非充分供水表層摻砂土壤水分入滲 及再分布試驗(yàn)研究

劉旋旋，董曉華,2，郭梁鋒，孫 媛，劉 冀,2, 李英海,2

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430072)

0 引 言

在農(nóng)田耕層表面鋪砂具有蓄水保肥、減少蒸發(fā)、保溫壓堿、保持水土的作用[1]。在年降水量基本滿足耐旱作物生長(zhǎng)的干旱、半干旱地區(qū)，改善農(nóng)田水鹽障礙的有效方法之一就是在土壤表層覆蓋砂石或摻砂[2]。我國(guó)甘肅的砂田在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成效[3]。在農(nóng)田表層摻砂也存在效率不高、資源浪費(fèi)等缺陷，因此需要對(duì)摻砂土壤水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行深入的理論研究，使得砂田這種古老覆蓋制度能夠滿足現(xiàn)代需求。關(guān)于覆砂或摻砂處理?xiàng)l件下土壤水分下滲已有一些研究，李曉燕等[4,5]研究表明表層砂石覆蓋可以增強(qiáng)水分的入滲能力和減少地表產(chǎn)流。Tejedor等[6-7]研究表明對(duì)土壤表層進(jìn)行礫石覆蓋處理能夠有效提高水分入滲效率。Mandal等[8,9]研究發(fā)現(xiàn)砂礫的覆蓋度越大，土壤的入滲率就越大。李卓等[10]通過對(duì)不同黏粒含量土壤水分入滲的研究，發(fā)現(xiàn)土壤中砂粒含量增加及黏粒含量的減小，入滲能力遞增，而蓄水能力遞減。根據(jù)潘云等[11]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻砂處理導(dǎo)致土壤容重減小能夠加快入滲進(jìn)程和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移。宋日權(quán)等[12]研究表明不同摻砂率條件下土壤的累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推移與入滲過程有明顯的乘冪關(guān)系。上述大多數(shù)研究成果，對(duì)摻砂處理下的土壤水分入滲研究是在充分供水條件下的定性研究，而對(duì)非充分供水條件下，摻砂土壤水分入滲及再分布過程定量研究尚不多見。

本文在上述研究基礎(chǔ)上，考慮到干旱半干旱地區(qū)降雨的不充分性，通過室內(nèi)模擬降雨過程(非充分供水)，選取不同摻砂率為影響因子，研究表層土壤摻砂處理下土壤水分入滲和再分布過程。摻砂處理下的土壤水分入滲及再分布規(guī)律研究對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉具有重要意義，也為干旱半干旱地區(qū)的農(nóng)田表層摻砂提供理論依據(jù)和生產(chǎn)實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

本研究使用的試驗(yàn)土柱桶直徑14 cm，高100 cm。土柱桶一側(cè)開孔，孔距為5 cm。試驗(yàn)降雨裝置分為人工降雨器以及供水的馬氏瓶。降雨裝置在供水的同時(shí)也起到了控制降雨強(qiáng)度的作用，降雨器的出水孔采用針頭降雨，針孔均勻分布，保證了降雨均勻性。

