張軒銘，戴翠婷，李朝霞，周怡雯，王天巍，李 豪

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，武漢 430070；2.武漢藍(lán)天綠野咨詢設(shè)計有限公司，武漢 430021)

土壤入滲是指降水從地表滲入土壤形成土壤水分的過程，作為水文循環(huán)中的重要一環(huán)，入滲是降水等地表水轉(zhuǎn)化為土壤水的唯一途徑，土壤入滲能力深刻影響著降水的再分配過程，對降水的有效儲存與轉(zhuǎn)化利用至關(guān)重要。有研究證實土壤入滲主要受土壤性質(zhì)的影響，而土壤性質(zhì)與土壤發(fā)生發(fā)育過程密不可分。

土壤發(fā)育是指從巖石的風(fēng)化產(chǎn)物或堆積物經(jīng)受成土因素作用開始，經(jīng)過物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化和遷移，并使土體構(gòu)造發(fā)生變化，形成目前狀態(tài)下土壤的過程。母質(zhì)在不同環(huán)境條件的交互作用下形成不同發(fā)育程度的土壤。土壤發(fā)育程度的差異不僅導(dǎo)致明顯不同的土壤剖面層次結(jié)構(gòu)，土層間性質(zhì)也具有明顯的變異。Torrent等研究認(rèn)為，成土作用影響土壤的顆粒粒徑分布，土壤中砂粒含量與黏粒含量分別隨土壤發(fā)育程度的增加而減少和增多，而且隨成土?xí)r間增長，土壤深層的黏粒含量逐漸增加。有研究表明，土壤層次間容重、質(zhì)地、孔隙度等的差異影響入滲過程，非均質(zhì)的土壤剖面層次水分運動明顯不同于均質(zhì)土壤，主要表現(xiàn)為非均質(zhì)土在土壤分層處存在毛管障礙，降低土壤入滲速率。吳奇凡等認(rèn)為，土壤剖面層次結(jié)構(gòu)上粗細(xì)質(zhì)地土層的排列順序?qū)е峦翆娱g土壤水力參數(shù)的不同，進而影響土壤的入滲特征，細(xì)質(zhì)土的分布位置決定整個土體的土壤飽和導(dǎo)水率大小；Schwen等研究發(fā)現(xiàn)，剖面土壤水力特性垂向變化明顯，隨著土層深度的加深，土壤導(dǎo)水率逐漸下降，且導(dǎo)水率的變化與土壤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，本研究著眼于不同發(fā)育程度土壤的入滲特征以及探究其入滲差異的關(guān)鍵影響因素。

紫色砂巖廣泛分布于三峽庫區(qū)及其周邊的丘陵和山地區(qū)域，具有疏松易崩解的特征，在亞熱帶濕潤氣候條件下碎裂成碎石，進入土壤后在相對較短時間內(nèi)風(fēng)化成土。受到母質(zhì)特性和不同地形下的侵蝕堆積過程的影響，發(fā)育程度較低的土壤土層薄、土壤分層不明顯，表土層向下即過渡到母質(zhì)層，發(fā)育程度較高的土壤具有明顯的層次結(jié)構(gòu)，且土層間土壤性質(zhì)差異明顯。不同的剖面結(jié)構(gòu)使土壤入滲、產(chǎn)匯流、土壤侵蝕等過程受土壤發(fā)育程度影響顯著，因此研究三峽庫區(qū)紫色砂巖不同發(fā)育程度土壤入滲性質(zhì)對該區(qū)域水分運移規(guī)律和土壤侵蝕防治具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗研究區(qū)位于三峽庫區(qū)秭歸縣王家橋小流域(110°40′—110°47′E，31°05′—31°15′N)。王家橋小流域?qū)匍L江二級支流，流域總面積為16.7 km，海拔最高1 180 m，最低184 m。流域?qū)儆诒眮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，氣候溫和、四季分明、雨熱同期。多年平均降水量為1 192 mm，雨量分布不均，降水集中在4—9月。流域?qū)儆诘湫偷纳絽^(qū)小流域，地形切割強烈，形成山高坡陡的地貌特征。流域出露中生界侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組地層，成土母質(zhì)以紫色砂巖為主。根據(jù)前期土壤調(diào)查，由土壤系統(tǒng)分類確定研究區(qū)內(nèi)紫色砂巖發(fā)育的主要土壤類型包括紫色正常新成土、紫色濕潤雛形土和鈣質(zhì)濕潤淋溶土。

