紫色土耕層土壤基質(zhì)與優(yōu)先流入滲的定量計(jì)算

黃永超，陳曉燕，韓 珍，邢 行，李彥海

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，400715，重慶)

土壤侵蝕易引發(fā)全球范圍內(nèi)土地退化、土壤肥力流失、河流淤積等一系列生態(tài)問(wèn)題[1]。三峽庫(kù)區(qū)(重慶段)現(xiàn)有耕地面積389.10萬(wàn)hm2，其中69%以上為紫色土坡耕地[2]。該區(qū)紫色土坡耕地作為土壤侵蝕的主要來(lái)源地，其年土壤侵蝕量高達(dá)9 854 t[3]。土壤水分入滲過(guò)程是流域水循環(huán)的重要組成部分，與土壤水分再分配、土壤侵蝕、養(yǎng)分隨水分的遷移、農(nóng)業(yè)面源污染等問(wèn)題密切相關(guān)[4]。

野外土壤中普遍存在大孔隙，其對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)有著極其重要的影響。P. F. Germann[5]針對(duì)土壤水在大孔隙中快速遷移的現(xiàn)象，提出優(yōu)先流的概念，并指出優(yōu)先流就是水流通過(guò)大孔隙而繞過(guò)土壤基質(zhì)快速向下遷移的物理過(guò)程；劉亞平等[6]對(duì)土壤非飽和帶中的優(yōu)先流進(jìn)行了研究，認(rèn)為優(yōu)先流主要分為：大孔隙流、指流和漏斗流；莊季屏[7]也對(duì)優(yōu)先流的特點(diǎn)及研究方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述；S. E. Allaire等[8-9]指出，如果土壤孔隙與地表不連接或者被遮蓋，優(yōu)先流則不發(fā)生，上部土層與基質(zhì)入滲區(qū)域有相同的入滲特征。由于各方面條件的限制，對(duì)優(yōu)先流的定量化研究只是近10多年的事，如F.Staghitti等[10]、P. L. Anari等[11]、M. L. Villamizar等[12]、和D. Mcbride[13]等，他們都嘗試建立穿過(guò)裂隙和大孔隙優(yōu)先流的具體模型，然而這些模型的模擬效果均難以令人滿意。目前對(duì)優(yōu)先流的量化研究主要集中在采用射線掃描法[14]和染色示蹤法[15]，前者通過(guò)分析大孔隙結(jié)構(gòu)，后者通過(guò)分析染色面積，定量?jī)?yōu)先流占整個(gè)入滲的比例。

在S. E. Allaire等[8-9]的研究基礎(chǔ)之上，張婧[16]對(duì)黃土林地土壤入滲與優(yōu)先流測(cè)量的方法進(jìn)行了研究，提出表置環(huán)式入滲儀測(cè)量土壤基質(zhì)與優(yōu)先流入滲的方法。這種試驗(yàn)裝備不僅能對(duì)土壤基質(zhì)入滲和優(yōu)先流進(jìn)行定量測(cè)量，而且克服了傳統(tǒng)環(huán)式入滲儀安裝過(guò)程中存在的誤差問(wèn)題。前人有關(guān)紫色土土壤入滲研究多集中在土壤總?cè)霛B研究，土壤基質(zhì)入滲與優(yōu)先流研究較少，如王紅蘭等[17]通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)，采用解析法定量化評(píng)價(jià)紫色土坡耕地優(yōu)先流的貢獻(xiàn)率。針對(duì)紫色土土壤基質(zhì)與優(yōu)先流的定量化測(cè)定的研究尚未報(bào)道。鑒于此，筆者選取坡耕地耕層紫色土為研究對(duì)象，定量化探討紫色土耕層土壤基質(zhì)與優(yōu)先流入滲特征，以期為紫色土耕層土壤入滲過(guò)程機(jī)理研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)大磨灘村(E 106°22′30.00″, N 29°45′29.53″)，地貌形態(tài)以淺丘為主，海拔244～257 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候濕潤(rùn)區(qū)，多年平均氣溫約為18.2 ℃，多年平均降雨量約為1 089.8 mm。試驗(yàn)地為大磨灘村的1塊玉米地，試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

研究區(qū)耕層紫色土、表置環(huán)式入滲儀(外環(huán)直徑為40 cm、內(nèi)環(huán)直徑20 cm、高10 cm)、環(huán)刀(5 cm×5 cm)、水桶、水壺(1 L)、鐵鍬、尺子、卷尺、亞甲基藍(lán)、細(xì)砂和細(xì)土(過(guò)0.25 mm篩)(圖1)、細(xì)紗布、5 cm×5 cm紙片、毛刷、秒表、數(shù)碼相機(jī)。

