坡度对3种单环法测量坡地饱和导水率的影响

雍晨旭，樊 军,†，王 胜

(1.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712110，陕西杨凌)

饱和导水率(Ks)是描述土壤水分运动的重要参数，涉及地表水的入渗与产流、地下水补给、溶质迁移、灌溉与排水等方面的测量与模拟[1]。由于土壤侵蚀强度和土地利用方式的不同，沿坡面上各点土壤入渗速率差异很大，从而给山坡和流域水土、养分流失的准确预报带来困难[2]；因此，坡地Ks的直接测量在坡地水分运动与土壤侵蚀研究方面具有重要意义。

国内外众多研究涉及土壤入渗测定方法[2-5]。目前野外土壤入渗测定常见方法主要有以下4类：单环法[3]、人工模拟降雨器法[2]、双环法[4]和盘式入渗仪法[5]。此外，根据实际降雨资料也可确定土壤入渗值。单环法测定过程快速而简单，但尺寸小，插入环时扰动土壤，存在沿环壁的边际流等影响。人工模拟降雨器法具有降雨强度、雨滴大小可调，更接近天然降雨情况，可在坡地测量等优点，但其体积大，不易野外操作，费工费时，造价高[2]。虽然双环法是田间测定土壤入渗性能的经典方法，但双环法一般只是测定土壤表层入渗能力，而且耗水量大、耗时长[4]，无法在坡地上操作。盘式入渗仪测定导水率快速简单，但应用盘式入渗仪测定Ks有2个难点：一是经典的应用盘式入渗仪理论是基于Wooding或Philip入渗理论，并不能应用于有水头条件下，不满足Ks测定的必要条件[6]；二是在正压或零压力下用在盘与地面之间的沙层可能阻碍水分入渗[7]，另外在坡地上，盘式入渗仪的放置也是一个难题。以上测量方法，除人工模拟降雨器法，均是基于平地发展来的测量方法。目前尚缺乏直接用于坡地土壤入渗测定的便捷方法，即使有一些关于坡地测量的文章报道[8]，也仅是在坡地上选择地势较平坦的位置进行测定，无法代表坡地入渗的真实情况。本文采用基于水平地面发展来的单环双水头法、单环单水头法与单环BEST法进行野外试验，选取粗质地的砂质土和砂壤土及细质地的粉质黏壤土，设置不同坡度(0°、5°、10°、15°、20°)处理，分析坡度对3种方法测量Ks结果的影响，评价3种方法的适用性，为坡地Ks的田间原位测量提供理论与技术支持。

1 研究区概况

本试验在西北农林科技大学神木侵蚀与环境试验站选取风沙土、黄绵土进行试验，2017年7月15日—8月1日测定风沙土，2017年8月5日—8月25日测定黄绵土，2017年9月1日—9月20日在西北农林科技大学水土保持研究所测定塿土，每种土壤不同坡度进行试验5次。神木侵蚀与环境试验站位于陕西省神木市以西14 km处的西沟乡六道沟小流域(E 110° 26′，N 38° 49′)。地貌类型为片沙覆盖的梁峁状黄土丘陵，土壤质地较粗。水土保持研究所位于陕西省咸阳市杨凌示范区，地处关中平原腹地，主要土壤类型为塿土，质地黏重。

2 材料与方法

2.1 野外试验

试验选取风沙土、黄绵土与塿土为供试土壤，主要物理性质见表1。选取地势平坦，土质均匀的地块，除去0～20 cm的表土层，修建0°、5°、10°、15°、20°等5个坡度的试验小区，采取挖方的方式修筑，避免因为填方造成的土壤结构改变。单环双水头法与单环单水头法的试验具体操作步骤为：将单环垂直坡面砸入土壤，在5 cm水头达到稳定入渗后，增加水头到10 cm，再次达到稳定入渗后停止试验，换另一个点位，如此重复试验至少5次。单环BEST法试验具体步骤为[9]：将单环砸入土壤中，砸入深度为1 cm，单环内径为10 cm。在砸入单环的附近取土带回室内测初始含水率以及其他物理化学性质。量取一定量的水小心并快速倒入单环中，当水刚好渗透完毕时记录时间，并倒入第2杯等量的水。重复以上过程直到入渗稳定为止(连续3杯水的入渗时间相同)。试验结束后在单环中用环刀取土，用烘干法测定土壤含水率和密度。

表1 供试土壤的主要物理化学性质Tab.1 Main physical and chemical properties of soil

注：样本数n=5。Notes: The number of samplesn=5.

