土壤初始含水率对优先流的影响

高朝侠，徐学选，†，赵传普，张少妮

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所，712100，陕西杨凌;2.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌)

土壤初始含水率是影响降雨—入渗—径流过程的一个重要因素，主要通过改变湿润土壤的势能梯度来影响土壤入渗能力［1］。随着土壤初始含水率的增加，初始入渗率减小，趋于稳定入渗的时间缩短，产流提前［2-3］;但土壤初始含水率对累积入渗量以及湿润锋的运移目前仍存在分歧。吴忠东等［1］、曾晨等［4］、王全九等［5］分别研究了土壤初始含水率对土壤垂直线源及微咸水入渗的影响，认为累积入渗量随着初始含水率的增大而减小;程东娟等［6］对注射灌土壤水分运移分布特性影响试验研究发现，土壤累积入渗量随着土壤含水量的增加而增加;张博闻等［7］认为，湿润锋的推进速度随着初始含水率的增大而增大，吴忠东等［1］则认为相反，而曾辰等［4］对杨凌塿土和砂黄土的研究认为，其均存在峰值含水率，湿润锋的运移与含水率之间呈抛物线的关系。

优先流是一种快速非平衡的土壤水分入渗运动，可以绕过周围大部分土壤基质引起湿润锋的动力学不稳定，短时间内到达土壤深层，造成肥料利用率降低及土壤深层或地下水污染。一些学者认为，初始含水率低的土壤由于其疏水性质而使更多的水分从表层孔隙向深层流动。例如:W.M.Edwards等［8］发现，高强度的暴雨加上干燥的土壤可以产生更多的优先流;M.Shipitalo 等［9］研究得出，杀虫剂在干燥的土壤中的渗漏量远远高于预处理中润湿的土壤;M.A.Mardie 等［10］发现，texture-contrast 型土壤干土中染色剂的入渗深度是湿土的近3 倍，入渗率是湿土的近10 倍;H.Merdun 等［11］设置了3 个初始含水率水平研究土壤水分的三维分布特征，发现干土对优先流响应最为明显。另一些学者认为，湿土一定程度上限制了水和溶质的侧渗，因此，湿土比干土更容易产生优先水流。例如:M.Flury 等［12］应用亮蓝染色发现，染色深度中湿土较干土深，并且湿土对Cl-、Br-以及3 种农药的迁移深度也比干土深;V.Quisenberry 等［13］发现，当土壤含水率低于田间持水量时，水和溶质的迁移深度不超过90 cm，而当初始含水率大于田间持水量时，大部分的水和溶质迁移深度都超过了90 cm。还有一些学者认为，初始含水率对水和溶质运移没有显著影响，如L.K.Tallon 等［14］认为，土壤初始含水率的显著差异并没有引起细菌及氯离子运移的差异。然而野外试验影响因素繁多，各因素之间的协同、交互、拮抗作用等使得野外试验很难单独分析一个因素对优先流的影响。鉴于此，笔者利用含大孔隙土柱垂直入渗的方法，研究不同土壤初始含水率下优先流累积入渗量、湿润锋运移特征，以期深入了解土壤初始含水率影响优先流的物理机制。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验土壤为陕西省长武县的黑垆土(H)和渭河河漫滩(S)的砂土，土壤取自表层0 ～40 cm，自然风干后过2 mm 筛，利用吸管法测定土壤机械组成。土壤机械组成见表1。

表1 试供土壤机械组成Tab.1 Particle size distribution of the experimental soil

1.2 试验装置

试验装置由供水系统、土柱箱以及收集系统3个部分组成(图1)，供水系统由马氏瓶(φ8 cm)提供3 cm 的恒定水头，精度为0.1 cm。土柱箱由厚1 cm 的有机玻璃制成，规格为30 cm×2 cm×70 cm(长×宽×高)。实验土柱的高度为60 cm。装土前在玻璃容器底部铺一层滤纸，避免土壤粉末堵塞出流孔或从出流孔中漏出，滤网上面加入一层3 cm 石英砂作为反滤层。对欲安装大孔隙的土柱，根据孔隙位置先安装大孔隙再装土，保证土样和大孔隙之间的密实。装样结束后，在土柱上部以薄层石英砂(1 cm)做缓冲层，防止进水时顶部的土样被冲掉。顶部用宽塑料胶带粘贴覆盖以防止蒸发。土柱底部开孔(φ0.5 cm)，每cm2一个孔，防止水分在土柱底部累积。收集系统是由厚度为0.8 cm 的PVC 漏斗制成，自由排出的水分流经塑料烧杯进行收集。

