用双环法和单环土柱法测定黄土地表土壤入渗的对比分析

费璐旸

(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730020)

1 研究背景

水分入渗(以下简称“入渗”)是土壤的基本物理性状之一，测定土壤入渗的方法和手段直接关系到所取得的土壤入渗数据的精确性、时效性和经济性，因此选择合适的测定方法具有重要意义。

国内外学者在土壤入渗研究中采用了多种方法和研究设备，例如圆盘入渗仪法[1]、环刀法、渗透筒法、单环法、单环土柱法、水文法、双环法、人工降雨法、示踪法等及各种仪器[2-3]。在我国所进行的野外入渗研究成果大多采用有充分供水的静水入渗数据反映[4-6]，在具体研究方法和手段上大多采用双环法[4-5]。

2012年后，费喜亮等[7]提出并采用单环土柱法测试土壤入渗，指出双环法和单环土柱法均属一维入渗中有重力作用的垂直入渗或有充分供水的有压积水入渗，但在其研究报告中对为何采用单环土柱法测试未展开详细论述。

综合分析已有专家学者的研究成果，对入渗试验所采用方法之间的比较研究相对较少，即使有也是在不同地区和不同环境条件下进行的，所得结论也存在差异[6-7]。为此，笔者结合实际，根据相关研究数据，对在本地区土壤入渗研究中采用较多的双环法和单环土柱法的试验方法、步骤、测试数据开展进一步研究，比较两种方法的特点，找出测试结果方面的差异，以期为今后的相关试验方法选择提供依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

研究区孙家岔流域地处甘肃省兰州市榆中县北部山区韦营乡，属黄河一级支流宛川河流域，其自然地理条件与社会经济特点等具有黄土丘陵沟壑区第五副区的典型特征[8-9]。该区年平均降水量364.4 mm，降水年际、年内分布不均，主要集中在7—9月，年水面蒸发量1 668.3 mm。流域内成土母质为黄土，土类属于灰钙土，土壤有白土和麻土，阳坡多为白土，阴坡多为麻土，土层深厚，土壤孔隙度总体在50%以上，pH值7.8～8.5，有机质含量0.74%～1.00%。

2.2 试验样地设置

根据研究区的具体情况，分别选取试验小区内有代表性的农坡地、荒坡地两种面积占比较大的土地利用类型进行入渗试验[5]。所选样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况

根据试验区的具体情况，为获得静水入渗数据共设置了6个采样点，即荒坡地、农坡地各3个。每个采样点3个重复，取其平均值，以确保试验数据准确。各采样点立地条件见表2。

2.3 研究方法

2.3.1 样地土壤容重与含水量测定

试验进行前先测样地土壤容重与含水量，土壤容重测定采用环刀法，土壤含水量测定采用烘干法，测定结果详见表3。由表3可知：农坡地土壤含水量为14.16%～15.18%，土壤容重为1.05～1.13 g/cm3；荒坡地土壤含水量为9.64%～10.62%，土壤容重为1.10～1.18 g/cm3。

2.3.2 土壤入渗观测

2.3.2.1 双环法

双环为不锈钢管制成的环刀，切口端打磨出刃，内环刀内径10 cm，外环刀内径20 cm，内外环刀高均为30 cm，内外环刀非切口端内外壁纵向均标以刻度，最小单位为mm。试验观测步骤和方法如下：

(1)选择能代表某种土地类型的地块作为样地，而后在其中随机选点测试。

(2)测试时将内外环刀以同一圆心固定，标有刻度的一侧位于下坡位，内外环刀切口端垂直于水平面同时向下环切，切入地面以下15～20 cm，并使内外环刀端口边缘均处于同一水平面上。

(3)记录入渗开始时间，同时向内外环刀内加水，内环加水量(W加)利用量杯率定，外环水位始终与内环水位保持齐平，当内环内土壤露出水面时及时加水，如此反复，确保土壤入渗率基本稳定。对入渗开始时间、每次加水时间(内环土壤露出水面的时间)、每次加水前及加水后内外环水位刻度等关键数据做好记录。时间记录使用24小时制，精确到秒。内环各次加水深度计算公式为

h内加i=W内加i/(πr2)

(1)

式中：W内加i为i时段加入内环的水量，cm3或mL；h内加i为i时段内环加水深度，cm；π为圆周率，取3.14；r为内环的内截面半径，cm。需要注意的是，为便于量取加入内环的水量，量取水量的单位以cm3计，加水深度以cm计。

经初步整理得出

h内渗i=10h内加i-h内剩i

(2)

v内渗i=h内渗i/t内渗i

(3)

H内渗=h内渗1+h内渗2+…+h内渗i+…+h内渗n

(4)

上三式中：h内渗i为i时段内环土壤入渗量，mm；h内剩i为i时段内环剩余水量，mm；v内渗i为i时段入渗率，mm/min；t内渗i为i时段分钟数，min；H内渗为一次试验土壤总入渗量，mm；i为连续入渗时段号，i=1,2,…,n。

