用雙環(huán)法和單環(huán)土柱法測定黃土地表土壤入滲的對比分析

費璐旸

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730020)

1 研究背景

水分入滲(以下簡稱“入滲”)是土壤的基本物理性狀之一，測定土壤入滲的方法和手段直接關(guān)系到所取得的土壤入滲數(shù)據(jù)的精確性、時效性和經(jīng)濟性，因此選擇合適的測定方法具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者在土壤入滲研究中采用了多種方法和研究設(shè)備，例如圓盤入滲儀法[1]、環(huán)刀法、滲透筒法、單環(huán)法、單環(huán)土柱法、水文法、雙環(huán)法、人工降雨法、示蹤法等及各種儀器[2-3]。在我國所進行的野外入滲研究成果大多采用有充分供水的靜水入滲數(shù)據(jù)反映[4-6]，在具體研究方法和手段上大多采用雙環(huán)法[4-5]。

2012年后，費喜亮等[7]提出并采用單環(huán)土柱法測試土壤入滲，指出雙環(huán)法和單環(huán)土柱法均屬一維入滲中有重力作用的垂直入滲或有充分供水的有壓積水入滲，但在其研究報告中對為何采用單環(huán)土柱法測試未展開詳細論述。

綜合分析已有專家學(xué)者的研究成果，對入滲試驗所采用方法之間的比較研究相對較少，即使有也是在不同地區(qū)和不同環(huán)境條件下進行的，所得結(jié)論也存在差異[6-7]。為此，筆者結(jié)合實際，根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)，對在本地區(qū)土壤入滲研究中采用較多的雙環(huán)法和單環(huán)土柱法的試驗方法、步驟、測試數(shù)據(jù)開展進一步研究，比較兩種方法的特點，找出測試結(jié)果方面的差異，以期為今后的相關(guān)試驗方法選擇提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)孫家岔流域地處甘肅省蘭州市榆中縣北部山區(qū)韋營鄉(xiāng)，屬黃河一級支流宛川河流域，其自然地理條件與社會經(jīng)濟特點等具有黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)的典型特征[8-9]。該區(qū)年平均降水量364.4 mm，降水年際、年內(nèi)分布不均，主要集中在7—9月，年水面蒸發(fā)量1 668.3 mm。流域內(nèi)成土母質(zhì)為黃土，土類屬于灰鈣土，土壤有白土和麻土，陽坡多為白土，陰坡多為麻土，土層深厚，土壤孔隙度總體在50%以上，pH值7.8～8.5，有機質(zhì)含量0.74%～1.00%。

2.2 試驗樣地設(shè)置

根據(jù)研究區(qū)的具體情況，分別選取試驗小區(qū)內(nèi)有代表性的農(nóng)坡地、荒坡地兩種面積占比較大的土地利用類型進行入滲試驗[5]。所選樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

根據(jù)試驗區(qū)的具體情況，為獲得靜水入滲數(shù)據(jù)共設(shè)置了6個采樣點，即荒坡地、農(nóng)坡地各3個。每個采樣點3個重復(fù)，取其平均值，以確保試驗數(shù)據(jù)準確。各采樣點立地條件見表2。

2.3 研究方法

2.3.1 樣地土壤容重與含水量測定

試驗進行前先測樣地土壤容重與含水量，土壤容重測定采用環(huán)刀法，土壤含水量測定采用烘干法，測定結(jié)果詳見表3。由表3可知：農(nóng)坡地土壤含水量為14.16%～15.18%，土壤容重為1.05～1.13 g/cm3；荒坡地土壤含水量為9.64%～10.62%，土壤容重為1.10～1.18 g/cm3。

2.3.2 土壤入滲觀測

2.3.2.1 雙環(huán)法

雙環(huán)為不銹鋼管制成的環(huán)刀，切口端打磨出刃，內(nèi)環(huán)刀內(nèi)徑10 cm，外環(huán)刀內(nèi)徑20 cm，內(nèi)外環(huán)刀高均為30 cm，內(nèi)外環(huán)刀非切口端內(nèi)外壁縱向均標以刻度，最小單位為mm。試驗觀測步驟和方法如下：

(1)選擇能代表某種土地類型的地塊作為樣地，而后在其中隨機選點測試。

(2)測試時將內(nèi)外環(huán)刀以同一圓心固定，標有刻度的一側(cè)位于下坡位，內(nèi)外環(huán)刀切口端垂直于水平面同時向下環(huán)切，切入地面以下15～20 cm，并使內(nèi)外環(huán)刀端口邊緣均處于同一水平面上。