試驗(yàn)土壤采自宜昌地區(qū)典型土壤，取樣時(shí)選取多個(gè)取樣點(diǎn)，清除取樣點(diǎn)處表層雜物并挖取深度為10～30 cm間的土壤，取樣后將不同取樣點(diǎn)的土樣充分混合帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，過篩選取2 mm粒徑以下的土壤作為試驗(yàn)土壤樣本，測(cè)得其飽和含水量為0.53 cm3/cm3，田間持水量為0.3 cm3/cm3。試驗(yàn)用砂采用自然河砂，經(jīng)過自然風(fēng)干、去除雜物，過篩選取2 mm粒徑以下的砂粒作為試驗(yàn)用砂。將已經(jīng)處理好的砂子和土樣按質(zhì)量比分別為0∶100、25∶75、50∶50、75∶25充分混合，這4種處理對(duì)應(yīng)的摻砂率分別為0%、25%、50%、75%[13]。利用激光粒徑分析儀分析土壤的機(jī)械組成，通過土壤飽和滲透試驗(yàn)測(cè)定土樣飽和導(dǎo)水率，試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用土柱在裝土過程中，首先在土柱桶底部裝入10cm的砂礫石，在砂礫石上鋪上濾紙以防止土壤顆粒掉落下層，然后將試驗(yàn)土樣均勻裝入土柱桶，土壤容重為1.46 g/cm3，其中表層10 cm采用摻砂處理過的土樣進(jìn)行填裝[14]，總裝柱高度為60 cm，裝柱完成之后靜置24 h使土柱中土樣穩(wěn)定。在試驗(yàn)過程中，用TDR實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)5、10、15、20、30、40、50 cm處的土壤含水率變化，其中50 cm處的TDR探頭主要用于監(jiān)測(cè)是否有水分透過土壤層進(jìn)入砂礫石層。

表1 試驗(yàn)土樣粒徑組成

試驗(yàn)分四組進(jìn)行，對(duì)每組土壤表層10 cm進(jìn)行摻砂處理，摻砂率分別為0%(空白試驗(yàn))、25%、50%、75%。試驗(yàn)供水采用去離子水，每組降雨時(shí)間為200 min，降雨強(qiáng)度為18.8 mm/h。入滲過程中，濕潤(rùn)鋒位置記錄的原則為入滲初期記錄時(shí)間間隔較短，后期間隔較長(zhǎng)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性，如前兩個(gè)小時(shí)每隔5 min記錄一次濕潤(rùn)鋒的位置，后面每隔30 min記錄一次濕潤(rùn)鋒的位置[15]。在降雨入滲階段，設(shè)置TDR每隔1 min采集一次數(shù)據(jù)，在土壤水分再分布階段TDR每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中將土柱視為三層土，即淺層土(0～10 cm)、中層土(10～30 cm)以及深層土(40～50 cm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率變化

本試驗(yàn)為非充分供水條件下的室內(nèi)降雨模擬試驗(yàn)，為了監(jiān)測(cè)土樣初始含水率是否穩(wěn)定以及摻砂處理對(duì)摻砂層土壤初始含水率的影響，在降雨之前約350 min時(shí)，將TDR水分監(jiān)測(cè)儀插入土壤中監(jiān)測(cè)土壤初始含水率，試驗(yàn)過程僅考慮土壤水分在垂向上的入滲。圖1～圖4顯示了不同摻砂處理下各土層深度的含水率變化情況。

圖1 0%摻砂率土壤含水率隨時(shí)間變化

圖2 25%摻砂率土壤含水率隨時(shí)間變化

圖3 50%摻砂率土壤含水率隨時(shí)間變化

圖4 75%摻砂率土壤含水率隨時(shí)間變化

在降雨之前(前350 min)，每組試驗(yàn)土壤含水率基本保持在0.08 cm3/cm3的初始含水率，當(dāng)摻砂率超過50%時(shí)，土壤含水率在摻砂層和摻砂層以下的土壤中出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，這是因?yàn)殡S著摻砂率增大，砂粒含量的增加降低了摻砂層的初始含水率。在降雨階段(350～550 min)，隨著降雨入滲的進(jìn)行，土壤含水率從上到下逐漸增大，水分向下運(yùn)動(dòng)速率逐漸減小，并且每層土壤含水率增加率隨降雨入滲基本呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)橥寥廊霛B的初期處于滲潤(rùn)階段，水分入滲主要受分子力作用，土層之間水勢(shì)梯度較大，土壤水分下滲速率很快，使得下層土壤含水率迅速增加，當(dāng)土壤含水率大于最大分子持水量時(shí)，土壤入滲進(jìn)入滲漏階段，土壤水分主要在毛細(xì)管力和重力作用下運(yùn)動(dòng)，土層之間水勢(shì)梯度減小，使得土壤含水率增加速度減緩，水分向下傳遞速率也隨之變小。當(dāng)土壤表層進(jìn)行摻砂處理之后，土壤含水率最大峰值出現(xiàn)在15 cm處而不是5 cm處，摻砂率超過50%之后，這種現(xiàn)象更加明顯，并且此時(shí)摻砂層的土壤含水率增大到一定值時(shí)便不再增加，此時(shí)摻砂層土壤含水率基本達(dá)到了飽和狀態(tài)，由于土壤飽和含水率和土壤的持水能力都隨著土壤砂粒含量增加而減小，含砂量大的土壤就會(huì)有更多的水分透過摻砂層進(jìn)入到下層土壤中。當(dāng)降雨結(jié)束后，淺層土壤含水率出現(xiàn)快速遞減，摻砂處理后更為明顯，這是因?yàn)樵谒衷俜植汲跗?，淺層土壤受到室內(nèi)蒸發(fā)影響，再加上土層之間存在較大的水勢(shì)梯度，水分向下運(yùn)移速率較快，并且砂粒含量增加降低了土壤持水能力，使得水分很容易通過摻砂層進(jìn)入下層。

