不同負(fù)壓設(shè)置對(duì)微型盤(pán)式入滲儀測(cè)定結(jié)皮入滲性能的影響

李建德，王健，徐飛飛，王康宏，楊琴俠，薛冬

不同負(fù)壓設(shè)置對(duì)微型盤(pán)式入滲儀測(cè)定結(jié)皮入滲性能的影響

李建德1，王健2*，徐飛飛1，王康宏3，楊琴俠3，薛冬3

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.韓城市水土保持工作站，陜西 韓城 715400）

【目的】定量描述負(fù)壓設(shè)置對(duì)微型盤(pán)式入滲儀測(cè)定結(jié)皮入滲性能的影響。【方法】通過(guò)人工模擬降雨，以黃土坡面土壤物理結(jié)皮為研究對(duì)象，采用微型盤(pán)式入滲儀進(jìn)行入滲試驗(yàn)，設(shè)置5個(gè)負(fù)壓梯度（1～5 cm），量化不同負(fù)壓設(shè)置對(duì)入滲指標(biāo)測(cè)定的影響，同時(shí)以定水頭法得到的飽和導(dǎo)水率為標(biāo)準(zhǔn)，分析比較基于Wooding模型與Philip模型兩種計(jì)算方法的準(zhǔn)確度?！窘Y(jié)果】定水頭法具有可重復(fù)性與準(zhǔn)確性，得到結(jié)構(gòu)結(jié)皮飽和導(dǎo)水率為74.00 cm/d，沉積結(jié)皮飽和導(dǎo)水率為12.00 cm/d；采用微型盤(pán)式入滲儀測(cè)定兩類(lèi)結(jié)皮的土壤累積入滲量、穩(wěn)滲速率、吸滲率、導(dǎo)水率等指標(biāo)，測(cè)定結(jié)果隨儀器負(fù)壓設(shè)置增大而減?。晃⑿捅P(pán)式入滲儀法測(cè)算土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)，基于Philip模型的計(jì)算方法更為準(zhǔn)確，但結(jié)果隨負(fù)壓設(shè)置影響較大，以定水頭法得到的飽和導(dǎo)水率為參照，率定van Genuchten參數(shù)與，結(jié)構(gòu)結(jié)皮分別為0.039與2.72，沉積結(jié)皮分別為0.024與2.83。【結(jié)論】采用微型盤(pán)式入滲儀進(jìn)行入滲試驗(yàn)時(shí)必須考慮不同負(fù)壓設(shè)置對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響和儀器給定參數(shù)對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率計(jì)算的適用性，以準(zhǔn)確描述土壤入滲特性，為土壤侵蝕預(yù)報(bào)等提供理論依據(jù)。

微型盤(pán)式入滲儀；結(jié)構(gòu)結(jié)皮；沉積結(jié)皮；土壤飽和導(dǎo)水率；van Genuchten參數(shù)

0 引言

【研究意義】入滲是大氣降水、地表水和地下水相互轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，決定土壤水分的補(bǔ)給狀況[1]。結(jié)皮作為土壤表層的一種致密結(jié)構(gòu)，分為結(jié)構(gòu)結(jié)皮與沉積結(jié)皮[2]，其阻滯水分下滲，造成水土流失[3-7]。因此快速、準(zhǔn)確得到結(jié)皮土壤的入滲性能，能夠及時(shí)為降雨產(chǎn)流轉(zhuǎn)化、水土流失預(yù)測(cè)、水土保持措施布設(shè)等提供依據(jù)?！狙芯窟M(jìn)展】目前，入滲測(cè)定方法眾多，依據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地位置分為室內(nèi)測(cè)定和田間測(cè)定2種類(lèi)型。室內(nèi)測(cè)定主要為定水頭法[8]和變水頭法[9]；田間測(cè)定主要有單環(huán)入滲法[10]、雙環(huán)入滲法[11]、模擬降雨法[12]、盤(pán)式入滲儀法[13]、圭夫儀法[14]等。由于土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、計(jì)算方法以及參數(shù)選擇等方面的原因，研究結(jié)論存在較大差異[15-18]。

采用盤(pán)式入滲儀測(cè)定土壤入滲性能時(shí)，水分通過(guò)底盤(pán)向土壤中呈三維入滲，Wooding方程[19]作為穩(wěn)態(tài)流的入滲模型常被用于飽和導(dǎo)水率的計(jì)算。Zhang[20]提出了一種將Philip一維入滲模型[21]與van Genuchten函數(shù)[22]相結(jié)合的方法，計(jì)算簡(jiǎn)單且結(jié)果可靠而被多個(gè)學(xué)科廣泛使用[23-24]。微型盤(pán)式入滲儀（Mini disk infiltrometer）[25]是由美國(guó)公司研發(fā)的一項(xiàng)測(cè)定土壤表面水力特性的儀器，其原理是在入滲面提供一個(gè)向上的負(fù)壓水頭以阻止大孔隙優(yōu)先流的產(chǎn)生，從而得到土壤基質(zhì)的導(dǎo)水性能。因其需水量小，攜帶方便被廣泛使用[26-28]，隨著計(jì)算模型和方法的改進(jìn)，除了野外使用，該儀器也應(yīng)用于室內(nèi)入滲試驗(yàn)，研究對(duì)象包括砂土、壤土、黏土等各種不同質(zhì)地的均質(zhì)土壤[29-32]。

