不同因素影響下層狀土壤水分入滲特征及水力學(xué)參數(shù)估計*

馬蒙蒙，林 青，徐紹輝

不同因素影響下層狀土壤水分入滲特征及水力學(xué)參數(shù)估計*

馬蒙蒙，林 青，徐紹輝?

（青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266071）

層狀土壤是自然界常見的土體結(jié)構(gòu)，其水分運移規(guī)律不同于均質(zhì)土；大氣降水、灌溉水等水分的入滲是土壤水文過程的一個重要環(huán)節(jié)，同時它也與地下水補(bǔ)給、污染物運移等過程緊密相關(guān)。土壤初始含水量、土體構(gòu)型及供水強(qiáng)度等因素均會影響水分的入滲過程。為探究積水深度、土體構(gòu)型、初始含水量三種因素對層狀土壤水分運移的影響，通過室內(nèi)積水入滲試驗對濕潤鋒、累積入滲量、土壤剖面壓力水頭進(jìn)行觀測，并利用Hydrus-1D模型反演水力參數(shù)并對相應(yīng)條件下的水分運移規(guī)律進(jìn)行模擬和分析。結(jié)果表明，層狀土壤中濕潤鋒隨時間的推進(jìn)方式由非線性過渡至線性，入滲率逐漸減小。三種因素作用下，層狀土壤水分運移特征有明顯差異：積水深度、土壤初始含水量增加時，濕潤鋒運移速率和入滲率均增大，且各觀測點壓力水頭升高加快，土壤不飽和程度降低；上砂壤下粉砂壤構(gòu)型較上粉砂壤下砂壤構(gòu)型而言，整體濕潤鋒推進(jìn)速率和入滲率較大，出流快，且入滲后期界面處的壓力水頭高于其他觀測點。且結(jié)果表明，反演的水力學(xué)參數(shù)較擬合實測的參數(shù)更適用于層狀土壤入滲的模擬和預(yù)測。該研究旨在揭示和掌握層狀土壤水分運移規(guī)律和影響因素的作用機(jī)制，并進(jìn)一步為農(nóng)田灌溉措施的合理制定提供科學(xué)依據(jù)。

層狀土壤；土體構(gòu)型；積水深度；初始含水量；Hydrus-1D

因地質(zhì)沉積、水文過程及耕作等活動，田間土壤多呈層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對水分入滲及污染物的運移具有強(qiáng)烈影響。早有研究表明水分在均質(zhì)土和層狀土中的運移規(guī)律有很大差異[1]。基于均質(zhì)土入滲理論，國內(nèi)外學(xué)者對多種條件下層狀土壤的入滲過程進(jìn)行了大量試驗和理論研究[2-6]。由于土壤本身的結(jié)構(gòu)和特性，以及供水方式和降雨強(qiáng)度等諸多因素均會影響水分的運移，學(xué)者們從多個角度對影響水分運移的因素進(jìn)行了詳細(xì)的討論。Si等[7]發(fā)現(xiàn)，土體構(gòu)型（Soil configuration）對水分運動產(chǎn)生影響主要是由于土體中的異質(zhì)層造成的水流阻滯效應(yīng)，使得分層界面處的土壤孔隙和水力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)明顯的不連續(xù)，從而影響整個土體內(nèi)的水流通量和含水量分布[8]。李毅等[9]通過對濕潤鋒、累積入滲量和剖面含水量的觀測發(fā)現(xiàn)，夾層位置和土壤質(zhì)地變化對層狀土壤入滲規(guī)律有明顯影響。范嚴(yán)偉等[10]基于Hydrus-1D軟件模擬了不同砂層質(zhì)地、埋深、厚度及壓力水頭和初始含水率條件下的水分入滲過程，結(jié)果表明土壤剖面含水率主要受砂層質(zhì)地、埋深和砂層厚度的控制。劉汗等[11]采用徑流-出流法和雙環(huán)入滲法對比測量入滲率，分析了土壤入滲性能對初始含水率和降雨強(qiáng)度的響應(yīng)，結(jié)果表明：入滲能力隨著降雨強(qiáng)度的增加而降低，隨著初始含水率的增加而降低。總之，現(xiàn)有研究已涉及了土壤質(zhì)地、容重、初始含水量等因素對土壤水分運移特征的影響，但由于層狀土體構(gòu)型和試驗自身設(shè)計等條件的不同，導(dǎo)致一些類似研究結(jié)果有所差異。深入研究土壤水分入滲及再分布等運移規(guī)律問題，對增加土壤儲水量、減少土壤水滲漏有重要意義。但以往的研究多是以濕潤鋒和累積入滲量為觀測指標(biāo)分析水分的入滲特征，對運移過程中剖面含水量及壓力水頭的觀測和分析較少。

