礫石覆蓋對土壤入滲特性影響的試驗(yàn)研究

2020-06-18 01:22:36鄭加興李紫純

中國農(nóng)村水利水電 2020年2期

房凱，鄭加興，張俐，李紫純，趙瑜

(1.江蘇省宿遷市水務(wù)局，江蘇宿遷 223800；2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200120;3.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098)

0 前言

礫石(>2 mm的碎石)廣泛存在于世界的部分土壤中。近幾年來，隨著山地土壤的開發(fā)與利用，礫石對土壤物理和侵蝕過程的影響研究受到廣泛重視。碎石的存在改變了土壤水分的運(yùn)動(dòng)通道和過水?dāng)嗝妫黾恿送寥揽紫兜膹澢潭龋碚撋虾兴槭寥赖乃诌\(yùn)動(dòng)較均質(zhì)土壤更為復(fù)雜[1]。通常基于碎石的惰性及其對碎石土樣處理結(jié)果影響很小的考慮，利用除去碎石的土樣研究土壤入滲特征。而近年來一些學(xué)者研究表明土壤水分入滲是相當(dāng)復(fù)雜的過程，碎石存在會(huì)不同程度影響土壤水分運(yùn)動(dòng)特征值。李小雁等[2]通過野外小區(qū)試驗(yàn)研究表明礫石覆蓋能夠防止土壤表面密封和結(jié)皮，增加地表粗糙度，從而增加入滲。陳士輝等[3]研究不同粒徑表明，沙田土壤由于礫石覆蓋土壤水分入滲速率顯著增加，土壤蒸發(fā)受到抑制。對于碎石對入滲的影響,目前相關(guān)研究結(jié)果仍不統(tǒng)一。Sauer等[4]采用單環(huán)和盤式入滲儀原位測定山區(qū)土壤的導(dǎo)水性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)飽和狀態(tài)下，含碎石土壤的導(dǎo)水率有隨著碎石含量增加而增大的趨勢，而土水勢為-12 cm時(shí)，則呈現(xiàn)相反的趨勢。Verbist等[5]采用盤式入滲儀對田間含碎石土壤的非飽和導(dǎo)水率進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)土壤水分減少即土壤水吸力增大的過程中，導(dǎo)水率與碎石含量的正相關(guān)關(guān)系減弱，說明碎石增加的粗大孔隙不再成為水分運(yùn)移的主要通道。時(shí)忠杰等[6]通過林地入滲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤有效保水能力與碎石體積含量呈正相關(guān)，在0～40 cm土層，穩(wěn)定入滲率隨碎石體積含量的增加呈先增加后減小趨勢，拐點(diǎn)出現(xiàn)在15%～20%的碎石含量。佘冬立團(tuán)隊(duì)通過系列試驗(yàn)研究表明[7,8]，礫石覆蓋灌排工程邊坡可有效地?cái)r截邊坡土壤流失，達(dá)到生態(tài)固坡的作用。由此可見，鑲嵌在地表和土壤剖面中的碎石能夠改變土壤持水特性，深入研究礫石對土壤入滲特性的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。本文通過礫石覆蓋入滲試驗(yàn)和土石混合入滲試驗(yàn)研究，分析表征土壤導(dǎo)水特性的相關(guān)參數(shù)，并探究礫石對于鹽堿土入滲特性的影響。

1 材料與方法

1.1 試供土壤及試驗(yàn)方法

供試土壤取自江蘇粉沙壤土，土壤沙粒(≥0.05～2 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.4%，粉粒(≥0.002～0.05 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.7%，黏粒(<0.002 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.9%，土壤有機(jī)碳含量為3.8 g/kg。試驗(yàn)分為礫石表層覆蓋和土石混合覆蓋入滲試驗(yàn)2部分。試驗(yàn)均采用圓盤入滲儀法測定[9](見圖1)，試驗(yàn)所用礫石由游標(biāo)卡尺測量經(jīng)人工篩選粒徑為3～4 cm。

