土壤温度对土壤水分入渗的影响.pdf

第23卷第3期2009年6月水土保持学报Journal of Soil and Water ConservationVol.23 No.3Jun.,2009 土壤温度对土壤水分入渗的影响3辛继红1,高红贝2,邵明安2,3(1.湖南农业大学 工学院,湖南 长沙410128;2.西北农林科技大学 资环学院,陕西 杨凌712100;3.中国科学院水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌712100)摘要:为了解温度对土壤水分入渗参数的影响,研究了黄土高原三种典型土壤(神木风沙土、安塞黄绵土、杨凌土)在不同温度(18,25,27,30,35)时的入渗特征,用幂函数对湿润锋距离与时间关系进行拟合,并用Philip入渗公式对累积入渗量及入渗率进行拟合,结果表明:(1)温度对湿润锋的影响主要是通过对参数a的影响来实现,而对土壤水分入渗率的影响主要是通过吸湿率S起作用;(2)随着温度的升高,同种土壤水分入渗达到某一深度所用时间缩短,但不同质地的土壤之间的差别较大;(3)随着温度的升高,湿润锋运移速率和入渗速率增加,且湿润锋运移速率及入渗速率与温度和时间关系可用多元复合幂函数关系拟合;(4)温度对同一土壤湿润锋运移速率和水分入渗速率的影响随着温度的变化而变化,在较低温度区温度对其的影响大于较高温区。关键词:温度;土壤水分;水分入渗速率;入渗中图分类号:S152.7 文献标识码:A 文章编号:100922242(2009)0320217204Study of the Effect of Soil Temperature on Soil Water InfiltrationXIN Ji2hong1,GAO Hong2bei2,SHAO Ming2an2,3(1.College ofEngineering,Hunan A griculture University,Changsha,Hunan410128;2.College of Resources andEnvironment,Northwest A&F University,Yangling,Shanxi712100;3.State Key L aboratory of Soil Erosion andDrylang Farming on Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,CA S and MWR,Yangling,S haanxi712100)Abstract:In order to determine the effect of temperature on soil water infiltration parameters characteristics,the research about three typical soil(Shenmu Sand soil,Ansai Loess soil,Yangling Lou soil)has been carriedout at the temperature of 18,25,27,30,35.the power function was used to fit the relationshipbetween the wetting front distance and time.Also the cumulative depth of infiltration and infiltration rate canbe fitted by using the Philip infiltration formula.The results show that:(1)The effect of temperature on thewetting front distance mainly through the parameter“a”to realize,and the effect on infiltration rate mainlythrough affects the moisture absorption rateS;(2)With the temperature rising,the time to reach a certaindepth of water infiltration between the same kind of soil will shorten,but it will be significantly differencesamong different texture of the soil;(3)With the temperature rising,the rate of wetting front transport andinfiltration rate will increase.And the relationship between them with time and temperatures can be fitted bythe complex power multi2function;(4)The wetting front transport rate and water infiltration rate of thesame soil will change with the temperature change.The effect in the low