不同土壤質地及同一質地水分入滲差異
——以山西保德縣、嵐縣、榆次區(qū)為例

張曉茹,牛俊杰

（太原師范學院 山西 太原 030619）

入滲是指水分進入土壤形成土壤水的過程，它是降水、地面水、土壤水和地下水四水之間相互轉化的一個重要環(huán)節(jié)[1］。土壤入滲速率調節(jié)著滲透到土壤中的與儲存在地下的水分或是產(chǎn)生地表徑流的水量[2］狀況。進入土壤的水分或通過土壤蒸發(fā)、植物蒸騰返回大氣或向下滲漏 (土體內徑流或進入地下水)[3-4］對土壤產(chǎn)生影響，因此，土壤的入滲機能不僅能直接影響著大氣-植物-土壤連通體中水分循環(huán)、地表徑流的數(shù)量以及伴隨著洪水和土壤侵蝕等災害的威脅,同時也影響著植物根系所在范圍內的水分情況[5］。由此可見,改善土壤的入滲性能對防止土壤流失,提高森林綠色植物的生產(chǎn)力等,均具有重要的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益[6］。

中國是世界上黃土分布較廣的地區(qū)之一，在中國境內，又以黃土高原最為特殊。前人對黃土表層及深層的土壤滲透性進行了一系列研究，并取得了相應的研究成果，1998年，劉賢趙，康紹中通過野外土壤入滲試驗，利用時域反射儀進行了土壤水分動態(tài)變化的觀測，分析了積水入滲過程中土壤水分的動態(tài)變化規(guī)律及土壤水分再分布規(guī)律[7］；2004年吳欽孝，韓冰等人采用“環(huán)刀法”，在流域的橫斷面上設點,對黃土丘陵區(qū)森林小流域和荒坡草灌小流域土壤水分入滲特征進行了研究，對流域減流減沙效益的預測和評價提供了科學依據(jù)[8］；2009年趙景波，張允等人通過對陜西洛川鳳棲鎮(zhèn)剖面黃土與紅色古土壤8個層位的入滲實驗及孔隙度與CaCo3測定,研究了黃土與古土壤入滲特征和地下水富集條件[9］。從20世紀80年代以來,對黃土高原地區(qū)的地層水理性質和黃土地下水來源、運移、含水特征、富集條件和賦存狀態(tài)等進行了許多研究，如王德潛[10］李云峰[11］等學者對陜西洛川黃土潛水特征以及黃土孔隙度的研究以及張景波[9］等研究黃土深層的水分狀況。在國外，雖然對土壤滲透性和黃土進行許多研究，側重地表土壤的滲透性[12,13］以及黃土對氣候變化的記錄方面[14,15］。無論在土壤表層滲透性還是深層的土壤水，均具有廣泛而全面的研究，但針對某一地區(qū)土壤以及不同質地土壤之間橫向比較的研究較少，顧本文通過雙環(huán)刀入滲法[16］對保德、嵐縣、榆次三個由西北向東南方向過度地區(qū)的表層土壤進行土壤水分入滲研究，并對比分析同一質地[17］下的不同地區(qū)的土壤入滲率，揭示不同地區(qū)、不同質地土壤入滲率的差別，為評價該地區(qū)土壤水資源和土壤水分的有效利用提供準確可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域為我山西省保德、嵐縣、榆次。保德位于山西省西北部，地處呂梁山北段西坡、黃土高原東部邊緣地帶，屬典型的溫帶大陸性氣候，該地區(qū)土壤為典型紅壤區(qū)，位于砂壤帶[17］上；嵐縣屬山西省呂梁市轄縣，位于省境中部西側該區(qū)海拔較高，地勢平坦在土壤質地劃分上屬于輕壤帶[17］；榆次位于山西中部的晉中盆地，屬溫帶大陸性干旱氣候，土壤帶位于中壤Ⅰ帶[17］。實驗區(qū)如圖1（圖件來源參考中國科學院西北水土保持研究所期刊）所示，從西北到東南標注紅點的分別是保德縣、嵐縣以及榆次。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇

實驗點選在出露好的層位，具體選擇視情況而定。為了降低實驗誤差，在每層選擇2～4個實驗點[18］。在實驗中，對數(shù)據(jù)結果，最終對平均值進行計算，作為最終結果。為了保證滲水過程只發(fā)生或主要發(fā)生在該層中,把實驗點選擇在頂部由于坡向不同也可能造成實驗結果不一致,試驗點的土壤選擇陰涼處，以避免陽光直接照射引起強烈蒸發(fā)[18］。

