降雨過程中土壤物理結(jié)皮入滲情況及當(dāng)量孔徑的變化研究

劉冠亨， 吳冠宇， 李建德， 王 健， 楊琴俠， 薛 冬

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省水利水電工程咨詢中心，陜西 西安710000；3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450000；4.韓城市水土保持工作站，陜西 韓城 714000）

坡面侵蝕是土壤侵蝕的主要類型之一。相關(guān)研究表明，影響坡面土壤侵蝕產(chǎn)沙的因素較多，主要有降雨、坡面地形、坡面徑流、植被、整地方式、土壤性質(zhì)等［1］。降雨是坡面侵蝕最根本的動力來源，隨著降雨強(qiáng)度的增大，坡面徑流量和侵蝕量均增加。地形對于坡面侵蝕的影響主要表現(xiàn)在坡度和坡長兩個方面，坡度對坡面侵蝕的演變發(fā)展過程和侵蝕強(qiáng)度起著重要作用［2］。在黃土高原地區(qū)，由降雨產(chǎn)生的土壤物理結(jié)皮易誘發(fā)水力侵蝕的發(fā)生［3］。吳發(fā)啟等［4］研究發(fā)現(xiàn)，坡耕地土壤結(jié)皮是在降雨、徑流以及它們與地表坡度等因素的共同作用下形成的。

土壤物理結(jié)皮是降雨過后土壤表層普遍存在的現(xiàn)象，它是指表面土壤團(tuán)聚體在理化作用下破碎形成的致密結(jié)構(gòu)表層，其容重大、孔隙度較小、導(dǎo)水率差［5］。土壤物理結(jié)皮可分為兩類：結(jié)構(gòu)結(jié)皮和沉積結(jié)皮。結(jié)構(gòu)結(jié)皮是由于雨滴對穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)表面不斷打擊壓實(shí)，在雨滴打擊分散土粒進(jìn)行土壤顆粒的重組后形成，沉積結(jié)皮是通過水分下滲淋濾細(xì)顆粒并且顆粒不斷沉積形成［6］。

兩類物理結(jié)皮在顆粒組成、粗糙度、入滲特性等方面均有差異。吳秋菊等［7］通過人工模擬降雨試驗(yàn)，研究不同耕作措施下土壤結(jié)皮的形成特征，沉積結(jié)皮相對于結(jié)構(gòu)結(jié)皮密度高且孔隙度低，沉積結(jié)皮的平均減滲效益為37.13%，結(jié)構(gòu)結(jié)皮的平均減滲效益為19.79%，沉積結(jié)皮能夠更大程度影響坡面土壤水分入滲；楊昌等［8］通過室外人工模擬降雨試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同類型結(jié)皮土壤物理性質(zhì)差異顯著，沉積結(jié)皮體積質(zhì)量及黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于結(jié)構(gòu)結(jié)皮，砂礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)則表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)結(jié)皮高于沉積結(jié)皮。

土壤孔隙是土壤容納空氣和水分的空間，也是植物根系伸展、土壤動物及土壤微生物生長發(fā)育及活動的場所，直接影響著土壤肥力和土壤水分的有效性［9］。土壤孔隙直接影響土壤的透水性能,而土壤的透水性能又是影響土壤水力侵蝕的一個主要原因［10］。土壤孔隙度直接影響著土壤侵蝕的強(qiáng)弱。單奇華等［11］分析得到，南京城市林業(yè)土壤可蝕性與土壤孔隙度關(guān)系密切。針對黃土丘陵區(qū)研究結(jié)果表明，土壤孔隙度越小土壤侵蝕模數(shù)越大［12］。

然而針對土壤物理結(jié)皮在降雨過程中孔隙分布差異研究迄今尚少，基于此，本文以塿土為研究對象，通過人工模擬降雨，模擬不同類型結(jié)皮的發(fā)育，通過負(fù)壓入滲試驗(yàn)，系統(tǒng)確定結(jié)皮當(dāng)量孔徑，以期達(dá)到直觀反映土壤物理結(jié)皮孔徑在降雨過程中的變化情況，最終服務(wù)于黃土高原坡耕地田間管理工作。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研 究 區(qū) 位 于 陜 西 楊 凌（107?59′～108?09′E，34?14′～34?24′N），海拔418.0～540.1 m，地勢北高南低，氣候類型屬暖溫帶半濕潤氣候區(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。試驗(yàn)土壤為楊凌塿土表層耕作土，采樣深度0～20 cm。土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of experimental soil

