砾石覆盖对土壤入渗特性影响的试验研究

房 凯，郑加兴，张 俐，李紫纯，赵 瑜

(1.江苏省宿迁市水务局，江苏 宿迁 223800；2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海 200120;3.河海大学农业工程学院，南京 210098)

0 前 言

砾石(>2 mm的碎石)广泛存在于世界的部分土壤中。近几年来，随着山地土壤的开发与利用，砾石对土壤物理和侵蚀过程的影响研究受到广泛重视。碎石的存在改变了土壤水分的运动通道和过水断面，增加了土壤孔隙的弯曲程度，理论上含有碎石土壤的水分运动较均质土壤更为复杂[1]。通常基于碎石的惰性及其对碎石土样处理结果影响很小的考虑，利用除去碎石的土样研究土壤入渗特征。而近年来一些学者研究表明土壤水分入渗是相当复杂的过程，碎石存在会不同程度影响土壤水分运动特征值。李小雁等[2]通过野外小区试验研究表明砾石覆盖能够防止土壤表面密封和结皮，增加地表粗糙度，从而增加入渗。陈士辉等[3]研究不同粒径表明，沙田土壤由于砾石覆盖土壤水分入渗速率显著增加，土壤蒸发受到抑制。对于碎石对入渗的影响,目前相关研究结果仍不统一。Sauer等[4]采用单环和盘式入渗仪原位测定山区土壤的导水性质，发现饱和状态下，含碎石土壤的导水率有随着碎石含量增加而增大的趋势，而土水势为-12 cm时，则呈现相反的趋势。Verbist等[5]采用盘式入渗仪对田间含碎石土壤的非饱和导水率进行测定，发现土壤水分减少即土壤水吸力增大的过程中，导水率与碎石含量的正相关关系减弱，说明碎石增加的粗大孔隙不再成为水分运移的主要通道。时忠杰等[6]通过林地入渗试验发现土壤有效保水能力与碎石体积含量呈正相关，在0～40 cm土层，稳定入渗率随碎石体积含量的增加呈先增加后减小趋势，拐点出现在15%～20%的碎石含量。佘冬立团队通过系列试验研究表明[7,8]，砾石覆盖灌排工程边坡可有效地拦截边坡土壤流失，达到生态固坡的作用。由此可见，镶嵌在地表和土壤剖面中的碎石能够改变土壤持水特性，深入研究砾石对土壤入渗特性的影响具有现实意义。本文通过砾石覆盖入渗试验和土石混合入渗试验研究，分析表征土壤导水特性的相关参数，并探究砾石对于盐碱土入渗特性的影响。

1 材料与方法

1.1 试供土壤及试验方法

供试土壤取自江苏粉沙壤土，土壤沙粒(≥0.05～2 mm)质量分数为32.4%，粉粒(≥0.002～0.05 mm)质量分数为62.7%，黏粒(<0.002 mm)质量分数为4.9%，土壤有机碳含量为3.8 g/kg。试验分为砾石表层覆盖和土石混合覆盖入渗试验2部分。试验均采用圆盘入渗仪法测定[9](见图1)，试验所用砾石由游标卡尺测量经人工筛选粒径为3～4 cm。

(1)砾石表层覆盖入渗试验。试验土壤风干后经碾压和粉碎过2 mm筛，分成等量5份。按1.3 g/cm的容重将土装入土箱 (40 cm×40 cm×30 cm)，装填时按照5 cm一层分次装入并压实，使各层土壤分布均匀。土壤压实后在土层表面分别按表层面积的0%、10%、20%、40%和60%均匀铺上砾石，表面用细沙铺平。在测定时于圆盘盘底黏一层细纱布，细纱布防止沙子进入圆盘的孔隙中，测定时将圆盘入渗仪直接置于土壤表面。试验选取4个不同负压(-9，-6，-3，0 cm)进行圆盘入渗试验，测定砾石覆盖条件下水分入渗特性及其水力参数，每个处理均设置3次重复。

(2)土石混合覆盖入渗试验。将试验土壤风干后经过碾压粉碎后过2 mm筛，分为等量4份，按1.3 g/cm的容重将土装入土箱并压实。第5层将沙土与砾石按体积比(砾石占总体积的0%、5%、10%、15%、20%)均匀混合后装入土箱中压实压平，表面用细沙铺平。试验选取4个不同负压(-9，-6，-3，0 cm)进行圆盘入渗试验，测定土石混合条件下水分入渗特性及其水力参数，每个处理均设置3次重复。

图1 圆盘入渗仪示意图

1.2 数据处理与计算方法

圆盘入渗过程为三维入渗，但在试验初期，土壤毛管力起主导作用，其重力和扩散作用可忽略不计，简化为一维入渗，因而可利用Philip公式来确定圆盘入渗仪测定下的土壤吸渗率[9]。

