非充分供水表层掺砂土壤水分入渗 及再分布试验研究

刘旋旋，董晓华,2，郭梁锋，孙 媛，刘 冀,2, 李英海,2

(1.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉 430072)

0 引 言

在农田耕层表面铺砂具有蓄水保肥、减少蒸发、保温压碱、保持水土的作用[1]。在年降水量基本满足耐旱作物生长的干旱、半干旱地区，改善农田水盐障碍的有效方法之一就是在土壤表层覆盖砂石或掺砂[2]。我国甘肃的砂田在农业生产中已经取得了不错的成效[3]。在农田表层掺砂也存在效率不高、资源浪费等缺陷，因此需要对掺砂土壤水分运动进行深入的理论研究，使得砂田这种古老覆盖制度能够满足现代需求。关于覆砂或掺砂处理条件下土壤水分下渗已有一些研究，李晓燕等[4,5]研究表明表层砂石覆盖可以增强水分的入渗能力和减少地表产流。Tejedor等[6-7]研究表明对土壤表层进行砾石覆盖处理能够有效提高水分入渗效率。Mandal等[8,9]研究发现砂砾的覆盖度越大，土壤的入渗率就越大。李卓等[10]通过对不同黏粒含量土壤水分入渗的研究，发现土壤中砂粒含量增加及黏粒含量的减小，入渗能力递增，而蓄水能力递减。根据潘云等[11]研究结果发现，掺砂处理导致土壤容重减小能够加快入渗进程和湿润锋运移。宋日权等[12]研究表明不同掺砂率条件下土壤的累积入渗量和湿润锋推移与入渗过程有明显的乘幂关系。上述大多数研究成果，对掺砂处理下的土壤水分入渗研究是在充分供水条件下的定性研究，而对非充分供水条件下，掺砂土壤水分入渗及再分布过程定量研究尚不多见。

本文在上述研究基础上，考虑到干旱半干旱地区降雨的不充分性，通过室内模拟降雨过程(非充分供水)，选取不同掺砂率为影响因子，研究表层土壤掺砂处理下土壤水分入渗和再分布过程。掺砂处理下的土壤水分入渗及再分布规律研究对农业节水灌溉具有重要意义，也为干旱半干旱地区的农田表层掺砂提供理论依据和生产实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验装置与材料

本研究使用的试验土柱桶直径14 cm，高100 cm。土柱桶一侧开孔，孔距为5 cm。试验降雨装置分为人工降雨器以及供水的马氏瓶。降雨装置在供水的同时也起到了控制降雨强度的作用，降雨器的出水孔采用针头降雨，针孔均匀分布，保证了降雨均匀性。

试验土壤采自宜昌地区典型土壤，取样时选取多个取样点，清除取样点处表层杂物并挖取深度为10～30 cm间的土壤，取样后将不同取样点的土样充分混合带回实验室自然风干，过筛选取2 mm粒径以下的土壤作为试验土壤样本，测得其饱和含水量为0.53 cm3/cm3，田间持水量为0.3 cm3/cm3。试验用砂采用自然河砂，经过自然风干、去除杂物，过筛选取2 mm粒径以下的砂粒作为试验用砂。将已经处理好的砂子和土样按质量比分别为0∶100、25∶75、50∶50、75∶25充分混合，这4种处理对应的掺砂率分别为0%、25%、50%、75%[13]。利用激光粒径分析仪分析土壤的机械组成，通过土壤饱和渗透试验测定土样饱和导水率，试验土样物理性质见表1。

1.2 试验方法

试验所用土柱在装土过程中，首先在土柱桶底部装入10cm的砂砾石，在砂砾石上铺上滤纸以防止土壤颗粒掉落下层，然后将试验土样均匀装入土柱桶，土壤容重为1.46 g/cm3，其中表层10 cm采用掺砂处理过的土样进行填装[14]，总装柱高度为60 cm，装柱完成之后静置24 h使土柱中土样稳定。在试验过程中，用TDR实时监测5、10、15、20、30、40、50 cm处的土壤含水率变化，其中50 cm处的TDR探头主要用于监测是否有水分透过土壤层进入砂砾石层。