本文通過層狀土壤積水入滲試驗并基于Hy- drus-1D軟件，以濕潤鋒、累積入滲量、壓力水頭為觀測指標(biāo)，分別探討了不同積水深度、土壤初始含水量、土體構(gòu)型下的層狀土壤水分運移規(guī)律，以便深入了解層狀土壤水分運動過程，為優(yōu)化田間水分管理提供依據(jù)。因考慮到土層界面的影響，直接利用層狀土壤剖面觀測數(shù)據(jù)反演水力參數(shù)（并非均質(zhì)土分開反演），同時對比直接擬合的水力參數(shù)，分析兩種方法所得參數(shù)的適用性。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土樣取自青島市平度南村鎮(zhèn)農(nóng)田，去除表層10?cm土壤后，剖面10～100?cm按土壤質(zhì)地類型大致分為兩層：10～40?cm、40～100?cm。采用環(huán)刀取剖面30、60?cm處的原狀土，用于Ku-pF非飽和導(dǎo)水率測量系統(tǒng)測定土壤水分特征曲線；取一定量擾動土樣經(jīng)風(fēng)干、碾壓、過2?mm篩備用；同時對土樣進(jìn)行基本理化性質(zhì)測定，見表1。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

試驗采用馬氏瓶供水，馬氏瓶和試驗土柱均為有機(jī)玻璃材質(zhì)（外壁貼有刻度尺）。其中馬氏瓶內(nèi)徑10?cm，高100?cm；土柱內(nèi)徑15?cm，高60?cm，且土柱側(cè)壁有六個孔供安裝土壤水勢傳感器（TS-2型水勢傳感器，中國科學(xué)院南京土壤研究所），頂部設(shè)進(jìn)水口，底部設(shè)出水口。

圖1 層狀土傳感器布置圖（A：粉砂壤土；B：砂質(zhì)壤土。圖中單位：cm）

試驗步驟：裝填完成后，調(diào)整馬氏瓶位置及內(nèi)管高度，在土壤表面加入與設(shè)計積水深度等量的水，保證在定水頭情況下開始入滲；試驗過程中記錄不同時刻濕潤鋒位置、馬氏瓶讀數(shù)和水勢傳感器讀數(shù)；當(dāng)出水口有水流出時，停止供水，結(jié)束試驗，并快速抽出表層積水，進(jìn)入土壤水再分布狀態(tài)。

本文具體試驗設(shè)計見表2（共6組試驗），其中土壤初始含水量中前兩組W1、W2是通過將土樣風(fēng)干至不同程度獲得；W3是經(jīng)積水入滲及再分布后的土柱中較高含水量的土樣，其含水量值通過土壤水分特征曲線計算測定。

表2 試驗方案

注：P代表積水深度，C代表土體構(gòu)型，W代表初始含水量。Note：P stands for depth of ponding water；C for soil configuration；W for initial water content.

