吳佳， 王林華， 李占斌

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

谷子坡地的降雨入滲特征與模擬

吳佳1， 王林華2， 李占斌1

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

采用人工模擬降雨方法，以谷子為對象，在3°～15°的坡地小區(qū)上分析研究了谷子坡地的入滲特征。結(jié)果表明：在實(shí)驗條件下，入滲率隨時間延長雖有小的波動，但總體呈下降趨勢，符合冪函數(shù)規(guī)律，且與對照相比，能提高土壤入滲量；從拔節(jié)初期到灌漿初期，谷子坡地的入滲能力逐漸增加；Kostiakov、Horton、Philip和蔣定生入滲模型擬合證實(shí)，Kostiakov模型適合谷子全生育期水分入滲模擬，但估算量平均偏低10%。

谷子坡地； 降雨入滲； 模型模擬； 黃土高原

黃土高原地區(qū)有坡耕地870.05萬hm2，占全國坡耕地總面積的18.7%[1]。坡耕地的土壤侵蝕量占流域總侵蝕量的50%～60%，故坡耕地的水土流失成因與保持一直是人們普遍關(guān)注的重要問題[2]。唐克麗等從淺溝發(fā)育的臨界坡度入手，得出黃土丘陵區(qū)退耕還林(草)的坡度界線應(yīng)在15°～20°左右[3]。因此，15°或20°以下耕地仍然是該區(qū)糧食生產(chǎn)的主要用地。

谷子(Setaria italica)是該地區(qū)種植的主要作物之一。與其他作物一樣，水肥管理，特別是水的管理對其穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)至關(guān)重要，故降雨入滲就成為水分管理的主要研究內(nèi)容之一。以往的土壤入滲研究多是在裸露的平地或人為對有植被的坡面進(jìn)行整平后，采用雙環(huán)法進(jìn)行觀測與分析[4]。后來，隨著人工模擬降雨技術(shù)的發(fā)展，人們也在野外不同土地的坡面上和室內(nèi)不同規(guī)格的沖刷槽中進(jìn)行入滲規(guī)律的實(shí)驗與研究[5]。近年來，為了認(rèn)識作物對噴灌均勻度及效率的影響，一些學(xué)者也開始了作物冠層對降雨的再分配的研究，為深入理解種植作物農(nóng)田的入滲特征提供了途徑[6-8]。但作物在不同生育期，其冠幅、葉面積和根系的發(fā)育程度不同，對減少徑流量、增加毛管及孔隙度等的作用也就出現(xiàn)了差異，從而影響到降雨入滲量的大小。但目前針對這一特征的研究報導(dǎo)還不多見。

為此，課題組自2006年以來，以玉米、大豆、谷子和冬小麥為對象，展開了其防蝕機(jī)理的系統(tǒng)研究，降雨入滲就是該研究的內(nèi)容之一。現(xiàn)以80 mm/h降雨條件下的谷子坡地為例，就入滲特征進(jìn)行研究與分析，以服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 研究方法

實(shí)驗是在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持與荒漠化防治教學(xué)實(shí)驗基地的徑流小區(qū)上完成的。供試作物品種谷子為晉谷29。在播種前按2 500 kg/hm2和400 kg/hm2水平一次性施入有機(jī)肥(腐熟羊糞和雞糞)和磷酸二銨后，再進(jìn)行人工翻耕和播種。谷子定苗后的株行距為10 cm×20 cm。生長期的管理按當(dāng)?shù)剞r(nóng)作習(xí)慣進(jìn)行。

1.1 入滲測定

1) 徑流小區(qū)設(shè)計

徑流小區(qū)建成于2005年，坡度為3°、5°、10°和15°，共4組16個小區(qū)，規(guī)格為4 m×1 m。小區(qū)內(nèi)裝填的土壤為楊凌0～20 cm耕層的塿土，其有機(jī)質(zhì)含量5.0～15.0 g/kg，全氮0.5～1.3 g/kg，堿解氮23.0～80.0 mg/kg，速效磷2.2～23.0 mg/kg，質(zhì)地粘重[9]。2011年5月上旬，在各組小區(qū)上2個播種谷子，2個為裸露對照。這樣，在場降雨下，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)。同年6月中旬定苗管理后進(jìn)行降雨入滲實(shí)驗。

