利用圆盘入渗仪测定不同土地利用类型土壤吸渗率.pdf

第 30 卷 第 18 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.18 2014 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2014 151 利用圆盘入渗仪测定不同土地利用类型土壤吸渗率 佘冬立 1,2，高雪梅1，房 凯3 （1. 河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098； 2. 河海大学水资源高效利用 与工程安全国家工程研究中心，南京 210098； 3. 江苏省宿迁市水务局，宿迁 223800） 摘 要：探讨利用圆盘入渗仪测定不同利用类型土壤吸渗率的适用性，该文选用盘径分别为 10 和 20 cm 的圆盘 入渗仪对 3 种利用土壤（菜地、草地和茶园）在 0、3、6、9 cm 4 个压力水头下的吸渗过程进行测定。研究 以 Vandervaere 法为参考方法，对 Philip 法、Haverkamp 三维吸渗法、Haverkamp 三维吸渗改进法的适用性进行 比较分析。结果表明：吸渗率的不同计算公式所适应的吸渗过程时间尺度不同，且 Haverkamp 三维吸渗法所得吸 渗率值与参考方法最接近。盘径对吸渗率测定差异的影响不显著。除 0 cm 压力水头外，不同利用类型土壤吸渗 率差异显著，且不同压力水头下测得 3 种土壤吸渗率大小排序不同。当压力水头为9 和6 cm 时，菜地吸渗率 （0.0104 和 0.0119 cm/s0.5）显著高于茶园（0.0017 和 0.0025 cm/s0.5） （P0.05） ；当压力水头为3 cm 时，茶园吸 渗率（0.0370 cm/s0.5）显著高于菜地和草地（0.0147 和 0.0132 cm/s0.5） （P0.05） 。该研究可为南方丘陵区土壤水 力参数的测定提供理论依据。 关键词：模型；土壤；土地利用；圆盘入渗仪；计算方法；吸渗率 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.18.019 中图分类号：S151.9+2 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-18-0151-08 佘冬立，高雪梅，房 凯. 利用圆盘入渗仪测定不同土地利用类型土壤吸渗率J.农业工程学报，2014，30(18)： 151158. She Dongli, Gao Xuemei, Fang Kai. Measurement of soil sorptivity rate under different land uses by disc infiltrometerJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(18): 151158. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 土壤吸渗率是土壤依靠毛管力吸收或释放液 体能力的一种量度1-2，是土壤水力学重要参数之 一。准确测量和计算土壤吸渗率不仅有助于促进土 壤非饱和带水分运动过程理论研究，同时可为合理 确定农田灌排技术参数提供科学依据。目前，测定 吸渗率的方法很多，但大多计算繁琐，往往需要测 定其他导水参数才能得到吸渗率。最传统计算吸渗 率的方法是 Philip 一维吸渗法，但此方法受入渗时 间影响大， Hu 等3在沙壤土上的研究结果表明对于 圆盘直径为 5 cm 而言，入渗时间为 826 s 才能得 到较为接近实际的吸渗率值，因此在实际操作过程 中难以控制如此短时间的测定过程；同时，因为忽 略了重力和侧向毛管力的作用，Philip 一维吸渗法 测定的吸渗率比实际偏大4-5。 基于此， 相关学者始 终在努力探索获取准确土壤吸渗率的方法，而圆盘 入渗法由于测定快速，且便于土壤水力参数的田间 收稿日期：2013-12-29 修订日期：2014-09-16 基金项目：国家自然科学基金（51109063，41471180） 作者简介：佘冬立（1980） ，男，湖南望城人，博士生导师，主要从 事农田水土过程与侵蚀控制研究。南京 河海大学水利水电学院， 210098。