坡度影響下的砒砂巖區(qū)裸露坡面水分入滲特征及模擬

吳佩瑤，秦富倉(cāng)，2，董曉宇，李 艷，孫 成

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，呼和浩特 010019)

砒砂巖是指集中分布于黃土高原北部晉陜蒙接壤地區(qū)的一種松散巖層，交錯(cuò)層理發(fā)育且顏色混雜，通常以粉紅色、紫色、灰白色互層相間而存在。成巖程度低、顆粒間膠結(jié)性差和巖層結(jié)構(gòu)松散的特點(diǎn)導(dǎo)致其抗蝕能力差，加之在重力、風(fēng)力和雨水等外部因素的復(fù)合侵蝕下，其分布區(qū)內(nèi)水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡劣。根據(jù)地表覆蓋區(qū)情況，通常將砒砂巖區(qū)分為附土砒砂巖區(qū)、覆沙砒砂巖區(qū)和裸露砒砂巖區(qū)。其中裸露砒砂巖區(qū)植被稀少、覆蓋度極低，基巖大面積裸露，以水蝕為主、復(fù)合侵蝕嚴(yán)重，且面積超過(guò)砒砂巖區(qū)總面積的70%。而裸露砒砂巖區(qū)的坡面是土壤侵蝕作用的基本單元，作為地形因子之一的坡度與坡面侵蝕密切相關(guān)。因此本研究對(duì)象對(duì)于砒砂巖區(qū)的土壤侵蝕治理具有一定的廣泛性和代表性。內(nèi)蒙古砒砂巖區(qū)是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，對(duì)該區(qū)土壤水分運(yùn)移過(guò)程的了解和掌握一直是亟待解決的難題。其中土壤水分入滲作為“四水”轉(zhuǎn)化的中心環(huán)節(jié)，涉及到土壤水分再分布、地表徑流和降雨補(bǔ)給等諸多方面。因此，研究砒砂巖區(qū)不同坡度條件下裸露坡面的土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律，對(duì)認(rèn)識(shí)降雨入滲對(duì)砒砂巖區(qū)的侵蝕機(jī)理、制定水土保持方案具有一定意義。

目前關(guān)于土壤水分入滲規(guī)律的研究成果十分豐富，諸如基于物理意義、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋姸嘟?jīng)典理論，且對(duì)于特定約束條件下的入滲規(guī)律探究依舊是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。相關(guān)研究表明，土壤的入滲過(guò)程受到多種因素的綜合影響。吳軍虎等通過(guò)不同有機(jī)質(zhì)含量的土壤入滲試驗(yàn)，得到容重對(duì)質(zhì)地相同而有機(jī)質(zhì)含量不同的土壤表現(xiàn)出不同的影響程度；康金林等運(yùn)用室內(nèi)模擬土柱試驗(yàn)，得到均質(zhì)紅壤初始含水率越高、入滲率越低，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率隨初始含水率增加而增大；牛文全等采用室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn)方法，研究土壤初始含水率對(duì)均質(zhì)土壤水分?jǐn)U散的影響，結(jié)果表明初始含水率對(duì)濕潤(rùn)體形狀的影響不大，但對(duì)濕潤(rùn)體大小有明顯影響?？梢?jiàn)，前人的研究中多側(cè)重于不同立地類(lèi)型、容重條件和初始含水率等的影響。本研究以具有典型代表性的內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗砒砂巖區(qū)裸露坡面土壤為例，通過(guò)室內(nèi)模擬土柱法探究坡面土壤入滲過(guò)程與特征，選擇擬合效果最優(yōu)的入滲模型并進(jìn)行誤差分析，以期為研究區(qū)的裸露坡面土壤水分運(yùn)移和產(chǎn)流匯流提供參考意見(jiàn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)鮑家溝流域(39°42′—39°50′N(xiāo)，110°25′—110°48′E)，地貌類(lèi)型為丘陵溝壑地貌。該流域自20世紀(jì)90年代末實(shí)施生態(tài)移民政策，隔絕人類(lèi)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的干擾，保留有灌溉條件的耕地，作為水土保持示范田。該地氣候類(lèi)型為中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季炎熱短促。雨季主要集中在6—9月，年平均風(fēng)速3.2 m/s，年平均日照時(shí)間2 900～3 100 h，無(wú)霜期148天。流域的地帶性土壤類(lèi)型是以砒砂巖為母質(zhì)發(fā)育而來(lái)的栗鈣土為主，土壤富含石灰，質(zhì)地以沙土、沙壤土為主。主要樹(shù)種有檸條()、沙棘()、油松()、側(cè)柏()等。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃土柱和供水系統(tǒng)組成。有機(jī)玻璃土柱為圓柱形，高80 cm，半徑7.5 cm，用于填裝分層土壤。側(cè)面每隔10 cm開(kāi)有小孔，共8組，小孔處插入金屬探頭，探頭連接HOBO記錄儀。有機(jī)玻璃圓柱底部設(shè)有帶孔的塑料擋板和排水口，排水口通過(guò)金屬閥門(mén)控制，試驗(yàn)過(guò)程保持排水通暢。供水系統(tǒng)由馬氏瓶、軟管和支架組成，馬氏瓶高40 cm，半徑7.5 cm，系統(tǒng)用于提供穩(wěn)定的入滲水頭。有機(jī)玻璃圓柱和馬氏瓶連接處設(shè)有帶孔的塑料擋板，并于交界處涂抹凡士林，防止水流的不均勻入滲。

