摘要：入滲是土壤的基本物理性狀，與降雨產(chǎn)流、侵蝕、非點(diǎn)源污染等過程密切相關(guān)，快速、準(zhǔn)確測定土壤入滲速率具有重要的意義。以黃土高原溝壑區(qū)安塞水土保持綜合試驗(yàn)站大豆地的黃土為測試土壤，利用雙環(huán)、單環(huán)、圓盤入滲儀、Hood入滲儀4種方法測定了土壤入滲性能，并以雙環(huán)法測定的穩(wěn)滲速率、Hood儀測定的飽和導(dǎo)水率、單環(huán)／雙環(huán)和圓盤測定的累積入滲量為基礎(chǔ)，比較分析了4種方法各自的優(yōu)劣。結(jié)果表明，單環(huán)、圓盤、Hood測定的穩(wěn)滲速率分別為雙環(huán)的116%，111%和225%，雙環(huán)、單環(huán)、圓盤測定的飽和導(dǎo)水率分別為Hood的65.8%，75.1%和105%，雙環(huán)、單環(huán)、圓盤達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)間分別為100，80和30min。說明圓盤測得的穩(wěn)滲速率、飽和導(dǎo)水率接近標(biāo)準(zhǔn)值，而且省時(shí)省力省水，更適合于野外實(shí)驗(yàn)。

        朱顯漠先生曾在黃土高原國土整治“28字方略”中提到“全部降水就地入滲攔蓄”，而土壤滲透性影響“入滲攔蓄”過程。因此認(rèn)識黃土高原的土壤入滲特征對于洪水預(yù)報(bào)和土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報(bào)，以及對制定水土保持措施，均有十分重要的意義。

        目前測定土壤入滲速率的方法主要有注水法（如雙環(huán)法）、水文法和人工降雨法，測定飽和導(dǎo)水率方法則很多，如定水頭滲透儀法、變水頭滲透儀法、盤式入滲儀法等。眾多方法中，雙環(huán)法被認(rèn)為準(zhǔn)確的方法，實(shí)際應(yīng)用多。

       國內(nèi)外許多研究均涉及了土壤入滲測定方法的比較，雖然雙環(huán)法是田間測定土壤滲透性能常用、經(jīng)典的方法，也是判斷其他方法測定結(jié)果的基礎(chǔ)，但雙環(huán)法一般只是測定土壤表層入滲能力，而且耗水量大、耗時(shí)間長，為了保持雙環(huán)內(nèi)水頭深度一致，當(dāng)利用雙環(huán)法測定坡地土壤入滲時(shí)，需要平整地表，這種擾動(dòng)可能對測定結(jié)果影響很大，而土壤入滲速率主要取決于土壤表層的性狀，雙環(huán)安裝時(shí)的地表擾動(dòng)自然會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，且這種影響隨著坡度的增大而增大。因此需要選擇一種相對既省時(shí)省力又準(zhǔn)確方便的方法來替代雙環(huán)法進(jìn)行坡面土壤入滲過程的測定。

1研究區(qū)概況與實(shí)驗(yàn)方法

1.1研究區(qū)概況

    中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站地處黃土高原腹地（109°19’23”E，36°51’30”N），屬中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫8.8°C，年均降水量549mm，降水多以短歷時(shí)暴雨為主，降雨在年內(nèi)分布集中6-9月的降水量占到全年降水量的70%以上。實(shí)驗(yàn)在試驗(yàn)站平坦川地的大豆地內(nèi)的無雨天連續(xù)進(jìn)行，土壤為黃綿土，屬于典型的粉壤土，砂粒含量為26.33%，粉粒含量為67.02%，黏粒含量為5.51%，土壤容重為1081kg/m3，有機(jī)質(zhì)含量為0.9%。

   1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 單環(huán)和雙環(huán)法測定方法雙環(huán)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)徑35cm，外徑50cm，高度均為18.5cm。在實(shí)驗(yàn)區(qū)選較為平坦的樣地，去除地表作物，將圓環(huán)用橡膠錘緩慢均勻地打入土中12.5cm，盡量保持土壤結(jié)構(gòu)不受破壞。利用直徑為25cm的馬氏瓶為圓環(huán)供水，當(dāng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)中的水層厚度達(dá)到3cm時(shí)，開始用秒表記時(shí)，并分別在0.0，0.5，1，2，3，5，7，10，15，20，25和30min及之后每10min讀取供水桶標(biāo)尺刻度值，實(shí)驗(yàn)過程中保持內(nèi)外環(huán)水面高度為3cm，讀數(shù)時(shí)一并讀取水溫。單環(huán)實(shí)驗(yàn)用雙環(huán)的內(nèi)環(huán)來完成，實(shí)驗(yàn)過程與雙環(huán)法相同。