2) 模擬降雨

模擬降雨設(shè)備來自于中國科學(xué)院水土保持研究所水保實(shí)驗設(shè)備工廠設(shè)計制造的側(cè)噴式降雨機(jī)，降雨高度7.5 mm，有效降雨面積5 m×7 m，率定后雨滴均勻度達(dá)90%以上。實(shí)驗設(shè)計雨強(qiáng)為80 mm/h。每次降雨產(chǎn)流后，各小區(qū)均按3 min為時間段收集徑流泥沙樣。降雨的同時，在小區(qū)的4個邊角上放置量雨筒，收集降雨量。實(shí)驗操作及泥沙、徑流、雨強(qiáng)等測算均按《水土保持試驗規(guī)范》執(zhí)行[10]。

3) 入滲量推算

入滲量推算按水量平衡原理進(jìn)行。坡面產(chǎn)流過程通?？杀頌椋?/p>

(1)

一般情況下，在降雨過程中e可忽略不計；In的數(shù)量用噴霧法測定各種作物在各生育期的截留量；Sd受制于人為管理。實(shí)驗中，每次降雨結(jié)束后，均人為地將小區(qū)坡面整平，故Sd也可忽略不計。這樣，對(1)式微分整理后，入滲率f=I′-R-In。I′為凈雨強(qiáng)，即I′=Icosα，α為坡度。

1.2 模型模擬

對實(shí)驗結(jié)果，本文采用以下4個常用入滲模型進(jìn)行模擬與評價。

1) Kostiakov模型[11]

Kostiakov于1932年提出了以下經(jīng)驗公式來模擬土壤水分入滲：

i=i1·t-a

(2)

式中：t為入滲時間；i為t時刻的入滲速率；i1為第一單位時間的入滲速率；a為經(jīng)驗常數(shù)，由試驗資料擬合出的參數(shù)。

2) Horton模型[12]

Horton提出了以下指數(shù)型入滲經(jīng)驗公式：

i=ic+(i0-ic)·e-kt

(3)

式中：ic為穩(wěn)定入滲率；i0為初始入滲率；k為反映土壤特性的常數(shù)。

3) Philip模型[13]

Philip基于Richards方程的半解析方法提出了Philip模型，模型中兩個參數(shù)有明確的物理意義。該模型如下：

i=0.5×S×t-1/2+A

(4)

式中：S為土壤吸水性參數(shù)，A為飽和導(dǎo)水率。

4) 蔣定生模型[14]

蔣定生在分析Kostiakov和Horton入滲模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合黃土高原大量的野外測試資料。提出的入滲公式為：

ft=fc+(f1-fc)/ta

(5)

式中：ft為t時刻的入滲速率；f1為第1 min末的入滲速率；fc為穩(wěn)定入滲率。

2 結(jié)果與分析

2.1 入滲過程

圖1反映的是5°和15°小區(qū)上，谷子不同生育期的土壤入滲情況。從圖中可知，入滲過程中，不同坡度各生育期的小區(qū)上初始入滲率都比較大，隨著降雨歷時的延長，入滲速率逐漸降低。在大約50 min以后，入滲速率雖有波動，但有接近穩(wěn)定入滲階段的趨勢。與對照相比，谷子小區(qū)上的初始產(chǎn)流時間推遲，除個別小區(qū)外，初始入滲率均大于對照，平均值(1.173 mm/min)較對照(1.063 mm/min)提高了10.3%；以降雨結(jié)束前10分鐘左右的平均入滲率作為穩(wěn)定入滲率計算時，谷子小區(qū)的平均值(0.524 mm/min)較對照(0.442 mm/min)提高了18.6%；谷子小區(qū)的平均入滲率(0.849 mm/min)較對照(0.743 mm/min)提高了14.3%，從而累積入滲量(45.335 mm)較對照(34.878 mm)提高了30.0%，特別在抽穗初期和灌漿初期，谷子小區(qū)入滲增加更明顯。第三，隨著作物的生長，其冠幅也在不斷變化，再加上坡度和地表結(jié)皮形成與打破的交替等作用的綜合影響，使入滲過程始終處在一個隨時間延長而忽高忽低的波動之中，但入滲率隨時間變化的過程符合冪函數(shù)形式，見表1。其通式為：

f=b·tc

(6)