1.2 研究方法

試驗(yàn)裝置為坡度可調(diào)式鐵槽（2 m×1 m×0.50 m），槽底打孔，試驗(yàn)設(shè)置坡度為3?，槽內(nèi)填土深度30 cm，為模擬黃土高原地區(qū)土地特性，土壤容重設(shè)計為1.3 g·cm-3。土壤填充過程中，為保證土層之間良好接觸，采用分層填裝法，以5 cm 高度為一層，共計6 層。為模擬黃土高原高低起伏的微地形，分別通過掏挖和填裝形成地勢相對高的部位（壟）和地勢相對低的坑洼（溝），二者高差為10 cm。壟部降雨后形成結(jié)構(gòu)結(jié)皮，溝部降雨后形成沉積結(jié)皮。

室內(nèi)人工模擬降雨，裝置采用擺動下噴式噴頭模擬自然降雨，安裝高度7 m，有效降雨面積約為3 m×6 m，降雨均勻度達(dá)90%以上，可通過進(jìn)水口處的壓力表與單噴頭、多噴頭疊加等方法調(diào)節(jié)雨強(qiáng)，可調(diào)雨強(qiáng)范圍30～120 mm·h-1。本試驗(yàn)設(shè)計雨強(qiáng)采用60 mm·h-1［13］，降雨歷時設(shè)計為0、5、10、15、20、30 min。共計5場降雨。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。

降雨結(jié)束后將不同降雨歷時下的結(jié)皮采樣，土樣在105 ℃下烘干，用毛刷刷去結(jié)皮底部土壤顆粒，采用游標(biāo)卡尺測量結(jié)皮厚度，重復(fù)5 次，采用涂膜法［14］測定結(jié)皮容重，容重的計算公式如下：

式中：rd為結(jié)皮容重（g·cm-3）；M1為干土重（g）；ρw為水的密度（g·cm-3）；M2，M3分別為放入土塊前、后天平的讀數(shù)（g）。

降雨結(jié)束將土樣放置通風(fēng)處陰干，每隔30 min采用數(shù)顯式推拉力計測定不同結(jié)皮的強(qiáng)度，每個土樣重復(fù)測定5 次，同時取錐體破壞部位周圍的土壤通過烘干法測含水量。根據(jù)卜崇峰等［14］在研究黃土表層抗剪強(qiáng)度隨降雨歷時變化時采用20%含水量對應(yīng)的強(qiáng)度值，故本研究采用20%含水量下的強(qiáng)度來描述不同降雨歷時的結(jié)皮強(qiáng)度。將同一降雨歷時下的5 組結(jié)皮強(qiáng)度和含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過回歸曲線得到20%含水量對應(yīng)的結(jié)皮強(qiáng)度。

降雨結(jié)束將陰干的土樣，采用土壤溫濕度水分傳感器實(shí)時監(jiān)測結(jié)皮含水率，待土樣達(dá)到設(shè)計含水量10%后開始入滲試驗(yàn)。選取去離子水為入滲水源，水溫25 ℃。

采用改進(jìn)的微型盤式入滲儀（儲水室容量由95 mL擴(kuò)增到425 mL）進(jìn)行負(fù)壓入滲試驗(yàn)［13］，測定前在所選區(qū)域土表墊一層石英砂使?jié)B透計底部不銹鋼多孔盤與土壤充分接觸。試驗(yàn)設(shè)置6個負(fù)壓梯度（-0.5、-1、-2、-3、-4、-5 cm），每個梯度各設(shè)置5 個重復(fù)。入滲時間10 min，每隔30 s 記錄1 次讀數(shù)。吸滲率的計算公式如下：

式中：I為一定負(fù)壓水頭下的累積入滲量（cm）；t為吸滲時間（s）；s為一定負(fù)壓水頭下的吸滲率（cm·s-0.5）。根據(jù)付秋萍等［15］的研究結(jié)果，取前30 s 入滲數(shù)據(jù)計算吸滲率。

根據(jù)毛管水理論，土壤水分吸力與當(dāng)量環(huán)境之間存在以下關(guān)系：

式中：H為土壤吸力（m）；R為當(dāng)量孔徑（m）；δ為水表面張力系數(shù)，當(dāng)溫度為20 ℃時值為72.5×10-3N·m-1；ρw為水的密度（kg·m-3）；g為重力加速度（N·kg-1）。

