洪澇災(zāi)害對(duì)農(nóng)田土壤垂向入滲性的影響分析*

王振芬

(綏化學(xué)院 農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061)

我國(guó)地廣物博，氣候多變，降水不均現(xiàn)象頻現(xiàn)，季節(jié)性洪澇災(zāi)害問(wèn)題突出。洪澇災(zāi)害問(wèn)題導(dǎo)致農(nóng)田土壤入滲性能出現(xiàn)變化，對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展造成了極大的影響[1]。農(nóng)田土壤入滲情況決定了地表徑流和土壤儲(chǔ)水性。為了有效降低洪澇災(zāi)害對(duì)農(nóng)田土壤的影響，對(duì)農(nóng)田土壤入滲情況進(jìn)行研究[2]。對(duì)洪澇災(zāi)害季節(jié)土壤滲透情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，通過(guò)對(duì)土壤入滲量、水分剖面、干旱程度及坡度等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和記錄。針對(duì)旱澇季時(shí)節(jié)不同降雨強(qiáng)度及土壤初始含水量進(jìn)行比對(duì)分析[3]。從而對(duì)土壤入滲程度關(guān)系進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)農(nóng)田土壤進(jìn)行保護(hù)，提高農(nóng)田生成效率，提高農(nóng)田土壤耕作質(zhì)量。

1 農(nóng)田土壤垂向入滲性探究方法

由于水資源貧乏，我國(guó)當(dāng)前的農(nóng)田耕作行業(yè)仍然通過(guò)自然降水的方法來(lái)增加土壤水分等以便進(jìn)行農(nóng)田耕作。在自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)作用下，農(nóng)耕環(huán)境的脆弱性逐漸展現(xiàn)，嚴(yán)重影響著人類的農(nóng)耕生產(chǎn)和日常生活[4]。其中，由暴雨、臺(tái)風(fēng)等自然現(xiàn)象引起的農(nóng)田長(zhǎng)期深度積水等問(wèn)題對(duì)農(nóng)田土壤環(huán)境脆弱性影響更為嚴(yán)重，嚴(yán)重破壞農(nóng)耕用地的恢復(fù)能力[5]。因此基于洪澇災(zāi)害影響程度對(duì)農(nóng)田耕地的脆弱性損失曲線進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。首先結(jié)合環(huán)刀法檢測(cè)方法對(duì)土壤垂向入滲率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如下：

(1)

式中：Ai為垂向土壤入滲率；S為洪澇災(zāi)害后土壤機(jī)械組成的改變值；Q為農(nóng)田積水飽和度；K為單位時(shí)間水流通過(guò)農(nóng)耕土壤的通量參數(shù)；M土壤初始含水量；N為農(nóng)田剖面坡度值。由于農(nóng)作土壤受洪澇災(zāi)害的強(qiáng)度與時(shí)間有關(guān)，為了排除計(jì)算誤差，對(duì)農(nóng)田耕地的最高可溶水量Mi進(jìn)行計(jì)算，具體換算方法如下:

(2)

式中：Qi為農(nóng)田積水飽和度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)值；Ki為單位時(shí)間內(nèi)水流通過(guò)農(nóng)耕土壤的通量標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；Si為洪澇災(zāi)害后土壤機(jī)械組成的平均改變值；Ni為農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)剖面坡度值，其算法如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：a為土壤地質(zhì)水穩(wěn)性團(tuán)粒含量；水流累積量為l；農(nóng)田破壞程度為γ；土壤自然恢復(fù)力為λ；洪澇影響傳輸速度為Ti；農(nóng)田耕地邊長(zhǎng)為r；降雨周期為T；F為耕地土壤結(jié)皮層厚度。由于自然降雨過(guò)程中易引起地表結(jié)皮，則農(nóng)田耕地的脆弱性損失曲線進(jìn)行評(píng)估算法為：

(7)

結(jié)合上述算法對(duì)耕地初始含水量及洪澇災(zāi)害后的脆弱性損失評(píng)估計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便為后續(xù)研究作為數(shù)據(jù)值進(jìn)行參考，從而達(dá)到更加精準(zhǔn)的對(duì)土壤垂向入滲性進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)計(jì)目標(biāo)[6]。其具體數(shù)據(jù)值如表1所示。

