典型土壤積水入滲過程及其影響因素分析

劉江霞，楊 浩

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)期刊社，湖北 武漢 430074；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

土壤水分是聯(lián)系地表水和地下水的紐帶,在水資源的形成、轉(zhuǎn)化與消耗過程中具有重要的作用，與農(nóng)業(yè)、水文、環(huán)境等學(xué)科領(lǐng)域都有密切的聯(lián)系[1]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對土壤積水入滲過程進行了大量的研究，如孫福海等[2]以相鄰的無結(jié)皮黃綿土和風(fēng)沙土為研究對象，對其水分入滲特征進行了研究；任曉虎等[3]研究了反復(fù)入滲對重塑黃土滲透特性的影響；王振芬[4]深入探討了高強度降水對農(nóng)田土壤地表積水入滲性能的影響；唐勝強等[5]利用一維降水頭土壤積水入滲試驗，研究了淡水與微咸水降水頭土壤積水入滲的差異；趙建芳等[6]研究了土壤飽和滲透系數(shù)的變化規(guī)律。也有學(xué)者利用數(shù)學(xué)模型來預(yù)測土壤水分的運動過程[7-12]，目前普遍應(yīng)用和較為成熟的描述土壤水分入滲過程的一維瞬態(tài)流模型主要有Green-Ampt入滲模型、Richards方程和Srivastava-Yeh入滲模型等，如簡文星等[13]提出一種指數(shù)型的土體初始含水率分布函數(shù)，對傳統(tǒng)的土壤非積水降雨入滲模型進行了改進；甘永德等[14]以Green-Ampt入滲模型為基礎(chǔ)，提出了應(yīng)用考慮土壤膨脹性的非穩(wěn)定降雨入滲產(chǎn)流模型來研究降雨入滲對膨脹土的影響。

我國黃土及黑土區(qū)分布范圍較廣，且土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加強黑土及黃土區(qū)土壤積水入滲過程的研究將有助于提高經(jīng)濟與環(huán)境效益，對實現(xiàn)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，并對農(nóng)業(yè)水資源利用指標的制定也將起到促進作用[15-17]。東北黑土區(qū)是我國的糧倉，因受到嚴重的土壤侵蝕危害，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，黑土層變薄，土壤的保水、保肥能力下降，土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)惡化[18]。陜北的黃土區(qū)具有濕陷性，土壤結(jié)構(gòu)疏松、多空隙，極易受到采動的影響，加上受雨水沖刷，使得地表破碎，加重了水土流失現(xiàn)象的發(fā)生[19-20]。在黑土及黃土區(qū)土壤積水入滲的研究方面，杜玉鵬等[21]、張啟昌等[22]、魏永霞等[23]通過研究黃土及黑土區(qū)土壤濕潤鋒的運移規(guī)律，揭示了降雨等因素對土壤水分運移的影響，從而為黃土及黑土地區(qū)的綜合治理提供根據(jù)。溫度、水頭高度和土質(zhì)的不同會導(dǎo)致土壤積水入滲中擁有不同的土壤水分運動通道和過水?dāng)嗝?，而且目前我國還未見東北黑土和陜北黃土在不同溫度和水頭高度條件下土壤積水入滲過程的相關(guān)研究。因此，本文在實驗室開展了不同土質(zhì)(陜西楊凌黃土和黑龍江黑土)、不同水量(100 g、200 g水，對應(yīng)的水頭高度為3.1 cm、6.2 cm)、不同溫度(5℃、10℃、15℃)組合條件下土壤積水入滲試驗，探討了黑土區(qū)及黃土區(qū)土壤積水的入滲機理及其影響因素，為農(nóng)業(yè)水資源利用指標的制定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

