典型土壤积水入渗过程及其影响因素分析
时间：2023-03-27 13:20:18 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘江霞，杨 浩
(1.中国地质大学(武汉)期刊社，湖北 武汉 430074；
2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)
土壤水分是联系地表水和地下水的纽带,在水资源的形成、转化与消耗过程中具有重要的作用，与农业、水文、环境等学科领域都有密切的联系[1]。国内外众多学者对土壤积水入渗过程进行了大量的研究，如孙福海等[2]以相邻的无结皮黄绵土和风沙土为研究对象，对其水分入渗特征进行了研究；
任晓虎等[3]研究了反复入渗对重塑黄土渗透特性的影响；
王振芬[4]深入探讨了高强度降水对农田土壤地表积水入渗性能的影响；
唐胜强等[5]利用一维降水头土壤积水入渗试验，研究了淡水与微咸水降水头土壤积水入渗的差异；
赵建芳等[6]研究了土壤饱和渗透系数的变化规律。也有学者利用数学模型来预测土壤水分的运动过程[7-12]，目前普遍应用和较为成熟的描述土壤水分入渗过程的一维瞬态流模型主要有Green-Ampt入渗模型、Richards方程和Srivastava-Yeh入渗模型等，如简文星等[13]提出一种指数型的土体初始含水率分布函数，对传统的土壤非积水降雨入渗模型进行了改进；
甘永德等[14]以Green-Ampt入渗模型为基础，提出了应用考虑土壤膨胀性的非稳定降雨入渗产流模型来研究降雨入渗对膨胀土的影响。
我国黄土及黑土区分布范围较广，且土壤结构复杂，加强黑土及黄土区土壤积水入渗过程的研究将有助于提高经济与环境效益，对实现我国现代农业可持续发展具有重要意义，并对农业水资源利用指标的制定也将起到促进作用[15-17]。东北黑土区是我国的粮仓，因受到严重的土壤侵蚀危害，导致土壤养分流失，黑土层变薄，土壤的保水、保肥能力下降，土壤的物理、化学性质恶化[18]。陕北的黄土区具有湿陷性，土壤结构疏松、多空隙，极易受到采动的影响，加上受雨水冲刷，使得地表破碎，加重了水土流失现象的发生[19-20]。在黑土及黄土区土壤积水入渗的研究方面，杜玉鹏等[21]、张启昌等[22]、魏永霞等[23]通过研究黄土及黑土区土壤湿润锋的运移规律，揭示了降雨等因素对土壤水分运移的影响，从而为黄土及黑土地区的综合治理提供根据。温度、水头高度和土质的不同会导致土壤积水入渗中拥有不同的土壤水分运动通道和过水断面，而且目前我国还未见东北黑土和陕北黄土在不同温度和水头高度条件下土壤积水入渗过程的相关研究。因此，本文在实验室开展了不同土质(陕西杨凌黄土和黑龙江黑土)、不同水量(100 g、200 g水，对应的水头高度为3.1 cm、6.2 cm)、不同温度(5℃、10℃、15℃)组合条件下土壤积水入渗试验，探讨了黑土区及黄土区土壤积水的入渗机理及其影响因素，为农业水资源利用指标的制定提供依据。
1.1 试验材料与装置
本研究的典型土壤积水入渗试验在西北农林科技大学水利与建筑工程学院实验室内进行，分别取陕西杨凌(E86°12′、N41°36′)黄土(天然密度为1.44 g/cm3)和黑龙江九三水土保持试验站(N48°52′39″、E125°23′51″)黑土(天然密度为1.39 g/cm3)土样，经风干后研磨、去除杂质，经2.0 mm孔径标准筛筛取土样，并将陕西杨陵黄土和黑龙江黑土土样装填入土柱中，其装填密度均为1.3 g/cm3。
试验土柱采用1.5 cm厚有机玻璃材料制成，内径为6.4 cm，高为50 cm;土柱底部留有排气孔，以便消减土柱中气体压缩对土壤水分入渗的阻力作用；
