不同種植年限壓砂地土壤水分入滲過(guò)程及模型分析

王幼奇，阮曉晗，白一茹，高小龍

（1. 寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院， 寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院， 寧夏 銀川 750021）

入滲是水分穿透土壤表面滲透到土體內(nèi)部的過(guò)程，入滲性能決定了從地表進(jìn)入土壤剖面的水量及水分的分布狀況[1].研究水分入滲過(guò)程對(duì)于了解土壤水分分布狀況、制訂合理灌溉制度及估算地表水文流量等有著至關(guān)重要的作用.壓砂地是西北干旱半干旱區(qū)農(nóng)民為應(yīng)對(duì)降水稀缺、水分匱乏這一自然條件所形成的獨(dú)特旱作雨養(yǎng)節(jié)水農(nóng)業(yè)模式，其利用地表覆蓋礫石來(lái)促進(jìn)土壤水分入滲[2]、減少蒸發(fā)[3]、增加溫度[4].然而，隨著種植年限增加，壓砂地普遍呈現(xiàn)出水分含量降低、土壤耕性變差等退化現(xiàn)象[5].因此研究不同種植年限壓砂地土壤水分入滲狀況對(duì)于明晰壓砂地老化機(jī)制、改善其水分生態(tài)環(huán)境有積極作用.

近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域含礫石土壤的水分入滲過(guò)程進(jìn)行了研究，如邵明安等[6]、呂剛等[7]研究均表明土體內(nèi)部碎石粒徑、含量、緊密程度增大均會(huì)抑制土壤水分入滲過(guò)程.但BECKERS等[8]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)表明黏土內(nèi)增加碎石含量能夠促進(jìn)土壤水分穿透能力.同時(shí)，ILEK等[9]研究森林表層石質(zhì)土壤發(fā)現(xiàn)土壤中的巖石碎片既可以增加也可以減少土壤的水分滲透能力，結(jié)果受碎石大小影響顯著.綜上可知，土-石介質(zhì)中礫石對(duì)于土壤水分入滲過(guò)程的影響并不一致.壓砂地隨著種植年限的增加，原本礫石和土壤層狀結(jié)構(gòu)逐漸演變?yōu)橥潦旌辖橘|(zhì)，其礫石含量、配比、位置等均會(huì)發(fā)生變化[10]，導(dǎo)致其水分入滲過(guò)程更為復(fù)雜，因此引起了許多學(xué)者關(guān)注.如LI[11]研究表明礫石覆蓋能夠顯著改變壓砂地地表水文過(guò)程、促進(jìn)水分入滲、提升土壤水分保持能力.譚軍利等[12]研究表明隨著種植年限增加，壓砂地砂層平均入滲率呈指數(shù)下降.但現(xiàn)階段，針對(duì)不同種植年限下壓砂地水分入滲模型參數(shù)擬合及其適用性分析的研究較少，特別是利用一維代數(shù)模型對(duì)不同土層深度土壤剖面含水率狀況及水分分布模擬研究較為缺乏.因此有必要研究不同種植年限壓砂地水分入滲過(guò)程，能夠?yàn)榇龠M(jìn)壓砂地可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐.

文中以不同種植年限壓砂地為研究對(duì)象，通過(guò)垂直一維土柱入滲試驗(yàn)，研究不同種植年限壓砂地水分入滲速率、累積入滲量、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律及水分分布狀況，評(píng)價(jià)和分析4種入滲模型適用性，同時(shí)利用一維代數(shù)入滲方程擬合入滲試驗(yàn)結(jié)束后不同深度的水分分布特征，明確不同種植年限土壤水分再分布狀況，以期為掌握壓砂地水分運(yùn)動(dòng)狀況及合理利用有限水資源提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏中衛(wèi)市興仁鎮(zhèn)（105°22′E，36°76′N），屬干旱半干旱氣候，平均海拔1 679 m，年平均溫度14.2 ℃，日照時(shí)數(shù)2 980 h/a，多年平均降水量240～260 mm，年蒸發(fā)量3 250 mm左右，無(wú)霜期157～166 d.光熱資源十分豐富，晝夜溫差大，土壤類型為灰鈣土，是硒砂瓜主產(chǎn)區(qū).覆蓋礫石來(lái)自香山風(fēng)化碎石，覆蓋厚度約為20 cm.

