不同坡度和不同生育期的谷子坡耕地入渗特征.pdf

第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 5 资助项目:国家自然科学基金项目(4 1 9 7 7 0 6 5);国家重点实验室开放基金项目(k 3 0 5 0 2 1 9 1 7 1)第一作者:付世琳(2 0 0 0),女,在读硕士研究生,主要从事土壤侵蚀研究。E-m a i l:7 5 0 4 0 3 6 9 5q q.c o m 通信作者:吴发启(1 9 5 7),男,教授,博士生导师,主要从事水土保持研究。E-m a i l:w u f a q i 2 6 3.n e t不同坡度和不同生育期的谷子坡耕地入渗特征付世琳1,2,姚 冲1,2,余 倩1,2,吴发启1,3(1.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;2.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;3.西北农林科技大学资源环境学院,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0)摘要:坡度和作物生育期是影响坡耕地土壤入渗性能的关键因素,作物生长导致土壤特性及根系变化进而影响坡面入渗过程。通过人工模拟降雨试验,设计4个坡耕地坡度(3,5,1 0,1 5)及2个降雨强度(4 0,8 0mm/h),在谷子4个生育期(拔节初期、拔节中期、抽穗初期、灌浆初期)开展试验,探究坡度和生育期对谷子坡耕地土壤入渗特征的影响机制,并结合入渗模型(H o r t o n、K o s t i a k o v、P h i l i p模型)对谷子坡耕地土壤水分入渗过程进行拟合并评价其适用性。结果表明:(1)随坡度增加土壤入渗能力下降,与3 相比,1 5 坡耕地土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量分别减小3 0.7 6%5 2.3 8%,2 1.2 8%3 7.5 0%和2 2.5 1%4 3.5 5%。(2)随着谷子生育期的延长,土壤入渗能力显著增加,与拔节初期相比,灌浆初期时土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量分别增加2 3.8 1%8 0.0 0%,2 0.8 3%4 0.0 0%,1 7.8 4%5 4.1 0%,表现为拔节初期拔节中期抽穗初期灌浆初期。(3)通过对入渗速率实测值进行拟合,H o r t o n模型对坡耕地土壤入渗过程拟合最好,且模型拟合参数具有物理意义。研究结果可为增加坡耕地降雨入渗、提高水分利用效率、减少坡耕地水土流失提供理论依据。关键词:土壤侵蚀;坡耕地;入渗速率;坡度;生育期中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 0 2 3-0 8D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 0 4I n f i l t r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fM i l l e t S l o p eF a r m l a n dw i t hD i f f e r e n tS l o p eG r a d i e n t a n dD i f f e r e n tG r o w t hP e r i o dF US h i l i n1,2,YAOC h o n g1,2,YU Q i a n1,2,WUF a q i1,3(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS o i lE r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n go nt h eL o e s sP l a t e a u,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0;2.I n s t i t u t eo fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0;3.C