式中：b、c為待定常數(shù)。

2.2 土壤水分入滲曲線的模型擬合

分別采用Kostiakov、Horton、Philip和蔣定生模型對4個坡度與谷子4個生長階段試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2、表3、表4和表5。

表1 入滲曲線描述式

Tab.1 The general infiltration descriptive formula

注：**p<0.01；*p<0.05。

注：**p<0.01；*p<0.05。

注： “―”表示擬合無結(jié)果；**p<0.01；*p<0.05。

由表2可知，Kostiakov模型的擬合結(jié)果較好，其關(guān)鍵系數(shù)介于0.706～0.937之間；而Horton模型只能擬合谷子拔節(jié)初期3°～15°和拔節(jié)中期15°的小區(qū)試驗結(jié)果(表3)；Philip模型也只適用于拔節(jié)初期3°～5°、抽穗初期3°～10°和灌漿初期3°～15°的擬合(表4)；蔣定生模型的適用范圍更少，只有拔節(jié)初期15°、拔節(jié)中期10°、15°和灌漿初期10°等幾個小區(qū)(表5)。

Kostiakov模型雖能較好地模擬谷子全生育的入滲過程，但入滲率估算值偏低。圖2是用Kostiakov模型的預(yù)測點(diǎn)擬合為過原點(diǎn)直線，其斜率與1的偏差即為預(yù)測偏差。通過計算，其平均值為-10.82%，見表6。

注： “―”表示擬合無結(jié)果；**p<0.01；*p<0.05。

注： “―”表示擬合無結(jié)果；**p<0.01；*p<0.05。

表6 預(yù)算偏差

Tab.6 Deviation between measured and predicted values

3 結(jié) 論

1) 在80 mm/min降雨強(qiáng)度條件下，谷子坡地的入滲率隨歷時延長具有一定的波動性，但總體呈下降趨勢，符合冪函數(shù)規(guī)律，與裸地對照相比，其初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率和累積入滲量均提高了10%～30%不等，從而減少坡面暴雨徑流量。

2) 不同作物生育期，谷子坡面的入滲能力不同。從拔節(jié)初期到灌漿初期，谷子坡地的入滲能力逐漸增加。這是由于隨著作物的生長，葉面積增加，作物對地面的覆蓋度增加，在降雨過程中，冠層截留能降低雨滴對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，增加入滲率。

3) 模擬證實(shí)Kostiakov入滲模型可模擬谷子全生育期的入滲特征，但其估算量平均偏低10%左右。

[1]謝俊奇. 中國坡耕地[M]. 北京:中國大地出版社，2005.

[2]唐克麗. 中國土壤侵蝕與水土保持學(xué)的特點(diǎn)及展望[J]. 水土保持研究，1999，6(2)：2-7.

Tang Keli. Characteristics and perspectives on scientific discipline of soil erosion and soil and water conservation in China[J]. Research of Soil and Water Conservation，1999，6(2)：2-7.

[3]唐克麗，張科利，雷阿林. 黃土丘陵區(qū)退耕上限坡度的研究論證[J]. 科學(xué)通報，1998，43(2)：200-203.

Tang Keli，Zhang Keli，Lei Alin. Research on the maximum slope for farmland returning at loess hilly-gully region[J]. Chinese Science Bulletin，1998，43(2)：200-203.

[4]李振永，楊文平. 半干旱退化山區(qū)不同土地利用方式土壤入滲性能的研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009，24：260-266.

Li Zhenyong，Yang Wenping. Soil infiltration of land use patterns in semi-arid degraded mountainous areas[J]. Modern Agricultural Science and Technology，2009，24：260-266.