1.2 試驗(yàn)材料

在研究區(qū)內(nèi)根據(jù)不同種植年限壓砂地實(shí)際分布面積及比例，在2,5,10,20,30,40 a壓砂地分別均勻選取樣點(diǎn)，共計(jì)100個(gè)樣點(diǎn).在各樣點(diǎn)選取100 cm×100 cm范圍內(nèi)0～25 cm礫石覆蓋層，全部砂石風(fēng)干后用50.0,31.5,25.0,16.0,10.0,5.0,2.0 mm篩子逐層過(guò)篩，選取不同粒徑的礫石進(jìn)行稱重、記錄.不同年限T礫石粒徑配比η如表1所示.

供試土樣和礫石取自于寧夏中衛(wèi)興仁鎮(zhèn)壓砂地集中區(qū)域.在不同種植年限樣地分別采集礫石和土樣.覆蓋礫石去除雜質(zhì)和土壤后清洗、晾干備用.去除表層礫石覆蓋后，采集0～60 cm土壤，清除雜質(zhì)后自然風(fēng)干，研磨后過(guò)2 mm篩備用.研究區(qū)土壤砂粒、粉粒和黏粒平均體積分?jǐn)?shù)分別為27.19%，62.52%，10.26%，屬粉壤土.土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為6.53 g/kg，土壤全氮平均含量為0.51 g/kg，土壤全磷平均含量為0.59 g/kg，土壤全鉀平均含量為17.94 g/kg.

表1 不同種植年限壓砂地礫石粒徑配比

1.3 土壤水分入滲測(cè)定方法

在室內(nèi)采用垂直一維定水頭法測(cè)定不同種植年限（2,5,10,20,30,40 a）壓砂地土壤入滲過(guò)程，6個(gè)處理每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)土柱.試驗(yàn)采用直徑10 cm，高50 cm的有機(jī)玻璃柱，其底部均勻分布有直徑2 mm的小孔便于通氣，采用直徑10 cm，高45 cm馬氏瓶進(jìn)行穩(wěn)定供水，垂直供水時(shí)水頭穩(wěn)定在3 cm.試驗(yàn)土柱填裝分為上層礫石覆蓋層和下層土層2個(gè)部分.按照當(dāng)?shù)?,5,10,20,30,40 a壓砂地實(shí)際測(cè)得的土壤容重（1.48,1.53,1.54,1.59,1.61,1.63 g/cm3）每5 cm分層填裝土層，層與層之間進(jìn)行打毛處理填裝至30 cm.

礫石覆蓋層按照表1中礫石粒徑配比繼續(xù)填裝，根據(jù)實(shí)地測(cè)定及參考文獻(xiàn)[12]，以容重1.96 g/cm3每5 cm分層填裝上層15 cm，礫石層和土層總高度為45 cm.底部和頂部放置濾紙避免底部土壤滲漏并且使表層土壤水分滲漏均勻.入滲開始后記錄馬氏瓶水位刻度，觀察濕潤(rùn)鋒垂直入滲距離隨時(shí)間的變化，在前5 min內(nèi)每隔10 s記錄1次、5～8 min每30 s記錄1次，8～15 min每1 min記錄1次，15～30 min每5 min記錄1次，30～60 min每10 min記錄1次，60～240 min每30 min記錄1次，之后每隔60 min記錄1次，當(dāng)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到有機(jī)柱玻璃底部時(shí)停止供水，試驗(yàn)結(jié)束.將上層15 cm礫石倒出后，從上至下每5 cm分層取土，以烘干法測(cè)定不同深度土壤質(zhì)量含水率.

1.4 濕潤(rùn)鋒擬合

選擇冪函數(shù)對(duì)濕潤(rùn)鋒變化進(jìn)行擬合，公式為

Zf=atb，

（1）

式中：Zf為濕潤(rùn)鋒，cm；t為入滲時(shí)間，min；a,b為擬合參數(shù).

1.5 入滲模型

1） Philip模型[13]公式為

i=0.5St-0.5+ic，

（2）

式中：i為入滲速率，cm/min；S為土壤吸滲率，cm/min0.5；ic為穩(wěn)定入滲速率，cm/min.

2） Kostiakov模型[14]公式為

i=ct-d，

（3）

式中：c，d為模型擬合參數(shù).

3） Horton模型[15]公式為

i=ic+（i1-ic）e-kt，

（4）

式中：i1為初始入滲速率，cm/min；k為入滲模型參數(shù).

