陜西省子洲縣黃土洼不同植被表層黃土入滲特性

趙青陽, 岳大鵬, 趙景波, 胡 倩, 馬愛華

(陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 陜西 陜西 710119)

黃土高原是我國水土流失最為嚴重的地區之一，在多年實施“退耕還林(草)”工程后，現階段水土流失已得到控制。水土流失會導致土壤肥力下降以及農田遭到破壞、氣候條件變差等嚴重后果。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入土壤的過程中向下流動形成土壤水的過程，是大氣降水、土壤水、地表水和地下水相互轉化的中心環節[2]。土壤入滲能力的變化規律一般可分為水平方向與垂直方向[3]。有學者[4]研究發現，土壤入滲性能與水土流失密切相關，土壤入滲率越高，地表徑流量越小，發生水土流失的強度就越小。學者們[5-8]對黃土高原區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的全沖全淤型天然淤積地，將淤積地與其他不同植被風成黃土上的表層土壤入滲率進行橫向對比分析，用來研究黃土洼地區不同土壤入滲速率的特點，對于淤積土和風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。半干旱黃土地區土壤滲透性能反映了土壤的重要水文過程，據此可研究一定降水條件下土壤的徑流量、流速、入滲量等，這也是進行水土保持措施設置的重要參考因素[9]。

1 研究區概況

黃土洼位于陜西省榆林市子洲縣南部裴家灣鎮(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。壩內流域主溝道長4.21 km，呈南北走向，在主溝道兩側形成了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，黃土洼溝谷南側九牛山山體滑塌堵塞了溝谷，經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域，屬大陸性季風氣候，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第I副區，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、土質等各方面的綜合影響，水災、旱災和霜凍災害在該區域容易發生。

2 研究方法

2.1 野外雙環入滲試驗方法

本文研究土壤入滲試驗所用方法為雙環入滲法[12]。選取比較平整的地段，避開土壤裂隙、孔洞等影響因素。將雙環嵌套放置在平坦面上，內外環的直徑分別為30和50 cm，高度都為15 cm，用橡膠錘將雙環均勻緩慢地打入地下5 cm深，盡量保持雙環兩側的土壤結構不受破壞，并且保證雙環底端與土壤的密封，以免環中的水流出環外。此外需在環內鋪墊一層碎石，避免在加水的過程中水的沖擊力對土壤產生破壞。做好準備工作后，向雙環內同時開始加水至雙環同時到5 cm高度時開始用秒表計時(用兩只秒表同時計時以防出現失誤)，并將5 cm作為之后每次試驗的標準高度。在水分不停下滲的同時，需時刻關注標準刻度線并保持加水，使得液面始終保持在5 cm，當加入500 ml水后記錄所需時間。反復進行相同操作，在進行多組試驗后，水的入滲開始減慢并逐漸趨于穩定，當最后連續3次試驗加入500 ml水的入滲時間保持基本相同時，說明水的入滲速率已經穩定，即可結束該點的試驗。每個樣地重復3次。

入滲速率的計算公式為：

式中：V——某一時刻土壤入滲率(mm/min)；Qn——第n次測定時間內加水量(ml)；S——內環的橫截面積(cm2)；Tn——第n次測定時間間隔(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段內入滲量與10 min之比得出。穩定前的入滲率是速度達到穩定前瞬間時刻的入滲速率，視具體情況而定。穩定入滲率為單位時間內入滲量趨于穩定階段的入滲速率。

2.2 入滲試驗點選擇

在研究區所有樣地中，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個試驗點，在淤積玉米地內均勻選取6個試驗樣地，從距離壩最遠處開始，由上游至下游依次編號A樣地至F樣地，每個樣地選3個試驗點，共計30個入滲試驗點。

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個采樣點，在淤積玉米地內均勻選取6個采樣點，共計10個粒度采樣點。在這10個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個土樣，將所采樣品裝袋密封并進行排序(表1)。將土樣帶回實驗室后，進行自然風干、之后去除有機質、去除次生碳酸鹽類、中和，最后用英國Malven公司生產的Matersizer 2000激光粒度儀進行粒度測定，最終結果取3次測試的平均值。

3 結果與分析

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流和水分入滲的多少[14-15]。在淤積玉米地的18個試驗點中，選取重復性較好的6個點進行入滲速率的分析(圖1)。可知，整體上研究區試驗點的入滲速率都遵循著穩定的變化規律。在入滲初期階段，土壤入滲速率很快，隨著時間的進行速率減慢，最后入滲速率達到穩定的階段。

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。當入滲進行一段時間后，土壤的入滲速率變得緩慢，之后入滲速率達到逐漸穩定的狀態。A樣地到F樣地穩定入滲速率分別為1.10，0.99，0.90，0.90，0.78和0.69 mm/min，從上游到下游的穩滲率也呈減小的趨勢。

3.2 風成黃土的土壤入滲率與入滲過程

在風成黃土的12個試驗點中，選擇重復性較好的4個試驗點進行入滲速率的分析(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個樣地的初滲率差異明顯。當入滲進行了一段時間后，土壤入滲率的下降趨勢變得較為緩慢，之后入滲速率達到逐漸穩定的狀態。平坦草地(1.91 mm/min)的穩滲率最大，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個樣地的穩滲率很接近。

