趙青陽, 岳大鵬, 趙景波, 胡 倩, 馬愛華

(陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 陜西 陜西 710119)

黃土高原是我國水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，在多年實(shí)施“退耕還林(草)”工程后，現(xiàn)階段水土流失已得到控制。水土流失會(huì)導(dǎo)致土壤肥力下降以及農(nóng)田遭到破壞、氣候條件變差等嚴(yán)重后果。黃土洼位于陜西省子洲縣南部，土壤類型有黃土和部分淤積地，具有入滲速率較快、保水能力差等特性[1]。土壤入滲是指降水或灌溉水在進(jìn)入土壤的過程中向下流動(dòng)形成土壤水的過程，是大氣降水、土壤水、地表水和地下水相互轉(zhuǎn)化的中心環(huán)節(jié)[2]。土壤入滲能力的變化規(guī)律一般可分為水平方向與垂直方向[3]。有學(xué)者[4]研究發(fā)現(xiàn)，土壤入滲性能與水土流失密切相關(guān)，土壤入滲率越高，地表徑流量越小，發(fā)生水土流失的強(qiáng)度就越小。學(xué)者們[5-8]對黃土高原區(qū)土壤入滲的研究主要集中在坡耕地，取得了許多研究成果。子洲黃土洼有著黃土高原已知淤積年代最久遠(yuǎn)的全沖全淤型天然淤積地，將淤積地與其他不同植被風(fēng)成黃土上的表層土壤入滲率進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?，用來研究黃土洼地區(qū)不同土壤入滲速率的特點(diǎn)，對于淤積土和風(fēng)成黃土上的土壤入滲率差異及其對水土流失的影響有著重要的意義。半干旱黃土地區(qū)土壤滲透性能反映了土壤的重要水文過程，據(jù)此可研究一定降水條件下土壤的徑流量、流速、入滲量等，這也是進(jìn)行水土保持措施設(shè)置的重要參考因素[9]。

1 研究區(qū)概況

黃土洼位于陜西省榆林市子洲縣南部裴家灣鎮(zhèn)(37°19′N，109°59′E)，向北距離子洲縣50 km，向東距離綏德縣22.5 km，地處無定河一級支流淮寧河中游南岸的龐家溝流域，是淮寧河與清澗川支流秀延河的分水嶺，海拔為1 058～1 274 km。壩內(nèi)流域主溝道長4.21 km，呈南北走向，在主溝道兩側(cè)形成了8條支流，溝底形成的天然聚湫海拔為1 053 km左右。大約距今440 a，黃土洼溝谷南側(cè)九牛山山體滑塌堵塞了溝谷，經(jīng)過漫長的泥沙淤積形成了全沖全淤型天然聚湫[10]。黃土洼處于中溫帶與暖溫帶之間的半干旱區(qū)域，屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水428.1 mm，夏季降水多，冬季降水少[11]。黃土洼屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第I副區(qū)，是典型的黃土高原丘陵地貌，以草本植被為主，也有部分木本植物。由于黃土洼降水、地形、土質(zhì)等各方面的綜合影響，水災(zāi)、旱災(zāi)和霜凍災(zāi)害在該區(qū)域容易發(fā)生。