(1)礫石表層覆蓋入滲試驗(yàn)。試驗(yàn)土壤風(fēng)干后經(jīng)碾壓和粉碎過2 mm篩，分成等量5份。按1.3 g/cm的容重將土裝入土箱 (40 cm×40 cm×30 cm)，裝填時(shí)按照5 cm一層分次裝入并壓實(shí)，使各層土壤分布均勻。土壤壓實(shí)后在土層表面分別按表層面積的0%、10%、20%、40%和60%均勻鋪上礫石，表面用細(xì)沙鋪平。在測定時(shí)于圓盤盤底黏一層細(xì)紗布，細(xì)紗布防止沙子進(jìn)入圓盤的孔隙中，測定時(shí)將圓盤入滲儀直接置于土壤表面。試驗(yàn)選取4個(gè)不同負(fù)壓(-9，-6，-3，0 cm)進(jìn)行圓盤入滲試驗(yàn)，測定礫石覆蓋條件下水分入滲特性及其水力參數(shù)，每個(gè)處理均設(shè)置3次重復(fù)。

(2)土石混合覆蓋入滲試驗(yàn)。將試驗(yàn)土壤風(fēng)干后經(jīng)過碾壓粉碎后過2 mm篩，分為等量4份，按1.3 g/cm的容重將土裝入土箱并壓實(shí)。第5層將沙土與礫石按體積比(礫石占總體積的0%、5%、10%、15%、20%)均勻混合后裝入土箱中壓實(shí)壓平，表面用細(xì)沙鋪平。試驗(yàn)選取4個(gè)不同負(fù)壓(-9，-6，-3，0 cm)進(jìn)行圓盤入滲試驗(yàn)，測定土石混合條件下水分入滲特性及其水力參數(shù)，每個(gè)處理均設(shè)置3次重復(fù)。

圖1 圓盤入滲儀示意圖

1.2 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算方法

圓盤入滲過程為三維入滲，但在試驗(yàn)初期，土壤毛管力起主導(dǎo)作用，其重力和擴(kuò)散作用可忽略不計(jì)，簡化為一維入滲，因而可利用Philip公式來確定圓盤入滲儀測定下的土壤吸滲率[9]。

I=St0.5

(1)

式中：I為一定供水壓力下的累積入滲量，cm；t為入滲時(shí)間，s；S為一定供水壓力下的吸滲率，cm/s0.5。

以-9 cm水頭下的入滲試驗(yàn)為例，利用前1 min數(shù)據(jù)對累積入滲量I隨時(shí)間t變化關(guān)系擬合出土壤吸滲率S。

利用非線性回歸分析方法[10]計(jì)算導(dǎo)水率K和土壤孔隙大小分布的 Gardnerα常數(shù)，擬合方程為[11]：

(2)

式中：Ih為壓力水頭為h時(shí)的穩(wěn)定入滲率，cm/min；R為圓盤入滲半徑，cm；α為Gardner常數(shù)，cm-1；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/min。

將擬合得到的飽和導(dǎo)水率Ks和α代入 Gardner 指數(shù)方程：

K(h)=Kseα h

(3)

可以求出0、-3、-6、-9 cm 水頭下的導(dǎo)水率，各負(fù)壓下導(dǎo)水率值分別用Ks、K3、K6、K9表示。

土壤基質(zhì)流勢可用Gardner[12]提出的方法計(jì)算，它與壓力水頭間的關(guān)系式如下：

(4)

式中：Mi為土壤基質(zhì)流勢，cm2/s；hi為壓力水頭，cm。

由K(h)和土壤基質(zhì)流勢Mi可求出土壤平均孔隙半徑：

(5)

式中：Ri為土壤平均孔隙半徑，cm；Ki為土壤導(dǎo)水率，cm/s；σ為水表面張力，g/s2；ρ為水的密度，g/cm3；g為重力加速度，cm/s2。

單位面積上平均孔隙半徑數(shù)量Ni[13,14]可由Poiseuille’s法求得：

(6)

式中：μ為水黏滯系數(shù)，g/(cm·s)；其余符號(hào)意義同前。

由土壤平均孔隙半徑和平均孔隙半徑數(shù)量，可得到土壤有效孔隙度：

(7)

式中：ωi為土壤有效孔隙度，cm3/cm3。

采用Excel和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)擬合計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 礫石表層覆蓋及土石混合覆蓋對土壤吸滲率的影響