(3)記錄入滲開始時間，同時向內(nèi)外環(huán)刀內(nèi)加水，內(nèi)環(huán)加水量(W加)利用量杯率定，外環(huán)水位始終與內(nèi)環(huán)水位保持齊平，當內(nèi)環(huán)內(nèi)土壤露出水面時及時加水，如此反復(fù)，確保土壤入滲率基本穩(wěn)定。對入滲開始時間、每次加水時間(內(nèi)環(huán)土壤露出水面的時間)、每次加水前及加水后內(nèi)外環(huán)水位刻度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)做好記錄。時間記錄使用24小時制，精確到秒。內(nèi)環(huán)各次加水深度計算公式為

h內(nèi)加i=W內(nèi)加i/(πr2)

(1)

式中：W內(nèi)加i為i時段加入內(nèi)環(huán)的水量，cm3或mL；h內(nèi)加i為i時段內(nèi)環(huán)加水深度，cm；π為圓周率，取3.14；r為內(nèi)環(huán)的內(nèi)截面半徑，cm。需要注意的是，為便于量取加入內(nèi)環(huán)的水量，量取水量的單位以cm3計，加水深度以cm計。

經(jīng)初步整理得出

h內(nèi)滲i=10h內(nèi)加i-h內(nèi)剩i

(2)

v內(nèi)滲i=h內(nèi)滲i/t內(nèi)滲i

(3)

H內(nèi)滲=h內(nèi)滲1+h內(nèi)滲2+…+h內(nèi)滲i+…+h內(nèi)滲n

(4)

上三式中：h內(nèi)滲i為i時段內(nèi)環(huán)土壤入滲量，mm；h內(nèi)剩i為i時段內(nèi)環(huán)剩余水量，mm；v內(nèi)滲i為i時段入滲率，mm/min；t內(nèi)滲i為i時段分鐘數(shù)，min；H內(nèi)滲為一次試驗土壤總?cè)霛B量，mm；i為連續(xù)入滲時段號，i=1,2,…,n。

(4)將各時段的土壤入滲率、入滲量進行整理計算，形成表格，采用Excel繪制入滲曲線，進行數(shù)據(jù)分析。

2.3.2.2 單環(huán)土柱法

單環(huán)亦為不銹鋼管制成的環(huán)刀，切口端打磨出刃，環(huán)刀內(nèi)徑13.6 cm，高63 cm。試驗觀測步驟和方法是：

(1)選擇能代表某種土地類型的地塊作為樣地，而后在其中隨機選點測試。

(2)測試時將環(huán)刀口一端垂直水平面環(huán)切，進入地面下55～60 cm后，將環(huán)刀一側(cè)的土壤挖去，露出環(huán)刀切口端，并且垂直于環(huán)刀切口端水平削去下端的土壤，以便于觀測到土柱底面為限。

(3)將一定量的水注入露出地表的環(huán)刀內(nèi)并記錄時間，一次加入環(huán)刀內(nèi)的水層高度要以便于獲取盡可能精確的觀測資料為前提，如在便于觀測和記錄的情況下，可使加水量盡可能小，目的是盡可能減小靜水水頭壓力對土壤入滲率的影響。為避免視覺和操作上的誤差，每次加入的水量用量杯直接計量加入。待環(huán)刀內(nèi)的土壤表面即將露出水面時，記錄時間、環(huán)刀內(nèi)剩余水位，同時給環(huán)刀內(nèi)加水并記錄加入環(huán)刀內(nèi)水的深度。如此反復(fù)，直到水分滲透土柱時為止。當水分滲透土柱后，將環(huán)刀內(nèi)尚未滲入的剩余水量由環(huán)刀上口倒入量杯計量，則環(huán)刀內(nèi)該時段的總水量減去尚未滲入的剩余水量等于該次測試中相應(yīng)時段內(nèi)土壤的入滲量。入滲量計算方法同雙環(huán)法。

(4)將各時段的土壤入滲率、入滲量進行整理計算，形成表格，采用Excel繪制入滲曲線，進行數(shù)據(jù)的分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 荒坡地兩種試驗方法取得的結(jié)果對比

3.1.1 入滲率對比

選4個典型時間對兩種試驗方法所取得的荒坡地土壤入滲率結(jié)果進行分析，詳見表4。從表4中可看出，在荒坡地上采用雙環(huán)法比采用單環(huán)土柱法測得的入滲率數(shù)據(jù)明顯偏大。整個試驗入滲率情況如圖1所示。

