土壤结构对土壤入渗能力的影响

　　土壤水分入渗是自然界水循环中的一个重要环节,土壤水分入渗问题的研究,可为合理确定农田 灌溉技术参数提供科学依据。入渗特性是土壤的固有属性,它决定着灌溉水转换为土壤水的速度和 分布,进而影响到地面灌溉的灌水质量和灌溉效果(灌水均匀度、储水效果和灌水效率)。影响大 田土壤水分入渗特性的主要因素有:土壤质地、土壤结构和土壤含水量。但在给定地区,土壤质地 一定,进行灌溉时土壤含水量又接近相等(一般在田间持水率的60%左右),因此,土壤结构就 成为影响土壤入渗能力和入渗参数的唯一主要因素。本研究试图以大量的大田土壤入渗试验为依据 ,分析土壤结构与土壤入渗能力和入渗参数之间的定量关系,为人们地面灌溉合理灌水技术参数的 确定及水资源合理利用提供参考依据。1　试验条件1.1　土壤条件大田土壤水分入渗试验是在 山西省潇河灌区进行的。山西省潇河灌区土壤母质为河流洪积、沉积物和黄土状堆积物,土壤类型 为草甸土和褐土。土壤耕层深度一般为20～25cm,质地为壤土。土壤黏粒比表面积大,粒间 排列密实,毛管孔隙多,非毛管孔隙少,有机质分解慢,多形成腐殖质积累于土壤内,田间持水量 大,保水抗旱力强。耕层土壤肥力好,有机质含量为0.97%.本试验是在2003年7月份进 行的,此时耕作土地处于种植秋季作物(玉米地等)。为了构造同一土壤质地、相同土壤含水量、 不同土壤结构的试验条件,在试验点选择一块作物种植地,并将其分为3小块。一块保持原状,称 为作物种植地;一块进行翻松,翻松深度为18cm左右,称为翻松地;另一块翻松后,用碾子进 行压实,称压实地。两试验点(近城和永康)土壤物理参数见表1和表2.表1　试验点土壤质地 表试验地点层次/cm土壤颗粒体积分数/%粘粒粉粒砂粒土壤质地近城0～209.060.0 31.0粉砂质壤土20～4018.054.028.0粉砂质黏壤土40以下19.070. 011.0粉砂质黏壤土永康0～2011.047.042.0粉砂质壤土20～4014.0 48.038.0粉砂质壤土40以下12.059.029.0粉砂质壤土表2　不同耕作条件 下的土壤物理参数表(0～20cm)试验地点耕作状态土壤干容重/(g·cm-3)土壤含水 量(体积分数)/%近城作物种植地1.23033.5压实地1.07234.1翻松地1.0 0429.7永康作物种植地1.19239.6压实地1.16933.1翻松地1.0683 2.21.2　试验设备和测试方法入渗试验仪器采用自制双套环入渗仪。内环直径26.0cm ,外环直径64.4cm,内外环高度均为25cm.入渗内环供水用量筒进行计量,并用特制的水位控制装置控制内、外环水位。2　试验结果与分析2.1　土壤结构对大田土壤入渗能力的影响图1a和1 b分别为在近城村和永康村进行的不同耕作条件下,土壤的累积入渗量过程线。由此可以看出:无论 哪种土壤质地条件,土壤结构都对土壤入渗能力产生较大影响。随着地表及耕层土壤由疏松变密实 ,其水分入渗能力明显降低。翻松地、压实地和作物种植地3种耕作状态下,翻松地最疏松,作物 种植地最密实,压实地介于两者之间,同样的入渗时间内,翻松地的入渗量最大,压实地次之,作物种植地最小。图2a和2 b所示的为在近城和永康所进行的3种不同土壤结构条件下的土壤入渗速度曲线,同时表明无论哪种 土壤质地条件下,土壤结构对土壤入渗速度影响都很明显;在整个入渗过程中,土壤干容重大的入渗速度曲线始终位于土壤干容重小的入渗速度曲线之下,土壤干容重越大,土壤入渗速度越小。22　土壤干容重与其入渗能力间呈负相关关系图3所示为h90(90min的累积入渗量)随土壤 结构(干容重)的变化曲线。由图3可以看出:无论哪种土壤质地,其h90随着土壤干容重的增大而减小,它们之间呈负相关关系,拟合方程如下:近城:h90=-17074r+210 39,R=0 9925;永康:h90=-43 29r+54 003,R=0 9902.图1　不同土壤结构条件下土壤累积入渗曲线图2　不同土壤结构条件下土壤入渗速度曲 线图3　h90随土壤结构变化曲线　　土壤结构不同,意味着其板结程度、密实度、孔隙状况不 同。孔隙状况包括孔隙尺寸、分布和连通性。大田土壤条件下,土壤结构通过对土壤孔隙状况的影 响,影响土壤的水力传导度和土壤水分运动驱动力———土水势梯度,进而影响到土壤的入渗能力 。当土壤质地一定时,不同结构的土壤颗粒组成相同,土粒的吸水、保水性类同,其最主要的不同 在于不同结构土壤的孔隙状况不同。疏松土壤单位体积密度小、孔隙率大、孔隙尺度大、连通性好 ,对其中运动流体的阻力小,因而在单位势梯度下,土壤水分通量大,即土壤水力传导度大。