荒漠草原灰鈣土土壤入滲特征及測定方法比較

陳 娟， 陳 林， 宋乃平， 李月飛，蘇 瑩， 楊東東

(1. 寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室，銀川 750021；2. 寧夏大學西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室培育基地，銀川 750021)

0 引 言

荒漠草原是草原向荒漠過渡的一類草地類型，土壤以地帶性灰鈣土為主，由于氣候變化及過度放牧和開墾的干擾，導致植被破壞、土壤沙化、草地退化等嚴峻的生態問題日漸凸顯。生境恢復是退化草地根本性恢復的關鍵[1]，而在恢復中起重要限制作用的是土壤入滲，土壤入滲條件得不到改善，土壤的缺水情況就得不到解決，進而阻礙植被恢復[2]。土壤的滲透性是土壤重要的物理性質，也是多種有益水文生態功能的基礎[3]。因此，研究荒漠草原區土壤的入滲特征及其測定方法，對退化草地的生態恢復具有重要意義。

通常用土壤入滲率表示土壤的滲透特性，其測定方法較多，一些學者們比較了測定土壤入滲特征的多種方法，并評價其適用性。Wu L等[4]比較了單環和雙環入滲儀的入滲速率；朱良君等[5]在黃土高原溝壑區采用雙環、單環、圓盤入滲儀和Hood入滲儀4種測定方法比較其優劣，發現單環、圓盤入滲儀、Hood入滲儀測定的穩定入滲率分別是雙環的116%、111%、225%；江凌等[6]采用雙環法、環刀法和土壤入滲自動測量系統研究崩崗土層入滲方法的適用性，發現雙環法入滲結果代表性強但極易破壞表土，環刀法受采樣點的影響大，土壤自動測量系統精度較高；莫斌等[7]分別采用了點源入滲法、雙環法和環刀法3種方法對紫色土丘陵區的土壤水分入滲能力進行測定，通過分析得出點源入滲法比雙環法測得的穩滲率大224%，環刀法比點源入滲法大84.85%；閔雷雷等[8]采用3種方法測定了太行山林地的土壤穩滲率，發現雙環法測得的穩滲率最大，人工降雨法次之，Guelph滲透儀法最小。王海瑞[9]采用環刀法研究了退化草地的水分入滲性能，發現隨著植被的恢復，土壤入滲能力增強；楊秀蓮等[10]采用雙環法分析了鹽池縣封育草地生物結皮對土壤水分的影響；鄭江坤等[11]采用改進的土壤入滲過程測定儀，研究了陜北生態退耕區土壤水文特性和入滲性能的影響因子。胡順軍等[12]分別采用雙環法和環刀法測定了土壤飽和滲透系數，結果表明2者測定的土壤滲透系數計算公式不同；蒙寬宏[13]的研究結果表明，雙環法測量結果是環刀法測量結果的2～4倍。然而目前對荒漠草原區雙環法和環刀法的對比研究較少，有待進一步研究。寧夏鹽池縣處于荒漠草原區，地帶性灰鈣土分布廣泛，對于草地生態保護和恢復具有重要作用。因此，本研究采用雙環法和環刀法測定廣泛分布于鹽池縣荒漠草原的灰鈣土土壤滲透過程，并評價2種方法的可靠性和應用性，可為研究該區土壤水分運動和采取更有針對性的草地恢復措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏東部的鹽池縣皖記溝行政村(107°22′～107°33′E，37°47′～37°57′N)，海拔1 411～1 435 m。該區屬于半干旱荒漠草原帶，氣候干旱，風大沙多。年平均氣溫8.1 ℃， ≥10 ℃有效積溫為2 949.9 ℃。多年平均降水量250～350 mm，且年際和季節變化大，年平均蒸發量2 136 mm。土壤類型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風沙土，此外還有風化砂巖殘積土和黃土等。土壤質地以沙壤、粉沙壤和沙土為主，土壤結構松散，肥力低。研究區植被類型有草原、灌叢、草甸及隱域性鹽生、沙生植被。主要草本植物有：短花針茅(Stipa breviflora )、豬毛蒿(Artemisia scoparia)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、苦豆子(Sophora alopecuroides L)、蒙古冰草(Agropyron mongolicum)、賴草(Leymus secalinus )、糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)、草木樨狀黃芪(Astragalus melilotoides )等。灌木以錦雞兒屬植物為主。

