紫色土坡耕地埂坎裂隙发育对土壤入渗的影响
2022-01-27罗莹丽刘春红
罗莹丽，韦 杰,2，刘春红
紫色土坡耕地埂坎裂隙发育对土壤入渗的影响
罗莹丽1，韦 杰1,2※，刘春红1
（1. 重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 401331； 2. 三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 401331）
为揭示埂坎裂隙发育程度对土壤入渗性能的影响，该研究选取了3种裂隙发育程度（重度发育、中度发育、轻度发育）的埂坎为研究对象，利用双环入渗试验揭示裂隙发育的埂坎土壤入渗规律并采用入渗模型进行模拟。结果表明：1）不同裂隙发育程度下，埂坎土壤入渗率变化趋势均为先迅速下降后逐渐趋于稳定。有裂隙埂坎各时段的入渗率均大于对照组无裂隙埂坎，但其差值均随入渗时间的增加而减小；2）随着埂坎裂隙发育程度的增加，土壤初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率和累积入渗量均增大，其中初始入渗率的增幅最高（98.72%）；3）控制初始含水率条件下，裂隙深度和面积-周长比仍与初始入渗率、平均入渗率及120 min累积入渗量呈显著正相关（＜0.05），裂隙面密度仅与平均入渗率呈显著正相关（＜0.05）；4）Kostiakov模型和Mezencev模型对不同裂隙发育程度下埂坎入渗过程拟合效果较好（2为0.84～0.99），但Kostiakov模型只有在一定时间范围条件下才能有效描述裂隙埂坎入渗过程。研究结果可为紫色土区坡耕地埂坎的建设、维护管理和合理利用及水土保持提供参考。
土壤；入渗；裂隙；紫色土；土坎
0 引 言
埂坎是坡耕地重要的水土保持措施，通过分割坡长和拦截径流起到理水减蚀的作用[1]，其稳定性是发挥水土保持功能的重要前提[2]。持续干旱高温下土坎容易形成开裂，通常认为，少量的裂隙可有效改善土壤的通气性和透水性，但超过一定范围的裂隙会对埂坎的稳定性造成危害[3]。一方面破坏埂坎土体结构的完整性，降低土体强度；另一方面为雨水入渗提供优先通道，在埂坎内部形成暂态饱和区，对土体的软化作用引起土壤抗剪性能劣化[4]，容易造成埂坎滑动、崩塌等现象。因此，开展裂隙发育下土壤入渗研究是埂坎维护管理的实践需要。
研究表明，裂隙的存在会影响土壤入渗速率尤其是加速土壤初始入渗，如裂隙发育稻田土壤的入渗率远大于未开裂土壤[5]，41%～57%的灌溉用水绕过土壤表层而沿着裂隙快速入渗[6]，裂隙发育深度以内土层对降雨的响应较裂隙发育深度以下土层更剧烈[7]。随入渗过程的推移裂隙逐渐闭合，入渗率下降至接近甚至低于未发育裂隙时的状态[8]。但也有学者认为，干湿循环过程中裂隙的开裂与闭合是不可逆的两个过程[9]，即使表层裂隙完全闭合，土壤内部仍可能存在裂隙为水分入渗提供优先通道，水分入渗率依然比没有裂隙的要高[10]。当然，这也受土壤性质、裂隙形态、降雨强度等因素影响[11]。由于紫色土埂坎紧实度、干湿梯度等与田面差异大，裂隙发育及其效应不同于紫色土耕地，针对紫色土埂坎裂隙发育的研究较少，不利于埂坎技术研发和有效指导埂坎建设。开展裂隙演化状态下的渗流效应研究，可以为埂坎失稳机制的揭示奠定基础。
目前，裂隙渗流的研究方法主要有人工降雨法、染色示踪法、离子穿透曲线法和双环法等[12-14]。其中，人工降雨法可以模拟天然降雨，监测室内土柱或径流小区土壤的动态入渗过程，但存在野外操作不方便等缺点[12]。染色示踪法利用染色示踪剂观测裂隙流流动路径，但无法获取入渗率等相关定量数据[13]。离子穿透曲线法多适用于室内土柱试验，但土柱在取样、运输过程中易产生扰动，进而影响到试验结果[13]。双环法因其携带方便、操作简单等特点，成为野外入渗试验最常用的手段之 一[14]。因此，本研究以紫色土坡耕地埂坎为研究对象，采用双环法对紫色土埂坎进行入渗试验，探究不同裂隙发育程度下埂坎入渗性能及差异，并利用入渗模型模拟埂坎入渗过程，以期为紫色土区坡耕地埂坎的建设、维护管理和科学利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于重庆市北碚区（106°18′02″～106°40′57″E，29°39′10″～30°05′08″ N），属亚热带湿润季风气候区，多年年均气温18.2℃，无霜期约335 d，日照时数1 014 h，相对湿度在80%左右，年降水量1 163 mm，雨量充沛但季节分配不均，降水多集中于5—10月。地形主要由窄条状山脉与宽阔丘陵谷地组成，地貌属盆东平行岭谷区。研究区内主要发育黄壤和紫色土，常见农作物有玉米（）、红薯（）、柑橘（）等。小流域内虽曾实施过水土保持工程，土坎仍是主要的水土保持措施。流域内埂坎高22～111 cm，内侧高0～30 cm，地埂顶宽29～48 cm，埂坎坡度41°～74°。埂坎坎坡长有马唐草（）、稗草（）、虮子草（）等杂草，盖度约85%。同时，地埂作为田间通道受人为踩踏影响较大，杂草盖度低，通常在地埂两侧种有黄豆（）、蚕豆（）等农作物。根据重庆市气象局公布的2011—2020年气象数据，北碚区在7—8月高温天气出现频繁，每月日最高气温≥35℃出现3～24 d之间，高温天气日数年占比67%～100%，在持续高温天气和暴雨交替作用下，埂坎土壤极易产生裂隙。