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)開(kāi)展時(shí)間為2017年6月中旬，在研究區(qū)選取面積為100 m2的玉米地1塊，于相鄰的玉米種植間隔，依次選取地勢(shì)相對(duì)平坦的3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(A、B、C)。選定試驗(yàn)點(diǎn)后，小心地清除地表雜物，使土壤表面完全裸露。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)間隔2 m分別放置2個(gè)表置環(huán)式入滲儀作為1組試驗(yàn)，分別測(cè)定該點(diǎn)土壤基質(zhì)和總?cè)霛B率。測(cè)量方法示意圖及入滲儀實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

表1 玉米地不同深度土壤理化性質(zhì)

圖1 遮擋內(nèi)外環(huán)中大孔隙的試驗(yàn)用土(左)和用砂(右)Fig.1 Experimental soil (Left) and sand (Right) to cover the large pores in the outer and inner rings

圖2 測(cè)量方法示意圖(左)及入滲儀實(shí)物圖(右)Fig.2 Sketch map of measurement method (Left) and physical picture of infiltration meter (Right)

2.2.1 基質(zhì)入滲 在表置環(huán)式入滲儀內(nèi)、外環(huán)內(nèi)側(cè)分別貼上刻度標(biāo)簽，然后將雙環(huán)同心輕輕壓入土壤1 cm，在內(nèi)外環(huán)與地面接壤的地方進(jìn)行培土，以消除鐵環(huán)進(jìn)入土體時(shí)產(chǎn)生的空隙，防止環(huán)內(nèi)溶液側(cè)漏。安裝過(guò)程中盡量保持水平，減少對(duì)地表的擾動(dòng)。細(xì)紗布鋪在整個(gè)環(huán)內(nèi)的土壤表面，將過(guò)0.25 mm篩的細(xì)土均勻地灑在內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間，其厚度約為1 cm，再鋪2 cm的細(xì)砂于細(xì)土之上用于遮擋土壤表面的大孔隙，保證水分只通過(guò)土壤基質(zhì)。為了減少加水時(shí)對(duì)砂子的沖刷，在砂子表面放1張5 cm×5 cm的紙板，水加在紙板上以緩沖水流。以4 g/L的質(zhì)量濃度混合亞甲基藍(lán)溶液，在內(nèi)環(huán)加入混有亞甲基藍(lán)的溶液，外環(huán)加入清水。內(nèi)外環(huán)同時(shí)加入等高水位，第1次加水深度為4～5 cm，加水深度達(dá)到4 cm及以上時(shí)立即按下秒表，并記錄水深刻度線，然后由秒表記錄每下降0.5 cm水位消耗的時(shí)間，當(dāng)水位不足時(shí)，向環(huán)內(nèi)補(bǔ)充水和亞甲基藍(lán)溶液至原水位刻度線，繼續(xù)由秒表記錄每下降0.5 cm水位消耗的時(shí)間，保持整個(gè)入滲過(guò)程中內(nèi)外環(huán)水位相同。每次試驗(yàn)入滲時(shí)間控制在90 min左右。入滲率由下式計(jì)算：

IR=ΔI/Δt。

(1)

式中：IR為入滲率，mm/min；ΔI(mm)為內(nèi)環(huán)在Δt時(shí)段(min)的入滲水分量。

2.2.2 優(yōu)先流 第1個(gè)表置環(huán)式入滲儀用于測(cè)量土壤基質(zhì)入滲量Qm(t)(mm)，第2個(gè)用于測(cè)量土壤總?cè)霛B量Qt(t)(mm)?？?cè)霛B過(guò)程即將表置環(huán)式入滲儀直接放置地表進(jìn)行測(cè)量，地表不作任何處理。

1個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的優(yōu)先流入滲量Qp(t)(mm)可由下式表示：

Qp(t)=Qt(t)-Qm(t) 。

(2)

將式(2)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得

IRp=IRt-IRm。

(3)

