用雙環法和單環土柱法測定黃土地表土壤入滲的對比分析

費璐旸

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730020)

1 研究背景

水分入滲(以下簡稱“入滲”)是土壤的基本物理性狀之一，測定土壤入滲的方法和手段直接關系到所取得的土壤入滲數據的精確性、時效性和經濟性，因此選擇合適的測定方法具有重要意義。

國內外學者在土壤入滲研究中采用了多種方法和研究設備，例如圓盤入滲儀法[1]、環刀法、滲透筒法、單環法、單環土柱法、水文法、雙環法、人工降雨法、示蹤法等及各種儀器[2-3]。在我國所進行的野外入滲研究成果大多采用有充分供水的靜水入滲數據反映[4-6]，在具體研究方法和手段上大多采用雙環法[4-5]。

2012年后，費喜亮等[7]提出并采用單環土柱法測試土壤入滲，指出雙環法和單環土柱法均屬一維入滲中有重力作用的垂直入滲或有充分供水的有壓積水入滲，但在其研究報告中對為何采用單環土柱法測試未展開詳細論述。

綜合分析已有專家學者的研究成果，對入滲試驗所采用方法之間的比較研究相對較少，即使有也是在不同地區和不同環境條件下進行的，所得結論也存在差異[6-7]。為此，筆者結合實際，根據相關研究數據，對在本地區土壤入滲研究中采用較多的雙環法和單環土柱法的試驗方法、步驟、測試數據開展進一步研究，比較兩種方法的特點，找出測試結果方面的差異，以期為今后的相關試驗方法選擇提供依據。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

研究區孫家岔流域地處甘肅省蘭州市榆中縣北部山區韋營鄉，屬黃河一級支流宛川河流域，其自然地理條件與社會經濟特點等具有黃土丘陵溝壑區第五副區的典型特征[8-9]。該區年平均降水量364.4 mm，降水年際、年內分布不均，主要集中在7—9月，年水面蒸發量1 668.3 mm。流域內成土母質為黃土，土類屬于灰鈣土，土壤有白土和麻土，陽坡多為白土，陰坡多為麻土，土層深厚，土壤孔隙度總體在50%以上，pH值7.8～8.5，有機質含量0.74%～1.00%。

2.2 試驗樣地設置

根據研究區的具體情況，分別選取試驗小區內有代表性的農坡地、荒坡地兩種面積占比較大的土地利用類型進行入滲試驗[5]。所選樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

根據試驗區的具體情況，為獲得靜水入滲數據共設置了6個采樣點，即荒坡地、農坡地各3個。每個采樣點3個重復，取其平均值，以確保試驗數據準確。各采樣點立地條件見表2。

2.3 研究方法

2.3.1 樣地土壤容重與含水量測定

試驗進行前先測樣地土壤容重與含水量，土壤容重測定采用環刀法，土壤含水量測定采用烘干法，測定結果詳見表3。由表3可知：農坡地土壤含水量為14.16%～15.18%，土壤容重為1.05～1.13 g/cm3；荒坡地土壤含水量為9.64%～10.62%，土壤容重為1.10～1.18 g/cm3。

2.3.2 土壤入滲觀測

2.3.2.1 雙環法

雙環為不銹鋼管制成的環刀，切口端打磨出刃，內環刀內徑10 cm，外環刀內徑20 cm，內外環刀高均為30 cm，內外環刀非切口端內外壁縱向均標以刻度，最小單位為mm。試驗觀測步驟和方法如下：

(1)選擇能代表某種土地類型的地塊作為樣地，而后在其中隨機選點測試。

(2)測試時將內外環刀以同一圓心固定，標有刻度的一側位于下坡位，內外環刀切口端垂直于水平面同時向下環切，切入地面以下15～20 cm，并使內外環刀端口邊緣均處于同一水平面上。

(3)記錄入滲開始時間，同時向內外環刀內加水，內環加水量(W加)利用量杯率定，外環水位始終與內環水位保持齊平，當內環內土壤露出水面時及時加水，如此反復，確保土壤入滲率基本穩定。對入滲開始時間、每次加水時間(內環土壤露出水面的時間)、每次加水前及加水后內外環水位刻度等關鍵數據做好記錄。時間記錄使用24小時制，精確到秒。內環各次加水深度計算公式為

h內加i=W內加i/(πr2)

(1)

式中：W內加i為i時段加入內環的水量，cm3或mL；h內加i為i時段內環加水深度，cm；π為圓周率，取3.14；r為內環的內截面半徑，cm。需要注意的是，為便于量取加入內環的水量，量取水量的單位以cm3計，加水深度以cm計。

經初步整理得出

h內滲i=10h內加i-h內剩i

(2)

v內滲i=h內滲i/t內滲i

(3)

H內滲=h內滲1+h內滲2+…+h內滲i+…+h內滲n

(4)

上三式中：h內滲i為i時段內環土壤入滲量，mm；h內剩i為i時段內環剩余水量，mm；v內滲i為i時段入滲率，mm/min；t內滲i為i時段分鐘數，min；H內滲為一次試驗土壤總入滲量，mm；i為連續入滲時段號，i=1,2,…,n。

(4)將各時段的土壤入滲率、入滲量進行整理計算，形成表格，采用Excel繪制入滲曲線，進行數據分析。

2.3.2.2 單環土柱法

單環亦為不銹鋼管制成的環刀，切口端打磨出刃，環刀內徑13.6 cm，高63 cm。試驗觀測步驟和方法是：

(1)選擇能代表某種土地類型的地塊作為樣地，而后在其中隨機選點測試。

(2)測試時將環刀口一端垂直水平面環切，進入地面下55～60 cm后，將環刀一側的土壤挖去，露出環刀切口端，并且垂直于環刀切口端水平削去下端的土壤，以便于觀測到土柱底面為限。