1.2 研究方法

(1)樣地選擇。于2017年6月在寧夏鹽池縣皖記溝村選取此研究區的主要土壤類型——灰鈣土土地作為試驗樣地，且所選樣地地勢較為平坦。主要植被為短花針茅群落。

(2)雙環法。雙環入滲儀外環和內環直徑分別為60、30 cm。試驗前首先將待測土地表面的草本植物進行修剪，剪至與地面平齊，再將雙環入滲儀打壓至土壤表面以下15 cm左右。試驗過程中始終保持入滲水頭高度在5 cm，同時使內、外環水位齊平以防水分從邊緣滲漏，記錄入滲的水量時，按照先密后疏的原則，水分入滲初期記錄間隔小，待入滲較為穩定后，適當放寬記錄的時間間隔。試驗重復3組，當單位時間內注入的水量基本保持穩定時結束試驗。

(3)環刀法。采用環刀法取原狀土樣，采樣深度分別為0～5、5～10和10～20 cm，每個試驗點重復3組。帶回室內，去掉環刀蓋，并在環刀上方接一同樣規格的空環刀，用膠布封好，嚴防接口處漏水，將接合后的環刀保持水平固定在一定高度，下方放置漏斗并用燒杯承接。向空環刀內持續加水，保持水面低于環刀口1 mm，即環刀內5 cm的水量，當漏斗下方滴下水時開始計時，每5 min更換一次燒杯，并計量滲透的水量，直到4個單位時間內滲透出的水量相等。試驗中全部原狀土樣的滲透速率在50 min之前已經基本穩定，為方便比較，因此水分滲透總量統一取前50 min內的滲透量。

(4)土壤物理性質測定。土壤容重、含水量、孔隙度等物理性質采用環刀法測定；土壤硬度采用數顯式土壤緊實度儀測量；土壤粒徑采用馬爾文3000激光粒度儀測定。

(5)入滲模型。采用4種常見的入滲模型對實驗樣地土壤入滲速率隨時間變化的過程進行擬合，各模型表達式如下。

①Kostiakov模型。

f(t)=at-b

式中：f(t)為入滲速率，mm/min；t為入滲時間，min；a、b為擬合的模型參數。

② Horton 模型。

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

式中：f0為初滲率，mm/min；fc為穩滲率，mm/min；k為模型參數，k決定f從f0減小到fc的速度；其余符號意義同前。

③Philip 模型。

f(t)=St-0.5+A

式中：S為土壤吸滲率，mm/min0.5；A為穩定入滲率，mm/min；其余符號意義同前。

④通用經驗模型。

f(t)=a1t-n+b1

式中：a1、b1為擬合的模型參數；n為經驗系數；其余符號意義同前。

(6)數據處理與分析。利用Excel 2010進行數據基本處理與分析，利用Origin 2017進行模型擬合，利用SPSS 21.0進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 2種方法測得土壤入滲過程分析

土壤入滲過程是水分在重力勢的作用下由地表向土壤轉化的氣—地界面連續過程，是認識土壤水分運動的基礎，也是評價其入滲性能的首要條件。采用雙環法和環刀法測得的灰鈣土土壤入滲過程見圖1。由圖1可見，測定入滲采用的方法相同時，由于樣點的位置有所差異，測定出的入滲速率也略有不同，說明土壤自身的條件對土壤入滲過程的差異存在一定影響。雙環法測定的土壤入滲過程呈現出水分初始入滲速率非常高，之后隨著時間的推移，入滲速率在較短時間內先迅速減小，再逐漸放緩，最終入滲速率基本穩定的規律。水分入滲前5 min內為迅速減小階段，5～20 min為逐漸減緩階段，20 min后為基本穩定階段。

