影響土壤水分入滲特性主要因素的試驗(yàn)研究

符泉

摘要：在流域評價(jià)中，土壤導(dǎo)水性是一個(gè)重要的評價(jià)指標(biāo)，這一性能與地表徑流、地下水補(bǔ)給、土壤侵蝕等都存在著緊密的關(guān)系。在專業(yè)領(lǐng)域，土壤導(dǎo)水性又被稱為土壤入滲特性。土壤的研究與評價(jià)中，土壤的水源涵養(yǎng)能力、抗侵蝕能力最終都是有土壤入滲特性來反映的，在對土壤侵蝕問題的全過程的分析中，影響土壤入滲特性的因素非常多，只有做好了相關(guān)參數(shù)的科學(xué)控制，方能夠保持土壤最佳的水分入滲特性。

關(guān)鍵詞：土壤水分；入滲特性；因素；試驗(yàn)

近年來，伴隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，農(nóng)田灌溉中越來越關(guān)注土壤入滲特性的研究，作為自然界水循環(huán)中的一個(gè)重要組成部分，對土壤水分入滲特性的研究非常關(guān)鍵。對于任何一種土壤資源而言，入滲特性都屬于其固有特性，這一指標(biāo)是否處于正常標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，將會與灌溉水轉(zhuǎn)換為土壤水的速率和分布有著緊密的聯(lián)系。因此，隨著當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的推進(jìn)，無論是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是生態(tài)環(huán)境保護(hù)中，都越來越關(guān)注土壤水分入滲特性。土壤入滲過程的動(dòng)態(tài)化特征明顯，在此過程中，諸多因素都會影響這一特性，為保障相關(guān)策略與土壤這一特性的對應(yīng)性，應(yīng)加強(qiáng)各種影響因素的控制。

為開展土壤水分入滲特性影響試驗(yàn)的研究，選取了數(shù)百組大田，在這些地方開展了土壤水分入滲試驗(yàn)，為保障試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將90分鐘累積入滲量（H90）作為土壤入滲能力的直接評估指標(biāo)。經(jīng)由最終的試驗(yàn)結(jié)果得知，土壤質(zhì)地對土壤入滲能力有著一定的影響，其中，將粒徑在0.02毫米的黏粒函數(shù)百分?jǐn)?shù)作為土壤質(zhì)地物理量，在這一條件下所獲得的分析結(jié)果相對可靠。

土壤中固相物質(zhì)各粒級土粒的配合比例就是土壤質(zhì)地，這一指標(biāo)是土壤性質(zhì)評估中的關(guān)鍵因素，土壤質(zhì)地又會對土粒表面能、土壤孔隙尺度、分布等產(chǎn)生些微干擾，通過土壤質(zhì)地對這些因素的影響，土壤水分運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力、水力傳導(dǎo)度最終發(fā)生了一定的變化，土壤水分入滲能力也就隨著這一系列的變化而受到了影響。從實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可得，土壤質(zhì)地與土壤的吸附能力、粒間孔隙、吸水和保水能力存在著不可分割的關(guān)系，當(dāng)土壤質(zhì)地越重、粘粒含量越高、顆粒越細(xì)、固體相比表面積越大、表面能越高、吸附能力越大的情況下，對應(yīng)的土壤吸水和保水能力越好。通常情況下，重質(zhì)土壤孔隙要小于輕質(zhì)土壤，在土壤結(jié)構(gòu)、含水率、水勢梯度等同的條件下，重質(zhì)土壤的水力傳導(dǎo)度要略微小于輕質(zhì)土壤，這也就意味著重質(zhì)土壤的水分入滲能力相對較差。

