羅瑩麗，韋 杰,2，劉春紅

紫色土坡耕地埂坎裂隙發(fā)育對土壤入滲的影響

羅瑩麗1，韋 杰1,2※，劉春紅1

（1. 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 401331； 2. 三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點實驗室，重慶 401331）

為揭示埂坎裂隙發(fā)育程度對土壤入滲性能的影響，該研究選取了3種裂隙發(fā)育程度（重度發(fā)育、中度發(fā)育、輕度發(fā)育）的埂坎為研究對象，利用雙環(huán)入滲試驗揭示裂隙發(fā)育的埂坎土壤入滲規(guī)律并采用入滲模型進行模擬。結(jié)果表明：1）不同裂隙發(fā)育程度下，埂坎土壤入滲率變化趨勢均為先迅速下降后逐漸趨于穩(wěn)定。有裂隙埂坎各時段的入滲率均大于對照組無裂隙埂坎，但其差值均隨入滲時間的增加而減??；2）隨著埂坎裂隙發(fā)育程度的增加，土壤初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率和累積入滲量均增大，其中初始入滲率的增幅最高（98.72%）；3）控制初始含水率條件下，裂隙深度和面積-周長比仍與初始入滲率、平均入滲率及120 min累積入滲量呈顯著正相關(guān)（＜0.05），裂隙面密度僅與平均入滲率呈顯著正相關(guān)（＜0.05）；4）Kostiakov模型和Mezencev模型對不同裂隙發(fā)育程度下埂坎入滲過程擬合效果較好（2為0.84～0.99），但Kostiakov模型只有在一定時間范圍條件下才能有效描述裂隙埂坎入滲過程。研究結(jié)果可為紫色土區(qū)坡耕地埂坎的建設(shè)、維護管理和合理利用及水土保持提供參考。

土壤；入滲；裂隙；紫色土；土坎

0 引 言

埂坎是坡耕地重要的水土保持措施，通過分割坡長和攔截徑流起到理水減蝕的作用[1]，其穩(wěn)定性是發(fā)揮水土保持功能的重要前提[2]。持續(xù)干旱高溫下土坎容易形成開裂，通常認(rèn)為，少量的裂隙可有效改善土壤的通氣性和透水性，但超過一定范圍的裂隙會對埂坎的穩(wěn)定性造成危害[3]。一方面破壞埂坎土體結(jié)構(gòu)的完整性，降低土體強度；另一方面為雨水入滲提供優(yōu)先通道，在埂坎內(nèi)部形成暫態(tài)飽和區(qū)，對土體的軟化作用引起土壤抗剪性能劣化[4]，容易造成埂坎滑動、崩塌等現(xiàn)象。因此，開展裂隙發(fā)育下土壤入滲研究是埂坎維護管理的實踐需要。

研究表明，裂隙的存在會影響土壤入滲速率尤其是加速土壤初始入滲，如裂隙發(fā)育稻田土壤的入滲率遠(yuǎn)大于未開裂土壤[5]，41%～57%的灌溉用水繞過土壤表層而沿著裂隙快速入滲[6]，裂隙發(fā)育深度以內(nèi)土層對降雨的響應(yīng)較裂隙發(fā)育深度以下土層更劇烈[7]。隨入滲過程的推移裂隙逐漸閉合，入滲率下降至接近甚至低于未發(fā)育裂隙時的狀態(tài)[8]。但也有學(xué)者認(rèn)為，干濕循環(huán)過程中裂隙的開裂與閉合是不可逆的兩個過程[9]，即使表層裂隙完全閉合，土壤內(nèi)部仍可能存在裂隙為水分入滲提供優(yōu)先通道，水分入滲率依然比沒有裂隙的要高[10]。當(dāng)然，這也受土壤性質(zhì)、裂隙形態(tài)、降雨強度等因素影響[11]。由于紫色土埂坎緊實度、干濕梯度等與田面差異大，裂隙發(fā)育及其效應(yīng)不同于紫色土耕地，針對紫色土埂坎裂隙發(fā)育的研究較少，不利于埂坎技術(shù)研發(fā)和有效指導(dǎo)埂坎建設(shè)。開展裂隙演化狀態(tài)下的滲流效應(yīng)研究，可以為埂坎失穩(wěn)機制的揭示奠定基礎(chǔ)。

