土壤的渗透性_圆盘入渗仪法测定不同利用方式土壤渗透性试验研究_许明祥

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第18卷第4期

2002年7月农业工程学报

T ransac tio ns of th e CSA E V ol. 18　N o. 4J uly 　2002

圆盘入渗仪法测定不同利用方式土壤渗透性试验研究

许明祥, 刘国彬, 卜崇峰, 贾海燕

(中国科学院、水利部水土保持研究所)

摘　要:介绍了一种田间定量测定土壤渗透性的新方法——圆盘入渗仪法。应用该法和双环法对黄土丘陵区土壤不同利用方式(果园、农地、灌木、草地、林地) 下的土壤渗透性进行了对比研究, 并对比分析了该方法的优缺点。结果表明:在该试验条件下, 不同利用方式下土壤的孔性及渗透性有明显差别。土壤有效孔径以灌木地最大, 为农地的5. 7倍, 果园的3. 5倍; 其次为林地和草地, 为农地的4倍多, 果园的2. 5倍多。果园的最初入渗率最大, 是林地的3倍, 草地的5倍。稳定入渗率大小顺序为:果园>农地>灌木>草地>林地。灌木地的导水率是农地的1. 5倍, 是林地的3倍多; 草地和果园的土壤导水率是农地的1. 2倍, 是林地的2. 8倍。两种方法测定的入渗率结果具有显著的线性相关性。说明圆盘入渗仪法适合于黄土丘陵区各种利用类型土壤的入渗测定。关键词:土壤渗透性; 圆盘入渗仪; 土壤利用方式

+

中图分类号:S 152. 72　　　　文献标识码:A 　　　　文章编号:1002-6819(2002) 04-0054-05

　　土壤入渗是指水分进入土壤形成土壤水的过程, 它是降水、地面水、土壤水和地下水相互转化过程中的一个重要环节。土壤渗透性是描述土壤入渗快慢的极为重要的土壤物理特征参数之一。土壤渗透性越好, 地表径流就会越少, 土壤流失量就相应减少。目前, 土壤渗透性的测定方法较多, 如双环法、环刀法、定水头渗透仪法、变水头渗透仪法、模拟降雨法、土柱法、钻孔法、稳定通量法及渗透桶法, 但田间测定土壤渗透性一直是土壤水动力学研究中的一大难题, 虽然双环法比较通用, 但耗水耗时而且费力, 野外测定十分不便[1～3]。

本文介绍一种田间定量测定土壤渗透性能的新方法——圆盘入渗仪法(Disc permea meter ) [4], 并应用该法和双环法对黄土丘陵区土壤不同利用方式下土壤渗透性能进行了对比研究。

管特性、重力、积水面大小及水压大小所控制。

圆盘入渗仪法利用初始入渗速率和稳定入渗速率来区分受毛管力及重力所控制的土壤入渗流。此外, 通过选择水压大小, 可以计算出与入渗过程有关的土壤孔隙的大小。

对于均质土壤, 表面有一半径为r 0(mm ) 的圆形积水, 水势为j 0时, 稳定入渗速率q 为

　　q =πr 20(k 0-k n ) +4r 0j g (1)

公式右边第一项为重力势项, 第二项为基膜势项(受毛细管控制) 。q ——稳定入渗通量, mm 3 min ; k 0——水势为j 0(m m) 时的土壤导水率,

-1

mm min ; k n ——初始土壤水势为j n 时的土壤导水率, 对于相对较干的土壤, k n 远小于k 0, 可忽略; j g ——基质势, 它与导水率的关系为

j g =k 0λc

率有关

[5～7]-1

图1　圆盘入渗仪示意图

Fig. 1　Schematic diag ra m of disc per meameter

1　原理和方法

1. 1　原理

圆盘入渗仪由蓄水管、恒压管和圆盘组成(见图1) 。恒压管是依据马斯瓶原理起恒压作用的。当土壤表面有积水面时, 入渗的初始阶段受土壤毛细管特性控制, 随着时间的延长, 水源大小和几何形状以及重力均影响水流速率。对于均质土壤, 入渗速率最终会达到稳定值。这一稳定流速是由毛细

收稿日期:2001-09-21

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G2000018606); 中国科学院知识创新项目(KZCX1-06)

作者简介:许明祥(1972-) , 男, 汉族, 助研, 博士生, 主要从事土壤质量及流域生态系统健康诊断研究。陕西杨凌　西北农林科技大学中科院水利部水土保持研究所, 712100

(2)