I=St0.5

(1)

式中：I为一定供水压力下的累积入渗量，cm；t为入渗时间，s；S为一定供水压力下的吸渗率，cm/s0.5。

以-9 cm水头下的入渗试验为例，利用前1 min数据对累积入渗量I随时间t变化关系拟合出土壤吸渗率S。

利用非线性回归分析方法[10]计算导水率K和土壤孔隙大小分布的 Gardnerα常数，拟合方程为[11]：

(2)

式中：Ih为压力水头为h时的稳定入渗率，cm/min；R为圆盘入渗半径，cm；α为Gardner常数，cm-1；Ks为土壤饱和导水率，cm/min。

将拟合得到的饱和导水率Ks和α代入 Gardner 指数方程：

K(h)=Kseα h

(3)

可以求出0、-3、-6、-9 cm 水头下的导水率，各负压下导水率值分别用Ks、K3、K6、K9表示。

土壤基质流势可用Gardner[12]提出的方法计算，它与压力水头间的关系式如下：

(4)

式中：Mi为土壤基质流势，cm2/s；hi为压力水头，cm。

由K(h)和土壤基质流势Mi可求出土壤平均孔隙半径：

(5)

式中：Ri为土壤平均孔隙半径，cm；Ki为土壤导水率，cm/s；σ为水表面张力，g/s2；ρ为水的密度，g/cm3；g为重力加速度，cm/s2。

单位面积上平均孔隙半径数量Ni[13,14]可由Poiseuille’s法求得：

(6)

式中：μ为水黏滞系数，g/(cm·s)；其余符号意义同前。

由土壤平均孔隙半径和平均孔隙半径数量，可得到土壤有效孔隙度：

(7)

式中：ωi为土壤有效孔隙度，cm3/cm3。

采用Excel和SPSS进行数据整理和数据拟合计算。

2 结果与分析

2.1 砾石表层覆盖及土石混合覆盖对土壤吸渗率的影响

由图2可知，在砾石表层覆盖与土石混合覆盖试验中，土壤稳定入渗率随砾石覆盖度和土石混合度增大而减小，且差异显著(P<0.05)。在砾石表层覆盖试验中，砾石覆盖度为60%时稳定入渗率只达到无砾石覆盖时稳定入渗率的37%～42%。在土石混合覆盖试验中，当砾石含量为5%和10%时，稳定入渗率相较于均质土壤减小27%和35%，当砾石含量为15%和20%时，稳定入渗率相较于均质土壤减小71%和79%，减小幅度逐渐增大。随砾石覆盖度或混合含量增加，水分运动通道曲折复杂，限制水分入渗。

图2 土壤稳定入渗率变化

图3为土壤吸渗率S随不同砾石覆盖度和土石混合度的变化规律。吸渗率均随砾石覆盖度和土石混合度增大而减小，且在不同砾石覆盖度和土石混合度的入渗试验中土壤吸渗率变化差异显著(P<0.05)。土壤吸渗率随土石混合度增大而下降程度远快于砾石覆盖试验，这是由于土石混合层碎石含量的增加，不仅限于土壤表面土层限制水分入渗，下层土体也受到砾石影响，且混合层深5 cm，约为最终湿润土层深度的50%，土壤有效孔隙减小，水分运动通道曲折复杂，因此混合试验中的土壤吸渗率均小于表层覆盖试验，且趋势线陡峭程度更大。

图3 土壤吸渗率变化

2.2 砾石表层覆盖及土石混合覆盖对土壤导水率的影响

由实测数据计算得出导水率(见图4)，对比不同砾石表层覆盖度和土石混合度下土壤导水率值可知，土壤导水率随砾石覆盖度和土石混合度增大而减小，且不同砾石覆盖度/土石混合度梯度间差异显著(P<0.05)。当土壤表面砾石覆盖度达到60%时，相对于无砾石覆盖时土壤导水率减小约40%，含有砾石混合土层土壤的导水率锐减38%～74%。砾石表层覆盖仅于土壤表面影响水分在表面入渗，使表层土壤导水特性变差，而土石混合覆盖影响土层深5 cm(试验最终土壤湿润深度为9～12 cm)，随着碎石含量增加，土壤水分运动通道更加复杂，实际过水断面(即孔隙和土粒所占面积总和)减少，流程愈加弯曲，导水率锐减程度更大。试验土壤的Gardnerα均在孔隙大小分布常数α的平均值变化范围0.05～0.21 cm-1之间，在2类试验中土壤变异系数Cv为0.14%～4.41%，均表现为较弱的空间异质性[15,16]，表明土箱中土壤的孔隙大小分布相对均匀一致，试验土壤初始孔隙大小分布对试验结果无影响。由表1可知，在砾石表层覆盖试验中，试验土壤Gardnerα值与土壤表面砾石覆盖度之间的关系并不显著(P>0.05)。这表明砾石覆盖在土壤表面减弱表层土壤导水能力，但仅在表面水分入渗时拦截部分水分，对于下层土壤的影响仍需进一步研究。在土石混合覆盖试验中，试验土壤Gardnerα值随着土壤砾石含量增加而显著减小(P<0.05)，这表明砾石加入使土壤孔隙分布发生相应变化，尽管试验土壤与砾石贴合紧密，土石接触面仍然不可避免产生空隙，土壤中空隙的增加有利于土壤导水，但试验结果显示导水率仍呈现出随砾石含量的增加呈减小趋势，说明砾石加入产生的空隙对土壤导水率的影响较小，土壤过水断面减小是减弱土壤导水能力的主要原因。

