寶雞地區L1-S5黃土和古土壤水分入滲及影響因素

郁耀闖, 楊樹瑤, 王長燕, 龔蘭蘭, 趙景波, 任媛媛, 徐秋月, 侯 英

(1.寶雞文理學院 地理與環境學院, 寶雞 陜西 721013; 2.中國科學院 地球環境研究所黃土與第四紀地質國家重點實驗室, 西安 710075; 3.陜西省災害監測與機理模擬實驗室, 寶雞 陜西 721013)

黃土高原第四紀黃土—古土壤序列是記錄氣候變化的重要陸相證據之一[1-2],研究該區第四紀黃土—古土壤序列土壤入滲規律對于查明黃土地層中土壤水富集條件與規律及其水資源開發利用具有重要意義。

20世紀80年代以來,國內外學者對黃土與古土壤表層土壤的滲透性[3-5]、黃土地層孔隙網絡特征與垂直節理[6-8]和黃土與氣候變化的關系[9-11]進行了大量的研究,取得了古氣候變化控制著黃土—古土壤序列的存在,決定著其質地和結構,進而影響著現代黃土水分的積累等重要認識。例如,Hou[3],Chen[4]等認為,黃土高原地區的黃土與古土壤存在著滲透性差異;Shao等[5]研究認為黃土層比古土壤層孔隙度高、滲透性好、儲水空間大,容易形成含水層,而古土壤則容易形成隔水層。趙景波等[12]研究結果表明,陜西洛川、長武和西安等地第四紀黃土—古土壤序列土壤滲透性與第四紀氣候變化關系密切;但是,目前關于第四紀黃土—古土壤序列土壤滲透性與水理性質之間的定量關系尚不清楚,準確評估黃土—古土壤序列土壤滲透性與水理性質之間的定量關系有助于揭示第四紀氣候變化對黃土地下水富集規律的控制作用。

本文以黃土地層比較發育的陜西寶雞周塬為研究區,利用黃土高原地區通用的雙環法,研究寶雞中晚更新統L1—S5層黃土和古土壤的入滲特征,探討土壤容重、土壤毛管孔隙度、毛管最大持水量、土壤總孔隙度、土壤飽和含水量和土壤初始含水量等土壤屬性對土壤入滲特性的影響,揭示寶雞中晚更新統L1—S5層黃土與古土壤的入滲規律,該研究成果有助于認識黃土高原地區地下水富集和運移規律,可以為區域生態環境建設和農業發展提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗樣點位于關中平原西部寶雞周塬鳳朝村,地理坐標為107°29′03″E,34°22′13″N,海拔高度為713 m,屬中緯度暖溫帶大陸性季風氣候,冬冷夏熱,春暖秋涼,四季分明。年平均氣溫13℃左右,年平均降水量700 mm左右,4—10月份降水量占全年降水總量的90%,5—9月為多雨期,L1—S5層黃土和古土壤比較發育。

1.2 試驗方法

本研究根據黃土高原地區降水比較集中的特點,采用雙環法[13]進行土壤入滲試驗。雙環的內外直徑分別為20 cm和35 cm,高度均為18.5 cm[13]。當進行黃土剖面土壤入滲試驗時,首先挖出一個直徑約為1 m的近圓形平坦地面,然后將雙環放置在該平坦地面上,將雙環下端埋入地下土層深度5 cm處,為防止加水時沖擊底面土層影響入滲試驗結果,在雙環內底層鋪上直徑約1 cm、厚度3—5 cm的細小礫石。入滲試驗開始時,向雙環內同時加水至5 cm高度,并標注記號,作為以后每次試驗加水的標準刻度,然后分別記錄每5,10,20 min入滲時加入的水量,試驗過程中始終保持水面在標準刻度上,為保證入滲試驗結果的精度,內環采用馬氏瓶供水[14],并在每個黃土剖面土壤入滲試驗過程中記錄水溫。當土壤入滲率基本達到穩定時即停止試驗,將達到穩定后的3組相近數據的平均值作為本次試驗的土壤穩定入滲率,每個層位的土壤入滲試驗重復測定3～4次。

土壤入滲速率計算公式為[15]:

f10=10v/st(0.7+0.03T)

(1)

式中:f10為10℃標準水溫所對應的土壤入滲速率(mm/min);v為用馬氏瓶注入內環中的水量(ml);s為內環面積(cm2);t為加入vml水時入滲所需的時間(min);T為試驗時記錄的水溫(℃)。

分別采用下列3種公式[16]進行參數模擬。

考斯加可夫公式:

f(t)=at-b

(2)

霍頓公式:

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

(3)

通用經驗公式:

f(t)=a1+b1t-n

(4)

