影響土壤水分入滲特性主要因素的試驗研究

符泉

摘要：在流域評價中，土壤導水性是一個重要的評價指標，這一性能與地表徑流、地下水補給、土壤侵蝕等都存在著緊密的關系。在專業領域，土壤導水性又被稱為土壤入滲特性。土壤的研究與評價中，土壤的水源涵養能力、抗侵蝕能力最終都是有土壤入滲特性來反映的，在對土壤侵蝕問題的全過程的分析中，影響土壤入滲特性的因素非常多，只有做好了相關參數的科學控制，方能夠保持土壤最佳的水分入滲特性。

關鍵詞：土壤水分；入滲特性；因素；試驗

近年來，伴隨著我國農業現代化的發展，農田灌溉中越來越關注土壤入滲特性的研究，作為自然界水循環中的一個重要組成部分，對土壤水分入滲特性的研究非常關鍵。對于任何一種土壤資源而言，入滲特性都屬于其固有特性，這一指標是否處于正常標準內，將會與灌溉水轉換為土壤水的速率和分布有著緊密的聯系。因此，隨著當前可持續發展目標的推進，無論是在農業生產還是生態環境保護中，都越來越關注土壤水分入滲特性。土壤入滲過程的動態化特征明顯，在此過程中，諸多因素都會影響這一特性，為保障相關策略與土壤這一特性的對應性，應加強各種影響因素的控制。

為開展土壤水分入滲特性影響試驗的研究，選取了數百組大田，在這些地方開展了土壤水分入滲試驗，為保障試驗結果的準確性，將90分鐘累積入滲量（H90）作為土壤入滲能力的直接評估指標。經由最終的試驗結果得知，土壤質地對土壤入滲能力有著一定的影響，其中，將粒徑在0.02毫米的黏粒函數百分數作為土壤質地物理量，在這一條件下所獲得的分析結果相對可靠。

土壤中固相物質各粒級土粒的配合比例就是土壤質地，這一指標是土壤性質評估中的關鍵因素，土壤質地又會對土粒表面能、土壤孔隙尺度、分布等產生些微干擾，通過土壤質地對這些因素的影響，土壤水分運動的驅動力、水力傳導度最終發生了一定的變化，土壤水分入滲能力也就隨著這一系列的變化而受到了影響。從實際的試驗結果和生產經驗可得，土壤質地與土壤的吸附能力、粒間孔隙、吸水和保水能力存在著不可分割的關系，當土壤質地越重、粘粒含量越高、顆粒越細、固體相比表面積越大、表面能越高、吸附能力越大的情況下，對應的土壤吸水和保水能力越好。通常情況下，重質土壤孔隙要小于輕質土壤，在土壤結構、含水率、水勢梯度等同的條件下，重質土壤的水力傳導度要略微小于輕質土壤，這也就意味著重質土壤的水分入滲能力相對較差。

土壤顆粒在不同的排列和組合形式下，也就形成了不同類型的土壤結構，因此，土壤結構作為土壤的一個重要指標，具體指的就是土壤顆粒之間所存在的排列和組合方式。土壤結構對土壤入滲能力的影響是通過土壤孔隙情況來反映的，因為在不同的土壤孔隙條件下，水力傳導度、水分運動驅動力也呈現出不同的形態，最終使得土壤水分入滲能力受到了影響。相關學者經由大量的試驗，部分學者認為土壤結構與質地是決定飽和水力傳導度的直接因素；部分學者認為原狀土與擾動土的飽和導水率與團聚度、結構系數之間存在一定的關聯性，總體上呈現出負相關關系。

在土壤的物理化學性質研究中，土壤容重同樣是一個重要的概念，具體指的是土壤在單位體積內的排列松緊度，基于其概念特殊性，土壤容重大小也就代表著土壤的堅實度、孔隙度，對于土壤透氣性、入滲能力、持水能力、溶質遷移特征等都會存在或大或小的干擾。在土壤容重越大的情況下，也就意味著土壤的孔隙度越小、滲透能力較差。在容重不斷增大的過程中，累積入滲量減少的減滲率在入滲過程中并沒有明顯的變化，為一個固定量，與容重為1.3克/立方厘米土壤的累積入滲量是相同的。在入滲時間相同的前提下，隨著土壤容重的逐步增大，累積入滲量隨之呈現出逐步減小的趨勢。蔣定生建立了第1分鐘末黃土高原土壤入滲速率與表層容重的定量負相關關系方程，在此前提下，詳細分析了土壤水分入滲特性的影響因素，最終得出，不同的土壤類型下，其物理性質也有著明顯的區別，最終也就對土壤入滲特性產生了直接的影響。比如，在相同坡度和降雨條件下，紫色土的穩定入滲率大大高于黃壤，甚至達到了黃壤的1.22倍，這一性質主要是由于紫色土的土壤物理性質所造成的，因為紫色土的容重小、孔隙度大。