1.2 埂坎裂隙发育调查及分级
2020年7—9月，选择歇马小流域29条紫色土坡耕地埂坎开展裂隙发育程度调查。调查方法采用“照相法”，即在不破坏地埂表层裂隙形态条件下清除地表杂草及石块，使其露出新鲜土壤后使用高清数码相机（索尼DSC-200型）对裂隙进行正射拍摄，拍摄时沿地埂延伸方向放置卷尺以确定图片比例尺。受自然条件和监测手段的限制，土壤裂隙深度测量采用弹性塑尺法[15]。
根据图像比例尺，利用Adobe PhotoshopCS5对调查获取裂隙图片进行裁剪，使其实际规格为20 cm×30 cm。使用ArcGIS10.5对埂坎裂隙进行数字化处理，完善属性信息，同时建立拓扑检查。利用渔网工具在对应的UTM（Universal Transverse Mercator Grid System）投影坐标系生成规格为2 m×3 m的矩形框，然后建立裂隙图片与矩形框的对应关系，并进行几何配准。按照矩形框的缩放系数（1 m/10 m和1 m2/100 m2）分别提取裂隙周长和面积，计算并分析裂隙发育强度与形态复杂度等参数[16]。
1）裂隙面密度（Crack Area Ratio，CAR）：
式中CAR为裂隙面密度，%；a为样方内第条裂隙的面积，cm2；为样方总面积，cm2。
2）面积-周长比（Ratio of Area and Perimeter，RAP）：
式中RAP为裂隙面积-周长比，cm；0为裂隙网络总周长，cm。
3）线密度（L）：
式中L为裂隙线密度，cm/cm2；P为样方内第条裂隙的周长，cm。
以裂隙面密度为变量进行聚类分析[16]。综合考虑各裂隙发育程度指标间的衔接及野外实际调研情况，埂坎裂隙发育程度分为4级，分级标准及形态特征如表1所示。
表1 埂坎裂隙发育程度分级及形态特征
1.3 入渗试验
由于极重度裂隙发育埂坎裂隙连通性较强，原位入渗试验无法准确获取入渗数据。因此，本研究于2020年7—9月对重度裂隙发育（Heavy development crack，HC）、中度裂隙发育（Medium development crack，MC）和轻度裂隙发育（Slight development crack，SC）埂坎进行入渗试验，并选择无裂隙（No crack development，NC）埂坎作为对照。入渗试验采用内环直径为15.24 cm、外环直径为30.48 cm、环高为17.78 cm的双环入渗仪。试验前，清理地埂，然后将双环入渗仪垂直打入表土内约7 cm，用散土把内外环与地表接触部分的空隙填实，防止水分渗漏影响试验结果（试验装置见图1）。向内外环同时注水至距地埂表面5 cm处时立即按下秒表。由于裂隙可为水分入渗提供大量优先路径，单纯使用马氏瓶供水不足以满足入渗需求，因此在试验开始后5 min内使用容量为1 000和3 300 mL的容器供水，5 min后使用马氏瓶供水。根据预试验入渗观测数据，采用大致1，2，3，5，10，15，20 min为间隔依次延长测定时间并分别记录内、外环入渗水量，直至单位时间入渗水量达到稳定，时长约为90～120 min。为提高数据处理的统一性和准确性，即使入渗率已趋于稳定，仍延长试验时长至3.5～4 h。试验过程中内外环水位维持在5 cm左右，保证内环水分主要消耗于一维垂直入渗。各样点分别采集3个环刀样，并用自封袋采集0.5 kg表层土样（0～5 cm深度土层）带回实验室测定理化性质[17]。
1. 马氏瓶（3 L） 2. 马氏瓶（10 L） 3. 连接管（连接1与6） 4. 连接管（连接2与5） 5. 双环入渗桶（外环） 6. 双环入渗桶（内环）
采用初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率和累积入渗量来描述土壤入渗性能。其中初始入渗率是入渗初始阶段单位时间的入渗量，本研究选取前3 min入渗率作为初始入渗率[18]；平均入渗率是指到达稳定入渗时的累积入渗量与到达稳定入渗的时间的比值；稳定入渗率是单位时间入渗量趋于稳定时的入渗率；累积入渗量是一定时间内的总入渗量，本研究选取前120 min的入渗量作为累积入渗量[18]。
1.4 土壤理化性质测定
土壤颗粒组成利用马尔文MS 2000激光粒度分析仪测定，并按国际制分为黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和砂粒（＞0.05～2 mm）；土壤容重、初始含水率（质量含水率）和总孔隙度使用环刀法烘干测定；有机质含量采用重铬酸钾法测定。埂坎土壤理化性质见表2。
表2 埂坎土壤性质
注：同一列中不同小写字母表示差异显著（<0.05）。
Note: Different lowercase letters in the same column mean significant difference (<0.05).
