泰安棕壤土不同土地利用类型饱和导水率比较

张鹏，胡心雨，陈官运，曾健，尹凯，钱建军，张倩*

(1. 山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018； 2. 山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南 250000； 3. 武汉蓝瑞空间信息技术有限公司，湖北 武汉 430061)

农田土壤水分状况是影响作物生长发育的主要因素之一.不同的土壤水分，会对土壤的通气状况、热状况、养分吸收与消耗、有害物质的产生等方面产生重大影响，最终影响作物的产量.土壤饱和导水率是土壤重要的物理性质之一[1]，它是评价土壤透水性能好坏的重要指标[2].土壤饱和导水率作为一项重要的土壤参数，能够用来计算土壤剖面中水流通量，进行土壤水-溶质迁移与作物生长模型研究和灌溉、排水系统工程的设计等[3].影响饱和导水率的主要土壤特性为孔隙的几何形状,即总孔隙度、孔隙大小分布及弯曲度[4].

针对土壤饱和导水率的测定，国内外学者做了大量研究[5-9].VANDEVIVERE等[10]开展了砂柱中好氧菌引起的饱和导水率变化的研究；VEREE-CKEN等[11]用土壤传递函数估算饱和导水率；MERTENS等[12]应用单环入渗仪测定坡面田间饱和导水率.国内学者如马履一等[13]对京西山地棕壤和淋溶褐土壤饱和导水率进行分析；白冰等[14]对黄河三角洲滨海盐渍土原状土和扰动土饱和导水率进行了比较分析；刘继龙等[15]利用单环入渗法对不同土地利用方式下烟台棕壤土的饱和导水率进行了研究；雍晨旭等[16]研究了坡度对3种单环法测量坡地土壤饱和导水率的影响；毛娜等[17]分析了黄土区不同坡向间及同一坡向内随植被类型变化土壤饱和导水率的剖面分布特征及其影响因素.大多数研究是从田间获取土壤进行室内试验，这种方法会对土壤产生一定程度的扰动，无法完全还原实地的土壤密实程度，而且土地利用类型对土壤饱和导水率影响方面研究较少.因此，文中在前人研究基础上，采用快速而简单的土壤饱和导水率单环入渗法测定土壤饱和导水率，利用WU等[18]提出的单环入渗过程的概化解拟合实测累计入渗量与观测时间的关系表达式的方法，推求泰安地区草地、麦地和果树行间裸地3种不同土地利用类型下的土壤饱和导水率Ks，以期为土地利用类型对原状土饱和导水率的影响研究提供参考.

1 试验方法

1.1 试验地概况

试验所选场地为山东泰安地区山东农业大学北校景观草地、上高庄园麦地和山东省果树研究所泰东试验示范基地的果树行间裸地.山东农业大学北校景观草地植株高6 cm左右，该草生长能力较强，地表覆盖程度较好；上高庄园麦地小麦正处于抽穗期，田间土壤硬度不大；山东省果树研究所泰东试验示范基地的果树行间裸地，果树为栗子树，正处于新鞘生长期，行间裸地土壤硬度不大.

试验地的土壤类型为棕壤土.土壤经自然风干、碾碎、激光粒度分布仪测定，得到土壤颗粒级配如表1所示，σ为各级颗粒质量分数.

表1 土壤的颗粒组成

土壤样本初始含水率θi的测定是在各个试验点用100 cm3的铝盒取样，于实验室称鲜土质量后，放于105 ℃的烘箱中烘干后称干土质量，通过质量含水率计算公式得到；饱和含水率θ0的测定是在试验点用100 cm3环刀取样，于实验室称鲜土质量后，将环刀开口置于水中4 h，水及环刀顶部，但不没过环刀.待环刀中土样达到饱和后，称量饱和土质量.然后将环刀置于105 ℃的烘箱中烘干(12 h)后称干土质量，通过质量含水率计算公式得到，即

(1)

式中：θ为质量含水率；mw为水质量；ms为干土质量.

文中每种土地利用类型试验点重复取3个环刀土样、3个铝盒土样，3个试验点共取18个土样.各试验点测得的土样参数取平均数.

最终土壤样本初始含水率θi和饱和含水率θ0的测定结果如表2所示.

表2 不同土地利用类型下土壤的初始含水率和饱和含水率

Tab.2 Initial moisture content and saturated moisture content of soil under different land use types

%

土壤样本的容重采用体积为100 cm3的环刀取土，在105 ℃下烘干12 h后测定质量，然后通过式(2)计算得出，γ为土壤容重，mt为土壤样本总质量.土壤孔隙度可由土壤容重和土粒密度式(3)间接计算得出，p为孔隙度，ρ为土粒密度.各土地利用类型试验点测得的土样参数取平均数.