目前，裂隙滲流的研究方法主要有人工降雨法、染色示蹤法、離子穿透曲線法和雙環(huán)法等[12-14]。其中，人工降雨法可以模擬天然降雨，監(jiān)測室內(nèi)土柱或徑流小區(qū)土壤的動態(tài)入滲過程，但存在野外操作不方便等缺點[12]。染色示蹤法利用染色示蹤劑觀測裂隙流流動路徑，但無法獲取入滲率等相關(guān)定量數(shù)據(jù)[13]。離子穿透曲線法多適用于室內(nèi)土柱試驗，但土柱在取樣、運輸過程中易產(chǎn)生擾動，進而影響到試驗結(jié)果[13]。雙環(huán)法因其攜帶方便、操作簡單等特點，成為野外入滲試驗最常用的手段之 一[14]。因此，本研究以紫色土坡耕地埂坎為研究對象，采用雙環(huán)法對紫色土埂坎進行入滲試驗，探究不同裂隙發(fā)育程度下埂坎入滲性能及差異，并利用入滲模型模擬埂坎入滲過程，以期為紫色土區(qū)坡耕地埂坎的建設(shè)、維護管理和科學(xué)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市北碚區(qū)（106°18′02″～106°40′57″E，29°39′10″～30°05′08″ N），屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年年均氣溫18.2℃，無霜期約335 d，日照時數(shù)1 014 h，相對濕度在80%左右，年降水量1 163 mm，雨量充沛但季節(jié)分配不均，降水多集中于5—10月。地形主要由窄條狀山脈與寬闊丘陵谷地組成，地貌屬盆東平行嶺谷區(qū)。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育黃壤和紫色土，常見農(nóng)作物有玉米（）、紅薯（）、柑橘（）等。小流域內(nèi)雖曾實施過水土保持工程，土坎仍是主要的水土保持措施。流域內(nèi)埂坎高22～111 cm，內(nèi)側(cè)高0～30 cm，地埂頂寬29～48 cm，埂坎坡度41°～74°。埂坎坎坡長有馬唐草（）、稗草（）、蟣子草（）等雜草，蓋度約85%。同時，地埂作為田間通道受人為踩踏影響較大，雜草蓋度低，通常在地埂兩側(cè)種有黃豆（）、蠶豆（）等農(nóng)作物。根據(jù)重慶市氣象局公布的2011—2020年氣象數(shù)據(jù)，北碚區(qū)在7—8月高溫天氣出現(xiàn)頻繁，每月日最高氣溫≥35℃出現(xiàn)3～24 d之間，高溫天氣日數(shù)年占比67%～100%，在持續(xù)高溫天氣和暴雨交替作用下，埂坎土壤極易產(chǎn)生裂隙。

1.2 埂坎裂隙發(fā)育調(diào)查及分級

2020年7—9月，選擇歇馬小流域29條紫色土坡耕地埂坎開展裂隙發(fā)育程度調(diào)查。調(diào)查方法采用“照相法”，即在不破壞地埂表層裂隙形態(tài)條件下清除地表雜草及石塊，使其露出新鮮土壤后使用高清數(shù)碼相機（索尼DSC-200型）對裂隙進行正射拍攝，拍攝時沿地埂延伸方向放置卷尺以確定圖片比例尺。受自然條件和監(jiān)測手段的限制，土壤裂隙深度測量采用彈性塑尺法[15]。

根據(jù)圖像比例尺，利用Adobe PhotoshopCS5對調(diào)查獲取裂隙圖片進行裁剪，使其實際規(guī)格為20 cm×30 cm。使用ArcGIS10.5對埂坎裂隙進行數(shù)字化處理，完善屬性信息，同時建立拓?fù)錂z查。利用漁網(wǎng)工具在對應(yīng)的UTM（Universal Transverse Mercator Grid System）投影坐標(biāo)系生成規(guī)格為2 m×3 m的矩形框，然后建立裂隙圖片與矩形框的對應(yīng)關(guān)系，并進行幾何配準(zhǔn)。按照矩形框的縮放系數(shù)（1 m/10 m和1 m2/100 m2）分別提取裂隙周長和面積，計算并分析裂隙發(fā)育強度與形態(tài)復(fù)雜度等參數(shù)[16]。

1）裂隙面密度（Crack Area Ratio，CAR）：

式中CAR為裂隙面密度，%；a為樣方內(nèi)第條裂隙的面積，cm2；為樣方總面積，cm2。

2）面積-周長比（Ratio of Area and Perimeter，RAP）：

式中RAP為裂隙面積-周長比，cm；0為裂隙網(wǎng)絡(luò)總周長，cm。

3）線密度（L）：

式中L為裂隙線密度，cm/cm2；P為樣方內(nèi)第條裂隙的周長，cm。

以裂隙面密度為變量進行聚類分析[16]。綜合考慮各裂隙發(fā)育程度指標(biāo)間的銜接及野外實際調(diào)研情況，埂坎裂隙發(fā)育程度分為4級，分級標(biāo)準(zhǔn)及形態(tài)特征如表1所示。