式中　λc ——毛细管长度, 它与土壤吸水率及导水

。

2

c 00-n 0

　第4期许明祥等:圆盘入渗仪法测定不同利用方式土壤渗透性试验研究55

式中　θn ——测定前初始土壤体积含水率(土水势为j n ); θ0——水势为j 0时的土壤体积含水率; s 0——初始土水势为j n , 入渗水势为j 0时的土壤吸水率; b ——无量纲常数, 其值在1/2～π/4之间, 对于大田土壤, b 的平均值取0. 55为佳。

这样, 可得到

q =πr 20k 0+4r 0bs 20/(θ0-θn ) k 0=q /πr 0-4bs 0/πr 0(θ0-θn )

2

2

查仪器, 查明漏气之处, 确保仪器的气密性;

7) 记录蓄水管中水位高度(H 0) , 并将仪器小心放在测定点上, 使其与沙面紧密接触;

8) 打开阀门, 等湿润峰通过沙层后立即开始计时(开始计时尽早不尽晚) 。入渗初期, 尽可能增加读数次数(如每15s 读数一次); 此后可以减少读数次

(4) (5)

数, 连续纪录直至稳定入渗阶段(相同时间间隔内入渗水量相等) (至少读数10次);

9) 入渗结束时, 移开入渗仪, 尽快铲去部分沙层, 取表层2～3m m 土壤(土样应在水层消失时尽快取, 且不能低于表层5mm ) , 放在密闭容器中, 称质量, 测其含水率(θ0) 。

1. 3　双环法及其与圆盘入渗仪法的差异

双环法即大渗透筒法。内筒直径35. 5cm 、高18. 5cm , 外筒直径50cm 、高18. 5cm 。具体原理及方法见文献[2,3]。

表1对比分析了两种测定方法的优缺点。可以看出, 尽管圆盘入渗仪法测定面积小, 入渗深度浅, 但该法省力、省水、省时、准确, 对于测定表层0～30cm 土壤的入渗特性有很大的优越性。

表1　两种测定方法之比较

Ta ble 1　Co mpa riso n o f tw o measur ement methods

双环法

费力, 费水, 野外操作不便双环入土时, 对土壤结构有破坏, 尤其是破坏表土。试验开始时, 向双环中加水容易破坏表土结构

读数误差较大, 尤其是初始入渗阶段。不便定量研究土壤初始入渗过程

费时, 需2～6h 才能达到稳定入渗

有压入渗, 不符合实际情况入渗深度大(50cm 以下) , 入渗面积大, 代表性强垂直入渗, 外环可防止侧渗

圆盘入渗仪法

轻便, 省力, 省水, 野外操作容易

在圆盘入渗初期, 毛管力控制的入渗与积水面积(圆盘面积) 大小无关, 在较短的入渗期内, 近似为一维入渗, 这样, 累积入渗量与土壤吸力有以下关系[5]

1/2

Q /πr 20=s 0t

(6)

式中　Q ——总入渗量; t ——入渗时间; s 0(土壤吸水率) ——累积入渗量对t

1/2

的曲线斜率。

λc (宏观毛管长度, m m) 为平均孔隙长度, 它是一个概化值, 它简化了多维土壤入渗的计算[8,9]。λc 越大, 毛细管对入渗的影响就越大(相对于重力的影响而言) 。Philip(1987) 通过简单毛细管理论将λc 与

m (有效孔径, mm ) 相关联λ

[2]

λm =e /d g λc (7)

式中　e——土壤水表面张力; d ——水的密度;

g ——重力加速度。在20°时, 对纯水, 有

λm =7. 4/λc

(8)

在野外, 有2种方法可以计算λc , 方法之一是通过(3) 式来计算, 方法之二是利用提供不同的水压, 测定2次吸力, 可得

λc ≈2b Δj /[(s +

/s _) 2-1]

(9)

1. 2　操作步骤

1) 选择测定点, 尽量除去地表植被(

2) 将半径为10cm 、高3m m 的钢环放在测定点上并压紧, 环内铺满细沙(3m m 厚) 并用刚尺刮平, 然后将钢环移走;

3) 用带有塑料管的注射器调节恒压管水位, 设置水势(j 0) 。在本试验中, j 0设为-10mm 水柱; 4) 将圆盘入渗仪(圆盘在测定前应在水中浸泡数小时以确保其气密性) 放入水桶中, 用气管子抽气使蓄水管充满水后关闭阀门;

