影响土壤水分入渗特性主要因素的试验研究

符泉

摘要：在流域评价中，土壤导水性是一个重要的评价指标，这一性能与地表径流、地下水补给、土壤侵蚀等都存在着紧密的关系。在专业领域，土壤导水性又被称为土壤入渗特性。土壤的研究与评价中，土壤的水源涵养能力、抗侵蚀能力最终都是有土壤入渗特性来反映的，在对土壤侵蚀问题的全过程的分析中，影响土壤入渗特性的因素非常多，只有做好了相关参数的科学控制，方能够保持土壤最佳的水分入渗特性。

关键词：土壤水分；入渗特性；因素；试验

近年来，伴随着我国农业现代化的发展，农田灌溉中越来越关注土壤入渗特性的研究，作为自然界水循环中的一个重要组成部分，对土壤水分入渗特性的研究非常关键。对于任何一种土壤资源而言，入渗特性都属于其固有特性，这一指标是否处于正常标准内，将会与灌溉水转换为土壤水的速率和分布有着紧密的聯系。因此，随着当前可持续发展目标的推进，无论是在农业生产还是生态环境保护中，都越来越关注土壤水分入渗特性。土壤入渗过程的动态化特征明显，在此过程中，诸多因素都会影响这一特性，为保障相关策略与土壤这一特性的对应性，应加强各种影响因素的控制。

为开展土壤水分入渗特性影响试验的研究，选取了数百组大田，在这些地方开展了土壤水分入渗试验，为保障试验结果的准确性，将90分钟累积入渗量（H90）作为土壤入渗能力的直接评估指标。经由最终的试验结果得知，土壤质地对土壤入渗能力有着一定的影响，其中，将粒径在0.02毫米的黏粒函数百分数作为土壤质地物理量，在这一条件下所获得的分析结果相对可靠。

土壤中固相物质各粒级土粒的配合比例就是土壤质地，这一指标是土壤性质评估中的关键因素，土壤质地又会对土粒表面能、土壤孔隙尺度、分布等产生些微干扰，通过土壤质地对这些因素的影响，土壤水分运动的驱动力、水力传导度最终发生了一定的变化，土壤水分入渗能力也就随着这一系列的变化而受到了影响。从实际的试验结果和生产经验可得，土壤质地与土壤的吸附能力、粒间孔隙、吸水和保水能力存在着不可分割的关系，当土壤质地越重、粘粒含量越高、颗粒越细、固体相比表面积越大、表面能越高、吸附能力越大的情况下，对应的土壤吸水和保水能力越好。通常情况下，重质土壤孔隙要小于轻质土壤，在土壤结构、含水率、水势梯度等同的条件下，重质土壤的水力传导度要略微小于轻质土壤，这也就意味着重质土壤的水分入渗能力相对较差。

土壤颗粒在不同的排列和组合形式下，也就形成了不同类型的土壤结构，因此，土壤结构作为土壤的一个重要指标，具体指的就是土壤颗粒之间所存在的排列和组合方式。土壤结构对土壤入渗能力的影响是通过土壤孔隙情况来反映的，因为在不同的土壤孔隙条件下，水力传导度、水分运动驱动力也呈现出不同的形态，最终使得土壤水分入渗能力受到了影响。相关学者经由大量的试验，部分学者认为土壤结构与质地是决定饱和水力传导度的直接因素；部分学者认为原状土与扰动土的饱和导水率与团聚度、结构系数之间存在一定的关联性，总体上呈现出负相关关系。

在土壤的物理化学性质研究中，土壤容重同样是一个重要的概念，具体指的是土壤在单位体积内的排列松紧度，基于其概念特殊性，土壤容重大小也就代表着土壤的坚实度、孔隙度，对于土壤透气性、入渗能力、持水能力、溶质迁移特征等都会存在或大或小的干扰。在土壤容重越大的情况下，也就意味着土壤的孔隙度越小、渗透能力较差。在容重不断增大的过程中，累积入渗量减少的减渗率在入渗过程中并没有明显的变化，为一个固定量，与容重为1.3克/立方厘米土壤的累积入渗量是相同的。在入渗时间相同的前提下，随着土壤容重的逐步增大，累积入渗量随之呈现出逐步减小的趋势。蒋定生建立了第1分钟末黄土高原土壤入渗速率与表层容重的定量负相关关系方程，在此前提下，详细分析了土壤水分入渗特性的影响因素，最终得出，不同的土壤类型下，其物理性质也有着明显的区别，最终也就对土壤入渗特性产生了直接的影响。比如，在相同坡度和降雨条件下，紫色土的稳定入渗率大大高于黄壤，甚至达到了黄壤的1.22倍，这一性质主要是由于紫色土的土壤物理性质所造成的，因为紫色土的容重小、孔隙度大。