1.3 數(shù)值模型

假設(shè)土壤為各向同性均質(zhì)介質(zhì)，可通過一維非飽和土壤水運動方程[12]（the Richards Equation）和定解條件進(jìn)行數(shù)值模擬。在Hydrus-1D 軟件中，可通過控制初始條件和邊界條件，基于正演模塊和反演模塊，形成能完整描述水流運動的數(shù)學(xué)模型，其方程、初始條件和邊界條件分別為:

入滲過程中定壓力水頭為模型的上邊界，自由排水作為模型的下邊界。

初始條件：

上邊界：

下邊界：

式中，為體積含水量（cm3·cm–3），為時間（min），為土壤深度（cm），向下為正；為壓力水頭（cm），為土壤非飽和導(dǎo)水率（cm·min–1），0為初始壓力水頭（cm），1為上邊界定壓力水頭2（cm）。土壤水分特征曲線（）和非飽和導(dǎo)水率（）采用van Genuchten（VG）模型擬合[13]。

1.4 求解水力學(xué)參數(shù)

土壤水力學(xué)參數(shù)是利用數(shù)學(xué)模型分析土壤水運動特征的基本參數(shù)，即定量了解土壤水運動的基礎(chǔ)[14]。目前常用來描述土壤水運動的VG模型中的參數(shù)為：飽和含水量（s）、殘余含水量（r）、飽和導(dǎo)水率（s）、進(jìn)氣吸力倒數(shù)（）、孔隙尺寸分布指數(shù)（）。本文通過兩種方法估計水力學(xué)參數(shù)，一種是利用積水入滲試驗（P2C1W1）下實測的土壤壓力水頭-時間數(shù)據(jù)（選取中間4個觀測點），運用Hydrus-1D的Inverse[15]模塊對水力參數(shù)（、、s）進(jìn)行反演，并對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；其中模擬土層深度為42?cm，空間步長設(shè)為0.5?cm，模擬歷時4 000?min，設(shè)置與試驗中相同位置的觀測點。另一種是利用Ku-pF裝置測量填裝土和原狀土的壓力水頭-土壤含水量數(shù)據(jù)，通過RETC軟件基于VG模型擬合獲得“實測”的水力參數(shù)（s、r、；原狀土、填裝土）。其中兩種方法下，s、r均采用實測值；s分別利用定水頭法實測和反演獲得。最后分別運用反演優(yōu)化的參數(shù)和擬合“實測”填裝土的參數(shù)對3?cm積水深度（P3C1W1）下層狀土壤一維垂直入滲進(jìn)行模擬，并將實測值與模擬值進(jìn)行擬合、分析，從而驗證參數(shù)的有效性。

2 結(jié)果與討論

2.1 積水深度對層狀土壤水分運移的影響

對比不同積水深度的試驗（P1C1W1、P2C1W1、P3C1W1），圖2a）反映了濕潤鋒的推進(jìn)過程,曲線斜率dd表示濕潤鋒運移速率，虛線代表濕潤鋒到達(dá)土壤分層界面（時間分別為600、480、480?min）；圖2b）表示累積入滲量的變化規(guī)律，dd表示入滲速率。圖中可看出同一積水深度下：入滲前期，入滲率快且迅速減小，濕潤鋒運移距離和累積入滲量隨時間呈非線性增長；濕潤鋒在到達(dá)界面后，隨時間呈線性增長，運移速率基本穩(wěn)定，但入滲率仍逐漸減小。隨積水深度增加，濕潤鋒運移加快（到達(dá)界面的時間縮短），相同時間內(nèi)累積入滲量也增大，但2?cm和3?cm積水深度下差異較小。

為定量分析積水深度對鋒速和入滲率的影響，根據(jù)濕潤鋒運移特征和土壤分層狀況，將濕潤鋒在到達(dá)分層界面前的過程，稱為第一階段，在界面下稱為第二階段[16]。由第一階段濕潤鋒運移距離和時間曲線（）呈非線性增長，用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，第二階段明顯轉(zhuǎn)為線性增長，故采用線性函數(shù)進(jìn)行擬合，決定系數(shù)2均大于0.99，擬合效果良好。同樣對整個入滲過程的累積入滲量和時間曲線（）采用冪函數(shù)擬合（因曲線分兩階段擬合的效果較整體擬合效果差，故采用整個入滲過程擬合），詳見表3。