表1 耕地脆弱性損失曲線評(píng)估結(jié)果

在洪澇災(zāi)害情況下對(duì)農(nóng)耕用地入滲影響因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在不同雨強(qiáng)、土壤坡度及土壤中的PAM含量各有不同，而PAM是對(duì)土壤垂向入滲能力無(wú)聊性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的重要因素[7]。在降水過(guò)程中，土壤容水量及其農(nóng)田土質(zhì)穩(wěn)定性隨降水量的增大而逐漸增加，土壤垂向入滲性也隨之減小，因此認(rèn)為經(jīng)洪澇災(zāi)害破壞后，農(nóng)田土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)土壤垂向入滲性產(chǎn)生影響，且二者相關(guān)性達(dá)到極顯著水平[8]。基于上述背景探究和分析了國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，從而針對(duì)洪澇災(zāi)害對(duì)農(nóng)田土壤垂向入滲性影響進(jìn)行研究，研究思路設(shè)計(jì)路線如圖1所示。

圖1 土壤入滲性探究思路設(shè)計(jì)路線

2 洪澇災(zāi)害對(duì)土壤入滲性影響情況分析

針對(duì)不同坡度土壤中的不同供水條件下入滲特性及影響因素進(jìn)行調(diào)查研究，結(jié)合前文統(tǒng)計(jì)的土地初始含水量及洪澇災(zāi)害后耕地脆弱性損失數(shù)據(jù)，在洪澇災(zāi)害頻發(fā)季節(jié)對(duì)由強(qiáng)降雨引起的農(nóng)耕土壤含水量過(guò)高導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分流失等問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查，以便更精準(zhǔn)的進(jìn)行后續(xù)的土壤入滲率影響因素及程度研究[9]。首先通過(guò)對(duì)農(nóng)耕土壤垂向入滲性影響、周期時(shí)間及循環(huán)率進(jìn)行調(diào)查研究從而探究出洪澇災(zāi)害發(fā)生規(guī)律信息如表2所示。

表2 洪澇災(zāi)害發(fā)生規(guī)律分析

根據(jù)洪澇災(zāi)害發(fā)生規(guī)律信息進(jìn)行農(nóng)田土壤保護(hù)機(jī)制。做好提取預(yù)防土壤土質(zhì)受到破壞等問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上對(duì)土壤受積水腐蝕后的影響因素進(jìn)行記錄，得到如表3數(shù)據(jù)。在表3中提高土壤內(nèi)部有機(jī)物質(zhì)中，受洪澇災(zāi)害的干擾度不同，因此對(duì)土壤間歇入滲與連續(xù)入滲的影響程度也不同。由于土壤垂向入滲規(guī)律相對(duì)較為復(fù)雜，結(jié)合前文算法以及表2中對(duì)洪澇災(zāi)害周期時(shí)間和循環(huán)率數(shù)據(jù)對(duì)降水時(shí)間和降水量進(jìn)行估算，從而對(duì)土壤內(nèi)的初始水分含有量以及在洪澇災(zāi)害情況下土壤內(nèi)部有機(jī)物質(zhì)的吸水變化情況進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)比研究[10]。詳細(xì)分析了洪澇災(zāi)害后土壤組成的改變值、積水飽和度，水流通過(guò)農(nóng)耕土壤的通量參數(shù)等變化情況，得到表4中的數(shù)據(jù)。

表3 洪澇災(zāi)害對(duì)耕地受損度檢測(cè)數(shù)據(jù)

表4 洪澇災(zāi)害對(duì)土壤入滲能力影響

圖2 洪澇災(zāi)害情況下土壤入滲性檢測(cè)