以往研究多采用單一負(fù)壓設(shè)置進(jìn)行入滲試驗(yàn)，而Nathaniel等[33]通過(guò)分析微型盤(pán)式入滲儀在不同負(fù)壓吸力下的測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)土壤入滲性能受負(fù)壓水頭的影響較大，【切入點(diǎn)】結(jié)皮作為一種致密的土壤表層結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的入滲測(cè)定方法在采樣過(guò)程中極易破壞土壤表層，從而對(duì)測(cè)定結(jié)果造成較大誤差，而微型盤(pán)式入滲儀在不破壞土壤表層的情況下能夠快速便攜地進(jìn)行入滲試驗(yàn)，因此將該種方法嘗試應(yīng)用于結(jié)皮入滲性能的測(cè)定?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文以黃土坡面土壤物理結(jié)皮為研究對(duì)象，采用微型盤(pán)式入滲儀法與定水頭法進(jìn)行入滲試驗(yàn)，量化不同負(fù)壓設(shè)置對(duì)入滲指標(biāo)測(cè)定的影響，以定水頭法的結(jié)果做參考，比較2種計(jì)算方法的準(zhǔn)確度，分析微型盤(pán)式入滲儀對(duì)測(cè)定土壤物理結(jié)皮入滲性能的適用性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

楊凌地處陜西省關(guān)中平原中西部，渭河以北，三面環(huán)水，東以漆水河與武功縣接界，西與扶風(fēng)接壤，南依渭河同周至相望，北有沛水和武功。位于東經(jīng)107°59′—108°09′，北緯34°14′—34°24′，海拔418.0～540.1 m，地勢(shì)北高南低，氣候類(lèi)型屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫12.9 ℃，極端最高氣溫42 ℃，最低氣溫-19.4 ℃，全年無(wú)霜期221 d。年均降水量637.6 mm，多集中在7—10月，占多年平均降水量的60%，年平均蒸發(fā)量884 mm。

1.2 供試土壤

試驗(yàn)土壤為楊凌塿土表層耕作土，采樣深度0～20 cm。土壤的顆粒組成通過(guò)吸管法[34]測(cè)定，為粉砂壤土（國(guó)際制）基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1[35]。土壤自然風(fēng)干，過(guò)1 cm篩備用。

表1 試驗(yàn)土壤理化性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持與荒漠化防治實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)裝置為坡度可調(diào)式鐵槽（2 m×1 m×0.35 m），槽底打孔，試驗(yàn)設(shè)置坡度為3°緩坡。槽內(nèi)填土深度30 cm，設(shè)定土壤體積質(zhì)量1.30 g/cm3，以5 cm為1層分層填裝，層間打毛，實(shí)測(cè)土壤體積質(zhì)量為1.25 g/cm3。試驗(yàn)選用等高耕作措施，平行于侵蝕槽短邊布置壟溝，壟高10 cm，壟間距30 cm，最終形成壟溝相間的微地形，經(jīng)降雨后壟部土壤表層承受雨滴打擊、土壤結(jié)構(gòu)重組等作用形成結(jié)構(gòu)結(jié)皮；溝部土壤表層除了經(jīng)歷前期的降雨打擊作用外，還有后期攜沙徑流的匯集，最終積水下滲和蒸發(fā)，泥沙顆粒沉降形成沉積結(jié)皮[36-39]，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)結(jié)皮與沉積結(jié)皮示意圖

采用室內(nèi)人工模擬降雨法，降雨裝置采用擺動(dòng)下噴式噴頭模擬自然降雨，有效降雨面積約為3 m×6 m，降雨均勻度達(dá)90%以上。設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為60 mm/h，歷時(shí)30 min。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，模擬降雨雨滴動(dòng)能達(dá)天然降雨的90%以上。降雨結(jié)束后形成的結(jié)皮類(lèi)型及分布如圖1所示，將侵蝕槽自然靜置，采用建大仁科公司研發(fā)的土壤溫濕度水分傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)皮含水率，待土樣達(dá)到設(shè)計(jì)含水率10%后開(kāi)始入滲試驗(yàn)，分別測(cè)定3個(gè)壟上和3個(gè)溝底結(jié)皮入滲特征，每條壟溝各設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.4 測(cè)算方法

1.4.1 結(jié)皮基本性質(zhì)

采集距離入滲區(qū)域中心10 cm位置處的結(jié)皮，自然風(fēng)干后，用毛刷刷去結(jié)皮底部土壤顆粒，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量結(jié)皮厚度，涂膜法[40]測(cè)定結(jié)皮體積質(zhì)量。

1.4.2 微型盤(pán)式入滲儀法

選取去離子水為入滲水源，水溫25 ℃。采用改進(jìn)的微型盤(pán)式入滲儀（儲(chǔ)水室容量由95 mL變?yōu)?25 mL）進(jìn)行負(fù)壓入滲試驗(yàn)，測(cè)定前在所選區(qū)域土表墊1層50目的石英砂以保證滲透儀底部不銹鋼多孔圓盤(pán)與土壤充分接觸。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)負(fù)壓梯度（1～5 cm），每個(gè)梯度各設(shè)置9個(gè)重復(fù)。入滲時(shí)間10 min，每隔30 s記錄1次讀數(shù)。通過(guò)微型盤(pán)式入滲儀所測(cè)數(shù)據(jù)推求土壤飽和導(dǎo)水率分別基于以下2種計(jì)算模型：

1）Wooding入滲模型

式中：為累積入滲水量(cm3)與累積時(shí)間()作回歸曲線求得，曲線線性部分斜率即為水流通量；為底盤(pán)半徑2.25 cm；()為負(fù)壓水頭為時(shí)的導(dǎo)水率（cm/d）；是與土壤結(jié)構(gòu)和毛管吸力有關(guān)的參數(shù)。