本研究的典型土壤積水入滲試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院實驗室內(nèi)進行，分別取陜西楊凌(E86°12′、N41°36′)黃土(天然密度為1.44 g/cm3)和黑龍江九三水土保持試驗站(N48°52′39″、E125°23′51″)黑土(天然密度為1.39 g/cm3)土樣，經(jīng)風(fēng)干后研磨、去除雜質(zhì)，經(jīng)2.0 mm孔徑標準篩篩取土樣，并將陜西楊陵黃土和黑龍江黑土土樣裝填入土柱中，其裝填密度均為1.3 g/cm3。

試驗土柱采用1.5 cm厚有機玻璃材料制成，內(nèi)徑為6.4 cm，高為50 cm;土柱底部留有排氣孔，以便消減土柱中氣體壓縮對土壤水分入滲的阻力作用；土柱外壁標有由下至上的刻線，精度為1 mm。

1.2 試驗方法

試驗初期將原位獲取的土樣裝填入土柱中，每2 cm 均勻搗實后用毛刷將界面打毛，消除層面對試驗結(jié)果的影響，并固定填入土的高度為20 cm，填入土的質(zhì)量為836.42 g。

土柱入滲試驗步驟如下：首先設(shè)置好預(yù)設(shè)溫度，并將土柱保持在恒定的恒溫箱內(nèi)，等溫度穩(wěn)定之后，沿試驗土柱內(nèi)壁緩慢加入定量水(黑龍江黑土土柱設(shè)置水量為100 g和200 g，陜西楊陵黃土土柱設(shè)置水量為200 g)，同時為了更好地觀察不同水頭高度對土柱濕潤鋒位置的影響，設(shè)置了兩組不同水量的對比試驗，且試驗過程中土柱水位逐步下移，至濕潤鋒位置不再變化時結(jié)束試驗；然后重新設(shè)置溫度，并重復(fù)上述試驗步驟。具體土柱入滲試驗設(shè)置方案，詳見表1。

表1 土柱入滲試驗設(shè)置方案

試驗數(shù)據(jù)記錄過程中，按照先密后疏的原則，選取時間點記錄土柱上方的水頭高度和濕潤鋒的深度(即土柱濕潤鋒運移距離)。每組試驗另設(shè)置2個參照試驗，用于排除偶然誤差的影響，并求取3組試驗數(shù)據(jù)的平均值。

1.3 土壤積水入滲模型選擇

目前應(yīng)用于土壤水分入滲等方面研究的關(guān)系模型眾多，傳統(tǒng)的土壤水分入滲模型有Kostiakov、Green-Ampt、Philip等入滲模型。然而由于試驗需要花費大量的時間和費用，因而簡單、可靠的土壤水分入滲試驗數(shù)據(jù)處理方法顯得尤為必要。本研究在建立土壤濕潤鋒運移距離隨時間變化的關(guān)系模型時，冪函數(shù)模型由于具有操作簡便快捷，因而被學(xué)者們廣泛應(yīng)用于土壤水分運移研究，如虎軍宏等[24]、鄒焱等[25]發(fā)現(xiàn)土壤濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系采用乘冪方程擬合的相關(guān)性較高。因此，本研究選擇較為簡便快捷的冪函數(shù)模型，其表達式如下：

y=axb

(1)

式中：y代表土壤濕潤鋒運移距離(cm)；x為時間(min)；a、b為所求參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度對土壤積水入滲過程的影響