Email：shedongli 农业工程学会会员：佘冬立（E041200592S） 原位测定，逐渐受到关注。 圆盘入渗仪是基于负水头田间定量测定土壤 水力特性的仪器6-8， 可用于确定土壤吸渗率、饱和 导水率和宏观毛管上升高度以及导水孔隙度等水 力参数。根据 Angulo 等9对盘式入渗法研究的综 述，圆盘入渗仪将成为未来田间测定表层土壤水力 参数的重要手段。在 Philip 吸渗法的基础上，一些 专家发展了利用圆盘负压测定确定土壤吸渗率的 模型。这些模型建立的基础均是累积入渗量与时间 平方根的函数关系，其所得吸渗率值与真实值更接 近10。Minasny 等10对测定吸渗率的方法进行了总 结， 大致有 5 种方法 （Philp 公式、 Haverkamp 公式、 Smiles 公式、Haverkamp 改进公式和 Vandervaere 公式） ，并指出无论是何种土质以及是否在铺砂条 件下使用圆盘入渗仪， Vandervaere 法确定的吸渗率 值均与实际值最接近。付秋萍等1-2利用圆盘入渗 仪，以 Vandervaere 法为参考，发现 Haverkamp 公 式计算得到的吸渗率值最接近参考吸渗率。由于不 同的计算模型基于不同的假设，也就有一定的适用 范围。同理，除计算方法外，利用盘式负压测定扰 动土土壤吸渗率时圆盘的盘径、负压管的压力水头 等都将影响测定结果1-2, 9-10。前期相关的研究成果 主要采取扰动土通过室内模拟试验获得，研究结果 农业工程学报 2014 年 152 在野外非扰动土壤上的适应性需要进一步验证。 土地利用是人类利用土地各种活动的综合反 映，合理的土地利用可以改善土壤结构，通过影响 土壤容重和孔隙状况等影响土壤水力特性参数和 入渗过程等7。尽管目前国内外利用盘式负压测定 不同利用类型土壤水力特性的研究越来越多，但对 于不同利用类型土壤吸渗率研究的报道较少，且主 要集中在某一特定负压水平下土壤吸渗率的对比 研究11-12。在植物根系生长、土壤动物活动、人类 耕作等综合影响下，不同土地利用类型土壤结构、 孔隙分布差异显著7，而这种差异如何影响不同负 压下土壤吸渗特性和水分运动过程还有待进一步 研究。因此，在对比分析前人文献试验设计的基础 上，本研究主要针对南方丘陵区 3 种典型土地利用 类型（菜地、草地和茶园）的土壤进行 4 个（9、 6、3 和 0 cm）压力水头（9 cm 为该研究区利用 圆盘入渗仪可测定水力参数的最低压力水头） 、 2 个 不同盘径 （10 和 20 cm， 市面常用的圆盘直径类型） 的圆盘入渗试验， 运用 4 种不同的方法 （Philp 公式、 Haverkamp公 式 、 Haverkamp改 进 公 式 和 Vandervaere 公式）计算土壤吸渗率，并对此进行了 拟合比较，以期为南方丘陵区不同土地利用类型土 壤水力参数的测定和土壤水盐运移参数拟合提供 理论依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况 试验于 2013 年 7 月至 2013 年 10 月在河海大 学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点 实验室节水与农业生态试验场 （3186N、 11860E） 进行。试验区属亚热带湿润气候，冬冷夏热、四季 分明，年平均降雨量 1 021.3 mm，年平均蒸发量为 900 mm，年平均气温 15.7，最热月平均温度 28.1，年无霜期 237 d，年均日照时数 2 212.8 h。 试验区内土壤类型为黄棕壤，土壤容重为 1.2 1.35 g/cm3，土壤砂粒（0.022 mm）质量分数为 29.7%，粉粒（0.0020.02 mm）质量分数为 41.4%，黏粒（0.002 mm）质量分数为 28.9%。 选取试验区菜地、草地和茶园 3 种土地利用类型进 行圆盘入渗试验。 1.2 试验方法与设备 圆盘入渗仪由储水管、负压管和入渗圆盘组成 （图 1） 。其中，圆盘与储水管固定连接，通过橡胶 管与负压管连接控制恒定负水头，负压管根据马氏 瓶原理制作。本试验采用 2 个盘径入渗仪进行对比 研究，大入渗仪圆盘直径为 20 cm，储水管高 100 cm、直径 5 cm；小入渗仪圆盘直径为 10 cm， 储水管高 100 cm、直径为 3.5 cm。