坡度對3種單環(huán)法測量坡地飽和導(dǎo)水率的影響

雍晨旭，樊 軍,?，王 勝

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712110，陜西楊凌)

飽和導(dǎo)水率(Ks)是描述土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)，涉及地表水的入滲與產(chǎn)流、地下水補(bǔ)給、溶質(zhì)遷移、灌溉與排水等方面的測量與模擬[1]。由于土壤侵蝕強(qiáng)度和土地利用方式的不同，沿坡面上各點(diǎn)土壤入滲速率差異很大，從而給山坡和流域水土、養(yǎng)分流失的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)帶來困難[2]；因此，坡地Ks的直接測量在坡地水分運(yùn)動(dòng)與土壤侵蝕研究方面具有重要意義。

國內(nèi)外眾多研究涉及土壤入滲測定方法[2-5]。目前野外土壤入滲測定常見方法主要有以下4類：單環(huán)法[3]、人工模擬降雨器法[2]、雙環(huán)法[4]和盤式入滲儀法[5]。此外，根據(jù)實(shí)際降雨資料也可確定土壤入滲值。單環(huán)法測定過程快速而簡單，但尺寸小，插入環(huán)時(shí)擾動(dòng)土壤，存在沿環(huán)壁的邊際流等影響。人工模擬降雨器法具有降雨強(qiáng)度、雨滴大小可調(diào)，更接近天然降雨情況，可在坡地測量等優(yōu)點(diǎn)，但其體積大，不易野外操作，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，造價(jià)高[2]。雖然雙環(huán)法是田間測定土壤入滲性能的經(jīng)典方法，但雙環(huán)法一般只是測定土壤表層入滲能力，而且耗水量大、耗時(shí)長[4]，無法在坡地上操作。盤式入滲儀測定導(dǎo)水率快速簡單，但應(yīng)用盤式入滲儀測定Ks有2個(gè)難點(diǎn)：一是經(jīng)典的應(yīng)用盤式入滲儀理論是基于Wooding或Philip入滲理論，并不能應(yīng)用于有水頭條件下，不滿足Ks測定的必要條件[6]；二是在正壓或零壓力下用在盤與地面之間的沙層可能阻礙水分入滲[7]，另外在坡地上，盤式入滲儀的放置也是一個(gè)難題。以上測量方法，除人工模擬降雨器法，均是基于平地發(fā)展來的測量方法。目前尚缺乏直接用于坡地土壤入滲測定的便捷方法，即使有一些關(guān)于坡地測量的文章報(bào)道[8]，也僅是在坡地上選擇地勢較平坦的位置進(jìn)行測定，無法代表坡地入滲的真實(shí)情況。本文采用基于水平地面發(fā)展來的單環(huán)雙水頭法、單環(huán)單水頭法與單環(huán)BEST法進(jìn)行野外試驗(yàn)，選取粗質(zhì)地的砂質(zhì)土和砂壤土及細(xì)質(zhì)地的粉質(zhì)黏壤土，設(shè)置不同坡度(0°、5°、10°、15°、20°)處理，分析坡度對3種方法測量Ks結(jié)果的影響，評價(jià)3種方法的適用性，為坡地Ks的田間原位測量提供理論與技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站選取風(fēng)沙土、黃綿土進(jìn)行試驗(yàn)，2017年7月15日—8月1日測定風(fēng)沙土，2017年8月5日—8月25日測定黃綿土，2017年9月1日—9月20日在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所測定塿土，每種土壤不同坡度進(jìn)行試驗(yàn)5次。神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站位于陜西省神木市以西14 km處的西溝鄉(xiāng)六道溝小流域(E 110° 26′，N 38° 49′)。地貌類型為片沙覆蓋的梁峁?fàn)铧S土丘陵，土壤質(zhì)地較粗。水土保持研究所位于陜西省咸陽市楊凌示范區(qū)，地處關(guān)中平原腹地，主要土壤類型為塿土，質(zhì)地黏重。

2 材料與方法

2.1 野外試驗(yàn)