(3)將一定量的水注入露出地表的環刀內并記錄時間，一次加入環刀內的水層高度要以便于獲取盡可能精確的觀測資料為前提，如在便于觀測和記錄的情況下，可使加水量盡可能小，目的是盡可能減小靜水水頭壓力對土壤入滲率的影響。為避免視覺和操作上的誤差，每次加入的水量用量杯直接計量加入。待環刀內的土壤表面即將露出水面時，記錄時間、環刀內剩余水位，同時給環刀內加水并記錄加入環刀內水的深度。如此反復，直到水分滲透土柱時為止。當水分滲透土柱后，將環刀內尚未滲入的剩余水量由環刀上口倒入量杯計量，則環刀內該時段的總水量減去尚未滲入的剩余水量等于該次測試中相應時段內土壤的入滲量。入滲量計算方法同雙環法。

(4)將各時段的土壤入滲率、入滲量進行整理計算，形成表格，采用Excel繪制入滲曲線，進行數據的分析。

3 結果與分析

3.1 荒坡地兩種試驗方法取得的結果對比

3.1.1 入滲率對比

選4個典型時間對兩種試驗方法所取得的荒坡地土壤入滲率結果進行分析，詳見表4。從表4中可看出，在荒坡地上采用雙環法比采用單環土柱法測得的入滲率數據明顯偏大。整個試驗入滲率情況如圖1所示。

表4 荒坡地兩種試驗方法典型時間土壤入滲率

3.1.2 入滲量對比

兩種試驗方法所測得的荒坡地典型時間土壤入滲量見表5。由表5可看出，在荒坡地上，隨著試驗歷時的延長，由于差異值累積的原因，雙環法和單環土柱法測得的入滲量數據差異更加明顯。整個試驗入滲量情況如圖2所示，采用雙環法測出的荒坡地土壤入滲量明顯高于采用單環土柱法所測得的數據。

圖1 荒坡地兩種試驗方法土壤入滲率對比

表5 荒坡地兩種試驗方法典型時間土壤入滲量

圖2 荒坡地兩種試驗方法土壤入滲量對比

綜上所述，在荒坡地上，采用雙環法測得的土壤入滲率和土壤入滲量均明顯高于采用單環土柱法所測得的數據。

3.2 農坡地兩種試驗方法取得的結果對比

3.2.1 入滲率對比

兩種試驗方法所測得的農坡地典型時間土壤入滲率見表6。從表6中可看出，在農坡地上采用雙環法和單環土柱法測得的入滲率數據差異明顯，前者大于后者。整個試驗入滲率情況如圖3所示。

表6 農坡地兩種試驗方法典型時間土壤入滲率

3.2.2 入滲量對比

兩種試驗方法所測得的農坡地典型時間土壤入滲量見表7。由表7可見，在農坡地上采用雙環法和單環土柱法測得的入滲量數據差異同樣明顯。整個試驗入滲量情況如圖4所示，采用雙環法測出的農坡地土壤入滲量明顯高于采用單環土柱法所測得的數據。

圖3 農坡地兩種試驗方法土壤入滲率對比

表7 農坡地兩種試驗方法典型時間土壤入滲量

圖4 農坡地兩種試驗方法土壤滲水量對比

綜上所述，在農坡地上，采用雙環法測得的土壤入滲率和土壤入滲量均明顯高于采用單環土柱法所測得的數據。

4 結論與討論

筆者在同類地區的研究成果表明，采用單環土柱法測出的農坡地與荒坡地土壤入滲量均大于自然降雨條件下的土壤入滲量[9]。由此推斷，相對于單環土柱法而言，采用雙環法測出的土壤入滲率及土壤入滲量誤差更大。反之，采用單環土柱法測出的土壤入滲數據，相對于雙環法而言更加接近自然降雨條件下地表土壤入滲的實際情況。出現這種結果，筆者認為主要是由于雙環法采用外環的水壓來控制內環的水分發生側滲的性能劣于單環。在實際試驗操作中，當觀測到外環的水面低于內環而給外環內加水時，內環的側滲已經發生且并不全是垂直下滲，因此在采用雙環法觀測土壤入滲時，很難做到內外環的水面始終處于同一水平面，加之觀測者視覺上的誤差，造成觀測結果誤差更大。在采用單環土柱法進行土壤入滲試驗時，一是單環內水分側滲的可能性能夠排除，水分入滲全部以垂直下滲的形式發生，且單環內的水面不會像雙環法那樣因為內外環水位的不同而導致土壤入滲發生誤差；二是相對于雙環法，單環土柱法所需要的設備較少，技術程序較為簡單，需要注意的事項也較少，對試驗操作者而言，可以通過減少試驗的技術性操作程序而避免發生誤差。所以，雖然采用單環土柱法時單環嵌入地面的深度要比采用雙環時為深，但尚未發現采用單環土柱法比采用雙環法對土壤入滲造成更大影響的事實。

如上所述，采用單環土柱法測得的土壤入滲數據，更接近于自然降雨條件下的實際情況，而且單環土柱法土壤入滲測取設備更簡單，更加便于操作。所以，在測取土壤入滲數據時，無論是從成本還是從技術層面考慮，單環土柱法都更值得采用和推廣。