在式（1）中，右邊第1項(xiàng)為重力勢(shì)項(xiàng)，第2項(xiàng)為基質(zhì)勢(shì)項(xiàng)。當(dāng)水流呈三維入滲時(shí)，儀器向土壤的供水速率取決于壓力勢(shì)、重力勢(shì)、基質(zhì)勢(shì)3種水勢(shì)的作用。由于微型盤(pán)式入滲儀圓盤(pán)下的水層極薄，故壓力勢(shì)忽略不計(jì)。

土壤導(dǎo)水率()與負(fù)壓水頭之間的關(guān)系用Gardner函數(shù)[41]描述：

將式（2）代入式（1）即可求出飽和導(dǎo)水率s（cm/d）：

參數(shù)可借助于2個(gè)負(fù)壓水頭1、2的入滲數(shù)據(jù)，結(jié)合式（1）計(jì)算得到：

2）Philip入滲模型

依據(jù)Philip模型中的累積入滲量-時(shí)間關(guān)系：

式中：為累積入滲量（cm）；為入滲時(shí)間（s），1是土壤水力傳導(dǎo)度相關(guān)系數(shù)（cm/d）；2是與土壤吸水系數(shù)（cm/d0.5）。土壤導(dǎo)水率s（cm/d）采用Zhang[19]提出的計(jì)算方法：

式中：和是土壤van Genuchten參數(shù)；底盤(pán)半徑為2.25 cm；為負(fù)壓水頭（cm），計(jì)算時(shí)取負(fù)值。

1.4.3 定水頭法

試驗(yàn)選用100 cm3環(huán)刀采樣，采用定水頭法進(jìn)行正壓入滲試驗(yàn)，設(shè)計(jì)5個(gè)水頭（1～5 cm），每個(gè)水頭各9個(gè)重復(fù)，入滲時(shí)間60 min，間隔30 s記錄讀數(shù)。以連續(xù)5次讀數(shù)差值一致視作穩(wěn)定入滲，取最后10 min入滲數(shù)據(jù)，結(jié)合達(dá)西定律與Green-Ampt模型，計(jì)算土壤飽和導(dǎo)水率s：

式中：為滲漏量（mL）；為入滲面積（cm2）；為土樣高度（cm）；為正壓水頭（cm）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

土壤累積入滲量和導(dǎo)水率采用多次試驗(yàn)的平均值。利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖，利用SPSS 25軟件進(jìn)行回歸分析、獨(dú)立樣本檢驗(yàn)、相關(guān)性分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)皮基本性質(zhì)

地勢(shì)相對(duì)較高部位的表層細(xì)小顆粒被地表徑流攜帶和下滲水流淋移，大顆粒遺留從而形成表面粗糙的結(jié)構(gòu)結(jié)皮；地勢(shì)相對(duì)較低部位由攜沙水流匯集形成表面較為光滑的沉積結(jié)皮。經(jīng)人工模擬降雨形成的2類(lèi)土壤物理結(jié)皮基本性質(zhì)見(jiàn)表2。結(jié)構(gòu)結(jié)皮厚度大于沉積結(jié)皮，分別為6.58 mm與5.78 mm；結(jié)構(gòu)結(jié)皮體積質(zhì)量小于沉積結(jié)皮，分別為1.71、1.75g/cm3。

表2 不同類(lèi)型結(jié)皮基本性質(zhì)

2.2 定水頭法-結(jié)皮飽和導(dǎo)水率

土壤飽和導(dǎo)水率作為描述水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移的水力參數(shù)，是反映土壤入滲能力的重要指標(biāo)。采用定水頭法得到5個(gè)正壓水頭下的飽和導(dǎo)水率如圖2所示。結(jié)構(gòu)結(jié)皮飽和導(dǎo)水率為74.00 cm/d，沉積結(jié)皮飽和導(dǎo)水率為12.00 cm/d。2類(lèi)結(jié)皮在不同水頭下的飽和導(dǎo)水率平均值、中位數(shù)波動(dòng)很小，其變差系數(shù)分別為3.31%與4.67%，結(jié)果趨于一致，可知定水頭法具有一定的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性[42-43]。

圖2 不同正壓水頭下2類(lèi)結(jié)皮飽和導(dǎo)水率

2.3 微型盤(pán)式入滲儀法-結(jié)皮飽和入滲特征

2.3.1 土壤累積入滲量分析

累積入滲量是指一定時(shí)段內(nèi)通過(guò)單位土壤表面的入滲水量，是衡量土壤入滲能力的重要指標(biāo)。采用微型盤(pán)式入滲儀進(jìn)行入滲試驗(yàn)，2類(lèi)結(jié)皮在1～5 cm負(fù)壓設(shè)置下的土壤累積入滲量如圖3所示，結(jié)構(gòu)結(jié)皮土壤10 min累積入滲量依次為4.76、4.26、3.03、2.34、1.83 cm；沉積結(jié)皮土壤10 min累積入滲量依次為1.62、1.44、0.85、0.75、0.66 cm，累積入滲量的減小幅度均表現(xiàn)為先增后減直至穩(wěn)定。由方差分析發(fā)現(xiàn)2類(lèi)結(jié)皮累積入滲量的整體變化規(guī)律一致，但從數(shù)值比較分析得出結(jié)構(gòu)結(jié)皮的累積入滲量及其變化幅度都大于沉積結(jié)皮。