圖1 2種方法測定灰鈣土土壤入滲過程Fig.1 Determination of infiltration process of sierozem by two methods

環刀法測定的土壤入滲過程曲線則較為平緩，初始入滲速率比雙環法測得的要低得多，入滲速率沒有明顯迅速減小的階段，在入滲初期開始便緩慢減小，隨著時間推移，最后趨于穩定。入滲速率前30 min內為逐漸減緩階段，30 min后為基本穩定階段。環刀法測得的入滲速率隨時間變化過程的曲線，之所以相對平緩，是因為使用環刀法測定入滲時，環刀內的土壤水分已經處于飽和狀態，加之由于重力的作用，使水分在非毛管孔隙中向下運移，測定的是土壤飽和入滲速率，這與土壤內部條件有關；另外在本試驗過程中，測定入滲初期的入滲速率時，讀數間隔的時間為5 min，時間過長，在一定程度上影響了初期入滲速率的準確性，在今后的試驗中，應增加讀數的頻率，得出更精確的入滲速率數值。

2.2 2種方法測得土壤入滲特征

初始入滲速率、穩定入滲速率和平均入滲速率是表征土壤入滲性能的關鍵參數。不同方法由于測定入滲機理不同，測定效果也存在差異。從雙環法和環刀法測得的土壤入滲特征參數(見表1)可見，環刀法測得的各項入滲特征參數均小于雙環法，其中初始入滲速率比雙環法小77.69%～94.67%；穩定入滲速率比雙環法小27.69%～52.88%；平均入滲速率比雙環法小56.74%～64.79%；達到穩滲時間比雙環法小12.50%～42.5%。雙環法進行測定時，入滲初期野外的土壤水分尚未達到飽和，非毛管孔隙度較大，初始含水量較低，土壤表面的水分在重力作用下能夠較快向下層滲透，當土壤非毛管孔隙逐漸被水分充填，水分入滲速率便隨之減小再逐步趨于穩定，因此雙環法測得的初始入滲速率較高；環刀法進行測定時，環刀內的土壤水分已達到飽和狀態，初始含水量遠高于野外土壤，因此測定水分入滲時環刀法濕潤鋒前沿的水力梯度小于雙環法，土壤的入滲速率隨著含水量的增加而減小[6]。當土壤表面積水時，土壤內的空氣因土壤入滲水流的阻礙而不能順利排出，滯留于土壤孔隙內，因此產生空氣阻力，土壤水分入滲過程受阻，導致入滲速率減小[14]。本試驗中，環刀的截面面積遠小于雙環入滲儀，且在環刀法的入滲試驗中，2個環刀連接處為防止漏水纏繞的膠布、放置的濾紙和底部的環刀蓋在一定程度上限制了環刀法的排氣，使得入滲特征參數偏低。將雙環打入地表時，對地表結構會產生較大的破壞，雙環與土壤間的縫隙導致水分在入滲過程中發生滲漏，因而具有一定誤差，使測定的數值偏大，初滲率的差異性也較大。

表1 2種方法測得土壤入滲特征參數Tab.1 Soil infiltration characteristic parameters measured by two methods

2.3 2種方法測定土壤入滲模型

為更好地認識雙環法與環刀法測定土壤入滲規律的差異性，采用Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型和通用經驗模型分別擬合土壤水分入滲速率隨時間變化的曲線，擬合結果見表2。

Kostiakov模型中，參數a表示經驗入滲系數，a值的大小近似等于前2 min的水分入滲速率，并且與初始入滲速率呈正比，雙環法的a值為6.366～8.042，環刀法的a值為0.578～1.053；參數b為經驗入滲指數，b值的大小與土壤入滲能力的衰減速度呈正比，環刀法的b值小于雙環法；參數a、b在雙環法和環刀法中反映的情況與實際情況一致。