由圖2可知，在礫石表層覆蓋與土石混合覆蓋試驗(yàn)中，土壤穩(wěn)定入滲率隨礫石覆蓋度和土石混合度增大而減小，且差異顯著(P<0.05)。在礫石表層覆蓋試驗(yàn)中，礫石覆蓋度為60%時(shí)穩(wěn)定入滲率只達(dá)到無礫石覆蓋時(shí)穩(wěn)定入滲率的37%～42%。在土石混合覆蓋試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)[石含量為5%和10%時(shí)，穩(wěn)定入滲率相較于均質(zhì)土壤減小27%和35%，當(dāng)?shù)[石含量為15%和20%時(shí)，穩(wěn)定入滲率相較于均質(zhì)土壤減小71%和79%，減小幅度逐漸增大。隨礫石覆蓋度或混合含量增加，水分運(yùn)動(dòng)通道曲折復(fù)雜，限制水分入滲。

圖2 土壤穩(wěn)定入滲率變化

圖3為土壤吸滲率S隨不同礫石覆蓋度和土石混合度的變化規(guī)律。吸滲率均隨礫石覆蓋度和土石混合度增大而減小，且在不同礫石覆蓋度和土石混合度的入滲試驗(yàn)中土壤吸滲率變化差異顯著(P<0.05)。土壤吸滲率隨土石混合度增大而下降程度遠(yuǎn)快于礫石覆蓋試驗(yàn)，這是由于土石混合層碎石含量的增加，不僅限于土壤表面土層限制水分入滲，下層土體也受到礫石影響，且混合層深5 cm，約為最終濕潤土層深度的50%，土壤有效孔隙減小，水分運(yùn)動(dòng)通道曲折復(fù)雜，因此混合試驗(yàn)中的土壤吸滲率均小于表層覆蓋試驗(yàn)，且趨勢線陡峭程度更大。

圖3 土壤吸滲率變化

2.2 礫石表層覆蓋及土石混合覆蓋對土壤導(dǎo)水率的影響

由實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得出導(dǎo)水率(見圖4)，對比不同礫石表層覆蓋度和土石混合度下土壤導(dǎo)水率值可知，土壤導(dǎo)水率隨礫石覆蓋度和土石混合度增大而減小，且不同礫石覆蓋度/土石混合度梯度間差異顯著(P<0.05)。當(dāng)土壤表面礫石覆蓋度達(dá)到60%時(shí)，相對于無礫石覆蓋時(shí)土壤導(dǎo)水率減小約40%，含有礫石混合土層土壤的導(dǎo)水率銳減38%～74%。礫石表層覆蓋僅于土壤表面影響水分在表面入滲，使表層土壤導(dǎo)水特性變差，而土石混合覆蓋影響土層深5 cm(試驗(yàn)最終土壤濕潤深度為9～12 cm)，隨著碎石含量增加，土壤水分運(yùn)動(dòng)通道更加復(fù)雜，實(shí)際過水?dāng)嗝?即孔隙和土粒所占面積總和)減少，流程愈加彎曲，導(dǎo)水率銳減程度更大。試驗(yàn)土壤的Gardnerα均在孔隙大小分布常數(shù)α的平均值變化范圍0.05～0.21 cm-1之間，在2類試驗(yàn)中土壤變異系數(shù)Cv為0.14%～4.41%，均表現(xiàn)為較弱的空間異質(zhì)性[15,16]，表明土箱中土壤的孔隙大小分布相對均勻一致，試驗(yàn)土壤初始孔隙大小分布對試驗(yàn)結(jié)果無影響。由表1可知，在礫石表層覆蓋試驗(yàn)中，試驗(yàn)土壤Gardnerα值與土壤表面礫石覆蓋度之間的關(guān)系并不顯著(P>0.05)。這表明礫石覆蓋在土壤表面減弱表層土壤導(dǎo)水能力，但僅在表面水分入滲時(shí)攔截部分水分，對于下層土壤的影響仍需進(jìn)一步研究。在土石混合覆蓋試驗(yàn)中，試驗(yàn)土壤Gardnerα值隨著土壤礫石含量增加而顯著減小(P<0.05)，這表明礫石加入使土壤孔隙分布發(fā)生相應(yīng)變化，盡管試驗(yàn)土壤與礫石貼合緊密，土石接觸面仍然不可避免產(chǎn)生空隙，土壤中空隙的增加有利于土壤導(dǎo)水，但試驗(yàn)結(jié)果顯示導(dǎo)水率仍呈現(xiàn)出隨礫石含量的增加呈減小趨勢，說明礫石加入產(chǎn)生的空隙對土壤導(dǎo)水率的影響較小，土壤過水?dāng)嗝鏈p小是減弱土壤導(dǎo)水能力的主要原因。

