土壤容重對海涂墾區(qū)粉砂土水分垂直入滲特征的影響研究

佘冬立 ，劉營營 ，劉冬冬 ，徐翠蘭 ，曲 欣 ，陳友林 ，鄧凌云 ，俞雙恩

（1.河海大學(xué)，南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2.江蘇省土地開發(fā)整理中心，江蘇南京210024）

入滲過程是田間土壤水分循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要受供水強(qiáng)度和土壤入滲能力的影響，而土壤入滲能力主要決定于土壤自身特性，如土壤容重、土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)等[1]。容重是土壤最基本的物理性質(zhì)之一，其本質(zhì)是通過影響土壤孔隙狀況來影響土壤水分入滲規(guī)律和溶質(zhì)運(yùn)移特征[2]。土壤吸水膨脹容重減小，失水收縮容重增大，使得土壤水動(dòng)力學(xué)特征發(fā)生改變，水動(dòng)力彌散系數(shù)隨容重的下降而減小[3]。因此，研究土壤容重對水分入滲過程的影響不僅有助于進(jìn)行土壤水分的定量分析、建立土壤水鹽運(yùn)移模型和促進(jìn)土壤非飽和帶物質(zhì)遷移理論研究的發(fā)展，而且是合理確定農(nóng)田灌排技術(shù)參數(shù)的必要依據(jù)[4]。

在降雨量豐富的沿海圍墾區(qū)，關(guān)于粉砂土水分入滲過程的研究隨著該區(qū)域土壤脫鹽改土的需要而逐步引起關(guān)注。由于成陸過程中受海水滲雜影響，灘涂圍墾區(qū)土壤積鹽過程先于成土過程，土壤主要為高鈉鹽粉砂土，土壤貧瘠且土壤容重的空間異質(zhì)性大。根據(jù)土壤入滲規(guī)律提出適宜的農(nóng)田灌排技術(shù)模式，是灘涂圍墾開發(fā)利用必須解決的重要問題[5]。但現(xiàn)階段關(guān)于海涂粉砂土不同容重下土壤入滲過程規(guī)律的研究較少。針對該問題，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了圍墾區(qū)粉砂土不同容重對一維垂直積水入滲特征和土壤水分剖面分布的影響，從而為從入滲特征推求容重與土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系提供定量分析依據(jù)，以便為該區(qū)域異質(zhì)性土壤灌排工程（如暗管）脫鹽改堿提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)土壤采自江蘇南通市如東縣九龍墾區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯 32°12′-32°36′，東經(jīng) 120°42′-121°22′，瀕臨黃海，屬典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸。該區(qū)地勢平坦，于2007年圍墾，未種植作物，除零星的耐鹽植物外，全為裸露地面。供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干，去除石塊等雜質(zhì)后過1mm篩備用。另外選取河海大學(xué)水利部節(jié)水園區(qū)典型菜地土壤作為對照，土壤類型為黃棕壤。

試驗(yàn)在河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用一維垂直積水入滲法測定土壤入滲過程。試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)土柱和供水系統(tǒng)2部分組成。土柱采用直徑為50mm、高為400mm的透明有機(jī)玻璃圓柱體。試驗(yàn)采用馬氏瓶供水并控制其水位，水位控制在30mm左右。為消除溫度的影響，實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)溫度控制在22℃-25℃左右。按照預(yù)先設(shè)定的容重計(jì)算出每層裝土的質(zhì)量，并以每層裝土高度為50mm均勻裝入有機(jī)玻璃圓柱體內(nèi)（表1）。有機(jī)玻璃筒底部填放濾紙和紗布，防止土樣流失。土柱表面填放濾紙，防止表層土壤受到強(qiáng)烈沖擊。在試驗(yàn)過程中觀測入滲距離和累積入滲量，濕潤鋒到達(dá)土柱底部約50mm處結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)觀測時(shí)間間隔按先密后疏的原則，試驗(yàn)結(jié)束后迅速用量筒測量表層積水水量，并分層采取土樣，用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量。試驗(yàn)重復(fù)2次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用SPSS 13.0和Sigmaplot 10.0統(tǒng)計(jì)軟件。