在常溫20 ℃時，-0.5、-3、-5 cm 水頭下的吸滲力將分別排除當(dāng)量孔徑＞3、0.5、0.3 mm孔隙中的水流。將孔徑＞0.5 mm的孔隙定義為大孔隙，0.3～0.5 mm的孔隙定義為中等孔隙，孔徑＜0.3 mm 的孔隙定義為小孔隙。為進(jìn)一步解釋土壤吸滲特性在降雨過程中的變化規(guī)律，將大孔隙、中等孔隙和小孔隙的孔徑范圍求取中間值，即平均當(dāng)量直徑，該值乘以不同等級孔隙的分布權(quán)重，得到不同降雨歷時下的結(jié)皮孔隙平均當(dāng)量直徑。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖，利用IBM Statistics SPSS 25 軟件進(jìn)行回歸分析、獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)、相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理結(jié)皮吸滲率

土壤吸滲率是土壤依靠毛細(xì)管吸收水分能力的一種量度，根據(jù)結(jié)皮吸滲試驗(yàn)，計算出土壤結(jié)皮吸滲率見表2。結(jié)皮吸滲率在負(fù)壓水頭及降雨歷時影響下，變化較為顯著。對比兩類結(jié)皮吸滲率發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)結(jié)皮吸滲率始終大于沉積結(jié)皮，均表現(xiàn)為隨負(fù)壓的減小，吸滲率逐漸減小的特征。隨負(fù)壓水頭的增大，土壤吸持水分阻力變大，有效吸滲能力隨之減小。在降雨歷時較短（5 min），負(fù)壓較高（-0.5 cm）的情況下，結(jié)構(gòu)結(jié)皮及沉積結(jié)皮均表現(xiàn)為高吸滲性，分別為26.84 cm·s-0.5和20.69 cm·s-0.5。后隨降雨歷時的延長，以及負(fù)壓變化，兩者吸滲率減小為4.45 cm·s-0.5和3.30 cm·s-0.5。結(jié)構(gòu)結(jié)皮在-0.5 cm 壓力水頭下的吸滲率隨降雨歷時延長而減小，但在20 min 時增大，考慮到結(jié)皮在15～20 min 處于破壞重組階段，因此吸滲能力有所提升，隨降雨持續(xù)，結(jié)皮進(jìn)一步緊密并穩(wěn)定，土壤吸滲能力維持到恒定值。而沉積結(jié)皮始終表現(xiàn)為吸滲率隨降雨歷時延長而減小。

表2 不同負(fù)壓水頭、不同降雨歷時下土壤吸滲率Tab.2 Soil infiltration rates under different negative pressure heads and different rainfall duration

2.2 土壤物理結(jié)皮孔徑特征

2.2.1 土壤物理結(jié)皮孔徑分布特征 隨著降雨過程的進(jìn)行，土壤在雨滴打擊作用下原有孔徑結(jié)構(gòu)被破壞，發(fā)生重組并形成結(jié)皮，結(jié)皮的當(dāng)量孔徑大小隨著降雨的延長發(fā)生變化，土壤結(jié)皮當(dāng)量孔徑隨降雨歷時的變化見圖1。兩類結(jié)皮孔隙分布隨降雨歷時的延長變化較為顯著。對于裝填土壤（降雨歷時為0 min）時，土壤中大孔隙的占比最高，為86.36%，小孔隙占比最低，為4.55%，中等孔隙的占比為9.09%。隨著降雨過程進(jìn)行，結(jié)皮中大孔隙占比開始減小，小孔隙的占比開始增加，中等孔隙的占比呈先增加后保持不變的趨勢。兩類結(jié)皮均在降雨歷時為30 min 時大孔隙占比達(dá)到最低，小孔隙占比達(dá)到最高。對比兩類結(jié)皮的孔隙占比變化，可以得出，結(jié)構(gòu)結(jié)皮在降雨歷時20 min 時，中等孔隙的占比達(dá)到最大，為32.40%，而在降雨歷時30 min 時，中等孔隙占比出現(xiàn)下降，為43.54%；沉積結(jié)皮中等孔隙占比隨著降雨歷時的延長開始增加，降雨歷時10 min 時，中等孔隙占比為25.63%，之后開始趨于穩(wěn)定。

圖1 不同降雨歷時下結(jié)皮當(dāng)量孔徑占比分布Fig.1 Distribution of equivalent pore size ratio of crust under different rainfall durations