表1 试验土样粒径组成

试验分四组进行，对每组土壤表层10 cm进行掺砂处理，掺砂率分别为0%(空白试验)、25%、50%、75%。试验供水采用去离子水，每组降雨时间为200 min，降雨强度为18.8 mm/h。入渗过程中，湿润锋位置记录的原则为入渗初期记录时间间隔较短，后期间隔较长，以保证数据的可靠性，如前两个小时每隔5 min记录一次湿润锋的位置，后面每隔30 min记录一次湿润锋的位置[15]。在降雨入渗阶段，设置TDR每隔1 min采集一次数据，在土壤水分再分布阶段TDR每隔10 min记录一次数据。试验中将土柱视为三层土，即浅层土(0～10 cm)、中层土(10～30 cm)以及深层土(40～50 cm)。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率变化

本试验为非充分供水条件下的室内降雨模拟试验，为了监测土样初始含水率是否稳定以及掺砂处理对掺砂层土壤初始含水率的影响，在降雨之前约350 min时，将TDR水分监测仪插入土壤中监测土壤初始含水率，试验过程仅考虑土壤水分在垂向上的入渗。图1～图4显示了不同掺砂处理下各土层深度的含水率变化情况。

图1 0%掺砂率土壤含水率随时间变化

图2 25%掺砂率土壤含水率随时间变化

图3 50%掺砂率土壤含水率随时间变化

图4 75%掺砂率土壤含水率随时间变化

在降雨之前(前350 min)，每组试验土壤含水率基本保持在0.08 cm3/cm3的初始含水率，当掺砂率超过50%时，土壤含水率在掺砂层和掺砂层以下的土壤中出现了明显的分层现象，这是因为随着掺砂率增大，砂粒含量的增加降低了掺砂层的初始含水率。在降雨阶段(350～550 min)，随着降雨入渗的进行，土壤含水率从上到下逐渐增大，水分向下运动速率逐渐减小，并且每层土壤含水率增加率随降雨入渗基本呈现减小的趋势。这是因为土壤入渗的初期处于渗润阶段，水分入渗主要受分子力作用，土层之间水势梯度较大，土壤水分下渗速率很快，使得下层土壤含水率迅速增加，当土壤含水率大于最大分子持水量时，土壤入渗进入渗漏阶段，土壤水分主要在毛细管力和重力作用下运动，土层之间水势梯度减小，使得土壤含水率增加速度减缓，水分向下传递速率也随之变小。当土壤表层进行掺砂处理之后，土壤含水率最大峰值出现在15 cm处而不是5 cm处，掺砂率超过50%之后，这种现象更加明显，并且此时掺砂层的土壤含水率增大到一定值时便不再增加，此时掺砂层土壤含水率基本达到了饱和状态，由于土壤饱和含水率和土壤的持水能力都随着土壤砂粒含量增加而减小，含砂量大的土壤就会有更多的水分透过掺砂层进入到下层土壤中。当降雨结束后，浅层土壤含水率出现快速递减，掺砂处理后更为明显，这是因为在水分再分布初期，浅层土壤受到室内蒸发影响，再加上土层之间存在较大的水势梯度，水分向下运移速率较快，并且砂粒含量增加降低了土壤持水能力，使得水分很容易通过掺砂层进入下层。

从图1～图4可见，深层土壤含水率变化幅度较小，并且50 cm处的土壤含水率一直没有变化，说明土壤水分没有入渗到这个深度。掺砂处理降低了浅层土的土壤含水率，提高了中层土的土壤含水率，掺砂率越高，入渗后期土壤含水率分层现象越明显。这是因为掺砂处理使得本试验土样黏粒含量减小，提高了土壤导水率，减小了土壤的持水能力，在水势梯度的作用下，更多的浅层土壤水分下渗到中层土壤中，因此掺砂处理会导致水分基本都“堆积”在中层土壤。