1.2.2 圓盤入滲儀測定方法圓盤入滲儀為澳大利亞生產(chǎn)的CSIRO圓盤入滲儀（discpermeameter），由儲(chǔ)水管、調(diào)壓管和入滲盤組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇平整樣地，去除地表作物，同時(shí)在樣地周圍用環(huán)刀取樣，測定土壤初始含水量及容重。將半徑10cm、高3mm的鋼環(huán)安置在測定點(diǎn)，環(huán)內(nèi)鋪滿過0.25mm篩子的細(xì)沙，用鋼尺刮平，并將鋼環(huán)移走；用注射器調(diào)整恒壓管中水位高度為20mm，將圓盤入滲儀放入水桶中，用抽氣筒給儲(chǔ)水管充滿水后關(guān)閉閥門；取出入滲儀，輕拍入滲盤使其中的氣泡溢出，擦干圓盤上的水；將圓盤放置于吸水物上，確保儲(chǔ)水管沒有氣泡產(chǎn)生，記錄儲(chǔ)水管水位初始高度，將儀器小心放在測定點(diǎn)，使其與沙面緊密接觸；當(dāng)儲(chǔ)水管中產(chǎn)生氣泡時(shí)開始計(jì)時(shí)，前10次讀數(shù)時(shí)間間隔為0.5min，隨后5次讀數(shù)間隔為2min，8次讀數(shù)間隔為5min，最后讀數(shù)間隔為10min，直至達(dá)到穩(wěn)定入滲，讀數(shù)時(shí)一并讀取水溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，移開入滲儀，立刻鏟去部分沙層，取表層2～3mm土壤約30g，測定土壤含水量。

1.2.3 Hood入滲儀測定方法Hood入滲儀為德國UGT公司生產(chǎn)的Hood IL－2700型入滲儀，由Hood水罩（直徑17.6cm或24.8cm）、U形管壓力計(jì)、導(dǎo)水管路、儲(chǔ)水管等組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量選擇平整樣地，去除地表作物，安置鋼圈并部分壓入土壤，將水罩放置在鋼圈內(nèi)，并在水罩和鋼圈之間用過0.5mm篩子的飽和濕沙密封；給U形管注水，使液面平于0刻度線處；連接管路，關(guān)閉所有閥門，然后給內(nèi)、外管注水，外管水面低于內(nèi)管；配合閥門和調(diào)壓管調(diào)節(jié)水罩中間水柱高度與U形管液面差，此二者之差即為水罩中施加于土壤表層的壓力值，本實(shí)驗(yàn)調(diào)出0和4cm兩個(gè)壓差。開始計(jì)時(shí)，液面每下降5mm記錄1次時(shí)間，直至觀測值達(dá)到穩(wěn)定，讀數(shù)時(shí)一并讀取水溫。以上實(shí)驗(yàn)各進(jìn)行3次，將3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均，進(jìn)行土壤穩(wěn)滲速率、土壤飽和導(dǎo)水率的計(jì)算。

1.3數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理、制圖分別采用Excel，SPSS和Origin等軟件進(jìn)行。其中，為了檢驗(yàn)雙環(huán)、單環(huán)、圓盤累積入滲量在變化趨勢和數(shù)值方面的差異性，利用SPSS17.0軟件，選取雙環(huán)、單環(huán)、圓盤在10，15，20，30，40，50，60，70和80min時(shí)累積入滲量（mm）進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。

2 土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、飽和導(dǎo)水率的計(jì)算

2.1土壤初滲速率

由于初始觀測階段讀數(shù)誤差和系統(tǒng)誤差無法估測，所以初始入滲速率ｆ_0（mm／min），計(jì)算公式為：

式中：q0———入滲開始3min的實(shí)測累積入滲量（mm）；t0———3min。

2.2 土壤穩(wěn)滲速率

單環(huán)和雙環(huán)法計(jì)算公式為：

式中：fs———10℃標(biāo)準(zhǔn)水溫時(shí)土壤入滲速率（mm／min）；Δh———某一時(shí)段Δt供水桶讀數(shù)差值（mm）；Δt———時(shí)段（min）；T———某時(shí)段的平均水溫（℃）。