1.2.2 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)于2021年7月15日至8月25日進(jìn)行，土樣取自砒砂巖區(qū)裸露坡面，且統(tǒng)一取半陰半陽(yáng)坡的坡中位置0—60 cm土層，并分6層(0—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60 cm)，剔除石礫、植物根系和枯枝落葉等雜質(zhì)，直接在裸露地表采集，自然風(fēng)干后過(guò)2 mm土篩?；旌仙寥啦捎没野咨寥篮妥霞t色土壤1∶1配土填裝。試驗(yàn)前，用環(huán)刀取樣，烘干法測(cè)定土壤的基本物理性質(zhì)(表1)，并計(jì)算每層填裝土的重量(公式1)。

表1 不同坡度下不同顏色砒砂巖土壤基本物理性質(zhì)

=·(1+)

(1)

式中：為填裝土的重量(g)；為裝入土體體積(cm)；為土體干容重(g/cm)；為土壤的含水量(%)。

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)對(duì)砒砂巖區(qū)的土壤采用一維垂直入滲方式，根據(jù)流域內(nèi)典型坡度的分布情況，選取裸露坡面的4種坡度(5°，10°，20°，30°)、3種質(zhì)地(灰白色、混合色、紫紅色)進(jìn)行組合。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，共計(jì)36組試驗(yàn)。土樣按每層5 cm填裝，并使用自制陶器壓實(shí)。在完成每層填裝后，用毛刷進(jìn)行層間打毛，防止土層之間剝離，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。完成填充土柱后，在塑料擋板處均勻涂抹凡士林，保證土柱不漏水。打開(kāi)馬氏瓶供水，試驗(yàn)水頭為5 cm。達(dá)到入滲水頭時(shí)，開(kāi)始試驗(yàn)并用秒表計(jì)時(shí)，馬氏瓶刻度和濕潤(rùn)鋒深度的讀數(shù)按照先密后疏的原則并進(jìn)行記錄，時(shí)間間隔依次為10 s，30 s，1 min，5 min，30 min，60 min。其中初始入滲速率為前1 min的速率；穩(wěn)定入滲速率為單位時(shí)間內(nèi)滲透量趨于同一的滲透速率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2020進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖表繪制，Origin 8.5軟件進(jìn)行土壤入滲模型的擬合和參數(shù)的回歸分析。

1.3.1 模型分析 本試驗(yàn)選取的3種土壤入滲模型為：

(1)Kostiakov模型

()=-

(2)

式中：()為入滲速率(cm/min)；為入滲時(shí)間(min)；和為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

(2)Philip模型

()=05-05+

(3)

式中：()為入滲速率(cm/min)；為入滲時(shí)間(min)；為吸滲率(cm/min)；為穩(wěn)定入滲率(cm/min)。

(3)Horton模型

()=+(+)e-

(4)

式中：()為入滲速率(cm/min)；為入滲時(shí)間(min)；為初始入滲率(cm/min)；為穩(wěn)定入滲率(cm/min)；為反映土壤特征的常數(shù)。

