测定时间对淮北平原砂姜黑土饱和导水率的影响

王翔翔，程志龙，苏光辰，杨英

测定时间对淮北平原砂姜黑土饱和导水率的影响

王翔翔1,2，程志龙1,2，苏光辰1,2，杨英1,2

（1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院，合肥 230601；2.安徽建筑大学 水污染控制与废水资源化安徽省重点试验室，合肥 230601）

【】探究测定时间对淮北平原砂姜黑土饱和导水率的影响。采用定水头法测定原状土（0.96 g/cm3）及其不同体积质量扰动土（0.90、0.96、1.10、1.20、1.30 g/cm3）在长时间序列下的饱和导水率（S）。所有试验土壤的s随时间先迅速降低到达拐点然后缓慢降低直至稳定的规律，对于原状土而言初始S值为88.4 mm/h，拐点处（时间为0.98 d）的S值为5.0 mm/h，终稳定点（时间为12.94 d）的S值为0.8 mm/h。不同体积质量扰动土随着体积质量的增大，初始S值减小，到达拐点所需要的时间短，各个关键节点所对于的S值与体积质量负相关。初步建议用定水头法测定砂姜黑土饱和导水率的时间为1 d。

砂姜黑土；饱和导水率；干缩湿胀；定水头法；稳定时间

0 引言

【研究意义】土壤饱和导水率（S）是土壤重要的物理性质之一，在一定程度上反映了土壤水分的入渗性质，是研究作物生长、农田灌溉、溶质运移的关键参数[1]。土壤饱和导水率表征了饱和土壤的水分运移的最大能力，在土壤养分再分配、土壤侵蚀、动植物生长活动等过程中起到关键的作用[2-4]。土壤饱和导水率受到很多因素的影响，土壤的质地和结构、孔隙率等自身理化性质都会不同程度影响土壤饱和导水率[5-7]。同时，土壤饱和导水率也受到外界因素的影响，土地利用类型、温度、测定时间、层状结构、测定方法、取样尺寸等都会对土壤饱和导水率的准确测定产生影响[8-11]。准确测定土壤饱和导水率，是提高土壤水分运动模拟精度的关键[12]，在土壤改良、农作物灌溉，排水设计等方面具有重要的理论和实践意义。

圆盘入渗仪法[13]、圭夫仪法[14]、定水头法[15]、降水头法[16]、KSAT饱和导水率仪[17]等都是目前测定土壤饱和导水率的常用方法，其中定水头法以操作准确，可重复性高和适合处理大批量样品等优点而被广泛使用。在以定水头法测定土壤导水率的实际操作当中，改变测定时间以得到更加准确的K值是较为方便可行的方法。【研究进展】曹瑞雪等[8]在研究层状土壤对饱和导水率的影响中，使用定水头法测定不同层状结构土壤的饱和导水率，是在维持出口水流稳定后进行测量。霍丽娟等[18]在对比定水头法和降水头法测定黄土的饱和导水率研究中，则是在土柱两侧加装测压管，待测压管稳定后进行采样。而刘艳丽等[19]则是将连续多次测定后的稳定值作为最终结果。迟春明[20]在研究改良碱土的饱和导水率中则是使用相互间隔30 min的连续8次测量的平均值作为试验数据。姚毓菲等[21]在研究时间对定水头法土壤饱和导水率的影响中发现土壤饱和导水率测定值会随着测定时间的持续展现出一定的规律。【切入点】S测定结果受时间变化影响，但研究者们在测定S的过程中，使用不同尺度作为S达到稳定值的定性标准，尽管这样也能得到稳定的S值，但都缺乏一个定量的标准。同时作为广泛分布的中低产型土壤，有关于砂姜黑土饱和导水率研究却鲜有报道。砂姜黑土是淮北平原主要的土壤类型之一，广泛分布于安徽、河南、江苏、山东省内，因其质地黏重，在干湿交替条件下土壤表层体积质量变化大，土壤开裂特征明显，毛细性能弱，供水能力差，极易发生干旱[22]，是典型的中低产型土壤[23]。近些年来随着土壤改良的兴起，对土壤基础性质的准确测量提出了新的要求。准确测定砂姜黑土饱和导水率，可以为进一步提出改良砂姜黑土方案提供数据支持。【拟解决的关键问题】本研究以安徽省淮南市凤台县农田砂姜黑土为研究对象，采用马氏瓶提供稳定自上而下供水的定水头法测定原状土（0.96 g/cm3）及其扰动土（0.90、0.96、1.10、1.20、1.30 g/cm3）在相同时间序列（13 d）条件下饱和导水率（S）和时间的定量关系，以期能够分析出可能影响砂姜黑土饱导水率稳定时间的因素，并给出能够较为准确饱和导水率的测定时间。