圓盤入滲儀計(jì)算公式為：

式中：D1———入滲盤的有效直徑（cm）；D2———儲(chǔ)水管直徑（cm）。

Hood入滲儀計(jì)算公式為：

式中：ｆ———橫切面面積指數(shù)，即儲(chǔ)水管截面積與入滲面積之比，小Hood罩為0.313，大Hood罩為0.156。

2.3 土壤飽和導(dǎo)水率

土壤導(dǎo)水率Ks與壓力h間的關(guān)系可以用GarD－ner指數(shù)函數(shù)描述：

式中：K（h）———給定壓力下的導(dǎo)水率（mm／min）；Ks———飽和導(dǎo)水率（mm／min）；a———為與土壤結(jié)構(gòu)和毛管吸力有關(guān)的因子；h———壓力值（cm）。

WooDing研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)入滲量（Q，cm3／min）與圓形入滲面（半徑為r，cm）的關(guān)系為：

式中：Q——可由累積入滲水量（cm3）與累積時(shí)間（min）做回歸曲線求得，曲線線性部分的斜率即為穩(wěn)態(tài)入滲水量（cm3／min）。將（5）式代入（6）式得：

公式（7）為圓盤入滲儀飽和導(dǎo)水率計(jì)算公式。而對于單環(huán)／雙環(huán)法其飽和導(dǎo)水率由公式（8）計(jì)算：

式中：H———水頭高度（cm）；L———內(nèi)環(huán)入土深度（cm）；D1———內(nèi)徑（cm）；C1，C2———無量綱經(jīng)驗(yàn)常量，其值分別為0.316π和0.184π。Parlang發(fā)現(xiàn)公式（5）中的a滿足a＝a（h），PhiliP研究指出在多數(shù)情況下令a為常數(shù)，仍能有效地表達(dá)K（h），因此對于單環(huán)／雙環(huán)法，令a＝0.2cm－1，即可利用公式（8）進(jìn)行計(jì)算。

對公式（7）兩邊取對數(shù)：

公式（9）為Hood入滲儀飽和導(dǎo)水率的計(jì)算公式，式中l(wèi)nQ與h呈線性關(guān)系，其中a用公式（10）計(jì)算：

3 結(jié)果與討論

3.1入滲性能比較分析

對4種不同方法測定土壤入滲量進(jìn)行計(jì)算分析，得到入滲性能比較（表1），同時(shí)根據(jù)過程點(diǎn)數(shù)據(jù)利用Origin軟件繪制入滲過程圖（圖1）。

       由表1可以看出，不同方法測定的初滲速率、穩(wěn)滲速率、飽和導(dǎo)水率和達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，均存在顯著差異。

      就初滲速率而言，雙環(huán)、單環(huán)、圓盤存在較大差異，可能是由于圓盤接觸面積小且與土表間有干沙層、單環(huán)／雙環(huán)環(huán)壁與土體之間縫隙等導(dǎo)致的。

      穩(wěn)滲速率是反映土壤滲透性能的主要指標(biāo)，也是判斷不同土壤、不同土地利用條件下土壤入滲性能差異的基礎(chǔ)，對其準(zhǔn)確測量具有重要的意義。從表1可知，與雙環(huán)法測定結(jié)果相比，單環(huán)由于存在明顯的側(cè)滲現(xiàn)象，穩(wěn)滲速率偏大，為雙環(huán)測定結(jié)果的116%，這與Wu等的研究結(jié)果一致；與單環(huán)法類似，圓盤入滲儀也存在一定側(cè)滲，穩(wěn)滲速率也較雙環(huán)法為大，平均穩(wěn)滲速率為雙環(huán)的111%，這與許明祥等人的研究結(jié)果相反，造成這種差異的原因可能在于土壤性質(zhì)的時(shí)空變異及計(jì)算公式的不同；用Hood儀法測定土壤入滲時(shí)存在很大的側(cè)滲現(xiàn)象，從而導(dǎo)致Hood入滲儀測定的穩(wěn)滲速率為雙環(huán)的225%。

      飽和導(dǎo)水率是土壤滲透性能的另一種量化表述，在土壤物理學(xué)、坡面水文過程及侵蝕過程模擬中應(yīng)用較為廣泛。由表1可知，由于單環(huán)／雙環(huán)、圓盤法均使用了經(jīng) 驗(yàn)參數(shù)參與計(jì)算，而Hood儀法均使用實(shí)測值，所以以Hood儀值為標(biāo)準(zhǔn)，雙環(huán)測值為Hood的65.8%，這與BoDhinayaKe的研究結(jié)果一致；單環(huán)測值為Hood的75.1%；圓盤測值為Hood的105%。

     實(shí)驗(yàn)耗時(shí)是野外實(shí)驗(yàn)需要考慮的比較重要的因素，由表1可知達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間上雙環(huán)約為100min，單環(huán)約為80min，圓盤約為30min，而Hood儀考慮調(diào)壓過程總時(shí)間約為30min。綜合來看，圓盤入滲儀法在穩(wěn)滲速率和飽和導(dǎo)水率上均靠近標(biāo)準(zhǔn)值，而且用時(shí)短。