圖2 不同積水深度試驗下濕潤鋒位置和累積入滲量的變化趨勢

表3 不同積水深度試驗下的Z-t、I-t擬合結(jié)果

注：a、b、c、d表示擬合參數(shù)；2表示決定系數(shù)，RMSE表示均方根誤差；k、α分別表示入滲系數(shù)和入滲指數(shù)Note：a，b，c and d all stand for fitting parameters；2for coefficient of determination，RMSE for root mean square error；k andαfor infiltration coefficient and infiltration index，respectively

同一積水深度下，第一階段入滲率隨時間迅速減小（如2?cm積水深度下，入滲率由1?min時的4.2?cm·min–1降至10?min的0.42?cm·min–1），主要是由于入滲初期土體較干燥,入滲能力較強(qiáng)，隨著水分入滲，土壤含水量不斷增長，水吸力減小，故鋒速和入滲率由快變慢；第二階段濕潤鋒推進(jìn)速度為定值（值）。鋒速、入滲率隨積水深度增加而增大，這與之前的研究結(jié)果相似[17]，主要是因為積水深度增加，入滲界面處壓力勢增大，利于水分下滲。但由于上層土壤黏粒含量較高，水分運移慢，或由于上層土壤因積水壓力的壓實作用導(dǎo)致入滲界面土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土壤密度變大[18]，入滲速率較小。積水深度為2?cm和3?cm時的入滲率差異很小，分析是由于上層土壤滲透性差，供水強(qiáng)度遠(yuǎn)大于入滲能力，所以對入滲過程的影響差別不大，當(dāng)然也不乏測量誤差的原因。

圖3為壓力水頭隨時間的變化規(guī)律，各積水深度（1、2、3?cm）試驗出流時間分別為4 920、4 020、4 070?min。從圖中可以看出，由上至下各觀測點處的壓力水頭依次驟升并逐漸趨于平穩(wěn)。隨積水深度增大，壓力水頭開始變化的時間提前。上層土同一時間相同觀測點處壓力水頭隨積水深度增加而增大，即含水量增大，如600?min時，1?cm和3?cm積水下上層土壤近界面處的觀測點（17?cm處）的壓力水頭分別為–136?cm、–102?cm，積水深度的變化對入滲通量有直接影響[19]。下層砂壤土受表面積水影響較小，隨著上層土壤逐漸趨于飽和，聚集于界面的水分開始下滲，下層土壤的入滲量逐漸緩慢增加，達(dá)到田間持水量后開始滲漏出流。

2.2 土體構(gòu)型對層狀土壤水分運移的影響

土體構(gòu)型即土壤的結(jié)構(gòu)形態(tài)，是構(gòu)成土壤剖面特征土層的排列形式[20]，影響著土壤水流及溶質(zhì)的運移。由圖4可看出其對濕潤鋒運移和入滲能力具有明顯的影響，兩種構(gòu)型下濕潤鋒到達(dá)界面的時間分別為60、480?min，差異明顯。由圖4a）明顯看出當(dāng)土體構(gòu)型為上砂壤下粉砂壤時，在濕潤鋒穿過界面后，濕潤鋒的運移速度（斜率）快速并持續(xù)降低（鋒速由50?min時0.20?cm·min–1降至70?min時的0.14?cm·min–1），由非勻速推進(jìn)轉(zhuǎn)變?yōu)閯蛩偻七M(jìn)；而當(dāng)土體構(gòu)型為上粉砂壤下砂壤時，濕潤鋒速度緩慢減小，到達(dá)界面后未呈現(xiàn)出明顯變化（濕潤鋒到達(dá)界面前后，鋒速均保持在0.02?cm·min–1左右），同樣勻速推進(jìn)；且前一構(gòu)型下鋒速遠(yuǎn)大于后者。由圖4b）可看出上砂下粉構(gòu)型的累積入滲量明顯大于另一構(gòu)型且差值逐漸增大，兩構(gòu)型均表現(xiàn)為入滲率隨時間逐漸減小，且濕潤鋒到達(dá)界面處的入滲率分別為0.20、0.021?cm·min–1。

