阮曉晗，白一茹，王幼奇，高小龍，鐘艷霞

(1 寧夏大學 a 地理科學與規(guī)劃學院，b 生態(tài)環(huán)境學院，寧夏 銀川 750021；2 西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021；3 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川 750021)

壓砂地是西北干旱半干旱地區(qū)充分利用有限水資源、有效提高作物生產效率的獨特旱作農業(yè)模式之一[1]。隨著種植年限的增加，壓砂地土石介質結構及礫石配比和含量等均發(fā)生了改變[2-3]，土壤增滲保墑功能逐漸退化[4]，甚至出現(xiàn)了土壤干燥化現(xiàn)象[5]。土壤水分是制約干旱半干旱地區(qū)農業(yè)發(fā)展的重要因子，土壤水力學參數(shù)是研究土體水分入滲過程、評價水分有效性、確定土壤持水能力等的基礎指標[6-7]，對明確土壤水分運動過程、提高水分利用效率等有重要作用。土壤水力學參數(shù)主要包括土壤水分特征曲線、土壤飽和導水率、非飽和擴散率、土壤擴散率和比水容重等[8]，其不僅受土壤質地、水分、體積質量和孔隙等本身物理化學性質的影響，還受土壤的礫石量、粒徑、厚度、植被類型和種植年限等外在因素的影響[9-10]。探究不同種植年限壓砂地土壤水分吸滲特征及其水力學參數(shù)，對壓砂地恢復產能、緩解干燥化現(xiàn)象及提升區(qū)域生態(tài)功能具有重要意義。

一般而言，土壤水分運動的飽和通量可以用滲透率或飽和導水率等參數(shù)來表征，但是實際上旱作農業(yè)模式下田間土壤水分長時間都處于非飽和狀態(tài)[11]。土壤非飽和通量對于農業(yè)生產有重要實際意義，但難以直接檢測，而飽和通量相對容易檢測，因此在土壤水力學參數(shù)研究中推求非飽和通量成為研究的熱點。當前土壤水力學參數(shù)的測算方法通常分為直接法和間接法。直接法一般包括野外測定法、實驗室測定法[12]，其中野外測定法能夠客觀地反映土體滲透性的實際情況，但該方法存在操作復雜、工作量大、試驗周期長、費用高等缺點；相比而言，實驗室測定法較為便捷，但無法準確模擬現(xiàn)場條件，難以獲取精確結果。由于土壤質地和環(huán)境條件的不同，其水分滲透特征會有所差異，異質性明顯，因此通過土壤水動力學模型間接地研究和描述不同區(qū)域的不同土壤水分運移特征及水力學參數(shù)已引起許多學者關注。Shao等[13]、Wang等[14]分別基于一維水平土柱吸滲試驗推求土壤Van Genuchten和Brooks-Corey模型參數(shù)，并取得了較好效果。Yang等[15]在一維水平土柱吸滲試驗中發(fā)現(xiàn)，礫石含量和粒度對水力參數(shù)有顯著影響，參數(shù)與巖石碎塊含量呈線性關系。王幼奇等[16]利用一維垂直和水平吸滲試驗研究了生物炭對黑壚土土壤水分運移特征的影響，發(fā)現(xiàn)土壤中添加生物炭會顯著影響土壤水力學參數(shù)。單魚洋等[17]通過一維水平土柱吸滲試驗發(fā)現(xiàn)，不同礦化度微咸水入滲過程中，土壤水分運動參數(shù)發(fā)生了改變。綜上可知，一維水平吸滲試驗可以較精確地推求土壤水力學參數(shù)，且具有廣泛的適用性。目前，針對壓砂地土壤水分吸滲特征及非飽和擴散率等非飽和通量的研究較為缺乏，因此有必要對不同種植年限壓砂地土壤的水分運動特征進行研究并推求其水力學參數(shù)，以明晰不同種植年限壓砂地的水力學特征。

