張鵬，胡心雨，陳官運(yùn)，曾健，尹凱，錢建軍，張倩*

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2. 山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250000； 3. 武漢藍(lán)瑞空間信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430061)

農(nóng)田土壤水分狀況是影響作物生長發(fā)育的主要因素之一.不同的土壤水分，會對土壤的通氣狀況、熱狀況、養(yǎng)分吸收與消耗、有害物質(zhì)的產(chǎn)生等方面產(chǎn)生重大影響，最終影響作物的產(chǎn)量.土壤飽和導(dǎo)水率是土壤重要的物理性質(zhì)之一[1]，它是評價(jià)土壤透水性能好壞的重要指標(biāo)[2].土壤飽和導(dǎo)水率作為一項(xiàng)重要的土壤參數(shù)，能夠用來計(jì)算土壤剖面中水流通量，進(jìn)行土壤水-溶質(zhì)遷移與作物生長模型研究和灌溉、排水系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)等[3].影響飽和導(dǎo)水率的主要土壤特性為孔隙的幾何形狀,即總孔隙度、孔隙大小分布及彎曲度[4].

針對土壤飽和導(dǎo)水率的測定，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究[5-9].VANDEVIVERE等[10]開展了砂柱中好氧菌引起的飽和導(dǎo)水率變化的研究；VEREE-CKEN等[11]用土壤傳遞函數(shù)估算飽和導(dǎo)水率；MERTENS等[12]應(yīng)用單環(huán)入滲儀測定坡面田間飽和導(dǎo)水率.國內(nèi)學(xué)者如馬履一等[13]對京西山地棕壤和淋溶褐土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行分析；白冰等[14]對黃河三角洲濱海鹽漬土原狀土和擾動土飽和導(dǎo)水率進(jìn)行了比較分析；劉繼龍等[15]利用單環(huán)入滲法對不同土地利用方式下煙臺棕壤土的飽和導(dǎo)水率進(jìn)行了研究；雍晨旭等[16]研究了坡度對3種單環(huán)法測量坡地土壤飽和導(dǎo)水率的影響；毛娜等[17]分析了黃土區(qū)不同坡向間及同一坡向內(nèi)隨植被類型變化土壤飽和導(dǎo)水率的剖面分布特征及其影響因素.大多數(shù)研究是從田間獲取土壤進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，這種方法會對土壤產(chǎn)生一定程度的擾動，無法完全還原實(shí)地的土壤密實(shí)程度，而且土地利用類型對土壤飽和導(dǎo)水率影響方面研究較少.因此，文中在前人研究基礎(chǔ)上，采用快速而簡單的土壤飽和導(dǎo)水率單環(huán)入滲法測定土壤飽和導(dǎo)水率，利用WU等[18]提出的單環(huán)入滲過程的概化解擬合實(shí)測累計(jì)入滲量與觀測時間的關(guān)系表達(dá)式的方法，推求泰安地區(qū)草地、麥地和果樹行間裸地3種不同土地利用類型下的土壤飽和導(dǎo)水率Ks，以期為土地利用類型對原狀土飽和導(dǎo)水率的影響研究提供參考.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)所選場地為山東泰安地區(qū)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)北校景觀草地、上高莊園麥地和山東省果樹研究所泰東試驗(yàn)示范基地的果樹行間裸地.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)北校景觀草地植株高6 cm左右，該草生長能力較強(qiáng)，地表覆蓋程度較好；上高莊園麥地小麥正處于抽穗期，田間土壤硬度不大；山東省果樹研究所泰東試驗(yàn)示范基地的果樹行間裸地，果樹為栗子樹，正處于新鞘生長期，行間裸地土壤硬度不大.

試驗(yàn)地的土壤類型為棕壤土.土壤經(jīng)自然風(fēng)干、碾碎、激光粒度分布儀測定，得到土壤顆粒級配如表1所示，σ為各級顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù).