2.3.2 Wooding模型計(jì)算結(jié)皮飽和導(dǎo)水率

將5個(gè)負(fù)壓水頭（-5～-1 cm）下得到的入滲數(shù)據(jù)兩兩組合，借助式（3）計(jì)算得到不同水頭壓力下的土壤飽和導(dǎo)水率，如圖4所示，結(jié)構(gòu)結(jié)皮在-3 cm和-4 cm水頭下得到的飽和導(dǎo)水率最大，為35.84 cm/d；沉積結(jié)皮在-1 cm和-2 cm水頭下得到的飽和導(dǎo)水率最大，為6.78 cm/d。以定水頭法得到的飽和導(dǎo)水率作參考，Wooding模型的計(jì)算結(jié)果整體偏小，結(jié)構(gòu)結(jié)皮與沉積結(jié)皮的導(dǎo)水率最大值僅占48.43%與56.50%。

圖3 不同水頭下結(jié)皮累積入滲量

圖4 Wooding模型計(jì)算土壤飽和導(dǎo)水率

2.3.3 Philip模型計(jì)算結(jié)皮入滲特征

1）入滲過(guò)程模擬

采用微型盤(pán)式入滲儀得到土壤入滲過(guò)程如圖5所示，可知隨入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，累積入滲量逐漸增大。2類(lèi)結(jié)皮土壤在入滲初期，不同處理之間的累計(jì)入滲量相差較小，負(fù)壓水頭對(duì)土壤入滲的影響不太明顯，但隨入滲過(guò)程進(jìn)行，在25 s后的同一入滲歷時(shí)，不同負(fù)壓水頭對(duì)累積入滲量的影響增強(qiáng)且呈現(xiàn)不同的差異程度，直至600 s土壤入滲結(jié)束。由圖5可知，隨入滲時(shí)間延長(zhǎng)，入滲曲線斜率都有所增大，且隨著負(fù)壓水頭的減小，斜率增長(zhǎng)更快。由此可知，隨著水頭的增大，負(fù)壓對(duì)結(jié)皮土壤水分入滲的影響越大。

為定量分析不同負(fù)壓水頭對(duì)結(jié)皮土壤入滲特征的影響，采用Philip模型進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表3，決定系數(shù)2均在0.99以上，說(shuō)明擬合精度高。系數(shù)1通常認(rèn)為穩(wěn)滲速率，系數(shù)2為土壤吸滲率。由擬合結(jié)果可知，2類(lèi)結(jié)皮土壤穩(wěn)滲速率與吸滲率均隨負(fù)壓增大而減小，減小程度同樣隨負(fù)壓增大呈縮減趨勢(shì)，且2類(lèi)結(jié)皮吸滲率的減小程度均高于各自穩(wěn)滲速率的變化，通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)2個(gè)參數(shù)之間相互獨(dú)立，說(shuō)明土壤吸滲特性對(duì)負(fù)壓水頭的響應(yīng)更為敏感。同時(shí)對(duì)比2類(lèi)結(jié)皮同一負(fù)壓下的擬合參數(shù)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)結(jié)皮的穩(wěn)滲率是沉積結(jié)皮的2.80～3.82倍，前者吸滲率是后者的1.16～15.28倍。

2）飽和導(dǎo)水率分析

試驗(yàn)土壤為粉砂壤土（silty loam），根據(jù)Carsel等[44]的研究結(jié)果，參數(shù)取0.02，參數(shù)取1.41，結(jié)合式（8）—式（10）計(jì)算得到不同負(fù)壓水頭下的飽和導(dǎo)水率如圖6所示。負(fù)壓狀態(tài)下，土壤飽和導(dǎo)水率與壓強(qiáng)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過(guò)趨勢(shì)斜率看出結(jié)構(gòu)結(jié)皮對(duì)負(fù)壓水頭的影響更為敏感，這是由于二者的形成機(jī)理不同，沉積結(jié)皮較結(jié)構(gòu)結(jié)皮結(jié)構(gòu)更為緊密，孔隙分布范圍小而均勻，因此隨入滲接觸面的負(fù)壓增大表現(xiàn)出小幅減小。飽和導(dǎo)水率因土壤質(zhì)地、體積質(zhì)量等影響而不同，但對(duì)特定土壤而言是一個(gè)定值，顯然圖6中不同負(fù)壓水頭下的測(cè)算得到的導(dǎo)水率差異很大，說(shuō)明針對(duì)結(jié)皮而言，直接采用Carsel等[44]的研究成果選取參數(shù)，計(jì)算結(jié)果具有一定偏差。

圖5 不同負(fù)壓條件下2類(lèi)結(jié)皮土壤入滲過(guò)程

表3 不同負(fù)壓設(shè)置下2類(lèi)結(jié)皮入滲過(guò)程模擬結(jié)果

注 **在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

圖6 不同壓力水頭下土壤飽和導(dǎo)水率

3）van Genuchten參數(shù)修正

在雨滴打擊、徑流沖刷等作用下，土壤表層顆粒重新排列組合成一層致密的結(jié)皮層，相對(duì)于原狀土，結(jié)皮體積質(zhì)量增大，孔隙度減小，采用原狀土壤顆粒組成確定的van Genuchten參數(shù)無(wú)法滿足要求，需要對(duì)其進(jìn)行修正。以定水頭法得到的飽和導(dǎo)水率平均值作參照，根據(jù)式（9）、式（10）反算參數(shù)、值，結(jié)合陳衛(wèi)金等[45]對(duì)2個(gè)參數(shù)物理意義的解析進(jìn)行修正，最終得到適用于土壤物理結(jié)皮飽和導(dǎo)水率的計(jì)算參數(shù)，結(jié)構(gòu)結(jié)皮分別為0.039與2.72，沉積結(jié)皮分別為0.024與2.83，計(jì)算出5個(gè)負(fù)壓下飽和導(dǎo)水率與定水頭法的結(jié)果相同，變差系數(shù)分別為2.71%，9.48%。