土壤顆粒在不同的排列和組合形式下，也就形成了不同類型的土壤結(jié)構(gòu)，因此，土壤結(jié)構(gòu)作為土壤的一個(gè)重要指標(biāo)，具體指的就是土壤顆粒之間所存在的排列和組合方式。土壤結(jié)構(gòu)對土壤入滲能力的影響是通過土壤孔隙情況來反映的，因?yàn)樵诓煌耐寥揽紫稐l件下，水力傳導(dǎo)度、水分運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力也呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，最終使得土壤水分入滲能力受到了影響。相關(guān)學(xué)者經(jīng)由大量的試驗(yàn)，部分學(xué)者認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)地是決定飽和水力傳導(dǎo)度的直接因素；部分學(xué)者認(rèn)為原狀土與擾動(dòng)土的飽和導(dǎo)水率與團(tuán)聚度、結(jié)構(gòu)系數(shù)之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，總體上呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。

在土壤的物理化學(xué)性質(zhì)研究中，土壤容重同樣是一個(gè)重要的概念，具體指的是土壤在單位體積內(nèi)的排列松緊度，基于其概念特殊性，土壤容重大小也就代表著土壤的堅(jiān)實(shí)度、孔隙度，對于土壤透氣性、入滲能力、持水能力、溶質(zhì)遷移特征等都會存在或大或小的干擾。在土壤容重越大的情況下，也就意味著土壤的孔隙度越小、滲透能力較差。在容重不斷增大的過程中，累積入滲量減少的減滲率在入滲過程中并沒有明顯的變化，為一個(gè)固定量，與容重為1.3克/立方厘米土壤的累積入滲量是相同的。在入滲時(shí)間相同的前提下，隨著土壤容重的逐步增大，累積入滲量隨之呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢。蔣定生建立了第1分鐘末黃土高原土壤入滲速率與表層容重的定量負(fù)相關(guān)關(guān)系方程，在此前提下，詳細(xì)分析了土壤水分入滲特性的影響因素，最終得出，不同的土壤類型下，其物理性質(zhì)也有著明顯的區(qū)別，最終也就對土壤入滲特性產(chǎn)生了直接的影響。比如，在相同坡度和降雨條件下，紫色土的穩(wěn)定入滲率大大高于黃壤，甚至達(dá)到了黃壤的1.22倍，這一性質(zhì)主要是由于紫色土的土壤物理性質(zhì)所造成的，因?yàn)樽仙恋娜葜匦?、孔隙度大?/p>

土壤中的物質(zhì)構(gòu)成相對復(fù)雜，其中，土壤基質(zhì)是其中的重要構(gòu)成，基質(zhì)是重要的介質(zhì)，是影響土壤孔隙的重要因素，當(dāng)土壤基質(zhì)有所差異時(shí)，也就意味著土壤孔隙情況有所不同，在這一影響關(guān)系下，土壤物質(zhì)、能量的運(yùn)移也表現(xiàn)出各自的特征。專業(yè)學(xué)者研究了土壤質(zhì)地與穩(wěn)定入滲率、結(jié)構(gòu)因子與穩(wěn)定入滲率二者之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)因子與穩(wěn)定入滲率之間的關(guān)系更為明顯，尤其是有效孔隙率與穩(wěn)定入滲率之間呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。此外，土壤毛管和非毛管孔隙度也會在一定程度上對土壤入滲能力產(chǎn)生一定的影響，但非毛管孔隙對土壤入滲能力的影響更為直接，伴隨著土壤孔隙度的增大，土壤中的縱向和橫向水分滲透速率都顯著增大，滲透時(shí)間相對較短，也就為一定范圍內(nèi)的土壤水分滲透提供了良好的前提。土壤中活性孔隙的增加，也可以給土壤水分的下滲創(chuàng)造良好的條件，尤其是對于土壤中的生物性大孔而言，其更是可以伴隨著一定優(yōu)勢流的產(chǎn)生，提升了穩(wěn)定入滲速率。伴隨著土壤孔隙度的逐步增大，土壤飽和導(dǎo)水率也顯著增大，對于≥0.1厘米的大孔隙體積而言，土壤的飽和導(dǎo)水率相關(guān)性更為突出，當(dāng)相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9以上，意味著土壤導(dǎo)水大孔隙的大小、數(shù)量對土壤飽和入滲能力的影響最為直接。