o l l e g eo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0)A b s t r a c t:S l o p ea n dc r o pg r o w t hp e r i o da r et h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h es o i li n f i l t r a t i o np e r f o r m a n c eo fs l o p i n gf a r m l a n d,a n dc r o pg r o w t hc a n r e s u l t i ns o i l c h a r a c t e r i s t i c s a n d r o o t c h a n g e s,w h i c h f u r t h e r a f f e c t t h es l o p e i n f i l t r a t i o np r o c e s s.T h r o u g ha r t i f i c i a l s i m u l a t e dr a i n f a l l e x p e r i m e n t s,t h es l o p e s(3,5,1 0 a n d1 5)a n d2r a i n f a l l i n t e n s i t i e s(4 0a n d8 0mm/h)o f f o u r s l o p e c u l t i v a t e d l a n dw e r ed e s i g n e d,a n d t h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t i nf o u rg r o w t hs t a g e so fm i l l e t(e a r l y j o i n t i n gp e r i o d,m i d d l e j o i n t i n gp e r i o d,e a r l yh e a d i n gp e r i o d,e a r l yp u s t u l a t i o np e r i o d)t oe x p l o r et h ei n f l u e n c e m e c h a n i s m o fs l o p ea n dg r o w t hp e r i o do ns o i li n f i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm i l l e ts l o p ef a r m l a n d,a n dc o m b i n e d w i t ht h ei n f i l t r a t i o n m o d e l(H o r t o n,K o s t i a k o va n dP h i l i pm o d e l s)t oe v a l u a t et h ea p p l i c a b i l i t yo fs o i lm o i s t u r ei n f i l t r a t i o np r o c e s s i nc u l t i v a t e dl a n do fm i l l e t s l o p e.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t:(1)T h e s o i l i n f i l t r a t i o nc a p a c i t yd e c r e a s e dw i t h t h e i n c r e a s eo fs l o p e,a n dc o m p a r e dw i t ht h e s l o p eo f 3,t h e s t a b l e i n f i l t r a t i o nr a t e,a v e r a g e i n f i l t r a t i o nr a t e a n dc u m u l a t i v ei n f i l t r a t i o nr a t eo f t h es o i l i nf a r m l a n do f1 5 s l o p ed e c r e a s e db y3 0.7 6%5 2.3 8%,2 1.2 8%3 7.5 0%a n d2 2.5 1%4 3.5 5%,r e s p e c t i v e l y.