表1 埂坎裂隙發(fā)育程度分級及形態(tài)特征

1.3 入滲試驗

由于極重度裂隙發(fā)育埂坎裂隙連通性較強，原位入滲試驗無法準(zhǔn)確獲取入滲數(shù)據(jù)。因此，本研究于2020年7—9月對重度裂隙發(fā)育（Heavy development crack，HC）、中度裂隙發(fā)育（Medium development crack，MC）和輕度裂隙發(fā)育（Slight development crack，SC）埂坎進行入滲試驗，并選擇無裂隙（No crack development，NC）埂坎作為對照。入滲試驗采用內(nèi)環(huán)直徑為15.24 cm、外環(huán)直徑為30.48 cm、環(huán)高為17.78 cm的雙環(huán)入滲儀。試驗前，清理地埂，然后將雙環(huán)入滲儀垂直打入表土內(nèi)約7 cm，用散土把內(nèi)外環(huán)與地表接觸部分的空隙填實，防止水分滲漏影響試驗結(jié)果（試驗裝置見圖1）。向內(nèi)外環(huán)同時注水至距地埂表面5 cm處時立即按下秒表。由于裂隙可為水分入滲提供大量優(yōu)先路徑，單純使用馬氏瓶供水不足以滿足入滲需求，因此在試驗開始后5 min內(nèi)使用容量為1 000和3 300 mL的容器供水，5 min后使用馬氏瓶供水。根據(jù)預(yù)試驗入滲觀測數(shù)據(jù)，采用大致1，2，3，5，10，15，20 min為間隔依次延長測定時間并分別記錄內(nèi)、外環(huán)入滲水量，直至單位時間入滲水量達(dá)到穩(wěn)定，時長約為90～120 min。為提高數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性，即使入滲率已趨于穩(wěn)定，仍延長試驗時長至3.5～4 h。試驗過程中內(nèi)外環(huán)水位維持在5 cm左右，保證內(nèi)環(huán)水分主要消耗于一維垂直入滲。各樣點分別采集3個環(huán)刀樣，并用自封袋采集0.5 kg表層土樣（0～5 cm深度土層）帶回實驗室測定理化性質(zhì)[17]。

1. 馬氏瓶（3 L） 2. 馬氏瓶（10 L） 3. 連接管（連接1與6） 4. 連接管（連接2與5） 5. 雙環(huán)入滲桶（外環(huán)） 6. 雙環(huán)入滲桶（內(nèi)環(huán)）

采用初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率和累積入滲量來描述土壤入滲性能。其中初始入滲率是入滲初始階段單位時間的入滲量，本研究選取前3 min入滲率作為初始入滲率[18]；平均入滲率是指到達(dá)穩(wěn)定入滲時的累積入滲量與到達(dá)穩(wěn)定入滲的時間的比值；穩(wěn)定入滲率是單位時間入滲量趨于穩(wěn)定時的入滲率；累積入滲量是一定時間內(nèi)的總?cè)霛B量，本研究選取前120 min的入滲量作為累積入滲量[18]。

1.4 土壤理化性質(zhì)測定

土壤顆粒組成利用馬爾文MS 2000激光粒度分析儀測定，并按國際制分為黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和砂粒（＞0.05～2 mm）；土壤容重、初始含水率（質(zhì)量含水率）和總孔隙度使用環(huán)刀法烘干測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法測定。埂坎土壤理化性質(zhì)見表2。

表2 埂坎土壤性質(zhì)

注：同一列中不同小寫字母表示差異顯著（<0.05）。

Note: Different lowercase letters in the same column mean significant difference (<0.05).