圖4 土壤導(dǎo)水率變化

表1 礫石覆蓋試驗(yàn)導(dǎo)水率變異系數(shù)及孔隙分布大小

2.3 礫石表層覆蓋及土石混合覆蓋對土壤有效孔隙度的影響

通過計(jì)算土壤平均孔隙半徑和平均孔隙半徑數(shù)量得出土壤有效孔隙度來探究礫石覆蓋度、土石混合度對土壤孔隙度的影響。由圖6可知，土壤有效孔隙度隨著礫石覆蓋度、土石混合度增大而減小，且不同礫石覆蓋度、土石混合度梯度間差異顯著(P<0.05)。當(dāng)混合度和覆蓋度均為20%時(shí)，覆蓋試驗(yàn)總有效孔隙度減少23%，混合試驗(yàn)總有效孔隙度減少65%，且由礫石覆蓋試驗(yàn)與土石混合試驗(yàn)趨勢線陡峭程度可知，礫石混合土層對于土壤孔隙的影響遠(yuǎn)大于礫石覆蓋，覆蓋試驗(yàn)礫石僅存在表層土壤，下層土體實(shí)際并未受到影響，但理論計(jì)算中土體總孔隙度仍被表層土壤影響。

圖5 土壤有效孔隙率變化

3 討論

在礫石覆蓋與土石混合試驗(yàn)中，隨著礫石含量逐步增加，表征土壤入滲特性的相關(guān)參數(shù)均隨之減小，即土壤入滲能力減小，這與朱元駿[17]、李雪垠[18]等相關(guān)學(xué)者的研究一致。試驗(yàn)結(jié)果表明土壤中的礫石顯著影響水分入滲，土壤水分運(yùn)動(dòng)通道隨礫石含量增加而愈加復(fù)雜，土壤孔隙及土粒相對所占體積總和減小即實(shí)際過水?dāng)嗝鏈p小。理論上水力梯度的定義是通過2點(diǎn)間直線距離計(jì)算，在含礫石土壤中水分流程相對彎曲，實(shí)際水力梯度減小導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率減小，從而減小單位時(shí)間內(nèi)通過單位土壤面積的水量[19]。而當(dāng)?shù)[石含量不斷增加時(shí)，礫石存在也增加土壤大孔隙的數(shù)量，大孔隙數(shù)量增加使土壤內(nèi)產(chǎn)生優(yōu)勢流[20]，優(yōu)勢流存在會(huì)促進(jìn)土壤入滲。因此，優(yōu)勢流促進(jìn)入滲作用與過水?dāng)嗝婕八謴澢鞒趟a(chǎn)生阻礙作用相互影響，本文試驗(yàn)結(jié)果顯示試驗(yàn)中過水?dāng)嗝婕八謴澢鞒趟a(chǎn)生阻礙作用大于大孔隙數(shù)量增加產(chǎn)生促進(jìn)作用，這是由于本文為室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)土壤分層填裝于土箱內(nèi)進(jìn)行入滲試驗(yàn)，礫石存在帶來大孔隙產(chǎn)生優(yōu)勢流促進(jìn)入滲作用相較于野外原狀土影響較小，主要影響為礫石存在帶來阻礙水分入滲作用。本文土石混合試驗(yàn)中，過量礫石與土壤難以混合均勻，高混合度試驗(yàn)無法完成，因此土石混合度至20% 止，是否土石混合體中高含量礫石產(chǎn)生大孔隙優(yōu)勢流促進(jìn)入滲作用更強(qiáng)值得進(jìn)一步研究。本文礫石覆蓋試驗(yàn)僅為鋪設(shè)礫石覆蓋于表面，在水分入滲一開始即受到土壤表面礫石的影響，而土石混合試驗(yàn)中設(shè)置厚5 cm的土石混合層，下層土體也受到礫石影響，因此在2類試驗(yàn)結(jié)果分析中土壤吸滲率及導(dǎo)水率存在差異。本文僅考慮礫石覆蓋與土石混合2種試驗(yàn)，相關(guān)研究表明礫石粒徑、礫石覆蓋層厚度、土石混合介質(zhì)深度及碎石類型對于土壤入滲特性也具有一定影響[21,22]，因此未來仍需對相關(guān)因素進(jìn)行試驗(yàn)研究。