2.2 研究方法

2.2.1 单环双水头法

单环双水头法是基于水平地面发展来的一种测量Ks的方法，单环中的水分入渗属于积水条件下的三维运动过程。Reynolds等建立了利用单环入渗法计算土壤Ks的方法[10]。

(1)

(2)

式中:Qs为稳态通量，cm3/min；r为入渗环半径r=7.5 cm，cm；H为入渗环内积水深度，cm；d为入渗环插入地下的深度d=6.0 cm，cm；Φm为土壤基质势通量，cm2/min；Ks为土壤饱和导水率，cm/min。采用双水头入渗法，在2个积水深度(H)条件下获取对应的稳态通量(Qs)，解二元一次方程组求算Ks和Φm。本文依据Nimmo等提出的简化公式进行计算[11]。此外，也可以依据单水头方法计算Ks[12]。

2.2.2 单环BEST法

BEST法是由Beerkan 法发展过来的，二者原理一致，也是一种基于水平地面测量Ks的方法。Beerkan 的方法计算土壤水文性质最开始由 Haverkamp 等提出[13]。Beerkan 的方法具体可以分为 BEST-slope 和 BEST-intercept 2种方法，本文采用BEST-slope法[14]。

2.2.3 数据统计分析

采用DPS 7.05软件对3种类型土壤各坡度处理测量的Ks试验数据进行数据统计分析与显著性检验(P<0.05)。采用Excel 2010软件制表、Origin 2016软件作图。

3 结果与分析

3.1 坡度对单环双水头法测量的影响

风沙土、黄绵土、塿土的Ks分别在0.070 4～0.231 7 cm/min之间、0.058 6～0.126 1 cm/ min之间与0.015 5～0.073 4 cm/min之间。3种土壤20°比0°Ks依次大2.3倍、1.0倍与3.7倍(表2～4)。

3种类型土壤测量的Ks值与坡度存在极显著的线性正相关关系(图1)。坡度对单环双水头法测量3种类型土壤的Ks影响显著(表2～4)，小于10°的处理间无显著差异，大于10°的处理显著高于小于10°的处理(P<0.05)，说明坡度改变了环内积水入渗的三维过程，导致单环双水头法测定的坡地Ks值出现偏差。

产生上述结果的原因可能有：1)随着坡度的增加，入渗面积未发生改变，但环内入渗积水发生变化，环内下部积水深度增加，上部积水深度减小，整个入渗面的入渗水头也相应改变，从而导致该方法计算的Ks变大。2)随着入渗过程的推进，重力作用逐渐增强，有坡度条件下，入渗过程产生向下坡方向的倾斜椭球体，与无坡度相比，其最大入渗深度大于无坡度，另外随着入渗时间增加，重力作用增加的幅度变大，从而导致有坡度的稳定入渗率要大于无坡度[15](表2～4)，使得有坡度Ks大于无坡度，这种影响在粗质地土壤上，要比细质地强。以上因素导致当坡度<10°时，各处理间无显著差异，仍可采用无坡度计算公式进行求算，但当坡度>10°时，差异显著，方法不再适用。试验中还发现测定结果中出现部分异常值(负值或者极端值)且都出现在有坡度条件下，3种类型土壤共75个试验点，出现异常值8个，其中风沙土5个，黄绵土3个。异常值的出现可能原因有[16]：1)未达到稳定入渗状态，导致出现is2

图1 坡度对单环双水头法测量Ks的影响Fig.1 Effects of slope gradient on Ks measured by single-ring two-ponding depth infiltrometer

注：不同的小写字母表示不同坡度处理间存在显著差异(P<0.05)，样本数n=5, 下同。Notes: Different lowercase letters indicate significant differences among different slope treatments (P<0.05), and the number of samplesn=5. The same as below.

表3 坡度对单环双水头、单环单水头法测量结果的影响(黄绵土)Tab.3 Effect of slope gradient on Ks measured by single-ring two-ponding depth infiltrometer and single-ring one-ponding depth infiltrometer (Loessial soil) cm/min

表4 坡度对单环双水头、单环单水头法测量结果的影响(塿土)Tab.4 Effect of slope gradient on Ks measured by two-ponding depth of single-ring infiltrometer and one-ponding depth of single-ring infiltrometer(Lou soil) cm/min

3.2 坡度对单环单水头法测量的影响

不同的小写字母表示不同坡度处理间存在显著差异(P<0.05)，样本数n=5。Different lowercase letters indicate significant differences among different slope treatments (P<0.05), the number of samples n=5.图2 坡度对单环BEST法测量3种土壤Ks的影响Fig.2 Effects of slope gradient on Ks of three kinds of soils by single-ring BEST infiltrometer

