河套灌區畦田內不同位置土壤入滲特性及影響因素分析

孫 娜，李瑞平，苗慶豐，范雷雷，周利穎，李聰聰

（內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特010018）

0 引言

農田土壤水分入滲過程是影響畦灌性能的重要因素之一，是灌區進行地面灌溉設計的重要基礎，同時也是農田水文關系演變、土壤侵蝕和營養物質遷移轉化等領域研究的熱點[1-3]。由于農田土壤水力特征、土壤結構及人類活動等因素的影響，不同區域位置的差異導致土壤水分入滲過程表現出一定的時空差異性和尺度依賴性，進而給農田畦灌系統的設計帶來困難[4,5]。因此，準確認識畦田不同位置土壤水分入滲特性的差異，選取適宜模型進行水分入滲過程模擬，對農田合理灌溉和節水增產具有重要意義。

國內外專家學者基于野外試驗、室內模擬試驗和模型模擬等手段，開展了大量關于土壤水分入滲過程的研究，并取得豐富的理論成果[6-8]。賈宏偉等[9]利用簡化的Phillip 公式和土壤轉換函數研究了入滲系數α、穩滲率fc的空間變化規律；聶衛波等[10]將標定理論與地統計學相結合對Phillip 入滲公式進行標定，研究相關標定因子空間變異特征；Rodríguez Vásquez等[11]利用Phillip 和Kostiakov 模型研究入滲參數的空間變異性與土壤容重、土壤密度、沙粒、黏粒和石灰肥料之間的關系；李麗梅等[12]分析指出土壤入滲性能參數中穩滲率和累積入滲量具有強烈的空間變異性；劉繼龍等[13]利用多重分析得出穩定入滲率的空間變異性主要受土壤容重、粗粉粒和黏粒含量的影響；何丹等[14]研究指出土壤容重、有機質和初始含水率是影響耕作地入滲過程的主要變異源。

綜上所述，土壤水分入滲空間變異性的研究主要集中于基于數理統計研究入滲能力有關指標的差異性，而針對黃河水灌溉含沙量較高和土壤理化性質差異明顯的典型區域土壤入滲過程的差異性研究較少。因此，本文選取河套灌區典型試驗區，開展畦田土壤水分入滲問題研究，通過對比分析試驗區田塊內畦首、畦中和畦尾的入滲過程，揭示畦田田塊內不同空間位置土壤水分入滲過程、入滲率、累積入滲量和入滲系數的差異性，并運用不同入滲模型對入滲過程進行擬合，選擇最適宜試驗區畦田灌溉的土壤入滲模型，為深入認識河套灌區畦田土壤水分入滲空間變異狀況提供基礎資料，為河套灌區農業農田灌溉和耕作提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗區位于氣候、土壤和水鹽狀況較為典型的內蒙古自治區巴彥淖爾市河套灌區雙河鎮進步村六社酒莊試驗站（107°18′23.12″E，40°41′17.24″N），試驗區地貌多以平原為主，屬中溫帶大陸性半干旱氣候，降雨量少而蒸發較強，年均蒸發量2 032 mm，年均降水量僅為132 mm，降水量季節性差異特征明顯且年內分配不均，雨季多集中在7-8月份，占全年降雨量的70%~80%，年平均日照時數為3 180 h，灌水生育期內平均氣溫為20.9 ℃，無霜期約為126 d。試驗區土壤呈微堿性，土壤質地類型分為2 層，上層0~20 cm 為粉土，土壤容重為1.42 g/cm3，田間持水量為22.35%；下層20~40 cm 為黏土，土壤容重為1.39 g/cm3，田間持水量為26.14%；試驗區土壤平均儲鹽量約為1 342 g/m3，為中度含鹽土壤。

