宁夏河东沙地不同植被覆盖度下土壤水分入渗研究

赵逸雪，王怡雯，段 晨，马 睿

（宁夏大学 地理科学与规划学院，宁夏 银川 750021）

入渗是指水从土壤表面渗入土壤内部成为土壤水的过程，是地表水转换为土壤水的唯一途径，沙漠化地区的土壤水分入渗是荒漠生态系统保持功能稳定和结构正常的关键要素[1-2]。有关专家学者用注水法、水文法、人工降雨法等方法对土壤的入渗过程和入渗影响因素进行了研究，在众多方法中，双环法的实际应用最多[3]。研究发现，土壤入渗主要受到两类因素的影响，一类是土壤本身的理化性质，如土壤质地、结构、孔隙度、容重、有机质等[4-5]；另一类是土壤结皮[6]、植被群落[7-8]、植被覆盖[9]等外部因素。此外，入渗方法对于土壤入渗过程的测定也有一定的影响，不同入渗研究方法所测得的入渗数据有所差异[10]，但目前关于不同入渗方法之间的比较研究相对较少[11]。相关学者构建了许多土壤入渗模型，主要包括Horton 模型、Philip 模型、Kostiakov 模型和通用经验模型。土壤入渗过程受到多种因素的共同影响，这4 种模型均有自己的优势和局限性，因此在实际研究中，一般利用这4 种入渗模型分别对土壤入渗过程进行拟合并对其结果进行对比分析，选取最优拟合模型。

宁夏河东沙地位于毛乌素沙地的西南边缘，地处黄土高原向鄂尔多斯台地的过渡地带，是典型的北方生态脆弱区，其生态环境具有脆弱性和不稳定性特征。植被是荒漠化地区生态环境修复的重要影响因素之一，不同植被类型、不同植被覆盖度对沙地的生态改良效果不同。本研究以宁夏河东沙地为研究区，采用双环法和室内土柱试验法对研究区不同植被覆盖度下沙地土壤的入渗特征进行研究，并对两种入渗方法的入渗过程分别进行模型拟合分析，以期为丰富沙区土壤水文过程研究和区域荒漠化的科学防治等提供基础数据与理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏河东沙地位于黄河宁夏段东侧，地处黄土高原与银川平原的过渡地带，是典型的生态脆弱区。黄沙古渡景区（38°32′58″N～38°34′21″N，106°31′42″E～106°33′22″E）位于银川市兴庆区月牙泉乡，是宁夏河东沙地的一部分。

1.2 样地选择

本文通过目测估计法，选取地形平坦的裸沙地、中等覆盖度（30%～60%）和高等覆盖度（60%～90%）的沙棒群落下的土壤进行入渗试验和土壤容重的测定，无任何植被覆盖的裸沙为对照组。

1.3 研究方法

本文运用双环法和室内土柱试验法进行入渗研究，以期为不同入渗方法之间的对比提供资料和数据。

1.3.1 双环法 试验所用双环为高30 cm，直径分别为20 cm 和35 cm 的铁环[12]，选取地表平整的试验样地，将内环和外环以同一圆心固定插入土中15 cm，并在两环内侧距地面3 cm 处画一条水平刻度线，在内外环内同时加水至刻度线后开始计时，试验过程中保持内外环水位不变，直至连续3 次计时所加入的水量相同，此时视为入渗达到稳渗状态，停止入渗试验。试验至少持续60 min。

1.3.2 室内土柱试验法 用外径为200 mm、壁厚为2.5 mm、高为650 mm 的透明PVC 管进行土壤取样，将透明PVC 管砸入土中取原状土，由于500 mm 深度以下的土样取样较为困难，采取人工挖掘后填埋入管中的方法进行取样。在实验室内用定水头法进行入渗测定，控制水头高度在3 cm，在试验过程中观察并记录土壤湿润锋的运移情况，达到稳渗后停止试验。试验至少持续60 min。

