土壤初始含水率對優(yōu)先流的影響

高朝俠，徐學選，?，趙傳普，張少妮

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

土壤初始含水率是影響降雨—入滲—徑流過程的一個重要因素，主要通過改變濕潤土壤的勢能梯度來影響土壤入滲能力［1］。隨著土壤初始含水率的增加，初始入滲率減小，趨于穩(wěn)定入滲的時間縮短，產(chǎn)流提前［2-3］;但土壤初始含水率對累積入滲量以及濕潤鋒的運移目前仍存在分歧。吳忠東等［1］、曾晨等［4］、王全九等［5］分別研究了土壤初始含水率對土壤垂直線源及微咸水入滲的影響，認為累積入滲量隨著初始含水率的增大而減小;程東娟等［6］對注射灌土壤水分運移分布特性影響試驗研究發(fā)現(xiàn)，土壤累積入滲量隨著土壤含水量的增加而增加;張博聞等［7］認為，濕潤鋒的推進速度隨著初始含水率的增大而增大，吳忠東等［1］則認為相反，而曾辰等［4］對楊凌塿土和砂黃土的研究認為，其均存在峰值含水率，濕潤鋒的運移與含水率之間呈拋物線的關(guān)系。

優(yōu)先流是一種快速非平衡的土壤水分入滲運動，可以繞過周圍大部分土壤基質(zhì)引起濕潤鋒的動力學不穩(wěn)定，短時間內(nèi)到達土壤深層，造成肥料利用率降低及土壤深層或地下水污染。一些學者認為，初始含水率低的土壤由于其疏水性質(zhì)而使更多的水分從表層孔隙向深層流動。例如:W.M.Edwards等［8］發(fā)現(xiàn)，高強度的暴雨加上干燥的土壤可以產(chǎn)生更多的優(yōu)先流;M.Shipitalo 等［9］研究得出，殺蟲劑在干燥的土壤中的滲漏量遠遠高于預處理中潤濕的土壤;M.A.Mardie 等［10］發(fā)現(xiàn)，texture-contrast 型土壤干土中染色劑的入滲深度是濕土的近3 倍，入滲率是濕土的近10 倍;H.Merdun 等［11］設置了3 個初始含水率水平研究土壤水分的三維分布特征，發(fā)現(xiàn)干土對優(yōu)先流響應最為明顯。另一些學者認為，濕土一定程度上限制了水和溶質(zhì)的側(cè)滲，因此，濕土比干土更容易產(chǎn)生優(yōu)先水流。例如:M.Flury 等［12］應用亮藍染色發(fā)現(xiàn)，染色深度中濕土較干土深，并且濕土對Cl-、Br-以及3 種農(nóng)藥的遷移深度也比干土深;V.Quisenberry 等［13］發(fā)現(xiàn)，當土壤含水率低于田間持水量時，水和溶質(zhì)的遷移深度不超過90 cm，而當初始含水率大于田間持水量時，大部分的水和溶質(zhì)遷移深度都超過了90 cm。還有一些學者認為，初始含水率對水和溶質(zhì)運移沒有顯著影響，如L.K.Tallon 等［14］認為，土壤初始含水率的顯著差異并沒有引起細菌及氯離子運移的差異。然而野外試驗影響因素繁多，各因素之間的協(xié)同、交互、拮抗作用等使得野外試驗很難單獨分析一個因素對優(yōu)先流的影響。鑒于此，筆者利用含大孔隙土柱垂直入滲的方法，研究不同土壤初始含水率下優(yōu)先流累積入滲量、濕潤鋒運移特征，以期深入了解土壤初始含水率影響優(yōu)先流的物理機制。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗土壤為陜西省長武縣的黑壚土(H)和渭河河漫灘(S)的砂土，土壤取自表層0 ～40 cm，自然風干后過2 mm 篩，利用吸管法測定土壤機械組成。土壤機械組成見表1。

