土壤的初始含水率及容重對其入滲特性的影響

摘要：為了深入分析與了解不同有機質(zhì)含量、不同容重的土壤對污染水體土壤入滲特性所造成的一系列影響，本文開展了土壤入滲試驗，分析結(jié)論顯示：對于質(zhì)地相同、但有機質(zhì)含量不同的土壤，容重對土壤入滲特性所造成的影響存在較大差異，高有機質(zhì)含量土壤受到的影響最為嚴重;對于高有機質(zhì)含量土壤而言，當(dāng)容重明顯增大時，土壤濕潤深度、累積入滲量均出現(xiàn)明顯降低，穩(wěn)定入滲率以乘冪的形式降低;而低有機質(zhì)含量土壤，雖然入滲率、累積入滲量等參數(shù)會隨容重顯著增加而有所減小，但其減小量十分微小，其穩(wěn)定入滲率呈平緩線性降低。

關(guān)鍵詞：土壤有機質(zhì);容重;土壤水分入滲特性

中圖分類號：X53 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）08-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.074

Effects of initial moisture content and bulk density on soil infiltration characteristics

Long Zhe

（Yueyang Environmental Protection Bureau Environmental Monitoring Center，Yueyang Hunan 414000，China）

Abstract：In order to deeply analyze and understand the effects of soils with different organic matter content and different bulk density on soil infiltration characteristics of polluted water bodies，this paper carried out soil infiltration test.The analysis results show that for the same texture but different organic matter content Soil and bulk density have great influences on soil infiltration characteristics.Soils with high organic matter content are most seriously affected.For soils with high organic matter content，when soil bulk density increases significantly，soil wet depth and cumulative infiltration amount Both of them have a significant decrease，and the stable infiltration rate decreases in the form of power.However， in the soil with low organic matter content，although the infiltration rate and cumulative infiltration amount will decrease with the increase of the volume，the reduction is very large. Small，its stable infiltration rate is flat and linearly reduced.

Key words：Soil organic matter;Bulk density;Soil moisture infiltration characteristics

土壤容重是衡量土壤質(zhì)量的一個重要物理參數(shù)，與土壤的各方面參數(shù)，如入滲特性、透氣性能、溶質(zhì)遷移特性等，均存在十分密切的關(guān)聯(lián)。溫以華以相關(guān)理論為重要指導(dǎo)，通過多次室內(nèi)試驗分析與理論論證得出，在質(zhì)地完全相同、容重不同的條件之下，當(dāng)容重顯著降低時，水動力彌散系數(shù)也會隨之減小。時新玲等諸多知名專家與學(xué)者通過試驗分析的方式針對容重對土壤的影響展開了相關(guān)分析，結(jié)果表明，非水相流體在土壤中的入滲特性會隨著土壤容重的變化而發(fā)生改變。在過去，關(guān)于環(huán)境監(jiān)測、土壤物理方面的研究均少對土壤容重變化方面進行性考慮，導(dǎo)致污染水體對土壤的入滲率判斷上往往產(chǎn)生比較大的誤差?；诖艘?，本文借助室內(nèi)、室外和模擬試驗等方式從不同層面、不同維度研究分析了土壤不同容重對一維垂直積水入滲特征量所產(chǎn)生的一系列影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

圖1 膜孔灌自由入滲裝置

（1.土箱;2.土面;3.濕潤鋒;4.馬氏瓶;5.供水管;6.膜孔裝置;7.1/4膜孔）

為了從更深層次、更廣層面對多因素共同作用下水質(zhì)污染下，對土壤自由入滲特性進行研究分析，本文借助點源人工入滲裝置開展了相關(guān)試驗。利用厚度為10mm的有機玻璃，按照長寬高尺寸為24cm、20cm、30cm的尺寸，加工一個箱子，同時把1/4膜孔面積水室當(dāng)做點源，放置在土箱任意一角，從而可以對濕潤鋒運運移進行清晰觀察。另外，利用5cm厚的有機玻璃制作入滲點源水室，根據(jù)馬氏瓶對水室水頭進行合理調(diào)整。在試驗過程中，主要借助馬氏瓶實現(xiàn)自動供水的要求，其中馬氏瓶對高、內(nèi)徑分別為90cm、9cm，實驗裝置如下圖1所示。