1.5 土壤入渗模型
裂隙发育下土壤入渗属于非饱和水分运动，即使在最理想的边界条件下也难以解析土壤入渗基本方程。建立多种入渗模型有利于模型的一致性检验，准确把握土壤入渗规律，为土壤水分管理提供依据。目前常用的入渗模型可分为经验模型、物理模型和半经验模型3类[19]。其中经验模型是根据实际入渗数据归纳、统计得出入渗率与入渗时间关系的模型，如Kostiakov模型[20]；物理模型是通过相关物理性质分析入渗率随时间的变化规律，如Philip模型[21]；而半经验模型介于二者之间，如Horton模型[22]和Mezencev模型[23]。Kostiakov模型、Mezencev模型、Philip模型和Horton模型作为常见的水分入渗模型，能够较好地拟合土壤入渗过程[18,24]，因此本研究选择Kostiakov模型、Mezencev模型、Philip模型和Horton模型模拟不同裂隙发育程度埂坎的入渗过程，并对各模型的适用性进行评价。
1）Kostiakov模型：
()=-b（4）
式中()为时间为时的入渗率，mm/min；为时间，min；和为参数。
2）Mezencev模型：
()=+-b（5）
式中为稳定入渗率，mm/min。
3）Philip模型：
()=+0.5-0.5（6）
式中为近似稳定入渗率的常数，mm/min；为吸湿率，mm/min。
4）Horton模型：
()=+(-)e（7）
式中为初始入渗率，mm/min；为拟合参数。
2 结果与分析
2.1 不同裂隙发育程度埂坎入渗特征
不同裂隙发育程度下埂坎的入渗过程相似（图2），入渗率均在入渗开始后0～5 min急剧下降，5 min下降幅度为66.36%～89.71%。随入渗过程的推移，入渗率下降幅度明显减小，最后逐渐趋于稳定。但不同裂隙发育程度埂坎到达稳定所需时间存在差异，其中重度裂隙发育埂坎达到稳定的时间最长，分别是中度裂隙发育、轻度裂隙发育及无裂隙埂坎的1.09、1.45和1.55倍。此外，同一入渗时刻，最大入渗率（重度裂隙发育埂坎）与 最小入渗率（无裂隙埂坎）间的入渗差值最高可达 716.04 mm/min。随时间的增加，不同埂坎入渗率逐渐接近，直至稳定入渗时入渗率差值降低至2.10 mm/min。
与各种发育程度裂隙埂坎相比，无裂隙埂坎的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率与累积入渗量均最小（表3），分别为7.32 mm/min、0.26 mm/min、0.77 mm/min和102.60 mm，仅为重度裂隙发育埂坎的1.28%、11.02%、2.33%和2.77%，为中度裂隙发育埂坎的3.61%、15.29%、7.03%和6.96%，为轻度裂隙发育埂坎的31.28%、26.26%、25.58%和35.32%，说明裂隙发育可以增强土壤渗透性，但增强幅度存在差异。随裂隙发育程度的提高，各入渗参数的增幅从大到小为：初始入渗率（98.72%）、平均入渗率（97.67%）、120 min累积入渗量（97.23%）、稳定入渗率（88.98%）。造成这种差异的原因可能是裂隙发育程度的提高可为水分运移提供更宽或更深的通道，从而明显增加土壤的初始入渗率。但随入渗过程的推移，埂坎表层裂隙逐渐闭合，裂隙发育对入渗的影响逐渐减弱，各入渗参数受土壤内部其余非毛管孔隙状况的影响逐渐增强[5]。此外，不同裂隙发育程度埂坎初始含水率存在明显差异（表2）。其中无裂隙埂坎初始含水率最大（22.04%），使得土壤基质势梯度较小，对水分子的吸引力弱，土壤初始入渗率相对较小。但随入渗时间的延续，初始含水率对入渗的影响逐渐减弱，直至忽略不计，导致不同裂隙发育程度埂坎稳定入渗率增幅小于初始入渗率增幅。
图2 不同裂隙发育程度埂坎的入渗过程
表3 不同裂隙发育程度埂坎的入渗参数
2.2 裂隙发育程度对埂坎入渗的影响
从埂坎入渗性能与裂隙发育强度的相关性来看（表4），除裂隙线密度外，裂隙面密度、面积-周长比和裂隙深度均对土壤入渗性能影响较大。其中裂隙面密度与各入渗参数均达到显著正相关（＜0.05），尤其与平均入渗率呈极显著正相关（＜0.01）。裂隙深度和面积-周长比与初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率和120 min累积入渗量均呈极显著正相关（＜0.01），表明裂隙深度和面积-周长比是土壤入渗性能的重要影响因素。与初始入渗率、平均入渗率和120 min累积入渗量相比，裂隙发育强度对稳定入渗率的影响相对较弱，相关系数介于0.85～0.89之间，这可能是因为稳定入渗率表征的是土壤入渗达到饱和后的导水能力，此时表层裂隙已经完全闭合，入渗率的大小主要受土壤内部孔隙结构制约[24]。
表4 埂坎入渗参数与裂隙发育指标的相关性
注：*表示在0.05水平上显著相关；**表示在0.01水平上显著相关。下同。
