趙逸雪，王怡雯，段 晨，馬 睿

（寧夏大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

入滲是指水從土壤表面滲入土壤內(nèi)部成為土壤水的過程，是地表水轉(zhuǎn)換為土壤水的唯一途徑，沙漠化地區(qū)的土壤水分入滲是荒漠生態(tài)系統(tǒng)保持功能穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)正常的關(guān)鍵要素[1-2]。有關(guān)專家學(xué)者用注水法、水文法、人工降雨法等方法對(duì)土壤的入滲過程和入滲影響因素進(jìn)行了研究，在眾多方法中，雙環(huán)法的實(shí)際應(yīng)用最多[3]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤入滲主要受到兩類因素的影響，一類是土壤本身的理化性質(zhì)，如土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、容重、有機(jī)質(zhì)等[4-5]；另一類是土壤結(jié)皮[6]、植被群落[7-8]、植被覆蓋[9]等外部因素。此外，入滲方法對(duì)于土壤入滲過程的測(cè)定也有一定的影響，不同入滲研究方法所測(cè)得的入滲數(shù)據(jù)有所差異[10]，但目前關(guān)于不同入滲方法之間的比較研究相對(duì)較少[11]。相關(guān)學(xué)者構(gòu)建了許多土壤入滲模型，主要包括Horton 模型、Philip 模型、Kostiakov 模型和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｍ寥廊霛B過程受到多種因素的共同影響，這4 種模型均有自己的優(yōu)勢(shì)和局限性，因此在實(shí)際研究中，一般利用這4 種入滲模型分別對(duì)土壤入滲過程進(jìn)行擬合并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選取最優(yōu)擬合模型。

寧夏河?xùn)|沙地位于毛烏素沙地的西南邊緣，地處黃土高原向鄂爾多斯臺(tái)地的過渡地帶，是典型的北方生態(tài)脆弱區(qū)，其生態(tài)環(huán)境具有脆弱性和不穩(wěn)定性特征。植被是荒漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的重要影響因素之一，不同植被類型、不同植被覆蓋度對(duì)沙地的生態(tài)改良效果不同。本研究以寧夏河?xùn)|沙地為研究區(qū)，采用雙環(huán)法和室內(nèi)土柱試驗(yàn)法對(duì)研究區(qū)不同植被覆蓋度下沙地土壤的入滲特征進(jìn)行研究，并對(duì)兩種入滲方法的入滲過程分別進(jìn)行模型擬合分析，以期為豐富沙區(qū)土壤水文過程研究和區(qū)域荒漠化的科學(xué)防治等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏河?xùn)|沙地位于黃河寧夏段東側(cè)，地處黃土高原與銀川平原的過渡地帶，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。黃沙古渡景區(qū)（38°32′58″N～38°34′21″N，106°31′42″E～106°33′22″E）位于銀川市興慶區(qū)月牙泉鄉(xiāng)，是寧夏河?xùn)|沙地的一部分。

1.2 樣地選擇

本文通過目測(cè)估計(jì)法，選取地形平坦的裸沙地、中等覆蓋度（30%～60%）和高等覆蓋度（60%～90%）的沙棒群落下的土壤進(jìn)行入滲試驗(yàn)和土壤容重的測(cè)定，無(wú)任何植被覆蓋的裸沙為對(duì)照組。

1.3 研究方法

本文運(yùn)用雙環(huán)法和室內(nèi)土柱試驗(yàn)法進(jìn)行入滲研究，以期為不同入滲方法之間的對(duì)比提供資料和數(shù)據(jù)。

1.3.1 雙環(huán)法 試驗(yàn)所用雙環(huán)為高30 cm，直徑分別為20 cm 和35 cm 的鐵環(huán)[12]，選取地表平整的試驗(yàn)樣地，將內(nèi)環(huán)和外環(huán)以同一圓心固定插入土中15 cm，并在兩環(huán)內(nèi)側(cè)距地面3 cm 處畫一條水平刻度線，在內(nèi)外環(huán)內(nèi)同時(shí)加水至刻度線后開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)過程中保持內(nèi)外環(huán)水位不變，直至連續(xù)3 次計(jì)時(shí)所加入的水量相同，此時(shí)視為入滲達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)，停止入滲試驗(yàn)。試驗(yàn)至少持續(xù)60 min。