(2)W i t ht h ee x t e n s i o no fm i l l e tg r o w t hp e r i o d,s o i l i n f i l t r a t i o nc a p a c i t yi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y,a n dc o m p a r e dw i t ht h e e a r l y j o i n t i n gs t a g e,t h es t a b l e i n f i l t r a t i o nr a t e,a v e r a g e i n f i l t r a t i o nr a t ea n dc u m u l a t i v ei n f i l t r a t i o na m o u n to fs o i li nt h ee a r l yf i l l i n gs t a g ei n c r e a s e db y2 3.8 1%8 0.0 0%,2 0.8 3%4 0.0 0%a n d1 7.8 4%5 4.1 0%,r e s p e c t i v e l y,s h o w i n gt h a t t h ee a r l yj o i n t i n gp e r i o dt h em i d d l ej o i n t i n gp e r i o dt h ee a r l yh e a d i n gp e r i o d8 0%,降雨强度的调控范围为3 01 4 0mm/h,采用调节水压力控制阀和更换喷头垫片的方式调节雨强。降雨前需要先率定雨强,满足试验要求后进行降雨试验。1.3 指标测定与计算降雨试验开始计时后,观察并记录各小区的产流时间,产流开始时用塑料小桶收集径流和泥沙样品,时间间隔为2 m i n,直至试验结束。降雨试验结束后,称取每份样品重,待样品静置2 4h后倒掉上清液,将沉淀的泥沙样品冲入铝盒,放入1 0 5 的烘箱中烘干至恒重,称重,记录时段径流量与产沙量,然后通过计算得出土壤入渗速率和累积入渗量等指标。坡耕地坡度的不同可影响径流小区有效降雨面积,在计算降水量时需校正。土壤入渗速率采用降雨-入渗法计算(水量的闭合计算不包括壤中流),计算方法为:h=6 0 0 0W/A(1)V=P-h(2)式中:h为径流深(mm/m i n);W为径流量(m3/s);A为径流 小 区 面 积(m2);V为 土 壤 入 渗 速 率(mm/m i n);P为降雨强度(mm/m i n)。1.4 入渗模型为更加深入分析不同坡度谷子坡耕地土壤入渗特征及变化规律,分别选取P h i l i p、K o s t i a k o v和H o r t o n模型对坡面入渗过程进行拟合,各入渗模型为:(1)P h i l i p模型i(t)=ic+0.5S t-0.5(3)式中:i(t)为入渗速率(mm/m i n);ic为稳定入渗速率(mm/m i n);S为吸湿率(mm/m i n0.5);t为入渗 时间(m i n)。(2)K o s t i a k o v模型i(t)=a t-b(4)式中:a、b为入渗参数。(3)H o r t o n模型i(t)=ic+(i1-ic)e-k t(5)式中:i1为初始入渗速率(mm/m i n);k为入渗模型参数。1.5 数据处理利用M i c r o s o f tE x c e l 2 0 2 1软件对试验数据进行处理分析,并且使用O r i g i n2 0 1 7软件制作图表,用S P S S2 2.0软件进行模型拟合。2 结果与分析2.1 不同坡度坡面的土壤入渗过程图1和图2为谷子坡耕地4 0,8 0mm/h降雨条件下不同坡度坡面入渗速率的动态变化过程。不同坡度谷子坡耕地的入渗速率随时间的变化规律具有较强的一致性,均表现为先下降后稳定波动,入渗速率与时间呈负相关关系。入渗初期,坡耕地土壤具有较高的初始入渗性能,此时土壤入渗速率最大,随时间推移土壤入渗速率急剧减小并逐渐趋于稳定。