不同土壤质地及同一质地水分入渗差异——以山西保德县、岚县、榆次区为例

张晓茹,牛俊杰

（太原师范学院 山西 太原 030619）

入渗是指水分进入土壤形成土壤水的过程，它是降水、地面水、土壤水和地下水四水之间相互转化的一个重要环节[1］。土壤入渗速率调节着渗透到土壤中的与储存在地下的水分或是产生地表径流的水量[2］状况。进入土壤的水分或通过土壤蒸发、植物蒸腾返回大气或向下渗漏 (土体内径流或进入地下水)[3-4］对土壤产生影响，因此，土壤的入渗机能不仅能直接影响着大气-植物-土壤连通体中水分循环、地表径流的数量以及伴随着洪水和土壤侵蚀等灾害的威胁,同时也影响着植物根系所在范围内的水分情况[5］。由此可见,改善土壤的入渗性能对防止土壤流失,提高森林绿色植物的生产力等,均具有重要的生态效益、经济效益和社会效益[6］。

中国是世界上黄土分布较广的地区之一，在中国境内，又以黄土高原最为特殊。前人对黄土表层及深层的土壤渗透性进行了一系列研究，并取得了相应的研究成果，1998年，刘贤赵，康绍中通过野外土壤入渗试验，利用时域反射仪进行了土壤水分动态变化的观测，分析了积水入渗过程中土壤水分的动态变化规律及土壤水分再分布规律[7］；2004年吴钦孝，韩冰等人采用“环刀法”，在流域的横断面上设点,对黄土丘陵区森林小流域和荒坡草灌小流域土壤水分入渗特征进行了研究，对流域减流减沙效益的预测和评价提供了科学依据[8］；2009年赵景波，张允等人通过对陕西洛川凤栖镇剖面黄土与红色古土壤8个层位的入渗实验及孔隙度与CaCo3测定,研究了黄土与古土壤入渗特征和地下水富集条件[9］。从20世纪80年代以来,对黄土高原地区的地层水理性质和黄土地下水来源、运移、含水特征、富集条件和赋存状态等进行了许多研究，如王德潜[10］李云峰[11］等学者对陕西洛川黄土潜水特征以及黄土孔隙度的研究以及张景波[9］等研究黄土深层的水分状况。在国外，虽然对土壤渗透性和黄土进行许多研究，侧重地表土壤的渗透性[12,13］以及黄土对气候变化的记录方面[14,15］。无论在土壤表层渗透性还是深层的土壤水，均具有广泛而全面的研究，但针对某一地区土壤以及不同质地土壤之间横向比较的研究较少，顾本文通过双环刀入渗法[16］对保德、岚县、榆次三个由西北向东南方向过度地区的表层土壤进行土壤水分入渗研究，并对比分析同一质地[17］下的不同地区的土壤入渗率，揭示不同地区、不同质地土壤入渗率的差别，为评价该地区土壤水资源和土壤水分的有效利用提供准确可靠依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

研究区域为我山西省保德、岚县、榆次。保德位于山西省西北部，地处吕梁山北段西坡、黄土高原东部边缘地带，属典型的温带大陆性气候，该地区土壤为典型红壤区，位于砂壤带[17］上；岚县属山西省吕梁市辖县，位于省境中部西侧该区海拔较高，地势平坦在土壤质地划分上属于轻壤带[17］；榆次位于山西中部的晋中盆地，属温带大陆性干旱气候，土壤带位于中壤Ⅰ带[17］。实验区如图1（图件来源参考中国科学院西北水土保持研究所期刊）所示，从西北到东南标注红点的分别是保德县、岚县以及榆次。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择

实验点选在出露好的层位，具体选择视情况而定。为了降低实验误差，在每层选择2～4个实验点[18］。在实验中，对数据结果，最终对平均值进行计算，作为最终结果。为了保证渗水过程只发生或主要发生在该层中,把实验点选择在顶部由于坡向不同也可能造成实验结果不一致,试验点的土壤选择阴凉处，以避免阳光直接照射引起强烈蒸发[18］。