1.3.2 室內(nèi)土柱試驗(yàn)法 用外徑為200 mm、壁厚為2.5 mm、高為650 mm 的透明PVC 管進(jìn)行土壤取樣，將透明PVC 管砸入土中取原狀土，由于500 mm 深度以下的土樣取樣較為困難，采取人工挖掘后填埋入管中的方法進(jìn)行取樣。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用定水頭法進(jìn)行入滲測(cè)定，控制水頭高度在3 cm，在試驗(yàn)過程中觀察并記錄土壤濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移情況，達(dá)到穩(wěn)滲后停止試驗(yàn)。試驗(yàn)至少持續(xù)60 min。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與方法 本文利用SPSS 19.0 和Origin 2018 軟件對(duì)不同入滲方法、不同植被覆蓋度下的土壤入滲過程進(jìn)行入滲曲線繪制、模型擬合和方差分析。本文選擇常用的Horton 模型、Philip 模型、Kostiakov 模型和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)入滲過程進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤的容重特征

對(duì)試驗(yàn)地入滲試驗(yàn)前后不同深度（0～70 cm）的土壤進(jìn)行取樣，測(cè)定其容重，每個(gè)指標(biāo)重復(fù)取樣3次，求平均值。試驗(yàn)地土壤容重的結(jié)果如表1 所示。植被對(duì)土壤的理化性質(zhì)有一定的改良作用，植被的根系對(duì)土壤表層含水量和土壤容重有較大的影響[13]。對(duì)于沙棒等灌木，其下的土壤生物結(jié)皮對(duì)土壤表層的理化性質(zhì)有較大的影響。由表1 可知，隨著植被覆蓋度的增加，土壤容重減小。

表1 試驗(yàn)樣地土壤的容重

2.2 入滲特征

將兩種入滲方法的入滲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制入滲速率和累積入滲量曲線，入滲數(shù)據(jù)如表2 所示，入滲速率和累積入滲量曲線如圖1～圖2 所示。

圖1 入滲速率曲線

圖2 累積入滲量曲線

不同覆蓋度下的土壤入滲變化過程具有一致性，經(jīng)過瞬時(shí)入滲、緩慢入滲后達(dá)到穩(wěn)滲。由表2 可知，在兩種入滲過程中，隨著植被覆蓋度的增加，土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率均逐漸減小，不同入滲方法下，土壤的初滲速率、穩(wěn)滲速率和達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間有所不同。雙環(huán)法測(cè)定的初滲速率小于土柱試驗(yàn)法測(cè)定的初滲速率，但雙環(huán)法測(cè)定的穩(wěn)滲速率較大。在野外雙環(huán)法試驗(yàn)過程中，不同覆蓋度下的土壤達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間幾乎相同，均為11 min；在室內(nèi)土柱試驗(yàn)的入滲過程中，中等植被覆蓋度和高等植被覆蓋度的土壤達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間幾乎相同，為23 min，均比無(wú)植被覆蓋的裸沙地達(dá)到穩(wěn)滲所需的時(shí)間長(zhǎng)。

表2 野外雙環(huán)入滲與室內(nèi)土柱入滲試驗(yàn)的入滲數(shù)據(jù)

