极端干旱地区绿地土壤水分入渗性能研究——以阿拉尔市为例

蒋明顺 白泽鹏 杨顺林 汤永帅 尤 盛 张洪铭 许 丽

（塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

绿地是城市生态圈中生命的掌控者，维持着生态系统的平衡，它作为城市生态系统的重要组成部分，不仅让城市变得更美丽，而且承担着改善生态系统的伟大使命。

土壤水分是绿地土壤的重要物理性质，在极端干旱地区显得更为重要；研究绿地土壤水分入渗是以绿地中土壤水分运动的规律为内容，得出土壤水分入渗的规律和影响因素，从而使得灌溉绿地有一定科学依据和方法，达到节约水资源的目的，这在极端干旱地区尤为重要。

1 研究地点以及试验区域试验点的选择

阿拉尔市位于天山山麓、塔里木河流域，平均海拔1100m，地处塔克拉玛干沙漠边缘，属于暖温带大陆干旱荒漠气候，年降雨量仅为50mm，生态环境非常脆弱；由于大规模发展农业消耗了大量的水资源，加剧了水资源紧张状况，导致一定程度的荒漠化，加上不合理灌溉造成的土壤盐碱化，生态环境堪忧。

试验点是根据不同功能区、植被覆盖程度以及人员活动密集程度而定，选取了3大功能区∶校区、市政区、居民区；试验点∶校区8个、市政区2个、居民区4个。

2 研究方法

采用双环法测定土壤水分入渗率（mm/min）。先清除双环范围内的绿地植物，然后将小环和大环依次均匀打入绿地30cm左右，保证入渗深度不同而面积不变。从记时起加水，0～5min内，0.5min记录 1次入渗水量；5～30min内，1min记录1次；30～120min内，5min记录1次。

烘干法测定含水量∶土壤取样按深度0～10cm、10～20cm、20～30cm各取样1次。将铝盒烘干，冷却称重，用铝盒取适量土壤称重，得到湿土的质量；然后将装有湿土的铝盒放入烘箱中烘6～8h至恒重；取出试样，称得干土的质量；根据公式m=（mt-ms）/ms×100%，计算出土壤含水量。

环刀法测定土壤容重∶利用一定容积的环刀切割自然状态的土壤，使土壤充满其中，再将装满土的环刀放入105℃±2℃的恒温干燥箱中烘至恒重，称出干土加环刀的质量，最后称出干燥且清除余土的环刀质量，利用公式容重=烘干土样质量（g）/环刀容积（cm3）算出。

2.1 试验结果分析

2.1.1 以阿拉尔市为例的极端干旱地区绿地土壤物理性质。试验结果为∶校区的土壤容重在1.30～1.49g/cm3范围内，平均值为1.37g/cm3；市政区的土壤容重在1.38～1.61g/cm3范围内，平均值为1.48g/cm3；居民区的土壤容重在1.41～1.55g/cm3范围内，平均值为1.45g/cm3，表现为居民市政区绿地＞居民区绿地＞校区绿地。综合试验结果表明∶阿拉尔市的绿地土壤容重在1.30～1.61g/cm3范围内，平均值在1.44g/cm3，土壤容重均大于 1.30g/cm3。

土壤孔隙度是单位容积内土壤中空隙容积所占的百分数，土壤的孔隙度的大小反映了土壤的疏松程度，同时也是影响到水分入渗速率的关键因素之一，土壤水分入渗速率随着孔隙度的增加而越来越快。孔隙度计算结果表明∶校区绿地（49.25%）＞居民区绿地（45.93%）＞市政区绿地（44.62%）（见表1）。

表1 阿拉尔市3大功能区绿地土壤的屋里性质

土壤含水率因为会随着绿地深度不同而发生改变，所以在试验点取样计算含水率时采取了分层取样的方法，即在0～10cm，10～20cm，20～30cm这3个不同深度取样计算不同层次的含水率，最后取每个功能区平均值作为最终结果。试验结果表明∶居民区土壤含水率（23.25%）＞市政区土壤含水率（18.63%）＞校区土壤含水率（17.86）。