图1 实验与采样位置

图2 双环刀使用示意图

1.2.2 实验方法

将高20cm、直径20cm和40cm的两个铁环放置在准备实验的土层平坦面上，用双手按住铁环水平向左右旋转,让环下部刀口切入土中，在顶部架上十字形铁架，用锤子砸架子中部，用力均匀向下，敲击点和站立位置要不断的顺向移动，使铁环平稳下切，避免破坏原状土，将圆环用橡胶锤缓慢均匀地打入土中10㎝，尽量保持土壤结构不受破坏[19］，检测环上沿是否水平,校正后,把环与土间隙用细土抹平。然后在内外两环底部铺上1cm厚的细砾石,以减少加水时对土壤结构的破坏。双环放好后，向两环内同时加水至5cm高度，外环加水的目的是防止内外环互渗，并标注记号，作为以后每次实验加水的标准刻度[20］。之后记录每5分钟、10分钟、20分钟入渗的水量。当最后连续3个20分钟入渗的水量都相同时，说明入渗速率已达到稳定状态，即可结实验。

表1 采样点的位置信息

2 结果与分析

2.1 入渗结果对比

分别对保德赵家沟、前白梁村、岚县东河村及榆次区进行了实验,每个层位实验重复2～4次，现将我们对各层重复性较好实验数据介绍，根据实验结果可知在入渗开始的前15分钟内,入渗量较大,经过约40分钟的入渗后,入渗量达到稳定状态。现将各地区不同时段的入渗量作图3如下：

图a是在保德县小赵家沟村所选取的样地1、样地2的土壤入渗实验曲线图，样地2与样地1的垂直距离大约为1米左右，呈阶梯状分布，两地取点时均为表层土壤，环刀入土大约5 cm左右，样地1在样地2的下方，选取的是斜坡土。通过图a的显示，样地1的表层土壤在稳定渗透流量前的平均渗透量为168.54 mL/min，稳定入渗量为28.5 mL/min。在入渗开始的前15分钟内，入渗量较大，经过约40分钟的入渗后，入渗量达到稳定状态。样地2的表层土壤在稳定渗透流量前的平均渗透量为51.17 mL/min，稳定入渗量为21.90 mL/min。在入渗开始的前20分钟内，入渗量较大，经过约40分钟的入渗后，入渗量达到稳定状态。前20分钟土壤入渗流量较大，40分钟后趋于稳定，两地等等稳定入渗流量基本相同，样地1略高，在前20分钟，很明显的样地1的入渗流量比样地2大的多。虽然样地1比样地2相对位置低，但由于样地2是一个平地，而样地1则是一个斜坡。所以很明显的斜坡的入渗流量大于平地的入渗流量。

图b是在岚县所选取的样地4、样地5的土壤入渗实验曲线图，样地4在样地5的上方，垂直相距1.2 m，呈阶梯状分布，取点时均为表层土壤，环刀入土大约7cm左右，通过图5的显示，样地4为土层表层初露土，在稳定渗透流量前的平均渗透量为96.34 mL/min，稳定入渗量为43.5 mL/min。在入渗开始的前20分钟内，入渗量较大，经过约60分钟的入渗后，入渗量达到稳定状态。样地5的表层土壤在稳定渗透流量前的平均渗透量为57.35 mL/min，稳定入渗量为42.30 mL/min。在入渗开始的前20分钟内，入渗量较大，经过约30分钟的入渗后，入渗量达到稳定状态。就两地而言，前60分钟土壤入渗流量较大，60分钟后趋于稳定，两地的稳定入渗流量基本相同，在前60分钟，很明显的样地4的入渗流量比样地5大的多。