表4 荒坡地兩種試驗方法典型時間土壤入滲率

3.1.2 入滲量對比

兩種試驗方法所測得的荒坡地典型時間土壤入滲量見表5。由表5可看出，在荒坡地上，隨著試驗歷時的延長，由于差異值累積的原因，雙環(huán)法和單環(huán)土柱法測得的入滲量數(shù)據(jù)差異更加明顯。整個試驗入滲量情況如圖2所示，采用雙環(huán)法測出的荒坡地土壤入滲量明顯高于采用單環(huán)土柱法所測得的數(shù)據(jù)。

圖1 荒坡地兩種試驗方法土壤入滲率對比

表5 荒坡地兩種試驗方法典型時間土壤入滲量

圖2 荒坡地兩種試驗方法土壤入滲量對比

綜上所述，在荒坡地上，采用雙環(huán)法測得的土壤入滲率和土壤入滲量均明顯高于采用單環(huán)土柱法所測得的數(shù)據(jù)。

3.2 農(nóng)坡地兩種試驗方法取得的結(jié)果對比

3.2.1 入滲率對比

兩種試驗方法所測得的農(nóng)坡地典型時間土壤入滲率見表6。從表6中可看出，在農(nóng)坡地上采用雙環(huán)法和單環(huán)土柱法測得的入滲率數(shù)據(jù)差異明顯，前者大于后者。整個試驗入滲率情況如圖3所示。

表6 農(nóng)坡地兩種試驗方法典型時間土壤入滲率

3.2.2 入滲量對比

兩種試驗方法所測得的農(nóng)坡地典型時間土壤入滲量見表7。由表7可見，在農(nóng)坡地上采用雙環(huán)法和單環(huán)土柱法測得的入滲量數(shù)據(jù)差異同樣明顯。整個試驗入滲量情況如圖4所示，采用雙環(huán)法測出的農(nóng)坡地土壤入滲量明顯高于采用單環(huán)土柱法所測得的數(shù)據(jù)。

圖3 農(nóng)坡地兩種試驗方法土壤入滲率對比

表7 農(nóng)坡地兩種試驗方法典型時間土壤入滲量

圖4 農(nóng)坡地兩種試驗方法土壤滲水量對比

綜上所述，在農(nóng)坡地上，采用雙環(huán)法測得的土壤入滲率和土壤入滲量均明顯高于采用單環(huán)土柱法所測得的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論與討論

筆者在同類地區(qū)的研究成果表明，采用單環(huán)土柱法測出的農(nóng)坡地與荒坡地土壤入滲量均大于自然降雨條件下的土壤入滲量[9]。由此推斷，相對于單環(huán)土柱法而言，采用雙環(huán)法測出的土壤入滲率及土壤入滲量誤差更大。反之，采用單環(huán)土柱法測出的土壤入滲數(shù)據(jù)，相對于雙環(huán)法而言更加接近自然降雨條件下地表土壤入滲的實際情況。出現(xiàn)這種結(jié)果，筆者認為主要是由于雙環(huán)法采用外環(huán)的水壓來控制內(nèi)環(huán)的水分發(fā)生側(cè)滲的性能劣于單環(huán)。在實際試驗操作中，當觀測到外環(huán)的水面低于內(nèi)環(huán)而給外環(huán)內(nèi)加水時，內(nèi)環(huán)的側(cè)滲已經(jīng)發(fā)生且并不全是垂直下滲，因此在采用雙環(huán)法觀測土壤入滲時，很難做到內(nèi)外環(huán)的水面始終處于同一水平面，加之觀測者視覺上的誤差，造成觀測結(jié)果誤差更大。在采用單環(huán)土柱法進行土壤入滲試驗時，一是單環(huán)內(nèi)水分側(cè)滲的可能性能夠排除，水分入滲全部以垂直下滲的形式發(fā)生，且單環(huán)內(nèi)的水面不會像雙環(huán)法那樣因為內(nèi)外環(huán)水位的不同而導(dǎo)致土壤入滲發(fā)生誤差；二是相對于雙環(huán)法，單環(huán)土柱法所需要的設(shè)備較少，技術(shù)程序較為簡單，需要注意的事項也較少，對試驗操作者而言，可以通過減少試驗的技術(shù)性操作程序而避免發(fā)生誤差。所以，雖然采用單環(huán)土柱法時單環(huán)嵌入地面的深度要比采用雙環(huán)時為深，但尚未發(fā)現(xiàn)采用單環(huán)土柱法比采用雙環(huán)法對土壤入滲造成更大影響的事實。

如上所述，采用單環(huán)土柱法測得的土壤入滲數(shù)據(jù)，更接近于自然降雨條件下的實際情況，而且單環(huán)土柱法土壤入滲測取設(shè)備更簡單，更加便于操作。所以，在測取土壤入滲數(shù)據(jù)時，無論是從成本還是從技術(shù)層面考慮，單環(huán)土柱法都更值得采用和推廣。