1.2 試驗設計與數據處理

本文研究采用田間試驗與室內試驗相結合的形式，于2017年4月對試驗田地進行激光平地。為避免作物生長、施肥等因素的影響，分別于2017年10月和2018年10月在農作物收割后進行土樣采集和入滲試驗，并記錄采樣點周邊環境信息。綜合考慮試驗區地形和植被種植情況，選取長寬為45 m×21 m 的畦田田塊，將田塊按水流推進方向分為畦首、畦中、畦尾，并按圖1所示布置入滲試驗點。參照圖1 中網格交點的位置，每個樣點重復取樣3次，使其具有代表性，能反映整塊畦田的土壤理化性質分布格局。

圖1 試驗布置(單位：m)Fig.1 Test layout

土壤入滲過程采用雙環入滲儀進行測定，雙環入滲儀內環和外環直徑分別為26 cm 和60 cm，內、外環高度均為25 cm。田間試驗時，首先清除表層土壤，將內、外環埋入地面以下深度20 cm 處，然后關閉所有閥門，連接管線并給內環供水，用馬氏瓶計量。入滲試驗采用當地黃河水，測定含沙量為3%，試驗過程中水深控制在2 cm，內外環水位齊平，外環水位采用水位平衡裝置控制，確保內環屬于一維垂直入滲條件，減少積水水頭對水勢梯度的影響[15]。入滲水量分不同時段記錄，在試驗的0～15 min 每隔30 s 記錄一次；15～30 min 每隔1 min 記錄一次；30～60 min 每隔2 min 記錄一次；60～90 min每隔5 min記錄一次，90～120 min每隔10 min記錄一次。

土壤理化性質測定指標主要包括土壤質地、土壤含水率、土壤含鹽量和土壤容重等。土壤含水率采用土鉆取土烘干法測定，土壤容重采用環刀法測量，土壤pH 和電導率（EC）按照水土比為5∶1 來配置樣品液，攪拌靜置后測定[16]；土壤樣品的機械組成采用MS 2000 型激光粒度儀測定，并按照國際制土壤粒徑分類標準把各粒級組含量定義成黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和砂粒（0.02～2 mm）[17]。

本文采用GS+9.0 對土壤基本理化性質的空間分布格局進行研究分析其差異性特征；利用Orgin 2019軟件對土壤入滲過程進行模型擬合及繪圖，選擇適宜本研究區的最優入滲模型；采用SPSS 19.0 軟件分析入滲率與影響因素之間的相關性，探究土壤入滲空間變異性的原因。

1.3 研究方法

描述土壤水分入滲特征的指標有初始入滲率、穩定入滲率、90 min累積入滲量和入滲系數，土壤初始入滲率反映入滲初期單位時間內地表單位面積土壤的入滲水量，穩定入滲率反映入滲后期水流較為穩定時的入滲速率，它等于或接近于飽和導水率，而土壤的入滲過程一般可在90 min 內達到相對穩定程度，因此，本文選取90 min 的累積入滲量作為反映土壤入滲能力的指標[18,19]。分別采用具有代表性的Kostiakov 模型、Philip 模型、Horton 模型及通用經驗模型對土壤入滲過程進行擬合分析[20]。

Kostiakov模型：

式中：I（t）為入滲速率，mm/min；t為入滲歷時，min；K、α為經驗系數；f0為初始入滲率，mm/min。

Philip模型：

式中：f（t）為入滲速率，mm/min；t為入滲時間，min；S為土壤吸濕率，mm/min0.5；A為穩定入滲率，mm/min。

Horton模型：

式中：f（t）為入滲速率，mm/min；t為入滲時間，min；f0為初始入滲率，mm/min；fc為穩滲率，mm/min；k為模型參數，參數k決定f從f0減小到fc的速度。

通用經驗模型：

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；n為經驗系數。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質特征分析