2 研究方法

2.1 野外雙環(huán)入滲試驗(yàn)方法

本文研究土壤入滲試驗(yàn)所用方法為雙環(huán)入滲法[12]。選取比較平整的地段，避開土壤裂隙、孔洞等影響因素。將雙環(huán)嵌套放置在平坦面上，內(nèi)外環(huán)的直徑分別為30和50 cm，高度都為15 cm，用橡膠錘將雙環(huán)均勻緩慢地打入地下5 cm深，盡量保持雙環(huán)兩側(cè)的土壤結(jié)構(gòu)不受破壞，并且保證雙環(huán)底端與土壤的密封，以免環(huán)中的水流出環(huán)外。此外需在環(huán)內(nèi)鋪墊一層碎石，避免在加水的過程中水的沖擊力對土壤產(chǎn)生破壞。做好準(zhǔn)備工作后，向雙環(huán)內(nèi)同時(shí)開始加水至雙環(huán)同時(shí)到5 cm高度時(shí)開始用秒表計(jì)時(shí)(用兩只秒表同時(shí)計(jì)時(shí)以防出現(xiàn)失誤)，并將5 cm作為之后每次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)高度。在水分不停下滲的同時(shí)，需時(shí)刻關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)刻度線并保持加水，使得液面始終保持在5 cm，當(dāng)加入500 ml水后記錄所需時(shí)間。反復(fù)進(jìn)行相同操作，在進(jìn)行多組試驗(yàn)后，水的入滲開始減慢并逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)最后連續(xù)3次試驗(yàn)加入500 ml水的入滲時(shí)間保持基本相同時(shí)，說明水的入滲速率已經(jīng)穩(wěn)定，即可結(jié)束該點(diǎn)的試驗(yàn)。每個(gè)樣地重復(fù)3次。

入滲速率的計(jì)算公式為：

式中：V——某一時(shí)刻土壤入滲率(mm/min)；Qn——第n次測定時(shí)間內(nèi)加水量(ml)；S——內(nèi)環(huán)的橫截面積(cm2)；Tn——第n次測定時(shí)間間隔(min)[13]。

將前10 min的入滲速度作為土壤的初始入滲率，初始入滲率則可以用最初入滲時(shí)段內(nèi)入滲量與10 min之比得出。穩(wěn)定前的入滲率是速度達(dá)到穩(wěn)定前瞬間時(shí)刻的入滲速率，視具體情況而定。穩(wěn)定入滲率為單位時(shí)間內(nèi)入滲量趨于穩(wěn)定階段的入滲速率。

2.2 入滲試驗(yàn)點(diǎn)選擇

在研究區(qū)所有樣地中，只有斜坡草地屬于坡度大約為15°的坡面土地，其他樣地均為平坦土地。在棗樹林地、杏樹林地、平坦草地及斜坡草地各選取3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，在淤積玉米地內(nèi)均勻選取6個(gè)試驗(yàn)樣地，從距離壩最遠(yuǎn)處開始，由上游至下游依次編號A樣地至F樣地，每個(gè)樣地選3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，共計(jì)30個(gè)入滲試驗(yàn)點(diǎn)。

2.3 土壤粒度測定方法

在棗樹林地、杏樹林地、平坦草地及斜坡草地各選取1個(gè)采樣點(diǎn)，在淤積玉米地內(nèi)均勻選取6個(gè)采樣點(diǎn)，共計(jì)10個(gè)粒度采樣點(diǎn)。在這10個(gè)樣地分別用土鉆采取2 m深的樣品，采用10 cm間隔采樣，共采集200個(gè)土樣，將所采樣品裝袋密封并進(jìn)行排序(表1)。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，進(jìn)行自然風(fēng)干、之后去除有機(jī)質(zhì)、去除次生碳酸鹽類、中和，最后用英國Malven公司生產(chǎn)的Matersizer 2000激光粒度儀進(jìn)行粒度測定，最終結(jié)果取3次測試的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 淤積地土壤的入滲率與入滲過程

土壤滲透性能是評價(jià)土壤物理特征的重要參考因素，滲透性能的好壞直接影響著地表產(chǎn)流和水分入滲的多少[14-15]。在淤積玉米地的18個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中，選取重復(fù)性較好的6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行入滲速率的分析(圖1)?？芍?，整體上研究區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)的入滲速率都遵循著穩(wěn)定的變化規(guī)律。在入滲初期階段，土壤入滲速率很快，隨著時(shí)間的進(jìn)行速率減慢，最后入滲速率達(dá)到穩(wěn)定的階段。

