巖溶槽谷區(qū)不同土地利用方式土壤入滲規(guī)律研究

劉麗紅，蔣勇軍，2，王翱宇，茍鵬飛

(1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶400715;2.西南大學(xué)巖溶環(huán)境與石漠化治理研究所，重慶400715)

土壤水分入滲是地表徑流和地下徑流之間分配降水或其它形式地面供水的過程，對水分循環(huán)和土壤流失過程具有十分明顯的作用[1]。研究土壤水分入滲特性是探討流域產(chǎn)流機(jī)制的基礎(chǔ)和前提，確定不同土地利用類型土壤水分入滲參數(shù)及評價土壤水分入滲能力對于探討流域水文過程的調(diào)節(jié)機(jī)制具有十分重要的意義[2-3]。尤其在我國西南地區(qū)，作為全球喀斯特3大分布中心之一，喀斯特地區(qū)土層薄，土壤透水能力強(qiáng)，蓄水能力差，降水入滲補(bǔ)給是土壤水資源的主要來源，但由于降水的不均勻分布，造成季節(jié)性干旱、洪澇災(zāi)害嚴(yán)重[4]。

因此分析土壤的特性及其水分入滲特征對于研究喀斯特地區(qū)流域產(chǎn)流機(jī)制、水分運移過程以及水土資源協(xié)調(diào)管理都有重要意義。

近年來，為了很好地理解喀斯特地區(qū)水分平衡和水分運移，對于喀斯特地區(qū)土壤水分入滲的研究越來越受到關(guān)注。李陽兵[5]等研究了巖溶山地不同土地利用土壤的水分特性差異，指出巖溶山地土壤的持水性能主要與有機(jī)質(zhì)和大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量有關(guān)，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量及熟化度，有助于增強(qiáng)巖溶山地土壤的抗旱性能。蔣太明[6]等對貴州中部喀斯特地區(qū)黃壤持水性能進(jìn)行了研究，定性地說明犁底層透水性差，不利于降雨入滲。劉建偉[7]等運用盤式入滲儀法測定分析了喀斯特洼地典型剖面各層土壤透水性，指出各層土壤透水性能差異較大，具有隨土層深度增加而減小的趨勢，土壤比重、初始含水率同土壤入滲性能關(guān)系密切。本研究運用張力入滲儀研究典型巖溶槽谷區(qū)不同土地利用類型不同剖面層次土壤入滲性能，分析比較土壤入滲參數(shù)隨土層深度的變化，以期為進(jìn)一步研究喀斯特地區(qū)土壤水分運移提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青木關(guān)巖溶槽谷區(qū)位于重慶市北碚區(qū)、沙坪壩區(qū)和璧山縣交界處，地理位置為 106°17′35″—106°19′45″E，29°47′—29°40′40″N 。地處川東南弧形構(gòu)造帶內(nèi)，于川東平行嶺谷區(qū)華鎣山帚狀褶皺束溫塘峽背斜南延段;區(qū)內(nèi)背斜成山，向斜成谷，呈現(xiàn)“一山二嶺一槽”式的典型巖溶槽谷景觀;背斜軸部為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組碳酸鹽巖，兩翼為三疊系中統(tǒng)雷口坡組碳酸鹽巖和三疊系上統(tǒng)須家河組長石砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖并夾有煤系;屬亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候區(qū)，年平均氣溫18.3℃，年降水量達(dá)1 100～1 300 mm。土地利用類型大致可分為林地、荒地、旱地和水田。水田分布于槽谷底部，常期處于積水狀態(tài);林地主要分布于東面山坡，主要有常綠闊葉林和暖性針葉林，闊葉林以香樟和栲樹為主，針葉林以耐旱耐瘠的馬尾松林為主;旱地主要種植玉米和紅薯;荒地多年撂荒，布滿灌叢，草類以蒿類為主。

2 研究方法

2.1 樣品采集與基本物理性質(zhì)測定

本研究于2009年10—11月，依據(jù)土地利用類型和巖性不同，依次選取了具有代表性的旱地、荒地和林地作為研究對象，分3層(0—15 cm，15—30 cm，30—45 cm)采集土壤剖面樣品。