而对 于密实土壤,密度大、孔隙小、孔隙尺度小、孔隙严重弯曲、连通性差,单位势梯度下水分通量小 ,即土壤水力传导度小。因此,随着土壤结构密实程度的增加,土壤水力传导度减小。另一方面随 着土壤密实程度的增加,孔隙程度减小,含水量相同时土壤水吸力增大。在积水入渗情况下,土壤 水吸力的增大或许会使水分入渗势梯度增大,有利于入渗能力的增大,但由于势梯度增大使土壤入 渗能力增加的影响远小于水力传导度减小使土壤入渗能力减小的影响,其综合影响的结果是随着土壤密实度的增大,使得土壤入渗能力减小。23　Kostiakov Lewis模型参数与土壤结构间关系大田土壤的入渗过程可用Kostiakov Lewis(3参数)土壤入渗经验模型(h=ktα+f0t)来描述。入渗模型的3个参数α, K和f0都有其一定的物理意义。K为经验入渗系数,其物理意义是入渗开始后第一个单位时段末 的累积入渗量,在数值上也等于第一个单位时段末的入渗速度;f0为土壤的相对稳定入渗率,即 单位势梯度下饱和土壤的入渗速度,非饱和土壤入渗速度达到相对稳定时的入渗速度;α为经验入渗指数,反映土壤入渗能力的衰减速度。图4a,4 b和4 c分别为根据试验数据绘制的入渗模型参数α,K和f0与土壤干容重关系曲线。图4　近城试验的 入渗模型参数与土壤干容重关系　　由图4可以看出:1)土壤结构对入渗模型的每个参数都产生 影响。同一土壤质地条件下,随着土壤结构的关系,入渗模型的3个入渗参数(α,K和f0)都 随之变化。过对描述土壤入渗能力模型的某参数的影响实现,而是通过对模型每个参数的影响来实 现。2)每个入渗参数值都随着土壤干容重的增加而减小,它们之间呈指数负相关关系。同一土壤 质地,3个入渗参数值都随着土壤干容重的增加而减小。尽管经验入渗指数α个别数据有点偏差, 但是这种变化趋势还是很明显。土壤入渗模型参数K值是指入渗开始后1min时的入渗率或入渗 量。试验表明其值大小与地表土壤的质地、结构、含水量和土壤水势有关。土壤结构越疏松,即土 壤干容重越小,经验入渗系数K值越大。其原因是:疏松土壤单位体积密度小、孔隙率大、孔隙尺 度大、连通性好,对其中运动流体的阻力小,因而在单位势梯度下,土壤水分通量大,则入渗开始 后1min时的入渗率或入渗量就大;而对于密实土壤,密度大、孔隙小、孔隙尺度小、孔隙严重 弯曲、连通性差,单位势梯度下水分通量小,则入渗率或入渗量就小。所以,随着土壤密实度的增 大,经验入渗系数K值越小。　　土壤入渗模型参数f0作为入渗界面处的饱和导水率,其大小主 要取决于土壤孔隙的多少和大小。土壤结构的变化引起土壤孔隙多少和大小的变化,因而引起f0 的变化。土壤越疏松,土壤孔隙也就越多,孔隙率也越大,故土壤相对稳定入渗率f0也越大。所 以,随着土壤结构由疏松变密实,即土壤干容重由小变大。土壤相对稳定入渗率f0由大变小。3 　结束语1)土壤结构对土壤的入渗能力有明显影响,土壤结构由疏松变密实,土壤入渗速度稳定 减小,入渗能力递减。土壤结构通过对土壤孔隙状况的影响,影响土壤的水力传导度和土壤水分运 动驱动力土水势梯度,进而影响到土壤的入渗能力。2)表征土壤入渗能力的指标90min的累 积入渗量随着土壤干容重的增大而减小,它们之间呈线性负相关关系。3)同一土壤质地条件下, 随着土壤结构的变化,入渗模型的3个入渗数(α,K和f0)都随之变化,入渗模型参数值随土 壤干容重的增加而减小,呈指数负相关关系。影响大田土壤入渗规律的因素很多,本文仅就不同土 壤质地条件下土壤结构影响问题作了探讨,有关影响大田土壤入渗能力变化过程的其它控制因子、 入渗模型参数的定量预报模型等问题都有待进一步研究。土壤结构对土壤入渗能力的影响@解文艳$太原理工大学建筑与环境工程学院!山西太原030024
@樊贵盛$太原理工大学建筑与环境工程学院!山西太原030024土壤结构;;累积入渗量;; 入渗参数;;水分入渗基于不同土壤结构条件下的大田土壤积水入渗试验资料,分析讨论了土壤结构对大田土壤水分入渗能力和KostiakovLewis三参数模型参数的影响。试验结果表明:土壤结构对大田土壤入渗能力的影响十分明显; 土壤结构由疏松变密实,土壤入渗能力递减;3个入渗参数值随着土壤结构由疏松变密实而递减。 研究结果对于地面灌溉合理灌水技术参数的确定及水资源合理利用具有重要价值。<1>　雷志栋.土壤水动力学.北京:清华大学出版社,1988.
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