2.2 掺砂率对湿润锋运移的影响

土壤水分下渗时，可以将含水率剖面中含水率迅速减小至初始值的区域称为湿润区[16]。湿润区的前沿称为湿润锋。图 5反映了不同掺砂率下湿润锋推移实测值及其拟合值。本试验为非充分供水条件，可以将湿润锋的运移分为两个阶段：在表层积水之前的供水强度控制阶段和积水之后的土壤入渗能力控制阶段[17]，图 5中的细直虚线反映土壤表层积水时间，分别为105 min(0%掺砂率)、84 min(25%掺砂率)、66 min(50%掺砂率)、54 min(75%掺砂率)。

图5 不同掺砂处理下湿润锋值与入渗时间关系曲线

在土壤表层积水之前，湿润锋随入渗时间下移，其湿润锋运移速率基本保持恒定值，呈线性关系。在这一阶段供水强度(降雨强度)是推动湿润锋运动的主要因素，因为此时浅层土壤含水率较小，土壤的入渗能力大于降雨强度，降雨提供的水分都能迅速下渗，因此在土壤表层积水之前，湿润锋一直保持均速向下推进，在这一阶段湿润锋运移速率可以看作一个常数，具体拟合情况如表2。

表2 积水之前湿润锋值与入渗时间关系

根据拟合曲线可以看出，掺砂率75%的拟合曲线的斜率最大，在相同降雨强度下，掺砂率越高，湿润锋向下推进的速率越快。

在土壤表层积水之后，湿润锋推进深度与入渗时间呈现幂指数关系，但是其湿润锋运移速率随着入渗时间的增加而减小。在这一阶段，土壤的入渗能力小于降雨强度，因此，降雨强度对湿润锋的运移影响减小，而土壤质地结构对湿润锋的运移影响明显，其湿润锋运移与入渗时间的曲线拟合见表3。

表3 积水之后湿润锋值与入渗时间关系

从图5以及表3可以看出当浅层土壤进行掺砂处理之后，土壤中入渗情况发生明显的改变，掺砂率越高，湿润锋向下推移越快，在积水之后，这种差异性体现的更加明显，因为在土壤表层积水之后，土壤质地结构对水分入渗影响更大。当湿润锋值达到15 cm处时，随着掺砂率增大所用的时间分别为175 min(0%掺砂率)、110 min(25%掺砂率)、82 min(50%掺砂率)、77 min(75%掺砂率)。从中可以看出当掺砂率达到25%时，湿润锋运移速率较于空白组已有很大幅度增加。

2.3 掺砂率对土壤含水率时空分布影响

为了研究不同掺砂处理下土壤含水率时空变化，将深度为5 cm和30 cm处土壤含水率随时间变化情况展示在图6和图7中，将降雨之后1 200 min时的土壤剖面的含水量分布情况展示在图8中。

图6 5 cm处土壤含水率随时间分布

图7 30 cm处土壤含水率随时间分布

由图6可知，在5 cm土壤深度处，在土壤含水率上升阶段，掺砂率越高，含水率增加越快，含水率峰值反而越小，当掺砂率达到50%后，土壤含水率在43%时就达到了饱和含水率。在土壤含水率减小的阶段，掺砂率越高，含水率减小地越快。这是因为随着掺砂率增加，土壤中砂粒含量增加，掺砂层土壤导水率增大，饱和含水率减小，使得掺砂层的土壤含水率快速增加并达到饱和。然而在土壤水分再分布阶段，随着砂粒含量的增加，掺砂层持水性能减弱，在水势梯度和重力作用下，土壤含水率下降更迅速。

从图7中可以明显看出，土壤水分到达30 cm处的时间长短关系为：0%>25%>50%>75%，随着掺砂率增加，土壤水分下渗速度更快，到达下层土壤时间更短。因此浅层土壤掺砂率提高，中层土壤含水率越大，在3 000 min时，当掺砂率达到50%时，在30 cm土壤深度的土层含水率提高了约20%，当掺砂率达到75%时，提高了40%。