1.2 樣品采集

前期在研究區(qū)挖掘土壤剖面并進行土壤調(diào)查，選取流域內(nèi)典型的3種不同發(fā)育程度土壤類型，由低到高依次為S1(新成土)、S2(雛形土)、和S3(淋溶土)，綜合考慮植被覆蓋度、地形狀況等因素，在保證這些條件基本一致的條件下，每種土壤類型設(shè)立林地、果園、耕地3種不同土地利用的樣地用來進行原位圓盤入滲試驗，再根據(jù)各種發(fā)育程度最大土壤厚度分層取環(huán)刀樣品和散土樣品來測定土壤性質(zhì)，S1(新成土)取0—10 cm土壤樣品；S2(雛形土)取0—10，10—20，20—30 cm土壤樣品；S3(淋溶土)取0—10，10—20，20—30，30—40 cm土壤樣品。樣地土壤基本信息見表1。

表1 樣地基本概況

1.3 試驗方法

試驗于2020年9—11月進行，使用圓盤入滲儀原位測定樣地土壤入滲率。圓盤入滲儀的儲水管高100 cm，直徑為3.7 cm，入滲底盤直徑為12 cm。試驗前去除樣點表面的枯枝落葉等雜物，整理出足夠的平整地面，在環(huán)內(nèi)鋪滿3 mm厚的細(xì)沙并用鋼尺刮平，然后將入滲儀充滿水，并檢查氣密性，隨后趕出氣泡。在土壤入滲試驗過程中，前10 min每隔30 s記錄1次入滲量，10～40 min每隔5 min記錄1次，40～90 min每隔10 min記錄1次。計算出初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率、飽和導(dǎo)水率作為入滲指標(biāo)。其中初始入滲率=最初入滲時段內(nèi)滲透量/入滲時間，本試驗取前3 min的平均入滲率作為初始入滲率；平均入滲率=達(dá)到穩(wěn)滲時的滲透總量/達(dá)到穩(wěn)滲所用時間；穩(wěn)定入滲速率為單位時間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時的滲透速率。采用吸管法測定土壤顆粒組成、環(huán)刀法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度等指標(biāo)，重鉻酸鉀—外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與模型選取

采用SPSS 25.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，Origin 2020軟件進行土壤入滲過程模擬與制圖。對入滲過程進行定量描述與模擬的模型迄今還未得到統(tǒng)一和普遍適用，因植被、土壤類型存在差異，不同區(qū)域適宜的擬合模型也不盡相同；而合適的土壤入滲模型則是對地區(qū)水文過程模擬的重要手段。本文使用3個目前主流的土壤入滲模型用于入滲過程模擬：

(1)Kostiakov模型：

()=-

(1)

式中：()為土壤入滲率(mm/min)；為入滲時間(min)；、為擬合參數(shù)。

(2)Philip模型：

()=05-05+

(2)

式中：、為與入滲有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)。

(3)Horton模型：

()=+(-)e-

(3)

式中：為初始入滲率(mm/min)；為穩(wěn)定入滲率(mm/min)；為試驗求得的經(jīng)驗參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)育程度土壤基本理化性質(zhì)

不同發(fā)育程度土壤理化性質(zhì)見表2。不同發(fā)育程度的土壤土層間理化性質(zhì)指標(biāo)均具有一定的差異。土壤容重隨土層深度的增加而增加，20—40 cm的2個土層顯著大于0—20 cm的2個土層(<0.05)；土壤總孔隙度隨土層深度的增加而減小，且0—20 cm的2個土層與20—30，30—40 cm土層之間具有顯著差異(<0.05)；土壤毛管孔隙度隨土層深度的增加而逐層減小，但不具有顯著差異(>0.05)；土壤通氣孔隙度隨土層深度的增加而逐層減小，30—40 cm土層顯著小于0—30 cm的3個土層(<0.05)；土壤砂粒含量隨土壤發(fā)育程度的增加而顯著減小，即S3S2>S1(<0.05)。土壤砂粒含量隨土層深度的增加而減小，黏粒含量隨土層深度增加而增加，20—40 cm的2個土層顯著大于與0—20 cm的2個土層(<0.05)。土壤有機質(zhì)隨土層深度的增加而逐層減小，各土層間差異顯著(<0.05)。

表2 典型土地利用不同發(fā)育程度土壤理化性質(zhì)