1.5 土壤入滲模型

裂隙發(fā)育下土壤入滲屬于非飽和水分運動，即使在最理想的邊界條件下也難以解析土壤入滲基本方程。建立多種入滲模型有利于模型的一致性檢驗，準(zhǔn)確把握土壤入滲規(guī)律，為土壤水分管理提供依據(jù)。目前常用的入滲模型可分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、物理模型和半?jīng)驗?zāi)Ｐ?類[19]。其中經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)實際入滲數(shù)據(jù)歸納、統(tǒng)計得出入滲率與入滲時間關(guān)系的模型，如Kostiakov模型[20]；物理模型是通過相關(guān)物理性質(zhì)分析入滲率隨時間的變化規(guī)律，如Philip模型[21]；而半經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒橛诙咧g，如Horton模型[22]和Mezencev模型[23]。Kostiakov模型、Mezencev模型、Philip模型和Horton模型作為常見的水分入滲模型，能夠較好地擬合土壤入滲過程[18,24]，因此本研究選擇Kostiakov模型、Mezencev模型、Philip模型和Horton模型模擬不同裂隙發(fā)育程度埂坎的入滲過程，并對各模型的適用性進行評價。

1）Kostiakov模型：

()=-b（4）

式中()為時間為時的入滲率，mm/min；為時間，min；和為參數(shù)。

2）Mezencev模型：

()=+-b（5）

式中為穩(wěn)定入滲率，mm/min。

3）Philip模型：

()=+0.5-0.5（6）

式中為近似穩(wěn)定入滲率的常數(shù)，mm/min；為吸濕率，mm/min。

4）Horton模型：

()=+(-)e（7）

式中為初始入滲率，mm/min；為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同裂隙發(fā)育程度埂坎入滲特征

不同裂隙發(fā)育程度下埂坎的入滲過程相似（圖2），入滲率均在入滲開始后0～5 min急劇下降，5 min下降幅度為66.36%～89.71%。隨入滲過程的推移，入滲率下降幅度明顯減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定。但不同裂隙發(fā)育程度埂坎到達(dá)穩(wěn)定所需時間存在差異，其中重度裂隙發(fā)育埂坎達(dá)到穩(wěn)定的時間最長，分別是中度裂隙發(fā)育、輕度裂隙發(fā)育及無裂隙埂坎的1.09、1.45和1.55倍。此外，同一入滲時刻，最大入滲率（重度裂隙發(fā)育埂坎）與 最小入滲率（無裂隙埂坎）間的入滲差值最高可達(dá) 716.04 mm/min。隨時間的增加，不同埂坎入滲率逐漸接近，直至穩(wěn)定入滲時入滲率差值降低至2.10 mm/min。

與各種發(fā)育程度裂隙埂坎相比，無裂隙埂坎的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率與累積入滲量均最?。ū?），分別為7.32 mm/min、0.26 mm/min、0.77 mm/min和102.60 mm，僅為重度裂隙發(fā)育埂坎的1.28%、11.02%、2.33%和2.77%，為中度裂隙發(fā)育埂坎的3.61%、15.29%、7.03%和6.96%，為輕度裂隙發(fā)育埂坎的31.28%、26.26%、25.58%和35.32%，說明裂隙發(fā)育可以增強土壤滲透性，但增強幅度存在差異。隨裂隙發(fā)育程度的提高，各入滲參數(shù)的增幅從大到小為：初始入滲率（98.72%）、平均入滲率（97.67%）、120 min累積入滲量（97.23%）、穩(wěn)定入滲率（88.98%）。造成這種差異的原因可能是裂隙發(fā)育程度的提高可為水分運移提供更寬或更深的通道，從而明顯增加土壤的初始入滲率。但隨入滲過程的推移，埂坎表層裂隙逐漸閉合，裂隙發(fā)育對入滲的影響逐漸減弱，各入滲參數(shù)受土壤內(nèi)部其余非毛管孔隙狀況的影響逐漸增強[5]。此外，不同裂隙發(fā)育程度埂坎初始含水率存在明顯差異（表2）。其中無裂隙埂坎初始含水率最大（22.04%），使得土壤基質(zhì)勢梯度較小，對水分子的吸引力弱，土壤初始入滲率相對較小。但隨入滲時間的延續(xù)，初始含水率對入滲的影響逐漸減弱，直至忽略不計，導(dǎo)致不同裂隙發(fā)育程度埂坎穩(wěn)定入滲率增幅小于初始入滲率增幅。

圖2 不同裂隙發(fā)育程度埂坎的入滲過程

表3 不同裂隙發(fā)育程度埂坎的入滲參數(shù)