式中：IRp為優(yōu)先流入滲率，mm/min；IRt為總?cè)霛B率，mm/min；IRm為土壤基質(zhì)入滲率，mm/min。

1次入滲試驗(yàn)完成24 h后，開(kāi)挖該入滲土體剖切面。首先沿外環(huán)的切線方向，然后是內(nèi)環(huán)的切線方向，接著是沿內(nèi)環(huán)的1/4和1/2處進(jìn)行土體垂直剖切面開(kāi)挖。垂直剖切面開(kāi)挖完成后，在內(nèi)環(huán)的1/2處所挖剖面上，分2層(0～20和20～40 cm)分別用環(huán)刀、鋁盒和取樣袋進(jìn)行取樣。每個(gè)土層取3個(gè)樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)量初始質(zhì)量含水率、比重、有機(jī)質(zhì)含量和土壤機(jī)械組成，并取3個(gè)樣品的測(cè)量平均值。水平剖切面在土體5、10、20和30 cm深處開(kāi)挖。每次試驗(yàn)包括水平和垂直剖切面共8個(gè)。每個(gè)剖切面顯出之后，用毛刷刷走剖切面散土，用數(shù)碼相機(jī)拍攝水平和垂直剖切面的濕潤(rùn)特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤基質(zhì)入滲

3個(gè)不同試驗(yàn)點(diǎn)的土壤基質(zhì)入滲率和累積入滲量由圖3所示，土壤基質(zhì)初滲速率介于8.38～32.66 mm/min之間，穩(wěn)滲速率介于3.15～4.20 mm/min之間，平均土壤入滲率介于3.62～6.26 mm/min之間，累積入滲量介于362～626 mm之間。

A、B、C分別為3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中的一個(gè)，下同。A, B, and C is one of the 3 test sites in the study, respectively. The same below.圖3 玉米地不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤基質(zhì)入滲率和累積入滲量隨時(shí)間變化情況Fig.3 Soil matrix infiltration rate and cumulative infiltration curve at different test sites in corn field

水分進(jìn)入含有大孔隙的土壤后入滲路徑分為2個(gè)區(qū)域。第1個(gè)區(qū)域是土壤基質(zhì)，主要受土壤基質(zhì)勢(shì)控制，符合達(dá)西定律，第2區(qū)域?yàn)閮?yōu)先流通道。由達(dá)西定律可知，土壤基質(zhì)初始入滲率很高，當(dāng)更多的水分進(jìn)入土壤后，土壤基質(zhì)勢(shì)梯度降低，入滲率降低；隨著時(shí)間延長(zhǎng)，土壤達(dá)到飽和后，土壤基質(zhì)勢(shì)為零，此時(shí)的入滲率達(dá)到最低值即穩(wěn)定入滲率。由圖3可以看出，測(cè)量得到的入滲率符合達(dá)西定律中關(guān)于土壤基質(zhì)入滲率隨時(shí)間的變化特征。本研究利用現(xiàn)在廣泛使用的Philip入滲模型和Kostiakov入滲模型擬合不同試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)量得到的入滲過(guò)程，如表2所示，其相關(guān)系數(shù)均>0.93，表明測(cè)量的入滲過(guò)程能很好地表征土壤的基質(zhì)入滲特征。

表2 研究區(qū)耕層土基質(zhì)入滲率的模型擬合結(jié)果

注：表中IR為土壤入滲率,mm/min；t為入滲時(shí)間, min；K為穩(wěn)定入滲率,mm/min；S為吸滲率, mm/min0.5；a和b為Kostiakov式中入滲參數(shù)。Notes: IR represents soil infiltration rate, mm/min.trepresents infiltration time, min.Krepresents stable infiltration rate, mm/min.Srepresents initial infiltration rate, mm/min0.5.aandbare infiltration parameters of Kostiakov infiltration formula.

亞甲基藍(lán)是可視化優(yōu)先通道的一個(gè)重要工具。對(duì)于無(wú)大孔隙的土壤，亞甲基藍(lán)只能停留在土壤表面或者進(jìn)入基質(zhì)0.5～1 mm的深處[18]。土壤剖切面處如無(wú)亞甲基藍(lán)染色區(qū)域，即可說(shuō)明無(wú)優(yōu)先流發(fā)生。垂直和水平剖切面如圖4和圖5所示，垂直和水平剖切面處土壤均未著色，表明該入滲過(guò)程無(wú)優(yōu)先流經(jīng)過(guò)，所測(cè)量的入滲率是土壤基質(zhì)入滲率。

圖4 試驗(yàn)點(diǎn)B土壤基質(zhì)入滲過(guò)程垂直剖面圖Fig.4 Vertical section of soil matrix infiltration in test site B

圖5 試驗(yàn)點(diǎn)B土壤基質(zhì)入滲過(guò)程水平剖面圖Fig.5 Horizontal section of soil matrix infiltration in test site B