[5]袁建平，蔣定生，文妙霞. 坡地土壤降雨入滲試驗裝置研究[J]. 水土保持通報，1999，19(1)：24-27,42.

Yuan Jianping，Jiang Dingsheng，Wen Miaoxia. Research on rainfall penetration testing device of slopeland[J]. Bulletion of Soil and Water Conservation，1999，19(1)：24-27，42.

[6]李王成，黃修橋，龔時宏，等. 玉米冠層對噴灌水量空間分布的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(3)：59-62.

Li Wangcheng，Huang Xiuqiao，Gong Shihong，et al. Space distribution of sprinkler water under maize canopies[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2003，19(3)：59-62.

[7]馬波，吳發(fā)啟，馬璠，等. 玉米不同生育期莖桿流特征及其模型構(gòu)建[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(1)：118-123.

Ma Bo，Wu Faqi，Ma Fan，et al. Characteristic and model building of stemflow of corn plant in different growth stages[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2011，27(1)：118-123.

[8]馬波，吳發(fā)啟，馬璠，等. 葉面積和降雨強(qiáng)度對大豆莖桿流的影響[J]. 中國水土保持科學(xué)，2008，6(6)：58-62.

Ma Bo，Wu Faqi，Ma Fan，et al. Effect of leaf area and rainfall intensity on the stemflow of Glycine max[J]. Science of Soil and Water Conservation，2008，6(6)：58-62.

[9]楊陵區(qū)地方志編撰委員會. 楊陵區(qū)志[M]. 西安：西安地圖出版社，2004.

[10]水利電力部農(nóng)林水利水土保持局[S]. SD238-87水土保持技術(shù)規(guī)范. 北京：水利電力出版社，1998.

[11]Cahoon J. Kostiakov infiltration parameters from kinematic wave model[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering，1998，124(2)：127-130.

[12]Mailhol J. Validation of a predictive form of Horton infiltration for simulating furrow irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2003，129(6)：412-421.

[13]Haghighi F，Gorji M，Shorafa M，et al. Evaluation of some infiltration models and hydraulic parameters [J]. Spanish Journal of Agricultural Research，2010，8(1)：210-217.

[14]蔣定生，黃國俊. 黃土高原土壤入滲速率的研究[J]. 土壤學(xué)報，1986，23(4)：299-304.

Jiang Dingsheng，Huang Guojun. Study on the infiltration rate of soils on the Loess Plateau of China[J]. Acta Pedologica Sinica，1986，23(4)：299-304.

(責(zé)任編輯 周蓓)

Characteristics and simulation of water infiltration in millet slope farmland under simulated rainfall

WU Jia1， WANG Linhua2， LI Zhanbin1

(1.Faculty of Water Resources and Hydro-electric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710004，China；2.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A&F University，Yangling 712100，China)

By taking Millet as the research object, the characteristics of soil water infiltration are studied in the runoff plots (3°、 5°、10°、15°) by adopting the method of artificial simulation rainfall. The results show that the infiltration rate in millet slope farmland generally presented a decreasing tendency and fitted with the power function laws with a small fluctuation of time prolong in infiltration rate under the experiment conditions. Compared with the control group, the accumulated infiltration amount in soil can be increased. Infiltration rate in Millet slope land can gradually increase from early jointing to milk-filling stages. It has been proved through the infiltration model fitting of Kostiakov, Horton, Philip and Jiang Dingsheng that Kostiakov model can adapt to the moisture infiltration simulation during the whole stage of millet growth and development, but the estimated amount is 10% lower than the average values.

millet slope farmland； rainfall infiltration； infiltration model； Loess Plateau

1006-4710(2015)01-0013-06

2014-10-12

國家自然科學(xué)基金資助項目(41271288)。

吳佳，女，博士生，研究方向為水土資源過程與生態(tài)環(huán)境保護(hù)。E-mail: wjwujia@sina.cn。

李占斌，男，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向為土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail: zbli@mail.xaut.edu.cn。

S157.1

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