根据入渗时间大致可将土壤入渗过程分为入渗速率瞬变阶段、渐变阶段、稳定波动阶段3个阶段。(1)入渗速率瞬变阶段(02 5m i n):土壤入渗速率变化极大,主要是因为入渗初始是土壤浸润阶段,由于分子力作用,土壤与水分作用形成薄膜水,水分在重力因素影响下形成水压,使下渗锋面快速延伸,此阶段入渗速率较大且变化较快。(2)渐变阶段(2 55 0m i n):渐变阶段下渗的水分由于受土壤毛管孔隙的引力及其自身重力的作用,土壤间的孔隙被逐步填满,入渗速率持续降低,入渗速率逐渐放缓。(3)稳定波动阶段(5 06 0m i n):稳定波动阶段时,土壤孔隙中水分已经达到饱和状态,水分在重力作用下运动,土壤入渗速率在此阶段逐渐趋于稳定,达到稳定入渗状态。2.2 坡度对坡耕地土壤入渗特征的影响2.2.1 坡度对坡面稳定入渗速率的影响 由图3可知,在4 0,8 0mm/h2种雨强条件下,随坡度变化土壤稳定入渗速率发生明显变化,同一谷子生育期土壤稳定入渗速率随坡度增大而降低。4 0mm/h降雨条件下,谷子拔节初期4个坡度(由小到大)稳定入渗速率分别为0.4 2,0.3 2,0.2 9,0.2 0mm/m i n,随坡度增加稳定入渗速率分别降低2 3.8 1%,3 0.9 5%,5 2.3 8%;谷子灌浆初期稳定入渗速率分别为0.5 2,0.4 8,0.4 3,0.3 6mm/m i n,随坡耕地坡度增加稳定入渗速率分别降低7.6 0%,1 7.3 1%,3 0.7 7%。8 0mm/h降雨条件下,谷子拔节初期时稳定入渗速率分别为0.6 1,0.5 2,0.2 7,0.3 4mm/m i n,随坡度增加稳定入渗速率分别降低1 4.7 5%,5 5.7 3%,4 4.2 6%;谷子灌浆初期时坡面稳定入渗速率分别为0.8 7,0.8 4,0.6 5,0.6 3mm/m i n,随坡度增加稳定入渗速率分别降低3.4 5%,2 5.2 8%,2 7.5 9%。结果表明,在生育期和雨强相同时,坡度增大使谷子坡耕地稳定入渗速率减小,整体表现为3 5 1 0 1 5。这主要是因为在稳定入渗阶段土壤孔隙中水分已经达到饱和,各径流小区土壤入渗速率也基本趋于稳定,土壤水分入渗主要受水层压力的影响,随坡度增加径流沿坡面方向的分力增大,垂直坡面的压力减小,使得坡面稳定入渗速率减小。由图3可知,坡度相同时,谷子不同生育期坡面稳定入渗速率具有明显差异,随谷子生长坡面稳定入渗速率逐渐增大。在4 0mm/h雨强时,随谷子生长3 坡耕地的稳定入渗速率分别为0.4 2,0.4 4,0.4 9,0.5 2mm/m i n,与拔节初期相比,其他生育期坡面稳52第4期 付世琳等:不同坡度和不同生育期的谷子坡耕地入渗特征定入渗速率分别增加0.0 2,0.0 7,0.1 0mm/m i n;随谷子生长1 5 坡耕地稳定入渗速率依次为0.2 0,0.2 9,0.3 1,0.3 6mm/m i n,与拔节初期相比,其他生育期坡面稳定入渗分别增加0.0 9,0.1 1,0.1 6mm/m i n。结果表明,谷子生长可明显影响坡面稳定入渗速率,当降雨强度和坡耕地坡度相同时,谷子各生育期坡面稳定入渗速率表现为拔节初期拔节中期抽穗初期 5 1 0 1 5。这主要与谷子坡耕地表面水层的受压情况有关,径流水分入渗受大气压力和水层压力的综合作用。随坡耕地坡度增加,径流沿坡面方向的分力增大,垂直坡面的压力减小,从而使得坡面平均入渗速率减小。此外,随谷子生长坡面平均入渗速率呈逐渐上升的变化趋势,谷子灌浆初期的坡面平均入渗速率明显大于其他生育期。雨强增大可明显增加坡面平均入渗速率,8 0mm/h雨强条件下坡耕地平均入渗速率为4 0mm/h雨强时的1.3 2 1.8 6倍,这与水体自重力的增加和雨滴打击对水体产生的冲力有关,其不仅可以加速入渗水流的速率,也可使部分静止的毛管水加入到入渗水流中,从而使坡面平均入渗速率增加。图3 2种雨强条件下坡度及生育期对坡耕地稳定入渗速率的影响表1 2种雨强条件下不同坡度及生育期的坡耕地平均入渗速率单位:mm/m i n坡度/()拔节初期4 0mm/h8 0mm/h拔节中期4 0mm/h8 0mm/h抽穗初期4 0mm/h8 0mm/h灌浆初期4 0mm/h8 0mm/h30.4 80.7 30.4 70.7 80.5 40.9 60.5 80.9 950.3 90.6 80.4 80.7 90.4 90.8 50.5 40.9 91 00.3 70.5 40.3 80.5 90.4 90.7 90.4 90.8 11 50.3 00.4 40.3 70.4 90.3 80.6 60.4 20.7 82.2.3 坡度对坡面土壤累积入渗量的影响 由图4可知,在4 0,8 0mm/h2种降雨条件下,同一谷子生育期坡面累积入渗量随坡度增大而降低。