图c是在晋中市榆次区大学城所选取的样地6、样地7、样地8的土壤入渗实验曲线图，样地7的位置是在样地6下方的垂直距离2m的地方，样地8在样地7的垂直下方的距离为1.3m，呈阶梯状分布，取点时均为表层土壤，环刀入土大约8 cm左右。样地6的在稳定渗透流量前的平均渗透量为42.27 mL/min，稳定入渗量为11.2 mL/min。在入渗开始的前20分钟内，入渗量较大，经过约40分钟的入渗后，入渗量达到稳定状态。样地7的土壤层在稳定渗透流量前的平均渗透量为67.47 mL/min，稳定后入渗量为14.6 mL/min。在入渗开始的前15分钟内，入渗量较大，经过约60分钟的入渗后，入渗量达到稳定状态。样地8稳定渗透流量前的平均渗透量为57.34 mL/min，稳定入渗量为15.6 mL/min。在入渗开始的前15分钟内，入渗量较大，经过约40分钟的入渗后，入渗量达到稳定状态。可以看出，3个地区的稳定入渗流量基本相同，在整个入渗过程中，样地7与样地8的入渗流量均高于样地6，虽然样地6的海拔较高，但是，在取样时注意到样地7与样地8接河道，河道内无河流，但均为沙土。

2.2 对比分析

图4 取样地横向土壤入渗实验曲线比较图

通过图4显示，4个采样点中样地3、样地6的稳定渗透量较为接近。从图中得到：岚县的东河村土壤质地为砂壤，为褐土，黄土母质，颜色暗褐，屑粒状结构或团装结构，有机质含量高，疏松多孔，顾渗透量较大；保德县前白梁村，位于沙壤带上，是典型的红壤区，保德红土为红粘土，颜色棕红，质地粘重，通体以粘壤为主，颗粒组成小于0.02 mm的粘粒和粉粒占60%-80%，结构致密、少孔[21］，所以渗透流量较其他地区小；中壤带Ⅰ为黄土，周围有植被分布，蓄水性好，所以渗透量也较低。通过观察分析，水分渗透量呈西北到东南递增，具有显著相关性。

2.3 讨论分析

本文根据李玉山先生对黄土高原土壤质地分区[17］来划分壤，质地一致的地区进行对比分析

①陕西洛川与山西榆次均属于中壤带Ⅰ，再根据赵景波，王长燕对陕西洛川表层土壤入渗规律的研究得出的结果与山西榆次进行对比，得出对比结果。洛川县地处陕西省中部,黄土高原南部，洛河中游，位于 109°1－109°45′47 E，35°26″－36°04′之间，由赵景波试验可知洛川第一层黄土初始的入渗速率很高，为7.07 mm/min,稳定前的平均入渗速率为2.53 mm/min，稳定入渗速率为1.13 mm/min，在入渗过程的前15 min，入渗速率很大，在约110 min之后，入渗速率达到稳定阶段[22］山西榆次地区稳定渗透流量前的平均渗透率为1.34 mm/min，稳定入渗量为0.36 mm/min。在入渗开始的前20分钟内，入渗量较大，经过约40分钟的入渗后，入渗量达到稳定状态。通过对比可以看出在稳定前的平均入渗率和稳定的平均入渗率均是洛川大于榆次，且在时间上来分析，洛川的入渗时间较长。通过对比得出洛川的入渗量大于榆次且入渗时间较长。

②陕西佳县与陕西保德均属于砂壤带，佳县土壤稳定入渗率为1 mm/min[23］，保德稳定入渗量为0.3 mm/min。可以得出佳县的平均入渗率大于保德。

③陕西子长、安塞、吴旗均与岚县一样处在轻壤带，其中子长、安塞地区土壤稳定入渗率为1.15～1.30mm/min[23］，吴旗铁边城，恒定渗透速率2.3mm/min[24］，岚县稳定入渗量为1.3 ml/min。可以得出陕西吴旗的平均入渗率大于岚县，子长、安塞的平均入渗率与岚县基本一致。

3 结论

①在保德选取的样地有斜坡和平地之分，通过数据对比可以得出斜坡的入渗流量大于平地的入渗流量；在岚县选取的样地通过高度的差异得出相对较高的地区比低的地区的土壤的入渗流量略大；在榆次区因为有河流的影响，是的土壤在密度和结构上存在差异，沙土的入渗量大于普通黄土的入渗量。

②总体来说，根据李玉山对黄土高原5个土壤质地带的划分[17］，可以看出保德位于砂壤，岚县轻壤，榆次位于中壤Ⅰ，从土壤的下渗情况来看，由西北向东南递增，不同质地土壤入渗量不同。

③同一土壤质地下洛川的入渗量大于榆次且入渗时间较长，佳县的平均入渗率大于保德，陕西吴旗的平均入渗率大于岚县，子长、安塞的平均入渗率与岚县基本一致，同一质地下不同地区的土壤入渗量是不同的。

[1］赵西宁,吴发启.土壤水分入渗的研究进展和评述[J］.西北林学院学报,2004,19(1):42-45.