(2)

(3)

土壤样本容重及孔隙度的测定结果如表3所示.由表3可知，3种土地利用类型土壤容重从小到大依次为草地、麦地、果树行间裸地；在土壤孔隙度方面从大到小依次为草地、麦地、果树行间裸地.

表3 不同土地利用类型下土壤的容重和孔隙度

Tab.3 Bulk density and porosity of soil in different land use types

土地利用类型γp草地1.321 30.501 4麦地1.389 20.475 8果树行间裸地1.488 00.438 5

1.2 试验材料

文中采用较为常用的单环入渗法对土壤饱和导水率进行测量.图1为试验装置，包括量筒、铁架台、输水管、阀门、直径10 cm的入渗环等.量筒放置于水平铁架台上作为供水装置；输水管用于向入渗环中按要求输水；阀门用于控制水流流量大小以及输水管的开关；秒表用于记录注水时间.

图1 单环入渗土壤饱和导水率测量装置

Fig.1 Measurement device of single-ring infiltration soil saturated hydraulic conductivity

1.3 数学模型

单环入渗试验是测量土壤水分入渗速率及土壤饱和导水率较为常用的方法.基于土壤条件相同情况下，单环入渗的入渗速率是一维入渗时的f倍(f是与试验土壤初始条件、周边条件及入渗环形状有关的参数)的假定，以及入渗环中水分在土壤中属于三维运动，WU等[18]在前人研究基础上得出了单环入渗过程的概化解.当概化解与测定入渗曲线结合后，得到累计入渗量的求解公式[15]为

I=afKst+2bfKs(tTc)0.5，

(4)

或

I=At+Bt0.5，

(5)

土壤饱和导水率的计算公式为

(6)

式(6)即文中土壤饱和导水率Ks的求解模型.

1.4 试验设计

为保证土壤样本真实情况不被破坏，试验前土壤样本不进行任何处理.连接并布置试验装置，将入渗环垂直打入地下10 cm，入渗环顶端在打入地下过程中始终保持水平，并将尼龙网覆盖于入渗环内.尼龙网用于防止水流对地面的冲刷，减小水流对原状土的扰动.试验时，向量筒中注水2 L，打开阀门，秒表开始记录注水时间.当入渗环中水位达到5 cm时，记录所用时间及量筒内水位.此后，一直维持入渗环中水位在5 cm，记录每入渗100 mL的水量所用的入渗时间，每次试验测量时间为120 min.每个试验场地选取3个试验点，各试验点间相距50 cm，将试验记录相同入渗量下的入渗时间取平均值作为最终试验场地土地利用类型的入渗时间.根据入渗水量及入渗时间求出草地、麦地、果树行间裸地单位面积上的累计入渗量和入渗速率,然后将所得数据代入土壤饱和导水率数学模型，最终求得各土地利用类型下的土壤饱和导水率数值.

2 结果与分析

2.1 累计入渗量

2.1.1 入渗速率与累计入渗量的研究结果

图2，3分别为土壤水分入渗速率v和累计入渗量I的变化曲线.由图2可知，初始入渗阶段前10 min左右，由于表层土壤初始含水率不高，所以水分入渗较为迅速；随着入渗时间t的增加，入渗速率先是急剧下降，60 min后土壤入渗速率趋于稳定.通过入渗速率图，可以明显看出草地的入渗速率最大，麦地入渗速率次之，果树行间裸地的入渗速率最小.由此看出在不同土地利用类型下，土壤入渗速率存在明显差异性，主要原因为草地表层土壤覆盖有大量植物及其根系，使得草地表层土壤疏松，孔隙较大，土壤结构有较好的通透性，当水分进入疏松的土壤后，可以沿较为宽阔的土壤通道快速流动、入渗，使得草地土壤入渗速率最大；麦地的植被覆盖率较草地小，土壤内孔隙较草地少，土壤疏松程度和土壤结构通透性没有草地好，这使得麦地入渗速率较草地小；果树行间裸地无植物覆盖，地表板结，土壤内孔隙较少，所以入渗速率最小.

由图3可知，随着时间的延长，累计入渗量不断增加，试验时间120 min内，草地累计入渗量最大，数值为78.564 cm；麦地入渗量次之，数值为67.609 cm；果树行间裸地入渗量最小，数值为30.082 cm.初始入渗阶段10 min左右，入渗速率波动较大，累计入渗量变化值较小，最大值为麦地7.736 cm，随着入渗时间的增加，累计入渗速率变化趋于稳定，累计入渗量的增加值也趋于稳定，累计入渗量与时间趋近于线性关系，这与入渗速率的变化规律相吻合.