试验前将测试点 表面整平，割除地面上部植株，保留植株根部于土 壤中。经整理后的土壤表面直径为 2530 cm 和 1520 cm，分别用于大、小圆盘入渗试验。试验 时，将测点表面用尺抹平，并平铺 23 mm 左右的 细沙（0.060.2 mm） ，确保试验时盘底与土壤保持 良好接触7,13。 注：h0为盘底压力，cm；h1为负压管液面高度，cm；h2为圆盘厚度， cm；hc为大气压，cm。 Note: h0 is pressure at disc bottom, cm; h1 is liquid level of pressure regulating tube, cm; h2 is thickness of disc, cm; and hc is barometric pressure, cm. 图 1 圆盘入渗仪示意图 Fig.1 Schematic diagram of disc permeameter 选取 4 个不同负压进行单盘单压吸渗试验，负 压分别为9、6、3、0 cm。土壤吸渗过程中记录 累积吸渗量和吸渗时间。在土壤吸渗的前 4 min 每 10 s 读 1 次数， 随后 5 min 内每隔 30 s 读取 1 次数， 从第 9 分钟开始每隔 1 min 读 1 次数，直至连续相 等的时间内土壤吸渗量相等，试验停止，即视为吸 渗稳定。同时，快速移开圆盘入渗仪，铲去表层细 沙，提取表层土壤约 20 g，烘干法（105）测定 土壤含水率。试验重复 3 次。 1.3 计算方法与统计分析 1）Philip 一维水平吸渗公式1,13-16（方法 1） I = St0.5 （1） 式中：I 为定供水压力下的累积吸渗量，cm；t 为吸渗时间，s；S 为一定供水压力下的吸渗率， cm/s0.5。该公式只适合于试验前期的直线部分数据 分析。 2）Haverkamp 三维吸渗公式2,16-18（方法 2） I = St0.5+ At （2） 其中， A = 1.4K/3+0.75S2/(r0(0i) （3） 式中：K 为土壤导水率，cm/s；r0为圆盘半径，cm； 0和 i分别为初始和最终含水量，m3/m3。该公式 考虑了三维吸渗情况及其作用力，可以应用到整个 试验过程。 第 18 期 佘冬立等：利用圆盘入渗仪测定不同土地利用类型土壤吸渗率 153 3）Haverkamp 三维吸渗改进式1（方法 3） dI/dt = 0.5S/t0.5+ A （4） 该公式可应用到时间不长的试验全过程数据 分析。 4）Vandervaere 方法10, 19-20（参考方法） dI/dt0.5= S + 2A t0.5 （5） 该公式适用于实测数据为直线的情况。 1.4 统计分析 数据分析采用 Excel、SPSS13.0 和 Sigmaplot 10.0 等软件完成。 2 结果与分析 2.1 确定吸渗时间 土壤吸渗过程中吸渗时间是影响吸渗率计算 的一个重要因素。 已有研究表明10,19-20， Vandervaere 公式估算土壤吸渗率的合理时间尺度应为试验初 期的直线数据段，其在不同负压水头测定不同利用 类型土壤上不同，如图 2 所示。为确定应用其他模 型估算吸渗率的合理时间尺度，以 Vandervaere 公 式为参考， 采用 Philip 一维水平吸渗公式 （方法 1） 、 Haverkamp 三维吸渗公式（方法 2）和 Haverkamp 三维吸渗改进式（方法 3）计算了在不同时间尺度、 不同盘径、不同负压、不同土地利用类型下的土壤 吸渗率值。以各模型拟合不同测定时间段数据估算 的吸渗率结果与参考方法估算的吸渗率进行对比， 当两者之间相对误差 （吸渗率差/参考方法估算的吸 渗率值）最小时，即为此模型用于计算吸渗率时应 采用的适宜时间段。因茶园和草地上确定的各模型 估算吸渗率的合理吸渗时间尺度与菜地土壤规律 一致，图 2 以菜地为例列出了各种方法在不同时间 尺度下计算的吸渗率值。结果表明：方法 1 中各时 间尺度点计算的土壤吸渗率均高于参考方法估算 的吸渗率值，且吸渗率值随吸渗时间呈对数增长函 数关系（R20.96） ，因此方法 1 确定吸渗率的适宜 时间段在吸渗过程的前 30 s 内；付秋萍等2和 Hu 等3的研究也表明用 Philip 法确定吸渗率的合理时 间尺度集中在 30 s 之内。 