1 材料与方法

1.1 土壤采集与处理

供试土壤为淮北平原典型砂姜黑土，土壤样品于2018年5月取至安徽省淮南市凤台县杨村镇，土地利用类型为农用地。根据原状土采集标准，去除0～10 cm耕作层土壤，用100 cm3环刀取原状土，并用自封袋取适量周围土壤带回。在试验室自然风干后，过2mm筛备用。土壤颗粒组成用沉降法测定，黏粒量38.66%，粉粒量41.32%，砂粒量20.02%，属于粉砂质土。

1.2 测定方法

土样在蒸馏水中充分饱和后，用定水头法测定原状土（0.96 g/cm3）及其5组扰动土（0.90、0.96、1.10、1.20、1.30 g/cm3）的饱和导水率，使用马氏瓶由顶部供水提供稳定的水头，水头高度维持在5 cm。试验开始后先让系统稳定20 min，然后以20 min为间隔连续取样，随着试验的进行取样间隔逐渐增大。每组土壤设置3个重复，结果取其平均值。

1.3 数据处理

饱和导水率和测定时间的定量关系利用回归分析法在OriginPro 2017软件下分析完成，饱和导水率时间过程曲线图像和数据处理在Excel 2007软件下进行，相关性分析使用IBM-SPSS。

2 结果与分析

2.1 同体积质量原状土与扰动土饱和导水率

图1是原状土（0.96 g/cm3）及相同体积质量扰动土（0.96 g/cm3）的S随时间变化的曲线。从图1（a）可以看出，原状土初始S值为88.4 mm/h并且在测量开始后的140 min内迅速下降至44.4 mm/h，紧接着降低幅度放缓。再经过300 min，S值降低至20.07 mm/h，之后S进入稳定下降期，在稳定下降期内相同采样间隔（60 min）间S下降幅度大致相同。稳定下降期持续约16.23 h后到达拐点，S到达拐点时的值为5 mm/h。达到拐点后，原状土的S下降速率进一步降低，并逐渐稳定，试验结束（13 d）时，原状土S为0.8 mm/h。在观察相同体积质量扰动土（0.96 g/cm3）时，也发现了相似的规律图1（b），但不同的是扰动土的初始S仅为9.3 mm/h，远低于原状土的S。在试验开始后的5 h内，出现了和原状土初期相同的现象，S值迅速下降至5.7 mm/h，但比较于原状土，扰动土的S迅速下降的持续时间更长；同时扰动土到达拐点所需要的时间更久，在试验开始后的3.17 d后才能到达拐点，此时的S为1.5 mm/h。试验结束时，扰动土的S为1.3 mm/h。

2.2 不同体积重量扰动土饱和导水率

图2是不同体积质量（0.90、0.96.1.10、1.20、1.30 g/cm3）条件下，扰动土的S随时间的变化过程。从图2可以看出，与以往的研究结果相同，时间过程曲线与原状土类似，都是先下降到达拐点，然后缓慢下降直至稳定[24]。此外随着体积质量的增高，S稳定值与初始值之间的差别越来越小，时间对体积质量大的扰动土的干扰变弱。这是因为大体积质量的扰动土的土壤结构更加稳定，在水力作用下土壤结构变化大，因此在大体积质量扰动土上拐点现象不明显。随着试验的进行，不同体积质量扰动土的稳定值之间的差距也在逐渐减小。说明在试验过程中，水流的冲刷逐渐改变了土壤的内部结构，使其趋于一致，削弱了因体积质量不同造成的土壤结构不同。

图2 不同体积质量扰动土KS随时间变化过程

表1中的数据显示的是原状土及不同体积质量扰动土在各个时间节点的S值。由表1可以看出，随着土壤体积质量的增大饱和导水率下降幅度越来越小，曲线拐点越来越不明显，到达稳定所需要的时间越短，稳定值越小。这是因为体积质量越大，土壤孔隙率越低，单位过水断面上的土壤颗粒与孔隙比就越大，因此在水流冲刷作用下土壤颗粒迁移并堵塞孔隙的时间就越短，所以到达S稳定点的时间就越短。原状土初始S值为88.4 mm/h，到达拐点时的S值为5 mm/h，而相同体积质量扰动土（0.96 g/cm3）的初始S值仅为11.2 mm/h，到达拐点是的S值为1.7 mm/h。二者的初始值及拐点值差异显著（＞0.05），且无明显的相关性，但终稳定值则无显著性的差异（＜0.05）。这说明随着水流的不断下渗，土壤结构开始趋于一致。这种现象也出现在不同体积质量扰动土中，5组不同体积质量扰动土的拐点时的S值均存在显著性的差异，而它们的终稳定值则差异不显著，满足95%的置信区间。