表2 阿拉尔市3大功能区绿地土壤含水率

2.1.2 以阿拉尔市为例的极端干旱地区绿地土壤水分入渗随时间变化的规律。

图1结果表明，0～3min时水分入渗极快，其市政区从8.18mm/min下降到0.41mm/min，校区从8.64mm/min下降到1.2mm/min，这2个功能区下降尤为明显，宏观原因是市政区和校区的含水率比较低，土壤在开始处于相对干燥的状态。土壤含水率较高，水分子之间形成一定的压力，且水分子附着在土颗粒表面，使得入渗水分子难以与土壤接触，当土壤达到饱和之后，水分只能沿着空隙在重力作用下继续入渗，阻碍了水分下渗；微观原因为入渗水分子在分子力的作用下被干燥的土壤快速吸附形成薄膜水，快速填满表层土壤的孔隙，形成水压，在中期入渗率平缓时，水分在毛细力和重力作用下，在土壤中不稳定流动，当水分子之间分子力与入渗水分子的重力相等时，入渗率逐渐稳定，趋于一稳定值，并在此值上下波动，而在70～120min内校区的稳定值趋于0.33mm/min，居民区入渗率趋于0.11mm/min，市政区入渗率趋于0.07mm/min，这是因为校区的容重小，孔隙率大，因为在试验一定时间后，土壤处于饱和状态，土颗粒难以吸附新的水分，水分只能在重力作用下，沿着孔隙向下渗透，因为校区的孔隙度最大，高达49.05%，所以导致校区的稳定入渗率比较高的现象。

图1 阿拉尔市3大功能区入渗率随时间变化曲线图

2.2.1 以阿拉尔市为例的极端干旱地区绿地水分入渗特征。3大功能区的入渗率表现为∶校区在（8.64～0.26mm/min）范围内，居民区在（8.18～0.10mm/min）范围内，市政区在（7.47～0.612mm/min）范围内；其入渗率平均值表现为∶校区（0.35mm/min） ＞ 居民区（0.22mm/min） ＞市政区（0.17mm/min）；这是因为校区容重（1.37g/cm3）＜居民区容重（1.45g/cm3）＜市政区容重（1.49g/cm3），校区孔隙度（49.05%）＞居民区孔隙度（45.93%）＞市政区（44.62%）；因为市政区处于阿拉尔广场，人员活动频繁，有着一定的踩踏，所以土壤较密实，孔隙度较低，所以入渗率比较低，而校区虽然也有着轻微的踩踏，不过孔隙度大，且含水率比较低，所以表现为入渗快。含水率试验结果表现为∶校区（17.86%）＜市政区（18.63%）＜居民区（23.25%），上文分析了含水率影响着初始入渗率的重要因素，但是整个入渗过程含水率并没有呈现含水率低入渗速率快的现象；而表现为容重越小，入渗速率越快；孔隙度越大，入渗速率越快。因此，影响绿地土壤水分入渗的原因主要是容重和孔隙率，影响初始入渗率的因素主要为含水率，最终入渗率稳定值的影响因素主要为孔隙度。

3 结语

阿拉尔市绿地土壤水分入渗速率初始下降速率非常快，随后入渗速率逐渐稳定，有一定波动，最后趋于一稳定值，阿拉尔市入渗平均值为0.25mm/min。与土壤容重的负相关，与土壤孔隙度呈正相关，所以提高土壤孔隙度，改变土壤的密实度，都是改善土壤水分入渗性能的重要措施；极端干旱地区的水分流失非常快，土壤的含水率非常低，使得初始的入渗速率非常快，灌溉用水量非常大，保证植物的覆盖率也是保证土壤含水率的重要措施，这样植物的锁水能力得到发挥，从而降低初始入渗率，达到节约用水的目的。