從圖1～圖4可見，深層土壤含水率變化幅度較小，并且50 cm處的土壤含水率一直沒有變化，說明土壤水分沒有入滲到這個(gè)深度。摻砂處理降低了淺層土的土壤含水率，提高了中層土的土壤含水率，摻砂率越高，入滲后期土壤含水率分層現(xiàn)象越明顯。這是因?yàn)閾缴疤幚硎沟帽驹囼?yàn)土樣黏粒含量減小，提高了土壤導(dǎo)水率，減小了土壤的持水能力，在水勢(shì)梯度的作用下，更多的淺層土壤水分下滲到中層土壤中，因此摻砂處理會(huì)導(dǎo)致水分基本都“堆積”在中層土壤。

2.2 摻砂率對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響

土壤水分下滲時(shí)，可以將含水率剖面中含水率迅速減小至初始值的區(qū)域稱為濕潤(rùn)區(qū)[16]。濕潤(rùn)區(qū)的前沿稱為濕潤(rùn)鋒。圖 5反映了不同摻砂率下濕潤(rùn)鋒推移實(shí)測(cè)值及其擬合值。本試驗(yàn)為非充分供水條件，可以將濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移分為兩個(gè)階段：在表層積水之前的供水強(qiáng)度控制階段和積水之后的土壤入滲能力控制階段[17]，圖 5中的細(xì)直虛線反映土壤表層積水時(shí)間，分別為105 min(0%摻砂率)、84 min(25%摻砂率)、66 min(50%摻砂率)、54 min(75%摻砂率)。

圖5 不同摻砂處理下濕潤(rùn)鋒值與入滲時(shí)間關(guān)系曲線

在土壤表層積水之前，濕潤(rùn)鋒隨入滲時(shí)間下移，其濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率基本保持恒定值，呈線性關(guān)系。在這一階段供水強(qiáng)度(降雨強(qiáng)度)是推動(dòng)濕潤(rùn)鋒運(yùn)動(dòng)的主要因素，因?yàn)榇藭r(shí)淺層土壤含水率較小，土壤的入滲能力大于降雨強(qiáng)度，降雨提供的水分都能迅速下滲，因此在土壤表層積水之前，濕潤(rùn)鋒一直保持均速向下推進(jìn)，在這一階段濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率可以看作一個(gè)常數(shù)，具體擬合情況如表2。

表2 積水之前濕潤(rùn)鋒值與入滲時(shí)間關(guān)系

根據(jù)擬合曲線可以看出，摻砂率75%的擬合曲線的斜率最大，在相同降雨強(qiáng)度下，摻砂率越高，濕潤(rùn)鋒向下推進(jìn)的速率越快。

在土壤表層積水之后，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)深度與入滲時(shí)間呈現(xiàn)冪指數(shù)關(guān)系，但是其濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率隨著入滲時(shí)間的增加而減小。在這一階段，土壤的入滲能力小于降雨強(qiáng)度，因此，降雨強(qiáng)度對(duì)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移影響減小，而土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)對(duì)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移影響明顯，其濕潤(rùn)鋒運(yùn)移與入滲時(shí)間的曲線擬合見表3。