圖1 實驗與采樣位置

圖2 雙環(huán)刀使用示意圖

1.2.2 實驗方法

將高20cm、直徑20cm和40cm的兩個鐵環(huán)放置在準備實驗的土層平坦面上，用雙手按住鐵環(huán)水平向左右旋轉,讓環(huán)下部刀口切入土中，在頂部架上十字形鐵架，用錘子砸架子中部，用力均勻向下，敲擊點和站立位置要不斷的順向移動，使鐵環(huán)平穩(wěn)下切，避免破壞原狀土，將圓環(huán)用橡膠錘緩慢均勻地打入土中10㎝，盡量保持土壤結構不受破壞[19］，檢測環(huán)上沿是否水平,校正后,把環(huán)與土間隙用細土抹平。然后在內外兩環(huán)底部鋪上1cm厚的細礫石,以減少加水時對土壤結構的破壞。雙環(huán)放好后，向兩環(huán)內同時加水至5cm高度，外環(huán)加水的目的是防止內外環(huán)互滲，并標注記號，作為以后每次實驗加水的標準刻度[20］。之后記錄每5分鐘、10分鐘、20分鐘入滲的水量。當最后連續(xù)3個20分鐘入滲的水量都相同時，說明入滲速率已達到穩(wěn)定狀態(tài)，即可結實驗。

表1 采樣點的位置信息

2 結果與分析

2.1 入滲結果對比

分別對保德趙家溝、前白梁村、嵐縣東河村及榆次區(qū)進行了實驗,每個層位實驗重復2～4次，現(xiàn)將我們對各層重復性較好實驗數(shù)據(jù)介紹，根據(jù)實驗結果可知在入滲開始的前15分鐘內,入滲量較大,經(jīng)過約40分鐘的入滲后,入滲量達到穩(wěn)定狀態(tài)。現(xiàn)將各地區(qū)不同時段的入滲量作圖3如下：

圖a是在保德縣小趙家溝村所選取的樣地1、樣地2的土壤入滲實驗曲線圖，樣地2與樣地1的垂直距離大約為1米左右，呈階梯狀分布，兩地取點時均為表層土壤，環(huán)刀入土大約5 cm左右，樣地1在樣地2的下方，選取的是斜坡土。通過圖a的顯示，樣地1的表層土壤在穩(wěn)定滲透流量前的平均滲透量為168.54 mL/min，穩(wěn)定入滲量為28.5 mL/min。在入滲開始的前15分鐘內，入滲量較大，經(jīng)過約40分鐘的入滲后，入滲量達到穩(wěn)定狀態(tài)。樣地2的表層土壤在穩(wěn)定滲透流量前的平均滲透量為51.17 mL/min，穩(wěn)定入滲量為21.90 mL/min。在入滲開始的前20分鐘內，入滲量較大，經(jīng)過約40分鐘的入滲后，入滲量達到穩(wěn)定狀態(tài)。前20分鐘土壤入滲流量較大，40分鐘后趨于穩(wěn)定，兩地等等穩(wěn)定入滲流量基本相同，樣地1略高，在前20分鐘，很明顯的樣地1的入滲流量比樣地2大的多。雖然樣地1比樣地2相對位置低，但由于樣地2是一個平地，而樣地1則是一個斜坡。所以很明顯的斜坡的入滲流量大于平地的入滲流量。

圖b是在嵐縣所選取的樣地4、樣地5的土壤入滲實驗曲線圖，樣地4在樣地5的上方，垂直相距1.2 m，呈階梯狀分布，取點時均為表層土壤，環(huán)刀入土大約7cm左右，通過圖5的顯示，樣地4為土層表層初露土，在穩(wěn)定滲透流量前的平均滲透量為96.34 mL/min，穩(wěn)定入滲量為43.5 mL/min。在入滲開始的前20分鐘內，入滲量較大，經(jīng)過約60分鐘的入滲后，入滲量達到穩(wěn)定狀態(tài)。樣地5的表層土壤在穩(wěn)定滲透流量前的平均滲透量為57.35 mL/min，穩(wěn)定入滲量為42.30 mL/min。在入滲開始的前20分鐘內，入滲量較大，經(jīng)過約30分鐘的入滲后，入滲量達到穩(wěn)定狀態(tài)。就兩地而言，前60分鐘土壤入滲流量較大，60分鐘后趨于穩(wěn)定，兩地的穩(wěn)定入滲流量基本相同，在前60分鐘，很明顯的樣地4的入滲流量比樣地5大的多。

圖c是在晉中市榆次區(qū)大學城所選取的樣地6、樣地7、樣地8的土壤入滲實驗曲線圖，樣地7的位置是在樣地6下方的垂直距離2m的地方，樣地8在樣地7的垂直下方的距離為1.3m，呈階梯狀分布，取點時均為表層土壤，環(huán)刀入土大約8 cm左右。樣地6的在穩(wěn)定滲透流量前的平均滲透量為42.27 mL/min，穩(wěn)定入滲量為11.2 mL/min。在入滲開始的前20分鐘內，入滲量較大，經(jīng)過約40分鐘的入滲后，入滲量達到穩(wěn)定狀態(tài)。樣地7的土壤層在穩(wěn)定滲透流量前的平均滲透量為67.47 mL/min，穩(wěn)定后入滲量為14.6 mL/min。在入滲開始的前15分鐘內，入滲量較大，經(jīng)過約60分鐘的入滲后，入滲量達到穩(wěn)定狀態(tài)。樣地8穩(wěn)定滲透流量前的平均滲透量為57.34 mL/min，穩(wěn)定入滲量為15.6 mL/min。在入滲開始的前15分鐘內，入滲量較大，經(jīng)過約40分鐘的入滲后，入滲量達到穩(wěn)定狀態(tài)?？梢钥闯?，3個地區(qū)的穩(wěn)定入滲流量基本相同，在整個入滲過程中，樣地7與樣地8的入滲流量均高于樣地6，雖然樣地6的海拔較高，但是，在取樣時注意到樣地7與樣地8接河道，河道內無河流，但均為沙土。