根據(jù)對數(shù)百組大田土壤水分入滲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些大田土壤入滲過程基本在90分鐘左右保持在了相對穩(wěn)定的條件下，因此，將90分鐘累積入滲量作為土壤入滲能力的反映指標(biāo)最為有效。

根據(jù)最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在土壤初始含水率升高的情況下，土壤入滲量反而逐步降低，二者呈現(xiàn)出明顯的負(fù)向變化關(guān)系。從實(shí)際來看，土水勢梯度、水力傳導(dǎo)度是影響入滲量大小的關(guān)鍵因素，土壤含水量對土壤水分入滲能力的影響是通過入滲水流濕潤區(qū)的平均勢梯度來實(shí)現(xiàn)的。在土壤含水率越高的條件下，意味著水分入滲鋒面的土水勢越高，此時(shí)，水分入滲鋒面與地表的平均勢梯度也就越小，在這一系列的影響過程中，土壤的入滲通量也相對較小，也就是土壤的入滲能力較差。

土壤中含有一定的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)的存在可以改變土壤中的團(tuán)聚體數(shù)量，這種影響最終會對土壤的入滲能力產(chǎn)生一定的干擾。土壤孔隙在很多時(shí)候是由土壤中的團(tuán)聚體大小與數(shù)量來反饋的，當(dāng)土壤中的有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí)，也就意味著其中的團(tuán)聚體數(shù)量較多，土壤具有穩(wěn)定性好、孔隙率大、孔隙尺度大、連通性好的特征，當(dāng)處于單位勢梯度條件下，土壤水分的通量也相對較大。因此，土壤水力傳導(dǎo)度與土壤入滲能力也存在直接的關(guān)系，在水力傳導(dǎo)度越大的情況下，土壤的入滲能力也相對較強(qiáng)。

土壤氣體的交換能力也就指的是土壤的通氣性，在很多時(shí)候，良好的土壤通氣性對應(yīng)著土壤內(nèi)良好的空氣質(zhì)量，也就為植物生長、微生物活動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件。從本質(zhì)上來看，土壤中氣體體積在總孔隙體積中的比例決定著土壤的通氣性。當(dāng)土壤總孔隙體積保持在相對穩(wěn)定的條件下時(shí)，液相和氣相之間相互消長。水分在土壤中始終處于一定的運(yùn)動(dòng)條件下，而其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)正是液相不斷排出氣相的過程，如果土壤內(nèi)部相對暢通，水分運(yùn)動(dòng)可以正常進(jìn)行，氣相的存在不會對該運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生任何的影響。但如果采用的是地面灌水方式，一旦缺乏對水流推進(jìn)速度的控制，在水流推進(jìn)速度過快的情況下，一旦土壤中的空氣來不及排除，這些空氣將會被積水禁錮，水分運(yùn)動(dòng)的過程中將伴隨著較大的阻力，受到氣相的較大干擾，土壤入滲速率將大大降低。

在結(jié)構(gòu)性土壤的最表層，雨滴打擊非常頻繁，在反復(fù)的雨水打擊下，逐步在土壤表層中形成了低孔隙度、高容重和低導(dǎo)水率的結(jié)皮。通常情況下，在結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的土壤中，如果出現(xiàn)了入滲能力降低的現(xiàn)象，一般是由于入滲的同時(shí)基質(zhì)勢減小所引起的，而在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足的土壤中，土壤入滲能力在初始狀態(tài)下是非常高的，但伴隨著入滲過程，其入滲能力顯著降低，這一變化趨勢主要是由于土壤結(jié)構(gòu)破壞和表土結(jié)皮產(chǎn)生所引起的。從表土結(jié)皮的形成過程來看，在反復(fù)的雨滴打擊和雨滴濕潤壓力下，土壤表層團(tuán)聚體逐步被破壞，在分離作用下形成了許多分散的顆粒，這些顆粒逐步將土壤表面的孔隙填充好，土壤表面壓實(shí)以后，耕作層土壤的滲透率相對較高，是淋入層滲透率的200倍，結(jié)皮層的2000倍。土壤結(jié)皮具有緊密堅(jiān)硬性，完全可以將土壤水分的入滲通道堵住，從這個(gè)角度來看，土壤入滲率有所降低，地表徑流所引起的土壤侵蝕問題愈發(fā)嚴(yán)重。