3 討論

微型盤(pán)式入滲儀的原理在于在入滲表面提供一個(gè)向上的負(fù)壓水頭，從而防止大孔隙優(yōu)先流的產(chǎn)生，得到土壤基質(zhì)的導(dǎo)水性能。隨著負(fù)壓設(shè)置增大，土壤入滲動(dòng)力減小，入滲通道減少，因此試驗(yàn)土壤累積入滲量、穩(wěn)定入滲速率、吸滲率等入滲性能指標(biāo)隨之減小，這與Nathaniel等[33]的結(jié)果相同。對(duì)比兩類(lèi)物理結(jié)皮在不同負(fù)壓下的導(dǎo)水率發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)結(jié)皮的入滲能力強(qiáng)于沉積結(jié)皮，這與已有結(jié)論一致[46-49]，且結(jié)構(gòu)結(jié)皮對(duì)負(fù)壓設(shè)置的響應(yīng)更為強(qiáng)烈，表現(xiàn)為隨負(fù)壓水頭增大，各入滲指標(biāo)呈顯著下降趨勢(shì)。兩類(lèi)結(jié)皮入滲性能差異主要在于形成機(jī)理不同，結(jié)構(gòu)結(jié)皮是在降雨打擊作用下團(tuán)聚體顆粒分散重組形成的，而沉積結(jié)皮除降雨打擊外，還經(jīng)歷攜沙水流中的細(xì)顆粒沉積堵塞土壤孔隙后形成，因此沉積結(jié)皮的結(jié)構(gòu)更緊密[50-51]，孔隙大小分布范圍窄，入滲性能更差。

采用微型盤(pán)式入滲儀得到不同負(fù)壓水頭下的非飽和入滲過(guò)程，借助非飽和導(dǎo)水率函數(shù)，得到土壤飽和導(dǎo)水率的近似值。由于Wooding模型中的參數(shù)由2組入滲數(shù)據(jù)計(jì)算得到，并不存在唯一的參數(shù)以滿足所有負(fù)壓水頭的飽和導(dǎo)水率計(jì)算值趨于一致，因此Wooding模型不適用于微型盤(pán)式入滲儀對(duì)結(jié)皮入滲性能。相比之下，Zhang[20]提出的方法更為簡(jiǎn)單，盡管該方法的假設(shè)存在物理意義缺陷，但卻提供了一種有效的計(jì)算思路，經(jīng)常用于從微型盤(pán)式入滲儀測(cè)量數(shù)據(jù)推算土壤飽和導(dǎo)水率的近似值[52-53]。

以往研究采用微型盤(pán)式入滲儀時(shí)多設(shè)置為2 cm負(fù)壓，將該負(fù)壓下2類(lèi)結(jié)皮的導(dǎo)水率與定水頭法得到的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)存在較大誤差?？紤]到儀器使用手冊(cè)中給出的計(jì)算參數(shù)為均質(zhì)土壤的研究成果，不適用于土壤物理結(jié)皮的導(dǎo)水性能測(cè)定。因此若針對(duì)不同質(zhì)地的土壤研究，由于體積質(zhì)量、孔隙度、初始含水率等的差異，采用單一負(fù)壓水頭設(shè)置導(dǎo)致結(jié)果本身存在不確定性，同時(shí)也影響研究對(duì)象之間的對(duì)比分析。計(jì)算方法給出了不同質(zhì)地土壤的參數(shù)與值，借助van Genuchten函數(shù)可得到不同水頭壓力下的值，結(jié)合Philip模型便可通過(guò)單一水頭下的入滲試驗(yàn)得到較為可靠的土壤飽和導(dǎo)水率，但試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)構(gòu)結(jié)皮和沉積結(jié)皮的飽和導(dǎo)水率均隨負(fù)壓水頭的增大呈減小趨勢(shì)。由于參數(shù)來(lái)源于美國(guó)農(nóng)業(yè)部通過(guò)土壤質(zhì)地估計(jì)或試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)[54]，并不完全適用于結(jié)皮土壤。Dohnal等[26]發(fā)現(xiàn)該方法不適用于質(zhì)地細(xì)膩的土壤，建議參數(shù)優(yōu)化并對(duì)公式進(jìn)行了改進(jìn)。

負(fù)壓設(shè)置下的土壤水分入滲是一個(gè)非飽和入滲過(guò)程，因此需要借助非飽和導(dǎo)水率函數(shù)估計(jì)土壤的飽和導(dǎo)水性能，針對(duì)不同質(zhì)地土壤，其土壤孔隙度等結(jié)構(gòu)明顯不同，因此采用同一負(fù)壓設(shè)置得到的不同土壤入滲指標(biāo)存在較大誤差，各土壤入滲性能的比較也并不準(zhǔn)確。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Zhang[20]提出的計(jì)算方法更能準(zhǔn)確得到土壤飽和導(dǎo)水率，但計(jì)算結(jié)果隨負(fù)壓水頭增大而減小，需要對(duì)van Genuchten參數(shù)進(jìn)行修正。因此當(dāng)采用微型盤(pán)式入滲儀測(cè)定多種類(lèi)型土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)，應(yīng)通過(guò)前期試驗(yàn)得出適合特定土壤的參數(shù)組，以保證結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

1）定水頭法具有可重復(fù)性與準(zhǔn)確性，得到結(jié)構(gòu)結(jié)皮飽和導(dǎo)水率為74.00 cm/d，沉積結(jié)皮飽和導(dǎo)水率為12.00 cm/d。

2）采用微型盤(pán)式入滲儀測(cè)定2類(lèi)結(jié)皮的土壤累積入滲量、穩(wěn)滲速率、吸滲率等指標(biāo)，結(jié)果隨儀器負(fù)壓設(shè)置增大而減小。

3）微型盤(pán)式入滲儀法測(cè)算土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)，Zhang[20]提出的計(jì)算方法更為準(zhǔn)確，但結(jié)果隨負(fù)壓設(shè)置影響較大，對(duì)van Genuchten參數(shù)與進(jìn)行修正，結(jié)構(gòu)結(jié)皮分別為0.039與2.72，沉積結(jié)皮分別為0.024與2.83。

[1] 蔣定生, 黃國(guó)俊, 謝永生. 黃土高原土壤入滲能力野外測(cè)試[J]. 水土保持通報(bào), 1984(4): 7-9.