表2 2種方法測定土壤入滲模型的擬合參數Tab.2 Fitting parameters of soil infiltration model determined by two methods

Horton模型中，參數f0表示初始入滲速率， 2種方法所得的f0值均與實測值有所偏差。參數fc表示穩定入滲速率，雙環法的fc值介于0.676～1.403，環刀法的fc值介于0.464～0.764，2種方法的fc值都與實測值較為接近。

Philip模型中，參數S表示土壤吸滲率，S值越大，土壤入滲能力則越強，可以看出環刀法的S值小于雙環法，這是由于環刀法測定的土壤面積小，且環刀內土壤達到飽和狀態的緣故，與實際情況相符。參數A表示穩定入滲速率，雙環法中A值與實測穩定入滲速率不符，而環刀法中A值為0.390～0.718，與實測穩定入滲速率相近。

通用經驗模型中，參數a1表示初始入滲速率，環刀法中的a1值小于雙環法，并且與實測值較接近；參數b1表示穩定入滲速率，與實測值有所偏差。通用經驗模型擬合環刀法的結果中，有一組擬合失敗。

雙環法通過4個入滲模型擬合所得的決定系數R2均值依次為0.856、0.962、0.843、0.904。環刀法通過4個模型擬合得出的決定系數R2均值依次為0.703、0.617、0.697、0.690，其中環刀法第1組平行試驗使用通用經驗模型模擬失敗。雙環法測定的入滲過程的擬合結果優于環刀法。結合以上模型的決定系數R2和各參數所反映的結果來看，雙環法中Horton模型的決定系數R2最高，且參數所反映的穩定入滲速率與實測值較為相符。因此，在雙環法中，入滲模型擬合效果由好到差依次為Horton模型、通用經驗模型、Kostiakov模型和Philip模型。環刀法中，Kostiakov模型最適宜描述入滲速率隨時間變化的過程，R2均值最高，且各參數均勻度較高，Philip模型次之，Horton模型和通用經驗模型較差。王則宇等[15]采用雙環法測定了希拉穆仁天然草地的入滲特征，研究結果表明Horton模型能準確描述土壤入滲隨時間變化的情況；張曉鳳等[16]采用雙環法測定了北京奧林匹克森林公園典型下墊面入滲特征，Horton模型擬合效果最好；劉凱等[17]采用環刀法測定了寧夏鹽池縣荒漠草原人工檸條林土壤入滲性能，發現Kostiakov模型擬合效果最好，與本文研究結果一致。此外，有研究[18]表明，Philip模型是在半無限均勻質地土壤、初始含水率分布均勻并且有積水的條件下試驗得出，故此模型僅在測定勻質土壤一維垂直入滲的情況下適用。

試驗中，采用環刀法測定的面積小，且采集原狀土的過程中環刀側壁與土壤間有較大的摩擦力，導致原狀土受壓而變得更緊實均一，初始含水率相對較高且分布較為均勻，因此Philip模型對環刀法的擬合效果也較好。將雙環法和環刀法測得的土壤累計入滲量隨時間變化的過程分別用一元二次和一元一次方程進行擬合，擬合結果見表3。2種方法測得的累計入滲量由一元一次方程擬合得出的決定系數R2均大于0.898，由一元二次方程擬合得出的決定系數R2均大于0.989，一元二次方程的擬合結果更好，更適宜于描述土壤水分累計入滲量隨時間變化的過程。環刀法的擬合結果優于雙環法，其決定系數R2在0.998以上，雙環法的決定系數R2在0.898以上，且雙環法擬合結果的差異性較環刀法大。該結果與莫斌等[19]研究結果基本一致。原因可能是雙環法在試驗過程中讀數的時間間隔較密集，讀數時易產生誤差，因此入滲量的波動較大；采用環刀法測定時，每5 min讀數一次，時間間隔均勻，且讀數誤差小，累計入滲量的曲線則呈平穩均勻的上升趨勢。