表1 試驗(yàn)土壤容重水平

2 結(jié)果與分析

2.1 容重對入滲速率的影響

入滲率反映土壤入滲性能，為單位時(shí)間內(nèi)通過地表單位面積滲入到土壤中的水量[1]。圍墾區(qū)粉砂土和南京黃棕壤的入滲率隨時(shí)間的變化如圖1所示。不同容重下2種土壤入滲率隨入滲時(shí)間的變化趨勢相同。在初始入滲階段由于土壤基質(zhì)勢梯度大，入滲過程受重力勢影響相對微弱，初始入滲速率均保持較高水平；起始入滲5min內(nèi)，入滲速率急劇降低，土壤基質(zhì)勢梯度不斷減小，重力勢影響逐漸增大；但隨入滲時(shí)間延長，入滲率緩慢減小，最終趨于穩(wěn)定，此時(shí)土壤基質(zhì)勢梯度趨近為零，土壤入滲率即為穩(wěn)定入滲率。方差分析結(jié)果顯示，土壤類型和土壤容重對土壤入滲特征參數(shù)具有顯著影響（P＜0.05）。相同容重下，粉砂土初始入滲率和穩(wěn)定入滲速率均顯著高于黃棕壤，而土壤容重與穩(wěn)定入滲率呈顯著對數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）(圖 2)。粉砂土裝土容重從 1.2 g/cm3增大到1.5 g/cm3，穩(wěn)定入滲速率從3.46 mm/min遞減到 0.92 mm/min；黃棕壤裝土容重從1.2 g/cm3增大到1.4 g/cm3，穩(wěn)定入滲速率從0.64 mm/min遞減到0.14 mm/min。水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)過程決定于土壤固、液、氣三相組成，隨著容重增加，土壤孔隙率不斷降低，土壤水分運(yùn)動(dòng)空間減小，土壤通道受阻排氣不暢，因此阻礙水分的運(yùn)動(dòng)[6]。

圖1 不同容重土壤入滲速率隨時(shí)間變化

圖2 土壤容重與穩(wěn)定入滲速率關(guān)系

2.2 容重對累積入滲量的影響

圖3為2種土壤不同容重下累積入滲量隨時(shí)間的變化曲線。累積入滲量是表征土壤水分入滲能力的一個(gè)重要指標(biāo)，是入滲率關(guān)于時(shí)間的積分[1]，因此，不同土壤類型和容重下入滲速率的差異也即決定了累積入滲量差異的顯著性。從圖4可看出，2種土壤入滲過程中各時(shí)段累積入滲量均隨容重增大遞減，容重與累積入滲量呈極顯著線性負(fù)相關(guān)（P＜0.05）（圖4）。圍墾區(qū)粉砂土裝土容重從1.2 g/cm3增大到1.5 g/cm3，入滲時(shí)間在25 min時(shí)的累積入滲量從150.1 mm減少到69.0 mm；而對照土黃棕壤，裝土容重為1.2 g/cm3、1.3 g/cm3和1.4 g/cm3，入滲時(shí)間為160min時(shí)的累積入滲量分別為123.5mm、84.2mm和56.5 mm（圖3）。

采用Kostiakov入滲經(jīng)驗(yàn)公式分別對入滲試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行擬合：

圖3 不同容重土壤累積入滲量隨時(shí)間變化

圖4 土壤容重與累積入滲量的關(guān)系

式中i為入滲速率（mm/min）；i1為第一時(shí)間單位末時(shí)的入滲速率（mm/min）；t為入滲歷時(shí)（mi n）；I為累積入滲量(mm)；模型中K為經(jīng)驗(yàn)入滲系數(shù)，其物理意義是入滲開始后第一個(gè)單位時(shí)段末的累積入滲量，在數(shù)值上等于第一個(gè)單位時(shí)段內(nèi)的土壤平均入滲速率（mm/min）；a為經(jīng)驗(yàn)入滲指數(shù)，反映土壤入滲能力的衰減速度，a值越大，入滲能力衰減速度越快，反之則越慢，K/a將反映整個(gè)入滲過程。擬合的結(jié)果見表2。在置信區(qū)間為95%的水平上，擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.95以上，擬合精度較高。相同容重下粉砂土模型擬合參數(shù)K和a均顯著高于對照黃棕壤（P＜0.05），且隨著容重增大，2種土壤入滲模型參數(shù)K呈顯著遞減，而a值未表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05）。