表1 樣地類型、分布及粒度編號

圖1 淤積玉米地土壤入滲速率與3種方程的擬合曲線

由圖1可知，位于上游的A樣地(4.97 mm/min)、B樣地(2.13 mm/min)、C樣地(2.48 mm/min)和D樣地(3.19 mm/min)初始入滲率較高，位于下游的E樣地(1.06 mm/min)、F樣地(1.7 mm/min)初始入滲率較低，從上游到下游的初滲率呈逐漸減小的趨勢。當(dāng)入滲進(jìn)行一段時(shí)間后，土壤的入滲速率變得緩慢，之后入滲速率達(dá)到逐漸穩(wěn)定的狀態(tài)。A樣地到F樣地穩(wěn)定入滲速率分別為1.10，0.99，0.90，0.90，0.78和0.69 mm/min，從上游到下游的穩(wěn)滲率也呈減小的趨勢。

3.2 風(fēng)成黃土的土壤入滲率與入滲過程

在風(fēng)成黃土的12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中，選擇重復(fù)性較好的4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行入滲速率的分析(圖2)可知，棗樹林地、杏樹林地、平坦草地和斜坡草地的初滲率分別為2.13，2.81，2.98和2.48 mm/min，這4個(gè)樣地的初滲率差異明顯。當(dāng)入滲進(jìn)行了一段時(shí)間后，土壤入滲率的下降趨勢變得較為緩慢，之后入滲速率達(dá)到逐漸穩(wěn)定的狀態(tài)。平坦草地(1.91 mm/min)的穩(wěn)滲率最大，其次是杏樹林地(1.56 mm/min)、斜坡草地(1.54 mm/min)和棗樹林地(1.47 mm/min)，這3個(gè)樣地的穩(wěn)滲率很接近。

3.3 淤積地土壤與黃土土壤入滲率的對比

對淤積地土壤與黃土土壤的入滲率進(jìn)行分析對比(表2)可知，淤積地的穩(wěn)滲率在0.69～1.10 mm/min之間，黃土土壤的穩(wěn)滲率在1.54～1.91 mm/min之間。黃土上的土壤的穩(wěn)定入滲率明顯大于淤積地土壤。

圖2 風(fēng)成黃土土壤入滲速率與3種方程的擬合曲線

表2 黃土洼不同植被土壤入滲特征值

樣地類型初始入滲率/(mm·min-1)穩(wěn)定前入滲率/(mm·min-1)穩(wěn)定入滲率/(mm·min-1)平均入滲率/(mm·min-1)累計(jì)入滲量/ml斜坡草地2.481.701.541.9078.1平坦草地2.982.441.912.4663.9棗樹林地2.131.581.471.6785.2杏樹林地2.811.611.562.0256.8淤積玉米地A4.971.251.101.80177.5淤積玉米地B2.131.250.991.2356.8淤積玉米地C2.481.030.901.2278.1淤積玉米地D3.191.440.901.6185.2淤積玉米地E1.060.950.780.8956.8淤積玉米地F1.700.820.690.8756.8

3.4 土壤入滲速率的擬合

土壤的入滲速率都會(huì)隨著時(shí)間遞減，有的植被表層土壤入滲率遞減得快，而有的植被表層土壤入滲率遞減得較慢[16-17]，分析不同植被的土壤入滲特點(diǎn)。采用考斯加可夫(Kostiakov)模型、霍頓(Horton)模型以及通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行擬合[18,19]，比較不同模型的擬合效果。不同類型植被的土壤入滲方程擬合效果存在著差異。

考斯加可夫公式為：

f(t)=at-b

式中：f(t)——入滲速率；t——入滲時(shí)間；a，b——由試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的參數(shù)。當(dāng)t趨于無窮大的時(shí)候，f(t)趨于0；當(dāng)t趨于0的時(shí)候，f(t)趨于無窮大。只有在水平吸滲的情況下才能出現(xiàn)t趨于無窮大，垂直條件下是不符合的。但在一般實(shí)際情況下，只要確定入滲時(shí)間t后，用此公式來擬合入滲速率比較準(zhǔn)確。

a值表示的是第一階段時(shí)間內(nèi)平均土壤入滲速率的系數(shù)，與黃土的初始含水量以及土壤容重有密切關(guān)系[20-22]。一般來說，a值越大，土壤的初始含水量越高。b值越大，入滲速率會(huì)隨著時(shí)間減小得越快，b值越小，入滲速率隨著時(shí)間減小得越慢。