图1 实验装置图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.3 试验方法

对黑垆土、渭河砂土2 种土壤各设定4 个土壤初始含水率水平，2 种孔隙布设，共16 个处理，每个处理重复3 次。土壤初始含水率设定值黑垆土分别为3.01%、7.04%、11.40%和14.02%，渭河砂土分别为0.98%、2.99%、5.20%和7.40%。将试验用土分层装入土柱箱，每5 cm 为一层，层间打毛，黑垆土和砂土密度分别控制为1.30 和1.65 g/cm3。

大孔隙是由不锈钢丝网(60 目)卷成内径为0.5 cm 钢丝条制成的。填装过程避免对人造大孔隙形状的破坏，为防止土样进入不锈钢丝网堵塞孔隙，孔隙顶部、四周及底部应用滤网包住。试验设置了2 组大孔隙安装类型:CK 组，均质土柱;O-C-30组，安放深度为30 cm 的大孔隙，表层连通底部不连通(优先流组)。具体设置示意图如图2 所示。

实验过程中，记录马氏瓶中水面的高度，前10 min 每1 min 记录一次，10 ～30 min 每5 min 记录一次，30 ～60 min 每10 min 记录一次，60 min 后每20 min 记录一次。湿润锋根据土壤入渗特性每隔5 ～20 min 采用数码相机拍照，直至土柱底部每隔30 min 出流体积连续5 次相同即可停止实验。

图2 大孔隙设置示意图Fig.2 Schematic diagram of artificial macropores sets in soil columns

2 结果与分析

2.1 土壤初始含水率对湿润锋运移的影响

2.1.1 湿润锋变化定性分析 室内试验获取的照片，经Erdas9.2 几何校正和Arcgis9.3 编辑处理，不同土壤初始含水率下湿润锋入渗深度随时间的变化曲线如图3 所示(图中显示的是3 组中居于平均值的一组)。可以看出，同一土壤初始含水率条件下，O-C-30 组(优先流组)湿润锋垂向推进速度远远大于CK 组。随着初始含水率的增加(3.01%含水率除外)，O-C-30 组湿润锋垂向及侧向入渗深度均有不同程度的提高。

总体上说，湿润锋的运移距离初期增加较快，之后逐渐减小至稳定。分段分析可知，在黑垆土(3.01%含水率除外)的初始入渗阶段，黑垆土CK组中初始含水率对湿润锋的推进速度无明显影响，随着时间延长，其湿润峰下伸量有积累性差异，随初始含水率越高，土壤中湿润峰下伸量越大。而黑垆土的O-C-30 组以及砂土的CK 和O-C-30 组，初始含水率对湿润锋的推进速度在整个入渗阶段均影响显著。随初始含水率增加，湿润锋推进深度增加，向下湿润速度加快。

图3 不同土壤初始含水率条件下不同土壤湿润锋入渗深度随时间的变化Fig.3 Changes of wetting front on preferential flow over time at different initial soil water contents for different soil types

湿润锋的运移，除基质势和重力势之外，还受到斥水性的影响。CK 组中，黑垆土基质势、重力势之和与斥水性质相抗衡，初始入渗阶段无显著差异，而随着时间的推移，高含水率下亲水性逐渐成为控制土壤水分运移的主要动力，湿润锋运移速度加快。砂土相对于黏土而言，黏粒含量小，毛细作用相对较弱，因此，较小的初始含水率梯度却导致湿润锋运移的显著变化。O-C-30 组中，由于大孔隙的存在使土壤水分入渗界面增加，也就意味着亲水性界面增加，即亲水性对湿润锋的影响幅度增加，加之水分径向运移不受重力势的影响，黑垆土和渭河砂土的湿润锋运移均随着初始含水率的增加而增加。值得注意的是，黑垆土3.01%含水率不符合上述规律，主要是因为黑垆土设置的4 个初始含水率梯度中，7.04%含水率下斥水性最强，水分从3.01%上升到7.04%时，其斥水性反而增强;因此，增加含水率不会促进湿润锋运移速度。

2.1.2 湿润锋变化定量分析 为了定量分析初始含水率对湿润锋的影响程度，利用Arcgis9.3 计算出湿润锋的最大入渗深度，将每个时间段的入渗深度平均化，得到不同初始含水率下湿润锋最大入渗深度随时间的变化曲线(图4)。可以看出，亲水性强的土壤湿润锋运移较快，如各组中湿润锋运移深度由大到小的含水率水平为:H-CK 组和H-O-C-30组为3.01%、14.02%、11.40%、7.04%;S-CK 组和S-O-C-30 组为7.40%、5.20%、2.99%、0.98%。H 表示黑垆土，S 表示渭河砂土。

图4 不同土壤初始含水率条件下湿润锋最大入渗深度随时间的变化Fig.4 Changes of the maximum wetting front over time at different initial soil water contents