室內(nèi)測定各層次土壤初始含水率、容重、總孔隙度和機(jī)械組成(表1)。其中，土壤含水率采用烘干法測定;容重、總孔隙度均用環(huán)刀法測定，土壤粒度采用Mastersizer 2000激光粒度儀測定。

表1 不同土地利用類型土壤的物理性狀

2.2 入滲測定及計算方法

張力入滲儀由儲水管(儲存水，用于測量入尖率)、氣泡收集管(用于設(shè)定土壤表面張力)、入滲盤(和土壤接觸，為土壤表面提供壓力)組成。試驗中采用-5 cm供水吸力，直徑為20 cm入滲盤進(jìn)行測定。測定前首先將土壤表面整理平整，并鋪上3 mm左右的細(xì)砂，用鋼尺刮平，放上入滲盤;試驗開始時，同時計時、讀數(shù)，前3 min每隔10 s記一次讀數(shù)，3～10 min每隔0.5 min記一次讀數(shù)，10 min后每1 min記一次讀數(shù)，直至達(dá)到穩(wěn)定入滲狀態(tài);穩(wěn)滲后，立即拿開入滲儀，鏟去沙層取表層土樣，測定其含水量。

根據(jù)Wooding(1968)[15]提出的描述土壤表面積積水半徑(r)與穩(wěn)定入滲量Q之間關(guān)系:

式中:Q——穩(wěn)態(tài)入滲時單位時間的入滲體積(cm3/h);r——入滲盤半徑(cm);K ——與供水吸力h(cm)對應(yīng)的入滲率(cm/h)。

與Gardner[16]指出土壤非飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)與供水吸力之間關(guān)系:

式中:Ksat——飽和導(dǎo)水率(cm/h);K(h)——與供水吸力h(cm)對應(yīng)的入滲率。

通過測定兩種不同供水吸力條件下土壤入滲能力，可以求得土壤飽和導(dǎo)水率Ksat;再結(jié)合Gardner公式，可求得不同供水吸力水平下，土壤的非飽和導(dǎo)水率。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用類型土壤入滲量比較分析

從表2可以看出，不同土地利用方式土壤入滲特性有較大差異。就累積入滲量而言，累積入滲量的變化反映了土壤透水能力的強(qiáng)弱。(1)不同土地利用方式土壤累積入滲量隨土層深度增加其變化不一致。兩塊旱地累積入滲量隨土層深度的增加而減少，但其0—15 cm土層累積入滲量明顯高于15—30 cm，30—45 cm兩層;而15—30 cm，30—45 cm 兩層累積入滲量則相差不大;而林地其土壤累積入滲量隨土壤深度的增加而增加，0—15 cm(171.510 cm3)＞15—30 cm(205.199 cm3)＞30—45 cm(340.978 cm3)。這主要是由于林地0—15 cm土層含有一層較厚腐殖層，表層土壤含水量較15—30 cm，30—45 cm土層高;導(dǎo)致表層土壤累積入滲量低于15—30 cm，30—45 cm兩層。而荒地累積入滲量:15—30 cm層(176.002 cm3)＜0—15 cm(221.534 cm3)＜30—45 cm(692.165cm3)層，30—45 cm層累積入滲量是15—30 cm層累積入滲量的3.9倍，從而說明該荒地可能存在一個相對隔水層，成為水分下滲的“瓶頸”。(2)同一土層不同土地利用類型其土壤累積入滲量相比較:旱地＞林地＞荒地。由土壤物理指標(biāo)與入滲量相關(guān)分析可以得出，累積入滲量與容重和孔隙度關(guān)系密切，其相關(guān)性分別為-0.671*和0.650*。旱地長期耕作，土壤相對較疏松，土壤孔隙度比較大，土壤容重較低，使其土壤累積入滲量較大;荒地長期撂荒，孔隙度相對較小，土壤孔隙作為土壤中物質(zhì)保持及運移的介質(zhì)，孔隙度的增加為水分滲透提供了路徑，尤其土壤中有效孔隙增加更有利于土壤水分的入滲，從而使得入滲量得到很大的提高，前人通過研究也有類似研究結(jié)果[10-12];林地雖然其孔隙度較低但其土壤含水量同荒地比較相對較低，土壤比較干燥，基質(zhì)勢梯度量值則變得較大，需要較多水分進(jìn)入較充氣孔隙以接近飽和，從而導(dǎo)致其累積入滲量相對于荒地較大。