表2 不同容重對Kostiakov入滲公式擬合結(jié)果

2.3 容重對濕潤鋒距離的影響

濕潤鋒為入滲過程中土壤濕潤區(qū)的前緣，指示水分入滲的最大深度。水分入滲過深易于導(dǎo)致深層滲漏產(chǎn)生，而過淺則不能滿足作物根系吸水要求，因此研究入滲過程中濕潤鋒推移過程對于農(nóng)田灌排具有重要指導(dǎo)意義[7]。土體濕潤深度的變化趨勢與累積入滲量一致，均隨入滲時(shí)間的延長而增大，且在入滲初期增長較快，隨后逐漸減慢，最終趨于平緩（圖5）。2種土壤容重一致下，相同時(shí)間內(nèi)水分入滲濕潤距離差異顯著（P＜0.05），其主要原因顯然與粉砂土高入滲能力有關(guān)。粉砂土粉粒礦物組成和物理性質(zhì)一般與砂粒相似，顆粒相對較小，具有更大的外表面積和水分入滲通道[8]。在一定范圍內(nèi)，隨著土壤容重的增大，相同時(shí)段內(nèi)入滲水分在土壤內(nèi)濕潤距離縮小。濕潤鋒的變化速率可以反映土壤的輸水能力，容重增加，減弱土壤通透性，不利于土壤的輸水。

圖5 不同容重土壤濕潤鋒深度隨時(shí)間變化

根據(jù)Philip垂直入滲方程的冪級數(shù)解的前2項(xiàng)對濕潤鋒y與時(shí)間t的關(guān)系進(jìn)行擬合：

式中λ和χ是含水量θ函數(shù)，右邊第一項(xiàng)表示重力場未起作用下的入滲，反映基質(zhì)勢梯度變化對入滲的影響，第二項(xiàng)可看作基質(zhì)勢梯度引起的重力對吸收增強(qiáng)的修正項(xiàng)[9]。從表3可以看出，簡略的Ph i l i p入滲方程的冪級數(shù)解可以很好地?cái)M合2種土壤濕潤鋒深度隨時(shí)間的變化過程，擬合的參數(shù)和變化規(guī)律表明隨著容重的增大，基質(zhì)勢梯度、重力作用都呈逐漸減弱的趨勢。

表3 不同容重土壤濕潤鋒深度隨時(shí)間變化擬合結(jié)果

2.4 土壤含水率垂直分布特征及其代數(shù)計(jì)算

圖6顯示的是裝土容重對粉砂土入滲結(jié)束后各層土壤含水率垂直分布的影響?？梢钥闯?，各裝土容重土柱中土壤含水率隨土層深度的增加而逐漸減少，不同容重處理的土柱入滲后土壤水分剖面差異顯著。依據(jù)土壤水分運(yùn)動(dòng)的Richards方程，王全九等推求出了描述均值土壤在穩(wěn)定水頭下的一維積水入滲過程的代數(shù)模型如下[10-12]：

式中I為累積入滲量（mm），z f為濕潤鋒距離（mm），θs為飽和含水量（%），θr為滯留含水率（%），θi為初始含水量（%），θ為土壤含水率（%），z為垂直坐標(biāo)（mm），β定義為土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率綜合形狀系數(shù)式。根據(jù)以上代數(shù)模式可知，在分析土壤水分運(yùn)動(dòng)特征時(shí)僅需獲得θs、θr和θi等參數(shù)，而θs、θr和θi為土壤水分特征值，根據(jù)水分特征曲線和初始條件獲得。本試驗(yàn)實(shí)測粉砂土初始含水率為2.98%，裝土容重為 1.2 g/cm3、1.3 g/cm3、1.4 g/cm3和 1.5 g/cm3下土壤飽和含水量分別為41.8%、37.3%、32.7%和30.2%。各裝土容重下滯留含水率均小于1%，因此，本計(jì)算中各容重下滯留含水率均取1%。根據(jù)式（4）和（5）計(jì)算出入滲結(jié)束時(shí)土壤剖面的含水率，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比（圖6）。從圖6可以看出，一維代數(shù)模型對粉砂土不同容重處理入滲后剖面含水率擬合結(jié)果較好，但在濕潤鋒處計(jì)算含水量與實(shí)測含水量有一定的誤差。裝土容重為 1.2 g/cm3、1.3 g/cm3、1.4 g/cm3和 1.5 g/cm3下入滲剖面含水率模型計(jì)算值與實(shí)測值之間相關(guān)系數(shù)分別為0.849、0.937、0.997和 0.977，均方根差分別為 31.4%、7.6%、0.5%和1.8%，相對平均絕對誤差分別為12.1%、6.4%、2.0%和4.9%。粉砂土裝土容重為1.2 g/cm3時(shí)，土壤疏松，遇水作用后土壤孔隙度發(fā)生較大變化，因此在利用一維代數(shù)模型模擬入滲過程時(shí)產(chǎn)生較大誤差。隨著容重的增加，模型擬合的精度更高。