表1 試供土壤機械組成Tab.1 Particle size distribution of the experimental soil

1.2 試驗裝置

試驗裝置由供水系統(tǒng)、土柱箱以及收集系統(tǒng)3個部分組成(圖1)，供水系統(tǒng)由馬氏瓶(φ8 cm)提供3 cm 的恒定水頭，精度為0.1 cm。土柱箱由厚1 cm 的有機玻璃制成，規(guī)格為30 cm×2 cm×70 cm(長×寬×高)。實驗土柱的高度為60 cm。裝土前在玻璃容器底部鋪一層濾紙，避免土壤粉末堵塞出流孔或從出流孔中漏出，濾網(wǎng)上面加入一層3 cm 石英砂作為反濾層。對欲安裝大孔隙的土柱，根據(jù)孔隙位置先安裝大孔隙再裝土，保證土樣和大孔隙之間的密實。裝樣結(jié)束后，在土柱上部以薄層石英砂(1 cm)做緩沖層，防止進水時頂部的土樣被沖掉。頂部用寬塑料膠帶粘貼覆蓋以防止蒸發(fā)。土柱底部開孔(φ0.5 cm)，每cm2一個孔，防止水分在土柱底部累積。收集系統(tǒng)是由厚度為0.8 cm 的PVC 漏斗制成，自由排出的水分流經(jīng)塑料燒杯進行收集。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.3 試驗方法

對黑壚土、渭河砂土2 種土壤各設定4 個土壤初始含水率水平，2 種孔隙布設，共16 個處理，每個處理重復3 次。土壤初始含水率設定值黑壚土分別為3.01%、7.04%、11.40%和14.02%，渭河砂土分別為0.98%、2.99%、5.20%和7.40%。將試驗用土分層裝入土柱箱，每5 cm 為一層，層間打毛，黑壚土和砂土密度分別控制為1.30 和1.65 g/cm3。

大孔隙是由不銹鋼絲網(wǎng)(60 目)卷成內(nèi)徑為0.5 cm 鋼絲條制成的。填裝過程避免對人造大孔隙形狀的破壞，為防止土樣進入不銹鋼絲網(wǎng)堵塞孔隙，孔隙頂部、四周及底部應用濾網(wǎng)包住。試驗設置了2 組大孔隙安裝類型:CK 組，均質(zhì)土柱;O-C-30組，安放深度為30 cm 的大孔隙，表層連通底部不連通(優(yōu)先流組)。具體設置示意圖如圖2 所示。

實驗過程中，記錄馬氏瓶中水面的高度，前10 min 每1 min 記錄一次，10 ～30 min 每5 min 記錄一次，30 ～60 min 每10 min 記錄一次，60 min 后每20 min 記錄一次。濕潤鋒根據(jù)土壤入滲特性每隔5 ～20 min 采用數(shù)碼相機拍照，直至土柱底部每隔30 min 出流體積連續(xù)5 次相同即可停止實驗。

圖2 大孔隙設置示意圖Fig.2 Schematic diagram of artificial macropores sets in soil columns

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤初始含水率對濕潤鋒運移的影響

2.1.1 濕潤鋒變化定性分析 室內(nèi)試驗獲取的照片，經(jīng)Erdas9.2 幾何校正和Arcgis9.3 編輯處理，不同土壤初始含水率下濕潤鋒入滲深度隨時間的變化曲線如圖3 所示(圖中顯示的是3 組中居于平均值的一組)。可以看出，同一土壤初始含水率條件下，O-C-30 組(優(yōu)先流組)濕潤鋒垂向推進速度遠遠大于CK 組。隨著初始含水率的增加(3.01%含水率除外)，O-C-30 組濕潤鋒垂向及側(cè)向入滲深度均有不同程度的提高。

總體上說，濕潤鋒的運移距離初期增加較快，之后逐漸減小至穩(wěn)定。分段分析可知，在黑壚土(3.01%含水率除外)的初始入滲階段，黑壚土CK組中初始含水率對濕潤鋒的推進速度無明顯影響，隨著時間延長，其濕潤峰下伸量有積累性差異，隨初始含水率越高，土壤中濕潤峰下伸量越大。而黑壚土的O-C-30 組以及砂土的CK 和O-C-30 組，初始含水率對濕潤鋒的推進速度在整個入滲階段均影響顯著。隨初始含水率增加，濕潤鋒推進深度增加，向下濕潤速度加快。

圖3 不同土壤初始含水率條件下不同土壤濕潤鋒入滲深度隨時間的變化Fig.3 Changes of wetting front on preferential flow over time at different initial soil water contents for different soil types