表1 土壤的顆粒組成

土壤樣本初始含水率θi的測定是在各個試驗(yàn)點(diǎn)用100 cm3的鋁盒取樣，于實(shí)驗(yàn)室稱鮮土質(zhì)量后，放于105 ℃的烘箱中烘干后稱干土質(zhì)量，通過質(zhì)量含水率計(jì)算公式得到；飽和含水率θ0的測定是在試驗(yàn)點(diǎn)用100 cm3環(huán)刀取樣，于實(shí)驗(yàn)室稱鮮土質(zhì)量后，將環(huán)刀開口置于水中4 h，水及環(huán)刀頂部，但不沒過環(huán)刀.待環(huán)刀中土樣達(dá)到飽和后，稱量飽和土質(zhì)量.然后將環(huán)刀置于105 ℃的烘箱中烘干(12 h)后稱干土質(zhì)量，通過質(zhì)量含水率計(jì)算公式得到，即

(1)

式中：θ為質(zhì)量含水率；mw為水質(zhì)量；ms為干土質(zhì)量.

文中每種土地利用類型試驗(yàn)點(diǎn)重復(fù)取3個環(huán)刀土樣、3個鋁盒土樣，3個試驗(yàn)點(diǎn)共取18個土樣.各試驗(yàn)點(diǎn)測得的土樣參數(shù)取平均數(shù).

最終土壤樣本初始含水率θi和飽和含水率θ0的測定結(jié)果如表2所示.

表2 不同土地利用類型下土壤的初始含水率和飽和含水率

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

%

土壤樣本的容重采用體積為100 cm3的環(huán)刀取土，在105 ℃下烘干12 h后測定質(zhì)量，然后通過式(2)計(jì)算得出，γ為土壤容重，mt為土壤樣本總質(zhì)量.土壤孔隙度可由土壤容重和土粒密度式(3)間接計(jì)算得出，p為孔隙度，ρ為土粒密度.各土地利用類型試驗(yàn)點(diǎn)測得的土樣參數(shù)取平均數(shù).

(2)

(3)

土壤樣本容重及孔隙度的測定結(jié)果如表3所示.由表3可知，3種土地利用類型土壤容重從小到大依次為草地、麥地、果樹行間裸地；在土壤孔隙度方面從大到小依次為草地、麥地、果樹行間裸地.

表3 不同土地利用類型下土壤的容重和孔隙度

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

土地利用類型γp草地1.321 30.501 4麥地1.389 20.475 8果樹行間裸地1.488 00.438 5

1.2 試驗(yàn)材料

文中采用較為常用的單環(huán)入滲法對土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行測量.圖1為試驗(yàn)裝置，包括量筒、鐵架臺、輸水管、閥門、直徑10 cm的入滲環(huán)等.量筒放置于水平鐵架臺上作為供水裝置；輸水管用于向入滲環(huán)中按要求輸水；閥門用于控制水流流量大小以及輸水管的開關(guān)；秒表用于記錄注水時間.

圖1 單環(huán)入滲土壤飽和導(dǎo)水率測量裝置

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

1.3 數(shù)學(xué)模型

單環(huán)入滲試驗(yàn)是測量土壤水分入滲速率及土壤飽和導(dǎo)水率較為常用的方法.基于土壤條件相同情況下，單環(huán)入滲的入滲速率是一維入滲時的f倍(f是與試驗(yàn)土壤初始條件、周邊條件及入滲環(huán)形狀有關(guān)的參數(shù))的假定，以及入滲環(huán)中水分在土壤中屬于三維運(yùn)動，WU等[18]在前人研究基礎(chǔ)上得出了單環(huán)入滲過程的概化解.當(dāng)概化解與測定入滲曲線結(jié)合后，得到累計(jì)入滲量的求解公式[15]為

I=afKst+2bfKs(tTc)0.5，

(4)

或

I=At+Bt0.5，

(5)

土壤飽和導(dǎo)水率的計(jì)算公式為

(6)

式(6)即文中土壤飽和導(dǎo)水率Ks的求解模型.