2.2 不同發(fā)育程度土壤入滲特征

從圖1可以看出，不同發(fā)育程度的土壤入滲指標(biāo)大小均具有一定差異。其中S1、S2、S3初始入滲率平均值分別為5.56，4.94，3.09 mm/min，穩(wěn)定入滲率分別為1.99，1.81，1.74 mm/min，平均入滲率分別為3.91，3.60，2.57 mm/min，飽和導(dǎo)水率分別為2.23，1.93，1.80 mm/min。林地、耕地、果園均呈現(xiàn)明顯的隨發(fā)育程度增加土壤入滲率減小的趨勢，即S1>S2>S3。

圖1 不同發(fā)育程度土壤入滲特征

土壤入滲速率隨時間變化過程見圖2。不同發(fā)育程度土壤入滲過程有較大差異，但均表現(xiàn)出初始入滲率>平均入滲率>穩(wěn)定入滲率的趨勢，入滲開始初期入滲速率較高，而后隨著時間推移逐漸降低，最終穩(wěn)定于定值，即達(dá)到穩(wěn)定入滲階段。S1在整個試驗過程中的入滲速率整體明顯大于S2和S3，而S3的入滲速率則明顯小于S1和S2。

圖2 不同發(fā)育程度土壤入滲過程

2.3 入滲特征影響因素

土壤入滲狀況受到土壤容重、土壤孔隙度、土壤質(zhì)地、有機質(zhì)含量、土壤結(jié)構(gòu)等性質(zhì)的影響。因此，對土壤入滲特征與影響土壤入滲的影響因素進行相關(guān)分析。從表3可以看出，初始入滲率與容重、總孔隙度、通氣孔隙度、黏粒含量之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系，穩(wěn)定入滲率僅與有機質(zhì)含量極顯著相關(guān)(<0.01)；平均入滲率與總孔隙度、通氣孔隙度、土壤容重、黏粒含量、砂粒含量之間呈極顯著相關(guān)(<0.01)；飽和導(dǎo)水率與總孔隙度、土壤容重之間呈極顯著相關(guān)，與毛管孔隙度呈顯著相關(guān)(<0.05)。

表3 土壤入滲特征與理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系

采用冗余分析(RDA)研究土壤入滲速率與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，將土壤理化性質(zhì)作為解釋變量，土壤入滲速率作為響應(yīng)變量進行分析，可通過其夾角大小來確定變量間的相關(guān)性，夾角越小，相關(guān)性越強，當(dāng)夾角<90°時，解釋變量與響應(yīng)變量呈正相關(guān)；當(dāng)夾角>90°時，解釋變量與響應(yīng)變量呈負(fù)相關(guān)。可以通過將1個變量與在其他變量的箭頭投影來讀出其近似相關(guān)性。土壤理化性質(zhì)對土壤入滲特征值在第1排序軸(RDA1)的解釋量為48.29%，在第2排序軸(RDA2)的解釋量為41.73%，即前2軸對土壤入滲速率的累計解釋值為90.03%，累計解釋擬合方差值為97.80%，表明前2軸能較好地解釋土壤理化性質(zhì)與土壤入滲速率的關(guān)系。其中RDA1可以較好地解釋初始入滲率、穩(wěn)定入滲率的變化，其主要影響因素包括總孔隙度、砂粒含量、黏粒含量、容重和通氣孔隙度；RDA2可以較好地解釋穩(wěn)定入滲率、飽和導(dǎo)水率的變化，其主要影響因素包括毛管孔隙度、粉粒含量、有機質(zhì)含量、容重和通氣孔隙度(圖3)。

注：實心箭頭為解釋變量；空心箭頭為響應(yīng)變量。

2.4 入滲模型擬合效果

為進一步探究經(jīng)典入滲模型對不同發(fā)育程度土壤入滲的適用性，使用3種經(jīng)典入滲模型對入滲過程進行擬合，擬合結(jié)果見表4。Kostiakov入滲模型中，為經(jīng)驗入滲常數(shù)，即第1個單位時段內(nèi)的平均入滲速率，可用來表征初始入滲率的大?。恢档拇笮】梢员砻魅霛B速率隨時間減小的速度，值越大，則入滲速率隨時間減小的速度越快。由表4可知，Kostiakov方程擬合的參數(shù)值從小到大依次為S3