霍頓公式為：

f(t)=fc+(f0-fc)e-kt

式中：k——特征常數(shù)；f0——初始入滲速率；fc——穩(wěn)定入滲速率；k——常數(shù)，決定著f(t)從初滲率 減小到穩(wěn)滲率fc的速度；t——入滲時(shí)間。此公式缺少一定經(jīng)驗(yàn)性，但由于使用起來方便，至今仍被廣泛應(yīng)用。

通用經(jīng)驗(yàn)公式：

f(t)=c+dt-n

式中：c，d——土壤初滲率和穩(wěn)滲率；n——經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，需根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出；t——入滲時(shí)間。

選取淤積地和風(fēng)成黃土10個(gè)樣地的入滲試驗(yàn)曲線與3種入滲經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合，將擬合得到的相關(guān)系數(shù)和參數(shù)進(jìn)行更詳細(xì)的分析(表3)可知，所選取的10組數(shù)據(jù)用考斯加可夫公式擬合時(shí)a值變化范圍較大，在2.09～16.03之間，淤積地A樣地的a值最大，E樣地的a值最小。除了淤積地C樣地與F樣地，其余試驗(yàn)點(diǎn)a值大小順序與實(shí)際計(jì)算出的初滲率大小順序相同，說明考斯加可夫公式擬合結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差較小。公式中b值反映了土壤入滲速率隨著時(shí)間減小的速度，其范圍較小，在0.26～0.55之間。淤積地F樣地的b值最大，棗樹林地的b值最小，說明黃土洼淤積地F樣地入滲速率隨著時(shí)間遞減最快，棗樹林地的土壤入滲速率隨著時(shí)間遞減最慢?；纛D模型擬合結(jié)果與實(shí)測入滲數(shù)據(jù)的相關(guān)性一般，其相關(guān)系數(shù)R2在0.66～0.97之間。初滲率和穩(wěn)滲率最大的分別為A樣地和平坦草地，最小的分別為E樣地和F樣地，其排序與實(shí)際入滲數(shù)據(jù)結(jié)果存在著一些誤差，擬合效果一般。從擬合結(jié)果來看，所有點(diǎn)中初滲率和穩(wěn)滲率最大的分別是杏樹林地和斜坡草地，最小的分別是斜坡草地和棗樹，與實(shí)際測量得到的結(jié)果存在著很大偏差。用通用經(jīng)驗(yàn)公式與入滲曲線進(jìn)行擬合效果整體不好。綜合以上3種經(jīng)驗(yàn)入滲模型與實(shí)測入滲數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)以及擬合程度來看，考斯加可夫公式能較準(zhǔn)確的描述研究區(qū)內(nèi)土壤入滲速率的變化。

表3 黃土洼3種入滲經(jīng)驗(yàn)公式中參數(shù)的回歸分析結(jié)果

3.5 研究區(qū)粒度與孔隙度的分析

土層入滲率與粒度成分密切相關(guān)，為查明研究區(qū)粒度成分對入滲率的影響，對10個(gè)試驗(yàn)樣地共200個(gè)樣品進(jìn)行粒度分析。按照本研究的目標(biāo)和實(shí)際情況，本文采用的是烏登—溫德華(Udden-Wentworth)粒級標(biāo)準(zhǔn)[23]，這也是我國海洋局常用的標(biāo)準(zhǔn)粒級分類方法，以公式D=2-α[24]。算出粒級間距，如256，128，64，16，…，1/256(mm)，這種分級標(biāo)準(zhǔn)方法嚴(yán)謹(jǐn)且便于計(jì)算。得出的不同試驗(yàn)樣地的土壤顆粒組成(表4)。