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為保證土壤樣本真實(shí)情況不被破壞，試驗(yàn)前土壤樣本不進(jìn)行任何處理.連接并布置試驗(yàn)裝置，將入滲環(huán)垂直打入地下10 cm，入滲環(huán)頂端在打入地下過程中始終保持水平，并將尼龍網(wǎng)覆蓋于入滲環(huán)內(nèi).尼龍網(wǎng)用于防止水流對地面的沖刷，減小水流對原狀土的擾動.試驗(yàn)時，向量筒中注水2 L，打開閥門，秒表開始記錄注水時間.當(dāng)入滲環(huán)中水位達(dá)到5 cm時，記錄所用時間及量筒內(nèi)水位.此后，一直維持入滲環(huán)中水位在5 cm，記錄每入滲100 mL的水量所用的入滲時間，每次試驗(yàn)測量時間為120 min.每個試驗(yàn)場地選取3個試驗(yàn)點(diǎn)，各試驗(yàn)點(diǎn)間相距50 cm，將試驗(yàn)記錄相同入滲量下的入滲時間取平均值作為最終試驗(yàn)場地土地利用類型的入滲時間.根據(jù)入滲水量及入滲時間求出草地、麥地、果樹行間裸地單位面積上的累計(jì)入滲量和入滲速率,然后將所得數(shù)據(jù)代入土壤飽和導(dǎo)水率數(shù)學(xué)模型，最終求得各土地利用類型下的土壤飽和導(dǎo)水率數(shù)值.

2 結(jié)果與分析

2.1 累計(jì)入滲量

2.1.1 入滲速率與累計(jì)入滲量的研究結(jié)果

圖2，3分別為土壤水分入滲速率v和累計(jì)入滲量I的變化曲線.由圖2可知，初始入滲階段前10 min左右，由于表層土壤初始含水率不高，所以水分入滲較為迅速；隨著入滲時間t的增加，入滲速率先是急劇下降，60 min后土壤入滲速率趨于穩(wěn)定.通過入滲速率圖，可以明顯看出草地的入滲速率最大，麥地入滲速率次之，果樹行間裸地的入滲速率最小.由此看出在不同土地利用類型下，土壤入滲速率存在明顯差異性，主要原因?yàn)椴莸乇韺油寥栏采w有大量植物及其根系，使得草地表層土壤疏松，孔隙較大，土壤結(jié)構(gòu)有較好的通透性，當(dāng)水分進(jìn)入疏松的土壤后，可以沿較為寬闊的土壤通道快速流動、入滲，使得草地土壤入滲速率最大；麥地的植被覆蓋率較草地小，土壤內(nèi)孔隙較草地少，土壤疏松程度和土壤結(jié)構(gòu)通透性沒有草地好，這使得麥地入滲速率較草地??；果樹行間裸地?zé)o植物覆蓋，地表板結(jié)，土壤內(nèi)孔隙較少，所以入滲速率最小.

由圖3可知，隨著時間的延長，累計(jì)入滲量不斷增加，試驗(yàn)時間120 min內(nèi)，草地累計(jì)入滲量最大，數(shù)值為78.564 cm；麥地入滲量次之，數(shù)值為67.609 cm；果樹行間裸地入滲量最小，數(shù)值為30.082 cm.初始入滲階段10 min左右，入滲速率波動較大，累計(jì)入滲量變化值較小，最大值為麥地7.736 cm，隨著入滲時間的增加，累計(jì)入滲速率變化趨于穩(wěn)定，累計(jì)入滲量的增加值也趨于穩(wěn)定，累計(jì)入滲量與時間趨近于線性關(guān)系，這與入滲速率的變化規(guī)律相吻合.

圖2 不同土地利用方式下的土壤入滲速率

圖3 不同土地利用方式下的累計(jì)入滲量

Fig.3 Cumulative infiltration amount under different land use types

2.1.2 實(shí)測累計(jì)入滲量與觀測時間的擬合關(guān)系

通過式(5)擬合實(shí)測的累計(jì)入滲量與觀測時間的關(guān)系，得到各土地利用類型下的參數(shù)A，B見表4.表4表明，不同土地利用類型下由實(shí)測累計(jì)入滲量與觀測時間擬合方程校準(zhǔn)決定系數(shù)R均接近1，可見擬合結(jié)果能較好地反映累計(jì)入滲量與觀測時間的關(guān)系，實(shí)測值與理論值非常接近.

表4 不同土地利用類型下實(shí)測累計(jì)入滲量與觀測時間的擬合關(guān)系系數(shù)A和B

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

土地利用類型ABR2草地0.433 72.400 20.999 9麥地0.294 72.863 50.999 3果樹行間裸地0.122 01.395 70.999 6

由實(shí)測累計(jì)入滲量與觀測時間的擬合關(guān)系得到累計(jì)入滲量的表達(dá)式：

草地

I=0.433 7t+2.400 2t0.5，

(7)

麥地

I=0.294 7t+2.863 5t0.5，

(8)

果樹行間裸地

I=0.122t+1.395 7t0.5.