Note: * indicates significant correlation at the level of 0.05, and ** indicates significant correlation at the level of 0.01. Same as below.
根据埂坎入渗参数与裂隙发育指标的相关性分析结果，选择与入渗率显著和极显著相关的因子（面密度（1）、面积-周长比（2）和裂隙深度（3））作为自变量，以4个入渗参数为因变量进行逐步回归分析。由表5可以看出，影响初始入渗率、平均入渗率及120 min累积入渗量的主导因素为裂隙深度，而稳定入渗率主要受面积-周长比的制约，且所有方程均通过显著性检验，这与埂坎入渗率与裂隙发育指标的相关性研究结果一致。
表5 埂坎入渗速率与裂隙发育指标逐步回归方程
注：为各入渗指标；2为面积-周长比，cm；3为最大裂隙深度，cm。
Note:represents each infiltration parameter;2represents ratio of area and perimeter;3represents maximum depth of crack.
2.3 不同裂隙发育程度下埂坎入渗拟合
Kostiakov模型的值可用来表征初始入渗率，主要受土壤孔隙结构与初始含水率的影响，反映不同裂隙发育程度入渗初期入渗率的差异。值表示入渗率随时间延长而减小的程度，值越大，入渗率减小速度越快。各样点拟合结果值介于11.20～573.41之间，并随裂隙发育程度的提高而增加，与实际初始入渗率变化趋势一致；值介于0.70～1.34，从大到小依次表现为：中度裂隙发育（1.34）、重度裂隙发育（0.81）、无裂隙（0.78）、轻度裂隙发育（0.70），可以基本反映不同裂隙发育程度埂坎间入渗率减小速度的差异。Mezencev模型与Kostiakov模型相比，二者、值的变化趋势基本一致，但值始终较Kostiakov模型小，范围为11.05～571.27；除无裂隙埂坎外，其余不同裂隙发育程度埂坎Mezencev模型值较Kostiakov模型大，范围为0.76～1.37。这是因为在Mezencev模型中，当→1时，初始入渗率等于稳定入渗率加上值，因此值偏小；当为任意数值时，()均为稳定入渗率加上at，即在相同时间内，需要更快的下降速度才能达到同一入渗率，因此值偏大；当→∞时，()等于稳定入渗率，这与实际情况相符。Philip模型中的值表征吸湿率，值越大，土壤入渗能力越强。从拟合结果来看，各裂隙发育程度埂坎值介于在16.81～786.16之间，从大到小表现为：重度裂隙发育（786.16）、中度裂隙发育（346.23）、轻度裂隙发育（49.90）、无裂隙（16.81），表明土壤入渗能力随裂隙 发育程度的提高而增加。Horton模型中值可以用来表示入渗率减小的速率，从拟合结果来看，值从大到小表现为：中度裂隙发育（0.40）、轻度裂隙发育（0.30）、重度裂隙发育（0.27）、无裂隙（0.24），与实际情况存在偏差。
由不同裂隙发育程度埂坎入渗过程拟合模型可以看出（表6），中度裂隙发育、轻度裂隙发育和无裂隙埂坎采用Kostiakov模型和Mezencev模型的拟合效果明显优于Horton模型和Philip模型，其2均介于0.97～0.99之间。重度裂隙发育埂坎采用Horton模型的2为0.94，拟合效果较好。Philip模型对各埂坎的入渗过程拟合效果较差，2最小值仅为0.57。同时，Kostiakov模型、Mezencev模型、Philip模型和Horton模型的均方根误差（RMSE）分别为0.04～15.98、0.56～15.43、0.59～16.96、0.32～26.12 mm/min，表明Kostiakov模型和Mezencev模型预测值误差较小，更适用于模拟不同裂隙发育程度埂坎的入渗过程。但是当→∞时，Kostiakov模型入渗率逐渐趋于0而不是稳定入渗率，不符合实际情况。只有当入渗时间
3 讨 论
3.1 裂隙发育埂坎土壤入渗特征
土壤入渗是灌溉水或降水通过地表进入土壤的过程[25]，按土壤水分受力及水分运移特性可分为渗润阶段、渗漏阶段及渗透阶段[26]。裂隙的存在加快了水分的运移速率，减小土壤颗粒对水分的吸附作用，使得土壤入渗性能在入渗初始阶段得以显著增强[27]。因此，在稳定入渗率相近的条件下，渗润阶段和渗漏阶段入渗率的下降幅度随裂隙发育程度的提高而增加。此外，本研究结果表明虽然裂隙发育能增强土壤渗透性，但各入渗参数增强幅度存在差异，其中初始入渗率的增幅最大，稳定入渗率的增幅最小。这是因为裂隙发育程度的提高可为水分运移提供更多通道，促使水分快速渗漏至土壤更深处，从而明显增加土壤初始入渗率[3]。