土壤中的物质构成相对复杂，其中，土壤基质是其中的重要构成，基质是重要的介质，是影响土壤孔隙的重要因素，当土壤基质有所差异时，也就意味着土壤孔隙情况有所不同，在这一影响关系下，土壤物质、能量的运移也表现出各自的特征。专业学者研究了土壤质地与稳定入渗率、结构因子与稳定入渗率二者之间的关系，发现结构因子与稳定入渗率之间的关系更为明显，尤其是有效孔隙率与稳定入渗率之间呈现出明显的相关性。此外，土壤毛管和非毛管孔隙度也会在一定程度上对土壤入渗能力产生一定的影响，但非毛管孔隙对土壤入渗能力的影响更为直接，伴随着土壤孔隙度的增大，土壤中的纵向和横向水分渗透速率都显著增大，渗透时间相对较短，也就为一定范围内的土壤水分渗透提供了良好的前提。土壤中活性孔隙的增加，也可以给土壤水分的下渗创造良好的条件，尤其是对于土壤中的生物性大孔而言，其更是可以伴随着一定优势流的产生，提升了稳定入渗速率。伴随着土壤孔隙度的逐步增大，土壤饱和导水率也显著增大，对于≥0.1厘米的大孔隙体积而言，土壤的饱和导水率相关性更为突出，当相关系数达到了0.9以上，意味着土壤导水大孔隙的大小、数量对土壤饱和入渗能力的影响最为直接。

根据对数百组大田土壤水分入渗试验，发现这些大田土壤入渗过程基本在90分钟左右保持在了相对稳定的条件下，因此，将90分钟累积入渗量作为土壤入渗能力的反映指标最为有效。

根据最终的试验数据与结果分析，发现在土壤初始含水率升高的情况下，土壤入渗量反而逐步降低，二者呈现出明显的负向变化关系。从实际来看，土水势梯度、水力传导度是影响入渗量大小的关键因素，土壤含水量对土壤水分入渗能力的影响是通过入渗水流湿润区的平均势梯度来实现的。在土壤含水率越高的条件下，意味着水分入渗锋面的土水势越高，此时，水分入渗锋面与地表的平均势梯度也就越小，在这一系列的影响过程中，土壤的入渗通量也相对较小，也就是土壤的入渗能力较差。

土壤中含有一定的有机质，有机质的存在可以改变土壤中的团聚体数量，这种影响最终会对土壤的入渗能力产生一定的干扰。土壤孔隙在很多时候是由土壤中的团聚体大小与数量来反馈的，当土壤中的有机质含量较高时，也就意味着其中的团聚体数量较多，土壤具有稳定性好、孔隙率大、孔隙尺度大、连通性好的特征，当处于单位势梯度条件下，土壤水分的通量也相对较大。因此，土壤水力传导度与土壤入渗能力也存在直接的关系，在水力传导度越大的情况下，土壤的入渗能力也相对较强。

土壤气体的交换能力也就指的是土壤的通气性，在很多时候，良好的土壤通气性对应着土壤内良好的空气质量，也就为植物生长、微生物活动创造了良好的条件。从本质上来看，土壤中气体体积在总孔隙体积中的比例决定着土壤的通气性。当土壤总孔隙体积保持在相对稳定的条件下时，液相和气相之间相互消长。水分在土壤中始终处于一定的运动条件下，而其运动状态正是液相不断排出气相的过程，如果土壤内部相对畅通，水分运动可以正常进行，气相的存在不会对该运动过程产生任何的影响。但如果采用的是地面灌水方式，一旦缺乏对水流推进速度的控制，在水流推进速度过快的情况下，一旦土壤中的空气来不及排除，这些空气将会被积水禁锢，水分运动的过程中将伴随着较大的阻力，受到气相的较大干扰，土壤入渗速率将大大降低。