[2］蒙宽宏.土壤水分入渗测定方法及影响因素[D］.东北林业大学.2006,5.

[3］余新晓.森林植被减弱降雨侵蚀能量的数理分析[J］.水土保持学报,1988,2(2,3):24-30.

[4］刘志,江忠善.雨滴打击作用对黄土结皮影响的研究[J］.水土保持通报,1988,8(1):62-64.

[5］希勒尔 D.土壤物理学概论[M］.西安:陕西人民教育出版社,1988,139-153.

[6］郭忠升,吴钦孝,任锁堂.森林植被对土壤人渗速率的影响[J］.陕西林业科技,1996,3:27-31.

[7］刘贤赵,康绍忠.陕西王东沟小流域野外土壤入渗实验研究[J］.人民黄河,1998,20(2)14-17.

[8］吴钦孝,韩冰,李秧秧.黄土丘陵区小流域土壤水分入渗特征研究[J］.中国水土保持科学,2004,2(2):1-5.

[9］赵景波,张允,陈宝群,等.陕西洛川中更新统下部黄土入渗规律研究[J］.土壤学报,2009,46(6):965-972.

[10］王德潜.洛川黄土潜水补给特征[J］.水文地质与工程地质,1982(5):1-8.

[11］李云峰.洛川黄土地层渗透性与空间性的关系[J］.西安地质学院学报,1991,13(2)60-64.

[12］Sheikh V,Visser S,Stroosnijder L.A simple model to predict soil moisture:Bridging Event and Continuous Hydrological(BEACH)modelling [J］.Environmental Modelling&Software,2009,24(4):542～556.

[13］Gvirtzman H,Shalev E,Dahan O,et al.Large-scale infiltration experiments into unsaturated stratified loess sediments:Monitoring and modeling[J］.Journal of Hydrology,2008,349(1-2):214～229.

[14］Hartmann K,Wnnemann B.Hydrological changes and Holocene climate variations in NW China,inferred from lake sediments of Juyanze palaeolake by factor analyses[J］.Quaternary International,2009,194(1-2):28～44.

[15］Osterrieth M,Madella M,Zurro D,et al.Taphonomical aspects of silica phytoliths in the loess sediments of the Argentinean Pampas [J］.Quaternary International,2009,193(1-2):70～79.

[16］杨金玲,张甘霖,袁大刚.南京市城市土壤水分入渗特征[J］.应用生态学报,2008,19(2):363～368.

[17］李玉山,韩仕峰,汪正华.黄土高原土壤水分性质及其分区 [J］.中国科学院西北水土保持研究所集刊,1985(2):1-17.

[18］赵景波,邵天杰,牛俊杰.西安白鹿原黄土渗透性与含水条件[J］.地理研究,2009,28(5):1188-1196.

[19］朱良君,张光辉,任宗萍.4种土壤入渗测定方法的比较[J］.水土保持通报,2012,32(6):163-167.

[20］赵景波,陈颖.青海湖西北部土壤入渗规律研究[J］.陕西师范大学学报,2011,39(3):90～96.

[21］刘耀宗,张经元.山西土壤.科学出版社.1992.

[22］赵景波,王长燕,刘护军,张允.陕西洛川黄土剖面上部土层水分入渗规律与含水条件研究[J］.水文地质工程地质,2010,37(1):124-134

[23］蒋定生,黄国俊.黄土高原土壤速率的研究[J］,土壤学报,1986,23(4):299-305.

[24］蒋定生,黄国俊,谢永生.黄土高原土壤入渗能力野外测试[J］,水土保持通报,1984,（04）:7-9.