本研究采用室內模擬方法進行一維水平土柱吸滲試驗，模擬不同種植年限(2，5，10，20，30和40 a)壓砂地土壤吸滲過程，獲取濕潤鋒深度和累積入滲量，用Philip和Green-Ampt入滲模型計算參數(shù)，并采用Brooks-Corey模型進一步推求不同種植年限壓砂地進氣吸力和水分擴散率等水力學參數(shù),以及水分特征曲線和非飽和擴散率曲線，以期明確不同種植年限壓砂地土壤水力學特征，為水資源的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市興仁鎮(zhèn)(105°22′E，36°76′N)，地處寧夏中部干旱帶，屬干旱半干旱氣候，海拔1 680 m左右，年平均溫度13.4 ℃，日照時數(shù)2 990 h/年，年平均降水量240～260 mm，年蒸發(fā)量3 200 mm左右，無霜期172 d左右。光熱資源十分豐富，晝夜溫差大，是硒砂瓜主產區(qū)。土壤類型為灰鈣土，土壤砂粒、粉粒和黏粒平均含量分別為27.19%，62.52%和10.26%，屬粉壤土；土壤有機質、全氮、全磷和全鉀平均含量分別為6.53，0.51，0.59和17.94 g/kg。覆蓋礫石來自香山風化碎石，覆蓋厚度為15～25 cm。

1.2 試驗材料

2020年10月，在研究區(qū)內根據(jù)不同種植年限壓砂地實際分布面積及比例，在不同種植年限(2，5，10，20，30和40 a)壓砂地分別均勻選取樣點，共計100個樣點。在各樣點隨機選取長×寬為100 cm×100 cm小區(qū)，采集小區(qū)礫石覆蓋層(0～25 cm)全部砂石，將其風干后用孔徑分別為50，31.5，25，16，10，5和2 mm篩子逐層過篩，對不同粒徑的礫石稱質量。將覆蓋礫石去除雜質和土壤后，清洗、晾干備用。去除各樣點表層覆蓋礫石后，采集0～60 cm土層土壤，清除雜質后自然風干，研磨后過孔徑2 mm篩備用。不同種植年限壓砂地土壤基本物理性質如表1所示。

表1 研究區(qū)不同種植年限壓砂地土壤基本物理性質 Table 1 Basic soil physical properties of gravel-sand mulched fields with different planting years

1.3 試驗方法

試驗于2020年10月在寧夏大學環(huán)境科學與工程實驗室進行，采用室內模擬方法進行一維水平土柱吸滲試驗，模擬不同種植年限(2，5，10，20，30和40 a)壓砂地土壤水分吸滲過程。一維水平土柱吸滲裝置(圖1)由供水裝置和水平土柱組成，供水裝置選用與水平土柱同等規(guī)格(內徑10 cm，高50 cm)的馬氏瓶作為容器，在吸滲過程中時刻保持供水狀態(tài)。水平土柱前端是一長3 cm的儲水室，儲水室上下分別設有外徑為1 cm的通氣孔和排水口，前端設有進水管用以連通馬氏瓶，后端是一水平距離為50 cm的開口有機玻璃柱，儲水室與水平土柱之間用均勻布有2 mm小孔的法蘭連接。填裝土柱時按照表2中不同種植年限壓砂地礫石覆蓋層礫石粒徑配比填裝礫石覆蓋層，分層(5 cm一層)填裝15 cm。然后按照當?shù)夭煌N植年限壓砂地實際測得的土壤體積質量(表1)填裝土層，分層(5 cm一層)填裝30 cm，土層與土層之間進行打毛處理。礫石覆蓋層與土層深度共計45 cm。試驗開始前，調節(jié)馬氏瓶與水平柱相對高度,使馬氏瓶出水口與儲水室最上面持平，同時關閉進水口閥門。試驗開始后，先打開進水口閥門，通過馬氏瓶向儲水室迅速注水，等儲水室充滿水后迅速關閉儲水室閥門，記錄馬氏瓶水位的初始刻度，吸滲過程中分時間段讀取不同時刻馬氏瓶水位刻度及濕潤鋒刻度，在前5 min內每隔10 s記錄1次，5～8 min每30 s記錄1次，8～15 min每1 min記錄1次，15～30 min每5 min記錄1次，30～60 min每10 min記錄1次，60～240 min每30 min記錄1次，之后每隔60 min記錄1次，當濕潤鋒運移到45 cm時停止供水，試驗結束。以馬氏瓶水位變化計算土壤累積入滲量及入滲速率，以濕潤鋒刻度變化表示濕潤鋒深度。