但在连续的入渗过程中，长时间的增湿软化作用一方面使裂隙因土壤颗粒吸水膨胀而减小，另一方面破坏了土壤颗粒间的连接能力，团聚体等大颗粒被逐步分解为小颗粒，小颗粒随入渗水流迁移并堵塞原有裂隙[28]。裂隙的逐渐闭合导致其对水分的输送能力减弱，直至土壤孔隙基本达到饱和，入渗过程进入渗透阶段，入渗速率基本保持稳定[5]。然而本研究结果表明稳定入渗率仍随裂隙发育程度的提高而增加，这与Liu等[8]的研究结果存在差异。造成这种差异的原因可能与渗透阶段时土壤内部的非毛管孔隙度有关。段赫等[29]通过对土壤裂隙开闭规律研究发现，土壤颗粒的排列方式在脱湿过程中发生较大变化，导致土壤结构出现不可逆转的破坏，裂隙的形成与闭合成为不可逆的两个过程。因此，埂坎在表层裂隙完全闭合的情况下土壤内部仍然可能存在裂隙为水分入渗提供优先通道，从而提高土壤的稳定入渗率，使得稳定入渗率整体表现为裂隙发育埂坎大于无裂隙埂坎。
3.2 裂隙发育指标对土壤入渗的影响
土壤入渗是一个复杂的动态过程，受多种因素共同影响。其中初始含水率是影响渗透性能的关键因素之一，主要通过改变土壤基质势梯度来影响水分入渗率[18]。通常认为初始含水率的上升一方面降低了土壤基质势梯度，对水分子的吸引力也减小；另一方面使得土壤孔隙度因土壤吸水膨胀而降低[30]。因此入渗初期土壤含水率越高，土壤初始入渗率越低，趋于稳定的入渗时间也越短。但在本研究中，在控制初始含水率条件下对埂坎入渗参数与裂隙发育指标进行偏相关分析（表7），此时裂隙面密度与平均入渗率呈显著正相关（＜0.05），与其余三个入渗参数不存在显著相关性；除稳定入渗率外，面积-周长比与初始入渗率、平均入渗率和累积入渗量呈显著正相关（＜0.05），最大裂隙深度与初始入渗率、平均入渗率和累积入渗量呈极显著正相关（＜0.01）；线密度与各入渗参数相关性均不显著。表明在剔除初始含水率的影响后裂隙发育强度，尤其是裂隙深度和面积-周长比仍与土壤入渗参数呈显著正相关（＜0.05）。通常认为裂隙深度是裂隙周围饱和区大小的决定性因素，形成的优先渗流路径是导致地下水位上升的直接原因[31]。随着降雨或灌溉强度的增加，裂隙发育条件下水分沿着裂隙快速入渗。由于裂隙深度以下土体渗透系数较低，当供水强度超过其下渗能力时，水分聚集在裂隙内部从而形成滞水区，并加强水分与周围土壤基质的交换作用[32]。因此，土壤饱和区面积随裂隙深度的增加而增加，从而提高土壤的入渗性能。此外，裂隙面积-周长比的增加则导致土体内部与空气接触面积也随之增大，进而加速土体内部水分的蒸发和土壤含水率的降低，促进土体内部裂隙在垂直和水平方向进一步发展，为水分运移提供更多优先通道，从而提高土壤的渗透系数并扩大水分渗透范围[15]。
表7 控制初始含水率条件下埂坎入渗参数与裂隙发育指标的偏相关分析
裂隙发育引起土壤入渗性能的提升，不仅会增加硝酸盐等污染物向土壤深层运移的机率，其对土体的渗流软化作用还会引起土壤抗剪性能劣化，从而造成埂坎垮塌等现象。因此抑制土壤开裂对埂坎的维护实践具有现实意义。在修筑埂坎时可考虑添加麦壳、生物碳等添加物来改变土壤塑性，降低土壤收缩程度从而抑制裂隙的产生。此外，生物埂作为植物篱和埂坎的复合体，植被覆盖的增加可有效调节土体湿度和温差，从而降低土壤开裂的可能性；植物根系的延展也能有效固定土壤，通过增加土体强度来抑制裂隙的发展。
需要说明的是，影响土壤入渗因素较多。裂隙作为水分运移的主要通道，其形成与发育是空间立体的，单纯研究表层土体裂隙发育强度对土壤入渗的影响具有一定局限性，在后续研究中需进一步从裂隙连通性、空间立体结构方面对土壤入渗展开研究。
4 结 论
1）有裂隙埂坎各时段的入渗率均大于无裂隙埂坎，但其差值均随入渗时间的增加而减小。裂隙发育能提高土壤渗透性，增加土壤入渗率与累积入渗量，且增幅随裂隙发育程度的提高而增大。不同入渗参数变化存在差异，其中初始入渗率增幅达98.72%，而稳定入渗率增幅仅为88.98%。
2）在剔除初始含水率的影响后，土壤入渗性能仍与裂隙发育强度具有较好相关性。其中裂隙深度和裂隙面积-周长比与初始入渗率、平均入渗率及120 min累积入渗量呈显著正相关，而裂隙面密度仅与平均入渗率呈显著正相关（＜0.05）。
3）Kostiakov模型和Mezencev模型对不同裂隙发育程度埂坎土壤入渗过程具有较好的模拟效果,但Kostiakov模型仅在一定时间范围（＜max=(/K)1/b，式中为入渗时间，和为参数，K为饱和导水率）条件下才能有效描述有裂隙埂坎入渗过程。
[1] Yan Y, Zhen H C, Zhai X Y, et al. The role of vegetation on earth bunds in mitigating soil erosion in Mollisols region of Northeast China[J]. Catena, 2021, 196: 104927.