2.2 裂隙發(fā)育程度對埂坎入滲的影響

從埂坎入滲性能與裂隙發(fā)育強度的相關(guān)性來看（表4），除裂隙線密度外，裂隙面密度、面積-周長比和裂隙深度均對土壤入滲性能影響較大。其中裂隙面密度與各入滲參數(shù)均達(dá)到顯著正相關(guān)（＜0.05），尤其與平均入滲率呈極顯著正相關(guān)（＜0.01）。裂隙深度和面積-周長比與初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率和120 min累積入滲量均呈極顯著正相關(guān)（＜0.01），表明裂隙深度和面積-周長比是土壤入滲性能的重要影響因素。與初始入滲率、平均入滲率和120 min累積入滲量相比，裂隙發(fā)育強度對穩(wěn)定入滲率的影響相對較弱，相關(guān)系數(shù)介于0.85～0.89之間，這可能是因為穩(wěn)定入滲率表征的是土壤入滲達(dá)到飽和后的導(dǎo)水能力，此時表層裂隙已經(jīng)完全閉合，入滲率的大小主要受土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)制約[24]。

表4 埂坎入滲參數(shù)與裂隙發(fā)育指標(biāo)的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。下同。

Note: * indicates significant correlation at the level of 0.05, and ** indicates significant correlation at the level of 0.01. Same as below.

根據(jù)埂坎入滲參數(shù)與裂隙發(fā)育指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果，選擇與入滲率顯著和極顯著相關(guān)的因子（面密度（1）、面積-周長比（2）和裂隙深度（3））作為自變量，以4個入滲參數(shù)為因變量進行逐步回歸分析。由表5可以看出，影響初始入滲率、平均入滲率及120 min累積入滲量的主導(dǎo)因素為裂隙深度，而穩(wěn)定入滲率主要受面積-周長比的制約，且所有方程均通過顯著性檢驗，這與埂坎入滲率與裂隙發(fā)育指標(biāo)的相關(guān)性研究結(jié)果一致。

表5 埂坎入滲速率與裂隙發(fā)育指標(biāo)逐步回歸方程

注：為各入滲指標(biāo)；2為面積-周長比，cm；3為最大裂隙深度，cm。

Note:represents each infiltration parameter;2represents ratio of area and perimeter;3represents maximum depth of crack.

2.3 不同裂隙發(fā)育程度下埂坎入滲擬合

Kostiakov模型的值可用來表征初始入滲率，主要受土壤孔隙結(jié)構(gòu)與初始含水率的影響，反映不同裂隙發(fā)育程度入滲初期入滲率的差異。值表示入滲率隨時間延長而減小的程度，值越大，入滲率減小速度越快。各樣點擬合結(jié)果值介于11.20～573.41之間，并隨裂隙發(fā)育程度的提高而增加，與實際初始入滲率變化趨勢一致；值介于0.70～1.34，從大到小依次表現(xiàn)為：中度裂隙發(fā)育（1.34）、重度裂隙發(fā)育（0.81）、無裂隙（0.78）、輕度裂隙發(fā)育（0.70），可以基本反映不同裂隙發(fā)育程度埂坎間入滲率減小速度的差異。Mezencev模型與Kostiakov模型相比，二者、值的變化趨勢基本一致，但值始終較Kostiakov模型小，范圍為11.05～571.27；除無裂隙埂坎外，其余不同裂隙發(fā)育程度埂坎Mezencev模型值較Kostiakov模型大，范圍為0.76～1.37。這是因為在Mezencev模型中，當(dāng)→1時，初始入滲率等于穩(wěn)定入滲率加上值，因此值偏?。划?dāng)為任意數(shù)值時，()均為穩(wěn)定入滲率加上at，即在相同時間內(nèi)，需要更快的下降速度才能達(dá)到同一入滲率，因此值偏大；當(dāng)→∞時，()等于穩(wěn)定入滲率，這與實際情況相符。Philip模型中的值表征吸濕率，值越大，土壤入滲能力越強。從擬合結(jié)果來看，各裂隙發(fā)育程度埂坎值介于在16.81～786.16之間，從大到小表現(xiàn)為：重度裂隙發(fā)育（786.16）、中度裂隙發(fā)育（346.23）、輕度裂隙發(fā)育（49.90）、無裂隙（16.81），表明土壤入滲能力隨裂隙 發(fā)育程度的提高而增加。Horton模型中值可以用來表示入滲率減小的速率，從擬合結(jié)果來看，值從大到小表現(xiàn)為：中度裂隙發(fā)育（0.40）、輕度裂隙發(fā)育（0.30）、重度裂隙發(fā)育（0.27）、無裂隙（0.24），與實際情況存在偏差。