湿润锋运移的最大深度随时间的变化可以用幂函数进行拟合

式中:Zf为湿润锋的最大入渗深度，cm;t 为入渗时间，min;a，b 为模型参数。

不同土壤初始含水率下湿润锋运移过程，可利用上式拟合，关系式见表2。可以看出，模型的R2均大于0.985，说明幂函数模拟优先流湿润锋运移入渗拟合效果较高。另外，同种处理下，参数b 值变化幅度不大，参数a 随土壤的斥水性的减弱而增加。

表2 不同土壤初始含水率湿润锋深度随时间变化拟合模型Tab.2 Fitting results of the maximum wetting front over time at different initial soil water contents

2.2 土壤初始含水率对累积入渗量的影响

2.2.1 不同土壤初始含水率条件下累积入渗量随时间的变化关系 不同土壤初始含水率条件下累积入渗量随时间的变化曲线见图5。可以看出，2 种质地类型土壤表现规律有所不同。

由图5(a)可知，匀质黑垆土的累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小，此结果与吴忠东等［1］、曾晨等［4］的研究结果一致。初始含水率越小，基质势越小，土壤水吸力越大，所产生的基质势梯度也越大，入渗速率愈快，相同时间的累积入渗量就越大。反之，初始含水率越高，基质势梯度越小，相同时间的累计入渗量就愈小。而O-C-30 组中由于大孔隙存在，土壤基质势减弱，亲水性减弱，累积入渗总体受优先流支配，不同含水率之间的累计入渗量差异减小;另外，7.04%含水率时黑垆土斥水性较强，再在基质势减弱的情况下，土壤较其他含水率水平难于被湿润，导致累积入渗量最小，入渗能力最低。

由图5(b)可知，初始含水率对渭河砂土累积入渗量随时间的变化曲线可划分为2 个阶段，前一阶段累积入渗量随着初始含水率的增大而减小，后一阶段累积入渗量随着初始含水率的增大而增大。前阶段土壤水分入渗主要受基质势梯度影响，初始含水率越小，基质势梯度越大，入渗越快，累积入渗量增加越大，此结论与黑垆土变化趋势一致;但是随着时间的延长，土壤基质势梯度的影响逐渐减小，湿润锋运移速度逐渐上升为影响累积入渗量主导因素，导致初始含水率越高，累积入渗量越大。比较匀质砂土和优先流砂土的累积入渗曲线可以看出，优先流对砂土入渗的主导作用有所减弱，仍明显提高了入渗累积量。

图5 土壤初始含水率不同土壤累积入渗量随时间的变化曲线Fig.5 Change of cumulative infilitration curves over time at different initial soil water contents for different soil types

2.2.2 Kostiakov 入渗模型模拟累积入渗量随时间的变化关系 为定量分析土壤初始含水率对累积入渗量的影响，采用Kostiakov 入渗模型对黑垆土以及渭河砂土的前40 min 累积入渗量数据进行分析，评价该入渗模型对优先流入渗过程模拟的适宜性及准确度，结果见表3。Kostiakov 入渗模型累积入渗量和时间是呈幂函数关系的，可表示为

式中:I 为累积入渗量，mm;a 和n 为模型参数。

表3 不同土壤含水率条件下累积入渗量随时间变化的拟合模型Tab.3 Fitting results of cumulative infilitration over time at different initial soil water contents

对照组和优先流组拟合模型的决定系数均大于0.985，说明利用Kostiakov 入渗模型模拟含有优先流入渗的土壤入渗方法可行，拟合效果较好。由表3 还可以看出，土壤初始含水率对参数a 的影响较大，对参数n 的影响较小;因此，在分析中可忽略n，近似将n 看作是一个常数。参数a 与土壤初始含水率的关系见图6。

由图6(a)可知:黑垆土CK 组中，参数a 值与土壤初始含水率呈显著线性负相关，相关系数达到0.981 5(P ＜0.01)，即累积入渗量随着土壤初始含水量的增加而减少;O-C-30 组中，参数a 显著高于CK 组，且出现震荡变化。参数a 与土壤初始含水率的关系可描述为土壤初始含水率存在某一峰值含水率，低于或高于峰值含水率，参数a 均随土壤初始含水率的增加而减小，换言之，累积入渗量随着土壤初始含水率的升高而减小。

由图6(b)可知，渭河砂土参数a 值与土壤初始含水率呈显著线性负相关，CK 组和O-C-30 组相关系数分别为0.965 4(P ＜0.01)和0.931 1(P ＜0.01)，即累积入渗量在前40 min 内随着土壤初始含水率的增加而减少。由此可知，在一定的入渗时间范围内，Kostiakov 入渗模型同样适用于优先流的模拟，且参数a 是一个随土壤初始含水率变化的参数，初始含水率大时，其相同时段的累计入渗量会有所减少。