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

圖2 風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)穩定前入滲率/(mm·min-1)穩定入滲率/(mm·min-1)平均入滲率/(mm·min-1)累計入滲量/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隨著時間遞減，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。采用考斯加可夫(Kostiakov)模型、霍頓(Horton)模型以及通用經驗模型進行擬合[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——入滲時間；a，b——由試驗數據進行擬合得到的參數。當t趨于無窮大的時候，f(t)趨于0；當t趨于0的時候，f(t)趨于無窮大。只有在水平吸滲的情況下才能出現t趨于無窮大，垂直條件下是不符合的。但在一般實際情況下，只要確定入滲時間t后，用此公式來擬合入滲速率比較準確。

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

霍頓公式為：

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

式中：k——特征常數；f0——初始入滲速率；fc——穩定入滲速率；k——常數，決定著f(t)從初滲率 減小到穩滲率fc的速度；t——入滲時間。此公式缺少一定經驗性，但由于使用起來方便，至今仍被廣泛應用。

通用經驗公式：

f(t)=c+dt-n

式中：c，d——土壤初滲率和穩滲率；n——經驗參數，需根據試驗數據進行擬合得出；t——入滲時間。

選取淤積地和風成黃土10個樣地的入滲試驗曲線與3種入滲經驗公式進行擬合，將擬合得到的相關系數和參數進行更詳細的分析(表3)可知，所選取的10組數據用考斯加可夫公式擬合時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，其余試驗點a值大小順序與實際計算出的初滲率大小順序相同，說明考斯加可夫公式擬合結果與實際結果偏差較小。公式中b值反映了土壤入滲速率隨著時間減小的速度，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間遞減最快，棗樹林地的土壤入滲速率隨著時間遞減最慢。霍頓模型擬合結果與實測入滲數據的相關性一般，其相關系數R2在0.66～0.97之間。初滲率和穩滲率最大的分別為A樣地和平坦草地，最小的分別為E樣地和F樣地，其排序與實際入滲數據結果存在著一些誤差，擬合效果一般。從擬合結果來看，所有點中初滲率和穩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，與實際測量得到的結果存在著很大偏差。用通用經驗公式與入滲曲線進行擬合效果整體不好。綜合以上3種經驗入滲模型與實測入滲數據的相關系數以及擬合程度來看，考斯加可夫公式能較準確的描述研究區內土壤入滲速率的變化。

表3 黃土洼3種入滲經驗公式中參數的回歸分析結果

3.5 研究區粒度與孔隙度的分析

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

對黃土洼不同植被土壤粒級進行分析(表4)可知，黃土洼試驗樣地2 m土層以上的土壤顆粒組成以粗粉砂、細粉砂為主，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%。極細砂、細砂、中砂和粗砂所占比重極其小。這10個樣地平均粒徑大小表現為：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行分析(表5)可知，這10個樣地0.5 m深處土壤平均孔隙度大小表現為：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，風成黃土上的土壤孔隙度較高。風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個樣地的穩定入滲速率相差較大，具體表現為: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，在上游距離壩最遠的A樣地入滲率最高。研究區中地勢較高的草地林地為風成黃土，主要由風力作用形成，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而堆積形成的黃土。發生地表侵蝕性降雨后，地表形成徑流攜帶著泥沙進入溝谷內，水動力不足以搬運較粗顆粒物質時，粗顆粒物質逐漸堆積，而細顆粒物質繼續隨著徑流運移，到平緩穩定的環境下也逐漸沉積[25]。水成黃土土壤顆粒以粉砂為主，并具有水平層理構造[26]，這種水平層理構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個樣地50 cm土層深度的平均孔隙度大小表現為：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，風成黃土富含根孔等大孔隙而淤積地土壤大孔隙不發育，土壤孔隙直徑小，連通性差，也會使水分入滲的速率減慢。

4.2 研究區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量、大小的差異。本文研究區子洲縣黃土洼位于陜西北部，小流域表層黃土穩定入滲率在0.69～1.91 mm/min之間，宜川縣表層黃土穩定入滲率在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育弱。黃土高原中南部氣溫高降水多，植被發育得好，植物的根系使得南部土壤大孔隙發育得好，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與土壤侵蝕

土壤顆粒粒徑對其結構穩定性有著直接的影響[30]。土壤顆粒粒徑越小，其團聚體穩定性越大。這是由于隨著土壤顆粒的減小，土壤團聚體內有機質的含量也隨即減小，而粒徑較小的土壤顆粒中有機質含量較少，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，其穩定性越大[31]。隨著土壤顆粒直徑的減小，土壤緊實度增加，導致其抗侵蝕的能力變強；反之，土壤粒徑越大，土壤緊實度減小，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，可判斷土壤質地疏松程度。一般而論，土壤的孔隙度越大，土壤質地越疏松，水分在土壤中的入滲性能越好，土壤抗侵蝕的能力越強。黃土洼小流域的風成黃土顆粒較粗，孔隙度較大，入滲率較高。水成黃土淤積地土壤顆粒較細，孔隙度較小，入滲率較低，更容易產生地表徑流，徑流不斷沖刷以及夾帶泥沙，進而導致土壤侵蝕的發生。因此，本文研究的地區淤積地可能比風成黃土更容易發生土壤侵蝕。

5 結 論

(1) 研究區黃土層上各類土壤入滲率比淤積玉米地入滲率高，前者穩定入滲率在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致。水成的淤積地具有水平層理構造，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種經驗入滲模型與實測入滲數據擬合程度及相關系數來看，考斯加可夫公式能較準確的描述研究區內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，而經驗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黃土入滲的研究。

(4) 研究區黃土洼小流域土壤侵蝕嚴重的重要原因之一是該地區風成黃土粒度較粗，容易產生地表徑流，經過水流夾帶泥沙和沖刷作用，加強了土壤的侵蝕。