荒漠草原灰钙土土壤入渗特征及测定方法比较

陈 娟， 陈 林， 宋乃平， 李月飞，苏 莹， 杨东东

(1. 宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川 750021；2. 宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，银川 750021)

0 引 言

荒漠草原是草原向荒漠过渡的一类草地类型，土壤以地带性灰钙土为主，由于气候变化及过度放牧和开垦的干扰，导致植被破坏、土壤沙化、草地退化等严峻的生态问题日渐凸显。生境恢复是退化草地根本性恢复的关键[1]，而在恢复中起重要限制作用的是土壤入渗，土壤入渗条件得不到改善，土壤的缺水情况就得不到解决，进而阻碍植被恢复[2]。土壤的渗透性是土壤重要的物理性质，也是多种有益水文生态功能的基础[3]。因此，研究荒漠草原区土壤的入渗特征及其测定方法，对退化草地的生态恢复具有重要意义。

通常用土壤入渗率表示土壤的渗透特性，其测定方法较多，一些学者们比较了测定土壤入渗特征的多种方法，并评价其适用性。Wu L等[4]比较了单环和双环入渗仪的入渗速率；朱良君等[5]在黄土高原沟壑区采用双环、单环、圆盘入渗仪和Hood入渗仪4种测定方法比较其优劣，发现单环、圆盘入渗仪、Hood入渗仪测定的稳定入渗率分别是双环的116%、111%、225%；江凌等[6]采用双环法、环刀法和土壤入渗自动测量系统研究崩岗土层入渗方法的适用性，发现双环法入渗结果代表性强但极易破坏表土，环刀法受采样点的影响大，土壤自动测量系统精度较高；莫斌等[7]分别采用了点源入渗法、双环法和环刀法3种方法对紫色土丘陵区的土壤水分入渗能力进行测定，通过分析得出点源入渗法比双环法测得的稳渗率大224%，环刀法比点源入渗法大84.85%；闵雷雷等[8]采用3种方法测定了太行山林地的土壤稳渗率，发现双环法测得的稳渗率最大，人工降雨法次之，Guelph渗透仪法最小。王海瑞[9]采用环刀法研究了退化草地的水分入渗性能，发现随着植被的恢复，土壤入渗能力增强；杨秀莲等[10]采用双环法分析了盐池县封育草地生物结皮对土壤水分的影响；郑江坤等[11]采用改进的土壤入渗过程测定仪，研究了陕北生态退耕区土壤水文特性和入渗性能的影响因子。胡顺军等[12]分别采用双环法和环刀法测定了土壤饱和渗透系数，结果表明2者测定的土壤渗透系数计算公式不同；蒙宽宏[13]的研究结果表明，双环法测量结果是环刀法测量结果的2～4倍。然而目前对荒漠草原区双环法和环刀法的对比研究较少，有待进一步研究。宁夏盐池县处于荒漠草原区，地带性灰钙土分布广泛，对于草地生态保护和恢复具有重要作用。因此，本研究采用双环法和环刀法测定广泛分布于盐池县荒漠草原的灰钙土土壤渗透过程，并评价2种方法的可靠性和应用性，可为研究该区土壤水分运动和采取更有针对性的草地恢复措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏东部的盐池县皖记沟行政村(107°22′～107°33′E，37°47′～37°57′N)，海拔1 411～1 435 m。该区属于半干旱荒漠草原带，气候干旱，风大沙多。年平均气温8.1 ℃， ≥10 ℃有效积温为2 949.9 ℃。多年平均降水量250～350 mm，且年际和季节变化大，年平均蒸发量2 136 mm。土壤类型以灰钙土为主，其次是黑垆土和风沙土，此外还有风化砂岩残积土和黄土等。土壤质地以沙壤、粉沙壤和沙土为主，土壤结构松散，肥力低。研究区植被类型有草原、灌丛、草甸及隐域性盐生、沙生植被。主要草本植物有：短花针茅(Stipa breviflora )、猪毛蒿(Artemisia scoparia)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、苦豆子(Sophora alopecuroides L)、蒙古冰草(Agropyron mongolicum)、赖草(Leymus secalinus )、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、草木樨状黄芪(Astragalus melilotoides )等。灌木以锦鸡儿属植物为主。

1.2 研究方法

(1)样地选择。于2017年6月在宁夏盐池县皖记沟村选取此研究区的主要土壤类型——灰钙土土地作为试验样地，且所选样地地势较为平坦。主要植被为短花针茅群落。

(2)双环法。双环入渗仪外环和内环直径分别为60、30 cm。试验前首先将待测土地表面的草本植物进行修剪，剪至与地面平齐，再将双环入渗仪打压至土壤表面以下15 cm左右。试验过程中始终保持入渗水头高度在5 cm，同时使内、外环水位齐平以防水分从边缘渗漏，记录入渗的水量时，按照先密后疏的原则，水分入渗初期记录间隔小，待入渗较为稳定后，适当放宽记录的时间间隔。试验重复3组，当单位时间内注入的水量基本保持稳定时结束试验。