表1 原状土及不同体积质量扰动土不同时间节点的KS值

数据表明测定时间对砂姜黑土饱和导水率测定值有重要影响。S随时间先迅速下降到达一个拐点，然后缓慢下降趋于平稳。从表1可以看出，近稳定值和稳定值的变化幅度很小，原状土近稳定点的S值为1.80，而终稳定点的S值为0.80 mm/h，在数值上符合人们所期待的稳定的饱和导水率（=0.08）。

2.3 砂姜黑土饱和导水率与测定时间的定量关系

研究表明，饱和导水率S与测定时间之间有某种特殊的关系。因此使用绘图软件OriginPro 2017对试验数据进行指数函数拟合，其方程表达式为：

S=×exp(-)+， （1）

式中：S为饱和导水率（mm/h）；为测定时间（d）；、、为拟合系数。

图3为使用该函数对试验数据拟合后的曲线。从图3可以看出，在较大体积质量（1.10、1.20、1.30 g/cm3）扰动土上，函数表现出了较好的拟合度。而在较小体积质量扰动土（0.90、0.96 g/cm3）的拟合效果欠缺。

图3 原状土及其不同体积质量扰动土的饱和导水率与测定时间的回归曲线

从表2可以看出，所有拟合曲线的决定系数都在0.9以上，说明该函数能够较好地描述饱和导水率S与测定时间之间的定量关系。在对方程进行一阶求导，得到一阶导函数：

S=-×exp(-) 。 （2）

||值的大小反映了测定时间对S的影响程度，系数则是在时间趋于无穷时的拟合函数S的极限值，可视为S的理论稳定值。原状土的||值远高于扰动土的||值，说明就原状土和扰动土而言，测定时间对原状土的影响更大。在扰动土中，体积质量越大的扰动土||值越小，说明随着体积质量的增大，饱和导水率受时间的影响越小，这与前文的结论一致。

表2 饱和导水率与时间的回归分析

3 讨论

砂姜黑土自上而下大致分为黑土层（耕作层、犁底层、残留黑土层3个层次）和砂姜层（脱潜性砂姜层和砂姜层）2个层次。砂姜黑土中蒙脱石量较高，蒙脱石中的硅氧基为疏水性，湿润条件下水分进入土壤后会迅速填满土壤孔隙，造成土壤黏重，而在干旱条件下，水分又会迅速蒸发，土壤保水性差。在干湿交替的气候条件下土体发生强烈的胀缩，在干时土体收缩开裂，裂缝深度大致与黑土层相当；而湿时土体吸水膨胀，不仅裂缝闭合而且会因为空间问题在裂缝底部产生压力使得砂姜层土壤因挤压向上运动进入黑土层[25]。同时深耕细作的耕作方式使黑土层土壤中分布有不均匀砂姜颗粒，原状土采自10～20 cm犁底层，土体中含有少量的砂姜团结，这些团结表面粗糙，在土体中形成大孔隙，影响局部砂姜黑土的导水率；而扰动土在处理过程中，碾碎了砂姜团结，使其均匀分布在整个扰动土内部，砂姜颗粒变小甚至被完全粉碎，土壤孔隙减少，进而影响整个扰动土的饱和导水率，使得扰动土的饱和导水率到达平衡的时间远远大于原状土饱和导水率稳定时间。

通过数据发现，在原状土及低体积质量扰动土（0.90、0.96 g/cm3）的测量初期，都出现了K值迅速下跌的现象，这可能和土壤大孔隙在水流作用下，被土壤颗粒填满，短时间内大孔隙数目迅速降低有关。而较高体积质量的扰动土（1.10、1.20、1.30 g/cm3），这种现象则不明显，是因为在保持试验土柱体积不变的情况下，较大体积质量的扰动土的土壤结构较密实，大孔隙数目少，土壤迁移带来的大孔隙减少对S的影响较小。因此，在对原状土及低体积质量扰动土的测量中，在其试验初期建议等水流稳定后再开始进一步测量，这样有助于获得更加准确的S。