表3 2種方法測定的土壤累計入滲量過程擬合Tab.3 Fitting of cumulative soil infiltration process by two methods

2.4 入滲特征與土壤物理性質相關性分析

土壤的物理性質對水分入滲特征有著一定程度的影響，從表4可以看出，對于雙環法，初滲率與非毛管孔隙度呈極顯著正相關。對于環刀法，初滲率與土壤容重、粗沙粒含量顯著正相關，與土壤硬度顯著負相關，與黏粉粒含量呈顯著負相關；穩滲率與土壤容重呈顯著正相關。2種方法測得的初滲率與穩滲率均與毛管孔隙度呈反比，但未達到顯著水平；除雙環法測得的初始入滲速率外，其他入滲指標與含水率呈反比，但也未達到顯著水平。

表4 初滲率、穩滲率與土壤物理性質相關性分析Tab.4 Correlation analysis of initial infiltration rate, stable infiltration rate and soil physical properties

注：*表示在0.05水平上顯著；**表示在0.01水平上顯著。

李紅等[20]研究表明，非毛管孔隙由于其孔隙直徑較大，利于通氣和水分滲透；徐勤學等[21]研究發現，初始入滲速率與非毛管孔隙度有極顯著的正相關性，與本研究雙環法測得的結果一致。雙環法測得的穩滲率，環刀法測得的初滲率、穩滲率均與土壤容重呈正相關關系，這與一般研究[21]結果相反，原因是荒漠草原區土壤發育程度不高，有機質含量低，且長期在風蝕的作用下，土壤結構遭到破壞，土壤粗粒化，粗粒化導致容重增加，而不是因為土壤質地緊實黏重使容重增加。雙環法測得初始入滲速率與土壤硬度呈正相關，原因可能是在入滲初期由于環壁與土壤間的縫隙造成的滲漏相對較大。入滲指標與毛管孔隙度呈弱負相關，與莫斌等[7]的試驗結果相似，原因是毛管孔隙具有毛細作用，持水性能較強，且易于被植物吸收利用，尤其在非毛管孔隙度小于毛管孔隙度時，毛管孔隙度對土壤毛管水的運移有束縛作用[22]。土壤的機械組成相對與入滲特征的相關性較大，熊東紅等[23]研究指出，土壤沙黏比與入滲指標正相關，沙粒含量越高，黏粒含量越小，則透水性越強。

3 結 論

(1)從實驗結果來看，2種方法各有優劣。雙環法測定的入滲深度和面積大，代表性強，但將雙環打入地表時容易發生側漏，對地表破壞性強，對土壤擾動程度高，較為費力費水，讀數時易產生誤差；環刀法受采樣點的影響大，代表性差，但操作較為簡單，適用于室內實驗。

(2)2種方法適用的土壤入滲模型具有差異。雙環法采用Horton模型擬合效果最好，通用經驗模型次之，Kostiakov模型隨后，Philip模型最差，決定系數R2依次為0.962、0.904、0.856、0.843。環刀法采用Kostiakov模型擬合效果最好， Philip模型次之，Horton模型和通用經驗模型較差，決定系數R2依次為0.703、0.697、0.617、0.690。雙環法測得的入滲過程擬合得出的決定系數更高。

(3)2種方法測得的累計入滲量采用一元二次方程擬合比一元一次方程擬合效果好，其決定系數R2大于0.991，環刀法測得的累計入滲量比雙環法所測擬合效果好。

(4)2種方法測得的入滲特征具有差異，主要是由于土壤內部條件在不同試驗方法中差異較大；土壤物理性質對其入滲特征的影響也因此略有不同。今后的試驗中應加大樣本量，進行更為深入的分析論證。