4） 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚16]公式為

i=f+qt-n，

（5）

式中：f，q，n為模型參數(shù).

1.6 一維代數(shù)模型

垂直一維非飽和土壤累積入滲量計(jì)算公式為

（6）

式中：I為累積入滲量，cm；θs為飽和含水率，cm3/cm3；θr為滯留含水率，cm3/cm3；θi為初始含水率，cm3/cm3；α為非飽和導(dǎo)水率形狀系數(shù).由于所有土樣初始含水率較小，所以假定θr與θi相等，則累積入滲量公式變?yōu)?/p>

（7）

一維垂直入滲過(guò)程中含水率的計(jì)算公式為

（8）

式中：θ為土壤剖面含水率，cm3/cm3；Z為任意深度處，cm.

1.7 模型評(píng)價(jià)

利用均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE及符合度指數(shù)D對(duì)一維代數(shù)模型擬合結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià).均方根誤差計(jì)算公式為

（9）

式中：Ei為模擬值；Mi為實(shí)測(cè)值；m為樣本數(shù)量.

平均絕對(duì)誤差計(jì)算公式為

（10）

符合度指數(shù)計(jì)算公式為

（11）

2 結(jié)果分析

2.1 種植年限對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響

濕潤(rùn)鋒是指土壤水分入滲過(guò)程中水分運(yùn)移到達(dá)的明顯干濕交界鋒面，其移動(dòng)速度大小能夠反映土壤水分傳遞能力.不同種植年限壓砂地濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化過(guò)程如圖1所示.可以看出6個(gè)種植年限壓砂地濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率均呈現(xiàn)由快變慢的趨勢(shì)，當(dāng)入滲進(jìn)行到300 min時(shí)，5，10，20，30，40 a較2 a濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離減小了24.84%，38.38%，48.56%，52.67%，54.00%，即年限越大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率越緩慢，說(shuō)明種植年限增加對(duì)水分入滲的阻礙作用增大.2，5，10，20，30，40 a濕潤(rùn)鋒到達(dá)45 cm所需時(shí)間分別為360，600，960，1 200，1 560，1 740 min，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移至最大深度所需時(shí)間明顯減少，表明隨種植年限增大濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到最大距離所需時(shí)間增多.為進(jìn)一步分析不同種植年限壓砂地間濕潤(rùn)鋒運(yùn)移狀況，利用式（1）對(duì)濕潤(rùn)鋒Zf和入滲時(shí)間t進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2所示.二者符合冪函數(shù)關(guān)系且R2均大于0.96，即隨種植年限增大，a逐漸減小，b逐漸增大，說(shuō)明種植年限越大，濕潤(rùn)鋒初始運(yùn)移速率越小，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率衰減越快.

表2 不同種植年限濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化擬合結(jié)果

2.2 種植年限對(duì)累積入滲量的影響

圖2為不同種植年限壓砂地土壤水分累積入滲量隨時(shí)間變化特征.在入滲初始階段，6個(gè)種植年限累積入滲量均快速增加，不同種植年限壓砂地累積入滲量間無(wú)明顯差異.隨著入滲的進(jìn)行，在30 min后各種植年限的累積入滲量趨勢(shì)開始出現(xiàn)差異，入滲進(jìn)行至90 min出現(xiàn)明顯差異，當(dāng)入滲300 min時(shí)，5，10，20，30，40 a較2 a的累積入滲量減少了27.01%，43.32%，53.22%，54.79%，54.68%，入滲結(jié)束后，累積入滲量分別為12.17，11.92，11.73，11.51，11.44，11.24 cm，隨種植年限增加各累積入滲量呈減小趨勢(shì).

2.3 種植年限對(duì)入滲速率的影響

表3 不同種植年限對(duì)入滲速率的影響

2.4 土壤水分入滲過(guò)程模型擬合

為進(jìn)一步分析種植年限對(duì)壓砂地水分入滲過(guò)程的影響，利用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)實(shí)測(cè)入滲數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如表4所示.Philip模型中S為吸滲率，表示土壤水分入滲能力.各種植年限的S從大到小依次為2，5，10，20，30，40 a，表明隨種植年限增大土壤水分入滲能力降低.Kostiakov模型中獲取的擬合參數(shù)c表示初始入滲速率大小，d表示入滲速率衰退程度.由擬合結(jié)果可知種植年限越大，初始入滲速率越小，速率衰退程度越快.Horton模型可以直觀地?cái)M合初始入滲率與穩(wěn)定入滲速率，隨種植年限增大，初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率均呈減小趨勢(shì)，與試驗(yàn)結(jié)果一致.通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭衒和q的絕對(duì)值分別表征穩(wěn)定入滲速率和初始入滲速率，可以看出，隨種植年限增大f和q的絕對(duì)值均呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明種植年限越大，水分入滲越緩慢.4種入滲模型R2值從大到小為Horton模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、Kostiakov模型、Philip模型.