4 0mm/h雨强谷子处于拔节初期时,随坡度增加单位时间各坡面累积入渗量分别为2 9.3 7,2 3.1 6,2 2.6 0,1 6.5 8mm,与3 相比,5,1 0,1 5 坡面累积入渗量分别减少2 1.1 4%,2 3.0 5%,4 3.5 5%;谷子抽穗初期时随坡度增加单位时间各坡面累积入渗量分别为3 3.9 6,3 0.0 2,2 9.1 5,2 2.9 9mm,与3 相比,5,1 0,1 5 坡面累积入渗量分别减少1 1.6 0%,1 4.1 6%,3 2.3 0%。可知不同生育期坡面累积入渗量随坡度变化规律基本一致,随坡度增加坡耕地土壤累积入渗量减小,不同生育期坡面累积入渗量随坡度变化的降幅不同。同一坡度,随谷子生长坡耕地土壤累积入渗量增大,表现为拔节初期拔节中期抽穗初期灌浆初期。谷子的防蚀作用是地上部分截留拦蓄和地下根系固结土壤共同作用的结果,谷子生长可明显增大坡面土壤累积入渗量。随谷子生长其冠层对降雨的拦挡减速作用增强,且作物根系穿透土壤产生的孔隙可以扩大水分渗透通道,从而增大坡面累积入渗量。图4 2种雨强条件下坡度及生育期对坡耕地累积入渗量的影响2.3 土壤水分入渗过程模型拟合为进一步分析坡度和作物生育期对坡耕地土壤水分入渗过程的影响,本研究选用P h i l i p、K o s t i a k o v和H o r t o n模型对实测入渗速率数据进行拟合和分72第4期 付世琳等:不同坡度和不同生育期的谷子坡耕地入渗特征析。不同模型对入渗过程的拟合效果可以用回归方程的决定系数(R2)表示,R2值越大,拟合效果越好。由表2可知,3种模型对谷子坡耕地土壤入渗过程的拟合效果存在一定差异,R2值从大到小依次为H o r t o n模型、K o s t i a k o v模型、P h i l i p模型,H o r t o n模型的拟合优度优于其他2种模型。与4 0mm/h雨强相比,8 0mm/h雨强时3种入渗模型的拟合效果更好。由表3和表4可知,H o r t o n模型拟合参数具有物理意义,可以非常直观地拟合坡面初始入渗速率(i1)和稳定入渗速率(ic)。在一定雨强和生育期条件下,随坡度增大拟合得出的土壤初始入渗速率和稳定入渗速率减小,与实测结果一致。4 0,8 0mm/h降雨强度下,R2的取值范围分别为0.8 5 30.9 6 0,0.9 1 00.9 7 7,初始入渗速率(i1)的范围分别为0.9 3 72.5 1 0,1.8 1 52.9 7 8,稳定入渗速率(ic)的范围分别为0.1 8 50.4 9 7,0.1 6 20.8 4 4,雨强增大可显著增加土壤初始入渗速率和稳定入渗速率,与实测结果一致。随着谷子的生长,拟合得出的稳定入渗速率表现为拔节初期拔节中期抽穗初期灌浆初期,与实际入渗过程中的变化规律一致。由表5可知,K o s t i a k o v模型中获取的拟合参数a可表示土壤初始入渗速率,b表示入渗速率衰退程度。4 0,8 0mm/h雨强条件下R2分别为0.5 3 60.9 4 1,0.8 2 3 0.9 6 3,坡耕地入渗模型参数(a)分别为0.9 6 71.9 5 4,2.6 8 3 5.3 8 2,即随降雨强度增大土壤初始入渗速率显著增加。在同一雨强和生育期条件下,坡度对模型中的b具有明显影响,b随坡度增加逐渐增加,即坡度增大可使坡面入渗速率衰退程度加快,b的变化与实际情况相符,但参数a对实际入渗过程的描述作用不明显。通过对实际入渗过程进行模型拟合,H o r t o n模型对坡耕地入渗过程拟合最好,且模型拟合参数具有物理意义,对谷子坡耕地土壤实际入渗过程的适用性更好。