對黃土洼不同植被土壤粒級進(jìn)行分析(表4)可知，黃土洼試驗(yàn)樣地2 m土層以上的土壤顆粒組成以粗粉砂、細(xì)粉砂為主，其中粗粉砂(0.016～0.063 mm)的含量最高，變化范圍在46.21%～54.59%之間，平均含量為50.97%。細(xì)粉砂(0.004～0.016 mm)含量在19.96%～30.66%之間，平均含量為26.04%。極細(xì)砂、細(xì)砂、中砂和粗砂所占比重極其小。這10個(gè)樣地平均粒徑大小表現(xiàn)為：杏樹林地>平坦草地>棗樹林地>C樣地>B樣地>A樣地>F樣地>斜坡草地>E樣地>D樣地。從整體情況來看，風(fēng)成黃土比淤積地土壤平均粒徑大。淤積地上游A樣地、B樣地和C樣地的平均粒徑比下游D樣地、E樣地、F樣地的大一些。

表4 黃土洼不同植被土壤粒級分析

對不同植被土壤的孔隙度進(jìn)行分析(表5)可知，這10個(gè)樣地0.5 m深處土壤平均孔隙度大小表現(xiàn)為：平坦草地>斜坡草地>杏樹林地>棗樹林地>A樣地>C樣地>B樣地>D樣地>E樣地>F樣地。研究區(qū)土層上部50 cm以上的土層孔隙度較高，在44.85%～57.15%，大約有1/3樣品的孔隙度大于50%，在垂向上隨著土層深度減小。由此可見，淤積地土壤孔隙度較低，風(fēng)成黃土上的土壤孔隙度較高。風(fēng)成黃土中平坦草地土壤孔隙度最大，棗樹林地土壤孔隙度最小。淤積地上游A樣地、B樣地、C樣地的土壤孔隙度比下游D樣地、E樣地、F樣地土壤孔隙度要大。

表5 黃土洼不同植被土壤孔隙度變化

4 討 論

4.1 不同類型樣地入滲率差異原因

這10個(gè)樣地的穩(wěn)定入滲速率相差較大，具體表現(xiàn)為:平坦草地>杏樹林地>斜坡草地>棗樹林地>A樣地>B樣地>C樣地>D樣地>E樣地>F樣地。明顯看出草地和林地都比淤積玉米地各樣地的穩(wěn)滲率大。淤積玉米地的各樣地中，在下游距離壩較近的F樣地入滲率最低，在上游距離壩最遠(yuǎn)的A樣地入滲率最高。研究區(qū)中地勢較高的草地林地為風(fēng)成黃土，主要由風(fēng)力作用形成，呈灰黃色，粒度均一。淤積玉米地為水成土層，是受到流水沖刷搬運(yùn)而堆積形成的黃土。發(fā)生地表侵蝕性降雨后，地表形成徑流攜帶著泥沙進(jìn)入溝谷內(nèi)，水動(dòng)力不足以搬運(yùn)較粗顆粒物質(zhì)時(shí)，粗顆粒物質(zhì)逐漸堆積，而細(xì)顆粒物質(zhì)繼續(xù)隨著徑流運(yùn)移，到平緩穩(wěn)定的環(huán)境下也逐漸沉積[25]。水成黃土土壤顆粒以粉砂為主，并具有水平層理構(gòu)造[26]，這種水平層理構(gòu)造大大減緩了水分垂向入滲的能力。因此，不同的土層形成原因是淤積玉米地和草地林地入滲率差異的主要因素。這10個(gè)樣地50 cm土層深度的平均孔隙度大小表現(xiàn)為：平坦草地>斜坡草地>杏樹林地>棗樹林地>A樣地>D樣地>C樣地>B樣地>E樣地>F樣地。總的來看，林地和草地都比淤積玉米地的孔隙度高。有研究[27]表明，土壤容重增大，非毛管空隙越少，水分在土壤中的入滲速度越慢。此外，風(fēng)成黃土富含根孔等大孔隙而淤積地土壤大孔隙不發(fā)育，土壤孔隙直徑小，連通性差，也會(huì)使水分入滲的速率減慢。