圖6 粉砂土入滲結(jié)束時(shí)土壤剖面水分分布特征及其一維代數(shù)模型計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

容重對土壤入滲過程有顯著影響。海涂圍墾區(qū)粉砂土穩(wěn)定入滲率和累積入滲量均顯著高于黃棕壤，且2種試驗(yàn)土壤穩(wěn)定入滲率與容重之間呈顯著對數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，累積入滲量與土壤容重之間呈顯著線性負(fù)相關(guān)。土壤類型和容重對考斯加科夫入滲模型參數(shù)有較大影響。相同容重下粉砂土模型擬合參數(shù)K和a均顯著高于對照黃棕壤（P＜0.05），而隨著容重增大，2種土壤入滲模型參數(shù)K呈顯著遞減，而a值未表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05），說明土壤初始入滲能力隨容重增大遞減，入滲能力衰減速度隨容重增大而變化不明顯。土體濕潤鋒深度的變化趨勢與累積入滲量一致，均隨入滲時(shí)間的延長而增大，且在入滲初期增長較快，隨后逐漸減慢，最終趨于平緩。在一定范圍內(nèi)，隨著土壤容重增大，相同時(shí)段內(nèi)入滲水分在土壤內(nèi)濕潤距離縮小。濕潤鋒的變化速率可以反映土壤的輸水能力，容重增加，減弱土壤通透性，不利于土壤的輸水。簡略的Philip入滲方程的冪級數(shù)解可以很好地?cái)M合2種土壤濕潤鋒深度隨時(shí)間變化過程，擬合的參數(shù)λ和χ變化規(guī)律表明隨著容重的增大，基質(zhì)勢梯度、重力作用都呈逐漸減弱的趨勢。采用一維代數(shù)模型對不同裝土容重下粉砂土入滲過程進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，土壤容重越大，土壤剖面含水率模擬精度越高。

3.2 討論

前人研究表明，容重對入滲能力的影響本質(zhì)上是通過對大孔隙數(shù)量的影響實(shí)現(xiàn)[4]。根據(jù)非飽和土壤達(dá)西滲流定律可知，土壤水分入滲量決定于土壤水力傳導(dǎo)度和土水勢梯度，而土壤水力傳導(dǎo)度主要決定于土壤質(zhì)地、容重、結(jié)構(gòu)、含水率和基質(zhì)勢等[13]。土壤質(zhì)地和容重主要通過對土壤孔隙尺寸和分布的影響來影響土壤水力傳導(dǎo)度，特別是通過影響大孔隙與傳導(dǎo)孔隙實(shí)現(xiàn)。相關(guān)研究表明，砂壤容重從1.33 g/cm3增加到1.85 g/cm3，大孔隙含量從28.2%減少到11.8%，而累積入滲量則從6.577cm減少到1.733cm，大孔隙含量和累積入滲量與砂壤容重之間均呈顯著的冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系[4]。入滲初始階段，Kostiakov入滲模型中參數(shù)起主導(dǎo)作用[4，14]。表層土壤中大孔隙先充滿水，水分在重力作用下向深層土體流動(dòng)。砂性強(qiáng)和容重小的土壤因其大孔隙多，土壤氣相比例較大而在入滲開始時(shí)刻存蓄大量水分，初始入滲能力強(qiáng)；而隨著土壤質(zhì)地變細(xì)和容重逐漸增大，土壤大孔隙逐漸減少，入滲初期入滲能力逐漸減弱。反映到入滲模型參數(shù)上就是粉砂土參數(shù)K顯著高于黃棕壤，且隨著容重的增大遞減。隨著入滲過程的持續(xù)進(jìn)行，Kostiakov入滲模型中參數(shù)則成為影響入滲大小的主要因素。a值的大小主要決定于由于土地濕潤而引起的土壤結(jié)構(gòu)的改變[13]。粉砂土結(jié)構(gòu)性差，遇水作用后溶化的粉砂粒往往沉積在一些大的孔隙中，特別是淤積于土壤表面，形成一層很薄的致密層，土壤內(nèi)部的連通性變差，土體氣相比例較小，孔隙內(nèi)部的氣體排出困難而導(dǎo)致入滲受到較大的氣相阻力[14，15]，所以入滲能力的衰減速度大于黃棕壤，反映到Kostiakov模型參數(shù)上就是粉砂土入滲模擬參數(shù)a顯著高于黃棕壤。

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