表2 土壤入渗模型拟合决定系数(R2)生育期坡度/()P h i l i p模型4 0mm/h8 0mm/hK o s t i a k o v模型4 0mm/h8 0mm/hH o r t o n模型4 0mm/h8 0mm/h拔节初期30.7 2 50.9 0 20.8 5 90.8 9 00.9 6 00.9 7 250.8 4 80.9 0 50.8 3 00.9 0 40.9 3 80.9 5 21 00.8 1 30.9 1 50.9 3 80.8 8 60.9 5 50.9 6 01 50.9 1 30.9 5 90.9 1 50.9 6 30.9 4 90.9 7 7拔节中期30.5 7 30.8 8 30.6 9 00.8 8 50.8 9 80.9 2 650.8 2 20.9 2 30.8 0 30.9 2 50.9 1 00.9 4 91 00.5 8 80.9 2 70.5 3 60.9 1 80.8 5 30.9 5 61 50.6 8 20.9 4 60.9 4 10.9 4 70.9 5 80.9 7 4抽穗初期30.5 9 40.9 3 10.8 8 50.9 2 90.9 2 50.9 5 750.7 3 30.8 8 50.6 8 50.8 7 00.9 0 60.9 3 01 00.6 0 30.8 8 90.7 6 80.8 8 40.8 8 30.9 5 71 50.6 8 90.9 4 00.6 5 10.9 4 70.8 6 10.9 7 2灌浆初期30.8 0 00.8 7 90.7 7 00.8 6 20.8 9 30.9 3 250.7 2 50.9 2 70.8 1 80.9 0 80.8 7 30.9 6 41 00.5 8 80.8 9 40.7 8 20.8 9 00.8 8 20.9 1 01 50.6 0 00.8 3 30.7 8 80.8 2 30.8 9 70.9 1 5平均值0.7 0 60.9 0 90.7 9 10.9 0 20.9 0 90.9 5 0表3 4 0mm/h雨强H o r t o n模型拟合参数参数拔节初期3 5 1 0 1 5 拔节中期3 5 1 0 1 5 抽穗初期3 5 1 0 1 5 灌浆初期3 5 1 0 1 5 i11.0 01.4 11.0 20.9 41.6 41.6 32.5 11.2 61.2 81.8 91.7 11.5 71.4 61.2 21.3 71.2 9ic0.4 90.3 10.2 70.1 90.4 40.3 70.3 20.2 70.4 60.4 30.4 00.3 20.5 00.4 70.4 20.3 6k0.9 40.1 40.1 00.1 10.1 70.1 30.2 60.1 10.0 80.1 60.1 40.1 70.1 00.1 30.1 10.1 4R20.9 60.9 40.9 60.9 50.9 00.9 10.8 50.9 60.9 30.9 10.8 80.8 60.8 90.8 70.8 80.9 0表4 8 0mm/h雨强H o r t o n模型拟合参数参数拔节初期3 5 1 0 1 5 拔节中期3 5 1 0 1 5 抽穗初期3 5 1 0 1 5 灌浆初期3 5 1 0 1 5 i12.5 82.1 81.8 22.0 32.3 02.4 02.0 22.2 12.6 12.2 02.6 52.2 72.9 82.2 72.0 12.5 5ic0.6 10.4 90.1 60.3 10.5 10.5 30.2 70.2 80.6 80.7 00.6 00.4 10.8 40.8 20.6 00.6 1k0.1 30.1 10.0 70.1 30.0 90.0 90.0 70.1 00.0 80.1 00.1 10.1 00.1 10.1 00.0 80.1 1R20.9 70.9 50.9 60.9 80.9 30.9 50.9 60.9 70.9 60.9 30.9 60.9 70.9 30.9 60.9 10.9 282水土保持学报 第3 7卷表5 K o s t i a k o v模型拟合参数生育期坡度/()4 0mm/habR28 0mm/habR2拔节初期31.3 5 40.3 1 70.8 5 92.9 9 60.4 3 10.8 9 051.3 5 30.3 9 50.8 3 03.1 6 10.4 9 50.9 0 41 01.5 1 10.4 4 40.9 3 84.2 5 10.6 9 40.8 8 61 51.4 5 30.5 4 00.9 1 53.0 6 80.6 1 10.9 6 3拔节中期31.1 0 50.2 5 10.6 9 04.0 4 50.5 3 30.8 