2.2.2 土壤物理結(jié)皮平均當(dāng)量孔徑 土壤物理結(jié)皮平均當(dāng)量孔徑可以直觀地反映結(jié)皮孔徑變化的整體趨勢，對不同降雨歷時下當(dāng)量孔徑分布比例進(jìn)行加權(quán)計算，圖2 為土壤物理結(jié)皮平均當(dāng)量孔徑隨降雨歷時變化的特征。兩類結(jié)皮的平均孔徑均隨降雨歷時的延長而減小，以未經(jīng)歷降雨的土壤平均孔徑作對照，結(jié)構(gòu)結(jié)皮的減小幅度依次為：11.54%、23.61%、33.08%、39.66%、41.25%，沉積結(jié)皮的平均孔徑隨降雨歷時延長的減小幅度依次為：11.87%、25.61%、33.86%、43.75%、44.48%。結(jié)構(gòu)結(jié)皮的平均當(dāng)量孔徑大于沉積結(jié)皮，且隨降雨歷時的延長，該差異逐漸顯著，從降雨歷時5 min 下0 mm 差異化為30 min下的0.05 mm。

圖2 不同降雨歷時下結(jié)皮孔隙平均當(dāng)量孔徑Fig.2 Average equivalent diameter of crust pores under different rainfall durations

2.3 土壤物理結(jié)皮當(dāng)量孔徑影響因素分析

結(jié)皮作為一種特殊的地表致密層，其性質(zhì)的改變本質(zhì)上是大小顆粒的排列重組，因而顆粒之間的孔隙結(jié)構(gòu)隨之改變，圖3 為結(jié)皮的強(qiáng)度、厚度、容重與孔隙平均當(dāng)量直徑關(guān)系，可以看出，結(jié)皮平均孔徑與3 類指標(biāo)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過擬合得到平均孔徑與3 類指標(biāo)的線性關(guān)系，擬合度在0.85 以上。結(jié)皮強(qiáng)度取決于土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角，當(dāng)平均孔徑減小時，表明土壤顆粒之間銜接變得緊密，顆粒之間的接觸面變多，從而增大了顆粒之間的黏結(jié)性和內(nèi)摩擦角，因而強(qiáng)度隨平均孔徑的減小而增大。容重即是單位體積土體的干質(zhì)量，對于一定體積的結(jié)皮，當(dāng)結(jié)皮平均孔徑減小時，結(jié)皮的孔隙體積減小，顆粒體積增大，結(jié)皮干質(zhì)量增大，因此結(jié)皮容重隨平均孔徑的減小而增大；結(jié)皮厚度表示雨滴打擊、顆粒淋移以及沉降等作用的深度，結(jié)皮平均孔徑則表示上述作用的程度，厚度從結(jié)皮整體的角度表明結(jié)皮的下界限，平均孔徑從結(jié)皮內(nèi)部組成的角度表明土壤顆粒抵抗外界壓力的程度，兩類指標(biāo)處于同步變化，從不同角度描述結(jié)皮的發(fā)育情況。

圖3 結(jié)皮基本性質(zhì)與平均孔隙當(dāng)量孔徑的關(guān)系Fig.3 The relationship between the basic properties of the crust and the average pore equivalent pore size

3 討論

坡耕地是黃土高原地區(qū)最主要的土地利用類型，也是黃土高原侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域［16］。降雨是坡耕地最根本的動力來源，降雨會直接導(dǎo)致土壤結(jié)皮的形成，結(jié)皮的吸滲率對于土壤侵蝕程度有著直接影響，采用人工模擬降雨法，測定分析相同降雨強(qiáng)度下5 個不同降雨歷時下的結(jié)皮基本性質(zhì)，選用微型盤式入滲儀測定結(jié)皮入滲指標(biāo)。本研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)結(jié)皮在-0.5 cm壓力水頭下的吸滲率隨降雨歷時的延長而減小，在20 min 時增大，隨著降雨的持續(xù)，土壤吸滲能力達(dá)到恒定值；沉積結(jié)皮的吸滲率隨降雨歷時的延長而減小。