1.3.2 誤差分析

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：MAE為平均絕對(duì)誤差；RMSE為均方根誤差；PBIAS為偏差百分比；NSE為納什效率系數(shù)；obs為第個(gè)實(shí)測(cè)值；sim為第個(gè)模擬值；為實(shí)測(cè)值的平均值；為數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分入滲特征

由表2可知，坡度直接影響土壤的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率。改變坡度條件，水分入滲過(guò)程受到影響。坡面越陡，初始入滲速率和初始濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率越高，穩(wěn)定入滲速率和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率也相對(duì)較高。不同顏色的砒砂巖土壤在一定的坡度條件下，入滲初期濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率保持在較高水平，隨著時(shí)間的推移，濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率逐漸趨于穩(wěn)定。

表2 不同坡度下土壤水分垂直入滲參數(shù)

2.1.1 土壤水分入滲速率的變化 由圖1可知，不同坡度條件下土壤入滲速率隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)形態(tài)相似，且不同坡度下砒砂巖土壤入滲能力隨著入滲時(shí)間的增加呈現(xiàn)先下降后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，入滲速率曲線(xiàn)按照坡度由大到小呈現(xiàn)由上向下分布，均表現(xiàn)為入滲初期的5 min以?xún)?nèi)入滲速率最快，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，入滲速率呈波動(dòng)性下降趨勢(shì)。當(dāng)入滲持續(xù)時(shí)間約達(dá)到20 min以上后，土壤水分環(huán)境逐漸飽和，入滲速率下降，最終維持在穩(wěn)定的入滲速率狀態(tài)下。

圖1 不同坡度下砒砂巖土壤的入滲速率

2.1.2 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的變化 濕潤(rùn)鋒是表征水分在土壤基質(zhì)吸力和重力作用下的運(yùn)動(dòng)特征。由圖2可知，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率總體上呈下降趨勢(shì)，入滲初期濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率保持在較高水平，隨著時(shí)間的推移，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率逐漸趨于穩(wěn)定。不同坡度條件下的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均具有顯著性差異，坡度越大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率越大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線(xiàn)短而陡，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到土柱底部的時(shí)間越短；坡度越小，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率越小，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線(xiàn)長(zhǎng)而緩，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到土柱底部的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖2 不同坡度下砒砂巖土壤的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率

2.1.3 累計(jì)入滲量的變化 土壤水分的累計(jì)入滲量為總?cè)霛B水量與入滲土壤表面積的比值。由圖3可知，累計(jì)入滲量與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)表現(xiàn)出冪函數(shù)的遞減趨勢(shì)。在入滲初期，相同土柱高度的3種質(zhì)地砒砂巖土壤累計(jì)入滲量曲線(xiàn)斜率變化較大，因此累計(jì)入滲量增加的趨勢(shì)較為顯著；變化程度由高到低依次為灰白色、混合色和紫紅色。隨著時(shí)間的推移，入滲速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，累計(jì)入滲量增加的幅度較小。整個(gè)入滲過(guò)程灰白色的砒砂巖土壤水分累計(jì)入滲量最高，而后是混合色和紫紅色。

圖3 不同坡度下砒砂巖土壤的累計(jì)入滲量

2.2 土壤水分入滲模型擬合

由表3可知，Kostiakov模型、Philip模型適用于模擬不同坡度條件下砒砂巖土壤水分的垂直入滲過(guò)程。Kostiakov模型的決定系數(shù)在0.900以上，平均值為0.948，擬合效果最優(yōu)；Philip模型的決定系數(shù)在0.900以上，平均值為0.937，擬合效果較優(yōu)；Horton模型的決定系數(shù)平均值為0.688，擬合效果較差。

表3 砒砂巖土壤入滲模型回歸分析結(jié)果

2.3 水分入滲模型擬合檢驗(yàn)

通過(guò)第1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合可知，Kostiakov模型和Philip模型的決定系數(shù)較高，故利用第2組同期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并選擇平均絕對(duì)誤差、均方根誤差、偏差百分比和納什效率系數(shù)4個(gè)指標(biāo)對(duì)這2種模型進(jìn)行擬合檢驗(yàn)(表4)。其中平均絕對(duì)誤差、均方根誤差、偏差百分比的數(shù)值越接近0，表明模擬值與實(shí)測(cè)值的差異越小。納什效率系數(shù)通過(guò)無(wú)量綱數(shù)定量表征過(guò)程的擬合程度，反映觀測(cè)值與模擬值的擬合程度。NSE的取值范圍為(-∞，1)；當(dāng)NSE<0，說(shuō)明模型擬合效果不可信；當(dāng)0.9