1.3.3 数据处理与方法 本文利用SPSS 19.0 和Origin 2018 软件对不同入渗方法、不同植被覆盖度下的土壤入渗过程进行入渗曲线绘制、模型拟合和方差分析。本文选择常用的Horton 模型、Philip 模型、Kostiakov 模型和通用经验模型对入渗过程进行拟合。

2 结果与分析

2.1 土壤的容重特征

对试验地入渗试验前后不同深度（0～70 cm）的土壤进行取样，测定其容重，每个指标重复取样3次，求平均值。试验地土壤容重的结果如表1 所示。植被对土壤的理化性质有一定的改良作用，植被的根系对土壤表层含水量和土壤容重有较大的影响[13]。对于沙棒等灌木，其下的土壤生物结皮对土壤表层的理化性质有较大的影响。由表1 可知，随着植被覆盖度的增加，土壤容重减小。

表1 试验样地土壤的容重

2.2 入渗特征

将两种入渗方法的入渗实测数据进行整理并绘制入渗速率和累积入渗量曲线，入渗数据如表2 所示，入渗速率和累积入渗量曲线如图1～图2 所示。

图1 入渗速率曲线

图2 累积入渗量曲线

不同覆盖度下的土壤入渗变化过程具有一致性，经过瞬时入渗、缓慢入渗后达到稳渗。由表2 可知，在两种入渗过程中，随着植被覆盖度的增加，土壤的初渗速率和稳渗速率均逐渐减小，不同入渗方法下，土壤的初渗速率、稳渗速率和达到稳渗的时间有所不同。双环法测定的初渗速率小于土柱试验法测定的初渗速率，但双环法测定的稳渗速率较大。在野外双环法试验过程中，不同覆盖度下的土壤达到稳渗的时间几乎相同，均为11 min；在室内土柱试验的入渗过程中，中等植被覆盖度和高等植被覆盖度的土壤达到稳渗的时间几乎相同，为23 min，均比无植被覆盖的裸沙地达到稳渗所需的时间长。

表2 野外双环入渗与室内土柱入渗试验的入渗数据

在入渗过程刚开始时，入渗速率最大，随着入渗时间的增加，水分入渗速率下降十分明显，然后逐渐趋于平缓，并达到稳渗状态。由图1a 可知，裸沙样地的土壤初渗速率和稳渗速率显著高于有植被覆盖的两组，中等植被覆盖度的土壤和高等植被覆盖度的土壤入渗情况较为相似，中等植被覆盖度土壤的初渗速率和稳渗速率略高于高等植被覆盖度土壤的初渗速率和稳渗速率。在野外双环法试验中，裸沙与中等植被覆盖度下土壤的初渗速率和稳渗速率的差值分别为4.11 mm/min 和3.47 mm/min，而中等植被覆盖度与高等植被覆盖度下土壤的初渗速率和稳渗速率的差值却只有1.15 mm/min 和0.38 mm/min，前者是后者的3.6 倍和9.1 倍，说明植被覆盖度与土壤入渗性能并非呈一次线性相关关系。与中等植被覆盖度下的土壤相比较，高等植被覆盖度下土壤的入渗性能变化不大。

由图1b 可知，与野外双环法试验相比，不同植被覆盖度的土壤在室内土柱试验中所测得的入渗速率差距较小，但是也表现出：裸沙样地＞中等植被覆盖度样地＞高等植被覆盖度样地的特征。无植被覆盖的裸沙地与中等植被覆盖度下土壤的初渗速率和稳渗速率分别相差4.17 mm/min 和0.48 mm/min，而高等植被覆盖度与中等植被覆盖度下土壤的初渗速率和稳渗速率的差值约为1.8 mm/min 和0.08 mm/min，前者约为后者的2.3 倍和6 倍。双环法是在野外进行的现场试验，对土壤的扰动较小，室内土柱试验是垂直入渗试验，虽然操作简单，但是由于侧渗受到管壁的限制，实际入渗情况与野外现场试验入渗有一定的差别。