4.2 研究區(qū)土層入滲率與黃土高原中南部土層入滲率對比

植被是影響土壤入滲率的重要因素之一，能夠造成土壤孔隙數(shù)量、大小的差異。本文研究區(qū)子洲縣黃土洼位于陜西北部，小流域表層黃土穩(wěn)定入滲率在0.69～1.91 mm/min之間，宜川縣表層黃土穩(wěn)定入滲率在6.9～7.8 mm/min之間[29]。黃土高原北部和南部的土壤顆粒組成都以粉砂為主，但是北部地區(qū)的粗粉砂比南部要多。黃土高原北部氣候偏干旱，年降水量較少，一般略小于500 mm，決定了植被稀疏和土壤中植物根孔發(fā)育弱。黃土高原中南部氣溫高降水多，植被發(fā)育得好，植物的根系使得南部土壤大孔隙發(fā)育得好，土壤孔隙直徑大，連通性好，水分入滲速率快。因此，黃土高原北部地區(qū)黃土層的孔隙度和入滲率較中南部低。

4.3 黃土洼土壤物理性質(zhì)與土壤侵蝕

土壤顆粒粒徑對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著直接的影響[30]。土壤顆粒粒徑越小，其團(tuán)聚體穩(wěn)定性越大。這是由于隨著土壤顆粒的減小，土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)質(zhì)的含量也隨即減小，而粒徑較小的土壤顆粒中有機(jī)質(zhì)含量較少，受到外界的影響較小，小粒徑土壤顆粒相比大粒徑顆粒不易受到外界條件的影響而破碎，其穩(wěn)定性越大[31]。隨著土壤顆粒直徑的減小，土壤緊實(shí)度增加，導(dǎo)致其抗侵蝕的能力變強(qiáng)；反之，土壤粒徑越大，土壤緊實(shí)度減小，其抗侵蝕的能力減弱[32]。而土壤孔隙度反映了土壤的松緊度和對地表水的蓄積以及入滲能力，可判斷土壤質(zhì)地疏松程度。一般而論，土壤的孔隙度越大，土壤質(zhì)地越疏松，水分在土壤中的入滲性能越好，土壤抗侵蝕的能力越強(qiáng)。黃土洼小流域的風(fēng)成黃土顆粒較粗，孔隙度較大，入滲率較高。水成黃土淤積地土壤顆粒較細(xì)，孔隙度較小，入滲率較低，更容易產(chǎn)生地表徑流，徑流不斷沖刷以及夾帶泥沙，進(jìn)而導(dǎo)致土壤侵蝕的發(fā)生。因此，本文研究的地區(qū)淤積地可能比風(fēng)成黃土更容易發(fā)生土壤侵蝕。

5 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)黃土層上各類土壤入滲率比淤積玉米地入滲率高，前者穩(wěn)定入滲率在1.47～1.91 mm/min之間，平均入滲率為1.62 mm/min，后者穩(wěn)定入滲率在0.69～1.1 mm/min之間，平均入滲率為0.89 mm/min。

(2) 入滲率差異主要是土層形成原因不同所導(dǎo)致。水成的淤積地具有水平層理構(gòu)造，可減緩水分入滲能力。除此之外，淤積地土壤孔隙度比草地和林地小，連通性較差，因此淤積地入滲率低。

(3) 采用3種經(jīng)驗(yàn)入滲模型與實(shí)測入滲數(shù)據(jù)擬合程度及相關(guān)系數(shù)來看，考斯加可夫公式能較準(zhǔn)確的描述研究區(qū)內(nèi)土壤入滲速率的變化情況，其擬合程度最高，其次是霍頓公式，而經(jīng)驗(yàn)入滲公式擬合效果較差。表明考斯加可夫模型比較符合該區(qū)黃土入滲的研究。

(4) 研究區(qū)黃土洼小流域土壤侵蝕嚴(yán)重的重要原因之一是該地區(qū)風(fēng)成黃土粒度較粗，容易產(chǎn)生地表徑流，經(jīng)過水流夾帶泥沙和沖刷作用，加強(qiáng)了土壤的侵蝕。