3.2 土壤總?cè)霛B

3個(gè)不同試驗(yàn)點(diǎn)的土壤總?cè)霛B率和累積入滲量如圖6所示，土壤總初滲速率介于45.39～75 mm/min之間，穩(wěn)滲速率介于3.39～5.79 mm/min之間，平均土壤入滲率介于5.93～16.93 mm/min之間，累積入滲量介于593～1 593 mm之間。土壤水平和垂直剖切面如圖7和圖8所示，染色部分均出現(xiàn)在垂直和水平剖切面處，表明該入滲過(guò)程存在優(yōu)先流經(jīng)過(guò)，所測(cè)量的入滲率為土壤總?cè)霛B率。

圖6 玉米地不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤總?cè)霛B率和累積入滲量隨時(shí)間變化情況Fig.6 Total infiltration rate and cumulative infiltration curve of soil at different test sites in corn field

圖7 試驗(yàn)點(diǎn)C土壤優(yōu)先流土壤水平剖面圖Fig.7 Horizontal section of soil preferential flow in test site C

圖8 試驗(yàn)點(diǎn)C土壤優(yōu)先流土壤垂直剖面圖Fig.8 Vertical section of soil preferential flow in test site C

3.3 優(yōu)先流

玉米地土壤優(yōu)先流入滲率和累積入滲量隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖9所示，優(yōu)先流初滲速率介于37.01～42.34 mm/min之間，穩(wěn)滲速率介于0.04～1.59 mm/min之間，平均土壤入滲率介于2.31～9.67 mm/min之間，累積入滲量介于231～967 mm之間。

圖9 玉米地不同試驗(yàn)地點(diǎn)土壤優(yōu)先流入滲率及其累積入滲量曲線Fig.9 Soil preferential inflow rate and cumulative infiltration curve at different test sites in corn field

水分進(jìn)入含有大孔隙的土壤后的第2區(qū)域入滲路徑即為優(yōu)先流通道，水流通過(guò)土壤大孔隙或微空隙進(jìn)入土體，運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要受重力勢(shì)控制，不符合達(dá)西定律和Richard’s方程及已有的入滲模型[19-20]。這一過(guò)程是多維向的，它的形式主要依靠孔隙的幾何尺寸[21]。R. J. Luxmoore[22]強(qiáng)調(diào)除了孔隙尺寸外，孔隙的彎曲度和連通性也控制大孔隙優(yōu)先流的運(yùn)移。由表3可以看出：初始階段(0～10 min)優(yōu)先流入滲率很高，高達(dá)33.20 mm/min，土壤基質(zhì)入滲率也可達(dá)13.73 mm/min，此階段基質(zhì)入滲率是優(yōu)先流入滲率0.3～0.5倍；當(dāng)更多的水分進(jìn)入土壤孔隙后，優(yōu)先流入滲率顯著降低，10～60 min時(shí)段基質(zhì)入滲率是優(yōu)先流入滲率的0.6～2.8倍，穩(wěn)滲階段(60～90 min)基質(zhì)入滲率是優(yōu)先流入滲率的1.5～16.5倍。

表3 不同入滲階段土壤基質(zhì)和優(yōu)先流入滲率

4 討論

莫斌等[23]采用點(diǎn)源入滲法研究了紫色土不同土地利用方式下土壤入滲特征，初始質(zhì)量含水比例為22.83%，密度為1.39 g/cm3，孔隙度為48.42%。結(jié)果表明，坡耕地的初始入滲率為8.46 mm/min，穩(wěn)定入滲率為0.33 mm/h。李雪垠等[24]采用一維垂直水頭法，研究了紫色土中礫石夾層對(duì)土壤水分入滲的影響。結(jié)果表明：當(dāng)碎石含量為0時(shí)，土壤比重為1.39 g/cm3，孔隙度為49.06%，土壤初始入滲率為49.02 mm/min，穩(wěn)定入滲率為1.19 mm/min。馬曉剛等[25]采用室內(nèi)環(huán)刀法研究了丘陵區(qū)不同土地利用類型紫色土入滲特征，土壤質(zhì)地為黏粒(<0.001 mm)12.44%，粉粒(0.050～0.001 mm)55.14%，砂粒(1.0～0.05 mm)32.40%，密度為1.43 g/cm3，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.45 g/kg，孔隙度為45.80%，測(cè)得傳統(tǒng)坡耕地紫色土初始入滲率為28.20 mm/h，穩(wěn)定入滲率為5.91 mm/h。本研究區(qū)玉米地土壤總的初滲速率介于45.39～75 mm/min之間，穩(wěn)滲速率介于3.39～5.79 mm/min之間，所測(cè)得的土壤總初滲速率和穩(wěn)滲速率遠(yuǎn)高于莫斌等[23]和馬曉剛等[25]所得到的紫色土入滲率，略高于李雪垠等[24]在該條件下所測(cè)得的土壤入滲率。究其原因，本研究測(cè)得的玉米地耕層土壤密度值和孔隙度值均較莫斌等[23]、李雪垠等[24]和馬曉剛等[25]研究中有所不同，土壤理化性質(zhì)的差異則是造成本研究土壤入滲率不同于上述3人研究成果的直接原因；此外，本研究區(qū)玉米地土壤深度約為40 cm，耕層土壤底部為不透水基巖，壤中流的產(chǎn)生也可能對(duì)其入滲性能存在一定的影響。