由不同裂隙發(fā)育程度埂坎入滲過程擬合模型可以看出（表6），中度裂隙發(fā)育、輕度裂隙發(fā)育和無裂隙埂坎采用Kostiakov模型和Mezencev模型的擬合效果明顯優(yōu)于Horton模型和Philip模型，其2均介于0.97～0.99之間。重度裂隙發(fā)育埂坎采用Horton模型的2為0.94，擬合效果較好。Philip模型對各埂坎的入滲過程擬合效果較差，2最小值僅為0.57。同時，Kostiakov模型、Mezencev模型、Philip模型和Horton模型的均方根誤差（RMSE）分別為0.04～15.98、0.56～15.43、0.59～16.96、0.32～26.12 mm/min，表明Kostiakov模型和Mezencev模型預(yù)測值誤差較小，更適用于模擬不同裂隙發(fā)育程度埂坎的入滲過程。但是當(dāng)→∞時，Kostiakov模型入滲率逐漸趨于0而不是穩(wěn)定入滲率，不符合實際情況。只有當(dāng)入滲時間K)1/b（式中K為飽和導(dǎo)水率）時Kostiakov模型才能有效描述土壤入滲過程[20]。Mezencev模型是在Kostiakov模型基礎(chǔ)上添加常數(shù)項（即穩(wěn)定入滲率），解決了Kostiakov模型的時間限制性問題。然而由于埂坎的裂隙發(fā)育導(dǎo)致土壤性質(zhì)復(fù)雜多變，影響穩(wěn)定入滲率測量精度，從而降低Mezencev模型擬合效果。Horton模型中初始入滲率和穩(wěn)定入滲率均為實測值，受土壤性質(zhì)影響較大，擬合效果低于Kostiakov模型和Mezencev模型。Philip模型對土壤初始含水率接近或達(dá)到飽和的均質(zhì)土壤入滲模擬效果較好，因此不適用于裂隙發(fā)育埂坎土壤入滲過程模擬。綜合考慮，Kostiakov模型和Mezencev模型對不同裂隙發(fā)育程度埂坎入滲過程擬合效果相對較好，其次是Horton模型。

3 討 論

3.1 裂隙發(fā)育埂坎土壤入滲特征

土壤入滲是灌溉水或降水通過地表進入土壤的過程[25]，按土壤水分受力及水分運移特性可分為滲潤階段、滲漏階段及滲透階段[26]。裂隙的存在加快了水分的運移速率，減小土壤顆粒對水分的吸附作用，使得土壤入滲性能在入滲初始階段得以顯著增強[27]。因此，在穩(wěn)定入滲率相近的條件下，滲潤階段和滲漏階段入滲率的下降幅度隨裂隙發(fā)育程度的提高而增加。此外，本研究結(jié)果表明雖然裂隙發(fā)育能增強土壤滲透性，但各入滲參數(shù)增強幅度存在差異，其中初始入滲率的增幅最大，穩(wěn)定入滲率的增幅最小。這是因為裂隙發(fā)育程度的提高可為水分運移提供更多通道，促使水分快速滲漏至土壤更深處，從而明顯增加土壤初始入滲率[3]。但在連續(xù)的入滲過程中，長時間的增濕軟化作用一方面使裂隙因土壤顆粒吸水膨脹而減小，另一方面破壞了土壤顆粒間的連接能力，團聚體等大顆粒被逐步分解為小顆粒，小顆粒隨入滲水流遷移并堵塞原有裂隙[28]。裂隙的逐漸閉合導(dǎo)致其對水分的輸送能力減弱，直至土壤孔隙基本達(dá)到飽和，入滲過程進入滲透階段，入滲速率基本保持穩(wěn)定[5]。然而本研究結(jié)果表明穩(wěn)定入滲率仍隨裂隙發(fā)育程度的提高而增加，這與Liu等[8]的研究結(jié)果存在差異。造成這種差異的原因可能與滲透階段時土壤內(nèi)部的非毛管孔隙度有關(guān)。段赫等[29]通過對土壤裂隙開閉規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，土壤顆粒的排列方式在脫濕過程中發(fā)生較大變化，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的破壞，裂隙的形成與閉合成為不可逆的兩個過程。因此，埂坎在表層裂隙完全閉合的情況下土壤內(nèi)部仍然可能存在裂隙為水分入滲提供優(yōu)先通道，從而提高土壤的穩(wěn)定入滲率，使得穩(wěn)定入滲率整體表現(xiàn)為裂隙發(fā)育埂坎大于無裂隙埂坎。