temperature stage will be greaterthan that in the warmer stage.Based on this study,it will give some suggestion on Water Saving Irrigation inthe Loess Plateau timely.Key words:temperature;soil water;soil water infiltration rate;infiltration土壤水分作为黄土高原植物生长发育的主要限制因子,对生物小循环(如植物生长、溶质运移、土壤侵蚀等)和水文大循环(如区域景观格局、生态水平衡)具有重要影响,它是降水、冠层截留、植物蒸腾、土壤蒸发、地表径流、地下渗漏等多种因素综合作用的结果。因此,对影响土壤水分运动的各种环境因子的研究历来受到农业和土壤相关科研工作者的重视。近年来,随着农业覆膜技术的广泛应用,由覆膜引起的土壤热量因素对土壤水分的影响,尤其关于土壤温度对土壤水分运动与保持的影响的研究,在实现干旱半干旱缺水地区的农业节水3 收稿日期:2009201206基金项目:国家自然科学基金(90502006)作者简介:辛继红(1964-),男,副教授,从事农业工程研究。E2mail:xin_jihong1 通讯作者:邵明安(1956-),男,研究员,从事土壤物理学研究。E2mail:mashao 灌溉上具有重要意义。温度由于影响土壤水分的粘滞系数、微生物活动、水汽扩散等过程而被纳入其中。早在1892年King就指出土壤水势显著受到温度的影响;Philip2等最早定量研究了温度对土壤水势的影响认为温度每升高0.002,湿润锋处土壤吸力降低1 cm;Jackson3在不同温度下进行入渗试验后认为温度越高,湿润锋到达设定位置的时间越短;冯宝平4等进行土柱试验发现,湿润锋运移位置和累积入渗量都是时间和温度的函数,而且与时间和温度都是幂函数关系。已有研究在分析温度与土壤水分入渗的关系上取得了一定进展,但关于温度对土壤水分入渗参数的影响研究,目前还比较少。鉴于此,本文通过室内试验设计,研究了温度对黄土高原典型土壤水分入渗过程的影响趋势,重点分析了温度对水分入渗参数的影响,以期为相关研究特别是寒区旱区农田土壤水分管理提供参考依据。1 材料与方法1.1 供试土壤供试土样为陕北神木风沙土、安塞黄绵土及杨凌土,取样时间为2007年9月,取样前均无降雨,土样采集深度为0-20 cm,分层取样后将同一采样区域不同采样点的土样进行充分混合,带回实验室并在室内通风条件下风干,过1 mm筛。采用MS2000激光颗粒分析仪对3种供试土壤进行颗粒分析,分析结果如表1。表1 不同土壤的颗粒组成供试土样取样地点取样深度/cm不同土样组成特性/%砂粒10.05 mm粉砂粒0.050.001 mm粘粒黄绵土风沙土)。但有一个共同的趋势,即随着温度的不断升高,入渗过程所用时间不断的减少。同时可以看出,在由较低温度区域向较高温度区域变化时,入渗时间下降趋势很快,到较高温度区域时,除了黄绵土外,下降趋势趋于平缓。由此说明,在土柱装土高度相同的情况下,温度对3种供试土壤水分的入渗时间有很大影响。温度升高,水分入渗速率加快,但并不是线性的增加,而是逐渐趋于平缓。另一方面,3种土壤入渗相同深度所需时间的不同,主要是由于土壤质地的差异引起的。2.2 温度对湿润锋距离的影响冯宝平5等用幂函数关系式F=atb对不同温度下的湿润锋距离F-t关系进行拟合,认为湿润锋距离与时间呈极显著的幂函数关系,温度对湿润锋的影响主要是对参数a的影响。将幂函数F=atb两边对时间求导,得湿润锋运移速率公式:v=F=abtb-1(1)式中:v 湿润锋运移速率(mm/min);t 入渗时间(min);a,b 相关参数。按幂函数关系 对不同温度(18,25,35)下实测的数据进行拟合(表2)。如表2所示,3种供试土样在各温度条件下湿润锋距离F与时间t的相拟合的R2均在0.99以上,进一步证实了冯宝平关于湿润锋与时812水土保持学报 第23卷间有显著的幂函数关系的结论。并且幂指数b的数值在0.5左右摆动,也与相关文献中的结论相符6。取b=0.5,则原幂函数为:F=at1/2。表2 湿润锋距离F与时间t关系拟合表参数F=atb杨凌土abR2安塞黄绵土abR2神木风沙土abR2T/1825350.84641.10731.13920.49730.50380.51810.99850.99690.99653.0753.36713.71440.50990.49630.51970.99910.99120.99902.36292.71573.20730.49650.50650.51820.99980.99960.9991对于参数a,由于其受到温度T的影响,按幂函数关系 拟合其相关性,3种土壤下参数a与温度T的拟合效果很好,决定系数均在0.99以上。这可以很好地解释图1的现象:(1)当环境温度和土壤温度在降低时,对于同种土壤,由于0 b 1,参数a呈幂函数形式减小,斜率不断加大,在相同时间段内,湿润锋运移速度减小,并呈幂函数减少,因此时间的增加趋势变的陡峭;(2)当温度升高时,对于同种土壤,参数a呈幂函数形式增加,斜率不断减小,在相同时间段内,由于0 b 1,湿润锋运移速率不断加大,并呈幂函数形式增加,因此入渗时间量不断减小5。试验实测湿润锋F与时间t的曲线如图2所示。由图2表明,在不同的土壤质地下,温度对湿润锋距离的影响具有相同趋势,即在相同的入渗时间下,温度越高,湿润锋距离越远,湿润锋前进速率越大。