(3)环刀法。采用环刀法取原状土样，采样深度分别为0～5、5～10和10～20 cm，每个试验点重复3组。带回室内，去掉环刀盖，并在环刀上方接一同样规格的空环刀，用胶布封好，严防接口处漏水，将接合后的环刀保持水平固定在一定高度，下方放置漏斗并用烧杯承接。向空环刀内持续加水，保持水面低于环刀口1 mm，即环刀内5 cm的水量，当漏斗下方滴下水时开始计时，每5 min更换一次烧杯，并计量渗透的水量，直到4个单位时间内渗透出的水量相等。试验中全部原状土样的渗透速率在50 min之前已经基本稳定，为方便比较，因此水分渗透总量统一取前50 min内的渗透量。

(4)土壤物理性质测定。土壤容重、含水量、孔隙度等物理性质采用环刀法测定；土壤硬度采用数显式土壤紧实度仪测量；土壤粒径采用马尔文3000激光粒度仪测定。

(5)入渗模型。采用4种常见的入渗模型对实验样地土壤入渗速率随时间变化的过程进行拟合，各模型表达式如下。

①Kostiakov模型。

f(t)=at-b

式中：f(t)为入渗速率，mm/min；t为入渗时间，min；a、b为拟合的模型参数。

② Horton 模型。

f(t)=fc+(f0-fc) e-k t

式中：f0为初渗率，mm/min；fc为稳渗率，mm/min；k为模型参数，k决定f从f0减小到fc的速度；其余符号意义同前。

③Philip 模型。

f(t)=St-0.5+A

式中：S为土壤吸渗率，mm/min0.5；A为稳定入渗率，mm/min；其余符号意义同前。

④通用经验模型。

f(t)=a1t-n+b1

式中：a1、b1为拟合的模型参数；n为经验系数；其余符号意义同前。

(6)数据处理与分析。利用Excel 2010进行数据基本处理与分析，利用Origin 2017进行模型拟合，利用SPSS 21.0进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 2种方法测得土壤入渗过程分析

土壤入渗过程是水分在重力势的作用下由地表向土壤转化的气—地界面连续过程，是认识土壤水分运动的基础，也是评价其入渗性能的首要条件。采用双环法和环刀法测得的灰钙土土壤入渗过程见图1。由图1可见，测定入渗采用的方法相同时，由于样点的位置有所差异，测定出的入渗速率也略有不同，说明土壤自身的条件对土壤入渗过程的差异存在一定影响。双环法测定的土壤入渗过程呈现出水分初始入渗速率非常高，之后随着时间的推移，入渗速率在较短时间内先迅速减小，再逐渐放缓，最终入渗速率基本稳定的规律。水分入渗前5 min内为迅速减小阶段，5～20 min为逐渐减缓阶段，20 min后为基本稳定阶段。

图1 2种方法测定灰钙土土壤入渗过程Fig.1 Determination of infiltration process of sierozem by two methods

环刀法测定的土壤入渗过程曲线则较为平缓，初始入渗速率比双环法测得的要低得多，入渗速率没有明显迅速减小的阶段，在入渗初期开始便缓慢减小，随着时间推移，最后趋于稳定。入渗速率前30 min内为逐渐减缓阶段，30 min后为基本稳定阶段。环刀法测得的入渗速率随时间变化过程的曲线，之所以相对平缓，是因为使用环刀法测定入渗时，环刀内的土壤水分已经处于饱和状态，加之由于重力的作用，使水分在非毛管孔隙中向下运移，测定的是土壤饱和入渗速率，这与土壤内部条件有关；另外在本试验过程中，测定入渗初期的入渗速率时，读数间隔的时间为5 min，时间过长，在一定程度上影响了初期入渗速率的准确性，在今后的试验中，应增加读数的频率，得出更精确的入渗速率数值。