土柱外壁标有由下至上的刻线，精度为1 mm。
1.2 试验方法
试验初期将原位获取的土样装填入土柱中，每2 cm 均匀捣实后用毛刷将界面打毛，消除层面对试验结果的影响，并固定填入土的高度为20 cm，填入土的质量为836.42 g。
土柱入渗试验步骤如下：首先设置好预设温度，并将土柱保持在恒定的恒温箱内，等温度稳定之后，沿试验土柱内壁缓慢加入定量水(黑龙江黑土土柱设置水量为100 g和200 g，陕西杨陵黄土土柱设置水量为200 g)，同时为了更好地观察不同水头高度对土柱湿润锋位置的影响，设置了两组不同水量的对比试验，且试验过程中土柱水位逐步下移，至湿润锋位置不再变化时结束试验；
然后重新设置温度，并重复上述试验步骤。具体土柱入渗试验设置方案，详见表1。
表1 土柱入渗试验设置方案
试验数据记录过程中，按照先密后疏的原则，选取时间点记录土柱上方的水头高度和湿润锋的深度(即土柱湿润锋运移距离)。每组试验另设置2个参照试验，用于排除偶然误差的影响，并求取3组试验数据的平均值。
1.3 土壤积水入渗模型选择
目前应用于土壤水分入渗等方面研究的关系模型众多，传统的土壤水分入渗模型有Kostiakov、Green-Ampt、Philip等入渗模型。然而由于试验需要花费大量的时间和费用，因而简单、可靠的土壤水分入渗试验数据处理方法显得尤为必要。本研究在建立土壤湿润锋运移距离随时间变化的关系模型时，幂函数模型由于具有操作简便快捷，因而被学者们广泛应用于土壤水分运移研究，如虎军宏等[24]、邹焱等[25]发现土壤湿润锋运移距离与时间的关系采用乘幂方程拟合的相关性较高。因此，本研究选择较为简便快捷的幂函数模型，其表达式如下：
y=axb
(1)
式中：y代表土壤湿润锋运移距离(cm)；
x为时间(min)；
a、b为所求参数。
2.1 不同温度对土壤积水入渗过程的影响
不同温度下陕西杨凌黄土和黑龙江黑土两种土质的湿润锋运移距离随时长的变化曲线，见图1。
图1 不同土质和温度条件下土壤湿润锋运移距离随时间的变化曲线
由图1可以看出：
(1) 土质为黑龙江黑土时，加入100 g水(水头高度为3.1 cm)后土壤湿润锋运移距离在初始阶段(38 min之前)随时间的变化趋势基本相同[见图1(a)]。这是由于干燥的黑土中含有较多的营养物质，且土体空隙较为发达，深度6 cm以上的土层中土壤的孔隙大小分布等物理性质差异不大，在水源供给充分的情况下，土体毛细吸力难以达到水的重力，所以相同时间内土壤湿润锋的运移距离几近相等。第二阶段(38 min之后)，高温度水的土壤入渗速率和土壤湿润锋运移距离明显大于低温度水，各组土壤湿润锋的推进速率和深度由大到小表现为：15℃>10℃>5℃，这与文献[24]的研究结论一致，这是由于温度梯度产生的土壤水吸力梯度使高温区水分向低温区迁移，且随着温度的升高，土壤水吸力降低，土壤颗粒的表面张力也越小；
同时，温度变化也会影响土壤水的理化性质，如黏滞性，温度越高，土壤水的黏滞性降低，从而使得土壤的渗透性能增强。因而高温度可以为土壤水提供比低温度更多的能量来摆脱土体毛细作用的影响，同时高温度下土壤中的结合水膜厚度更薄，对外来水的吸附能力更弱，使水可以浸润到更深层的土体当中。低温度的水无法像较高温度的水一样为其提供充足的能量摆脱土体毛细作用的影响，且土壤本身结合水膜较厚，在经过每一个土壤孔隙时都会有一部分不能摆脱吸力的水依附在空隙当中，且在不断向下浸润的过程中，相比较高温度水，低温度时水的黏滞性较高，从而表现出38 min之后相同时段内低温度水的土壤入渗速率减小。