累积入渗量是入渗时间内通过地表单位面积的入渗水分总量。由图2 可知，不同入渗方法、不同植被覆盖度下的土壤累积入渗量明显不同。在双环法试验中，不同植被覆盖度下的土壤75 min 累积入渗量明显不同，裸沙的累积入渗量为835 mm，中等植被覆盖度土壤为582mm，高等植被覆盖度土壤为535 mm，裸沙地的累积入渗量远大于有植被覆盖的沙地土壤的累积入渗量。在室内土柱试验中，不同植被覆盖度的土壤75 min 累积入渗量差距较小，均在500 mm 左右，小于相同入渗时间内双环法试验的累积入渗量。

在室内土柱试验中，透过透明的PVC 管可以看到土柱入渗过程中湿润锋的运移情况，不同植被覆盖度下的土壤湿润锋运移曲线如图3 所示。由图3可知，土壤的湿润锋运移速度随着植被覆盖度的增加而减小。在开始的5 min 入渗时间内，不同植被覆盖下的土壤湿润锋运移深度差距较小，随着入渗的持续进行，湿润锋运移深度差距逐渐增大，其中，裸沙地的湿润锋在12 min 左右到达土柱底部，而有植被覆盖的土壤湿润锋在18～20 min 才到达土柱底部，说明植被覆盖度有减缓土壤湿润锋运移速度的作用。

图3 湿润锋运移曲线

2.3 土壤入渗过程拟合

本文选取Horton 模型、Philip 模型、Kostiakov 模型和通用经验模型对不同植被覆盖度沙地的两种入渗过程分别进行拟合。模型的拟合参数见表3。

Horton 模型公式[14]为

式中：f（t）为入渗速率，mm/min；f0，fc分别为初渗速率和稳渗速率，mm/min；k 为经验参数；t 为达到稳渗的时间，min。

Philip 模型公式[15]为

式中：f（t）为入渗速率，mm/min；t 为达到稳渗的时间，min；S 为吸渗率，cm/min0.5；A 为稳渗速率，mm/min。

Kostiakov 模型公式[14]为

式中：f（t）为入渗速率，mm/min；t 为达到稳渗的时间，min；a，b 为经验参数。

通用经验公式[14]为

式中：f（t）为入渗速率，mm/min；a，b，n 均为经验参数；t 为达到稳渗的时间，min。

由表3 可知，4 种模型对室内土柱试验实测入渗过程的拟合决定系数R2均在0.84 以上，说明4种模型的拟合效果均为良好。对于双环法试验过程，不同模型的拟合效果有所差别，Horton 模型、Philip模型和通用经验模型的决定系数R2均在0.72 以上，有较好的拟合效果，Kostiakov 模型的决定系数R2在0.48～0.64，拟合效果较差。综合两种入渗过程来看，在4 种入渗模型中，Philip 模型的拟合效果最好，Kostiakov 模型的拟合效果最差。Kostiakov 模型是经验模型，适用于短历时的入渗情况模拟，本研究入渗时间较长，对拟合效果有一定的影响。与其他类型的土壤相比，河东沙地的土壤以风沙土为主，结构松散，组成较为单一，入渗速率较快，因此Philip 模型更符合研究区土壤入渗的实际情况。

表3 4 种入渗模型的拟合参数

3 结论

（1）宁夏河东沙地植被对土壤的入渗性能有阻碍作用，土壤的入渗性能随着植被覆盖度的增加而降低。

（2）双环法测定的土壤初渗速率小于室内土柱试验法测定的初渗速率，但双环法测定的稳渗速率较大，双环法达到稳渗的时间小于室内土柱试验法达到稳渗的时间。

（3）4 种模型对室内土柱试验法入渗过程的拟合效果均较好，不同模型对双环法入渗过程的拟合效果差距较大，Philip 模型的拟合效果最好，Kostiakov 模型的拟合效果最差。

4 讨论

本研究对不同植被覆盖度下的沙地土壤进行水分入渗试验，结果表明，植被覆盖度对土壤入渗过程有一定影响，植被覆盖度越高，土壤初渗速率越低。随着入渗的继续进行，土壤中的毛管孔隙全部填满，水分在重力作用下进行一维垂直入渗，达到稳渗状态。