图2 不同土地利用方式下的土壤入渗速率

图3 不同土地利用方式下的累计入渗量

Fig.3 Cumulative infiltration amount under different land use types

2.1.2 实测累计入渗量与观测时间的拟合关系

通过式(5)拟合实测的累计入渗量与观测时间的关系，得到各土地利用类型下的参数A，B见表4.表4表明，不同土地利用类型下由实测累计入渗量与观测时间拟合方程校准决定系数R均接近1，可见拟合结果能较好地反映累计入渗量与观测时间的关系，实测值与理论值非常接近.

表4 不同土地利用类型下实测累计入渗量与观测时间的拟合关系系数A和B

Tab.4 Fitting coefficientsAandBof measured cumulative infiltration and observation time under different land use types

土地利用类型ABR2草地0.433 72.400 20.999 9麦地0.294 72.863 50.999 3果树行间裸地0.122 01.395 70.999 6

由实测累计入渗量与观测时间的拟合关系得到累计入渗量的表达式：

草地

I=0.433 7t+2.400 2t0.5，

(7)

麦地

I=0.294 7t+2.863 5t0.5，

(8)

果树行间裸地

I=0.122t+1.395 7t0.5.

(9)

根据式(7)—(9)对草地、麦地、果树行间裸地累计入渗量进行求解并与实测累计入渗量比较，图4为累计入渗量计算值与实测值相对误差ζ值.由图4可知，入渗初始阶段，相对误差值较大,波动范围也较大;随着时间的增加，相对误差值和波动范围均减小并逐渐趋向于稳定.草地、麦地、果树行间裸地累计入渗量计算值与实测值相对误差分别在6，8，7 min后波动在5%以内，在15,52,56 min后波动在1%以内.这是由于初始阶段入渗速率变化较大，累计入渗量变化较大,导致相对误差值较大.随着时间的增加，入渗速率和累计入渗量的值趋于稳定，相对误差值波动范围也趋于稳定.通过累计入渗量的表达式对草地、麦地、果树行间裸地累计入渗量求解值与实测累计入渗量比较分析，可见表达式计算值与实测值误差较小，拟合累计入渗量的表达式能够反映累计入渗量与观测时间的关系，利用式(5)拟合累计入渗量的表达式的方法准确度高、误差小.

图4 不同土地利用方式下的累计入渗量计算值与实测值相对误差

Fig.4 Relative error between calculated and mea-sured values of cumulative infiltration amount under different land use types

2.2 土壤饱和导水率

表5为不同土地利用类型下的饱和导水率求解结果.从表中可以看出，草地、麦地和果树行间裸地的饱和导水率依次减小，分别为0.073 1，0.032 9，0.015 8，这一趋势与土地利用类型下入渗速率、累计入渗量变化规律一致.产生上述结果的主要原因为草地土壤疏松、孔隙较大、通透通道宽阔，有利于入渗水分在土壤中的流动，水分可以由土壤孔隙更迅速地下渗；麦地土壤较草地疏松程度以及孔隙度小、结构通透性差，使得土壤饱和导水率较小；果树行间裸地的土壤结构性最差、容重最大、孔隙度最小，因而其饱和导水率最小.

表5 不同土地利用类型下的土壤饱和导水率的求解结果

Tab.5 Solution results of soil saturated hydraulic conductivity under different land use types

土地利用类型λsTcKs草地64.143 1223.366 70.073 1麦地105.664 1688.306 50.032 9果树行间裸地88.569 5953.892 50.015 8

3 结 论

利用快速而简单的土壤饱和导水率单环入渗法，从颗粒级配、土壤含水率、容重、孔隙度等物理性质出发，研究分析了泰安地区草地、麦地、果树行间裸地3种土地利用类型试验点的土壤饱和导水率，得到以下结论：

1) 草地、麦地、果树行间裸地3种土地利用类型对应的Ks、入渗速率、累计入渗量具有相同的变化趋势.草地、麦地、果树行间裸地的饱和导水率、入渗速率以及累计入渗量依次减小.

2) 利用单环入渗过程的概化解，拟合实测累计入渗量与观测时间的关系表达式对累计入渗量进行估算，累计入渗量计算值与实测值相对误差较小，可见此拟合累计入渗量的表达式的方法准确度高、误差小.

3) 推求了草地、麦地和果树行间裸地3种不同土地利用类型下的土壤饱和导水率Ks，数值分别为0.073 1，0.032 9，0.015 8，以期为不同土地利用类型对原状土饱和导水率的影响研究提供参考.