      由圖1可以看出，入滲初期雙環(huán)的入滲速率大于單環(huán)的入滲速率，但在25min前后開始小于單環(huán)，并持續(xù)到穩(wěn)滲階段，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)初期（20min）土壤入滲速率較大且讀數(shù)間隔短，供水桶水面波動(dòng)增大了水位觀測的隨機(jī)誤差，因此單環(huán)和雙環(huán)的測定結(jié)果存在較大波動(dòng)，且雙環(huán)法波動(dòng)性更大。與單環(huán)和雙環(huán)入滲儀相比，圓盤入滲儀用水量很小，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，供水管水位變化相對比較穩(wěn)定，測定結(jié)果一直比較穩(wěn)定，但由于50min左右換盤的影響，導(dǎo)致入滲曲線略有上升趨勢。

3.2累積入滲量對比分析

不同方法測定的累積入滲量均隨著入滲時(shí)間的延長而增加（圖2），但受入滲達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間（表1）的影響，不同方法間土壤累積入滲量與時(shí)間的關(guān)系曲線存在明顯差異。前20min單環(huán)／雙環(huán)增長速度較快，且雙環(huán)大于單環(huán)，之后趨于平穩(wěn)增長。在80min前后單環(huán)累積入滲量開始大于雙環(huán)，且穩(wěn)定后的單環(huán)增長率大于雙環(huán)。由于圓盤入滲儀達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間短，累積入滲量只在前5min內(nèi)迅速的增加，而后基本保持平穩(wěn)增長。表2給出了不同方法入滲過程特征點(diǎn)的累積入滲量，從表中可以看出隨著時(shí)間的延長，單環(huán)與雙環(huán)、圓盤與雙環(huán)、圓盤與單環(huán)的比值逐漸增大，并有繼續(xù)增大的趨勢。

以不同方法入滲過程特征點(diǎn)累積入滲量（表2）為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)性和差異性分析，發(fā)現(xiàn)雙環(huán)、單環(huán)和圓盤的兩兩組合均具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

對于T檢驗(yàn)，“雙環(huán)—單環(huán)”組合P值大于0.05，說明單環(huán)／雙環(huán)差異性不顯著，而“雙環(huán)—圓盤”和“單環(huán)—圓盤”量種組合P值均小于0.05，則說明其中二者差異顯著。

由此說明，3種方法測定的累積入滲量在趨勢上具有很強(qiáng)相關(guān)性，而數(shù)值方面圓盤和單環(huán)、雙環(huán)之間差異性顯著，同時(shí)也從側(cè)面說明了圓盤入滲儀適合在黃土丘陵區(qū)進(jìn)行土壤入滲測定。

3.3 其他相關(guān)方面的比較分析

除了量化比較外，結(jié)合前人的相關(guān)研究成果和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，列舉了4種方法在用水量、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)、對地表的擾動(dòng)程度、實(shí)驗(yàn)誤差、實(shí)驗(yàn)原理、入滲面積及有無側(cè)滲等諸多方面的定性比較（表3）。從表3可以看出，圓盤入滲儀在上述諸多方面，都具有一定的優(yōu)勢，從而表明圓盤入滲儀在黃土高原土壤入滲測定中具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

利用實(shí)測土壤入滲數(shù)據(jù)，比較了雙環(huán)法、單環(huán)法、圓盤法和Hood入滲儀測定的穩(wěn)滲速率、累積入滲量的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓盤法測定的穩(wěn)滲速率為雙環(huán)的111%，飽和導(dǎo)水率為Hood的105%，均接近標(biāo)準(zhǔn)值；單環(huán)／雙環(huán)、圓盤3種方法測定的累積入滲量趨勢上在99%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)，單環(huán)和雙環(huán)數(shù)據(jù)上差異不顯著，而單環(huán)、雙環(huán)與圓盤差異顯著；圓盤法實(shí)驗(yàn)耗時(shí)平均約為30min，約為雙環(huán)和單環(huán)法實(shí)驗(yàn)耗時(shí)的1／3，單位面積上實(shí)驗(yàn)用水僅為雙環(huán)法的1／2左右；圓盤法不擾動(dòng)表土，讀數(shù)相對準(zhǔn)確。綜合比較4種測定方法，圓盤法具有省時(shí)、省力、省水、準(zhǔn)確等優(yōu)勢，可以替代雙環(huán)法進(jìn)行坡面土壤滲透性的測定。

來源：朱良君，張光輝，任宗萍 4種土壤入滲測定方法的比較【水土保持通報(bào) 第32卷第6期 】