式中:f(t),f0,fc,t分別為入滲率、初始入滲率、穩定入滲率和入滲時間;a,b,k,a1,b1,n分別為經驗參數。

寶雞中晚更新統L1—S5層黃土和古土壤中的土壤容重、土壤毛管孔隙度、毛管最大持水量、土壤總孔隙度和土壤飽和含水量均采用環刀法[17]測定,每次測定3個重復。土壤初始含水量用烘干法[17]測定,每次測定5個重復。

2 結果與分析

2.1 黃土與古土壤入滲試驗結果

寶雞中晚更新統L1—S5層黃土與古土壤入滲率具有明顯的層位變化特征(圖1)。其中,黃土層(L1,L2,L3,L4和L5)土壤的初始入滲率、平均入滲率和穩定入滲率的變化范圍分別為5.41～7.1,2.37～3.68,1.95～2.85 mm/min,平均值分別為5.90,3.15,2.38 mm/min;古土壤層(S1,S2,S3,S4,S5)土壤的初始入滲率、平均入滲率和穩定入滲率的變化范圍分別為3.66～6.31,2.12～2.37,1.29～1.95 mm/min,平均值分別為4.46,2.23,1.55 mm/min。黃土層和古土壤層穩定入滲率出現的順序分別依次為L1>L2>L5>L3>L4層和S3>S5>S2>S4>S1層,黃土層的平均穩定入滲率(2.38 mm/min)大于古土壤層的平均穩定入滲率(1.55 mm/min),相鄰層位的黃土和古土壤中,位于上部黃土的滲透系數要大于下部古土壤的滲透系數。另外需要說明的是,L4和S4層的土壤穩定入滲率和滲透系數相對較小,后面層位的土壤穩定入滲率又呈增加趨勢。S4層的穩定入滲速率和滲透系數相對較小可能與S4層底部的結核層有關。

圖1 寶雞L1-S5層土壤入滲率與兩種經驗方程的擬合曲線Fig. 1 Fitting curves of soil infiltration rate and two empirical equations in Baoji L1-S5 layer

2.2 入滲試驗結果的擬合

寶雞中晚更新統L1—S5層黃土和古土壤入滲試驗結果分別采用考斯加可夫、霍頓和通用經驗公式進行擬合[17]。在考斯加可夫公式中,擬合參數a值的大小一般與不同層位黃土的土壤容重和土壤初始含水量有關;b值一般反映了土壤入滲率遞減的快慢程度,b值越大,土壤入滲率隨時間減小的越快;反之,土壤入滲率隨時間減小的越慢[18]。寶雞中晚更新統L1—S5層黃土和古土壤入滲試驗曲線采用考斯加可夫公式擬合時,a值的變化范圍為6.024～17.285;b值變化范圍為0.273～0.648,由圖1和表1可以看出,b值越大,土壤入滲率隨時間減小的越快;反之,土壤入滲率隨時間減小的越慢。因此,在寶雞中晚更新統L1—S5層黃土剖面中,S2層的土壤入滲率遞減速度最快,L1層的土壤入滲率遞減較慢。利用霍頓公式擬合時,f0—fc的變化范圍為2.02～4.73,S2層的初始入滲率和穩定入滲率相差最大,S1層的初始入滲率和穩定入滲率相差最小。通用經驗公式中a1的值相當于穩定入滲率的值,表明L5層的土壤穩定入滲率較大。

表1 3種入滲經驗公式擬合參數回歸分析結果Table 1 Results of regression analysis of fitting parameters of three infiltration empirical formulas

由圖2可以明顯看出,寶雞中晚更新統L1—S5層黃土與古土壤不同階段的入滲量總體上呈減小趨勢,并存在明顯差異。具體來講,L1,L2,L3,L4,L5層黃土穩定入滲階段的入滲量較大,其值分別為1 865.16,1 601.4,2 637.6,1 196.34,3 014.4 ml,5個層位穩定階段入滲量的平均值為2 062.98 ml。S1,S2,S3,S4,S5層古土壤穩定入滲階段的入滲量較小,其值分別為753.6,1 318.8,1 224.6,781.86,1 092.72 ml,5個層位穩定階段入滲量的平均值為1 034.32 ml。由此可見,寶雞中晚更新統黃土層穩定入滲階段的平均入滲量(2 062.98 ml)大于古土壤層穩定入滲階段的平均入滲量(1 034.32 ml),相鄰層位的黃土和古土壤中,位于上部黃土層不同階段的入滲量要大于下部古土壤層不同階段的入滲量。另外需要說明的是,L4和S4層不同階段的入滲量相對較小,后面層位不同階段的入滲量又呈增加趨勢。S4層不同階段的入滲量相對較小可能與S4層底部的結核層有關。這些不同層位入滲量的差異可能與每個層位的土壤容重、土壤總孔隙度和土壤初始含水量等土壤屬性的不同有關(表2)。

