測定時間對淮北平原砂姜黑土飽和導水率的影響

王翔翔，程志龍，蘇光辰，楊英

測定時間對淮北平原砂姜黑土飽和導水率的影響

王翔翔1,2，程志龍1,2，蘇光辰1,2，楊英1,2

（1.安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，合肥 230601；2.安徽建筑大學 水污染控制與廢水資源化安徽省重點試驗室，合肥 230601）

【】探究測定時間對淮北平原砂姜黑土飽和導水率的影響。采用定水頭法測定原狀土（0.96 g/cm3）及其不同體積質量擾動土（0.90、0.96、1.10、1.20、1.30 g/cm3）在長時間序列下的飽和導水率（S）。所有試驗土壤的s隨時間先迅速降低到達拐點然后緩慢降低直至穩(wěn)定的規(guī)律，對于原狀土而言初始S值為88.4 mm/h，拐點處（時間為0.98 d）的S值為5.0 mm/h，終穩(wěn)定點（時間為12.94 d）的S值為0.8 mm/h。不同體積質量擾動土隨著體積質量的增大，初始S值減小，到達拐點所需要的時間短，各個關鍵節(jié)點所對于的S值與體積質量負相關。初步建議用定水頭法測定砂姜黑土飽和導水率的時間為1 d。

砂姜黑土；飽和導水率；干縮濕脹；定水頭法；穩(wěn)定時間

0 引言

【研究意義】土壤飽和導水率（S）是土壤重要的物理性質之一，在一定程度上反映了土壤水分的入滲性質，是研究作物生長、農(nóng)田灌溉、溶質運移的關鍵參數(shù)[1]。土壤飽和導水率表征了飽和土壤的水分運移的最大能力，在土壤養(yǎng)分再分配、土壤侵蝕、動植物生長活動等過程中起到關鍵的作用[2-4]。土壤飽和導水率受到很多因素的影響，土壤的質地和結構、孔隙率等自身理化性質都會不同程度影響土壤飽和導水率[5-7]。同時，土壤飽和導水率也受到外界因素的影響，土地利用類型、溫度、測定時間、層狀結構、測定方法、取樣尺寸等都會對土壤飽和導水率的準確測定產(chǎn)生影響[8-11]。準確測定土壤飽和導水率，是提高土壤水分運動模擬精度的關鍵[12]，在土壤改良、農(nóng)作物灌溉，排水設計等方面具有重要的理論和實踐意義。

圓盤入滲儀法[13]、圭夫儀法[14]、定水頭法[15]、降水頭法[16]、KSAT飽和導水率儀[17]等都是目前測定土壤飽和導水率的常用方法，其中定水頭法以操作準確，可重復性高和適合處理大批量樣品等優(yōu)點而被廣泛使用。在以定水頭法測定土壤導水率的實際操作當中，改變測定時間以得到更加準確的K值是較為方便可行的方法?！狙芯窟M展】曹瑞雪等[8]在研究層狀土壤對飽和導水率的影響中，使用定水頭法測定不同層狀結構土壤的飽和導水率，是在維持出口水流穩(wěn)定后進行測量?；酐惥甑萚18]在對比定水頭法和降水頭法測定黃土的飽和導水率研究中，則是在土柱兩側加裝測壓管，待測壓管穩(wěn)定后進行采樣。而劉艷麗等[19]則是將連續(xù)多次測定后的穩(wěn)定值作為最終結果。遲春明[20]在研究改良堿土的飽和導水率中則是使用相互間隔30 min的連續(xù)8次測量的平均值作為試驗數(shù)據(jù)。姚毓菲等[21]在研究時間對定水頭法土壤飽和導水率的影響中發(fā)現(xiàn)土壤飽和導水率測定值會隨著測定時間的持續(xù)展現(xiàn)出一定的規(guī)律。【切入點】S測定結果受時間變化影響，但研究者們在測定S的過程中，使用不同尺度作為S達到穩(wěn)定值的定性標準，盡管這樣也能得到穩(wěn)定的S值，但都缺乏一個定量的標準。同時作為廣泛分布的中低產(chǎn)型土壤，有關于砂姜黑土飽和導水率研究卻鮮有報道。砂姜黑土是淮北平原主要的土壤類型之一，廣泛分布于安徽、河南、江蘇、山東省內(nèi)，因其質地黏重，在干濕交替條件下土壤表層體積質量變化大，土壤開裂特征明顯，毛細性能弱，供水能力差，極易發(fā)生干旱[22]，是典型的中低產(chǎn)型土壤[23]。近些年來隨著土壤改良的興起，對土壤基礎性質的準確測量提出了新的要求。準確測定砂姜黑土飽和導水率，可以為進一步提出改良砂姜黑土方案提供數(shù)據(jù)支持?！緮M解決的關鍵問題】本研究以安徽省淮南市鳳臺縣農(nóng)田砂姜黑土為研究對象，采用馬氏瓶提供穩(wěn)定自上而下供水的定水頭法測定原狀土（0.96 g/cm3）及其擾動土（0.90、0.96、1.10、1.20、1.30 g/cm3）在相同時間序列（13 d）條件下飽和導水率（S）和時間的定量關系，以期能夠分析出可能影響砂姜黑土飽導水率穩(wěn)定時間的因素，并給出能夠較為準確飽和導水率的測定時間。