K. Beven[26]和P. F. Germann[5]指出，優(yōu)先流通道或者大孔隙可能只占土壤體積的很少部分，但其過(guò)水能力超過(guò)土壤基質(zhì)本身幾個(gè)數(shù)量級(jí)。本試驗(yàn)結(jié)果與此有所不同。此外，張婧[16]對(duì)黃土林地土壤基質(zhì)入滲與優(yōu)先流的測(cè)量結(jié)果表明：在初始階段(0～10 min)優(yōu)先流入滲率是土壤基質(zhì)入滲率的10.2倍，穩(wěn)滲(60～90 min)時(shí)段優(yōu)先流入滲率是基質(zhì)入滲率的2.3倍，優(yōu)先流相對(duì)土壤基質(zhì)入滲占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。而本次試驗(yàn)結(jié)果表明，紫色土耕層土壤優(yōu)先流在初始入滲階段，入滲率是基質(zhì)入滲率的2.4倍左右，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的優(yōu)先流入滲率比穩(wěn)定基質(zhì)入滲率要小，這與張婧的結(jié)果有顯著差異。原因可能是本研究供試土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)較K. Beven[26]、P. F. Germann[5]和張婧[16]的研究結(jié)果有所不同。

目前，土壤入滲率測(cè)量方法主要有雙環(huán)法[27]、圓盤入滲儀法[28]、點(diǎn)源入滲法[29]、人工模擬降雨法[30]等。莫斌等[31]應(yīng)用不同的土壤入滲測(cè)量方法對(duì)紫色土土壤入滲特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明點(diǎn)源入滲法測(cè)定入滲過(guò)程規(guī)律其效果最好，其次為雙環(huán)法。其中點(diǎn)源入滲法具有省時(shí)、省水和準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，點(diǎn)源入滲法在紫色土坡耕地測(cè)定土壤入滲性能中有較好的應(yīng)用性，但也有一定的局限性，不能對(duì)優(yōu)先流進(jìn)行定量的測(cè)定。雙環(huán)法[27]由于操作過(guò)程簡(jiǎn)單、計(jì)算方法直觀和設(shè)備價(jià)格低等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用非常廣泛也是最經(jīng)典的土壤入滲性能測(cè)量方法。但雷廷武等[32]指出，雙環(huán)法在打擊雙環(huán)入滲儀入土過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)造成環(huán)壁和土壤分離形成縫隙，為優(yōu)先流的形成提供了便利通道，從而影響測(cè)量結(jié)果。然而本試驗(yàn)不僅能避免或減小入滲儀入土過(guò)程中對(duì)土壤的擾動(dòng)，提高試驗(yàn)精度，還能對(duì)優(yōu)先流進(jìn)行定量的測(cè)定，故本研究能真實(shí)地反映野外耕層紫色土的入滲過(guò)程，對(duì)紫色土耕層土壤入滲過(guò)程機(jī)理的進(jìn)一步研究具有重要的參考價(jià)值。

5 結(jié)論

本研究紫色土耕層土壤優(yōu)先流的累積入滲量是土壤基質(zhì)入滲量的0.6～1.5倍。初始入滲階段，基質(zhì)入滲率與優(yōu)先流入滲率的比值為0.3～0.5，入滲過(guò)程中，基質(zhì)入滲率與優(yōu)先流入滲率比值逐漸增大，達(dá)到穩(wěn)滲階段后，優(yōu)先流入滲率明顯減小，基質(zhì)入滲與優(yōu)先流入滲率比值為1.5～16.5。土壤基質(zhì)和優(yōu)先流入滲在紫色土坡耕地土壤水文過(guò)程中具有同等重要的作用。耕層紫色土均可用Philip入滲模型和Kostiakov入滲模型模擬，且擬合效果較好。本研究結(jié)果能夠較為真實(shí)地反映野外耕層紫色土的入滲特征。