張鵬，胡心雨，陳官運，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 濟南 250000； 3. 武漢藍瑞空間信息技術(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)水率作為一項重要的土壤參數(shù)，能夠用來計算土壤剖面中水流通量，進行土壤水-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行室內(nèi)試驗，這種方法會對土壤產(chǎn)生一定程度的擾動，無法完全還原實地的土壤密實程度，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測累計入滲量與觀測時間的關(guān)系表達式的方法，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 試驗方法

1.1 試驗地概況

試驗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，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點用100 cm3的鋁盒取樣，于實驗室稱鮮土質(zhì)量后，放于105 ℃的烘箱中烘干后稱干土質(zhì)量，通過質(zhì)量含水率計算公式得到；飽和含水率θ0的測定是在試驗點用100 cm3環(huán)刀取樣，于實驗室稱鮮土質(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點重復(fù)取3個環(huán)刀土樣、3個鋁盒土樣，3個試驗點共取18個土樣.各試驗點測得的土樣參數(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)間接計算得出，p為孔隙度，ρ為土粒密度.各土地利用類型試驗點測得的土樣參數(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)水率進行測量.圖1為試驗裝置，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 試驗設(shè)計

為保證土壤樣本真實情況不被破壞，試驗前土壤樣本不進行任何處理.連接并布置試驗裝置，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，每次試驗測量時間為120 min.每個試驗場地選取3個試驗點，各試驗點間相距50 cm，將試驗記錄相同入滲量下的入滲時間取平均值作為最終試驗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 累計入滲量

2.1.1 入滲速率與累計入滲量的研究結(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，主要原因為草地表層土壤覆蓋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，累計入滲量不斷增加，試驗時間120 min內(nèi)，草地累計入滲量最大，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，累計入滲速率變化趨于穩(wěn)定，累計入滲量的增加值也趨于穩(wěn)定，累計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入滲量

Fig.3 Cumulative infiltration amount under different land use types

2.1.2 實測累計入滲量與觀測時間的擬合關(guān)系

通過式(5)擬合實測的累計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測累計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入滲量與觀測時間的關(guān)系，實測值與理論值非常接近.

表4 不同土地利用類型下實測累計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

由實測累計入滲量與觀測時間的擬合關(guān)系得到累計入滲量的表達式：

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、果樹行間裸地累計入滲量進行求解并與實測累計入滲量比較，圖4為累計入滲量計算值與實測值相對誤差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、果樹行間裸地累計入滲量計算值與實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.通過累計入滲量的表達式對草地、麥地、果樹行間裸地累計入滲量求解值與實測累計入滲量比較分析，可見表達式計算值與實測值誤差較小，擬合累計入滲量的表達式能夠反映累計入滲量與觀測時間的關(guān)系，利用式(5)擬合累計入滲量的表達式的方法準(zhǔn)確度高、誤差小.

圖4 不同土地利用方式下的累計入滲量計算值與實測值相對誤差

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、累計入滲量變化規(guī)律一致.產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因為草地土壤疏松、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??；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點的土壤飽和導(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、入滲速率以及累計入滲量依次減小.

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