在入滲過程剛開始時(shí)，入滲速率最大，隨著入滲時(shí)間的增加，水分入滲速率下降十分明顯，然后逐漸趨于平緩，并達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)。由圖1a 可知，裸沙樣地的土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率顯著高于有植被覆蓋的兩組，中等植被覆蓋度的土壤和高等植被覆蓋度的土壤入滲情況較為相似，中等植被覆蓋度土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率略高于高等植被覆蓋度土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率。在野外雙環(huán)法試驗(yàn)中，裸沙與中等植被覆蓋度下土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率的差值分別為4.11 mm/min 和3.47 mm/min，而中等植被覆蓋度與高等植被覆蓋度下土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率的差值卻只有1.15 mm/min 和0.38 mm/min，前者是后者的3.6 倍和9.1 倍，說(shuō)明植被覆蓋度與土壤入滲性能并非呈一次線性相關(guān)關(guān)系。與中等植被覆蓋度下的土壤相比較，高等植被覆蓋度下土壤的入滲性能變化不大。

由圖1b 可知，與野外雙環(huán)法試驗(yàn)相比，不同植被覆蓋度的土壤在室內(nèi)土柱試驗(yàn)中所測(cè)得的入滲速率差距較小，但是也表現(xiàn)出：裸沙樣地＞中等植被覆蓋度樣地＞高等植被覆蓋度樣地的特征。無(wú)植被覆蓋的裸沙地與中等植被覆蓋度下土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率分別相差4.17 mm/min 和0.48 mm/min，而高等植被覆蓋度與中等植被覆蓋度下土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率的差值約為1.8 mm/min 和0.08 mm/min，前者約為后者的2.3 倍和6 倍。雙環(huán)法是在野外進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)土壤的擾動(dòng)較小，室內(nèi)土柱試驗(yàn)是垂直入滲試驗(yàn)，雖然操作簡(jiǎn)單，但是由于側(cè)滲受到管壁的限制，實(shí)際入滲情況與野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)入滲有一定的差別。

累積入滲量是入滲時(shí)間內(nèi)通過地表單位面積的入滲水分總量。由圖2 可知，不同入滲方法、不同植被覆蓋度下的土壤累積入滲量明顯不同。在雙環(huán)法試驗(yàn)中，不同植被覆蓋度下的土壤75 min 累積入滲量明顯不同，裸沙的累積入滲量為835 mm，中等植被覆蓋度土壤為582mm，高等植被覆蓋度土壤為535 mm，裸沙地的累積入滲量遠(yuǎn)大于有植被覆蓋的沙地土壤的累積入滲量。在室內(nèi)土柱試驗(yàn)中，不同植被覆蓋度的土壤75 min 累積入滲量差距較小，均在500 mm 左右，小于相同入滲時(shí)間內(nèi)雙環(huán)法試驗(yàn)的累積入滲量。

在室內(nèi)土柱試驗(yàn)中，透過透明的PVC 管可以看到土柱入滲過程中濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移情況，不同植被覆蓋度下的土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線如圖3 所示。由圖3可知，土壤的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度隨著植被覆蓋度的增加而減小。在開始的5 min 入滲時(shí)間內(nèi)，不同植被覆蓋下的土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度差距較小，隨著入滲的持續(xù)進(jìn)行，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度差距逐漸增大，其中，裸沙地的濕潤(rùn)鋒在12 min 左右到達(dá)土柱底部，而有植被覆蓋的土壤濕潤(rùn)鋒在18～20 min 才到達(dá)土柱底部，說(shuō)明植被覆蓋度有減緩?fù)寥罎駶?rùn)鋒運(yùn)移速度的作用。

圖3 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線

2.3 土壤入滲過程擬合

本文選取Horton 模型、Philip 模型、Kostiakov 模型和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)不同植被覆蓋度沙地的兩種入滲過程分別進(jìn)行擬合。模型的擬合參數(shù)見表3。

Horton 模型公式[14]為

式中：f（t）為入滲速率，mm/min；f0，fc分別為初滲速率和穩(wěn)滲速率，mm/min；k 為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；t 為達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間，min。

Philip 模型公式[15]為

式中：f（t）為入滲速率，mm/min；t 為達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間，min；S 為吸滲率，cm/min0.5；A 為穩(wěn)滲速率，mm/min。