[2] 韦杰，史炳林，李进林. 紫色土坡耕地埂坎土壤抗剪性能对含水率的响应[J]. 农业工程学报，2016，32(20)：153-160.
Wei Jie, Shi Binglin, Li Jinlin. Response of soil shear strength to soil water content in purple soil slope cropland bunds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(20): 153-160. (in Chinese with English abstract)
[3] 陈玖泓，朱磊，田军仓. 农田裂隙分布及其对土壤水分运动影响试验研究[J]. 灌溉排水学报，2016，35(2)：1-6.
Chen Jiuhong, Zhu Lei, Tian Juncang. Farmland soil-crack distribution and its impact on soil water movement[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 35(2): 1-6. (in Chinese with English abstract)
[4] 汪丁建，唐辉明，李长冬，等. 强降雨作用下堆积层滑坡稳定性分析[J]. 岩土力学，2016，37(2)：439-445.
Wang Dingjian, Tang Huiming, Li Changdong, et al. Stability analysis of colluvial landslide due to heavy rainfall[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(2): 439-445. (in Chinese with English abstract)
[5] Zhang Z B, Zhou H, Zhao Q G, et al. Characteristics of cracks in two paddy soils and their impacts on preferential flow[J]. Geoderma, 2014, 228: 114-121.
[6] Tuong T P, Cabangon R J, Wopereis M C S. Quantifying flow processes during land soaking of cracked rice soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1996, 60(3): 872-879.
[7] 张家俊，龚壁卫，胡波，等. 干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究[J]. 岩土力学，2011，32(9)：2729-2734.
Zhang Jiajun, Gong Biwei, Hu Bo, et al. Study of evolution law of fissures of expansive clay under wetting and drying cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(9): 2729-2734. (in Chinese with English abstract)
[8] Liu C, Cheng S, Yu W, et al. Water infiltration rate in cracked paddy soil[J]. Geoderma, 2003, 117(1): 169-181.
[9] 李文杰，张展羽，王策，等. 干湿循环过程中壤质黏土干缩裂缝的开闭规律[J]. 农业工程学报，2015，31(8)：126-132.
Li Wenjie, Zhang Zhanyu, Wang Ce, et al. Propagation and closure law of desiccation cracks of loamy clay during cyclic drying-wetting process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(8): 126-132. (in Chinese with English abstract)
[10] Sander T, Gerke H H. Preferential flow patterns in paddy fields using a dye tracer[J]. Vadose Zone Journal, 2007, 6(1): 105-115.