濕潤鋒的運移，除基質(zhì)勢和重力勢之外，還受到斥水性的影響。CK 組中，黑壚土基質(zhì)勢、重力勢之和與斥水性質(zhì)相抗衡，初始入滲階段無顯著差異，而隨著時間的推移，高含水率下親水性逐漸成為控制土壤水分運移的主要動力，濕潤鋒運移速度加快。砂土相對于黏土而言，黏粒含量小，毛細作用相對較弱，因此，較小的初始含水率梯度卻導致濕潤鋒運移的顯著變化。O-C-30 組中，由于大孔隙的存在使土壤水分入滲界面增加，也就意味著親水性界面增加，即親水性對濕潤鋒的影響幅度增加，加之水分徑向運移不受重力勢的影響，黑壚土和渭河砂土的濕潤鋒運移均隨著初始含水率的增加而增加。值得注意的是，黑壚土3.01%含水率不符合上述規(guī)律，主要是因為黑壚土設置的4 個初始含水率梯度中，7.04%含水率下斥水性最強，水分從3.01%上升到7.04%時，其斥水性反而增強;因此，增加含水率不會促進濕潤鋒運移速度。

2.1.2 濕潤鋒變化定量分析 為了定量分析初始含水率對濕潤鋒的影響程度，利用Arcgis9.3 計算出濕潤鋒的最大入滲深度，將每個時間段的入滲深度平均化，得到不同初始含水率下濕潤鋒最大入滲深度隨時間的變化曲線(圖4)?？梢钥闯觯H水性強的土壤濕潤鋒運移較快，如各組中濕潤鋒運移深度由大到小的含水率水平為:H-CK 組和H-O-C-30組為3.01%、14.02%、11.40%、7.04%;S-CK 組和S-O-C-30 組為7.40%、5.20%、2.99%、0.98%。H 表示黑壚土，S 表示渭河砂土。

圖4 不同土壤初始含水率條件下濕潤鋒最大入滲深度隨時間的變化Fig.4 Changes of the maximum wetting front over time at different initial soil water contents

濕潤鋒運移的最大深度隨時間的變化可以用冪函數(shù)進行擬合

式中:Zf為濕潤鋒的最大入滲深度，cm;t 為入滲時間，min;a，b 為模型參數(shù)。

不同土壤初始含水率下濕潤鋒運移過程，可利用上式擬合，關(guān)系式見表2?？梢钥闯?，模型的R2均大于0.985，說明冪函數(shù)模擬優(yōu)先流濕潤鋒運移入滲擬合效果較高。另外，同種處理下，參數(shù)b 值變化幅度不大，參數(shù)a 隨土壤的斥水性的減弱而增加。

表2 不同土壤初始含水率濕潤鋒深度隨時間變化擬合模型Tab.2 Fitting results of the maximum wetting front over time at different initial soil water contents

2.2 土壤初始含水率對累積入滲量的影響

2.2.1 不同土壤初始含水率條件下累積入滲量隨時間的變化關(guān)系 不同土壤初始含水率條件下累積入滲量隨時間的變化曲線見圖5?？梢钥闯?，2 種質(zhì)地類型土壤表現(xiàn)規(guī)律有所不同。

由圖5(a)可知，勻質(zhì)黑壚土的累積入滲量隨著土壤初始含水率的增大而減小，此結(jié)果與吳忠東等［1］、曾晨等［4］的研究結(jié)果一致。初始含水率越小，基質(zhì)勢越小，土壤水吸力越大，所產(chǎn)生的基質(zhì)勢梯度也越大，入滲速率愈快，相同時間的累積入滲量就越大。反之，初始含水率越高，基質(zhì)勢梯度越小，相同時間的累計入滲量就愈小。而O-C-30 組中由于大孔隙存在，土壤基質(zhì)勢減弱，親水性減弱，累積入滲總體受優(yōu)先流支配，不同含水率之間的累計入滲量差異減小;另外，7.04%含水率時黑壚土斥水性較強，再在基質(zhì)勢減弱的情況下，土壤較其他含水率水平難于被濕潤，導致累積入滲量最小，入滲能力最低。