表4 不同發(fā)育程度土壤入滲過程模擬結(jié)果

對入滲過程的擬合效果可以用回歸方程的決定系數(shù)()表示，其值越大，擬合效果越好。Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型對土壤入滲過程擬合決定系數(shù)均值分別為0.858，0.832，0.942，說明3種模型均能較好地擬合入滲過程，且Horton模型(為0.830～0.986)對各入滲過程的擬合效果均為最優(yōu)。而Kostiakov(為0.619～0.950)模型和Philip(為0.486～0.962)模型擬合效果次之，二者相比，Philip模型對S1發(fā)育程度的土壤入滲效果優(yōu)于Kostiakov模型，而對S2和S3土壤入滲過程模擬效果各有優(yōu)劣。

3 討 論

3種發(fā)育程度土壤入滲率均呈現(xiàn)隨土壤發(fā)育程度增加而減小的趨勢。S2、S3初始入滲率較S1分別減小11.47%，41.60%，平均入滲率分別減小12.42%，9.08%，穩(wěn)定入滲率分別減小3.48%，32.88%，飽和導(dǎo)水率分別減小10.63%，16.95%。同樣有研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)育程度最高的土壤具有最低的飽和導(dǎo)水率，這可能由于產(chǎn)生分層的土壤相比均質(zhì)土壤明顯降低下滲速率。在本研究中，S1因不具有明顯的土壤分層可被視為均質(zhì)土體，而S3具有明顯的土壤層次，且20—40 cm的2個土層與0—20 cm的2個土層間容重、總孔隙度、通氣孔隙度、砂粒含量、黏粒含量均具有顯著差異，故對入滲過程形成阻滯效應(yīng)。由表3和圖2可知，土壤入滲率與黏粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與砂粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與已有研究結(jié)果相似。Zaibon等研究認(rèn)為，黏粒含量隨著土層深度的增加而增加，而黏粒含量高的土層土壤質(zhì)地較細(xì)，通常具有較少的大孔隙，因此土壤深層入滲速率迅速下降。S3的土壤入滲率明顯低于S1和S2，可能是由于較高發(fā)育程度的土壤通過增加深層細(xì)顆粒占比而導(dǎo)致土壤入滲速率降低。由相關(guān)分析可知，土壤入滲率和土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與總孔隙度和通氣孔隙度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤容重是土壤緊實度與孔隙度的間接反映，土壤入滲是水分在土體孔隙內(nèi)流動并且不斷深入的過程，所以容重和孔隙度對土壤入滲產(chǎn)生較大的影響。已有研究表明，低發(fā)育程度的土壤具有較高的孔隙度和較低的容重。綜上所述，本研究中發(fā)育程度較低的土壤可視為近似均質(zhì)土，且顆粒較粗，孔隙較大，導(dǎo)致容重偏小，土壤入滲速率和飽和導(dǎo)水率較大；而發(fā)育程度較高的土壤具有明顯的土壤分層，且深層土壤顆粒較細(xì)，容重偏大，孔隙較小，不利于土壤水分下滲。

Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型均能擬合不同發(fā)育程度土壤入滲過程，其中Horton模型擬合效果最優(yōu)，其次為Kostiakov模型，而Philip模型擬合效果不夠理想。Horton模型雖是純經(jīng)驗公式，但能描述長時間的入滲特征，且模型參數(shù)具有物理意義，是模擬本研究入滲過程的最優(yōu)模型；Kostiakov模型假設(shè)初始入滲速率無限大，當(dāng)時間無限延長時，入滲速率趨近于0，本試驗中在達(dá)到穩(wěn)定入滲后入滲率趨于定值，因此擬合效果不夠理想；Philip模型是在半無限均質(zhì)土壤有積水條件下求得，只適用于均質(zhì)土壤一維垂直入滲的情況，僅對近似均質(zhì)土的S1擬合效果較好，且在原位自然土壤下三維入滲應(yīng)用有一定局限性。相比較而言，Horton模型對紫色砂巖不同發(fā)育程度土壤入滲過程擬合效果最優(yōu)，適用性最強。

4 結(jié) 論

(1)不同發(fā)育程度土壤入滲速率隨發(fā)育程度的增高而減小，初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率、飽和導(dǎo)水率均表現(xiàn)為S1(新成土)>S2(雛形土)>S3(淋溶土)。

(2)不同發(fā)育程度土壤因土壤性質(zhì)差異對土壤入滲具有顯著影響，初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率、飽和導(dǎo)水率與總孔隙度、毛管孔隙度、通氣孔隙度、砂粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，與容重、黏粒含量、有機質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型均能擬合不同發(fā)育程度土壤入滲過程，決定系數(shù)由大到小依次為Horton模型>Kostiakov模型>Philip模型。