表2 研究區(qū)不同種植年限壓砂地礫石粒徑(D)配比

1.馬氏瓶；2.進水口；3.閥門；4.儲水室；5.法蘭；6.礫石層；7.土層；8.取土孔；9.水平支架1.Mariotte bottle；2.；3.Valve；4.Water storage chamber；5.Flange；6.Gravel layer；7.Soil layer；8.Sampling hole；9.Horizontal support圖1 一維水平土柱吸滲試驗裝置Fig.1 One-dimensional horizontal soil column absorption device

1.4 土壤水分吸滲模型參數(shù)

分別采用Philip模型[18]和Green-Ampt模型[19]來擬合不同種植年限壓砂地土壤水分的吸滲特征。

Philip模型為：

I=St0.5。

(1)

式中：I為累積入滲量，cm；S為吸滲率，cm/min0.5；t為吸滲時間，min。

Green-Ampt模型為：

(2)

式中：i為吸滲速率，cm/min；Ks為土壤飽和導水率，cm/min；Zf為濕潤鋒深度，cm；Sf為濕潤鋒面吸力，cm；H0為土柱表面積水深度，cm。

由于土柱吸滲試驗是在一維水平條件下進行的，因此忽略重力勢能的影響，式(2)可以簡化為：

(3)

(4)

式中：θs為土壤飽和含水率，cm3/cm3；θi為土壤初始含水率，cm3/cm3。

1.5 土壤水力學參數(shù)模型

Brooks-Corey模型反映了土壤含水率、水吸力、飽和導水率及非飽和導水率之間的關系，可擬合土壤水分特征曲線和水力學參數(shù)，其表達式如下：

(5)

(6)

式中：Se為土壤有效飽和度；θ為土壤含水率，cm3/cm3；θr為土壤滯留含水率，當土壤初始含水率較低時，認為滯留含水率與初始含水率相等，cm3/cm3；hd為進氣吸力，cm；h為土壤水吸力，cm；n為形狀系數(shù)；K(h)為非飽和導水率，cm/min；m為經驗參數(shù)，m=3n+2。

參考文獻[14]，根據(jù)一維水平吸滲試驗推求Brooks-Corey模型參數(shù)，計算公式如下：

(7)

(8)

(9)

式中：a為參數(shù)，當土壤初始含水率很小時，近似為1；A1、A2為參數(shù)，可以由一維水平土柱吸滲試驗中的累積入滲量(I)、吸滲速率(i)和濕潤鋒深度(Zf)擬合獲得。

A1=Zf/I，

(10)

A2=Zfi。

(11)

參考文獻[21]，利用Brooks-Corey模型與一維水平吸滲控制方程來推求土壤水分飽和擴散率和非飽和擴散率，計算公式如下：

(12)

(13)

(14)

式中：Ds為土壤飽和擴散率，cm2/min；L為參數(shù)；D為土壤非飽和擴散率,cm2/min。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限壓砂地土壤水分的吸滲特征

根據(jù)一維水平土柱吸滲試驗獲取不同種植年限壓砂地土壤水分累積入滲量及濕潤鋒深度隨吸滲時間的變化，結果見圖2。圖2顯示，相同吸滲時間下，隨著種植年限的增加，濕潤鋒深度、累積入滲量均呈減小趨勢，表明土壤水分入滲能力明顯降低。各種植年限土壤的水分累積入滲量均隨著吸滲時間的延長而增加，但不同吸滲時間下累積入滲量的增幅有差異，其中在初始吸滲階段(0～60 min)累積入滲量增幅均較大，進入穩(wěn)滲階段(60 min以后)后增幅均較小。試驗結束時，與種植2 a的壓砂地相比，種植5，10，20，30和40 a壓砂地土壤水分累積入滲量分別減小了4.36%，5.82%，7.04%，8.88%和12.48%?？芍鄯e入滲量與吸滲時間呈正相關，與種植年限呈負相關。