試驗(yàn)選取風(fēng)沙土、黃綿土與塿土為供試土壤，主要物理性質(zhì)見表1。選取地勢平坦，土質(zhì)均勻的地塊，除去0～20 cm的表土層，修建0°、5°、10°、15°、20°等5個(gè)坡度的試驗(yàn)小區(qū)，采取挖方的方式修筑，避免因?yàn)樘罘皆斐傻耐寥澜Y(jié)構(gòu)改變。單環(huán)雙水頭法與單環(huán)單水頭法的試驗(yàn)具體操作步驟為：將單環(huán)垂直坡面砸入土壤，在5 cm水頭達(dá)到穩(wěn)定入滲后，增加水頭到10 cm，再次達(dá)到穩(wěn)定入滲后停止試驗(yàn)，換另一個(gè)點(diǎn)位，如此重復(fù)試驗(yàn)至少5次。單環(huán)BEST法試驗(yàn)具體步驟為[9]：將單環(huán)砸入土壤中，砸入深度為1 cm，單環(huán)內(nèi)徑為10 cm。在砸入單環(huán)的附近取土帶回室內(nèi)測初始含水率以及其他物理化學(xué)性質(zhì)。量取一定量的水小心并快速倒入單環(huán)中，當(dāng)水剛好滲透完畢時(shí)記錄時(shí)間，并倒入第2杯等量的水。重復(fù)以上過程直到入滲穩(wěn)定為止(連續(xù)3杯水的入滲時(shí)間相同)。試驗(yàn)結(jié)束后在單環(huán)中用環(huán)刀取土，用烘干法測定土壤含水率和密度。

表1 供試土壤的主要物理化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Main physical and chemical properties of soil

注：樣本數(shù)n=5。Notes: The number of samplesn=5.

2.2 研究方法

2.2.1 單環(huán)雙水頭法

單環(huán)雙水頭法是基于水平地面發(fā)展來的一種測量Ks的方法，單環(huán)中的水分入滲屬于積水條件下的三維運(yùn)動(dòng)過程。Reynolds等建立了利用單環(huán)入滲法計(jì)算土壤Ks的方法[10]。

(1)

(2)

式中:Qs為穩(wěn)態(tài)通量，cm3/min；r為入滲環(huán)半徑r=7.5 cm，cm；H為入滲環(huán)內(nèi)積水深度，cm；d為入滲環(huán)插入地下的深度d=6.0 cm，cm；Φm為土壤基質(zhì)勢通量，cm2/min；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/min。采用雙水頭入滲法，在2個(gè)積水深度(H)條件下獲取對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)通量(Qs)，解二元一次方程組求算Ks和Φm。本文依據(jù)Nimmo等提出的簡化公式進(jìn)行計(jì)算[11]。此外，也可以依據(jù)單水頭方法計(jì)算Ks[12]。

2.2.2 單環(huán)BEST法

BEST法是由Beerkan 法發(fā)展過來的，二者原理一致，也是一種基于水平地面測量Ks的方法。Beerkan 的方法計(jì)算土壤水文性質(zhì)最開始由 Haverkamp 等提出[13]。Beerkan 的方法具體可以分為 BEST-slope 和 BEST-intercept 2種方法，本文采用BEST-slope法[14]。

2.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用DPS 7.05軟件對3種類型土壤各坡度處理測量的Ks試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。采用Excel 2010軟件制表、Origin 2016軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡度對單環(huán)雙水頭法測量的影響

風(fēng)沙土、黃綿土、塿土的Ks分別在0.070 4～0.231 7 cm/min之間、0.058 6～0.126 1 cm/ min之間與0.015 5～0.073 4 cm/min之間。3種土壤20°比0°Ks依次大2.3倍、1.0倍與3.7倍(表2～4)。

3種類型土壤測量的Ks值與坡度存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(圖1)。坡度對單環(huán)雙水頭法測量3種類型土壤的Ks影響顯著(表2～4)，小于10°的處理間無顯著差異，大于10°的處理顯著高于小于10°的處理(P<0.05)，說明坡度改變了環(huán)內(nèi)積水入滲的三維過程，導(dǎo)致單環(huán)雙水頭法測定的坡地Ks值出現(xiàn)偏差。