JIANG Dingsheng, HUANG Guojun, XIE Yongsheng. Field test of soil infiltration ability on the Loess Plateau [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 1984 (4): 7-9.

[2] CHEN Y, TARCHITZKY J, BROUWER J, et al. Scanning electron microscope observations on soil crusts and their formation[J]. Soil Science, 1980, 130(1): 49-55.

[3] ZHAO L S, LIANG X L, WU F Q. Soil surface roughness change and its effect on runoff and erosion on the Loess Plateau of China[J]. Journal of Arid Land, 2014, 6(4): 400-409.

[4] MCINTYRE D S. Permeability measurements of soil crusts formed by raindrop impact[J]. Soil Science, 1958, 85(4): 185-189.

[5] MCINTYRE D S. Soil splash and the formation of surface crusts by raindrop impact[J]. Soil Science, 1958, 85(5): 261-266.

[6] 吳發(fā)啟, 范文波. 土壤結(jié)皮對(duì)降雨入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J]. 中國(guó)水土保持科學(xué), 2005, 3(2): 97-101.

WU Faqi, FAN Wenbo. Effects of soil encrustation on rainfall infiltration, runoff and sediment generation[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2005, 3(2): 97-101.

[7] 陳琳, 王健, 宋鵬帥, 等. 降雨對(duì)坡耕地地表結(jié)皮土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體變化研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2020, 39(1): 98-105.

CHEN Lin, WANG Jian, SONG Pengshuai, et al. Effect of rainfall on water stability aggregates of crust soil on slope surface[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 98-105.

[8] 姚毓菲, 邵明安. 測(cè)定時(shí)間對(duì)定水頭法土壤飽和導(dǎo)水率的影響[J]. 土壤通報(bào), 2015, 46(2): 327-333.

YAO Yufei, SHAO Mingan. Effect of measure time on soil saturated hydraulic conductivity by constant head method[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2015, 46(2): 327-333.

[9] 程勤波, 陳喜, 凌敏華, 等. 變水頭入滲試驗(yàn)推求垂向滲透系數(shù)的計(jì)算方法[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2010, 21(1): 50-55.

CHENG Qinbo, CHEN Xi, LING Minhua, et al. Estimation of vertical hydraulic conductivity based on single-ring permeameter falling head infiltration experiment[J]. Advances in Water Science, 2010, 21(1): 50-55.

[10] 雍晨旭, 樊軍, 王勝. 坡度對(duì)3種單環(huán)法測(cè)量坡地飽和導(dǎo)水率的影響[J]. 中國(guó)水土保持科學(xué), 2018, 16(2): 24-30.

YONG Chenxu, FAN Jun, WANG Sheng. Effects of slope gradient on the soil saturated hydraulic conductivity of sloping land measured by three single-ring infiltrometers[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2018, 16(2): 24-30.

[11] 孫福海, 肖波, 張?chǎng)析? 等. 黃土高原生物結(jié)皮覆蓋對(duì)土壤積水入滲特征的影響及其模型模擬[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2020, 48(10): 82-91.

SUN Fuhai, XIAO Bo, ZHANG Xinxin, et al. Effects of biocrust covering on soil water infiltration characteristics on the Loess Plateau and its simulation[J]. Journal of Northwest A & F University (Natural Science Edition), 2020, 48(10): 82-91.

[12] 欒莉莉, 張光輝, 劉如心, 等. 人工模擬降雨水質(zhì)對(duì)土壤入滲性能的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2015, 29(2): 122-127.

LUAN Lili, ZHANG Guanghui, LIU Ruxin, et al. Effects of water quality on soil infiltration in rainfall simulation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(2): 122-127.

[13] 王德金, 趙文智, 周宏. 河西走廊中部荒漠礫冪特征及其對(duì)土壤水分入滲的影響[J]. 中國(guó)沙漠, 2020, 40(6): 233-241.

WANG Dejin, ZHAO Wenzhi, ZHOU Hong. Characteristics of desert pavement and its influence on water infiltration in the middle of the Hexi Corridor[J]. Journal of Desert Research, 2020, 40(6): 233-241.

[14] REYNOLDS W D, ELRICK D E. In situ measurement of field-saturated hydraulic conductivity, sorptivity, and the α-parameter using the Guelph permeameter[J]. Soil Science, 1985, 140(4): 292-302.

[15] GUPTA R K, RUDRA R P, DICKINSON W T, et al. Comparison of saturated hydraulic conductivity measured by various field methods[J]. Transactions of the ASAE, 1993, 36(1): 51-55.

[16] VANDERLINDEN K, GABRIELS D, GIRáLDEZ J V. Evaluation of infiltration measurements under olive trees in Córdoba[J]. Soil and Tillage Research, 1998, 48(4): 303-315.

[17] GóMEZ J A, GIRáLDEZ J V, FERERES E. Analysis of infiltration and runoff in an olive orchard under no-till[J]. Soil Science Society of America Journal, 2001, 65(2): 291-299.

[18] 朱良君, 張光輝, 任宗萍. 4種土壤入滲測(cè)定方法的比較[J]. 水土保持通報(bào), 2012, 32(6): 163-167.