1 材料與方法

1.1 土壤采集與處理

供試土壤為淮北平原典型砂姜黑土，土壤樣品于2018年5月取至安徽省淮南市鳳臺縣楊村鎮(zhèn)，土地利用類型為農(nóng)用地。根據(jù)原狀土采集標準，去除0～10 cm耕作層土壤，用100 cm3環(huán)刀取原狀土，并用自封袋取適量周圍土壤帶回。在試驗室自然風干后，過2mm篩備用。土壤顆粒組成用沉降法測定，黏粒量38.66%，粉粒量41.32%，砂粒量20.02%，屬于粉砂質土。

1.2 測定方法

土樣在蒸餾水中充分飽和后，用定水頭法測定原狀土（0.96 g/cm3）及其5組擾動土（0.90、0.96、1.10、1.20、1.30 g/cm3）的飽和導水率，使用馬氏瓶由頂部供水提供穩(wěn)定的水頭，水頭高度維持在5 cm。試驗開始后先讓系統(tǒng)穩(wěn)定20 min，然后以20 min為間隔連續(xù)取樣，隨著試驗的進行取樣間隔逐漸增大。每組土壤設置3個重復，結果取其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

飽和導水率和測定時間的定量關系利用回歸分析法在OriginPro 2017軟件下分析完成，飽和導水率時間過程曲線圖像和數(shù)據(jù)處理在Excel 2007軟件下進行，相關性分析使用IBM-SPSS。

2 結果與分析

2.1 同體積質量原狀土與擾動土飽和導水率

圖1是原狀土（0.96 g/cm3）及相同體積質量擾動土（0.96 g/cm3）的S隨時間變化的曲線。從圖1（a）可以看出，原狀土初始S值為88.4 mm/h并且在測量開始后的140 min內(nèi)迅速下降至44.4 mm/h，緊接著降低幅度放緩。再經(jīng)過300 min，S值降低至20.07 mm/h，之后S進入穩(wěn)定下降期，在穩(wěn)定下降期內(nèi)相同采樣間隔（60 min）間S下降幅度大致相同。穩(wěn)定下降期持續(xù)約16.23 h后到達拐點，S到達拐點時的值為5 mm/h。達到拐點后，原狀土的S下降速率進一步降低，并逐漸穩(wěn)定，試驗結束（13 d）時，原狀土S為0.8 mm/h。在觀察相同體積質量擾動土（0.96 g/cm3）時，也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律圖1（b），但不同的是擾動土的初始S僅為9.3 mm/h，遠低于原狀土的S。在試驗開始后的5 h內(nèi)，出現(xiàn)了和原狀土初期相同的現(xiàn)象，S值迅速下降至5.7 mm/h，但比較于原狀土，擾動土的S迅速下降的持續(xù)時間更長；同時擾動土到達拐點所需要的時間更久，在試驗開始后的3.17 d后才能到達拐點，此時的S為1.5 mm/h。試驗結束時，擾動土的S為1.3 mm/h。