土壤中的物質構成相對復雜，其中，土壤基質是其中的重要構成，基質是重要的介質，是影響土壤孔隙的重要因素，當土壤基質有所差異時，也就意味著土壤孔隙情況有所不同，在這一影響關系下，土壤物質、能量的運移也表現出各自的特征。專業學者研究了土壤質地與穩定入滲率、結構因子與穩定入滲率二者之間的關系，發現結構因子與穩定入滲率之間的關系更為明顯，尤其是有效孔隙率與穩定入滲率之間呈現出明顯的相關性。此外，土壤毛管和非毛管孔隙度也會在一定程度上對土壤入滲能力產生一定的影響，但非毛管孔隙對土壤入滲能力的影響更為直接，伴隨著土壤孔隙度的增大，土壤中的縱向和橫向水分滲透速率都顯著增大，滲透時間相對較短，也就為一定范圍內的土壤水分滲透提供了良好的前提。土壤中活性孔隙的增加，也可以給土壤水分的下滲創造良好的條件，尤其是對于土壤中的生物性大孔而言，其更是可以伴隨著一定優勢流的產生，提升了穩定入滲速率。伴隨著土壤孔隙度的逐步增大，土壤飽和導水率也顯著增大，對于≥0.1厘米的大孔隙體積而言，土壤的飽和導水率相關性更為突出，當相關系數達到了0.9以上，意味著土壤導水大孔隙的大小、數量對土壤飽和入滲能力的影響最為直接。

根據對數百組大田土壤水分入滲試驗，發現這些大田土壤入滲過程基本在90分鐘左右保持在了相對穩定的條件下，因此，將90分鐘累積入滲量作為土壤入滲能力的反映指標最為有效。

根據最終的試驗數據與結果分析，發現在土壤初始含水率升高的情況下，土壤入滲量反而逐步降低，二者呈現出明顯的負向變化關系。從實際來看，土水勢梯度、水力傳導度是影響入滲量大小的關鍵因素，土壤含水量對土壤水分入滲能力的影響是通過入滲水流濕潤區的平均勢梯度來實現的。在土壤含水率越高的條件下，意味著水分入滲鋒面的土水勢越高，此時，水分入滲鋒面與地表的平均勢梯度也就越小，在這一系列的影響過程中，土壤的入滲通量也相對較小，也就是土壤的入滲能力較差。

土壤中含有一定的有機質，有機質的存在可以改變土壤中的團聚體數量，這種影響最終會對土壤的入滲能力產生一定的干擾。土壤孔隙在很多時候是由土壤中的團聚體大小與數量來反饋的，當土壤中的有機質含量較高時，也就意味著其中的團聚體數量較多，土壤具有穩定性好、孔隙率大、孔隙尺度大、連通性好的特征，當處于單位勢梯度條件下，土壤水分的通量也相對較大。因此，土壤水力傳導度與土壤入滲能力也存在直接的關系，在水力傳導度越大的情況下，土壤的入滲能力也相對較強。

土壤氣體的交換能力也就指的是土壤的通氣性，在很多時候，良好的土壤通氣性對應著土壤內良好的空氣質量，也就為植物生長、微生物活動創造了良好的條件。從本質上來看，土壤中氣體體積在總孔隙體積中的比例決定著土壤的通氣性。當土壤總孔隙體積保持在相對穩定的條件下時，液相和氣相之間相互消長。水分在土壤中始終處于一定的運動條件下，而其運動狀態正是液相不斷排出氣相的過程，如果土壤內部相對暢通，水分運動可以正常進行，氣相的存在不會對該運動過程產生任何的影響。但如果采用的是地面灌水方式，一旦缺乏對水流推進速度的控制，在水流推進速度過快的情況下，一旦土壤中的空氣來不及排除，這些空氣將會被積水禁錮，水分運動的過程中將伴隨著較大的阻力，受到氣相的較大干擾，土壤入滲速率將大大降低。