由圖5(b)可知，初始含水率對渭河砂土累積入滲量隨時間的變化曲線可劃分為2 個階段，前一階段累積入滲量隨著初始含水率的增大而減小，后一階段累積入滲量隨著初始含水率的增大而增大。前階段土壤水分入滲主要受基質(zhì)勢梯度影響，初始含水率越小，基質(zhì)勢梯度越大，入滲越快，累積入滲量增加越大，此結(jié)論與黑壚土變化趨勢一致;但是隨著時間的延長，土壤基質(zhì)勢梯度的影響逐漸減小，濕潤鋒運移速度逐漸上升為影響累積入滲量主導因素，導致初始含水率越高，累積入滲量越大。比較勻質(zhì)砂土和優(yōu)先流砂土的累積入滲曲線可以看出，優(yōu)先流對砂土入滲的主導作用有所減弱，仍明顯提高了入滲累積量。

圖5 土壤初始含水率不同土壤累積入滲量隨時間的變化曲線Fig.5 Change of cumulative infilitration curves over time at different initial soil water contents for different soil types

2.2.2 Kostiakov 入滲模型模擬累積入滲量隨時間的變化關(guān)系 為定量分析土壤初始含水率對累積入滲量的影響，采用Kostiakov 入滲模型對黑壚土以及渭河砂土的前40 min 累積入滲量數(shù)據(jù)進行分析，評價該入滲模型對優(yōu)先流入滲過程模擬的適宜性及準確度，結(jié)果見表3。Kostiakov 入滲模型累積入滲量和時間是呈冪函數(shù)關(guān)系的，可表示為

式中:I 為累積入滲量，mm;a 和n 為模型參數(shù)。

表3 不同土壤含水率條件下累積入滲量隨時間變化的擬合模型Tab.3 Fitting results of cumulative infilitration over time at different initial soil water contents

對照組和優(yōu)先流組擬合模型的決定系數(shù)均大于0.985，說明利用Kostiakov 入滲模型模擬含有優(yōu)先流入滲的土壤入滲方法可行，擬合效果較好。由表3 還可以看出，土壤初始含水率對參數(shù)a 的影響較大，對參數(shù)n 的影響較小;因此，在分析中可忽略n，近似將n 看作是一個常數(shù)。參數(shù)a 與土壤初始含水率的關(guān)系見圖6。

由圖6(a)可知:黑壚土CK 組中，參數(shù)a 值與土壤初始含水率呈顯著線性負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.981 5(P ＜0.01)，即累積入滲量隨著土壤初始含水量的增加而減少;O-C-30 組中，參數(shù)a 顯著高于CK 組，且出現(xiàn)震蕩變化。參數(shù)a 與土壤初始含水率的關(guān)系可描述為土壤初始含水率存在某一峰值含水率，低于或高于峰值含水率，參數(shù)a 均隨土壤初始含水率的增加而減小，換言之，累積入滲量隨著土壤初始含水率的升高而減小。

由圖6(b)可知，渭河砂土參數(shù)a 值與土壤初始含水率呈顯著線性負相關(guān)，CK 組和O-C-30 組相關(guān)系數(shù)分別為0.965 4(P ＜0.01)和0.931 1(P ＜0.01)，即累積入滲量在前40 min 內(nèi)隨著土壤初始含水率的增加而減少。由此可知，在一定的入滲時間范圍內(nèi)，Kostiakov 入滲模型同樣適用于優(yōu)先流的模擬，且參數(shù)a 是一個隨土壤初始含水率變化的參數(shù)，初始含水率大時，其相同時段的累計入滲量會有所減少。

圖6 土壤初始含水率θ 與參數(shù)a 的關(guān)系Fig.6 Relationship between initial soil water content and parameter a

3 討論

1)濕潤鋒和累積入滲量是土壤水分運移的重要參數(shù)。研究結(jié)果可知，不同土壤初始含水率下累積入滲量變化曲線與濕潤鋒的運移曲線并不重合，主要是因為累積入滲量受到土壤儲水量及濕潤鋒運移速度的雙重影響。一般情況下，低含水率下斥水性較強，不利于濕潤鋒的運移，高含水率下親水性較強，加速了濕潤鋒的運移，因此，斥水性是影響濕潤鋒運移的決定性因素;然而，低含水率下土壤飽和需要的水量較多，土壤儲水能力較強，導致黑壚土的CK 組及渭河砂土的CK 組和O-C-30 組的前一入滲階段累積入滲量隨土壤含水率的升高而降低，與濕潤鋒的運移規(guī)律恰好相反。但是，隨著時間的延長，這種變化規(guī)律是否依然存在主要取決于濕潤鋒運移速度與土壤儲水量的關(guān)系。當高含水率下濕潤鋒運移所需要的水量超過低含水率下土壤的儲水能力時，累積入滲量則會隨著含水率的升高而增加，如渭河砂土的后一階段，反之累積入滲量的變化趨勢維持不變，如長武黑壚土的CK 組。在黑壚土O-C-30 組中的7.04%含水率條件下，飽和需要更多地水分，但是也抵不過濕潤鋒運移速度慢對其的影響，導致累積入滲量最低;因此，可知土壤的儲水能力和斥水性這一矛盾體是導致濕潤鋒與累積入滲量變化趨勢差異性的主要原因。曾晨等［4］研究砂黃土和塿土垂直線源入滲中同樣發(fā)現(xiàn)累積入滲量變化曲線與濕潤鋒的運移曲線不重合，與本研究結(jié)果一致。