2.2 不同體積重量擾動土飽和導水率

圖2是不同體積質量（0.90、0.96.1.10、1.20、1.30 g/cm3）條件下，擾動土的S隨時間的變化過程。從圖2可以看出，與以往的研究結果相同，時間過程曲線與原狀土類似，都是先下降到達拐點，然后緩慢下降直至穩(wěn)定[24]。此外隨著體積質量的增高，S穩(wěn)定值與初始值之間的差別越來越小，時間對體積質量大的擾動土的干擾變?nèi)?。這是因為大體積質量的擾動土的土壤結構更加穩(wěn)定，在水力作用下土壤結構變化大，因此在大體積質量擾動土上拐點現(xiàn)象不明顯。隨著試驗的進行，不同體積質量擾動土的穩(wěn)定值之間的差距也在逐漸減小。說明在試驗過程中，水流的沖刷逐漸改變了土壤的內(nèi)部結構，使其趨于一致，削弱了因體積質量不同造成的土壤結構不同。

圖2 不同體積質量擾動土KS隨時間變化過程

表1中的數(shù)據(jù)顯示的是原狀土及不同體積質量擾動土在各個時間節(jié)點的S值。由表1可以看出，隨著土壤體積質量的增大飽和導水率下降幅度越來越小，曲線拐點越來越不明顯，到達穩(wěn)定所需要的時間越短，穩(wěn)定值越小。這是因為體積質量越大，土壤孔隙率越低，單位過水斷面上的土壤顆粒與孔隙比就越大，因此在水流沖刷作用下土壤顆粒遷移并堵塞孔隙的時間就越短，所以到達S穩(wěn)定點的時間就越短。原狀土初始S值為88.4 mm/h，到達拐點時的S值為5 mm/h，而相同體積質量擾動土（0.96 g/cm3）的初始S值僅為11.2 mm/h，到達拐點是的S值為1.7 mm/h。二者的初始值及拐點值差異顯著（＞0.05），且無明顯的相關性，但終穩(wěn)定值則無顯著性的差異（＜0.05）。這說明隨著水流的不斷下滲，土壤結構開始趨于一致。這種現(xiàn)象也出現(xiàn)在不同體積質量擾動土中，5組不同體積質量擾動土的拐點時的S值均存在顯著性的差異，而它們的終穩(wěn)定值則差異不顯著，滿足95%的置信區(qū)間。

表1 原狀土及不同體積質量擾動土不同時間節(jié)點的KS值

數(shù)據(jù)表明測定時間對砂姜黑土飽和導水率測定值有重要影響。S隨時間先迅速下降到達一個拐點，然后緩慢下降趨于平穩(wěn)。從表1可以看出，近穩(wěn)定值和穩(wěn)定值的變化幅度很小，原狀土近穩(wěn)定點的S值為1.80，而終穩(wěn)定點的S值為0.80 mm/h，在數(shù)值上符合人們所期待的穩(wěn)定的飽和導水率（=0.08）。

2.3 砂姜黑土飽和導水率與測定時間的定量關系

研究表明，飽和導水率S與測定時間之間有某種特殊的關系。因此使用繪圖軟件OriginPro 2017對試驗數(shù)據(jù)進行指數(shù)函數(shù)擬合，其方程表達式為：

S=×exp(-)+， （1）

式中：S為飽和導水率（mm/h）；為測定時間（d）；、、為擬合系數(shù)。

圖3為使用該函數(shù)對試驗數(shù)據(jù)擬合后的曲線。從圖3可以看出，在較大體積質量（1.10、1.20、1.30 g/cm3）擾動土上，函數(shù)表現(xiàn)出了較好的擬合度。而在較小體積質量擾動土（0.90、0.96 g/cm3）的擬合效果欠缺。