Kostiakov 模型公式[14]為

式中：f（t）為入滲速率，mm/min；t 為達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間，min；a，b 為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

通用經(jīng)驗(yàn)公式[14]為

式中：f（t）為入滲速率，mm/min；a，b，n 均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；t 為達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間，min。

由表3 可知，4 種模型對(duì)室內(nèi)土柱試驗(yàn)實(shí)測(cè)入滲過程的擬合決定系數(shù)R2均在0.84 以上，說(shuō)明4種模型的擬合效果均為良好。對(duì)于雙環(huán)法試驗(yàn)過程，不同模型的擬合效果有所差別，Horton 模型、Philip模型和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臎Q定系數(shù)R2均在0.72 以上，有較好的擬合效果，Kostiakov 模型的決定系數(shù)R2在0.48～0.64，擬合效果較差。綜合兩種入滲過程來(lái)看，在4 種入滲模型中，Philip 模型的擬合效果最好，Kostiakov 模型的擬合效果最差。Kostiakov 模型是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，適用于短歷時(shí)的入滲情況模擬，本研究入滲時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)擬合效果有一定的影響。與其他類型的土壤相比，河?xùn)|沙地的土壤以風(fēng)沙土為主，結(jié)構(gòu)松散，組成較為單一，入滲速率較快，因此Philip 模型更符合研究區(qū)土壤入滲的實(shí)際情況。

表3 4 種入滲模型的擬合參數(shù)

3 結(jié)論

（1）寧夏河?xùn)|沙地植被對(duì)土壤的入滲性能有阻礙作用，土壤的入滲性能隨著植被覆蓋度的增加而降低。

（2）雙環(huán)法測(cè)定的土壤初滲速率小于室內(nèi)土柱試驗(yàn)法測(cè)定的初滲速率，但雙環(huán)法測(cè)定的穩(wěn)滲速率較大，雙環(huán)法達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間小于室內(nèi)土柱試驗(yàn)法達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間。

（3）4 種模型對(duì)室內(nèi)土柱試驗(yàn)法入滲過程的擬合效果均較好，不同模型對(duì)雙環(huán)法入滲過程的擬合效果差距較大，Philip 模型的擬合效果最好，Kostiakov 模型的擬合效果最差。

4 討論

本研究對(duì)不同植被覆蓋度下的沙地土壤進(jìn)行水分入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明，植被覆蓋度對(duì)土壤入滲過程有一定影響，植被覆蓋度越高，土壤初滲速率越低。隨著入滲的繼續(xù)進(jìn)行，土壤中的毛管孔隙全部填滿，水分在重力作用下進(jìn)行一維垂直入滲，達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)。

在Horton 模型中，兩種入滲方法下土壤初滲速率的實(shí)測(cè)值均小于模擬值。在Philip 模型中，擬合結(jié)果顯示，室內(nèi)土柱試驗(yàn)法與雙環(huán)法的土壤吸濕率有所不同，室內(nèi)土柱試驗(yàn)法的土壤吸濕率大于雙環(huán)法的吸濕率，室內(nèi)土柱試驗(yàn)法的土壤吸濕率隨著植被覆蓋度的增加而減小，雙環(huán)法的土壤吸濕率則是隨著植被覆蓋度的增加先增加后減少。在Kostiakov 模型中，擬合模型的初滲速率普遍大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；不同入滲方法下的經(jīng)驗(yàn)入滲參數(shù)值差距較大，室內(nèi)土柱試驗(yàn)法的參數(shù)值普遍大于雙環(huán)法的參數(shù)值，前者約是后者的兩倍，說(shuō)明入滲方法對(duì)土壤的入滲過程有較大的影響。通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，雙環(huán)法的初始速率擬合值較實(shí)測(cè)值偏大，穩(wěn)滲速率擬合值與實(shí)測(cè)值較為接近，室內(nèi)土柱試驗(yàn)法的初滲速率和穩(wěn)滲速率均較實(shí)測(cè)值偏小。