3.2 裂隙發(fā)育指標(biāo)對土壤入滲的影響

土壤入滲是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，受多種因素共同影響。其中初始含水率是影響滲透性能的關(guān)鍵因素之一，主要通過改變土壤基質(zhì)勢梯度來影響水分入滲率[18]。通常認(rèn)為初始含水率的上升一方面降低了土壤基質(zhì)勢梯度，對水分子的吸引力也減??；另一方面使得土壤孔隙度因土壤吸水膨脹而降低[30]。因此入滲初期土壤含水率越高，土壤初始入滲率越低，趨于穩(wěn)定的入滲時間也越短。但在本研究中，在控制初始含水率條件下對埂坎入滲參數(shù)與裂隙發(fā)育指標(biāo)進行偏相關(guān)分析（表7），此時裂隙面密度與平均入滲率呈顯著正相關(guān)（＜0.05），與其余三個入滲參數(shù)不存在顯著相關(guān)性；除穩(wěn)定入滲率外，面積-周長比與初始入滲率、平均入滲率和累積入滲量呈顯著正相關(guān)（＜0.05），最大裂隙深度與初始入滲率、平均入滲率和累積入滲量呈極顯著正相關(guān)（＜0.01）；線密度與各入滲參數(shù)相關(guān)性均不顯著。表明在剔除初始含水率的影響后裂隙發(fā)育強度，尤其是裂隙深度和面積-周長比仍與土壤入滲參數(shù)呈顯著正相關(guān)（＜0.05）。通常認(rèn)為裂隙深度是裂隙周圍飽和區(qū)大小的決定性因素，形成的優(yōu)先滲流路徑是導(dǎo)致地下水位上升的直接原因[31]。隨著降雨或灌溉強度的增加，裂隙發(fā)育條件下水分沿著裂隙快速入滲。由于裂隙深度以下土體滲透系數(shù)較低，當(dāng)供水強度超過其下滲能力時，水分聚集在裂隙內(nèi)部從而形成滯水區(qū)，并加強水分與周圍土壤基質(zhì)的交換作用[32]。因此，土壤飽和區(qū)面積隨裂隙深度的增加而增加，從而提高土壤的入滲性能。此外，裂隙面積-周長比的增加則導(dǎo)致土體內(nèi)部與空氣接觸面積也隨之增大，進而加速土體內(nèi)部水分的蒸發(fā)和土壤含水率的降低，促進土體內(nèi)部裂隙在垂直和水平方向進一步發(fā)展，為水分運移提供更多優(yōu)先通道，從而提高土壤的滲透系數(shù)并擴大水分滲透范圍[15]。

表7 控制初始含水率條件下埂坎入滲參數(shù)與裂隙發(fā)育指標(biāo)的偏相關(guān)分析

裂隙發(fā)育引起土壤入滲性能的提升，不僅會增加硝酸鹽等污染物向土壤深層運移的機率，其對土體的滲流軟化作用還會引起土壤抗剪性能劣化，從而造成埂坎垮塌等現(xiàn)象。因此抑制土壤開裂對埂坎的維護實踐具有現(xiàn)實意義。在修筑埂坎時可考慮添加麥殼、生物碳等添加物來改變土壤塑性，降低土壤收縮程度從而抑制裂隙的產(chǎn)生。此外，生物埂作為植物籬和埂坎的復(fù)合體，植被覆蓋的增加可有效調(diào)節(jié)土體濕度和溫差，從而降低土壤開裂的可能性；植物根系的延展也能有效固定土壤，通過增加土體強度來抑制裂隙的發(fā)展。

需要說明的是，影響土壤入滲因素較多。裂隙作為水分運移的主要通道，其形成與發(fā)育是空間立體的，單純研究表層土體裂隙發(fā)育強度對土壤入滲的影響具有一定局限性，在后續(xù)研究中需進一步從裂隙連通性、空間立體結(jié)構(gòu)方面對土壤入滲展開研究。

4 結(jié) 論

1）有裂隙埂坎各時段的入滲率均大于無裂隙埂坎，但其差值均隨入滲時間的增加而減小。裂隙發(fā)育能提高土壤滲透性，增加土壤入滲率與累積入滲量，且增幅隨裂隙發(fā)育程度的提高而增大。不同入滲參數(shù)變化存在差異，其中初始入滲率增幅達(dá)98.72%，而穩(wěn)定入滲率增幅僅為88.98%。

2）在剔除初始含水率的影響后，土壤入滲性能仍與裂隙發(fā)育強度具有較好相關(guān)性。其中裂隙深度和裂隙面積-周長比與初始入滲率、平均入滲率及120 min累積入滲量呈顯著正相關(guān)，而裂隙面密度僅與平均入滲率呈顯著正相關(guān)（＜0.05）。