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因可能有：1)隨著坡度的增加，入滲面積未發(fā)生改變，但環(huán)內(nèi)入滲積水發(fā)生變化，環(huán)內(nèi)下部積水深度增加，上部積水深度減小，整個(gè)入滲面的入滲水頭也相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致該方法計(jì)算的Ks變大。2)隨著入滲過程的推進(jìn)，重力作用逐漸增強(qiáng)，有坡度條件下，入滲過程產(chǎn)生向下坡方向的傾斜橢球體，與無坡度相比，其最大入滲深度大于無坡度，另外隨著入滲時(shí)間增加，重力作用增加的幅度變大，從而導(dǎo)致有坡度的穩(wěn)定入滲率要大于無坡度[15](表2～4)，使得有坡度Ks大于無坡度，這種影響在粗質(zhì)地土壤上，要比細(xì)質(zhì)地強(qiáng)。以上因素導(dǎo)致當(dāng)坡度<10°時(shí)，各處理間無顯著差異，仍可采用無坡度計(jì)算公式進(jìn)行求算，但當(dāng)坡度>10°時(shí)，差異顯著，方法不再適用。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)測定結(jié)果中出現(xiàn)部分異常值(負(fù)值或者極端值)且都出現(xiàn)在有坡度條件下，3種類型土壤共75個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，出現(xiàn)異常值8個(gè)，其中風(fēng)沙土5個(gè)，黃綿土3個(gè)。異常值的出現(xiàn)可能原因有[16]：1)未達(dá)到穩(wěn)定入滲狀態(tài)，導(dǎo)致出現(xiàn)is2

圖1 坡度對單環(huán)雙水頭法測量Ks的影響Fig.1 Effects of slope gradient on Ks measured by single-ring two-ponding depth infiltrometer

注：不同的小寫字母表示不同坡度處理間存在顯著差異(P<0.05)，樣本數(shù)n=5, 下同。Notes: Different lowercase letters indicate significant differences among different slope treatments (P<0.05), and the number of samplesn=5. The same as below.

表3 坡度對單環(huán)雙水頭、單環(huán)單水頭法測量結(jié)果的影響(黃綿土)Tab.3 Effect of slope gradient on Ks measured by single-ring two-ponding depth infiltrometer and single-ring one-ponding depth infiltrometer (Loessial soil) cm/min

表4 坡度對單環(huán)雙水頭、單環(huán)單水頭法測量結(jié)果的影響(塿土)Tab.4 Effect of slope gradient on Ks measured by two-ponding depth of single-ring infiltrometer and one-ponding depth of single-ring infiltrometer(Lou soil) cm/min

3.2 坡度對單環(huán)單水頭法測量的影響

不同的小寫字母表示不同坡度處理間存在顯著差異(P<0.05)，樣本數(shù)n=5。Different lowercase letters indicate significant differences among different slope treatments (P<0.05), the number of samples n=5.圖2 坡度對單環(huán)BEST法測量3種土壤Ks的影響Fig.2 Effects of slope gradient on Ks of three kinds of soils by single-ring BEST infiltrometer

分別對3種類型土壤5、10 cm水頭下單獨(dú)求算不同坡度的Ks進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2～4所示(P<0.05)：1)5 cm水頭，風(fēng)沙土15°與20°處理顯著高于其他坡度，0°與5°無顯著差異；黃綿土各處理之間差異沒有達(dá)到顯著水平；塿土20°顯著高于0°、5°、10°，0、5°、10°處理無顯著差異。2)10 cm水頭，風(fēng)沙土15°與20°處理顯著高于其他坡度，0°、5°、10°坡度間無顯著差異；黃綿土各坡度處理之間無顯著差異，塿土規(guī)律與風(fēng)沙土一致。

3種類型土壤測試結(jié)果均表明，單環(huán)單水頭法測量的坡地Ks隨坡度的增加而增加，這與單環(huán)雙水頭法測量結(jié)果一致。比較無坡度測量結(jié)果，單環(huán)單水頭法(5 cm)測量3種類型土壤Ks分別是單環(huán)雙水頭法的1.5、1.7與1.2倍，但單環(huán)單水頭法(10 cm)測量3種類型土壤Ks分別是單環(huán)雙水法的99%、1.01倍與1.02倍。在特定土壤條件下，土壤水力參數(shù)(C：形狀因子；α*：土壤飽和導(dǎo)水率與土壤基質(zhì)勢通量的比值)確定后，單環(huán)單水頭法(10 cm)可以替代單環(huán)雙水頭法測量土壤Ks。