表2 不同土地利用類型土壤入滲特性比較

3.2 不同土地利用類型土壤入滲率變化

從圖1和表2中可看出，各土地利用類型土壤初始入滲率均較大，使得累積入滲量在初期呈直線上升趨勢，而以旱地A初始入滲率最大，而后15 min內(nèi)平均入滲率迅速下降，降幅在42%～69%，15—30 min土壤入滲期間，各土地利用方式土壤入滲率下降幅度為14%～39%之間，整個土壤入滲過程中以旱地土壤入滲率下降最快，林地30—45 cm層與荒地30—45 cm層入滲率下降速度則比較緩慢。在入滲初期，土壤入滲率高且下降迅速，這主要是由于在入滲初期，水流首先要透過鋪在圓盤下方的沙子，沙子吸收部分水分，水分透過沙子大概需要約20 s;隨著入滲過程的進(jìn)行，荒地最先達(dá)到穩(wěn)滲，但荒地15—30 cm穩(wěn)滲率小于30—45 cm穩(wěn)滲率，各土地利用類型穩(wěn)滲率大小與相應(yīng)土壤剖面中非飽和導(dǎo)水率基本一致。相關(guān)性分析得出，土壤容重、孔隙度、非飽和導(dǎo)水率與土壤水分穩(wěn)滲率的相關(guān)系數(shù)分別為:-0.820*，0.800*和0.973**;而土壤穩(wěn)滲率與初始含水量相關(guān)性不大，這主要是由于當(dāng)土壤達(dá)到穩(wěn)滲時，土壤含水量基本已達(dá)飽和，消除了土壤含水量對穩(wěn)定入滲率的影響。但初始入滲率與初始含水量相關(guān)系數(shù)為-0.825**，且達(dá)到極顯著水平，程東兵和席彩云[13-14]的研究也指出，土壤初始含水量與初始入滲率呈極顯著的負(fù)相關(guān)，但與穩(wěn)滲率關(guān)系并不顯著。而Helalia[15]研究表明，土壤穩(wěn)定入滲率與土壤結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，特別是有效孔隙度與穩(wěn)定入滲率的相關(guān)性非常顯著。

圖1 不同土地利用類型土壤入滲率動態(tài)變化

3.3 不同土地利用類型土壤非飽和導(dǎo)水率變化

非飽和導(dǎo)水率是土壤滲透性研究中重要的物理參數(shù)之一。在相同的供水條件下，導(dǎo)水率的影響因素是土壤孔隙的幾何形狀(孔隙度、孔隙大小分布及彎曲度)[16]。在本試驗條件下，從表2可看出，旱地非飽和導(dǎo)水率最大，3層土壤非飽和導(dǎo)水率平均值為0.143 mm/min，且隨土壤深度的增加而減小，上層土壤非飽和導(dǎo)水率依次是下層土壤非飽受導(dǎo)水率的約1.4和1.8倍，這與旱地長期耕作，土壤孔隙度增加，有機(jī)質(zhì)含量高，使土壤透水性和通氣性增強(qiáng)有密切的聯(lián)系，而越往下層人為擾動較少，土壤結(jié)構(gòu)較上層緊實，其透水性減弱，從而土層越深，土壤非飽和導(dǎo)率減小。而林地非飽和導(dǎo)水率約為0.059 mm/min，且隨土壤深度的加深，其非飽和導(dǎo)水率有增加趨勢。下層土壤非飽和導(dǎo)水率依次是上層土壤非飽受導(dǎo)水率的1.30和1.06倍，但其表層孔隙度雖然最高但是其非飽和導(dǎo)水率卻最低，這可能與其土壤含水量有關(guān)?；牡赜捎诙嗄炅袒模瑹o人為干擾且土壤貧瘠，有機(jī)質(zhì)含量較少，土壤質(zhì)地相對較細(xì)，結(jié)構(gòu)相對緊密，因此，其土壤非飽和導(dǎo)水率在所選土地利用方式中為最低。其中0—15 cm，15—30 cm兩層非飽和導(dǎo)水率平均值約為0.050 mm/min，而30—45 cm層非飽和導(dǎo)水率高達(dá)0.068 mm/min，0—15 cm土層土壤非飽和導(dǎo)水率是15—30 cm土層土壤非飽受導(dǎo)水率的1.06倍，30—45 cm層土壤非飽和導(dǎo)水率是15—30 cm層的1.41倍，再次從另一個方面說明15—30 cm層可能是一個相對隔水層。相關(guān)分析也得出孔隙度對非飽和導(dǎo)水率有很大影響，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.818**。