不同溫度下陜西楊凌黃土和黑龍江黑土兩種土質(zhì)的濕潤鋒運移距離隨時長的變化曲線，見圖1。

圖1 不同土質(zhì)和溫度條件下土壤濕潤鋒運移距離隨時間的變化曲線

由圖1可以看出：

(1) 土質(zhì)為黑龍江黑土?xí)r，加入100 g水(水頭高度為3.1 cm)后土壤濕潤鋒運移距離在初始階段(38 min之前)隨時間的變化趨勢基本相同[見圖1(a)]。這是由于干燥的黑土中含有較多的營養(yǎng)物質(zhì)，且土體空隙較為發(fā)達，深度6 cm以上的土層中土壤的孔隙大小分布等物理性質(zhì)差異不大，在水源供給充分的情況下，土體毛細吸力難以達到水的重力，所以相同時間內(nèi)土壤濕潤鋒的運移距離幾近相等。第二階段(38 min之后)，高溫度水的土壤入滲速率和土壤濕潤鋒運移距離明顯大于低溫度水，各組土壤濕潤鋒的推進速率和深度由大到小表現(xiàn)為：15℃>10℃>5℃，這與文獻[24]的研究結(jié)論一致，這是由于溫度梯度產(chǎn)生的土壤水吸力梯度使高溫區(qū)水分向低溫區(qū)遷移，且隨著溫度的升高，土壤水吸力降低，土壤顆粒的表面張力也越??；同時，溫度變化也會影響土壤水的理化性質(zhì)，如黏滯性，溫度越高，土壤水的黏滯性降低，從而使得土壤的滲透性能增強。因而高溫度可以為土壤水提供比低溫度更多的能量來擺脫土體毛細作用的影響，同時高溫度下土壤中的結(jié)合水膜厚度更薄，對外來水的吸附能力更弱，使水可以浸潤到更深層的土體當(dāng)中。低溫度的水無法像較高溫度的水一樣為其提供充足的能量擺脫土體毛細作用的影響，且土壤本身結(jié)合水膜較厚，在經(jīng)過每一個土壤孔隙時都會有一部分不能擺脫吸力的水依附在空隙當(dāng)中，且在不斷向下浸潤的過程中，相比較高溫度水，低溫度時水的黏滯性較高，從而表現(xiàn)出38 min之后相同時段內(nèi)低溫度水的土壤入滲速率減小。

(2) 當(dāng)土質(zhì)為陜西楊凌黃土?xí)r，整個試驗過程中不同溫度條件下對照組中土壤濕潤鋒運移的階段性變化現(xiàn)象不明顯，整體變化規(guī)律顯著[見圖1(b)]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，土壤濕潤鋒的運移距離不斷加深，推進速率逐漸變緩，在同一時刻高溫度水的土壤濕潤鋒推進速率比低溫度水更快，土壤濕潤鋒的推進速率表現(xiàn)為：15℃>10℃>5℃，且同一時刻高溫度水的土壤濕潤鋒運移距離大于低溫度水。分析認為，對于陜西楊凌黃土，由于其土質(zhì)本身比較貧瘠，營養(yǎng)物質(zhì)較缺乏，且土體具有更多更細小的空隙，故溫度對土體表面張力的影響較為顯著，從而影響土壤水分的入滲速率；同時，由于楊凌黃土土質(zhì)稀疏、孔隙較大，高溫導(dǎo)致楊凌黃土土體水分黏滯性降低，土壤滲透性增強，因而高溫度下土壤水分的入滲速率快于低溫度條件下，土壤濕潤鋒的運移距離也大于低溫環(huán)境。劉利華等[25]研究了4種溫度條件對土壤水分入滲的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相同入滲歷時,土壤水的入滲水溫越高，則入滲的水量越多，這與本文研究結(jié)論基本一致。本文在設(shè)置多種溫度土壤積水入滲的對比條件下，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境下土壤積水的入滲速率大于低溫環(huán)境，且土壤積水的入滲深度也大于低溫環(huán)境，但這一結(jié)論均基于室內(nèi)試驗，若進行田間試驗研究，還需考慮作物騰發(fā)[26-27]、大氣溫度和濕度等因素的影響。

2.2 不同水頭高度對土壤積水入滲過程的影響

以黑龍江黑土作為試驗材料，在相同的溫度和土質(zhì)條件下，探討了不同水頭高度下黑龍江黑土濕潤鋒運移距離隨時間的變化，其試驗結(jié)果見圖2。

圖2 相同溫度條件下不同水頭高度黑龍江黑土濕潤鋒運移距離隨時間的變化曲線

由圖2可以看出：兩條曲線呈現(xiàn)出緩慢增長的趨勢，總體呈現(xiàn)出相同時間內(nèi)(依舊存在土壤積水的時間內(nèi))，高水頭下黑土濕潤鋒的運移距離比低水頭更遠；相同時刻(依舊存在土壤積水的時間內(nèi))，高水頭的浸潤距離大于低水頭的浸潤距離；從總的浸潤過程來看，在土壤積水消失時高水頭的浸潤深度遠遠大于低水頭的浸潤深度。