3.3 坡度對單環(huán)BEST法測量結(jié)果的影響

風(fēng)沙土、黃綿土、塿土Ks分別在0.103 1～0.274 6cm/min之間、0.030 6～0.191 5 cm/min之間與0.050 4～0.086 2 cm/min之間。Ks與坡度成極顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2)。統(tǒng)計(jì)分析顯示(圖2)(P<0.05)：3種類型的土壤，0°、5°處理均高于其他處理，15°與20°處理無顯著差異。側(cè)滲對Ks的影響隨土質(zhì)變細(xì)而增強(qiáng)[17]，有坡度的處理，等量的水倒入環(huán)中，隨著入滲，入滲面積越來越小，入滲緩慢，側(cè)滲量減小，隨著坡度的增加，入滲面積減小的速率增加，從而導(dǎo)致測量的Ks隨坡度增加而減小。當(dāng)坡度>10°時(shí)，測量的Ks值與無坡度差異顯著，導(dǎo)致此方法不再適用。

3.4 3種方法測量的土壤飽和導(dǎo)水率差異

無坡度測量結(jié)果顯示3種方法測量的3種類型土壤的Ks大小順序一致，均為風(fēng)沙土>黃綿土>塿土(表5)。但是，3種不同類型土壤，單環(huán)BEST法測得Ks均顯著高于單環(huán)雙水頭法，分別大2.9倍、2.1倍、4.5倍；單環(huán)BEST法測得Ks均顯著高于單環(huán)水頭法(5 cm)，分別大1.6倍、0.8倍、3.4倍，也顯著高于單環(huán)單水頭法(10 cm)，分別大2.9倍、2.1倍、4.4倍(P<0.05)。以環(huán)刀取原狀土室內(nèi)定水頭法作為比較標(biāo)準(zhǔn)，單環(huán)BEST法顯著高估了2種土壤的Ks，而與單環(huán)雙水頭法與單環(huán)單水頭法(10 cm)一致。有研究表明簡單降水頭法測得的Ks高于單環(huán)壓力儀法[18]，這與本研究單環(huán)BEST法高于單環(huán)雙水頭法一致，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能有：1)單環(huán)雙水頭法耗時(shí)多于單環(huán)BEST法，長時(shí)間的入滲過程會促進(jìn)短期膨脹現(xiàn)象從而減少大孔隙[18]；2)單環(huán)BEST法是短時(shí)間瞬態(tài)測量Ks而單環(huán)雙水頭法是長時(shí)間穩(wěn)態(tài)測量Ks，從而單環(huán)BEST法測定值高于單環(huán)雙水頭法，這與Bagarello等[19]的研究一致；3)濕潤速度影響Ks，濕潤速度越快Ks越低，濕潤速度對Ks的影響機(jī)理主要是水流在土體中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切力破壞了土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，濕潤速度越大，產(chǎn)生的剪切力也越大，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞越完全，從而導(dǎo)致土壤導(dǎo)水能力顯著下降[20]。

表5 不同方法測量土壤Ks差異Tab.5 Differences of Ks measured by different methods cm/min

注：不同大寫字母表示相同方法不同土壤各指標(biāo)數(shù)值差異顯著，不同小寫字母表示相同土壤不同方法各指標(biāo)數(shù)值差異顯著，(P<0.05)。Notes: Different capital letters indicate significant differences among index values between different soils by the same method, and different lowercase letters indicate significant differences among index values between different methods in the same soil (P<0.05).

4 結(jié)論

單環(huán)雙水頭法和單環(huán)BEST法測得Ks結(jié)果均為風(fēng)沙土>黃綿土>塿土，但是單環(huán)BEST法測量3種類型土壤的Ks值比單環(huán)雙水頭法分別大2.9、2.1、4.5倍。單環(huán)單水頭法(10 cm)測量結(jié)果與單環(huán)雙水頭法接近。單環(huán)雙水頭法與單環(huán)單水頭法(10 cm)測量坡地Ks隨坡度的增加而線性增加，但是單環(huán)BEST法呈現(xiàn)出相反的趨勢。當(dāng)坡度<10°時(shí)，這2種方法均可以測量計(jì)算3種類型土壤的Ks，但當(dāng)坡度超過10°時(shí)，Ks被顯著高估，2種方法不再適用。

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