5) 取出入渗仪, 轻轻拍打圆盘以赶走其中气泡; 擦干圆盘上的水;

6) 检验气密性。将入渗仪置于一吸水物上, 看, 不扰动表土

读数准确, 尤其能准确测定初始入渗过程。可以定量研究土壤初始入渗过程

省时, 30min 左右即可达到稳定入渗

入渗水压可调节, 可以以负水压入渗

入渗面积小(直径20cm ), 深度浅(20～30cm ) , 代表性较差稍有侧渗

1. 4　试验设计

试验在黄土丘陵沟壑区中科院安塞水土保持综

合试验站进行, 土壤为黄绵土(堆垫旱耕人为土) 。2000年5月在试验站川地试验场分别选取了农地(黄豆) 、林地(柳树, 无地被物) 、灌木地(沙棘) 、草地(苜蓿) 、果园地(苹果) 各1块, 重复3次, 用圆盘入渗仪法和双环法对不同利用类型土壤的渗透性进行了对比研究。试验时水温为22℃。

2　结果分析

56农业工程学报2002年　

2. 1　不同利用方式土壤的孔性

土壤总孔隙度、孔隙大小分布及弯曲度——即土壤孔隙的几何性状, 对土壤导水率及持水特性有直接的影响。土壤学中所说的孔隙直径, 是指与一定的土壤水吸力相当的孔径, 叫做当量孔径或有(实) 效孔径。有效孔径与土壤水吸力呈反比, 孔隙愈小则土壤水吸力愈大。每一当量孔径与一定的土壤水吸力相对应。宏观毛管长为平均孔隙长度, 它是一个概化值, 它简化了多维土壤入渗的计算。宏观毛管长越大, 毛细管对入渗的影响就越大(相对于重力的影响而言) 。土壤孔性受其质地、土粒排列松紧及有机质含量影响。

在本试验条件下, 土壤不同利用方式下土壤孔性有明显差别(见表2) 。草地的孔隙度最大, 农地和灌木地次之, 果园较小, 林地最小。有效孔径以灌木地最大, 为农地的5. 7倍, 果园的3. 5倍; 其次为林地和草地, 为农地的4倍多, 果园的2. 5倍多; 果园较小, 农地最小。就宏观毛管长而言, 农地>果园>草地、林地>灌木。以上结果表明, 灌木地和草地的土壤水吸力最小, 而农地和果园的土壤水吸力较大。相对于灌木地和草地, 农地和果园的土壤水入渗受土壤毛管的影响更大。

表2　土壤不同利用方式下表层土壤孔性　The charac teristics o f topsoil po re T able 1

in differ ent la nd use t ypes

利用初始含终止含

方式水率/%水率/%农地草地果园灌木林地

0. 0250. 0810. 0520. 0350. 052

0. 3700. 4910. 4110. 3760. 350

容重孔隙度有效孔宏观毛管

-3/g ·cm %/径/mm 长/mm 0. 8800. 7820. 9230. 8970. 992

0. 4570. 5170. 4300. 4460. 388

0. 1010. 4340. 1680. 5800. 469

75. 317. 147. 412. 816. 6

表3　不同利用方式土壤的入渗特性(圆盘入渗仪法) Ta ble 3　So il infiltr atio n cha racteristics in different land use types (measur ed using disc pe rmeamete r)

土地利用方式开始3min 平均入渗率

/mm ·min -1开始15min 平均入渗率/mm·min -1开始30min 平均入渗率/mm·min -1稳定入渗率/mm ·min -土壤吸水率/mm ·min -11/21

农地2. 6651. 6861. 3531. 1295. 2240. 563

草地0. 6051. 0120. 8160. 8602. 9970. 713

果园3. 0321. 6311. 2491. 1354. 6520. 723

灌木1. 8331. 1561. 020. 9992. 6070. 859

林地0. 9990. 5570. 4330. 3251. 7260. 251

导水率/mm ·min -

　注:导水率指水势j 0为-10mm 时的土壤导水率。

通常, 在相同的土壤和供水情况下, 最初入渗率主要由土壤湿润程度决定, 如果开始入深时土壤较为湿润, 在湿润前锋的吸力梯度小, 最初入渗速率较低, 随后入渗速率降低也较缓慢。如开始入渗的土壤干燥, 吸力梯度大, 则最初入渗速率较高, 以后随时间延长入渗速率降低也快。从表1可知, 草地的初始含水量较高, 所以其最初入渗速率较低。此外, 由于草地表面有一层较细较干的有机物, 透水性较差, 影响最初入渗, 导致最初入渗速率偏低。