ZHU Liangjun, ZHANG Guanghui, REN Zongping. Comparing four methods for soil infiltration measurement[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2012, 32(6): 163-167.

[19] WOODING R A. Steady infiltration from a shallow circular pond[J]. Water Resources Research, 1968, 4(6): 1 259-1 273.

[20] ZHANG R D. Determination of soil sorptivity and hydraulic conductivity from the disk infiltrometer[J]. Soil Science Society of America Journal, 1997, 61(4): 1 024-1 030.

[21] PHILIP J. The theory of infiltration: 4. sorptivity and algebraic infiltration equations[J]. Soil Science, 1957, 84: 257-264.

[22] VAN GENUCHTEN M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1980, 44(5): 892-898.

[23] ANDREAS M, ALLAN A. Incorporating geology and geomorphology in land management decisions in developing countries: A case study in Southern Costa Rica[J]. Geomorphology, 2007, 87(1/2): 68-89.

[24] MURRAY C J, WARD A L, WILSON J L. Influence of clastic dikes on vertical migration of contaminants at the Hanford Site[J]. Vadose Zone J.. 2007(6): 959-970.

[25] Decagon Devices. 2006. Mini disk infiltrometer: Model S, user’s manual version 3[Z]. Decagon Devices, Pullman, W A.

[26] DOHNAL M, DUSEK J, VOGEL T. Improving hydraulic conductivity estimates from minidisk infiltrometer measurements for soils with wide pore-size distributions[J]. Soil Science Society of America Journal, 2010, 74(3): 804-811.

[27] NIKODEM A, KODE?OVá R, FéR M, et al. Variability of topsoil hydraulic conductivity along the hillslope transects delineated in four areas strongly affected by soil erosion[J]. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2021, 69(2): 220-231.

[28] 王曉藝, 蘇正安, 馬菁, 等. 河北壩上與壩下不同土地利用類(lèi)型土壤入滲特征及其影響因素[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2020, 35(6): 1 360-1 368.

WANG Xiaoyi, SU Zheng’an, MA Jing, et al. Soil infiltration under different patterns of land use and its influencing factor in the Bashang and Baxia regions of Hebei Province[J]. Journal of Natural Resources, 2020, 35(6): 1 360-1 368.

[29] NAIK A P, GHOSH B, PEKKAT S. Estimating soil hydraulic properties using mini disk infiltrometer[J]. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 2019, 25(1): 62-70.

[30] NESTINGEN R, ASLESON B C, GULLIVER J S, et al. Laboratory comparison of field infiltrometers[J]. Journal of Sustainable Water in the Built Environment, 2018, 4(3): 04018005.

[31] ?URDA P, RODNY M, NAGY V, et al. Spatial variability of the hydraulic conductivity of the soil with biological soil crust in the horizontal and vertical direction[J]. Acta Hydrol. Slovaca 2013, 14, 466-472.

[32] KAMENí?KOVá I, LARI?OVá L, STOKLáSKOVá A. The impact of different tillage treatments on hydraulic conductivity of loamy soil[J]. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 2013, 60(5): 109-114.

[33] NATHANIEL R, CRAIG L, MATTHEW B, et al. Quantification of the influence of different Mini Disk Infiltrometer (MDI) suction settings when measuring infiltration across various soil types[J]. Authorea. April 5, 2021.

[34] 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所. 土壤理化分析[M]. 上海: 上?？茖W(xué)出版社, 1980.

Nanjing Institute of soil, Chinese Academy of Sciences. Physical and chemical analysis of soil[M]. Shanghai: Shanghai Science Press, 1980.

[35] 閆湘, 常慶瑞, 潘靖平. 陜西關(guān)中地區(qū)塿土在系統(tǒng)分類(lèi)中的歸屬[J]. 土壤, 2004, 36(3): 318-322, 330.

YAN Xiang, CHANG Qingrui, PAN Jingping. Classification of Lou soil in Chinese soil taxonomy in Guanzhong region[J]. Soils, 2004, 36(3): 318-322, 330.

[36] AGASSI M, SHAINBERG I, MORIN J. Effect of electrolyte concentration and soil sodicity on infiltration rate and crust formation[J]. Soil Science Society of America Journal, 1981, 45(5): 848-851.

[37] ONOFIOK O, SINGER M J. Scanning electron microscope studies of surface crusts formed by simulated rainfall[J]. Soil Science Society of America Journal, 1984, 48(5): 1 137-1 143.

[38] 胡霞, 蔡強(qiáng)國(guó), 劉連友, 等. 人工降雨條件下幾種土壤結(jié)皮發(fā)育特征[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2005, 42(3): 504-507.

HU Xia, CAI Qiangguo, LIU Lianyou, et al. Development of soil crust through simulated rainfall in laboratory[J]. Acta Pedologica Sinica, 2005, 42(3): 504-507.

[39] BODNáR F, HULSHOF J. Soil crusts and deposits as sheet erosion indicators in southern Mali[J]. Soil Use and Management, 2006, 22(1): 102-109.

[40] 卜崇峰, 石長(zhǎng)春, 蔡強(qiáng)國(guó). 土壤結(jié)皮幾種分析測(cè)算指標(biāo)的應(yīng)用評(píng)價(jià)[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2009, 23(2): 240-243.

BU Chongfeng, SHI Changchun, CAI Qiangguo. Evaluation on calculation index for soil crust development[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(2): 240-243.

[41] GARDNER W R. Some steady-state solutions of the unsaturated moisture flow equation with application to evaporation from a water table[J]. Soil Science, 1958, 85(4): 228-232.