在Horton 模型中，两种入渗方法下土壤初渗速率的实测值均小于模拟值。在Philip 模型中，拟合结果显示，室内土柱试验法与双环法的土壤吸湿率有所不同，室内土柱试验法的土壤吸湿率大于双环法的吸湿率，室内土柱试验法的土壤吸湿率随着植被覆盖度的增加而减小，双环法的土壤吸湿率则是随着植被覆盖度的增加先增加后减少。在Kostiakov 模型中，拟合模型的初渗速率普遍大于实测数据；不同入渗方法下的经验入渗参数值差距较大，室内土柱试验法的参数值普遍大于双环法的参数值，前者约是后者的两倍，说明入渗方法对土壤的入渗过程有较大的影响。通用经验模型中，双环法的初始速率拟合值较实测值偏大，稳渗速率拟合值与实测值较为接近，室内土柱试验法的初渗速率和稳渗速率均较实测值偏小。

不同入渗模型对不同植被群落和不同土壤类型的入渗拟合效果不同。在腾格里沙漠沙丘[14]和毛乌素沙地的人工柠条林[16]的入渗研究中，Kostiakov 的拟合效果是最好的。而巩炜等[15]对干旱区沙漠绿洲过渡带不同固沙植物的水分入渗研究发现，在模拟精度上，Philip 模型的拟合精度最高，Kostiakov 模型的拟合精度最低，与本研究的拟合结果相同。

除土壤本身的理化性质外，土壤初始含水量、降雨强度、植被覆盖度等是影响土壤入渗性能的重要外部因素[17]。植物群落、植被密度和覆盖度对土壤入渗性能均有一定的影响。植被群落下的土壤生物结皮和地下根系对沙漠土壤理化性质和结构的影响是引起不同植被覆盖度土壤入渗性能差异的主要原因[18-19]。

樊才睿等[20]对呼伦贝尔大草原不同放牧强度下土壤的入渗性能进行了研究，发现受到土壤容重、土壤孔隙度等因素的影响，土壤的入渗性能随着放牧强度的增加而下降，在4 种入渗模型中，Horton 模型对研究区土壤入渗过程的拟合效果最好。赵梦杰等[9]研究了黄土高原地区不同植被覆盖度的土壤入渗特征，结果表明，随着植被覆盖度增加，土壤的稳渗速率增大，达到稳渗状态所需的时间越短。李毅等[21]对黄土高原地区不同盖度的草地进行了入渗试验，结果表明，草地盖度越大，初渗速率和稳渗速率越大，且草地盖度对入渗速率的影响是有限的。与上述学者的研究结果不同，本研究中土壤的入渗性能随着植被覆盖度的增加而降低。在黄土高原地区，植被覆盖对降雨入渗过程的影响机制主要是植物茎叶对降雨的阻截和消能作用，植物茎叶对降雨的截流有利于防止土壤表层结皮的形成，减少结皮对入渗的阻碍作用，从而保持较高的入渗率。宁夏河东沙地地处黄土高原与银川平原的过渡带，生态环境脆弱，土壤为典型的风沙土，有植被覆盖的区域反而有利于土壤表层结皮的形成，对土壤水分的入渗起到阻碍作用，因此研究区内土壤入渗性能随植被覆盖度的增加而降低。

植被密度对土壤的碳、氮、磷等养分含量和理化性质有一定的影响[22-23]，进而影响土壤的入渗性能。王珊珊等[24]对晋西黄土地区5 种密度刺槐林的土壤进行了入渗研究，发现土壤的入渗能力随着林分密度增大有先增强后减弱的趋势。在本研究中，土壤的入渗性能随植被覆盖度的增加而降低，相比于中等植被覆盖度，高等植被覆盖度对土壤入渗性能的影响不明显。

研究区植被覆盖的增加有利于防风固沙和生态环境恢复，但是大面积、高密度的植被引入，植被的蒸腾作用和根系吸水作用会导致土壤水分的额外消耗，加剧土壤干燥化的风险[25]。宁夏河东沙地生态环境脆弱，合理的植被格局和植被分布密度是在有限的水资源下实现沙地生态环境恢复和治理的关键。