在土壤水分入滲特性的影響因素中，植被覆蓋和耕作同樣是關(guān)鍵性的影響因素，植被覆蓋與耕作方式下，土壤的物理特性難以保持原狀，正是因?yàn)橹脖桓采w和耕作方式的區(qū)別，土壤的孔性、滲透性也表現(xiàn)出各自的特點(diǎn)，最終使得土壤水分入滲呈現(xiàn)出其特殊性。事實(shí)上，植被覆蓋對于土壤水分下滲的影響過程分析是相對復(fù)雜的，在當(dāng)前的研究領(lǐng)域，并不能完全實(shí)現(xiàn)定量數(shù)據(jù)分析和評價(jià)，一般都采用的是定性研究的方法。此外，不同類型的林地土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率與土壤容重、孔隙度關(guān)系的變化基本保持在了同步變化趨勢下。耕作方式對土壤入滲特性的影響方面，現(xiàn)有的很多研究中，關(guān)于這方面的研究結(jié)果存在著較大的差異，比如，一些研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)性耕作增大了土壤入滲和儲水容量，而傳統(tǒng)的耕作方式下，土壤飽和入滲率相對較低；免耕土壤的飽和導(dǎo)水率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)耕作的土壤滲透性。

土壤水分入滲特性的研究中，降雨強(qiáng)度同樣是需關(guān)注的一個(gè)因素，降雨量、強(qiáng)度最終影響的是土壤表面所能夠承接的水量、土壤表面特征、土壤導(dǎo)水性能。針對當(dāng)前土壤強(qiáng)度對土壤入滲速率的影響，存在著一些爭議性的觀點(diǎn)，其中，最具代表性的兩種觀點(diǎn)為：（1）土壤穩(wěn)定入滲率與降雨強(qiáng)度呈正向變化的關(guān)系，當(dāng)降雨強(qiáng)度增大的情況下，土壤的穩(wěn)定入滲率也呈不斷增大的趨勢，這一觀點(diǎn)下，雨滴打擊時(shí)產(chǎn)生的沖力對于入滲速率的影響是較為明顯的，這一沖力作用不僅增大了入滲水流的運(yùn)動(dòng)速率，更是使得部分靜止毛管水加入到了滲水流。（2）土壤穩(wěn)定入滲率與降雨強(qiáng)度呈反向變化，下雨強(qiáng)對于土壤的打擊破壞作用更為明顯，在雨強(qiáng)越大的情況下，其對于土壤的破壞力也越大，在降雨的同時(shí)所形成的徑流攜帶的侵蝕土壤顆粒將會堵塞地表土壤孔隙，最終使得土壤的降雨入滲速率大大降低。但無論在這一方面的研究中堅(jiān)持的是哪種觀點(diǎn)，在不同的研究對象下，所獲得的結(jié)論也將存在差異，因此，在土壤水分入滲特性的研究中，應(yīng)從定量和定性相結(jié)合的角度來分析。

近年來，伴隨著土壤水分入滲特性研究的深入推進(jìn)，專業(yè)人員在此研究方面做出了大量的探索和實(shí)踐，但很多的研究依舊停留在土壤物理性質(zhì)領(lǐng)域，尚存在很多的研究不足，未來隨著研究的深入，土壤水分入滲特性方面的影響因素分析將更為細(xì)化。但很多影響因素與土壤水分入滲特性之間的關(guān)系分析方面，很多集中在定性方面，缺乏定量化研究，未來專業(yè)人員應(yīng)開展更為深入的研究，通過定量結(jié)果的獲得來實(shí)現(xiàn)研究成果的推廣和利用。