圖3 不同積水深度試驗下層狀土壤不同深度處的壓力水頭隨時間的變化

研究表明層狀土壤入滲率與上層土壤飽和導(dǎo)水率和下層土壤進(jìn)水吸力有關(guān)。由圖4可知在上粉下砂型土壤中鋒速和入滲率均低于上砂下粉構(gòu)型，分析主要是在上粉下砂構(gòu)型中，其上層土壤黏粒含量較高，導(dǎo)水率小，水力阻滯作用明顯，嚴(yán)重阻礙了水分向下運移；而且當(dāng)濕潤鋒到達(dá)界面后，濕潤鋒處的基質(zhì)勢足夠小，它會阻礙下層粗質(zhì)土中大量大孔隙的入滲[21]，從而降低了下層土壤入滲能力，使得鋒速和入滲率明顯小于上砂下粉型。

由圖5 a1）、圖5b1）可知，兩土體構(gòu)型入滲試驗的出流時間分別為4 020、1 920?min，從上到下各觀測點壓力水頭依次驟升并趨于平穩(wěn)，并且急劇上升的時刻與濕潤鋒經(jīng)過的時刻相近，這與先前王春穎等[22]的研究相一致。相比上粉下砂構(gòu)型，上砂下粉構(gòu)型試驗中各觀測點處壓力水頭開始上升時間提前、變化更快，且出流快。入滲后期兩種構(gòu)型均為上層壓力水頭略高于下層，最終趨于穩(wěn)定；但不同的是砂壤在上時，近界面位置（17?cm處）觀測點處的壓力水頭略高于其他觀測點處的壓力水頭。圖5a2）、圖5b2）是兩種構(gòu)型下水分再分布過程中壓力水頭的變化規(guī)律，其中上粉下砂構(gòu)型：上層土壤的3個位置處的壓力水頭在入滲結(jié)束后快速下降，位置越靠上，下降幅度越大；下層3個位置處的壓力水頭開始緩慢波動，基本平穩(wěn)不變，后期緩慢下降，最終各位置壓力水頭值一直在上下波動。上砂壤下粉砂壤構(gòu)型中：前期上層壓力水頭快速下降，下層壓力水頭緩慢下降，但后期各觀測點壓力水頭波動很小，基本平穩(wěn)不變。

圖4 不同土體構(gòu)型試驗下濕潤鋒位置和累積入滲量的變化趨勢

注：a1），a2）分別表示上粉壤下砂壤型的水分入滲過程和水分再分布過程；b1），b2）分別表示上砂壤下粉壤的水分入滲過程和水分再分布過程 Note：a1）and a2）stands for water infiltration and water redistribution processes in the sandy loam covered with silt loam，respectively；and b1），b2）for water infiltration and water redistribution processes of silt loam covered with sandy loam，respectively