圖2顯示，隨著吸滲時間的延長，各種植年限土壤濕潤鋒深度均呈增加的趨勢。在吸滲初始階段，各種植年限壓砂地土壤濕潤鋒深度差異不大，之后隨著吸滲時間的繼續(xù)延長，土壤濕潤鋒深度差異增大。試驗結束時，與種植2 a的壓砂地相比，種植5，10，20，30和40 a壓砂地土壤濕潤鋒深度達到最大(45 cm)時所需的時間分別增加了37.50%，87.50%，106.25%，125.00%和137.50%。

圖2 不同種植年限壓砂地土壤水分累積入滲量和濕潤鋒深度隨吸滲時間的變化Fig.2 Variation of cumulative infiltration and depth of wetting front with absorption time of gravel-sand mulched fields with different planting years

2.2 基于Philip和Green-Ampt模型的不同種植年限壓砂地土壤水分吸滲參數(shù)

表3 基于Philip和Green-Ampt模型的不同種植年限壓砂地土壤水分吸滲參數(shù)Table 3 Soil moisture absorption parameters of gravel-sand mulched fields with different planting years based on Philip and Green-Ampt model

2.3 基于Brooks-Corey模型的不同種植年限壓砂地土壤水力學參數(shù)

采用Brooks-Corey模型獲取不同種植年限壓砂地的土壤水力學參數(shù)，結果見表4。由表4可知，A1、A2隨種植年限的增加總體上均呈減小趨勢，表明隨著種植年限的增加，土壤濕潤鋒運移至相同深度時，累積入滲量逐漸減小，且吸滲速率逐漸減慢。由表4還可知，與種植2 a壓砂地相比，種植5，10，20，30和40 a壓砂地土壤水分的hd分別減小了1.22%，42.81%，46.37%，55.94%和64.97%，Ds分別減小了27.83%，68.54%，85.40%，90.57%和93.15%。隨著種植年限的增加，hd、n和Ds均呈減小趨勢，參數(shù)L無明顯變化規(guī)律。

表4 基于Brooks-Corey模型的不同種植年限壓砂地土壤水力學參數(shù)Table 4 Soil hydraulic parameters of gravel-sand mulched fields with different planting years based on Brooks-Corey model

2.4 種植年限對土壤水分特征曲線和非飽和擴散率的影響

土壤水吸力又稱水勢，是指土壤水的負壓力，可表征土壤基質對水分的吸附能力[23]。非飽和擴散率是分析非飽和狀態(tài)下土壤水分傳導能力的重要參數(shù)之一，反映了在水平方向上土壤水分的運移軌跡以及含水量隨時間的變化情況[8]。為了進一步明確不同種植年限對土壤水分特征曲線和非飽和擴散率的影響，將表4中的參數(shù)代入公式(5)和(14)中，可獲得不同種植年限壓砂地土壤水吸力(h)及土壤非飽和擴散率(D)與土壤含水率(θ)的關系。由圖3可以看出，土壤水吸力隨著含水率的增加而迅速降低，種植年限越長水分特征曲線降低越快，且在相同土壤含水率下，種植年限越大，土壤水吸力越小，土壤持水能力越差。此外，當h為1 000 cm時，不同種植年限壓砂地土壤的含水率由大到小表現(xiàn)為2 a(0.034 cm3/cm3)>5 a(0.025 cm3/cm3)>10 a(0.024 cm3/cm3)>30 a(0.023 cm3/cm3)>20 a(0.022 cm3/cm3)>40 a(0.016 cm3/cm3)，可知在土壤水吸力相同的條件下，種植年限越大，土壤含水率越低。

由圖4可以看出，D隨著θ的增加而增大，且種植年限越小D增長越快；當θ為0.3 cm3/cm3時，與種植2 a壓砂地相比，種植5，10，20，30和40 a壓砂地的D分別減小了33.25%，67.45%，84.42%，89.06%和88.05%，可知在相同土壤含水率下，隨著種植年限的增大，土壤非飽和擴散率整體呈減小趨勢。