表4 不同種植年限的入滲率模型擬合

2.5 土壤剖面含水率模型擬合與評(píng)價(jià)

垂直一維土柱入滲試驗(yàn)結(jié)束后，除去表層礫石覆蓋物，從上至下每5 cm分層取土測(cè)定土壤體積含水率，從而獲取不同深度土壤含水率分布如圖4所示.從圖中可以看出不同種植年限，壓砂地隨深度增加，土壤體積含水率均呈減小趨勢(shì)，表明壓砂地種植年限越大，其剖面土壤含水率越低.入滲結(jié)束時(shí)，2，5，10，20，30，40 a的 5～10 cm土壤剖面含水率分別為30.43%，29.64%，28.64%，27.52%，26.36%和24.35%，種植年限越大，土壤剖面含水率越小.

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤剖面含水率分布，對(duì)于西北干旱半干旱區(qū)提高水資源利用率具有重要作用[17].利用一維代數(shù)模型對(duì)各種植年限不同深度土壤剖面含水率進(jìn)行擬合分析.結(jié)果如圖4所示.獲取擬合結(jié)果后用RMSE，MAE和D評(píng)價(jià)模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合程度，結(jié)果如表5所示.不同種植年限壓砂地土壤含水率實(shí)測(cè)值與模擬值間的MAE在0.48%～2.09%，RMSE在0.52%～2.13%，D值在0.782～0.985.將不同種植年限壓砂地的水分實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)P均大于0.05，說(shuō)明實(shí)測(cè)值與模擬值差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此綜合各評(píng)價(jià)指標(biāo)和擬合曲線，可知一維代數(shù)模型可以較好模擬不同種植年限壓砂地不同深度土壤剖面含水率的變化情況.

表5 土壤含水率擬合效果評(píng)價(jià)

3 討 論

一般而言，壓砂地入滲過(guò)程可分為礫石覆蓋層入滲和土層入滲2個(gè)階段.水分入滲初始階段發(fā)生在礫石覆蓋層，該層礫石間、礫石與土壤間非緊密接觸會(huì)形成若干貫穿的大孔隙導(dǎo)致水分向下快速運(yùn)移，表現(xiàn)為不同種植年限壓砂地的初始入滲速率為入滲過(guò)程中的最大速率，隨后入滲速率不斷降低.不同種植年限濕潤(rùn)鋒在礫石覆蓋層中運(yùn)移時(shí)間分別為3，20，90，150，180，210 min，種植年限越大，濕潤(rùn)鋒在礫石覆蓋層運(yùn)移速率越慢.原因在于不同種植年限壓砂地礫石粒徑配比不同（見(jiàn)表1），種植年限短，其礫石覆蓋層中大粒徑礫石較多，小粒徑礫石與細(xì)土較少，土石混合介質(zhì)的連通性較好，有利于水分入滲的進(jìn)行.隨種植年限增大，土體中小粒徑礫石和細(xì)土含量逐漸增加，土壤容重變大、土體結(jié)構(gòu)更為緊密，阻滯了水分入滲，即隨壓砂地種植年限增加，土壤水分在礫石覆蓋層入滲時(shí)間增加、入滲速率減小.譚軍利等[12]研究不同種植年限壓砂地也得出相同結(jié)論.土層水分入滲過(guò)程與礫石覆蓋層情況相似，隨種植年限增大，入滲速率明顯減緩，5，10，20，30，40 a濕潤(rùn)鋒在土層中運(yùn)移所需時(shí)間分別為2 a 的1.62，2.44，2.94，3.87，4.29倍，原因在于壓砂地長(zhǎng)期種植，其礫石層不利于翻耕，且作物長(zhǎng)期耗水導(dǎo)致土壤干燥化現(xiàn)象出現(xiàn)，使得土壤容重明顯增加，即壓砂地隨種植年限增大，入滲速率和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程減慢.