(9)

根據(jù)式(7)—(9)對草地、麥地、果樹行間裸地累計(jì)入滲量進(jìn)行求解并與實(shí)測累計(jì)入滲量比較，圖4為累計(jì)入滲量計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差ζ值.由圖4可知，入滲初始階段，相對誤差值較大,波動范圍也較大;隨著時間的增加，相對誤差值和波動范圍均減小并逐漸趨向于穩(wěn)定.草地、麥地、果樹行間裸地累計(jì)入滲量計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差分別在6，8，7 min后波動在5%以內(nèi)，在15,52,56 min后波動在1%以內(nèi).這是由于初始階段入滲速率變化較大，累計(jì)入滲量變化較大,導(dǎo)致相對誤差值較大.隨著時間的增加，入滲速率和累計(jì)入滲量的值趨于穩(wěn)定，相對誤差值波動范圍也趨于穩(wěn)定.通過累計(jì)入滲量的表達(dá)式對草地、麥地、果樹行間裸地累計(jì)入滲量求解值與實(shí)測累計(jì)入滲量比較分析，可見表達(dá)式計(jì)算值與實(shí)測值誤差較小，擬合累計(jì)入滲量的表達(dá)式能夠反映累計(jì)入滲量與觀測時間的關(guān)系，利用式(5)擬合累計(jì)入滲量的表達(dá)式的方法準(zhǔn)確度高、誤差小.

圖4 不同土地利用方式下的累計(jì)入滲量計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差

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

2.2 土壤飽和導(dǎo)水率

表5為不同土地利用類型下的飽和導(dǎo)水率求解結(jié)果.從表中可以看出，草地、麥地和果樹行間裸地的飽和導(dǎo)水率依次減小，分別為0.073 1，0.032 9，0.015 8，這一趨勢與土地利用類型下入滲速率、累計(jì)入滲量變化規(guī)律一致.產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因?yàn)椴莸赝寥朗杷?、孔隙較大、通透通道寬闊，有利于入滲水分在土壤中的流動，水分可以由土壤孔隙更迅速地下滲；麥地土壤較草地疏松程度以及孔隙度小、結(jié)構(gòu)通透性差，使得土壤飽和導(dǎo)水率較小；果樹行間裸地的土壤結(jié)構(gòu)性最差、容重最大、孔隙度最小，因而其飽和導(dǎo)水率最小.

表5 不同土地利用類型下的土壤飽和導(dǎo)水率的求解結(jié)果

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

土地利用類型λsTcKs草地64.143 1223.366 70.073 1麥地105.664 1688.306 50.032 9果樹行間裸地88.569 5953.892 50.015 8

3 結(jié) 論

利用快速而簡單的土壤飽和導(dǎo)水率單環(huán)入滲法，從顆粒級配、土壤含水率、容重、孔隙度等物理性質(zhì)出發(fā)，研究分析了泰安地區(qū)草地、麥地、果樹行間裸地3種土地利用類型試驗(yàn)點(diǎn)的土壤飽和導(dǎo)水率，得到以下結(jié)論：

1) 草地、麥地、果樹行間裸地3種土地利用類型對應(yīng)的Ks、入滲速率、累計(jì)入滲量具有相同的變化趨勢.草地、麥地、果樹行間裸地的飽和導(dǎo)水率、入滲速率以及累計(jì)入滲量依次減小.

2) 利用單環(huán)入滲過程的概化解，擬合實(shí)測累計(jì)入滲量與觀測時間的關(guān)系表達(dá)式對累計(jì)入滲量進(jìn)行估算，累計(jì)入滲量計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差較小，可見此擬合累計(jì)入滲量的表達(dá)式的方法準(zhǔn)確度高、誤差小.

3) 推求了草地、麥地和果樹行間裸地3種不同土地利用類型下的土壤飽和導(dǎo)水率Ks，數(shù)值分別為0.073 1，0.032 9，0.015 8，以期為不同土地利用類型對原狀土飽和導(dǎo)水率的影響研究提供參考.