3 討 論

土壤水分入滲特性是研究土壤水分有效性、確定灌溉定額和推廣節(jié)水灌溉理論的重要依據(jù)之一[24]。本研究中，相同吸滲時間下，隨著種植年限的增加，濕潤鋒深度、累積入滲量均呈減小趨勢，表明土壤水分入滲能力明顯降低。其原因主要是隨著種植年限的增大，壓砂地礫石覆蓋層的土石混合配比發(fā)生了改變，粒徑小于5 mm的礫石及細土比例增多，減小了土壤孔隙數(shù)量，導致水分在砂層和土壤中滯留的時間增加，從而使進入下層土壤的水分減少。此外，隨著種植年限的增加，壓砂地土壤體積質量逐漸增大，土壤變得緊密堅實，土石混合介質中孔隙數(shù)量逐漸減少，內部連通性變差，當土體濕潤后膨脹會導致土體內部的孔隙進一步減小，土體中氣體排出困難，從而使土壤水分吸滲受到了較大的氣相阻力，吸滲過程變慢。李濤[25]等、張宏媛等[26]和李卓等[27]的研究均表明，土壤孔隙度減小、土壤體積質量增大能顯著減慢土壤水分入滲過程，降低土壤水分入滲能力，這與本研究結果一致。

圖3 不同種植年限壓砂地土壤水吸力與含水率的關系Fig.3 Soil moisture characteristic curves of gravel-sand mulched fields with different planting years

土壤水力學參數(shù)對于灌溉調度、農田土水分運動過程以及田間或流域尺度的水平衡等研究非常重要[28]。本研究中，隨著種植年限的增加，壓砂地土壤θs、Ks、hd、Ds均呈減小趨勢，即土壤導水、導氣、持水能力和水分擴散能力變差。這是由于隨著種植年限的增加，壓砂地土壤壓實程度增大，導致土壤結構變差；此外，在作物根系長期吸水的作用下，土壤干燥化程度加劇，從而出現(xiàn)了土壤體積質量變大、孔隙度變小、易板結的現(xiàn)象，使得土壤水分的擴散和傳輸受到了明顯的阻滯。由本研究的土壤非飽和擴散率曲線可知，當土壤含水率較低時，土壤非飽和擴散率趨近于0，當土壤含水率增大到一定程度后其水分才開始擴散，并且土壤非飽和擴散率隨著含水率的增大而明顯增加。這主要是因為在土壤水分吸滲過程中，滲入土壤的水分首先被土壤顆粒表面吸持成為膜狀水，當膜狀水飽和后再進入土壤細小孔隙，然后才成為自由水繼續(xù)擴散[20]。由本研究的土壤水分特征曲線可知，相同土壤含水率下，種植年限越長，土壤水吸力越弱，持水能力越差。這是由于種植年限越長，土壤體積質量越大、孔隙度越小，導致土壤結構及持水性能明顯退化。José等[29]研究也發(fā)現(xiàn)，與免耕土壤相比，長期耕作土壤結構更加緊密，土壤持水性能更差，這與本研究結果一致。

本研究采用一維水平土柱吸滲試驗，基于Brooks-Corey模型獲取了不同種植年限壓砂地土壤的水力學參數(shù)，該參數(shù)在一定程度上反映了不同種植年限壓砂地土壤的水分運動狀況。在將來的研究中，應結合一維水平土柱吸滲試驗和Van Genuchten模型，獲取更多具有物理意義的水力學參數(shù)，以便于明晰水分特征曲線變化機理。

4 結 論

1)在相同吸滲時間下，隨著種植年限的增加，濕潤鋒深度、累積入滲量均呈減小趨勢，可知種植年限的增加減緩了土壤水分吸滲過程，土壤水分入滲能力明顯降低。

2)在Philip模型中，不同種植年限壓砂地土壤水分吸滲過程中的吸滲率差異較大，表現(xiàn)為2 a(0.564 cm/min0.5)>5 a(0.412 cm/min0.5)>10 a(0.258 cm/min0.5)>20 a(0.178 cm/min0.5)>30 a(0.135 cm/min0.5)>40 a(0.097 cm/min0.5)。Green-Ampt模型中，土壤水分擴散率 隨著種植年限的增加而減小。

3)Brooks-Corey模型中，種植年限對壓砂地土壤水力學參數(shù)有明顯影響。隨著種植年限的增加，進氣吸力和土壤飽和擴散率均呈減小趨勢。在相同含水率條件下，隨種植年限的增加，土壤水吸力和非飽和擴散率均減小，持水能力降低。