2.2 2种方法测得土壤入渗特征

初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率是表征土壤入渗性能的关键参数。不同方法由于测定入渗机理不同，测定效果也存在差异。从双环法和环刀法测得的土壤入渗特征参数(见表1)可见，环刀法测得的各项入渗特征参数均小于双环法，其中初始入渗速率比双环法小77.69%～94.67%；稳定入渗速率比双环法小27.69%～52.88%；平均入渗速率比双环法小56.74%～64.79%；达到稳渗时间比双环法小12.50%～42.5%。双环法进行测定时，入渗初期野外的土壤水分尚未达到饱和，非毛管孔隙度较大，初始含水量较低，土壤表面的水分在重力作用下能够较快向下层渗透，当土壤非毛管孔隙逐渐被水分充填，水分入渗速率便随之减小再逐步趋于稳定，因此双环法测得的初始入渗速率较高；环刀法进行测定时，环刀内的土壤水分已达到饱和状态，初始含水量远高于野外土壤，因此测定水分入渗时环刀法湿润锋前沿的水力梯度小于双环法，土壤的入渗速率随着含水量的增加而减小[6]。当土壤表面积水时，土壤内的空气因土壤入渗水流的阻碍而不能顺利排出，滞留于土壤孔隙内，因此产生空气阻力，土壤水分入渗过程受阻，导致入渗速率减小[14]。本试验中，环刀的截面面积远小于双环入渗仪，且在环刀法的入渗试验中，2个环刀连接处为防止漏水缠绕的胶布、放置的滤纸和底部的环刀盖在一定程度上限制了环刀法的排气，使得入渗特征参数偏低。将双环打入地表时，对地表结构会产生较大的破坏，双环与土壤间的缝隙导致水分在入渗过程中发生渗漏，因而具有一定误差，使测定的数值偏大，初渗率的差异性也较大。

表1 2种方法测得土壤入渗特征参数Tab.1 Soil infiltration characteristic parameters measured by two methods

2.3 2种方法测定土壤入渗模型

为更好地认识双环法与环刀法测定土壤入渗规律的差异性，采用Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型和通用经验模型分别拟合土壤水分入渗速率随时间变化的曲线，拟合结果见表2。

Kostiakov模型中，参数a表示经验入渗系数，a值的大小近似等于前2 min的水分入渗速率，并且与初始入渗速率呈正比，双环法的a值为6.366～8.042，环刀法的a值为0.578～1.053；参数b为经验入渗指数，b值的大小与土壤入渗能力的衰减速度呈正比，环刀法的b值小于双环法；参数a、b在双环法和环刀法中反映的情况与实际情况一致。

表2 2种方法测定土壤入渗模型的拟合参数Tab.2 Fitting parameters of soil infiltration model determined by two methods

Horton模型中，参数f0表示初始入渗速率， 2种方法所得的f0值均与实测值有所偏差。参数fc表示稳定入渗速率，双环法的fc值介于0.676～1.403，环刀法的fc值介于0.464～0.764，2种方法的fc值都与实测值较为接近。

Philip模型中，参数S表示土壤吸渗率，S值越大，土壤入渗能力则越强，可以看出环刀法的S值小于双环法，这是由于环刀法测定的土壤面积小，且环刀内土壤达到饱和状态的缘故，与实际情况相符。参数A表示稳定入渗速率，双环法中A值与实测稳定入渗速率不符，而环刀法中A值为0.390～0.718，与实测稳定入渗速率相近。

通用经验模型中，参数a1表示初始入渗速率，环刀法中的a1值小于双环法，并且与实测值较接近；参数b1表示稳定入渗速率，与实测值有所偏差。通用经验模型拟合环刀法的结果中，有一组拟合失败。

双环法通过4个入渗模型拟合所得的决定系数R2均值依次为0.856、0.962、0.843、0.904。环刀法通过4个模型拟合得出的决定系数R2均值依次为0.703、0.617、0.697、0.690，其中环刀法第1组平行试验使用通用经验模型模拟失败。双环法测定的入渗过程的拟合结果优于环刀法。结合以上模型的决定系数R2和各参数所反映的结果来看，双环法中Horton模型的决定系数R2最高，且参数所反映的稳定入渗速率与实测值较为相符。因此，在双环法中，入渗模型拟合效果由好到差依次为Horton模型、通用经验模型、Kostiakov模型和Philip模型。环刀法中，Kostiakov模型最适宜描述入渗速率随时间变化的过程，R2均值最高，且各参数均匀度较高，Philip模型次之，Horton模型和通用经验模型较差。王则宇等[15]采用双环法测定了希拉穆仁天然草地的入渗特征，研究结果表明Horton模型能准确描述土壤入渗随时间变化的情况；张晓凤等[16]采用双环法测定了北京奥林匹克森林公园典型下垫面入渗特征，Horton模型拟合效果最好；刘凯等[17]采用环刀法测定了宁夏盐池县荒漠草原人工柠条林土壤入渗性能，发现Kostiakov模型拟合效果最好，与本文研究结果一致。此外，有研究[18]表明，Philip模型是在半无限均匀质地土壤、初始含水率分布均匀并且有积水的条件下试验得出，故此模型仅在测定匀质土壤一维垂直入渗的情况下适用。