[11] Qi W, Zhang Z Y, Wang C, et al. Crack closure and flow regimes in cracked clay loam subjected to different irrigation methods[J]. Geoderma, 2020, 358:113978.
[12] 曾昌禄，李荣建，关晓迪，等. 不同雨强条件下黄土边坡降雨入渗特性模型试验研究[J]. 岩土工程学报，2020，42(S1)：111-115.
Zeng Changlu, Li Rongjian, Guan Xiaodi, et al. Experimental study on rainfall infiltration characteristics of loess slopes under different rainfall intensities[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(S1): 111-115. (in Chinese with English abstract)
[13] 郑欣，程金花，张洪江，等. 北京地区2种类型土壤优先流染色形态特征及其影响因素[J]. 水土保持学报，2018，32(3)：113-119，131.
Zheng Xin, Cheng Jinhua, Zhang Hongjiang, et al. Characteristics and influencing factors of preferential flow dying morphology of two soils in Beijing[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(3): 113-119, 131. (in Chinese with English abstract)
[14] 王珊珊，毕华兴，刘俊，等. 晋西黄土区不同密度刺槐林土壤入渗特征及其影响因素[J]. 水土保持学报，2020，34(5)：231-237，243.
Wang Shanshan, Bi Huaxing, Liu Jun, et al. Soil infiltration characteristics and influencing factors ofLinn. with different densities in Loss Region of Western Shanxi Province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2020, 34(5): 231-237, 243. (in Chinese with English abstract)
[15] 张展羽，陈于，孔莉莉，等. 土壤干缩裂缝几何特征对入渗的影响[J]. 农业机械学报，2015，46(10)：192-197.
Zhang Zhanyu, Chen Yu, Kong Lili, et al. Impacts of desiccation crack geometric characteristics on infiltration in soil[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(10): 192-197. (in Chinese with English abstract)
[16] Xiong D H, Long Y, Yan D C, et al. Surface morphology of soil cracks in yuanmou dry-hot valley region, Southwest China[J]. Journal of Mountain Science, 2009, 6(4): 373-379.
[17] 刘焕焕，王改玲，殷海善，等. 红枣经济林不同植被覆盖土壤水分入渗特征[J]. 灌溉排水学报，2020，39(4)：52-58.
Liu Huanhuan, Wang Gailing, Yin Haishan, et al. Characteristics of soil water infiltration in different vegetation cover of jujube economic forest[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(4): 52-58. (in Chinese with English abstract)
[18] 黎娟娟，韦杰，李进林，等. 紫色土坡耕地土质埂坎分层入渗试验研究[J]. 水土保持学报，2017，31(4)：69-74.
Li Juanjuan, Wei Jie, Li Jinlin, et al. Experimental study of different layers infiltration of soil bunds on purple-soil sloping farmlands[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(4): 69-74. (in Chinese with English abstract)
[19] 孙福海，肖波，张鑫鑫，等. 黄土高原生物结皮覆盖对土壤积水入渗特征的影响及其模型模拟[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版，2020，48(10)：82-91.
Sun Fuhai, Xiao Bo, Zhang Xinxin, et al. Effect of biocrust covering on soil water infiltration characteristics on the Loess Plateau and its simulation[J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 2020, 48(10): 82-91. (in Chinese with English abstract)
[20] Kostiakov A N. On the dynamics of the coefficient of water-percolation in soils and on the necessity of studying it from a dynamic point of view for purposes of amelioration[J]. Soil Science, 1932, 97(1): 17-21.
[21] Philip J R. The theory of infiltration: Sorptivity and algebraic infiltration equations[J]. Soil Science, 1957, 84(3): 257-264.
[22] Horton R E. An approach toward a physical interpretation of infiltration-capacity[J]. Soil Science Society of American Journal, 1941, 5(C): 399-417.
[23] Mezencev V J. Theory of formation of the surface runoff[J]. Meteorologiae Hidrologia, 1948, 3: 33-40.
[24] 徐勤学，李春茂，陈洪松，等. 喀斯特峰丛坡地灌木林地与梯田旱地土壤水分入渗特征[J]. 农业工程学报，2018，34(8)：124-131.
Xu Qinxue, Li Chunmao, Chen Hongsong, et al. Characteristics of soil moisture infiltration in shrub land and terraces dryland in Karst peaks hillslopes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(8): 124-131. (in Chinese with English abstract)
[25] 孟凡旭，王树森，马迎梅，等. 不同果农复合种植模式土壤入渗能力及其影响因素[J]. 干旱区研究，2020，37(6)：1469-1477.
Meng Fanxu, Wang Shusen, Ma Yingmei, et al. Soil infiltration ability and influencing factors under different intercropping patterns in orchards in the gully region of Loess Plateau[J]. Arid Zone Research, 2020, 37(6): 1469-1477. (in Chinese with English abstract)
[26] 刘目兴，杜文正，张海林. 三峡库区不同林型土壤的入渗能力研究[J]. 长江流域资源与环境，2013，22(3)：299-306.