2.3 土壤穩定入滲率與土壤參數的相關性

Pearson相關分析表明,寶雞中晚更新統L1—S5層黃土剖面的土壤穩定入滲率與土壤容重和土壤初始含水量呈顯著負相關關系,與土壤毛管孔隙度、毛管最大持水量、土壤總孔隙度和土壤飽和含水量呈顯著正相關關系(表3),說明土壤容重、土壤初始含水量、土壤毛管孔隙度、毛管最大持水量、土壤總孔隙度和土壤飽和含水量可能是影響寶雞中晚更新統L1—S5層黃土剖面土壤穩定入滲率變化的重要因素。

表3 土壤穩定入滲率與土壤參數的相關性Table 3 Correlation between soil stable infiltration rate and soil parameters

2.4 土壤穩定入滲率變化模擬

土壤穩定入滲率是土壤水文循環過程的重要組成部分,精確模擬土壤穩定入滲率有助于提高土壤蓄水量和土壤侵蝕的控制作用。本研究結合土壤穩定入滲率及其影響因素的函數關系方程形式,采用線性回歸方法,借鑒王長燕等[13]研究成果,利用中晚更新統L1—S5各層的土壤容重、土壤毛管孔隙度、毛管最大持水量、土壤總孔隙度、土壤飽和含水量和土壤初始含水量能夠較好地模擬土壤穩定入滲率。在該模擬方程中,土壤容重、土壤毛管孔隙度、毛管最大持水量、土壤總孔隙度、土壤飽和含水量和土壤初始含水量等自變量可以解釋土壤穩定入滲率88%的變量(圖3和表4),說明土壤容重、土壤毛管孔隙度、毛管最大持水量、土壤總孔隙度、土壤飽和含水量和土壤初始含水量是影響土壤穩定入滲率變化的主要因素,該結果與王長燕等[13]在黃土丘陵區的研究結果相似。

圖3 土壤穩定入滲率模擬值與實測值的關系Fig. 3 Relationship between simulated and measured values of soil stable infiltration rate

3 討 論

3.1 中晚更新統黃土和古土壤入滲規律的區域比較

寶雞和洛川地區中晚更新統L1—S5層黃土與古土壤穩定入滲率總體呈減小趨勢,并存在明顯的區域差異(圖4)。本研究中,寶雞地區中晚更新統L1—S5層黃土和古土壤的平均穩定入滲率(2.38,1.55 mm/min)分別是趙景波等[12]報道的洛川L1—S5層黃土和古土壤平均穩定入滲率(0.68,0.51 mm/min)的3.5,3.04倍(圖4),這可能是由于測量方法和氣候條件等不同所致。例如,本研究中所使用的雙環內外直徑分別為20,35 cm,與洛川等研究中所使用的雙環直徑分別為30 cm和60 cm有一定的差別。任宗萍等[19]在黃土丘陵區的研究結果表明,雙環直徑的大小對土壤入滲速率具有顯著的影響。此外,本研究中試驗地的氣候類型為暖溫帶季風性氣候,趙景波等[12]研究中試驗地的氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,兩地氣候條件的差異會導致土壤成壤作用強弱的不同,從而造成土壤水理性質的差異,進而造成土壤滲透性的不同。

圖4 寶雞和洛川L1-S5層黃土剖面土壤入滲率對比Fig. 4 Comparison of soil infiltration rates in L1-S5 layers of loess profiles in Baoji and Luochuan

3.2 氣候變化對黃土和古土壤入滲率的影響

黃土層形成時氣候一般偏冷干,降水較少,風化成壤作用相對較弱,在這種氣候條件下,土壤的黏土化作用較弱,粉粒間缺乏黏土(化學)膠結物,土粒間微孔含水空間發育[12],多形成含水層,土壤容重相對較小,土壤滲透系數則相對較大,土壤穩定入滲率的值也相對較大。古土壤層形成時氣候一般比較濕熱,降水較多,風化成壤作用相對較強,棱柱狀結構較為發育,土壤中黏化作用較強,黏粒含量較高,孔隙度較小,土壤容重相對較大,從而導致隔水性較強,多形成隔水層[12],土壤滲透系數較小,土壤穩定入滲率的值相對較小。因此,黃土層的滲透系數大于古土壤層的滲透系數。由此可見,氣候變化可以通過影響土壤的風化成壤作用來改變土壤的理化性質,進而會導致黃土和古土壤層滲透系數大小的不同,其影響的程度和大小往往與土壤風化成壤作用的強弱有關[12],這與本研究中黃土層的平均穩定入滲率大于古土壤層的平均穩定入滲率的研究結果較為一致。