图4 土壤导水率变化

表1 砾石覆盖试验导水率变异系数及孔隙分布大小

2.3 砾石表层覆盖及土石混合覆盖对土壤有效孔隙度的影响

通过计算土壤平均孔隙半径和平均孔隙半径数量得出土壤有效孔隙度来探究砾石覆盖度、土石混合度对土壤孔隙度的影响。由图6可知，土壤有效孔隙度随着砾石覆盖度、土石混合度增大而减小，且不同砾石覆盖度、土石混合度梯度间差异显著(P<0.05)。当混合度和覆盖度均为20%时，覆盖试验总有效孔隙度减少23%，混合试验总有效孔隙度减少65%，且由砾石覆盖试验与土石混合试验趋势线陡峭程度可知，砾石混合土层对于土壤孔隙的影响远大于砾石覆盖，覆盖试验砾石仅存在表层土壤，下层土体实际并未受到影响，但理论计算中土体总孔隙度仍被表层土壤影响。

图5 土壤有效孔隙率变化

3 讨 论

在砾石覆盖与土石混合试验中，随着砾石含量逐步增加，表征土壤入渗特性的相关参数均随之减小，即土壤入渗能力减小，这与朱元骏[17]、李雪垠[18]等相关学者的研究一致。试验结果表明土壤中的砾石显著影响水分入渗，土壤水分运动通道随砾石含量增加而愈加复杂，土壤孔隙及土粒相对所占体积总和减小即实际过水断面减小。理论上水力梯度的定义是通过2点间直线距离计算，在含砾石土壤中水分流程相对弯曲，实际水力梯度减小导致土壤饱和导水率减小，从而减小单位时间内通过单位土壤面积的水量[19]。而当砾石含量不断增加时，砾石存在也增加土壤大孔隙的数量，大孔隙数量增加使土壤内产生优势流[20]，优势流存在会促进土壤入渗。因此，优势流促进入渗作用与过水断面及水分弯曲流程所产生阻碍作用相互影响，本文试验结果显示试验中过水断面及水分弯曲流程所产生阻碍作用大于大孔隙数量增加产生促进作用，这是由于本文为室内试验，试验土壤分层填装于土箱内进行入渗试验，砾石存在带来大孔隙产生优势流促进入渗作用相较于野外原状土影响较小，主要影响为砾石存在带来阻碍水分入渗作用。本文土石混合试验中，过量砾石与土壤难以混合均匀，高混合度试验无法完成，因此土石混合度至20% 止，是否土石混合体中高含量砾石产生大孔隙优势流促进入渗作用更强值得进一步研究。本文砾石覆盖试验仅为铺设砾石覆盖于表面，在水分入渗一开始即受到土壤表面砾石的影响，而土石混合试验中设置厚5 cm的土石混合层，下层土体也受到砾石影响，因此在2类试验结果分析中土壤吸渗率及导水率存在差异。本文仅考虑砾石覆盖与土石混合2种试验，相关研究表明砾石粒径、砾石覆盖层厚度、土石混合介质深度及碎石类型对于土壤入渗特性也具有一定影响[21,22]，因此未来仍需对相关因素进行试验研究。

4 结 论

本文通过砾石表层覆盖与土石混合覆盖入渗试验研究，分析讨论砾石对于表征土壤入渗特性相关参数的影响，主要结论如下。

(1)土壤稳定入渗率和吸渗率、导水率及土壤有效孔隙度均随砾石覆盖度和土石混合度增大而减小，且在不同砾石覆盖度和土石混合度的入渗试验中相关参数变化差异显著(P<0.05)。

(2)随砾石覆盖度和土石混合度增大，土石混合试验中土壤吸渗率、导水率及土壤有效孔隙度随之锐减程度均高于砾石覆盖试验。