在结构性土壤的最表层，雨滴打击非常频繁，在反复的雨水打击下，逐步在土壤表层中形成了低孔隙度、高容重和低导水率的结皮。通常情况下，在结构相对稳定的土壤中，如果出现了入渗能力降低的现象，一般是由于入渗的同时基质势减小所引起的，而在结构稳定性不足的土壤中，土壤入渗能力在初始状态下是非常高的，但伴随着入渗过程，其入渗能力显著降低，这一变化趋势主要是由于土壤结构破坏和表土结皮产生所引起的。从表土结皮的形成过程来看，在反复的雨滴打击和雨滴湿润压力下，土壤表层团聚体逐步被破坏，在分离作用下形成了许多分散的颗粒，这些颗粒逐步将土壤表面的孔隙填充好，土壤表面压实以后，耕作层土壤的渗透率相对较高，是淋入层渗透率的200倍，结皮层的2000倍。土壤结皮具有紧密坚硬性，完全可以将土壤水分的入渗通道堵住，从这个角度来看，土壤入渗率有所降低，地表径流所引起的土壤侵蚀问题愈发严重。

在土壤水分入滲特性的影响因素中，植被覆盖和耕作同样是关键性的影响因素，植被覆盖与耕作方式下，土壤的物理特性难以保持原状，正是因为植被覆盖和耕作方式的区别，土壤的孔性、渗透性也表现出各自的特点，最终使得土壤水分入渗呈现出其特殊性。事实上，植被覆盖对于土壤水分下渗的影响过程分析是相对复杂的，在当前的研究领域，并不能完全实现定量数据分析和评价，一般都采用的是定性研究的方法。此外，不同类型的林地土壤初渗速率、稳渗速率与土壤容重、孔隙度关系的变化基本保持在了同步变化趋势下。耕作方式对土壤入渗特性的影响方面，现有的很多研究中，关于这方面的研究结果存在着较大的差异，比如，一些研究发现，保护性耕作增大了土壤入渗和储水容量，而传统的耕作方式下，土壤饱和入渗率相对较低；免耕土壤的饱和导水率要远远高于传统耕作的土壤渗透性。

土壤水分入渗特性的研究中，降雨强度同样是需关注的一个因素，降雨量、强度最终影响的是土壤表面所能够承接的水量、土壤表面特征、土壤导水性能。针对当前土壤强度对土壤入渗速率的影响，存在着一些争议性的观点，其中，最具代表性的两种观点为：（1）土壤稳定入渗率与降雨强度呈正向变化的关系，当降雨强度增大的情况下，土壤的稳定入渗率也呈不断增大的趋势，这一观点下，雨滴打击时产生的冲力对于入渗速率的影响是较为明显的，这一冲力作用不仅增大了入渗水流的运动速率，更是使得部分静止毛管水加入到了渗水流。（2）土壤稳定入渗率与降雨强度呈反向变化，下雨强对于土壤的打击破坏作用更为明显，在雨强越大的情况下，其对于土壤的破坏力也越大，在降雨的同时所形成的径流携带的侵蚀土壤颗粒将会堵塞地表土壤孔隙，最终使得土壤的降雨入渗速率大大降低。但无论在这一方面的研究中坚持的是哪种观点，在不同的研究对象下，所获得的结论也将存在差异，因此，在土壤水分入渗特性的研究中，应从定量和定性相结合的角度来分析。

近年来，伴随着土壤水分入渗特性研究的深入推进，专业人员在此研究方面做出了大量的探索和实践，但很多的研究依旧停留在土壤物理性质领域，尚存在很多的研究不足，未来随着研究的深入，土壤水分入渗特性方面的影响因素分析将更为细化。但很多影响因素与土壤水分入渗特性之间的关系分析方面，很多集中在定性方面，缺乏定量化研究，未来专业人员应开展更为深入的研究，通过定量结果的获得来实现研究成果的推广和利用。