3種土地利用方式的非飽和導(dǎo)水率的大小順序為:旱地＞林地＞荒地。

4 土壤水分入滲數(shù)學(xué)模型擬合

土壤水分入滲的數(shù)學(xué)模型有許多種，包括近似理論的、經(jīng)驗的、半理論半經(jīng)驗的，其適用條件各異。大多數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃徒评碚撃Ｐ蛯⑼寥雷鳛榘霟o限介質(zhì)，自土壤表面向下飽和。根據(jù)試驗具體情況，采用3種入滲模型近似模擬不同土地利用類型土壤水分入滲過程:

(1)Kostialov模型

式中:f(t)——土壤入滲速率(mm/min);t——入滲時間;k，a——入滲參數(shù)。

(2)Horton模型

式中:f0——初始入滲率(mm/min);fc，k——參數(shù) 。

(3)Philip近似理論模型

式中:S——吸收率;A——參數(shù)。

由表3可知，Kostialov模型擬合度變化范圍在0.629～0.869，其中旱地A的15—30 cm層模型擬合度最高，而荒地30—45 cm層模型擬合度最低，其擬合度平均值0.765;Horton經(jīng)驗入滲模型擬合度處于0.134～0.686，模型擬合度平均值為0.467，擬合精度不理想;而Philip近似理論模型擬合度變化范圍在0.231～0.638之間，其平均值為0.363，擬合精度較差。

由此可以看出Kostialov水分入滲模型對模擬本研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型土壤水分入滲過程具有相對較好的適用性，但其擬合精度不是很高，可能是因為入滲時到達(dá)穩(wěn)滲時間較短，擬合數(shù)據(jù)較少，再者該地區(qū)土質(zhì)較為疏松，存在較多的大孔隙，對土壤入滲產(chǎn)生不規(guī)律的影響。

表3 3種入滲模型中參數(shù)的回歸結(jié)果

5 結(jié)論

由于受到土壤基本性質(zhì)的影響，不同土地利用類型土壤透水性能差異較大，旱地土壤非飽和導(dǎo)水率、穩(wěn)滲率、累積入滲量均隨土壤深度的增加而減小;林地土壤非飽和導(dǎo)水率、穩(wěn)滲率、累積入滲量卻隨土壤深度的加深而增加;荒地存在一個相對的隔水層，對土壤水分的下滲有一定的阻礙作用;0—15 cm，15—30 cm兩土層各項指標(biāo)隨土層加深而呈減小趨勢。綜合比較各土地利用類型初始入滲率、穩(wěn)滲率、累積入滲量、非飽和導(dǎo)水率，得出各土地利用類型水分入滲性能大小為:旱地＞林地＞荒地。土壤容重與孔隙度對土壤入滲性能有顯著影響，而初始含水量僅對初始入滲率有顯著影響，其相關(guān)系數(shù)為-0.825**。經(jīng)土壤水分入滲模型擬合得出，Kostialov水分入滲模型對所研究區(qū)不同土地利用類型土壤水分?jǐn)M合度相對較好，其擬合度平均值0.765，對該地區(qū)研究土壤水分入滲過程具有良好的適用性。

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