代入冪函數(shù)關(guān)系模型(1)，探討相同溫度條件下不同水頭高度黑龍江黑土濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系，其擬合結(jié)果見表2。

表2 相同溫度條件下不同水頭高度黑龍江黑土濕潤鋒運移距離與時間關(guān)系的擬合結(jié)果

分析認為：在開始浸潤后，土壤未完全浸潤時高水頭對于水底的壓力遠遠大于低水頭對水底的壓力，這是因為相同土壤環(huán)境中，兩種水頭情況下水的浸潤所受到的阻力是相同的，導(dǎo)致在這一時刻高水頭水底基面上所受到的垂直向下的合力大于低水頭水底基面上所受到的垂直向下的合力，且高水頭水的下降速率也高于低水頭水的下降速率；在時間的積累下，表現(xiàn)出高水頭土壤濕潤鋒的運移距離遠大于低水頭土壤濕潤鋒的運移距離，這是因為土柱擁有相同的直徑，所以高水頭比低水頭擁有更多的水量，在土壤積水消失時高水頭的土壤浸潤深度遠遠大于低水頭的土壤浸潤深度。但是由于存在低水頭未達到高水頭已經(jīng)浸潤的時刻，在該區(qū)域內(nèi)土壤中殘存一部分水，導(dǎo)致高水頭完全浸沒時的浸潤深度與低水頭不同。將試驗數(shù)據(jù)進行趨勢擬合，得出冪函數(shù)模型的相關(guān)性較強，因此可采用冪函數(shù)模型來探討水頭差異條件下土壤濕潤鋒的運移過程。在高水頭(6.2 cm)作用下，積水入滲界面的土壤會變密實、孔隙率減小[10]，因此隨著水分持續(xù)入滲，高水頭的土壤水分入滲速率要高于低水頭。生產(chǎn)實踐中，水頭由于灌溉、降雨的影響會變化更多樣，其土壤結(jié)構(gòu)和導(dǎo)水性將呈現(xiàn)出一定的季節(jié)變異性。從農(nóng)業(yè)水資源高效利用的方面來看，土壤結(jié)構(gòu)或?qū)阅艿募竟?jié)變異對田間土壤水分運移的影響，還需要進一步深入研究。

2.3 不同土質(zhì)對土壤積水入滲過程的影響

土壤積水入滲性能與土質(zhì)密切相關(guān)，較多試驗的研究結(jié)果表明土壤越致密其入滲性能越差。如：王春穎等[28]利用夾砂土柱來建立其入滲過程，發(fā)現(xiàn)濕潤鋒穿過夾砂層時入滲率有較大的波動，且其穩(wěn)定入滲率小于同時刻均質(zhì)土柱入滲率，但其夾砂層砂土入滲中出現(xiàn)的阻水現(xiàn)象可能是由于土壤表面的斥水性、禁錮氣體等多方面的原因造成的；吳秋菊等[29]通過研究不同耕作措施下土壤結(jié)皮對土壤水分入滲性能的影響，并證明土壤的結(jié)皮阻礙了土壤水分入滲，且土質(zhì)的差異性對土壤水分入滲特征、化學(xué)性質(zhì)等具有顯著的影響；李歡等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在一定灌溉模式下黑土的耗水量最大，其物理化學(xué)性狀更有利于玉米增產(chǎn)；李智娟等[31]通過對比分析新疆黃土與陜西黃土的物理性質(zhì)和礦物成分、化學(xué)成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新疆黃土粉粒含量較高，黏粒含量較低，長石含量較陜西黃土更高，云母含量相對較低。本研究中相同溫度和水頭高度條件下不同土質(zhì)土壤濕潤鋒運移距離隨時間的變化曲線，見圖3。