大孔隙率和总孔隙度是影响土壤饱和导水率的2个重要土壤结构数据[26]。原状土和扰动土在体积质量上保持一致，因此二者的总孔隙度相同。原状土在取土过程中未经处理保留了土壤中的植物根茎和土壤生物残骸，而扰动土则在自然风干和过筛的过程中去除了植物根系和部分生物残骸。这些土壤侵入物，占据了土壤空间形成大孔隙，相对于扰动土来说原状土中的大孔隙率较高，而大孔隙率和饱和导水率是正相关关系，因此原状土初始饱和导水率远大于同体积质量扰动土的初始饱和导水率。同时又因为扰动土在填装之前会进行过筛，并需要保持相同体积质量，所以扰动土与环刀间的结合远不如原状土紧密，因此在试验开始初期，扰动土的S会出现比原状土S更长时间的跌落现象。且由于过筛的原因，打破了土壤原有的颗粒组合，使扰动土样品的颗粒级配变得更加合理，土壤间隙较少，因此扰动土S到达拐点的时间较长。

但同时随着水流不断的冲刷，土壤颗粒运移，堵塞了本就因砂姜黑土吸水膨胀而减少的孔隙，使不同体积质量的砂姜黑土的土壤结构逐渐趋于一致。因此最终稳定值不一定能够代表砂姜黑土真实的饱和导水率。如何测定砂姜黑土饱和导水率的准确值仍需要继续研究。

4 结论

1）原状土及其相同体积质量（0.96 g/cm3）扰动土的S值在到达拐点的时间上存在非常明显的差异，但二者的拐点和终稳定点的S值相较于初始值则差异较小，同时考虑长时间水力冲刷的影响，可以使用拐点的测量结果来初步代替最终结果，以减少时间成本。

2）不同体积质量扰动土到达拐点的时间与体积质量负相关，各关键时间节点的S值也与体积质量负相关。

3）初步建议定水头法测定砂姜黑土原状土饱和导水率的测定时间为1 d。

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Saturated Soil Hydraulic Conductivity is not Constant But Varies with the Time It is Measured

WANG Xiangxiang1,2, CHENG Zhilong1,2, SU Guangchen1,2, YANG Ying1,2

(1.School of Environment and Energy, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2.Key Laboratory of Water Pollution Control and Wastewater Reuse, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China)

【】Saturated soil hydraulic conductivity (S) is an important parameter characterizing the ability of soil to conduct water. It is often assumed to depend on soil structure and is hence constant for a given soil. The objective of this paper is to validate to what extent this common practice is valid. 【】We took vertisol soil in Huaibei Plain as an example, and conducted a series of experiments using both undisturbed soil cores with bulk density 0.96 g/cm3and repacked soil cores with bulk density in the range of 0.90 to1.30 g/cm3. For each soil core, we measured a time sequence of its saturated hydraulic conductivity (S) using the constant-head method.【】TheSof both intact and repacked soil cores showed a rapid decrease followed by a slow increase as time elapsed from inception of the experiment. For the undisturbed soil, its initialSwas 88.4 mm/h, but reduced to 5.0 mm/h 0.98 day (the deflection point) after inception of the experiment. As time elapsed, it eventually settled at 0.8 mm/h 12.94 day after commencing the experiment. Similar pheromone was also found for the repacked soil cores, although the deflection time and the time for Ks to asymptote varied with the repacking density. In general, as the bulk density increased, the initialSwas smaller and it took less time for itsSto reach the inflection point. TheSmeasured at any time was negatively correlated with soil bulk density.【】Contrary to what have been commonly assumed, saturated soil hydraulic conductivity does not appear to be constant but varies with the time it is measured. For the vertisol soil we studied, its hydraulic conductivity decreased first followed by an increase when time elapsed passing the deflection point though the time for the deflection to appear varied with soil bulk density.

vertisol soil; saturation hydraulic conductivity; shrinkage-expansion; constant head method

1672 - 3317（2021）12 - 0136 - 06

S152

A

10.13522/j.cnki.ggps.20190292

王翔翔, 程志龙, 苏光辰, 等. 测定时间对淮北平原砂姜黑土饱和导水率的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(12): 136-141.

WANG Xiangxiang, CHENG Zhilong, SU Guangchen, et al. Saturated Soil Hydraulic Conductivity is not Constant But Varies with the Time It is Measured [J].Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(12): 136-141.

2019-02-19

安徽省自然科学基金-青年项目（1908085QE241）；安徽省科技重大专项（18030801106）；中国长江三峡集团有限公司科研项目-长江中游地区村镇污水处理模式研究（202003082）

王翔翔（1986-），女。讲师，博士，主要研究方向为土壤物理。E-mail:wangxiang156@126.com

责任编辑：韩 洋