与土壤容重、自然含水率、Simpson指数之间呈负相关关系，其中与Simpson指数呈极显著（p<0.01）负相关。

2.5 工程堆积体入渗性能评价

相关性分析表明，堆积体入渗速率与许多基本特性存在相关性，但是由于各因子对堆积体入渗速率的影响存在交互作用，不能准确地反映堆积体的基本入渗性能。因此，本研究通过SPSS软件对堆积体初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率及渗透总量4个主要指标进行主成分分析（表4），进一步对工程堆积体入渗性能进行综合评价。结果表明：第一主成分和第二主成分为98.987%，几乎解释了整个方差；其中，第一主成分贡献率达到了98.443%，特征值为3.938，对方差能全面解释，其主成分方程为p=0.250a+0.250b+0.254c+0.254d（a，b，c，d代表各指标标准化数据）。通过主成分方程计算各堆积体渗透能力得分值（表5），可以看出，3个不同恢复年限的堆积体入渗能力均表现为草灌混交地>草地，与入渗速率规律一致。整体来看，草灌混交地排序整体靠前，反映出这一植被覆盖类型对于工程堆积体入渗性能具有明显的提高，尤其随着恢复时间的增加效果更加明显，可考虑作为其植被恢复初期的植被恢复模式。

3 讨 论

土壤的入渗性能是衡量其水文特征的关键指标之一，并对土壤侵蚀过程产生显著影响，能够在很大程度上体现其水土保持能力^［20］。土壤入渗是一个受土壤结构、土壤质地、降水强度及地表植被等多因素影响的物理过程^［21］，初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率及渗透总量常常作为土壤渗透性能的评价指标^［14］。本研究结果显示，土石混合工程堆积体入渗率整体较大，且达到稳定入渗的时间也较长，这主要是由于堆积体松散的土壤结构、土石间、碎石间的优先路径造成的^［15］。另外，本研究发现，随恢复年限的增加，植被覆盖类型为草地及草灌混交的工程堆积体土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及渗透总量均逐渐增大，其原因可能是由于植被恢复年限越长，植物根系系统越发育，导致入渗过程中优先流现象更加明显^［22］，从而增加了其入渗率；而于亚莉等^［23］研究却发现堆积体边坡处的稳定入渗率则随植被恢复年限的增加呈先减小后增大趋势，分析其原因可能是由于其研究的堆积体恢复时间较短造成的。有研究指出容重、有机质、孔隙状况以及水稳性团聚体是影响土壤入渗性能的重要因素^［24］，本研究发现，工程堆积体土壤入渗速率与非毛管孔隙度、有机质、地上生物量之间呈正相关关系，其中与有机质、地上生物量之间呈极显著（p<0.01）正相关；与土壤容重、自然含水率、Simpson指数之间呈负相关关系；李叶鑫等^［9］研究指出紫色丘陵区堆积体下垫面渗透性能与容重呈显著负相关，与总孔隙度、非毛管孔隙度呈显著正相关，而与毛管孔隙度的相关关系不显著；与本研究结果出现差异的原因可能是堆积体特殊的内部构造形态及不同植被根系造成的，因为不同植被根系的生长发育存在的差异会作用于土壤的机械组成，进一步对土壤容重和孔隙结构造成影响^［25］。因而，今后应加强堆积体内部构造形态和植被根系生长及分布状况的研究。

另一方面，本研究表明，植被覆盖类型为草灌混交的工程堆积体入渗性能评价结果最好，可见，草灌混交对于工程堆积体入渗性能具有明显的改善，可以建议作为堆积体早期植被恢复的首选模式；同时，随着恢复时间的增加堆积体性能逐渐增强，李叶鑫等^［15］及Peng等^［16］研究均表明植被覆盖及恢复年限的增加对于工程堆积体入渗性能有较好的改善作用，均与本研究结论相同。然而，有学者指出，当降雨导致边坡土体达到饱和状态时，如果植被覆盖度较高，其根系的过度发育反而可能成为诱因，引发坡体与植被的整体性破坏，进而增强坡体的致灾潜力^［26］，而堆积体边坡土石比直接影响其入渗性能，因此，堆积体边坡土石比与植被覆盖度的搭配是今后研究的重点。另外，本研究发现，Horton模型对喀斯特区土石混合工程堆积体边坡入渗拟合效果最优，一些学者在研究紫色丘陵区堆积体入渗过程时也发现Horton模型是适宜性模型^［9，23］，然而，李叶鑫等^［15］分析和评价不同恢复年限弃渣场入渗特征时却发现Kastiakov模型的拟合效果最佳。究其原因，可能是由于各种入渗模型适用场景有所差异，Kastiakov模型适用于高入渗率土壤，Philip模型对均质土壤垂直入渗有效但受前期含水量影响大，而Horton模型对入渗速率的大幅变化适应不强^［27］，且工程堆积体物质组成复杂且极度不均匀直接影响到了试验研究结果。因此，今后需要加强不同类型的堆积体在不同的试验设计下入渗拟合研究，以期探寻出堆积体入渗过程的适宜性模型。

4 结 论

（1） 喀斯特区土石混合工程堆积体坡面入渗是一个先快速下降后逐步趋于稳定的过程，具体转折时间取决于恢复年限和植被覆盖类型。Horton模型更适宜于堆积体入渗过程的模拟，可以作为喀斯特区土石混合工程堆积体边坡入渗的适宜性模型。

（2） 喀斯特区土石混合工程堆积体坡面植被恢复类型为草灌混交地的堆积体在土壤水分入渗性能方面优于草地，表现出更高的初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率及渗透总量。恢复年限对土壤入渗性能有显著改善作用，且草灌混交地土壤在恢复年限增加时入渗性能的改善作用尤为明显。植物措施对于工程堆积体水分入渗性能有明显的改善作用，其中草灌混交作为一种理想的植被搭配模式，有利于改善土石混合工程堆积体的入渗性能。

（3） 工程堆积体土壤水分入渗是一个复杂的过程，受多种因素的共同影响。虽然某些因素（如有机质、地上生物量、非毛管孔隙度）与入渗能力之间存在显著的相关性，但其他因素（如土壤容重、自然含水率等）的影响并不显著。这可能是因为这些因素之间存在相互作用和平衡，共同决定了土壤的入渗能力。

（4） 工程堆积体土壤水分入渗特征与其物质组成及基本特性之间存在复杂的关系。未来的研究需要更深入地探讨这些因素之间的相互作用机制，以及它们如何共同影响土壤的入渗能力。同时，也需要考虑其他可能影响入渗能力的因素，如土壤湿度、温度、植被类型等。

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基金资助

国家自然科学基金(42007054)

国家自然科学基金(42167044)

贵州省高层次创新型人才项目(黔科合平台人才［2018］5641)

贵大培育项目(贵大培育［2019］10号)