[42] KNOWLES P R, DAVIES P A. A method for the in situ determination of the hydraulic conductivity of gravels as used in constructed wetlands for wastewater treatment[J]. Desalination and Water Treatment, 2009, 5(1/2/3): 257-266.

[43] PEDESCOLL A, KNOWLES P R, DAVIES P, et al. A comparison of in situ constant and falling head permeameter tests to assess the distribution of clogging within horizontal subsurface flow constructed wetlands[J]. Water, Air, & Soil Pollution, 2012, 223(5): 2 263-2 275.

[44] CARSEL R F, PARRISH R S. Developing joint probability distributions of soil water retention characteristics[J]. Water Resources Research, 1988, 24(5): 755-769.

[45] 陳衛(wèi)金, 程?hào)|會(huì), 陶偉. van Genuchten模型參數(shù)的物理意義[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2017, 44(6): 147-153.

CHEN Weijin, CHENG Donghui, TAO Wei. Physical significance of the parameters in the van Genuchten model[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2017, 44(6): 147-153.

[46] SHAINBERG I, SINGER M J. Effect of electrolytic concentration on the hydraulic properties of depositional crust[J]. Soil Science Society of America Journal, 1985, 49(5): 1 260-1 263.

[47] FOX D M, LE BISSONNAIS Y, QUéTIN P. The implications of spatial variability in surface seal hydraulic resistance for infiltration in a mound and depression microtopography[J]. Catena, 1998, 32(2): 101-114.

[48] NDIAYE B, ESTEVES M, VANDERVAERE J P, et al. Effect of rainfall and tillage direction on the evolution of surface crusts, soil hydraulic properties and runoff generation for a sandy loam soil[J]. Journal of Hydrology, 2005, 307(1/2/3/4): 294-311.

[49] FOX D M, BISSONNAIS Y L, BRUAND A. The effect of ponding depth on infiltration in a crusted surface depression[J]. Catena, 1998, 32(2): 87-100.

[50] ROULIER S, ANGULO-JARAMILLO R, BRESSON L M, et al. Water transfer and mobile water content measurement in a cultivated crusted soil[J]. Soil Science, 2002, 167(3): 201-210.

[51] 楊昌, 王健, 李建德, 等. 土壤表層結(jié)皮失水裂縫形態(tài)發(fā)育規(guī)律研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(10):103-108, 124

YANG Chang, WANG Jian, LI Jiande, et al. Study on the regularity of morphological development of cracks in soil crust[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(10):103-108, 124

[52] ZHAO Y, PETH S, KRüMMELBEIN J, et al. Spatial variability of soil properties affected by grazing intensity in Inner Mongolia grassland[J]. Ecological Modelling, 2007, 205(1/2): 241-254.

[53] AJAYI A E, VAN DE GIESEN N, VLEK P. A numerical model for simulating Hortonian overland flow on tropical hillslopes with vegetation elements[J]. Hydrological Processes, 2008, 22(8): 1 107-1 118.

[54] RAWLS W J, BRAKENSIEK D L, SAXTONN K E. Estimation of soil water properties[J]. Transactions of the ASAE, 1982, 25(5): 1 316-1 320.

Effect of Suction in the Infiltrometer on Water Infiltration into Crusted Soils

LI Jiande1, WANG Jian2*, XU Feifei1, WANG Kanghong3, YANG Qinxia3, XUE Dong3

(1. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Hancheng Soil and Water Conservation Workstation, Hancheng 715400, China)

【Objective】Infiltrometer is a device to measure water infiltration into soil and soil hydraulic conductivity. Its performance depends on many factors. This paper aims to study the effect of the negative pressure in it on water infiltration in crusted soil. 【Method】The crusts on the soil surface were created by artificial rainfalls on a loess slope; water infiltration into the soil was measured using a mini disc infiltrometer with the negative pressure in it varying from 1 to 5cm. We also measured saturated hydraulic conductivity of the soil using the constant-head method and then used it as a benchmark to test the results measured from the infiltrometer. Water flow under both methods was described by the Wooding and Philip model. 【Result】The hydraulic conductivity measured using the constant head was more accurate and repeatable. The saturated hydraulic conductivity of the crust and soil matrix was 74.00 cm/d and 12.00 cm/d respectively. The indexes of cumulative water infiltration, steady infiltration rate, infiltration rate and hydraulic conductivity of the crust and soil matrix measured by the infiltrometer decreased with the increase in the negative pressure. Using the saturated hydraulic conductivity measured from the infiltrometer, the Philip model reproduced the infiltration process more accurately, despite the effect of the negative pressure. Fitting the results to the van Genuchten formula revealed that the parameters α and n were 0.039 cm and 2.72 respectively for the crusts, and 0.024 cm and 2.83 respectively for the soil matrix. 【Conclusion】Negative pressure in the infiltrometer affects saturated hydraulic conductivity calculated using the measured data from crusted soil, and should be considered in data analysis.

mini disc infiltrometer; structural crusts; sedimentary crust; saturated hydraulic conductivity; van Genuchten parameter

1672 - 3317（2022）07 - 0078 - 08

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022057

李建德, 王健, 徐飛飛, 等. 不同負(fù)壓設(shè)置對(duì)微型盤(pán)式入滲儀測(cè)定結(jié)皮入滲性能的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(7): 78-85.

LI Jiande, WANG Jian, XU Feifei, et al. Effect of Suction in the Infiltrometer on Water Infiltration into Crusted Soils[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 78-85.

2022-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41771308）

李建德（1998-），男。碩士研究生，主要從事土壤侵蝕方面研究。E-mail: L632895613@163.com

王?。?973-），男。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與流域管理方面研究。E-mail: wangjian@nwsuaf.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