表3 積水之后濕潤(rùn)鋒值與入滲時(shí)間關(guān)系

從圖5以及表3可以看出當(dāng)淺層土壤進(jìn)行摻砂處理之后，土壤中入滲情況發(fā)生明顯的改變，摻砂率越高，濕潤(rùn)鋒向下推移越快，在積水之后，這種差異性體現(xiàn)的更加明顯，因?yàn)樵谕寥辣韺臃e水之后，土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)對(duì)水分入滲影響更大。當(dāng)濕潤(rùn)鋒值達(dá)到15 cm處時(shí)，隨著摻砂率增大所用的時(shí)間分別為175 min(0%摻砂率)、110 min(25%摻砂率)、82 min(50%摻砂率)、77 min(75%摻砂率)。從中可以看出當(dāng)摻砂率達(dá)到25%時(shí)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率較于空白組已有很大幅度增加。

2.3 摻砂率對(duì)土壤含水率時(shí)空分布影響

為了研究不同摻砂處理下土壤含水率時(shí)空變化，將深度為5 cm和30 cm處土壤含水率隨時(shí)間變化情況展示在圖6和圖7中，將降雨之后1 200 min時(shí)的土壤剖面的含水量分布情況展示在圖8中。

圖6 5 cm處土壤含水率隨時(shí)間分布

圖7 30 cm處土壤含水率隨時(shí)間分布

由圖6可知，在5 cm土壤深度處，在土壤含水率上升階段，摻砂率越高，含水率增加越快，含水率峰值反而越小，當(dāng)摻砂率達(dá)到50%后，土壤含水率在43%時(shí)就達(dá)到了飽和含水率。在土壤含水率減小的階段，摻砂率越高，含水率減小地越快。這是因?yàn)殡S著摻砂率增加，土壤中砂粒含量增加，摻砂層土壤導(dǎo)水率增大，飽和含水率減小，使得摻砂層的土壤含水率快速增加并達(dá)到飽和。然而在土壤水分再分布階段，隨著砂粒含量的增加，摻砂層持水性能減弱，在水勢(shì)梯度和重力作用下，土壤含水率下降更迅速。

從圖7中可以明顯看出，土壤水分到達(dá)30 cm處的時(shí)間長(zhǎng)短關(guān)系為：0%>25%>50%>75%，隨著摻砂率增加，土壤水分下滲速度更快，到達(dá)下層土壤時(shí)間更短。因此淺層土壤摻砂率提高，中層土壤含水率越大，在3 000 min時(shí)，當(dāng)摻砂率達(dá)到50%時(shí)，在30 cm土壤深度的土層含水率提高了約20%，當(dāng)摻砂率達(dá)到75%時(shí)，提高了40%。

圖8 土壤含水率的空間分布

從圖8也可以看出，淺層摻砂率越高，摻砂層土壤含水率越小，摻砂層以下土壤含水率越大。其中20～30 cm深度處土壤保水性也得到了明顯改善。這充分說明了土壤淺層摻砂對(duì)下層土壤保水性的改善，這一研究對(duì)于相關(guān)農(nóng)作物種植具有重要的指導(dǎo)意義。

2.4 摻砂處理下土壤水分再分布過程研究

在降雨結(jié)束后，土壤表面積水逐漸消失，土壤水分在水勢(shì)梯度作用下，水分會(huì)從土水勢(shì)高的位置向土水勢(shì)低的位置繼續(xù)移動(dòng)并重新分配[18]，最終使得土柱中的土壤水分達(dá)到平衡。土壤水分的再分布過程也是土壤水分入滲中一個(gè)重要過程。