随着入渗的进行, 草地和林地最先接近稳定入渗(见图2) , 至30min 时, 各利用方式土壤基本达到稳定入渗。稳定入渗率大小顺序为:果园>农地>灌木>草地>林地。

从终止含水率和孔隙度测定结果可知, 入渗结束时, 农地和灌木地的充水孔隙占总孔隙的80%以上, 草地、果园和林地的充水孔隙比例在90%以上。说明此时土壤已接近饱和。

2. 2　不同利用方式土壤的入渗特征

在本试验条件下, 不同利用方式土壤的入渗特性有较大差异(见表3) 。就入渗率而言, 果园的最初入渗率(开始3min 平均入渗率) 最大, 是林地的3倍, 草地的5倍。尔后, 农、果、灌、林的土壤入渗率迅速下降, 入渗15min 时, 降幅分别为36. 7%、46. 2%、36. 9%和44. 2%。而草地的入渗率则增加了67%。入渗15～30min 期间, 各利用方式土壤入

土壤吸水率是基质势的反映, 基质吸力是由于

水对土壤颗粒表面和毛管孔隙的物理亲和形成的。有效孔径与土壤水吸力呈反比, 孔隙愈小则土壤水吸力愈大。从表2可见, 农地和果园的土壤有效孔径较小, 所以其土壤吸水率较大。这也是农地和果园土壤最初入渗速率较大的原因之一。

对入渗过程的拟合结果表明, 各利用方式下土壤入渗率随时间的变化具有显著的幂函数关系(图2) (y 农地=2. 9186x -0. 326, R 2=0. 916; y 果园=

图2　不同利用方式土壤入渗率

Fig . 2　Soil infiltr atio n rate in diffe rent la nd use types

　第4期许明祥等:圆盘入渗仪法测定不同利用方式土壤渗透性试验研究

-0. 3129

57

2. 6922x

2

, R =0. 7625; y 灌木=1. 8321x

-0. 364

2

-0. 0975

2-0. 2416

,

　　从表4可以看出, 用双环法测定的不同利用方式土壤的入渗率与用入渗仪法测定之结果(表3) 有类似的规律。但从入渗15～30min 期间, 双环法测定的平均入渗率下降幅度与入渗仪法所测结果有所不同, 双环法测定的农地、草地、果园、灌木、林地入渗率分别下降37. 8%、41. 9%、13. 6%、23. 4%、24. 9%。

表4　不同利用方式土壤的入渗率(双环法) Table 4　Soil infiltra tion ra te in differe nt land use types(measured by double ring s)

土地利用类型开始15min 平均入渗率开始30min 平均入渗率

稳定入渗率

农地8. 195. 091. 24

草地4. 372. 541. 00

果园5. 214. 501. 63

R =0. 8321; y 林地=0. 6937x y 草地=0. 6383x

2

, R =0. 8097;

, R =0. 7014) 。

导水率是土壤渗透性研究中重要的物理参数之一。在相同的供水条件下, 导水率的影响因素是土壤

孔隙的几何形状(孔隙度、孔隙大小分布及弯曲度) 。在本试验条件下, 灌木地的土壤导水率最大, 其次是草地和果园, 农地的较小, 林地最小。灌木地的导水率是农地的1. 5倍, 是林地的3倍多; 草地和果园的土壤导水率是农地的1. 2倍, 是林地的2. 8倍。

以上试验结果是就表层0～30cm 土壤而言, 对于深层土壤, 结果可能会有所不同。此外, 在本研究中, 林地的稳定入渗率及导水率均为最低, 这是因为所测的林地在试验站内, 表层土壤几乎无有机质累积, 且土壤紧实(容重最大, 为0. 992g /cm) , 其测定结果不具有广泛的代表性。

试验中所测定的导水率是水势j 0为-10m m 时上层土壤(传导层) 的导水率。在淹水条件下的均质土壤中, 它接近于饱和导水率。2. 3　不同方法测定结果比较

3

mm ·min -1

灌木3. 542. 771. 41

林地1. 851. 390. 47

回归分析结果表明, 两种方法测定的入渗率结果具有显著的线性相关性(图3) 。说明圆盘入渗仪法适合于黄土丘陵区各种利用类型土壤的入渗测

定。但由于本试验中双环法所测的样点数较少, 回归分析结果仅作定性分析之参考, 两种方法测定结果之定量关系尚需进一步研究

。

图3　两种方法测定的入渗率相关性

Fig. 3　Co r rela tio n o f infiltr atio n ra te mea sur ed using two methods

3　结　论

1) 在本试验条件下, 土壤不同利用方式下土壤孔性有明显差别。土壤有效孔径以灌木地最大, 为农

地的5. 7倍, 果园的3. 5倍; 其次为林地和草地, 为农地的4倍多, 果园的2. 5倍多。相对于灌木地和草地, 农地和果园的土壤水入渗受土壤毛管的影响更大。