(2) 当土质为陕西杨凌黄土时，整个试验过程中不同温度条件下对照组中土壤湿润锋运移的阶段性变化现象不明显，整体变化规律显著[见图1(b)]。研究发现，随着时间的推移，土壤湿润锋的运移距离不断加深，推进速率逐渐变缓，在同一时刻高温度水的土壤湿润锋推进速率比低温度水更快，土壤湿润锋的推进速率表现为：15℃>10℃>5℃，且同一时刻高温度水的土壤湿润锋运移距离大于低温度水。分析认为，对于陕西杨凌黄土，由于其土质本身比较贫瘠，营养物质较缺乏，且土体具有更多更细小的空隙，故温度对土体表面张力的影响较为显著，从而影响土壤水分的入渗速率；
同时，由于杨凌黄土土质稀疏、孔隙较大，高温导致杨凌黄土土体水分黏滞性降低，土壤渗透性增强，因而高温度下土壤水分的入渗速率快于低温度条件下，土壤湿润锋的运移距离也大于低温环境。刘利华等[25]研究了4种温度条件对土壤水分入渗的影响，结果发现相同入渗历时,土壤水的入渗水温越高，则入渗的水量越多，这与本文研究结论基本一致。本文在设置多种温度土壤积水入渗的对比条件下，发现高温环境下土壤积水的入渗速率大于低温环境，且土壤积水的入渗深度也大于低温环境，但这一结论均基于室内试验，若进行田间试验研究，还需考虑作物腾发[26-27]、大气温度和湿度等因素的影响。
2.2 不同水头高度对土壤积水入渗过程的影响
以黑龙江黑土作为试验材料，在相同的温度和土质条件下，探讨了不同水头高度下黑龙江黑土湿润锋运移距离随时间的变化，其试验结果见图2。
图2 相同温度条件下不同水头高度黑龙江黑土湿润锋运移距离随时间的变化曲线
由图2可以看出：两条曲线呈现出缓慢增长的趋势，总体呈现出相同时间内(依旧存在土壤积水的时间内)，高水头下黑土湿润锋的运移距离比低水头更远；
相同时刻(依旧存在土壤积水的时间内)，高水头的浸润距离大于低水头的浸润距离；
从总的浸润过程来看，在土壤积水消失时高水头的浸润深度远远大于低水头的浸润深度。
代入幂函数关系模型(1)，探讨相同温度条件下不同水头高度黑龙江黑土湿润锋运移距离与时间的关系，其拟合结果见表2。
表2 相同温度条件下不同水头高度黑龙江黑土湿润锋运移距离与时间关系的拟合结果
分析认为：在开始浸润后，土壤未完全浸润时高水头对于水底的压力远远大于低水头对水底的压力，这是因为相同土壤环境中，两种水头情况下水的浸润所受到的阻力是相同的，导致在这一时刻高水头水底基面上所受到的垂直向下的合力大于低水头水底基面上所受到的垂直向下的合力，且高水头水的下降速率也高于低水头水的下降速率；
在时间的积累下，表现出高水头土壤湿润锋的运移距离远大于低水头土壤湿润锋的运移距离，这是因为土柱拥有相同的直径，所以高水头比低水头拥有更多的水量，在土壤积水消失时高水头的土壤浸润深度远远大于低水头的土壤浸润深度。但是由于存在低水头未达到高水头已经浸润的时刻，在该区域内土壤中残存一部分水，导致高水头完全浸没时的浸润深度与低水头不同。将试验数据进行趋势拟合，得出幂函数模型的相关性较强，因此可采用幂函数模型来探讨水头差异条件下土壤湿润锋的运移过程。在高水头(6.2 cm)作用下，积水入渗界面的土壤会变密实、孔隙率减小[10]，因此随着水分持续入渗，高水头的土壤水分入渗速率要高于低水头。生产实践中，水头由于灌溉、降雨的影响会变化更多样，其土壤结构和导水性将呈现出一定的季节变异性。从农业水资源高效利用的方面来看，土壤结构或导水性能的季节变异对田间土壤水分运移的影响，还需要进一步深入研究。
2.3 不同土质对土壤积水入渗过程的影响