在結構性土壤的最表層，雨滴打擊非常頻繁，在反復的雨水打擊下，逐步在土壤表層中形成了低孔隙度、高容重和低導水率的結皮。通常情況下，在結構相對穩定的土壤中，如果出現了入滲能力降低的現象，一般是由于入滲的同時基質勢減小所引起的，而在結構穩定性不足的土壤中，土壤入滲能力在初始狀態下是非常高的，但伴隨著入滲過程，其入滲能力顯著降低，這一變化趨勢主要是由于土壤結構破壞和表土結皮產生所引起的。從表土結皮的形成過程來看，在反復的雨滴打擊和雨滴濕潤壓力下，土壤表層團聚體逐步被破壞，在分離作用下形成了許多分散的顆粒，這些顆粒逐步將土壤表面的孔隙填充好，土壤表面壓實以后，耕作層土壤的滲透率相對較高，是淋入層滲透率的200倍，結皮層的2000倍。土壤結皮具有緊密堅硬性，完全可以將土壤水分的入滲通道堵住，從這個角度來看，土壤入滲率有所降低，地表徑流所引起的土壤侵蝕問題愈發嚴重。

在土壤水分入滲特性的影響因素中，植被覆蓋和耕作同樣是關鍵性的影響因素，植被覆蓋與耕作方式下，土壤的物理特性難以保持原狀，正是因為植被覆蓋和耕作方式的區別，土壤的孔性、滲透性也表現出各自的特點，最終使得土壤水分入滲呈現出其特殊性。事實上，植被覆蓋對于土壤水分下滲的影響過程分析是相對復雜的，在當前的研究領域，并不能完全實現定量數據分析和評價，一般都采用的是定性研究的方法。此外，不同類型的林地土壤初滲速率、穩滲速率與土壤容重、孔隙度關系的變化基本保持在了同步變化趨勢下。耕作方式對土壤入滲特性的影響方面，現有的很多研究中，關于這方面的研究結果存在著較大的差異，比如，一些研究發現，保護性耕作增大了土壤入滲和儲水容量，而傳統的耕作方式下，土壤飽和入滲率相對較低；免耕土壤的飽和導水率要遠遠高于傳統耕作的土壤滲透性。

土壤水分入滲特性的研究中，降雨強度同樣是需關注的一個因素，降雨量、強度最終影響的是土壤表面所能夠承接的水量、土壤表面特征、土壤導水性能。針對當前土壤強度對土壤入滲速率的影響，存在著一些爭議性的觀點，其中，最具代表性的兩種觀點為：（1）土壤穩定入滲率與降雨強度呈正向變化的關系，當降雨強度增大的情況下，土壤的穩定入滲率也呈不斷增大的趨勢，這一觀點下，雨滴打擊時產生的沖力對于入滲速率的影響是較為明顯的，這一沖力作用不僅增大了入滲水流的運動速率，更是使得部分靜止毛管水加入到了滲水流。（2）土壤穩定入滲率與降雨強度呈反向變化，下雨強對于土壤的打擊破壞作用更為明顯，在雨強越大的情況下，其對于土壤的破壞力也越大，在降雨的同時所形成的徑流攜帶的侵蝕土壤顆粒將會堵塞地表土壤孔隙，最終使得土壤的降雨入滲速率大大降低。但無論在這一方面的研究中堅持的是哪種觀點，在不同的研究對象下，所獲得的結論也將存在差異，因此，在土壤水分入滲特性的研究中，應從定量和定性相結合的角度來分析。

近年來，伴隨著土壤水分入滲特性研究的深入推進，專業人員在此研究方面做出了大量的探索和實踐，但很多的研究依舊停留在土壤物理性質領域，尚存在很多的研究不足，未來隨著研究的深入，土壤水分入滲特性方面的影響因素分析將更為細化。但很多影響因素與土壤水分入滲特性之間的關系分析方面，很多集中在定性方面，缺乏定量化研究，未來專業人員應開展更為深入的研究，通過定量結果的獲得來實現研究成果的推廣和利用。