上粉下砂構(gòu)型水分整體運移速度遠(yuǎn)小于其他構(gòu)型，主要是因為上層粉砂壤較強(qiáng)的阻滲作用，而且水力阻滯會因含水量的增加使土層界面間導(dǎo)水能力差異增大而愈加明顯[23]。上砂下粉構(gòu)型出流快說明土體易滲漏。入滲后期上層土壤更先接近飽和狀態(tài)，故上層土壤壓力水頭高于下層土壤。界面上方觀測點處壓力水頭略高是因為下層土壤的阻水作用，使水分在界面上聚積，進(jìn)而提高了上層土壤的蓄水能力[24]。水分再分布過程中，土壤上界面無積水壓力的作用，故水分僅在重力和基質(zhì)勢的作用下運動，重力作用占主導(dǎo)地位。上層土壤自下向上失水速度加快，上層土壤水分在重力作用下下滲，含水率（壓力水頭）減小，基質(zhì)勢降低；當(dāng)基質(zhì)勢降低至一定程度后，下層土壤水分便克服重力在基質(zhì)吸力的作用下沿毛管向上運移，補(bǔ)充水分的缺失，故壓力水頭上下波動[25]。上砂下粉構(gòu)型下層土壤基質(zhì)勢梯度小，水分運移減緩，加上土柱底層的阻水作用，土壤含水率變化幅度很小，故壓力水頭平穩(wěn)不變。

2.3 初始含水量對層狀土壤水分運移的影響

初始含水量是田間土壤入滲能力的重要影響因素[26]。圖6所示初始含水量對濕潤鋒和累積入滲量的影響，高、低0下濕潤鋒到達(dá)土壤分層界面的時間分別為330、480?min。可明顯看出相同入滲時間內(nèi)，初始含水量越高，濕潤鋒運移越快，累積入滲量越多。在接近飽和狀態(tài)作為初始含水量的試驗中，濕潤鋒不易觀察，故未列出，截止出流4?h累積入滲量僅為4?cm。

圖6 不同初始含水量試驗下濕潤鋒位置和累積入滲量的變化趨勢

濕潤鋒的運移速率隨初始含水量的增大而增大，這與其他學(xué)者的研究結(jié)論一致[27]，主要是土壤持水能力有限，初始含水量增加時，所吸持的水量相應(yīng)降低，有利于濕潤鋒向下運移。累積入滲量和入滲率隨著初始含水量的增加而增大，這與曾辰等[28]、張向炎等[29]、Malik等[30]的研究結(jié)果不同，但與王全九等[31]和劉目興等[32]的研究結(jié)果一致。土壤初始含水量越低，一方面與含水量直接相關(guān)的基質(zhì)勢越高，增大了濕潤峰前端的水吸力，利于水分入滲；另一方面也增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體遇水后的崩解擠壓作用，降低孔隙度，進(jìn)一步減緩下滲[33-34]。兩方面共同作用，致使試驗結(jié)果有所差異。接近飽和時水分的入滲基本達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)，相較干燥土壤，吸水后團(tuán)聚體膨脹、孔隙減少，故入滲率遠(yuǎn)低于干燥土，這也是間歇降雨中，后期降雨入滲率遠(yuǎn)低于初次降雨入滲率的原因[35]。

圖7為不同0下壓力水頭的變化情況，土壤在低、高0下，試驗出流時間分別為4 020、2 640?min；從圖中可觀察到各位置由上至下壓力水頭開始變化的時間分別為10、100、300、600、1 020、1 500；5、80、240、480、720、1 020?min，且入滲結(jié)束時同一時間相同觀測點處壓力水頭值隨初始含水量的增加而稍有升高。土壤初始含水量越高，雖然水勢梯度減小導(dǎo)致入滲能力降低，但土壤的持水能力變小，土壤易飽和，利于水分下滲。在本研究中，后者作用強(qiáng)于前者，故0增大時，水分運移加快，故相同時間同一位置處含水量增大。

2.4 Hydrus-1D模型模擬

通過Hydrus-1D模擬土柱入滲試驗（P2C1W1），反演得到層狀土壤的水力學(xué)參數(shù)；利用Ku-pF測定的實驗數(shù)據(jù)并結(jié)合RETC軟件，擬合獲得“實測”的填裝土和原狀土的水力學(xué)參數(shù)，見表4。

注：a）所示體積含水量為：粉砂壤0.040，砂壤0.016；b）所示體積含水量為：粉砂壤0.047，砂壤0.037 Note：a）indicates that θ0 is 0.040 in Silt loam，and 0.016 in Sandy loam；b）indicates that θ0 is 0.047 in Silt loam and 0.037 in Sandy loam（cm3·cm–3）