试验中，采用环刀法测定的面积小，且采集原状土的过程中环刀侧壁与土壤间有较大的摩擦力，导致原状土受压而变得更紧实均一，初始含水率相对较高且分布较为均匀，因此Philip模型对环刀法的拟合效果也较好。将双环法和环刀法测得的土壤累计入渗量随时间变化的过程分别用一元二次和一元一次方程进行拟合，拟合结果见表3。2种方法测得的累计入渗量由一元一次方程拟合得出的决定系数R2均大于0.898，由一元二次方程拟合得出的决定系数R2均大于0.989，一元二次方程的拟合结果更好，更适宜于描述土壤水分累计入渗量随时间变化的过程。环刀法的拟合结果优于双环法，其决定系数R2在0.998以上，双环法的决定系数R2在0.898以上，且双环法拟合结果的差异性较环刀法大。该结果与莫斌等[19]研究结果基本一致。原因可能是双环法在试验过程中读数的时间间隔较密集，读数时易产生误差，因此入渗量的波动较大；采用环刀法测定时，每5 min读数一次，时间间隔均匀，且读数误差小，累计入渗量的曲线则呈平稳均匀的上升趋势。

表3 2种方法测定的土壤累计入渗量过程拟合Tab.3 Fitting of cumulative soil infiltration process by two methods

2.4 入渗特征与土壤物理性质相关性分析

土壤的物理性质对水分入渗特征有着一定程度的影响，从表4可以看出，对于双环法，初渗率与非毛管孔隙度呈极显著正相关。对于环刀法，初渗率与土壤容重、粗沙粒含量显著正相关，与土壤硬度显著负相关，与黏粉粒含量呈显著负相关；稳渗率与土壤容重呈显著正相关。2种方法测得的初渗率与稳渗率均与毛管孔隙度呈反比，但未达到显著水平；除双环法测得的初始入渗速率外，其他入渗指标与含水率呈反比，但也未达到显著水平。

表4 初渗率、稳渗率与土壤物理性质相关性分析Tab.4 Correlation analysis of initial infiltration rate, stable infiltration rate and soil physical properties

注：*表示在0.05水平上显著；**表示在0.01水平上显著。

李红等[20]研究表明，非毛管孔隙由于其孔隙直径较大，利于通气和水分渗透；徐勤学等[21]研究发现，初始入渗速率与非毛管孔隙度有极显著的正相关性，与本研究双环法测得的结果一致。双环法测得的稳渗率，环刀法测得的初渗率、稳渗率均与土壤容重呈正相关关系，这与一般研究[21]结果相反，原因是荒漠草原区土壤发育程度不高，有机质含量低，且长期在风蚀的作用下，土壤结构遭到破坏，土壤粗粒化，粗粒化导致容重增加，而不是因为土壤质地紧实黏重使容重增加。双环法测得初始入渗速率与土壤硬度呈正相关，原因可能是在入渗初期由于环壁与土壤间的缝隙造成的渗漏相对较大。入渗指标与毛管孔隙度呈弱负相关，与莫斌等[7]的试验结果相似，原因是毛管孔隙具有毛细作用，持水性能较强，且易于被植物吸收利用，尤其在非毛管孔隙度小于毛管孔隙度时，毛管孔隙度对土壤毛管水的运移有束缚作用[22]。土壤的机械组成相对与入渗特征的相关性较大，熊东红等[23]研究指出，土壤沙黏比与入渗指标正相关，沙粒含量越高，黏粒含量越小，则透水性越强。

3 结 论

(1)从实验结果来看，2种方法各有优劣。双环法测定的入渗深度和面积大，代表性强，但将双环打入地表时容易发生侧漏，对地表破坏性强，对土壤扰动程度高，较为费力费水，读数时易产生误差；环刀法受采样点的影响大，代表性差，但操作较为简单，适用于室内实验。

(2)2种方法适用的土壤入渗模型具有差异。双环法采用Horton模型拟合效果最好，通用经验模型次之，Kostiakov模型随后，Philip模型最差，决定系数R2依次为0.962、0.904、0.856、0.843。环刀法采用Kostiakov模型拟合效果最好， Philip模型次之，Horton模型和通用经验模型较差，决定系数R2依次为0.703、0.697、0.617、0.690。双环法测得的入渗过程拟合得出的决定系数更高。

(3)2种方法测得的累计入渗量采用一元二次方程拟合比一元一次方程拟合效果好，其决定系数R2大于0.991，环刀法测得的累计入渗量比双环法所测拟合效果好。

(4)2种方法测得的入渗特征具有差异，主要是由于土壤内部条件在不同试验方法中差异较大；土壤物理性质对其入渗特征的影响也因此略有不同。今后的试验中应加大样本量，进行更为深入的分析论证。