2)黑壚土設置的4 個土壤初始含水率水平中，7.04%含水率條件下濕潤鋒運移最慢，可以用斥水性來解釋。研究表明，斥水性存在臨界含水率，土壤越干表現(xiàn)出較強的斥水性，隨著土壤濕度的增加，斥水性迅速降低，甚至完全消失［15］。亦有學者發(fā)現(xiàn)，隨著土壤含水率的減小，土壤斥水性逐漸增加，最后達到極值，當土壤含水率達到一定值時，土壤斥水性消失［16］。L.Dekker 等［17］在研究荷蘭沙質(zhì)土壤斥水性與含水率之間的關(guān)系時，觀察到某些荷蘭沙土，當土壤含水率小于2%時，斥水性消失;陳俊英等［18］應用滴水穿透法研究以色列土壤斥水性與含水率的響應關(guān)系，指出斥水持續(xù)時間隨含水率的變化趨勢呈單峰曲線，即土壤斥水性具有峰值含水率，低于或高于峰值含水率，斥水性的影響逐漸減弱。本文黑壚土在7.04%含水率條件下斥水性最強，土壤較其他含水率水平難于被濕潤，而3.01%含水率相對于7.04%含水率來說，土壤中氣相體積較大，部分孔隙被液相水充填后土壤氣體的反作用力有所減小;所以入滲速度快，如試驗中CK 組和O-C-30組中3.01%含水率條件下濕潤鋒運移速度最快。陳俊英等［18］研究發(fā)現(xiàn)，以色列黏土斥水性的峰值含水率在7%～16%之間，砂土在2%～5%之間。本研究中渭河砂土并未發(fā)現(xiàn)斥水性的峰值含水率，這可能與土壤質(zhì)地有關(guān)。另外，本文設置的含水率梯度是在水分運移可視的前提下設定的，均沒有達到田間持水量，隨土壤濕度增加，斥水性迅速降低，甚至完全消失的臨界點并未出現(xiàn)在實驗中;因此，初始含水率對優(yōu)先流的影響還有待于進一步研究。

4 結(jié)論

1)相同質(zhì)地的土壤，在土壤初始含水率水平大于斥水性的峰值含水率時，濕潤鋒運移深度隨著初始含水率的增大而增大，小于斥水性的峰值含水率時，濕潤鋒運移深度隨著初始含水率的增加而減少。不同質(zhì)地的土壤，粉粒含量越高濕潤鋒運移越慢。冪函數(shù)能較好地模擬優(yōu)先流濕潤鋒運移隨時間的變化關(guān)系。

2)不同質(zhì)地的土壤，優(yōu)先流累積入滲量隨時間的變化曲線呈現(xiàn)不同的特征，黑壚土CK 組及O-C-30 組除7.04%含水率外，累積入滲量隨著土壤初始含水率的增大而減小;渭河砂土CK 組及O-C-30組均呈現(xiàn)2 階段特征，累積入滲量先隨著初始含水率的增加而減少，之后隨初始含水率的增加而增加。采用Kostiakov 入滲模型對累積入滲量隨時間的變化曲線進行擬合，二者呈明顯的冪函數(shù)關(guān)系，Kostiakov 入滲模型同樣適用于優(yōu)先流的模擬。

3)不同土壤初始含水率條件下，土壤儲水能力及斥水性質(zhì)的差異是引起濕潤鋒運移和累積入滲量變化曲線不重合的主要因素。低含水率下可能存在斥水性的峰值含水率，低于或高于峰值含水量，斥水性均有所減弱。