土壤积水入渗性能与土质密切相关，较多试验的研究结果表明土壤越致密其入渗性能越差。如：王春颖等[28]利用夹砂土柱来建立其入渗过程，发现湿润锋穿过夹砂层时入渗率有较大的波动，且其稳定入渗率小于同时刻均质土柱入渗率，但其夹砂层砂土入渗中出现的阻水现象可能是由于土壤表面的斥水性、禁锢气体等多方面的原因造成的；
吴秋菊等[29]通过研究不同耕作措施下土壤结皮对土壤水分入渗性能的影响，并证明土壤的结皮阻碍了土壤水分入渗，且土质的差异性对土壤水分入渗特征、化学性质等具有显著的影响；
李欢等[30]研究发现，在一定灌溉模式下黑土的耗水量最大，其物理化学性状更有利于玉米增产；
李智娟等[31]通过对比分析新疆黄土与陕西黄土的物理性质和矿物成分、化学成分，结果发现新疆黄土粉粒含量较高，黏粒含量较低，长石含量较陕西黄土更高，云母含量相对较低。本研究中相同温度和水头高度条件下不同土质土壤湿润锋运移距离随时间的变化曲线，见图3。
图3 相同温度和水头高度条件下不同土质土壤湿润锋运移距离随时间的变化曲线
由图3可知：不同土质土壤湿润锋运移距离具体有以下特征：从试验开始到最后浸润完毕，两组试验的土壤湿润锋运移距离呈现出不同的上升趋势，表明不同土质对土壤积水入渗过程的影响具有一定的差异；
在试验范围内的任一时刻，陕西杨凌黄土的积水入渗距离和入渗速率均大于黑龙江黑土，但当两者都达到完全浸润时，黑龙江黑土的积水入渗距离大于陕西杨凌黄土。
相同温度和水头高度条件下不同土质的土壤湿润锋运移距离与时间的关系可利用公式(1)进行拟合，其拟合结果见表3。
表3 相同温度和水头高度条件下不同土质土壤湿润锋运移距离与时间关系的拟合结果
分析认为：黄土是一种多孔隙、结构疏松的土壤，透水性高于高营养物质的黏性黑土，而更多的土壤孔隙则具有更大的土体毛细吸力，使陕西杨凌黄土的积水入渗速率大于黑龙江黑土；
因土质越疏松则其透水性越强，故杨凌黄土的积水入渗距离大于黑龙江黑土；
在土体毛细吸力的作用下，土体较为致密的黑龙江黑土透水性弱、持水性较强，表现为土壤积水入渗较为缓慢，土壤湿润锋运移过程迟缓，土体中持留水分较多。
将试验数据代入数学模型，得出幂函数模型的拟合效果最好，且与原数据的发展趋势高度一致，因而可以认为使用幂函数关系模型分析土壤在积水条件下湿润锋的运移过程是合理有效的。
本文以黑龙江黑土和陕西杨凌黄土为研究对象，通过在室内开展土柱入渗试验，研究了不同温度、水头高度、土质组合条件下典型土壤积水的入渗机理及其影响因素，主要得到以下结论：
(1) 相同土质和水头高度条件下，不同温度处理相同时段内，高温环境下土壤湿润锋的运移距离大于低温环境。
(2) 相同土质和温度条件下，不同水头高度处理相同时段内，高水头条件下土壤湿润锋的运移距离大于低水头条件；
且土柱横截面面积相等时，水头越高，当水完全浸润时土壤湿润锋的运移距离越远。土壤湿润锋的运移距离与时长呈近似幂函数关系，说明水头高度与土壤湿润锋的运移距离密切相关。
(3) 相同温度和水头高度条件下，不同土质处理相同时段内，陕西杨凌黄土湿润锋的运移距离和入渗速率均大于黑龙江黑土；
但当水完全浸润时，黑土湿润锋的运移距离较远。
(4) 温度对土壤积水入渗速率的影响显著，这是因为随着温度升高，土壤颗粒表面张力减小，土体毛细力作用减弱，水的黏滞性降低，从而导致土壤水分的浸润性增强。水头通过改变水面基底压力来控制土壤水分的入渗，水头越大，水面基底的压力越大，表现为土壤水分的浸润性越好。土质通过改变土壤结构和成分来控制土壤水分的入渗，土壤空隙越发达，土壤水分的浸润性越好，浸润深度越深，而土壤中营养成分越丰富，土壤水分的浸润性越差。
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