8 551.5 0 30.3 7 30.8 0 34.4 8 00.5 4 70.9 2 51 00.9 7 70.3 0 30.5 3 65.3 8 20.7 0 80.9 1 81 51.9 5 40.5 2 40.9 4 14.9 0 60.7 2 10.9 4 7抽穗初期31.6 1 00.3 1 90.8 8 54.2 4 60.4 6 50.9 2 951.0 9 40.2 4 50.6 8 52.6 8 30.3 5 20.8 7 01 01.4 0 40.3 3 20.7 6 83.5 7 90.4 6 70.8 8 41 51.1 3 10.3 4 00.6 5 14.5 3 70.6 2 00.9 4 7灌浆初期31.2 1 90.2 2 60.7 7 03.0 5 50.3 2 20.8 6 250.9 6 70.1 8 90.8 1 82.6 8 60.3 0 90.9 0 81 01.3 3 50.3 0 10.7 8 23.0 9 60.4 1 60.8 9 01 51.1 6 00.3 1 40.7 8 83.2 6 20.4 4 10.8 2 33 讨 论本研究发现,不同坡度谷子坡耕地的土壤入渗动态变化过程基本一致,均表现为先下降后稳定波动,入渗速率与时间呈显著负相关关系,这与刘畅等1 6研究结果一致。随着降雨历时的延长,雨滴击溅形成的土壤细颗粒堵塞土壤孔隙,形成土壤结皮,降低土壤入渗性能,增加径流量,进而降低土壤入渗速率。坡度对土壤入渗性能具有显著影响,随坡耕地坡度增大,坡面初始产流时间提前,这与吴发启等1 3研究结果一致。随坡度增大,土壤初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率减小,且坡度增加使土壤入渗过程更快达到稳定波动状态,这与赵西宁等1 1研究结果一致。坡度的增加,导致水流沿坡面方向的重力分力增加,进而增加坡面流速,加快径流的形成,使得土壤稳定入渗速率、平均入渗速率和土壤累积入渗量减小。在关中地区坡耕地上进行土地利用时,应积极创造微地形,通过施行不同的耕作措施(如等高耕作、人工锄耕、人工掏挖等)调节地表糙度,尽可能地减缓坡面,改善土壤入渗性能,增加土壤水分入渗,从而减轻水土流失。谷子生长可明显增加坡面稳定入渗速率、平均入渗速率和累积入渗量,在一定雨强和坡度条件下,随谷子生育期的延长坡面土壤入渗性能表现为拔节初期拔节中期抽穗初期灌浆初期。这主要是由于作物的生长发育过程可以改善土壤结构,作物根系穿透土壤产生的孔隙可以扩大水分渗透通道,从而增强坡耕地土壤入渗能力。与裸坡相比,各坡度坡面的稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量均明显增加,这与吴佳等2 5研究结果一致。这主要是因为谷子冠层对降雨具有截留和分流作用,且谷子根系可以增加土壤孔隙,进而增加土壤入渗能力2 6,抑制坡面土壤物理结皮发育,从而改善 坡 面 土 壤 的 入 渗 性能2 7。作物覆盖可以有效改善土壤的入渗性能1 6,其防蚀作用是地上部分截留拦蓄和地下根系固结土壤共同作用的结果2 0。在作物收获后,可以通过增加地表覆盖留茬来调节土壤地表状况以减轻土壤侵蚀,留茬覆盖处理的坡耕地能够有效减少径流和泥沙损失,增加土壤入渗。不同坡度谷子坡耕地土壤入渗过程的拟合结果显示,H o r t o n模型对研究区谷子坡耕地土壤水分入渗动态变化过程具有较好的适用性,4 0,8 0mm/h雨强条件下决定系数(R2)的平均值分别为0.9 0 9,0.9 5 0,且模型拟合参数具有物理意义,拟合所得模型参数值初始入渗速率(i1)、稳定入渗速率(ic)的变化规律与实际入渗过程中的变化规律一致,是研究土壤时段入渗速率的较好模型。K o s t i a k o v模型拟合效果次之,模型具有一定的局限性,有些参数值拟合不符合实际入渗规律,且当t趋于0时入渗速率i(t)趋于无穷大,当t趋于无穷大时入渗速率i(t)趋于0,只有在水平吸湿情况下才出现,垂直入渗条件下显然不符合实际情况。P h i l i p模型虽然具有一定的物理基础,但是对入渗过程的拟合效果较差,这与已有学者2 6的研究结果一致,模型拟合的决定系数(R2)在3个模型中最低,且一些处理的土壤入渗过程经过拟合得到的稳定入渗速率(ic)为负值,该模型对谷子坡耕地土壤入渗过程适宜性较差2 8-2 9。