1.2 試驗方法

試驗過程中所運用到的土均是來源于田間地表，然后進行風(fēng)干化處理，再利用2mm大小的篩子進行過濾，按照試驗需求，制備符合要求的土壤初始含水率。借助激光粒度分析儀對土壤顆粒進行全面、仔細檢測，并根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)對土壤顆粒進行分類，即分為壤黏土、粉黏土、黏壤土等。開展試驗的過程中，必須要確保1/4膜孔處于土箱的垂直角位置;遵循先密后疏的基本原則，借助馬氏瓶讀取累積入滲兩量。因試驗中所選用的風(fēng)干土的土壤顏色比較暗淡，因而濕潤過后，其顏色會發(fā)生變化，即漸漸加深。

1.3 試驗設(shè)計

主要考量和分析水體通過膜孔的滲入特性等五方面影響因素，分別為入滲時間、黏粒含量、壓力水頭、初始含水率、土壤容重。對于前4個，取3個水平，按照正交試驗要求，設(shè)計9組試驗進行分析處理，此外再設(shè)計3組處理對試驗進行再次驗證，一共進行12組試驗。驗證實驗樣土分別來源于三種有機質(zhì)，即粉黏土、壤黏土、黏壤土。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

借助Excel2003、SPSS17.0分析軟件，結(jié)合實際情況對數(shù)據(jù)進行綜合性處理，同時對基于不同因素、不同處理水平下的不同測定指標(biāo)展開全面、深入的方差分析。通過最小顯著性差異法（LSD）圍繞差異顯著性，對不同水平、不同因素進行對比分析;通過多遠線性回歸法從不同層面、不同維度對含有不同因素的模型進行綜合性回歸分析，并借助Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化方法，對有關(guān)信息數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化、多元化處理分析，進而從根源上徹底解決不同組數(shù)據(jù)量綱、數(shù)量級而產(chǎn)生的一系列問題。

2 結(jié)果與分析

圖2 不同試驗處理的單位膜孔面積累積入滲量曲線

通過對圖2進行仔細觀察與分析可知，隨著入滲時間的推移，單位?？酌娣e累計入滲量也會漸漸增加。當(dāng)處于同一入滲時間下，不同組別試驗的單位?？酌娣e累計入滲量存在顯著差異，由此可見，不同因素對單位膜孔面積累積入滲量所產(chǎn)生的影響程度各不相同。為了可以從更深層次、更廣范圍了解不同因素對單位膜孔面積累積入滲量所造成的影響，圍繞其開展了多因素、多元化的方差分析。對單位膜孔面積累積入滲量造成影響因素包括多種，其中入滲時間、黏粒含量、土壤容重是影響最最大的三個，即P<0.01，之所以會產(chǎn)生此種情況，主要是因為土壤容重會受到孔隙的嚴重影響，從本質(zhì)層面充分反映氣相比例、土壤緊實度，土壤的主要構(gòu)成單元便是黏粒含量，其具有較大的表面積，因而擁有十分強勁的吸附能力，從而對土壤中的水流速造成十分嚴重的影響。與此同時，細小黏粒對孔隙具有填充作用，同時也會對土壤中的水流通造成嚴重影響，即具有阻擋作用，因此土壤入滲能力必定會受到黏粒含量、土壤容重的嚴重影響，該點同文獻結(jié)論完全相同。本文在研究分析的過程中，把黏粒含量認定為一個十分重要的研究因素;單位膜孔面積累積入滲量在初始含水率的影響下會發(fā)生變化（P<0.05），該點同研究分析結(jié)論完全相同，土壤溶液、膠體顆粒上的吸附離子數(shù)量會首先受到土壤初始含水率的嚴重影響，從而進一步對土壤入滲特性造成影響，但是研究結(jié)果表明，無論是初始含水率為12%，還是為8%、16%，單位膜孔面積累積入滲量均不會發(fā)生較大變化（P>0.05），該現(xiàn)象表明土壤初始含水率并不會因土壤入滲能力的強弱而發(fā)生較大變化。當(dāng)初始含水率處在一個很小的變化范圍之內(nèi)時，土壤含水率對土壤入滲能力所造成的影響完全可以忽略不計。Hawke、Liu等諸多知名專家與學(xué)者主張認為，當(dāng)初始含水率出現(xiàn)增加時，那么入滲能力、飽和導(dǎo)水率均會明顯減小;劉目興、張俊等諸多專家與學(xué)者通過大量的研究分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始含水率明顯增加時，土壤非飽和能力、非飽和能力也會隨之增強。膜孔面積累積入滲量并不會因壓力水頭的不同而發(fā)生較大變化（P>0.05），當(dāng)壓力水頭分別為2cm、5cm、8cm時，單位膜孔面積累積入滲量并無較大差異，產(chǎn)生此種情況的主要原因是由于在膜孔滲入土壤的過程中，如果水深通過控制在2～8cm之間，入滲能力并不會因此受到較大影響，該點與文獻研究分析結(jié)論完全相同。孫存喜針對馬氏瓶自動供水泥沙沉降問題展開了探析，并借助雙環(huán)入滲儀開展渾水入滲試驗，但是時常忘記壓力水頭對入滲所造成的一系列影響，因而選用量筒法進行人工供水。