圖3 原狀土及其不同體積質量擾動土的飽和導水率與測定時間的回歸曲線

從表2可以看出，所有擬合曲線的決定系數(shù)都在0.9以上，說明該函數(shù)能夠較好地描述飽和導水率S與測定時間之間的定量關系。在對方程進行一階求導，得到一階導函數(shù)：

S=-×exp(-) 。 （2）

||值的大小反映了測定時間對S的影響程度，系數(shù)則是在時間趨于無窮時的擬合函數(shù)S的極限值，可視為S的理論穩(wěn)定值。原狀土的||值遠高于擾動土的||值，說明就原狀土和擾動土而言，測定時間對原狀土的影響更大。在擾動土中，體積質量越大的擾動土||值越小，說明隨著體積質量的增大，飽和導水率受時間的影響越小，這與前文的結論一致。

表2 飽和導水率與時間的回歸分析

3 討論

砂姜黑土自上而下大致分為黑土層（耕作層、犁底層、殘留黑土層3個層次）和砂姜層（脫潛性砂姜層和砂姜層）2個層次。砂姜黑土中蒙脫石量較高，蒙脫石中的硅氧基為疏水性，濕潤條件下水分進入土壤后會迅速填滿土壤孔隙，造成土壤黏重，而在干旱條件下，水分又會迅速蒸發(fā)，土壤保水性差。在干濕交替的氣候條件下土體發(fā)生強烈的脹縮，在干時土體收縮開裂，裂縫深度大致與黑土層相當；而濕時土體吸水膨脹，不僅裂縫閉合而且會因為空間問題在裂縫底部產(chǎn)生壓力使得砂姜層土壤因擠壓向上運動進入黑土層[25]。同時深耕細作的耕作方式使黑土層土壤中分布有不均勻砂姜顆粒，原狀土采自10～20 cm犁底層，土體中含有少量的砂姜團結，這些團結表面粗糙，在土體中形成大孔隙，影響局部砂姜黑土的導水率；而擾動土在處理過程中，碾碎了砂姜團結，使其均勻分布在整個擾動土內(nèi)部，砂姜顆粒變小甚至被完全粉碎，土壤孔隙減少，進而影響整個擾動土的飽和導水率，使得擾動土的飽和導水率到達平衡的時間遠遠大于原狀土飽和導水率穩(wěn)定時間。

通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在原狀土及低體積質量擾動土（0.90、0.96 g/cm3）的測量初期，都出現(xiàn)了K值迅速下跌的現(xiàn)象，這可能和土壤大孔隙在水流作用下，被土壤顆粒填滿，短時間內(nèi)大孔隙數(shù)目迅速降低有關。而較高體積質量的擾動土（1.10、1.20、1.30 g/cm3），這種現(xiàn)象則不明顯，是因為在保持試驗土柱體積不變的情況下，較大體積質量的擾動土的土壤結構較密實，大孔隙數(shù)目少，土壤遷移帶來的大孔隙減少對S的影響較小。因此，在對原狀土及低體積質量擾動土的測量中，在其試驗初期建議等水流穩(wěn)定后再開始進一步測量，這樣有助于獲得更加準確的S。

大孔隙率和總孔隙度是影響土壤飽和導水率的2個重要土壤結構數(shù)據(jù)[26]。原狀土和擾動土在體積質量上保持一致，因此二者的總孔隙度相同。原狀土在取土過程中未經(jīng)處理保留了土壤中的植物根莖和土壤生物殘骸，而擾動土則在自然風干和過篩的過程中去除了植物根系和部分生物殘骸。這些土壤侵入物，占據(jù)了土壤空間形成大孔隙，相對于擾動土來說原狀土中的大孔隙率較高，而大孔隙率和飽和導水率是正相關關系，因此原狀土初始飽和導水率遠大于同體積質量擾動土的初始飽和導水率。同時又因為擾動土在填裝之前會進行過篩，并需要保持相同體積質量，所以擾動土與環(huán)刀間的結合遠不如原狀土緊密，因此在試驗開始初期，擾動土的S會出現(xiàn)比原狀土S更長時間的跌落現(xiàn)象。且由于過篩的原因，打破了土壤原有的顆粒組合，使擾動土樣品的顆粒級配變得更加合理，土壤間隙較少，因此擾動土S到達拐點的時間較長。