本研究表明,H o r t o n模型对谷子坡耕地入渗过程的拟合效果最好,且模型拟合参数具有物理意义,适宜性更强。92第4期 付世琳等:不同坡度和不同生育期的谷子坡耕地入渗特征4 结 论(1)不同坡度谷子坡耕地的土壤入渗性能存在明显差异,随着坡度增加,土壤入渗能力下降,与3 相比,1 5 坡耕地土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量分别减小3 0.7 6%5 2.3 8%,2 1.2 8%3 7.5 0%,2 2.5 1%4 3.5 5%。(2)坡度相同时,谷子生育期显著影响坡耕地入渗特征,与拔节初期相比,灌浆初期时土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量分别增加2 3.8 1%8 0.0 0%,2 0.8 3%4 0.0 0%,1 7.8 4%5 4.1 0%,表现为拔节初期拔节中期抽穗初期灌浆初期。(3)采用3种入渗模型拟合谷子坡耕地土壤入渗过程,R2值从大到小依次为H o r t o n模型、K o s t i a k o v模型、P h i l i p模型,H o r t o n模型的拟合优度与其他2种模型相比最好,且模型拟合参数具有物理意义,对谷子坡耕地土壤实际入渗过程的适用性更好。参考文献:1 程艳辉.红壤区坡面径流调控关键技术与模式的适用性研究D.武汉:华中农业大学,2 0 1 0.2 刘金荣,谢晓蓉.河西走廊生态环境特征与可持续农业发展对策J.农业环境与发展,2 0 0 1(3):3 8-3 9.3 魏瑶瑶,王俊,张永旺,等.黄土高原不同植被类型土壤入渗特征研究J.延安大学学报,2 0 2 1,4 0(2):1 6-2 0.4 P a r c h a m i-A r a g h iF,M i r l a t i f i SM,D a s h t a k i SG,e t a l.P o i n t e s t i m a t i o no fs o i lw a t e ri n f i l t r a t i o np r o c e s su s i n gA r t i f i c i a lN e u r a lN e t w o r k s f o r s o m e c a l c a r e o u ss o i l sJ.J o u r n a l o fH y d r o l o g y,2 0 1 3,4 8 1:3 5-4 7.5 肖婧,王兵.黄土丘陵区不同坡度撂荒草地入渗特征影响因素试验研究J.水土保持学报,2 0 1 9,3 3(6):1 3 6-1 4 2.6 V a e z iAR,A h m a d iM,C e r d aA.C o n t r i b u t i o no f r a i n-d r o p i m p a c t t o t h e c h a n g eo f s o i l p h y s i c a l p r o p e r t i e sa n dw a t e re r o s i o nu n d e r s e m i-a r i dr a i n f a l l sJ.S c i e n c eo f t h eT o t a lE n v i r o n m e n t,2 0 1 7,5 8 3:3 8 2-3 9 2.7 Z h e n gJ,F a nJL,Z h a n gFC,e ta l.T h r o u g h f a l la n ds t e m f l o wh e t e r o g e n e i t yu n d e rt h em a i z ec a n o p ya n di t se f f e c to ns o i lw a t e rd i s t r i b u t i o na t t h er o ws c a l eJ.S c i-e n c eo f t h eT o t a lE n v i r o n m e n t,2 0 1 9,6 6 0:1 3 6 7-1 3 8 2.8 李莉,孟杰,杨建振,等.不同植被下生物结皮的水分入渗与水土保持效应J.水土保持学报,2 0 1 0,2 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