為了分析試驗區內土壤理化性質，直觀了解畦田內土壤理化特性的空間分布狀況，現根據最優半方差函數模型，選擇Kriging 插值法，利用GS+9.0 繪制了0~40 cm 耕作層土壤理化特性空間分布的平面等值線圖，如圖2所示。從圖2 可知，在整個試驗田塊范圍內，土壤含水率呈現由田塊中心向四周逐漸增大的變化趨勢，含水率的變化范圍為10.98%~21.21%，含水率呈畦首＞畦尾＞畦中的分布特征，且含水率等值線圖比較密集，說明不同位置間含水率差異較明顯；試驗田塊內土壤容重的變化范圍為1.50~1.63 g/cm3，呈條狀分布且空間范圍內差異性較小，受大型機械壓實作用影響，土壤容重主要在畦首區域出現高值，而畦尾的土壤質地疏松多孔，土壤容重主要出現低值；試驗田塊內土壤pH 值為7.55~8.15，呈弱堿性，pH 高值區出現在試驗田塊中部區域，并向畦首和畦尾兩側依次呈現“高-低”交替的帶狀分布特征，空間分布差異性較明顯；試驗田塊內土壤電導率呈斑塊狀分布，空間差異性較小，田塊內3 個高值區其值分別為0.580、0.577 和0.478 mS/cm，并且分布于畦田兩側。土壤理化性質特征受土壤質地的分布狀況影響，試驗田塊內土壤黏粒含量空間分布過渡比較平緩，土壤粉粒含量在畦中位置較高，土壤沙粒含量在畦首稍高，加之施肥、灌溉、翻耕等人為因素的影響，使得土壤理化性質在空間分布上具有一定的差異性。

圖2 0~40 cm耕層土壤理化性質等值線圖Fig.2 0~40 cm cultivated layer soil physical and chemical properties contour map

2.2 土壤入滲過程特征分析

為了分析試驗田塊內土壤入滲過程的變化特征，分別繪制不用空間位置下土壤累積入滲量和入滲率曲線如圖3所示。從圖3可知，試驗田塊內土壤累積入滲量和入滲速率隨時間的變化過程明顯并且在田塊內不同位置呈現一定特征。畦首、畦中和畦尾的土壤水分入滲隨時間的變化過程基本一致，累積入滲量隨著入滲時間的推移不斷增大，而入滲率隨時間的增加而減小；土壤入滲初期入滲率較大，隨后快速衰減并趨于一個相對穩定的入滲率，衰減速度呈逐漸減小的變化特征。累積入滲量呈現畦首＞畦中＞畦尾的變化特征，入滲率則呈畦首＞畦尾＞畦中的變化特征，且在入滲開始后，畦首的初始入滲率下降速度較快，約為畦尾初始入滲率下降速度的2倍；畦首的土壤入滲率達到相對穩定所需的時間遠小于畦中和畦尾，在入滲開始55 min 后，畦中和畦尾的入滲率基本趨于穩定，而畦首的土壤入滲率仍在不斷變化，直到78 min趨于穩定。

圖3 不同空間位置的土壤入滲變化過程Fig.3 Change process of soil infiltration in different spatial positions

現對比試驗田塊內畦首、畦中和畦尾不同位置土壤入滲特性參數，結果如表1所示。由表1 可知，初始入滲速率、90 min 累積入滲量、入滲系數和穩定入滲率均為畦首最大，畦首的初始入滲率分別是畦中和畦尾的1.42 和1.81 倍，入滲系數和穩定入滲率呈現畦首＞畦尾＞畦中的變化特征，累積入滲量與初始入滲率呈現畦首＞畦中＞畦尾的變化特征。經方差分析顯示，畦首的初始入滲率、穩定入滲率和入滲系數均與畦中和畦尾具有明顯差異性（P＜0.05），而畦中與畦尾之間的初始入滲率、穩定入滲率和入滲系數無明顯差異性。

表1 不同位置土壤入滲特性參數Tab.1 Soil infiltration parameters at different locations

2.3 土壤入滲過程模型擬合

土壤水分入滲是一個復雜的過程，國內外眾多專家學者建立了多種入滲模型來模擬入滲速率隨時間變化的過程。具體依據模型是否具有物理意義劃分為2 類：一類是物理模型，主要包括Horton 模型和Philip 模型；另一類是經驗模型，主要包括Kostiakov－liews 模型和通用經驗模型[21]。本文為進一步研究試驗田塊內不同位置土壤水分入滲過程，選用以上4個模型對畦首、畦中和畦尾的土壤入滲過程進行模擬，模擬結果如表2和圖4所示。