但同時隨著水流不斷的沖刷，土壤顆粒運移，堵塞了本就因砂姜黑土吸水膨脹而減少的孔隙，使不同體積質量的砂姜黑土的土壤結構逐漸趨于一致。因此最終穩(wěn)定值不一定能夠代表砂姜黑土真實的飽和導水率。如何測定砂姜黑土飽和導水率的準確值仍需要繼續(xù)研究。

4 結論

1）原狀土及其相同體積質量（0.96 g/cm3）擾動土的S值在到達拐點的時間上存在非常明顯的差異，但二者的拐點和終穩(wěn)定點的S值相較于初始值則差異較小，同時考慮長時間水力沖刷的影響，可以使用拐點的測量結果來初步代替最終結果，以減少時間成本。

2）不同體積質量擾動土到達拐點的時間與體積質量負相關，各關鍵時間節(jié)點的S值也與體積質量負相關。

3）初步建議定水頭法測定砂姜黑土原狀土飽和導水率的測定時間為1 d。

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Saturated Soil Hydraulic Conductivity is not Constant But Varies with the Time It is Measured

WANG Xiangxiang1,2, CHENG Zhilong1,2, SU Guangchen1,2, YANG Ying1,2

(1.School of Environment and Energy, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2.Key Laboratory of Water Pollution Control and Wastewater Reuse, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China)

【】Saturated soil hydraulic conductivity (S) is an important parameter characterizing the ability of soil to conduct water. It is often assumed to depend on soil structure and is hence constant for a given soil. The objective of this paper is to validate to what extent this common practice is valid. 【】We took vertisol soil in Huaibei Plain as an example, and conducted a series of experiments using both undisturbed soil cores with bulk density 0.96 g/cm3and repacked soil cores with bulk density in the range of 0.90 to1.30 g/cm3. For each soil core, we measured a time sequence of its saturated hydraulic conductivity (S) using the constant-head method.【】TheSof both intact and repacked soil cores showed a rapid decrease followed by a slow increase as time elapsed from inception of the experiment. For the undisturbed soil, its initialSwas 88.4 mm/h, but reduced to 5.0 mm/h 0.98 day (the deflection point) after inception of the experiment. As time elapsed, it eventually settled at 0.8 mm/h 12.94 day after commencing the experiment. Similar pheromone was also found for the repacked soil cores, although the deflection time and the time for Ks to asymptote varied with the repacking density. In general, as the bulk density increased, the initialSwas smaller and it took less time for itsSto reach the inflection point. TheSmeasured at any time was negatively correlated with soil bulk density.【】Contrary to what have been commonly assumed, saturated soil hydraulic conductivity does not appear to be constant but varies with the time it is measured. For the vertisol soil we studied, its hydraulic conductivity decreased first followed by an increase when time elapsed passing the deflection point though the time for the deflection to appear varied with soil bulk density.

vertisol soil; saturation hydraulic conductivity; shrinkage-expansion; constant head method

1672 - 3317（2021）12 - 0136 - 06

S152

A

10.13522/j.cnki.ggps.20190292

王翔翔, 程志龍, 蘇光辰, 等. 測定時間對淮北平原砂姜黑土飽和導水率的影響[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(12): 136-141.

WANG Xiangxiang, CHENG Zhilong, SU Guangchen, et al. Saturated Soil Hydraulic Conductivity is not Constant But Varies with the Time It is Measured [J].Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(12): 136-141.

2019-02-19

安徽省自然科學基金-青年項目（1908085QE241）；安徽省科技重大專項（18030801106）；中國長江三峽集團有限公司科研項目-長江中游地區(qū)村鎮(zhèn)污水處理模式研究（202003082）

王翔翔（1986-），女。講師，博士，主要研究方向為土壤物理。E-mail:wangxiang156@126.com

責任編輯：韓 洋