3.3 土層物理性質與黃土和古土壤入滲性能的關系

土壤容重是衡量土壤生產力和土壤質量的重要指標之一,它會影響土壤的入滲性能、持水能力和抗侵蝕能力。當土壤容重較大時,土壤往往比較緊實,土壤孔隙度較小,土壤中的水流下滲緩慢,土壤穩定入滲率相對較小;反之,當土壤比較松散或有裂隙發育時,土壤容重較小,水流沿著松散土壤或裂隙以較快速度下滲,從而導致較大的土壤穩定入滲率[13]。本研究中,Pearson相關分析表明,寶雞中晚更新統L1—S5各層土壤穩定入滲率與土壤容重均呈顯著負相關關系(表2),該研究結果與宋愛云等[20]的研究結果較為一致。

水分在土壤中的運移也受到土壤孔隙性和毛管孔隙度的影響,土壤總孔隙度是評價土壤孔隙性的重要指標之一[13]。土壤中孔隙大小和形狀的差異會導致對土壤中水分保持和運移影響的不同,從而導致土壤穩定入滲率大小的不同[13]。黃土層中的孔隙主要有粒間孔隙、大孔隙(植物根孔和動物蟲孔)和宏觀垂向裂隙等[12]。另外,黃土層中還有長度一般為2～4 m,寬度多為2～3 cm,間距多為2～3 m的宏觀垂向大裂隙的發育[12]。因此,黃土層的孔隙度往往較大;古土壤形成時,往往會導致土壤中黏粒含量的增加和膠結作用的增強,從而造成土壤中孔隙度相對較小。本研究中,Pearson相關分析表明,寶雞中晚更新統L1—S5層中土壤總孔隙度與土壤穩定入滲率也呈顯著正相關關系(表4),該研究結果與王鵬程等[21]的研究結果相同。另外,Pearson相關分析還表明,寶雞中晚更新統L1—S5層中土壤穩定入滲率與土壤毛管最大持水量和土壤飽和含水量呈顯著正相關關系,與土壤初始含水量呈顯著負相關關系(表3),說明土壤毛管最大持水量、土壤飽和含水量和土壤初始含水量等也是影響土壤穩定入滲率的重要因素,其影響機制有待于進一步查明。

3.4 寶雞中晚更新統黃土和古土壤入滲模型模擬評價

從3種方程的擬合r值來看,L1—S5層的入滲試驗曲線與考斯加可夫公式和通用經驗公式擬合的r值在0.83～0.993,r值相對較高,說明擬合結果較好;S2,L3,S3和L5層利用霍頓公式進行擬合時,r值在0.36～0.57,r值較低,說明該擬合方程不能很好地擬合這些層位的土壤入滲規律。由此可見,利用考斯加可夫公式和通用經驗公式擬合的各層土壤入滲試驗曲線都較好,適用于描述寶雞中晚更新統50萬a以來發育的L1—S5層黃土和古土壤的入滲規律。

本研究利用線性回歸方法建立的土壤穩定入滲率與土壤容重、土壤毛管孔隙度和毛管最大持水量等土壤屬性的擬合方程中,R2和NSE的值均為88%,說明可以利用該方程較好地擬合它們之間的關系,但該方程由于只考慮了土壤容重、土壤毛管孔隙度、毛管最大持水量、土壤總孔隙度、土壤飽和含水量和土壤初始含水量對土壤穩定入滲率變化的影響,未考慮其他土壤屬性的影響。因此,具有一定的局限性和偏差。

4 結 論

(1) 寶雞中晚更新統L1—S5層黃土的平均穩定入滲率大于古土壤的平均穩定入滲率,相鄰層位的黃土和古土壤中,上部黃土的滲透系數要大于下部古土壤的滲透系數。黃土層孔隙度和滲透系數較大,有利于形成含水層。古土壤層孔隙度和滲透系數較小,有利于形成隔水層。

(2) 土壤容重、土壤初始含水量、土壤毛管孔隙度、毛管最大持水量、土壤總孔隙度和土壤飽和含水量等土壤屬性是影響寶雞中晚更新統L1—S5層黃土和古土壤穩定入滲率變化的重要因素。

(3) 利用土壤容重、土壤毛管孔隙度、毛管最大持水量、土壤總孔隙度、土壤飽和含水量和土壤初始含水量等參數可以很好地模擬寶雞中晚更新統L1—S5層黃土和古土壤的土壤穩定入滲率,該模擬方程可以為黃土高原地區水資源的開發和利用提供參考借鑒,但具有一定的局限性和偏差。

(4) 考斯加可夫公式和通用經驗公式適用于描述寶雞中晚更新統50萬a以來發育的L1—S5層黃土和古土壤的入滲規律,該結果可為研究黃土高原地區土壤水循環過程和農田灌溉提供參考借鑒。