2.2 對比分析

圖4 取樣地橫向土壤入滲實驗曲線比較圖

通過圖4顯示，4個采樣點中樣地3、樣地6的穩(wěn)定滲透量較為接近。從圖中得到：嵐縣的東河村土壤質地為砂壤，為褐土，黃土母質，顏色暗褐，屑粒狀結構或團裝結構，有機質含量高，疏松多孔，顧滲透量較大；保德縣前白梁村，位于沙壤帶上，是典型的紅壤區(qū)，保德紅土為紅粘土，顏色棕紅，質地粘重，通體以粘壤為主，顆粒組成小于0.02 mm的粘粒和粉粒占60%-80%，結構致密、少孔[21］，所以滲透流量較其他地區(qū)?。恢腥缼Б駷辄S土，周圍有植被分布，蓄水性好，所以滲透量也較低。通過觀察分析，水分滲透量呈西北到東南遞增，具有顯著相關性。

2.3 討論分析

本文根據(jù)李玉山先生對黃土高原土壤質地分區(qū)[17］來劃分壤，質地一致的地區(qū)進行對比分析

①陜西洛川與山西榆次均屬于中壤帶Ⅰ，再根據(jù)趙景波，王長燕對陜西洛川表層土壤入滲規(guī)律的研究得出的結果與山西榆次進行對比，得出對比結果。洛川縣地處陜西省中部,黃土高原南部，洛河中游，位于 109°1－109°45′47 E，35°26″－36°04′之間，由趙景波試驗可知洛川第一層黃土初始的入滲速率很高，為7.07 mm/min,穩(wěn)定前的平均入滲速率為2.53 mm/min，穩(wěn)定入滲速率為1.13 mm/min，在入滲過程的前15 min，入滲速率很大，在約110 min之后，入滲速率達到穩(wěn)定階段[22］山西榆次地區(qū)穩(wěn)定滲透流量前的平均滲透率為1.34 mm/min，穩(wěn)定入滲量為0.36 mm/min。在入滲開始的前20分鐘內，入滲量較大，經(jīng)過約40分鐘的入滲后，入滲量達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過對比可以看出在穩(wěn)定前的平均入滲率和穩(wěn)定的平均入滲率均是洛川大于榆次，且在時間上來分析，洛川的入滲時間較長。通過對比得出洛川的入滲量大于榆次且入滲時間較長。

②陜西佳縣與陜西保德均屬于砂壤帶，佳縣土壤穩(wěn)定入滲率為1 mm/min[23］，保德穩(wěn)定入滲量為0.3 mm/min?？梢缘贸黾芽h的平均入滲率大于保德。

③陜西子長、安塞、吳旗均與嵐縣一樣處在輕壤帶，其中子長、安塞地區(qū)土壤穩(wěn)定入滲率為1.15～1.30mm/min[23］，吳旗鐵邊城，恒定滲透速率2.3mm/min[24］，嵐縣穩(wěn)定入滲量為1.3 ml/min?？梢缘贸鲫兾鲄瞧斓钠骄霛B率大于嵐縣，子長、安塞的平均入滲率與嵐縣基本一致。

3 結論

①在保德選取的樣地有斜坡和平地之分，通過數(shù)據(jù)對比可以得出斜坡的入滲流量大于平地的入滲流量；在嵐縣選取的樣地通過高度的差異得出相對較高的地區(qū)比低的地區(qū)的土壤的入滲流量略大；在榆次區(qū)因為有河流的影響，是的土壤在密度和結構上存在差異，沙土的入滲量大于普通黃土的入滲量。

②總體來說，根據(jù)李玉山對黃土高原5個土壤質地帶的劃分[17］，可以看出保德位于砂壤，嵐縣輕壤，榆次位于中壤Ⅰ，從土壤的下滲情況來看，由西北向東南遞增，不同質地土壤入滲量不同。

③同一土壤質地下洛川的入滲量大于榆次且入滲時間較長，佳縣的平均入滲率大于保德，陜西吳旗的平均入滲率大于嵐縣，子長、安塞的平均入滲率與嵐縣基本一致，同一質地下不同地區(qū)的土壤入滲量是不同的。

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