結(jié)皮的存在會影響水分下滲的速率［17］。結(jié)皮入滲過程大致分為3 個階段：初期土壤初始入滲速率較大，隨著入滲過程進(jìn)行入滲速率減小，最終達(dá)到穩(wěn)定階段。本研究發(fā)現(xiàn)：兩類結(jié)皮的吸滲率均隨著負(fù)壓的減小而減小，對比兩類結(jié)皮，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)結(jié)皮的吸滲率始終大于沉積結(jié)皮，結(jié)構(gòu)結(jié)皮在20 min時吸滲率增大，之后繼續(xù)減小最終維持恒定，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)結(jié)皮在15～20 min 時處于破壞重組階段［6］，吸滲率提升，隨著降雨的延長，結(jié)皮進(jìn)一步發(fā)育，最終發(fā)育完全，吸滲率維持穩(wěn)定。沉積結(jié)皮的吸滲率隨降雨歷時延長而減小，表明沉積結(jié)皮在降雨過程中一直處于持續(xù)發(fā)育階段，土壤表層吸滲率不斷減小，結(jié)構(gòu)不斷致密，最終結(jié)皮發(fā)育完全。

土壤孔隙是土壤容納空氣和水分的空間［18］，也是植物根系伸展、土壤動物及土壤微生物生長發(fā)育及活動的場所，直接影響著土壤的肥力和土壤水分的有效性［9］。同時，土壤孔隙的分布也對土壤呼吸有著一定的影響［19］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著降雨過程的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)結(jié)皮與沉積結(jié)皮大孔隙占比均開始減小，小孔隙占比開始增加，中等孔隙占比總體表現(xiàn)為先增加后趨于穩(wěn)定，兩類結(jié)皮的平均孔徑均表現(xiàn)為隨著降雨歷時的延遲而減小。這是因?yàn)榻Y(jié)皮的形成可分為3個階段［20］，即不完整結(jié)皮階段（降雨歷時5 min）、結(jié)皮逐漸形成階段（降雨歷時15～20 min）、表土結(jié)皮基本形成且處于“破壞-形成”的動態(tài)平衡階段，在降雨開始初期，土壤中部分大孔隙受到雨滴擊濺作用，變?yōu)橹械瓤紫痘蛐】紫叮瑢?dǎo)致大孔隙占比開始減小，隨著降雨的進(jìn)行，雨滴不斷打擊，小孔隙的占比增加，而在結(jié)皮形成后（降雨歷時30 min），3 類孔徑占比均趨于穩(wěn)定。由于降雨過程中雨滴持續(xù)打擊土壤，因此，土壤平均孔徑在降雨過程中一直表現(xiàn)為下降趨勢。

本研究采用土壤為楊凌塿土，因此，研究結(jié)果能否用于其他土壤類型還有待驗(yàn)證。此外，本研究設(shè)計的雨強(qiáng)為60 mm·h-1，當(dāng)降雨條件發(fā)生改變時，土壤物理結(jié)皮當(dāng)量孔徑的分布情況也有待進(jìn)一步研究。但本研究統(tǒng)一土壤類型、土壤容重、雨強(qiáng)等指標(biāo)，直觀得出了土壤物理結(jié)皮孔徑在降雨過程中的變化情況，并基于結(jié)皮孔徑范圍的劃分，通過結(jié)皮當(dāng)量孔徑更加直觀地反映出隨著降雨歷時的延長結(jié)皮孔徑的變化情況，對于黃土高原坡耕地土壤侵蝕預(yù)測和水土保持措施布設(shè)仍具有積極的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

負(fù)壓水頭增大的過程中，土壤吸持水分的阻力變大，有效吸滲能力減小。結(jié)構(gòu)結(jié)皮在-0.5 cm壓力水頭下的吸滲率隨降雨歷時的延長而減小，在20 min 時增大，隨著降雨的持續(xù)，結(jié)皮進(jìn)一步緊密并穩(wěn)定，土壤吸滲能力達(dá)到恒定值；沉積結(jié)皮的吸滲率隨降雨歷時的延長而減小，表明沉積結(jié)皮在降雨過程中一直處于持續(xù)發(fā)育階段，土壤表層吸滲率不斷減小，結(jié)構(gòu)不斷致密，最終結(jié)皮發(fā)育完全。結(jié)構(gòu)結(jié)皮在未經(jīng)歷降雨時土壤表層以大孔隙為主，結(jié)構(gòu)較為疏松，隨著降雨過程進(jìn)行，大孔隙占比開始減小，在20 min 時，小孔隙數(shù)量有所減小，中等孔隙數(shù)量增多；沉積結(jié)皮隨著降雨過程的進(jìn)行，小孔隙數(shù)量不斷增加，中等孔隙數(shù)量在10 min 降雨后保持不變，大孔隙數(shù)量不斷減小。兩類結(jié)皮的平均孔徑均隨降雨歷時的延長而減小。