(4)将各时段的土壤入渗率、入渗量进行整理计算，形成表格，采用Excel绘制入渗曲线，进行数据分析。

2.3.2.2 单环土柱法

单环亦为不锈钢管制成的环刀，切口端打磨出刃，环刀内径13.6 cm，高63 cm。试验观测步骤和方法是：

(1)选择能代表某种土地类型的地块作为样地，而后在其中随机选点测试。

(2)测试时将环刀口一端垂直水平面环切，进入地面下55～60 cm后，将环刀一侧的土壤挖去，露出环刀切口端，并且垂直于环刀切口端水平削去下端的土壤，以便于观测到土柱底面为限。

(3)将一定量的水注入露出地表的环刀内并记录时间，一次加入环刀内的水层高度要以便于获取尽可能精确的观测资料为前提，如在便于观测和记录的情况下，可使加水量尽可能小，目的是尽可能减小静水水头压力对土壤入渗率的影响。为避免视觉和操作上的误差，每次加入的水量用量杯直接计量加入。待环刀内的土壤表面即将露出水面时，记录时间、环刀内剩余水位，同时给环刀内加水并记录加入环刀内水的深度。如此反复，直到水分渗透土柱时为止。当水分渗透土柱后，将环刀内尚未渗入的剩余水量由环刀上口倒入量杯计量，则环刀内该时段的总水量减去尚未渗入的剩余水量等于该次测试中相应时段内土壤的入渗量。入渗量计算方法同双环法。

(4)将各时段的土壤入渗率、入渗量进行整理计算，形成表格，采用Excel绘制入渗曲线，进行数据的分析。

3 结果与分析

3.1 荒坡地两种试验方法取得的结果对比

3.1.1 入渗率对比

选4个典型时间对两种试验方法所取得的荒坡地土壤入渗率结果进行分析，详见表4。从表4中可看出，在荒坡地上采用双环法比采用单环土柱法测得的入渗率数据明显偏大。整个试验入渗率情况如图1所示。

表4 荒坡地两种试验方法典型时间土壤入渗率

3.1.2 入渗量对比

两种试验方法所测得的荒坡地典型时间土壤入渗量见表5。由表5可看出，在荒坡地上，随着试验历时的延长，由于差异值累积的原因，双环法和单环土柱法测得的入渗量数据差异更加明显。整个试验入渗量情况如图2所示，采用双环法测出的荒坡地土壤入渗量明显高于采用单环土柱法所测得的数据。

图1 荒坡地两种试验方法土壤入渗率对比

表5 荒坡地两种试验方法典型时间土壤入渗量

图2 荒坡地两种试验方法土壤入渗量对比

综上所述，在荒坡地上，采用双环法测得的土壤入渗率和土壤入渗量均明显高于采用单环土柱法所测得的数据。

3.2 农坡地两种试验方法取得的结果对比

3.2.1 入渗率对比

两种试验方法所测得的农坡地典型时间土壤入渗率见表6。从表6中可看出，在农坡地上采用双环法和单环土柱法测得的入渗率数据差异明显，前者大于后者。整个试验入渗率情况如图3所示。

表6 农坡地两种试验方法典型时间土壤入渗率

3.2.2 入渗量对比

两种试验方法所测得的农坡地典型时间土壤入渗量见表7。由表7可见，在农坡地上采用双环法和单环土柱法测得的入渗量数据差异同样明显。整个试验入渗量情况如图4所示，采用双环法测出的农坡地土壤入渗量明显高于采用单环土柱法所测得的数据。

图3 农坡地两种试验方法土壤入渗率对比

表7 农坡地两种试验方法典型时间土壤入渗量

图4 农坡地两种试验方法土壤渗水量对比

综上所述，在农坡地上，采用双环法测得的土壤入渗率和土壤入渗量均明显高于采用单环土柱法所测得的数据。

4 结论与讨论

笔者在同类地区的研究成果表明，采用单环土柱法测出的农坡地与荒坡地土壤入渗量均大于自然降雨条件下的土壤入渗量[9]。由此推断，相对于单环土柱法而言，采用双环法测出的土壤入渗率及土壤入渗量误差更大。反之，采用单环土柱法测出的土壤入渗数据，相对于双环法而言更加接近自然降雨条件下地表土壤入渗的实际情况。出现这种结果，笔者认为主要是由于双环法采用外环的水压来控制内环的水分发生侧渗的性能劣于单环。在实际试验操作中，当观测到外环的水面低于内环而给外环内加水时，内环的侧渗已经发生且并不全是垂直下渗，因此在采用双环法观测土壤入渗时，很难做到内外环的水面始终处于同一水平面，加之观测者视觉上的误差，造成观测结果误差更大。在采用单环土柱法进行土壤入渗试验时，一是单环内水分侧渗的可能性能够排除，水分入渗全部以垂直下渗的形式发生，且单环内的水面不会像双环法那样因为内外环水位的不同而导致土壤入渗发生误差；二是相对于双环法，单环土柱法所需要的设备较少，技术程序较为简单，需要注意的事项也较少，对试验操作者而言，可以通过减少试验的技术性操作程序而避免发生误差。所以，虽然采用单环土柱法时单环嵌入地面的深度要比采用双环时为深，但尚未发现采用单环土柱法比采用双环法对土壤入渗造成更大影响的事实。

如上所述，采用单环土柱法测得的土壤入渗数据，更接近于自然降雨条件下的实际情况，而且单环土柱法土壤入渗测取设备更简单，更加便于操作。所以，在测取土壤入渗数据时，无论是从成本还是从技术层面考虑，单环土柱法都更值得采用和推广。