表4 土壤水力學(xué)參數(shù)的優(yōu)化值與擬合值

分別利用表4中反演優(yōu)化的參數(shù)和填裝土擬合實測的參數(shù)，模擬3?cm積水深度下壓力水頭的變化規(guī)律，并將實測值和模擬值進(jìn)行比較。圖8為基于反演參數(shù)下的模擬結(jié)果：壓力水頭模擬值與實測值擬合效果較好，基本與實測值的變化趨勢相吻合，2為0.952，RMSE為0.027。而RETC擬合的填裝土的參數(shù)模擬效果較差（故未列出擬合曲線），其主要是原因是，由Ku-pF裝置測定的土壤水分特征曲線是一“脫濕”過程，而用來反演參數(shù)的數(shù)據(jù)是通過土柱入滲的“吸濕”過程獲得的，兩者之間存在滯后現(xiàn)象；此外s實測值是利用定水頭法（環(huán)刀）測定，與反演值相差較大，這與環(huán)刀和土柱尺寸差異較大有關(guān)。因此說明反演、優(yōu)化的參數(shù)更適用于室內(nèi)層狀土壤入滲規(guī)律的模擬與預(yù)測。

圖8 壓力水頭模擬值與實測值的擬合

此外，由表4可以看出由RETC擬合“實測”得到的原狀土和填裝土的水力參數(shù)差異較大，使得水分特征曲線有明顯差異，見圖9。填裝土的飽和含水量和低吸力段的含水量均明顯高于原狀土，且填裝土的水分特征曲線要較原狀土陡。分析原因，可能是填裝土的研磨及裝填的容重差異導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體被破壞、改變了土壤的孔隙分布，而土壤水分特征曲線實際反映的是孔隙狀況和含水量的關(guān)系[21]，故原狀土和擾動土的水分特征曲線有明顯差異。

圖9 原狀土和擾動土的土壤水分特征曲線

3 結(jié) 論

在層狀土壤積水入滲試驗中，濕潤鋒在到達(dá)土層界面后由非線性推進(jìn)轉(zhuǎn)為線性推進(jìn)，入滲率隨時間延長逐漸減小。其中上砂壤下粉砂壤構(gòu)型中，濕潤鋒的運移速度快速并持續(xù)降低，鋒速由50?min時的0.20?cm·min–1降至70?min時的0.14?cm·min–1；上粉砂壤下砂壤構(gòu)型中，濕潤鋒速度緩慢減小，在到達(dá)界面前后，鋒速均保持在0.02?cm·min–1左右；兩構(gòu)型下濕潤鋒到達(dá)界面時，入滲率分別為0.20、0.021?cm·min–1。積水深度、土體構(gòu)型及初始含水量對水分運移的影響作用機(jī)制不同。積水深度主要通過影響入滲界面處的壓力勢來影響水分的運移過程，對入滲通量有著直接作用；土體構(gòu)型對水分運移的影響主要是因剖面中不同質(zhì)地土壤的孔隙、黏粒含量等差異導(dǎo)致滲透性、持水能力不同，且造成土層突變界面產(chǎn)生水力阻滯作用。土壤初始含水量對入滲的影響是通過兩方面共同作用的，即與土壤含水量直接相關(guān)的水勢梯度的作用和間接相關(guān)的土壤團(tuán)聚體遇水后的崩解擠壓作用。故可適當(dāng)調(diào)整這三種因素減小土壤滲漏量，以優(yōu)化田間水分管理。利用Hydrus-1D軟件反演、優(yōu)化的參數(shù)較RETC擬合的“實測”參數(shù)更適用于室內(nèi)層狀土壤積水入滲特征的模擬與預(yù)測。

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Water Infiltration Characteristics of Layered Soil under Influences of Different Factors and Estimation of Hydraulic Parameters

MA Mengmeng, LIN Qing, XU Shaohui?