分别对3种类型土壤5、10 cm水头下单独求算不同坡度的Ks进行统计分析，结果如表2～4所示(P<0.05)：1)5 cm水头，风沙土15°与20°处理显著高于其他坡度，0°与5°无显著差异；黄绵土各处理之间差异没有达到显著水平；塿土20°显著高于0°、5°、10°，0、5°、10°处理无显著差异。2)10 cm水头，风沙土15°与20°处理显著高于其他坡度，0°、5°、10°坡度间无显著差异；黄绵土各坡度处理之间无显著差异，塿土规律与风沙土一致。

3种类型土壤测试结果均表明，单环单水头法测量的坡地Ks随坡度的增加而增加，这与单环双水头法测量结果一致。比较无坡度测量结果，单环单水头法(5 cm)测量3种类型土壤Ks分别是单环双水头法的1.5、1.7与1.2倍，但单环单水头法(10 cm)测量3种类型土壤Ks分别是单环双水法的99%、1.01倍与1.02倍。在特定土壤条件下，土壤水力参数(C：形状因子；α*：土壤饱和导水率与土壤基质势通量的比值)确定后，单环单水头法(10 cm)可以替代单环双水头法测量土壤Ks。

3.3 坡度对单环BEST法测量结果的影响

风沙土、黄绵土、塿土Ks分别在0.103 1～0.274 6cm/min之间、0.030 6～0.191 5 cm/min之间与0.050 4～0.086 2 cm/min之间。Ks与坡度成极显著的线性负相关关系(图2)。统计分析显示(图2)(P<0.05)：3种类型的土壤，0°、5°处理均高于其他处理，15°与20°处理无显著差异。侧渗对Ks的影响随土质变细而增强[17]，有坡度的处理，等量的水倒入环中，随着入渗，入渗面积越来越小，入渗缓慢，侧渗量减小，随着坡度的增加，入渗面积减小的速率增加，从而导致测量的Ks随坡度增加而减小。当坡度>10°时，测量的Ks值与无坡度差异显著，导致此方法不再适用。

3.4 3种方法测量的土壤饱和导水率差异

无坡度测量结果显示3种方法测量的3种类型土壤的Ks大小顺序一致，均为风沙土>黄绵土>塿土(表5)。但是，3种不同类型土壤，单环BEST法测得Ks均显著高于单环双水头法，分别大2.9倍、2.1倍、4.5倍；单环BEST法测得Ks均显著高于单环水头法(5 cm)，分别大1.6倍、0.8倍、3.4倍，也显著高于单环单水头法(10 cm)，分别大2.9倍、2.1倍、4.4倍(P<0.05)。以环刀取原状土室内定水头法作为比较标准，单环BEST法显著高估了2种土壤的Ks，而与单环双水头法与单环单水头法(10 cm)一致。有研究表明简单降水头法测得的Ks高于单环压力仪法[18]，这与本研究单环BEST法高于单环双水头法一致，导致这种结果的原因可能有：1)单环双水头法耗时多于单环BEST法，长时间的入渗过程会促进短期膨胀现象从而减少大孔隙[18]；2)单环BEST法是短时间瞬态测量Ks而单环双水头法是长时间稳态测量Ks，从而单环BEST法测定值高于单环双水头法，这与Bagarello等[19]的研究一致；3)湿润速度影响Ks，湿润速度越快Ks越低，湿润速度对Ks的影响机理主要是水流在土体中运动产生的剪切力破坏了土壤团聚结构，湿润速度越大，产生的剪切力也越大，土壤团聚体结构破坏越完全，从而导致土壤导水能力显著下降[20]。

表5 不同方法测量土壤Ks差异Tab.5 Differences of Ks measured by different methods cm/min

注：不同大写字母表示相同方法不同土壤各指标数值差异显著，不同小写字母表示相同土壤不同方法各指标数值差异显著，(P<0.05)。Notes: Different capital letters indicate significant differences among index values between different soils by the same method, and different lowercase letters indicate significant differences among index values between different methods in the same soil (P<0.05).

4 结论

单环双水头法和单环BEST法测得Ks结果均为风沙土>黄绵土>塿土，但是单环BEST法测量3种类型土壤的Ks值比单环双水头法分别大2.9、2.1、4.5倍。单环单水头法(10 cm)测量结果与单环双水头法接近。单环双水头法与单环单水头法(10 cm)测量坡地Ks随坡度的增加而线性增加，但是单环BEST法呈现出相反的趋势。当坡度<10°时，这2种方法均可以测量计算3种类型土壤的Ks，但当坡度超过10°时，Ks被显著高估，2种方法不再适用。

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