Liu Muxing, Du Wenzheng, Zhang Hailin. Research on the soil infiltration capacity of different forest types in the Three Gorges Reservoir Area[J]. Resource and Environment in the Yangtze Basin, 2013, 22(3): 299-306. (in Chinese with English abstract)
[27] Liu D D, She D L. The effect of fracture properties on preferential flow in carbonate-derived laterite from karst mountainous agroforestry lands[J]. Soil & Tillage Research, 2020, 203: 104670.
[28] 王佳妮，马戌，张晓明. 干湿循环下崩岗土体裂隙发育对其渗透性能的影响[J]. 水土保持学报，2021，35(1)：90-95，102.
Wang Jiani, Ma Xu, Zhang Xiaoming. Effect of fissure development of collapsed soils on their permeability under dry-wet cycle[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2021, 35(1): 90-95, 102. (in Chinese with English abstract)
[29] 段赫，刘目兴，易军，等. 干湿交替条件下稻田土壤裂隙开闭规律[J]. 水土保持研究，2020，27(2)：370-376.
Duan He, Liu Muxing, Yi Jun, et al. Propagation and closure law of cracks in the paddy soil during drying-wetting cycle[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2020, 27(2): 370-376. (in Chinese with English abstract)
[30] 巩炜，胡广录，付鹏程，等. 干旱区沙漠-绿洲过渡带固沙植物的土壤水分入渗特征[J]. 中国沙漠，2020，40(5)：200-208.
Gong Wei, Hu Guanglu, Fu Pengcheng, et al. Soil moisture infiltration characteristics of different sand-fixing plants in the desert-oasis transition zone in arid region of China[J]. Journal of Desert Research, 2020, 40(5): 200-208. (in Chinese with English abstract)
[31] 曾铃，刘杰，史振宁. 坡积土边坡裂隙各向异性特征对雨水入渗过程的影响[J]. 交通运输工程学报，2018，18(4)：34-43.
Zeng Ling, Liu Jie, Shi Zhenning. Effect of colluvial soil slope fracture’s anisotropy characteristics on rainwater infiltration process[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2018, 18(4): 34-43. (in Chinese with English abstract)
[32] 吴美苏，周成，王林，等.根系和裂隙对土体水力和力学特性影响数值模拟[J]. 岩土力学，2019，40(S1)：519-526.
Wu Meisu, Zhou Cheng, Wang Lin, et al. Numerical simulation of the influence of roots and fissures on hydraulic and mechanical characteristics of the soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(S1): 519-526. (in Chinese with English abstract)
Water seepage in soil bunds under different crack development degrees on the purple-soil sloping farmlands
Luo Yingli1, Wei Jie1,2※, Liu Chunhong1
(1.,401331,;2.,401331,)
A sloping farmland has been widely considered a major contributor to the sediment yield in Southwestern China. Numerous measures have also been launched to control soil erosion and land degradation in recent years. Among them, the soil bund has been widely adopted for the water flow regulation of soil conservation or land reconstruction in the sloping farmlands. However, the stability of the bund depends mainly on the crack seepage under the soil conservation. The objective of the present study is to reveal the features of water seepage in the soil bunds under different degrees of crack development on the purple-soil sloping farmlands. Photography and laboratory digital image processing were also carried out to determine the degrees of crack development for the bunds in the Beibei District, Chongqing of China. Three typical purple soil bunds were selected as the cases for infiltration experiments, including the heavy, medium, and slight crack developments. The double-ring and four infiltration models were applied to simulate the infiltration process, such as the Kostiakov, Mezencev, Horton, and Phillip model. The results showed that: 1) The Crack Area Ratio (CAR) was applied to establish the four types of crack development degrees, including the slight (CAR≤3.5%), medium (3.5%
soils; infiltration; cracks; purple soil; soil bund
10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.014
S152.7
A
1002-6819(2021)-21-0116-08
罗莹丽，韦杰，刘春红. 紫色土坡耕地埂坎裂隙发育对土壤入渗的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(21)：116-123.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.014 http://www.tcsae.org
Luo Yingli, Wei Jie, Liu Chunhong.Water seepage in soil bunds under different crack development degrees on the purple-soil sloping farmlands[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 116-123. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.014 http://www.tcsae.org
2021-07-21
2021-10-20
重庆市杰出青年基金（cstc2019jycjjqX0025）；重庆英才青年拔尖人才项目（CQYC201905009）；国家自然科学基金（41471234）；重庆市基础研究与前沿探索项目（cstc2018jcyjAX0489）
罗莹丽，研究方向为水土保持与生态建设。Email: yingli0315@163.com
韦杰，博士，教授，硕士生导师，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email: wei_jie@mails.ucas.ac.cn