图8 土壤含水率的空间分布

从图8也可以看出，浅层掺砂率越高，掺砂层土壤含水率越小，掺砂层以下土壤含水率越大。其中20～30 cm深度处土壤保水性也得到了明显改善。这充分说明了土壤浅层掺砂对下层土壤保水性的改善，这一研究对于相关农作物种植具有重要的指导意义。

2.4 掺砂处理下土壤水分再分布过程研究

在降雨结束后，土壤表面积水逐渐消失，土壤水分在水势梯度作用下，水分会从土水势高的位置向土水势低的位置继续移动并重新分配[18]，最终使得土柱中的土壤水分达到平衡。土壤水分的再分布过程也是土壤水分入渗中一个重要过程。

图9 土壤水分再分布

选取掺砂率75%时土壤含水率变化以研究水分再分布过程，如图9所示。在600 min之后，土壤水分入渗处于再分布阶段，其中600～1 000 min为水分再分布初期，在这一阶段，5 cm和10 cm土层含水率出现了显著的下降，15 cm和20 cm土层含水率也有一定程度的下降，而在30 cm土层含水率出现了先增大后缓慢减小的现象，这是因为在这一阶段，土壤水运动的驱动因子主要是重力势和基质势，土壤上层含水率较高，而下层含水率较低，在重力和水势梯度作用下，土壤水分会继续向下运动，使得下层含水率逐渐变大。随着入渗的进行，土壤剖面势能梯度减小并趋于平衡，水分向下推进速率减缓，土壤含水率变化平缓，在图上表现为逐渐减小的平滑直线。

在1 000 min之后的水分再分布后期，土壤各层含水率缓慢减小，其平均含水率减小率，如表4所示。

表4 再分布后期各土层含水率减小率

由图9和表4可知，5、10 cm深度处土壤含水率最小并且减小速率最低，这是因为在重力势作用下，加上掺砂导致持水性较差，使掺砂土层水分较易渗入到下层土壤中，并且浅层土壤受蒸发作用相对更明显，导致了这两个深度土壤含水率最小，含水率较大的下层土壤水分会克服重力沿毛管向上运动[19]，因此浅层土壤含水率减小速率最小。在15、20、30 cm土层深度处，含水率减小速率依次变小；而在40 cm土层深度处，在降雨入渗进行到1 300 min后，含水率才出现上升的趋势，并且含水率峰值和再分布之后的平稳值都明显小于上层。由此可见，保水性能较好的土层为20～30 cm，持水较多的土层为15～20 cm，因此当浅层土壤掺砂率大于50%时，可将土壤深度15～30 cm的区间看作为一个“蓄水层”，为干旱半干旱地区植物生长提供更长时间的供水。

3 结 语

本文通过室内土柱降雨试验，研究了非充分供水条件下不同掺砂处理对水分下渗的影响，结论如下：

(1)非充分供水条件下，湿润锋运移在土壤表层积水之前与入渗时间呈线性关系，而在积水之后呈幂指数关系。掺砂处理能够明显影响湿润锋推移进程，在掺砂率超过25%时，湿润锋的运动速率明显加快，表层土壤掺砂率越高，湿润锋向下运移越快。

(2)掺砂处理能够降低表层土壤饱和含水率和持水能力，增加土壤导水能力，加快土壤水分入渗进程。掺砂率越高，掺砂层土壤含水率越小，变化越显著，掺砂层以下土层土壤含水率越大、持水量越大。在水分入渗中后期，当掺砂率达到75%时，30 cm左右土壤含水率相较于不掺砂土壤提高了约40%。本文研究结果表明，表层土壤掺砂率达到50%以上就能够取得有效的保水效果，但最优的掺砂率还需要进一步的精细研究。

(3)当掺砂率较高时，在土壤水分再分布的初期，掺砂层含水率下降速率很快，掺砂层以下土层含水率减小缓慢；而在水分再分布后期，掺砂层含水率很小且下降速率很小，而在掺砂层以下土层中，15 cm深度处土壤含水率最大，而30 cm深度处土壤含水率下降速率最小，因此，可将15～30 cm深度范围内的土层看作一个“蓄水层”，可为植物生长提供持续供水。