圖3 相同溫度和水頭高度條件下不同土質(zhì)土壤濕潤鋒運移距離隨時間的變化曲線

由圖3可知：不同土質(zhì)土壤濕潤鋒運移距離具體有以下特征：從試驗開始到最后浸潤完畢，兩組試驗的土壤濕潤鋒運移距離呈現(xiàn)出不同的上升趨勢，表明不同土質(zhì)對土壤積水入滲過程的影響具有一定的差異；在試驗范圍內(nèi)的任一時刻，陜西楊凌黃土的積水入滲距離和入滲速率均大于黑龍江黑土，但當(dāng)兩者都達到完全浸潤時，黑龍江黑土的積水入滲距離大于陜西楊凌黃土。

相同溫度和水頭高度條件下不同土質(zhì)的土壤濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系可利用公式(1)進行擬合，其擬合結(jié)果見表3。

表3 相同溫度和水頭高度條件下不同土質(zhì)土壤濕潤鋒運移距離與時間關(guān)系的擬合結(jié)果

分析認為：黃土是一種多孔隙、結(jié)構(gòu)疏松的土壤，透水性高于高營養(yǎng)物質(zhì)的黏性黑土，而更多的土壤孔隙則具有更大的土體毛細吸力，使陜西楊凌黃土的積水入滲速率大于黑龍江黑土；因土質(zhì)越疏松則其透水性越強，故楊凌黃土的積水入滲距離大于黑龍江黑土；在土體毛細吸力的作用下，土體較為致密的黑龍江黑土透水性弱、持水性較強，表現(xiàn)為土壤積水入滲較為緩慢，土壤濕潤鋒運移過程遲緩，土體中持留水分較多。

將試驗數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型，得出冪函數(shù)模型的擬合效果最好，且與原數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢高度一致，因而可以認為使用冪函數(shù)關(guān)系模型分析土壤在積水條件下濕潤鋒的運移過程是合理有效的。

3 結(jié) 論

本文以黑龍江黑土和陜西楊凌黃土為研究對象，通過在室內(nèi)開展土柱入滲試驗，研究了不同溫度、水頭高度、土質(zhì)組合條件下典型土壤積水的入滲機理及其影響因素，主要得到以下結(jié)論：

(1) 相同土質(zhì)和水頭高度條件下，不同溫度處理相同時段內(nèi)，高溫環(huán)境下土壤濕潤鋒的運移距離大于低溫環(huán)境。

(2) 相同土質(zhì)和溫度條件下，不同水頭高度處理相同時段內(nèi)，高水頭條件下土壤濕潤鋒的運移距離大于低水頭條件；且土柱橫截面面積相等時，水頭越高，當(dāng)水完全浸潤時土壤濕潤鋒的運移距離越遠。土壤濕潤鋒的運移距離與時長呈近似冪函數(shù)關(guān)系，說明水頭高度與土壤濕潤鋒的運移距離密切相關(guān)。

(3) 相同溫度和水頭高度條件下，不同土質(zhì)處理相同時段內(nèi)，陜西楊凌黃土濕潤鋒的運移距離和入滲速率均大于黑龍江黑土；但當(dāng)水完全浸潤時，黑土濕潤鋒的運移距離較遠。

(4) 溫度對土壤積水入滲速率的影響顯著，這是因為隨著溫度升高，土壤顆粒表面張力減小，土體毛細力作用減弱，水的黏滯性降低，從而導(dǎo)致土壤水分的浸潤性增強。水頭通過改變水面基底壓力來控制土壤水分的入滲，水頭越大，水面基底的壓力越大，表現(xiàn)為土壤水分的浸潤性越好。土質(zhì)通過改變土壤結(jié)構(gòu)和成分來控制土壤水分的入滲，土壤空隙越發(fā)達，土壤水分的浸潤性越好，浸潤深度越深，而土壤中營養(yǎng)成分越豐富，土壤水分的浸潤性越差。