图23种供试土样的湿润锋随时间的变化通过以上的拟合分析可以得出3种供试土壤的湿润锋运移速率分别为杨凌土:v=0.1172T0.4465t-1/2(2)安塞黄绵土:v=0.6758T0.2841t-1/2(3)神木风沙土:v=0.3117T0.4596t-1/2(4)2.3 温度对土壤水分入渗速率的影响土壤水分入渗率是单位时间内通过土壤表面单位面积入渗到土壤中的水量7。对于初始含水量均匀分布的均质土壤的一维垂直入渗问题,1957年Philip在研究Richards方程的基础上,通过级数解析法求得Philip入渗公式:i(t)=12St-0.5+A(5)式中:i(t)入渗率(mm/min);S 吸湿率,且S=011()d,也可以通过实验拟合;t 入渗时间(min);A 稳定入渗率(mm/min)。将Philip入渗公式两边对时间进行积分,得累积入渗量对时间的函数:I(t)=St0.5+A t(6)式中:I(t)累积入渗量(mm/min)。表3 不同温度下土壤累积入渗量I与时间t的拟合结果参数I(t)=St0.5+At杨凌土SAR2安塞黄绵土SAR2神木风沙土SAR2T/1825350.12930.17010.21000.00040.00070.00090.97800.99780.99470.26950.30110.33810.00480.00640.01610.99790.98970.99800.30880.34470.38900.00300.00680.00400.99770.99570.9987结合本研 究中不同温度下的实测值,按上式进行拟合(表3)。由表3可见,对不同温度下3种供试土壤用Philip入渗模型进行拟合的R2都在0.99左右,说明Philip入渗模型在本实验中是适用的。同时还可以看出,随着温度912第3期 辛继红等:土壤温度对土壤水分入渗的影响的提高,吸湿率S在不断增大,而稳定入渗率也不断的增加,再结合式(2)-(6),可以得出:温度对土壤水分入渗的影响主要是对吸湿率S的影响。用幂函数关系 拟合温度与吸湿率的关系。用幂函数拟合温度与吸湿率的相关系数都在0.99以上,说明用幂函数拟合温度与吸湿率的关系是可行的。同时通过上述关系可以很好的解释湿润锋随温度升高或降低而加大或减小的原因:(1)当温度逐渐降低时,吸湿率S随着温度不断减小,累积入渗量也在不断减小,由于0 b 1,温度减小时S的斜率不断增大,所以在相同时间段内,累积入渗量在低温区减小的幅度要小于高温区;(2)当温度不断升高时,吸湿率S随温度的升高不断加大,所以累积入渗量也在不断的加大,由于0 b 1,S的斜率随温度升高不断地减小,因此在相同时间段内,累积入渗量在较高温度区增加的幅度大于较低温度区域。用实测的数据进行作图(图3)发现,实测值与预期结果一致。图3 不同温度下3种供试土样的累积入渗量I与时间t的关系曲线综合上述分析得到3种供试土壤的累积入渗量如下:杨凌土:I(t)=0.0158T0.7289t0.5+A t(7)安塞黄绵土:I(t)=0.1005T0.341t0.5+A t(8)神木风沙土:I(t)=0.113T0.3743t0.5+At(9)式中:I(t)累积入渗量(mm);t 时间(min);T 温度();A 稳定入渗率(mm/min).。3 结 论(1)随着温度的升高,同种土壤的湿润锋距离与时间的函数曲线的斜率不断加大,相同高度的土柱中水分入渗所用时间不断缩短。在相同时间段内,同种土壤的湿润锋距离随着温度的升高明显加大,说明温度在土壤水分入渗中有着重要的影响。但是不同土壤质地之间的差别是较大,温度对土壤水分运动在偏重壤土中的影响更为明显。(2)随着温度的升高,同种土壤的累计入渗量与时间的函数关系曲线的斜率不断加大,同样的累计入渗量在装有同种土壤的土柱中入渗,在较高温度的环境中所消耗的时间明显低于在较低温度环境中。且在相同时间段内。较高温度下的累计入渗量要明显多于在较低温度下的量。同样。温度在偏重壤土中对累计入渗量的影响要明显大于轻壤土。(3)温度对同种土壤湿润锋运移速率和水分入渗速率的影响随着温度的变化是在不断变化的,并且在较低温度区温度对其的影响大于较高温区。(4)研究表明,温度在土壤水分运动过程中有着重要的影响。尤其在偏重壤土水分入渗过程中。温度对土壤水分的影响主要是对水的粘滞系数的影响。参考文献:1 段若溪,姜会飞.农业气象学M.北京:气象出版社,2001.2Philip J.The theory of infiltration J.Soil Science,1957,84:1632366.3Jackson R D.Temperature and soil2water diffusivity relationJ.Soil Sci Soc Am Proc,1963,27:3632366.4 冯宝平,张建丰,汪志荣,等.温度对土壤水分运动影响的研究J.排水灌溉,2001,20(1):46249.5 冯宝平.入渗条件下温度对土壤水分运动及参数影响的试验研究M.西安:西安理工大学,2001.6 邵明安,王全九,黄明斌.土壤物理学M.北京:高等教育出版社,2006.7 雷志栋,杨诗秀,谢森传.土壤水动力学M.北京:清华大学出版社,1988.8Green W H,Ampt G A.Studies on soil physics:I flow of air and water through soilsJ.J.Agric.Sci.,1911,4(1):1224.责任编辑:李鸣雷 刘 英022水土保持学报 第23卷