表4 水分入滲模型擬合檢驗(yàn)結(jié)果

3 討 論

土壤的入滲速率干預(yù)地表徑流，從而對(duì)坡面的水土流失有間接影響。本試驗(yàn)以砒砂巖區(qū)裸露坡面不同顏色的土壤為研究對(duì)象，該區(qū)坡面常伴有基巖的出露，且基巖中的蒙脫石吸水極易膨脹堵塞孔隙，因而不利于水分的入滲過(guò)程。本試驗(yàn)表明，砒砂巖區(qū)裸露坡面不同顏色的土壤性質(zhì)存在差異，影響水分入滲。其中，土壤容重是土壤的基本物理性質(zhì)，間接反映土壤的緊實(shí)松散程度、透氣和透水能力。土壤容重越小，土壤越松散，土壤總孔隙度和毛管孔隙度越多，土壤入滲能力越強(qiáng)。灰白色砒砂巖土壤疏松，且通氣透水性能強(qiáng)；而紫紅色砒砂巖土壤相對(duì)緊實(shí)，通氣透水性能差，不利于入滲過(guò)程。不同坡度下，灰白色砒砂巖土壤濕潤(rùn)鋒達(dá)到土柱底部所需最長(zhǎng)時(shí)間是最短時(shí)間的8倍，相差最大；其次是混合色砒砂巖土壤，紫紅色砒砂巖土壤相差最小，且這2種土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的時(shí)間都達(dá)到8 h以上，與前人的研究結(jié)果相符。

通過(guò)對(duì)入滲速率與入滲時(shí)間建立數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行模擬，可在一定程度上反映水分在土壤中的入滲過(guò)程，決定系數(shù)反映自變量引起的變動(dòng)占總變動(dòng)的百分比。本試驗(yàn)通過(guò)3種數(shù)學(xué)模型對(duì)入滲過(guò)程進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，Kostiakov模型和Philip模型擬合效果較好。Kostiakov模型效果最優(yōu)，Horton模型效果較差，且誤差主要集中在5°坡面條件下。Kostiakov模型對(duì)灰白色土壤的模擬誤差較大，Philip模型對(duì)紫紅色土壤的模擬誤差較大。同時(shí)，Kostiakov模型雖然無(wú)法直接反映土壤的理化性質(zhì)，但具有參數(shù)獲取簡(jiǎn)單的突出優(yōu)點(diǎn)。在入滲初期經(jīng)驗(yàn)入滲參數(shù)起主導(dǎo)作用，隨著入滲時(shí)間的增長(zhǎng)，參數(shù)成為影響入滲大小的主要因素。本試驗(yàn)表明，該模型在確定觀測(cè)時(shí)間的前提下，參數(shù)能較為準(zhǔn)確地反映初始入滲速率與入滲速率的衰減幅度。通過(guò)對(duì)不同模型的誤差分析證明Kostiakov模型對(duì)于砒砂巖區(qū)裸露坡面水分入滲過(guò)程的研究具有較強(qiáng)的適用性。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)不同坡面土壤容重為1.513～1.737 g/cm，初始含水率為3.643%～4.220%，孔隙度為34.456%～42.898%，30°坡面下的灰白色砒砂巖土壤入滲能力較強(qiáng)，5°坡面下的紫紅色砒砂巖土壤入滲能力較弱。

(2)坡度的大小、砒砂巖的質(zhì)地均影響砒砂巖土壤入滲能力，坡度越小，顏色越深，入滲率、累計(jì)入滲率越低，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移越慢；且初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、初始濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率、穩(wěn)定濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

(3)Kostiakov模型、Philip模型均適用于模擬不同坡度條件下砒砂巖土壤水分的垂直入滲過(guò)程，回歸系數(shù)較優(yōu)；且Kostiakov模型最優(yōu)，對(duì)砒砂巖區(qū)土壤入滲的適用性更強(qiáng)。通過(guò)平均絕對(duì)誤差、均方根誤差、偏差百分比、納什效率系數(shù)驗(yàn)證Kostiakov模型和Philip模型模擬值與實(shí)測(cè)值差異性小，兩者的吻合程度高。