(College of Environmental Science & Engineering, Qingdao University, Qingdao, Shandong 266071, China)

Layered soil is more often encountered than homogeneous soil in nature, and its water movement follows a law different from the latter’s. And infiltration of water, such as atmospheric precipitation and irrigation water, is an important part of the hydrological process in soil, and is also closely related to groundwater replenishment and pollutant transport. Soil initial water content, soil texture and structure and water supply intensity are all factors affecting the process of water infiltration. The purpose of this study is to explore and grasp law of the water infiltration in layered soil and mechanisms of the influencing factors, and provide a theoretical basis for further rationalization of farmland irrigation measures.The layered soil used in this research, was constructed in line with the soil profile in the field, i.e. a silt loam layer (18cm thick) and a sandy loam layer (24 cm) , and out of the consideration of the mechanisms of ponding water relative to depth, soil configuration and initial soil moisture content affecting water transport. In the indoor ponding infiltration experiment of layered soil, wetting front, cumulative infiltration and soil profile pressure head, relative to depth of standing water, was observed. Moreover, hydraulic parameters of the layered soil were determined with a Ku-pF device and the Hydrus-1D software inversion module, separately. Based on these parameters, the Hydrus-1D model was used to simulate and predict water transport under various set conditions. Applicabilities of the soil hydraulic parameters were verified by comparing the simulated data of the two sets of parameters.Results show that the wetting front turned from nonlinear advance to linear advance and the cumulative infiltration increased with time, while the infiltration rate decreased rapidly in the early stage of the infiltration and then slowly as the infiltration going on, which is mainly due to the change in soil matrix potential gradient. The soil was relatively dry and high in water suction at the initial stage of the infiltration; as the soil increased in water content, the water suction decreased. As affected by the three factors, water transport varied sharply in characteristics in the layered soil. When the ponding water increased in depth and the initial soil water increased in content, both the wetting front advancing rate and the infiltration rate increased, and the pressure water head increased quicklyat each observation point and the soil water unsaturation degree decreased, which indicates that the change in depth of ponding depth has some impact on pressure potential, and the change in initial water content is related to matrix potential and disintegration and compression of soil aggregates. Compared with the soil configuration of silt loam overlying sandy loam, the one of the reverse order was higher in overall wetting front advancing rate, infiltration rate and pressure head variation. (The infiltration rate at the interface of the wetting front in the layered soil was 0.20 and 0.021?cm·min–1, respectively.) In addition, the two types of layered soils differed significantly in variation of the pressure water head in the soil water redistribution processAll the findings in this study not only help illustrate that appropriate adjustment of the three influencing factors can reduce soil leakage and optimize soil water management in the field, but also further demonstrate that the parameters of the inversions are more adoptable to simulation and prediction of water infiltration characteristics of layered soils under ponding water in indoor experiments.

Layered soil; Soil configuration; Ponding depth; Initial water content; Hydrus-1D

S152

A

10.11766/trxb201905090250

馬蒙蒙，林青，徐紹輝. 不同因素影響下層狀土壤水分入滲特征及水力學(xué)參數(shù)估計[J]. 土壤學(xué)報，2020，57（2）：347–358.

MA Mengmeng，LIN Qing，XU Shaohui. Water Infiltration Characteristics of Layered Soil under Influences of Different Factors and Estimation of Hydraulic Parameters[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（2）：347–358.

* 國家自然科學(xué)基金項目（41571214，41807010）資助Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41571214，41807010）

，E-mail：shhxu@qdu.edu.cn

馬蒙蒙（1995—），女，山東德州人，碩士研究生，主要從事土壤水和溶質(zhì)運移的數(shù)值模擬。E-mail:mengmengma127@163.com

2019–05–09；

2019–07–10；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）:2019–10–29

（責(zé)任編輯：檀滿枝）