不同入滲模型對(duì)不同植被群落和不同土壤類型的入滲擬合效果不同。在騰格里沙漠沙丘[14]和毛烏素沙地的人工檸條林[16]的入滲研究中，Kostiakov 的擬合效果是最好的。而鞏煒等[15]對(duì)干旱區(qū)沙漠綠洲過渡帶不同固沙植物的水分入滲研究發(fā)現(xiàn)，在模擬精度上，Philip 模型的擬合精度最高，Kostiakov 模型的擬合精度最低，與本研究的擬合結(jié)果相同。

除土壤本身的理化性質(zhì)外，土壤初始含水量、降雨強(qiáng)度、植被覆蓋度等是影響土壤入滲性能的重要外部因素[17]。植物群落、植被密度和覆蓋度對(duì)土壤入滲性能均有一定的影響。植被群落下的土壤生物結(jié)皮和地下根系對(duì)沙漠土壤理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的影響是引起不同植被覆蓋度土壤入滲性能差異的主要原因[18-19]。

樊才睿等[20]對(duì)呼倫貝爾大草原不同放牧強(qiáng)度下土壤的入滲性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)受到土壤容重、土壤孔隙度等因素的影響，土壤的入滲性能隨著放牧強(qiáng)度的增加而下降，在4 種入滲模型中，Horton 模型對(duì)研究區(qū)土壤入滲過程的擬合效果最好。趙夢(mèng)杰等[9]研究了黃土高原地區(qū)不同植被覆蓋度的土壤入滲特征，結(jié)果表明，隨著植被覆蓋度增加，土壤的穩(wěn)滲速率增大，達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)所需的時(shí)間越短。李毅等[21]對(duì)黃土高原地區(qū)不同蓋度的草地進(jìn)行了入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明，草地蓋度越大，初滲速率和穩(wěn)滲速率越大，且草地蓋度對(duì)入滲速率的影響是有限的。與上述學(xué)者的研究結(jié)果不同，本研究中土壤的入滲性能隨著植被覆蓋度的增加而降低。在黃土高原地區(qū)，植被覆蓋對(duì)降雨入滲過程的影響機(jī)制主要是植物莖葉對(duì)降雨的阻截和消能作用，植物莖葉對(duì)降雨的截流有利于防止土壤表層結(jié)皮的形成，減少結(jié)皮對(duì)入滲的阻礙作用，從而保持較高的入滲率。寧夏河?xùn)|沙地地處黃土高原與銀川平原的過渡帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤為典型的風(fēng)沙土，有植被覆蓋的區(qū)域反而有利于土壤表層結(jié)皮的形成，對(duì)土壤水分的入滲起到阻礙作用，因此研究區(qū)內(nèi)土壤入滲性能隨植被覆蓋度的增加而降低。

植被密度對(duì)土壤的碳、氮、磷等養(yǎng)分含量和理化性質(zhì)有一定的影響[22-23]，進(jìn)而影響土壤的入滲性能。王珊珊等[24]對(duì)晉西黃土地區(qū)5 種密度刺槐林的土壤進(jìn)行了入滲研究，發(fā)現(xiàn)土壤的入滲能力隨著林分密度增大有先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。在本研究中，土壤的入滲性能隨植被覆蓋度的增加而降低，相比于中等植被覆蓋度，高等植被覆蓋度對(duì)土壤入滲性能的影響不明顯。

研究區(qū)植被覆蓋的增加有利于防風(fēng)固沙和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，但是大面積、高密度的植被引入，植被的蒸騰作用和根系吸水作用會(huì)導(dǎo)致土壤水分的額外消耗，加劇土壤干燥化的風(fēng)險(xiǎn)[25]。寧夏河?xùn)|沙地生態(tài)環(huán)境脆弱，合理的植被格局和植被分布密度是在有限的水資源下實(shí)現(xiàn)沙地生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和治理的關(guān)鍵。