表2 土壤入滲模型擬合參數結果Tab.2 Parameter fit results of soil infiltration model

從表2 和圖4 可知，4 個模型擬合度存在一定差異，但決定系數R2均在0.9 以上，說明擬合效果較好，綜合考慮4 個模型的決定系數R2，并將模擬參數與實測數據對比分析可知，Horton 模型的R2為0.988～0.997，較其他3 個模型高，且參數反映的結果與實測值的偏差較小，表明Horton 模型更適宜于描述本試驗區田塊內土壤入滲速率隨時間變化的過程。在Horton 模型中，初始入滲速率f0與實測值偏差較小，穩定入滲率fc呈現為畦首＞畦尾＞畦中的變化特征，與試驗實測結果一致；經驗常數k決定著土壤水分入滲過程中達到穩滲速率的快慢程度，k值越大則越快達到穩定入滲速率，從擬合結果看出，畦尾最先達到穩滲狀態，畦中次之，畦首最慢，與實測結果一致。

圖4 土壤入滲模型擬合曲線Fig.4 Fit diagram of soil infiltration model

2.4 土壤入滲空間變異性影響因素分析

為探究影響土壤入滲特性空間變異性的因素，現對反映土壤入滲特性的參數初始入滲率、穩定入滲率和累積入滲量與土壤理化性質指標進行相關性分析，結果如表3所示。由表3 可知，畦田土壤入滲特性與土壤理化性質之間具有一定聯系。畦首、畦中和畦尾不同位置與土壤理化性質之間相關性具有一定差異，其中土壤容重和含水率與不同位置土壤的入滲特性之間具有較高的相關性，說明土壤入滲過程明顯受到土壤容重和含水率的影響，土壤質地和結構發生變化，土壤質地由重變輕，其入滲能力則逐漸增大[22]。初始入滲率在畦首位置與沙粒具有極顯著關系，主要由于畦首表層土壤含沙量較大，孔隙大，保水性能較差，導致其滲透速率較快；累積入滲量與畦尾的黏粒含量具有極顯著相關，黏粒含量越高，土壤孔隙較小，土壤通氣透水性能受到限制，從而導致入滲能力下降，累積入滲量越小；穩定入滲率在畦中與土壤電導率呈極顯著負相關，隨電導率增加而減小，說明電導率高的土壤鹽分含量相對較多，而鹽分對土壤入滲特性具有一定的阻礙作用[23,24]。

表3 入滲特性參數與土壤特性相關關系Tab.3 Correlation between infiltration parameters and soil properties

3 結論

（1）試驗區田塊內不同位置土壤理化性質具有一定差異性，含水率呈畦首＞畦尾＞畦中的分布特征；土壤呈弱堿性，pH 在畦中較高且向畦首和畦尾兩側依次呈現“高-低”交替的帶狀分布特征；土壤電導率呈斑塊狀分布且空間差異性較小；土壤容重呈條狀分布且空間范圍內差異性較小。試驗田塊內不同位置土壤入滲特性與土壤理化性質之間具有一定聯系，土壤容重和含水率對不同位置土壤的入滲特性影響明顯。

（2）試驗田塊內不同位置土壤入滲特性具有一定差異性，畦首位置的初始入滲速率、90 min累積入滲量、入滲系數和穩定入滲率最大，且初始入滲率分別是畦中和畦尾的1.42和1.81倍，入滲系數和穩定入滲率呈現畦首＞畦尾＞畦中的變化特征，累積入滲量與初始入滲率呈現畦首＞畦中＞畦尾的變化特征。

（3）通過選用4個模型對試驗田塊內不同位置土壤入滲過程進行模擬可知，4個模型擬合度存在一定差異，但決定系數R2均在0.9 以上，擬合效果較好，其中Horton 模型模擬參數反映的結果與實測值的偏差較小，更適宜于描述本試驗區田塊內土壤的入滲過程。