圖9 土壤水分再分布

選取摻砂率75%時(shí)土壤含水率變化以研究水分再分布過程，如圖9所示。在600 min之后，土壤水分入滲處于再分布階段，其中600～1 000 min為水分再分布初期，在這一階段，5 cm和10 cm土層含水率出現(xiàn)了顯著的下降，15 cm和20 cm土層含水率也有一定程度的下降，而在30 cm土層含水率出現(xiàn)了先增大后緩慢減小的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谶@一階段，土壤水運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)因子主要是重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)，土壤上層含水率較高，而下層含水率較低，在重力和水勢(shì)梯度作用下，土壤水分會(huì)繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，使得下層含水率逐漸變大。隨著入滲的進(jìn)行，土壤剖面勢(shì)能梯度減小并趨于平衡，水分向下推進(jìn)速率減緩，土壤含水率變化平緩，在圖上表現(xiàn)為逐漸減小的平滑直線。

在1 000 min之后的水分再分布后期，土壤各層含水率緩慢減小，其平均含水率減小率，如表4所示。

表4 再分布后期各土層含水率減小率

由圖9和表4可知，5、10 cm深度處土壤含水率最小并且減小速率最低，這是因?yàn)樵谥亓?shì)作用下，加上摻砂導(dǎo)致持水性較差，使摻砂土層水分較易滲入到下層土壤中，并且淺層土壤受蒸發(fā)作用相對(duì)更明顯，導(dǎo)致了這兩個(gè)深度土壤含水率最小，含水率較大的下層土壤水分會(huì)克服重力沿毛管向上運(yùn)動(dòng)[19]，因此淺層土壤含水率減小速率最小。在15、20、30 cm土層深度處，含水率減小速率依次變?。欢?0 cm土層深度處，在降雨入滲進(jìn)行到1 300 min后，含水率才出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，并且含水率峰值和再分布之后的平穩(wěn)值都明顯小于上層。由此可見，保水性能較好的土層為20～30 cm，持水較多的土層為15～20 cm，因此當(dāng)淺層土壤摻砂率大于50%時(shí)，可將土壤深度15～30 cm的區(qū)間看作為一個(gè)“蓄水層”，為干旱半干旱地區(qū)植物生長(zhǎng)提供更長(zhǎng)時(shí)間的供水。

3 結(jié) 語

本文通過室內(nèi)土柱降雨試驗(yàn)，研究了非充分供水條件下不同摻砂處理對(duì)水分下滲的影響，結(jié)論如下：

(1)非充分供水條件下，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移在土壤表層積水之前與入滲時(shí)間呈線性關(guān)系，而在積水之后呈冪指數(shù)關(guān)系。摻砂處理能夠明顯影響濕潤(rùn)鋒推移進(jìn)程，在摻砂率超過25%時(shí)，濕潤(rùn)鋒的運(yùn)動(dòng)速率明顯加快，表層土壤摻砂率越高，濕潤(rùn)鋒向下運(yùn)移越快。

(2)摻砂處理能夠降低表層土壤飽和含水率和持水能力，增加土壤導(dǎo)水能力，加快土壤水分入滲進(jìn)程。摻砂率越高，摻砂層土壤含水率越小，變化越顯著，摻砂層以下土層土壤含水率越大、持水量越大。在水分入滲中后期，當(dāng)摻砂率達(dá)到75%時(shí)，30 cm左右土壤含水率相較于不摻砂土壤提高了約40%。本文研究結(jié)果表明，表層土壤摻砂率達(dá)到50%以上就能夠取得有效的保水效果，但最優(yōu)的摻砂率還需要進(jìn)一步的精細(xì)研究。

(3)當(dāng)摻砂率較高時(shí)，在土壤水分再分布的初期，摻砂層含水率下降速率很快，摻砂層以下土層含水率減小緩慢；而在水分再分布后期，摻砂層含水率很小且下降速率很小，而在摻砂層以下土層中，15 cm深度處土壤含水率最大，而30 cm深度處土壤含水率下降速率最小，因此，可將15～30 cm深度范圍內(nèi)的土層看作一個(gè)“蓄水層”，可為植物生長(zhǎng)提供持續(xù)供水。