图6 土壤初始含水率θ 与参数a 的关系Fig.6 Relationship between initial soil water content and parameter a

3 讨论

1)湿润锋和累积入渗量是土壤水分运移的重要参数。研究结果可知，不同土壤初始含水率下累积入渗量变化曲线与湿润锋的运移曲线并不重合，主要是因为累积入渗量受到土壤储水量及湿润锋运移速度的双重影响。一般情况下，低含水率下斥水性较强，不利于湿润锋的运移，高含水率下亲水性较强，加速了湿润锋的运移，因此，斥水性是影响湿润锋运移的决定性因素;然而，低含水率下土壤饱和需要的水量较多，土壤储水能力较强，导致黑垆土的CK 组及渭河砂土的CK 组和O-C-30 组的前一入渗阶段累积入渗量随土壤含水率的升高而降低，与湿润锋的运移规律恰好相反。但是，随着时间的延长，这种变化规律是否依然存在主要取决于湿润锋运移速度与土壤储水量的关系。当高含水率下湿润锋运移所需要的水量超过低含水率下土壤的储水能力时，累积入渗量则会随着含水率的升高而增加，如渭河砂土的后一阶段，反之累积入渗量的变化趋势维持不变，如长武黑垆土的CK 组。在黑垆土O-C-30 组中的7.04%含水率条件下，饱和需要更多地水分，但是也抵不过湿润锋运移速度慢对其的影响，导致累积入渗量最低;因此，可知土壤的储水能力和斥水性这一矛盾体是导致湿润锋与累积入渗量变化趋势差异性的主要原因。曾晨等［4］研究砂黄土和塿土垂直线源入渗中同样发现累积入渗量变化曲线与湿润锋的运移曲线不重合，与本研究结果一致。

2)黑垆土设置的4 个土壤初始含水率水平中，7.04%含水率条件下湿润锋运移最慢，可以用斥水性来解释。研究表明，斥水性存在临界含水率，土壤越干表现出较强的斥水性，随着土壤湿度的增加，斥水性迅速降低，甚至完全消失［15］。亦有学者发现，随着土壤含水率的减小，土壤斥水性逐渐增加，最后达到极值，当土壤含水率达到一定值时，土壤斥水性消失［16］。L.Dekker 等［17］在研究荷兰沙质土壤斥水性与含水率之间的关系时，观察到某些荷兰沙土，当土壤含水率小于2%时，斥水性消失;陈俊英等［18］应用滴水穿透法研究以色列土壤斥水性与含水率的响应关系，指出斥水持续时间随含水率的变化趋势呈单峰曲线，即土壤斥水性具有峰值含水率，低于或高于峰值含水率，斥水性的影响逐渐减弱。本文黑垆土在7.04%含水率条件下斥水性最强，土壤较其他含水率水平难于被湿润，而3.01%含水率相对于7.04%含水率来说，土壤中气相体积较大，部分孔隙被液相水充填后土壤气体的反作用力有所减小;所以入渗速度快，如试验中CK 组和O-C-30组中3.01%含水率条件下湿润锋运移速度最快。陈俊英等［18］研究发现，以色列黏土斥水性的峰值含水率在7%～16%之间，砂土在2%～5%之间。本研究中渭河砂土并未发现斥水性的峰值含水率，这可能与土壤质地有关。另外，本文设置的含水率梯度是在水分运移可视的前提下设定的，均没有达到田间持水量，随土壤湿度增加，斥水性迅速降低，甚至完全消失的临界点并未出现在实验中;因此，初始含水率对优先流的影响还有待于进一步研究。

4 结论

1)相同质地的土壤，在土壤初始含水率水平大于斥水性的峰值含水率时，湿润锋运移深度随着初始含水率的增大而增大，小于斥水性的峰值含水率时，湿润锋运移深度随着初始含水率的增加而减少。不同质地的土壤，粉粒含量越高湿润锋运移越慢。幂函数能较好地模拟优先流湿润锋运移随时间的变化关系。

2)不同质地的土壤，优先流累积入渗量随时间的变化曲线呈现不同的特征，黑垆土CK 组及O-C-30 组除7.04%含水率外，累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小;渭河砂土CK 组及O-C-30组均呈现2 阶段特征，累积入渗量先随着初始含水率的增加而减少，之后随初始含水率的增加而增加。采用Kostiakov 入渗模型对累积入渗量随时间的变化曲线进行拟合，二者呈明显的幂函数关系，Kostiakov 入渗模型同样适用于优先流的模拟。

3)不同土壤初始含水率条件下，土壤储水能力及斥水性质的差异是引起湿润锋运移和累积入渗量变化曲线不重合的主要因素。低含水率下可能存在斥水性的峰值含水率，低于或高于峰值含水量，斥水性均有所减弱。