2) 不同利用方式土壤的入渗特性有较大差异。果园的最初入渗率最大, 是林地的3倍, 草地的5倍。稳定入渗率大小顺序为:果园>农地>灌木>草地>林地。在本试验条件下, 灌木地的导水率是农地的1. 5倍, 是林地的3倍多; 草地和果园的土壤导水率是农地的1. 2倍, 是林地的2. 8倍。

3) 两种方法测定的入渗率结果具有显著的线性相关性。说明圆盘入渗仪法适合于黄土丘陵区各种利用类型土壤的入渗测定。该法省力、省水、省时、准确, 对于测定表层0～30cm 土壤的入渗特性有很大的优越性。

致谢:本文得到蒋定生研究员的指正, 在此表示衷心感谢。

[参　考　文　献]

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农业工程学报2002年　

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Experimental Study on Soil Infiltration Characteristics

Using Disc Permeameter Xu Mingxiang , Liu Guobin , Bu C hongfeng , Jia H aiyan

(Institute of Soil and Water Conservation , Chinese Academy of Sciences and Ministry of W ater Resources ,

N orthw estern Sci -Tech University of Agriculture and Forestry , Y angling 712100, China )

Abstract :

A new kind o f soil infiltratio n m easurem ent method in field, i. e. , disc perm eam eter, w as

introduced in this paper . Soil infiltratio n characteristics of different la nd use ty pes in the lo ess hilly -g ullied a rea w ere studied using this new m ethod and traditional double ring s m ethod . The adv antag es a nd disadva ntages of these two methods w ere also co mpa red. The result sho w ed tha t the characteristics of soil pore and infiltration w ere o bvio usly different with different land use types in the co nditio n of the ex periment . Shrub la nd had the highest soil cha racteristic m ean pore size , w hich w as 5. 7times of that in cropland and 3. 5times of that in o rchard. Co mpa red with shrub land, soil cha racteristic m ean po re size in w oo dland and g rassla nd w as in the nex t place, which w as 4times of cropla nd and more than 2. 5times of o rchard. Orchard has the highest infiltra tio n rate, w hich w as 3times of w oodland a nd 5tim es of g rassland . The sequence of stable infiltratio n rate in different la nd use types w as orcha rd >cropland >shrub la nd>g rassla nd>w oodland. The soil hydraulic conductivity in sh rub land was 1. 5times o f cropla nd and 3tim es of w oodla nd. The soil hydraulic conductiv ity in g rassland and o rchard was 1. 2times of cropland and 2. 8times o f w oodland . The results on soil infiltration ra te measured using these tw o methods had sig nificantly linear co rrela tio n . The ex perimental result show ed that disc permeameter w as suitable fo r soil infiltration measurement in different landuse types in the loess hilly -gullied area. The new m ethod had g rea t advantag e in measuring topsoil infiltratio n o f 0～30cm w ith its merit o f labour saving, w ater saving, time saving and accuracy .

Key words :soil infiltra tio n cha racteristics; disc perm eameter; la nduse ty pes

~

相关要点总结：

17379827103：什么是土的渗透性
蒯狄答：稳定入渗率大小顺序为：果园>农地>灌木>草地>林地。灌木地的导水率是农地的 1.5倍，是林地的3倍多；草地和果园的土壤导水率是农地的1.2倍，是林地的2.8倍。两种方法测定的入渗率结果具有显著的线性相关性。说明圆盘入渗仪法适合于黄土丘陵区各种利用类型土壤的入渗测定。不同利用方式土壤的孔性...

17379827103：土地渗透有哪几种基本方法?分别是什么?
蒯狄答：3、地表漫流系统：地表漫流系统适用于渗透性的黏土或亚黏土，地面的最佳坡度为 2％-8％。废水以喷灌法或漫灌法有控制地在地面上均匀地漫流，流向设在坡脚的集水渠，在流动过程中少量废水被植物摄取、蒸发和渗入地下。地面上种牧草或其他作物供微生物栖息并防止土壤流失，尾水收集后可回用或排放水体。4...