3）Kostiakov模型和Mezencev模型對不同裂隙發(fā)育程度埂坎土壤入滲過程具有較好的模擬效果,但Kostiakov模型僅在一定時間范圍（＜max=(/K)1/b，式中為入滲時間，和為參數(shù)，K為飽和導(dǎo)水率）條件下才能有效描述有裂隙埂坎入滲過程。

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Water seepage in soil bunds under different crack development degrees on the purple-soil sloping farmlands

Luo Yingli1, Wei Jie1,2※, Liu Chunhong1

(1.,401331,;2.,401331,)

A sloping farmland has been widely considered a major contributor to the sediment yield in Southwestern China. Numerous measures have also been launched to control soil erosion and land degradation in recent years. Among them, the soil bund has been widely adopted for the water flow regulation of soil conservation or land reconstruction in the sloping farmlands. However, the stability of the bund depends mainly on the crack seepage under the soil conservation. The objective of the present study is to reveal the features of water seepage in the soil bunds under different degrees of crack development on the purple-soil sloping farmlands. Photography and laboratory digital image processing were also carried out to determine the degrees of crack development for the bunds in the Beibei District, Chongqing of China. Three typical purple soil bunds were selected as the cases for infiltration experiments, including the heavy, medium, and slight crack developments. The double-ring and four infiltration models were applied to simulate the infiltration process, such as the Kostiakov, Mezencev, Horton, and Phillip model. The results showed that: 1) The Crack Area Ratio (CAR) was applied to establish the four types of crack development degrees, including the slight (CAR≤3.5%), medium (3.5%10%). 2) The infiltration processes of all soil bunds dropped steeply, then decreased slowly till stable. The infiltration rate of crack development bunds was also much higher than that without cracks, where the difference also decreased with time. Correspondingly, the soil permeability was significantly improved with the enhancement of crack development degrees. However, there was an outstanding difference in the increment of initial infiltration rate, the mean infiltration rate, the stable infiltration rate, and 120 min cumulative infiltration, among the testing crack development degrees from no crack development to heavy development crack. The maximum increment occurred in the initial infiltration rate (98.72%), 1.01, 1.12, and 1.02 times than that of the mean infiltration rate, stable infiltration rate, and 120 min cumulative infiltration, respectively. 3) The capability of soil infiltration under different degrees of crack development was still highly correlated with the intensity of crack development after removing the influence of initial moisture content. The maximum depth of crack and the ratio of Area And Perimeter (RAP) were significantly positively correlated with the initial infiltration rate, the mean infiltration rate, and 120 min cumulative infiltration (<0.05), whereas, the CAR was only significantly positively correlated with the mean infiltration rate (<0.05). 4) The Kostiakov model and Mezencev model presented the better fitting to simulate and predict the bund infiltration under the different degrees of crack development (with a mean2of 0.95 and 0.94, respectively), followed by the Horton model (the mean2of 0.83). The Phillip model was the lowest in fitting on the soil infiltration with the mean2of 0.74. The Kostiakov model can be only applied to effectively represent the infiltration state of the bund with the development of the cracks when the infiltration time period is specified. But it gives rise to an infiltration rate value of zero when the infiltration time becomes infinite, no infiltration could reach a real state in the field. The findings can provide a strong reference for the instability mechanism of crack development in the bunds construction, maintenance, and rational utilization on the purple soil sloping farmlands.

soils; infiltration; cracks; purple soil; soil bund

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.014

S152.7

A

1002-6819(2021)-21-0116-08

羅瑩麗，韋杰，劉春紅. 紫色土坡耕地埂坎裂隙發(fā)育對土壤入滲的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(21)：116-123.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.014 http://www.tcsae.org

Luo Yingli, Wei Jie, Liu Chunhong.Water seepage in soil bunds under different crack development degrees on the purple-soil sloping farmlands[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 116-123. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.014 http://www.tcsae.org

2021-07-21

2021-10-20

重慶市杰出青年基金（cstc2019jycjjqX0025）；重慶英才青年拔尖人才項目（CQYC201905009）；國家自然科學(xué)基金（41471234）；重慶市基礎(chǔ)研究與前沿探索項目（cstc2018jcyjAX0489）

羅瑩麗，研究方向為水土保持與生態(tài)建設(shè)。Email: yingli0315@163.com

韋杰，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。Email: wei_jie@mails.ucas.ac.cn