4種入滲模型中通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閿?shù)學(xué)模型，其擬合參數(shù)均無(wú)明確物理學(xué)意義，只能反映入滲過(guò)程的大致趨勢(shì).Kostiakov模型屬經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，相較于通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ推淠Ｐ蛥?shù)可以更好地反映入滲速率的變化趨勢(shì)，但當(dāng)時(shí)間趨于0時(shí)，模型擬合的入滲率趨于無(wú)窮大，與實(shí)際不符[18].Philip模型能夠推導(dǎo)出土壤吸滲率S，該參數(shù)具有明確物理意義，可表征土壤入滲能力.一般而言，Philip模型對(duì)均質(zhì)土壤具有較好適宜性[19]，對(duì)非均質(zhì)土壤入滲后期擬合效果較差[20].王全九等[21]研究表明Philip模型在模擬入滲時(shí)間較短情況下計(jì)算精度較高，而對(duì)于較長(zhǎng)入滲時(shí)間該模型偏差較大.同時(shí)文中Philip模型擬合得到的ic為負(fù)值，且該模型R2在4個(gè)入滲模型中最低.Horton模型能夠擬合ic和i1且與實(shí)測(cè)值趨勢(shì)一致，R2值大于其他3個(gè)模型，這與趙云鵬等[22]和白一茹等[23]研究結(jié)果一致.綜合4個(gè)入滲模型的物理學(xué)意義及擬合R2值可知，Horton模型對(duì)于不同種植年限壓砂地水分入滲過(guò)程模擬效果最佳.

壓砂地整體土壤剖面含水率隨種植年限增加呈減小趨勢(shì).隨種植年限增加，土石混合程度逐漸增加，礫石層中大孔隙數(shù)量逐漸減少，不利于水分向下傳輸.同時(shí)種植年限增加其土壤容重增大，土層水分入滲能力降低導(dǎo)致累積入滲量減小、剖面土壤含水率減小，白瑞等[24]研究表明累積入滲量和濕潤(rùn)鋒隨土壤容重增加而減小，與文中研究結(jié)果一致.一維入滲代數(shù)模型具有明確物理意義，能夠描述和模擬土壤剖面含水率分布狀況，對(duì)于旱區(qū)制定合理節(jié)水灌溉措施、高效利用有限水資源有重要作用.文中該模型的MAE，RMSE，D平均值分別為0.92，1.03和0.92，且通過(guò)t檢驗(yàn)可知，模擬值與擬合值的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），即一維代數(shù)模型可以較好模擬不同種植年限不同深度處土壤剖面含水率，能夠模擬灌溉后的水分分布狀況.趙連東等[25]采用一維代數(shù)模型對(duì)重度鹽堿土入滲結(jié)束后土壤剖面的水分分布情況進(jìn)行模擬并發(fā)現(xiàn)模擬精度較高，說(shuō)明一維代數(shù)模型能夠較好反映土壤入滲過(guò)程的土壤水分分布狀況.

文中采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)對(duì)不同種植年限壓砂地水分入滲過(guò)程進(jìn)行研究，在一定程度上能反映土壤水分入滲狀況，但受環(huán)境、人為等因素影響與實(shí)際情況可能存在一定偏差，為更準(zhǔn)確地了解水分入滲過(guò)程和土壤剖面含水率狀況，后續(xù)應(yīng)在野外進(jìn)行原位土壤水分入滲試驗(yàn)，其結(jié)果對(duì)于防治壓砂地老化具有重要作用.

4 結(jié) 論

1） 對(duì)比不同種植年限壓砂地水分入滲過(guò)程可知，相同時(shí)間下隨著種植年限增加，濕潤(rùn)鋒和累積入滲量逐漸減小，初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和平均入滲速率均呈減小趨勢(shì).

2） 通過(guò)比較Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腞2及其物理學(xué)意義，Horton模型對(duì)不同種植年限壓砂地水分入滲過(guò)程擬合效果最佳.

3） 一維代數(shù)模型擬合的不同種植年限土壤剖面含水率值與實(shí)測(cè)值間的MAE均為0.48%～2.09%，RMSE為0.52%～2.13%，D均大于0.782，一維代數(shù)模型能夠較好的描述不同種植年限下壓砂地土壤剖面不同深度含水率的分布狀況.