結(jié)合表4數(shù)據(jù)，利用前文方法可有效對(duì)土壤受損和入滲性數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由于農(nóng)田土壤普遍存在孔隙度大、土層淺，等問(wèn)題，導(dǎo)致土壤垂向入滲性相對(duì)較強(qiáng)，但土壤所在的不同坡度的積水入滲情況各有不同， 基于上述原因?qū)Σ煌露韧寥涝诤闈碁?zāi)害前、中、后的垂向入滲率進(jìn)行了測(cè)量，并繪制成圖以便進(jìn)行對(duì)比分析。檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2檢測(cè)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，坡中及坡下土壤在洪澇災(zāi)害前、中、后期均有較強(qiáng)的入滲性，這是由于坡上土壤疊加較高，難以形成積水，導(dǎo)致水流向坡中、坡下方向流去。另外，洪澇災(zāi)害前中時(shí)期土壤入滲性明顯由于洪澇災(zāi)害后期，這是由于土壤在后期含水量過(guò)飽和，難以對(duì)大量地表積水繼續(xù)進(jìn)行滲透，導(dǎo)致入滲性相對(duì)降低。

3 仿真實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和分析

為了更好的探究洪澇災(zāi)害對(duì)農(nóng)田土壤垂向入滲性影響，通過(guò)人工降雨設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理及步驟如下：首先對(duì)高強(qiáng)度降雨情況進(jìn)行仿真布置于試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，在水箱內(nèi)存入大量積水從而模擬洪澇災(zāi)害下的土壤積水情況，并對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)區(qū)的地表徑流過(guò)程以及針對(duì)土壤表層入滲性進(jìn)行設(shè)計(jì)的降雨孔積水入滲情況進(jìn)行檢測(cè)，從而分析出土壤入滲過(guò)程。具體仿真裝置見圖3。

圖3 土壤積水滲透檢測(cè)模擬裝置

通過(guò)上述仿真裝置分別設(shè)置三塊面積及土質(zhì)等因素相同的實(shí)驗(yàn)用地，對(duì)分別對(duì)坡上、坡中、坡下的土壤入滲率進(jìn)行檢測(cè)。由于土質(zhì)條件不同易出現(xiàn)檢測(cè)誤差，因此在不同坡度條件下分別設(shè)置3個(gè)土質(zhì)情況基本相同的重復(fù)樣地進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，以提高檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度。利用環(huán)刀法對(duì)土壤滲水性進(jìn)行測(cè)定，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后挖開土壤剖面，提取原狀土讓帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。不同質(zhì)地土壤入滲情況檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 洪澇積水入滲實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)表5檢測(cè)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，受洪澇災(zāi)害影響，對(duì)著農(nóng)田地表積水量的增加，土壤的垂向入滲率、累積入滲量以及入滲能力都呈不穩(wěn)定的下降趨勢(shì)，由此可以推斷出農(nóng)田土壤的入滲性能受洪澇積水的影響較為嚴(yán)重。對(duì)選取的土地剖面進(jìn)行積水入滲性進(jìn)行檢測(cè)，得到如圖4所示結(jié)果。圖4中，由于坡上土壤位置較高，積水相對(duì)較少，因此前期積水入滲性較強(qiáng)，隨著積水的增加，其土壤入滲性能逐漸下降。而坡中受積水及坡上流水影響，入滲性比坡上土壤入滲性較差，坡下土壤積水入滲性對(duì)低。基于上述檢測(cè)結(jié)果建議對(duì)坡上農(nóng)耕土壤進(jìn)行優(yōu)化開發(fā)保護(hù)及引水調(diào)度，從而避免洪澇災(zāi)害對(duì)農(nóng)耕用地的破壞，降低農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。

圖4 不同坡度土壤積水入滲檢測(cè)情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文較為系統(tǒng)的對(duì)土壤水分入滲特征進(jìn)行研究，針對(duì)洪澇災(zāi)害造成的農(nóng)田積水問(wèn)題進(jìn)行了分析和討論，并給出相關(guān)建議，結(jié)合環(huán)刀檢測(cè)法對(duì)農(nóng)田土壤對(duì)地表積水入滲情況進(jìn)行了檢測(cè)。從而達(dá)到提高土壤入滲性，保障農(nóng)業(yè)的有序發(fā)展的調(diào)研目標(biāo)。受研究技術(shù)和調(diào)節(jié)限制，的研究成果仍存在不足，有待日后解決。