3 結(jié)論

（1）在土壤質(zhì)地完全相同的條件下，有機質(zhì)含量分別為低、中、高三種不同情況時，容重會顯著增加，土壤對污染水體的累積入滲量、濕潤深度等各方面均會因此產(chǎn)生重大變化，其中對高有機質(zhì)含量土壤所造成的影響最顯著;當(dāng)容重增加時，低有機質(zhì)含量土壤的濕潤深度、累積入滲了量也會出現(xiàn)減小的情況，但是影響程度十分微弱，基本可以忽略不計;

（2）在高有機質(zhì)含量之下，當(dāng)容重增加時，水體對土壤穩(wěn)定入滲率以乘冪形式降低，但是低有機質(zhì)含量土壤則與此不同，其下降趨勢平緩;

（3）對于高有機質(zhì)含量土壤而言，容重變化對其會產(chǎn)生十分嚴重的影響，處在同一時間條件之下時，當(dāng)容重顯著增加時，水體對土壤的入滲率將會明顯減小，但是對于低、中有機質(zhì)含量土壤而言，當(dāng)容重增加量一致時，入滲率變化范圍更小;

（4）借助Philip模型、Green—Ampt模型展開模擬分析，結(jié)果表明，基于不同容重與有機質(zhì)含量的土壤飽和導(dǎo)水率同實際測量值一致。

參考文獻

[1]鐘韻，費良軍，劉樂.膜孔灌溉下土壤入滲特征的多因素分析[J].水科學(xué)進展，2018，29（04）：53-61.

[2]張國祥，申麗霞，郭云梅.壓力水頭與土壤容重對微潤灌溉水分入滲的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2017（4）：96-97.

[3]曾健，費良軍，裴青寶.土壤容重對紅壤水分垂直入滲特性的影響[J].排灌機械工程學(xué)報，2017（12）：74-80.

[4]李京玲，賈亞敏，孫西歡.土壤容重對蓄水坑灌入滲及水氮分布的影響[J].節(jié)水灌溉，2017（10）：15-17.

[5]孫增慧，張揚，王歡元.基于HYDRUS-1D模型的土壤容重對水分入滲影響的研究[J].西部大開發(fā)（土地開發(fā)工程研究），2017（07）：24-31.

收稿日期：2019-03-21

作者簡介：龍哲（1970-），男，苗族，大專，工程師，研究方向為環(huán)境治理和環(huán)境監(jiān)測。