Haverkamp 三维吸渗公式 （方法 2）适用于整个试验过程，土壤吸渗时间为 600 s； 而方法 3 用于计算吸渗率时应采用的适宜时 间段分布在 240 s。 a. 水头 9 cm a. Hydraulic head 9 cm b. 水头 6 cm b. Hydraulic head 6 cm c. 水头 3 cm c. Hydraulic head 3 cm d. 水头 0 d. Hydraulic head 0 注：参考方法估算土壤吸渗率的时间尺度为试验初期的直线数据段，菜地土壤9、6、3 和 0 cm 压力水头下测定吸渗率试验初期直线试验数据段 时间分别为 480、480、540 和 480 s. Note: Infiltration time for sorptivity calculation using reference method is linear data segment, which is 480, 480, 540, and 480 s, respectively, under the -9, -6, -3, and 0 cm hydraulic heads in vegetable field. 图 2 以菜地为例各种方法在不同时间尺度下计算的吸渗率值 Fig.2 Soil sorptivity of various methods under different time scales in vegetable field 农业工程学报 2014 年 154 2.2 吸渗率估算模型比较 根据 2.1 部分确定的合理时间尺度，利用上述 4 种方法计算 3 种土地利用类型的土壤吸渗率。将 拟合得到的土壤吸渗率 S、决定系数 R2以及均方根 误差（root mean square error，RMSE）列于表 1。 4种计算方法拟合得到的决定系数R2均在0.8以上， 说明这 4 种计算模型对试验测定数据都具有较好的 拟合效果。方法 1、方法 3 计算出来的吸渗率值均 显著高于参考方法计算的吸渗率值（P0.05） ，且 大部分对应的决定系数R2较方法2、 参考方法偏低， 误差较大，方法 1 计算 RMSE 在 0.187%20.47% 之间，方法 3 计算的 RMSE 误差范围为 0.141% 6.525%。由于方法 1 只适用于试验前期的部分数据 段，是在假设重力和平衡毛管力可忽略的情况下建 立起来的，很难确定一个合适的时间尺度，而时间 又是影响吸渗率的重要因素，所以，这些均会导致 其计算结果比实际偏大3-4, 21； 方法 3 适用于时间不 长的整个过程，但是受到了接触沙层的影响9。从 决定系数和均方根误差分析来看，方法 2 估算得到 的吸渗率值与参考方法最接近，无论盘径大小，方 法 2 计算吸渗率的决定系数都在 0.99 以上， 均方根 误差范围在 0.036%2.322%。 基于以上研究， 方法 2（Haverkamp 三维吸渗公式）为采用圆盘入渗仪 确定田间土壤吸渗率的较好方法，可以为精确确定 吸渗率提供一定的参考。 付秋萍等1-2通过室内圆盘 吸渗试验的结果也表明，对于砂黄土和塿土， Haverkamp 三维吸渗公式计算所得吸渗率值与参考 方法最接近。 表 1 3 种土地利用类型下 4 种方法确定的吸渗率值 Table 1 Soil sorptivity determined by four methods in soils with different land use types Vandervaere 公式 Vandervaere formula Philip 公式 Philip formula Haverkamp 公式 Haverkamp formula Haverkamp 改进公式 Improved Haverkamp formula 土地利用 类型 Land use type 盘径 Diameter of disc/cm 水头 Hydraulic heads/cmS/ (cms-0.5) R2 RMSE/ % S/ (cms-0.5) R2 RMSE/ % S/ (cms-0.5) R2 RMSE/ % S/ (cms-0.5) R2 RMSE/ % -9 0.0035 0.981 0.0770.00500.8811.3090.00360.9930.510 0.0048 0.9000.486 -6 0.0045 0.939 0.1080.01010.9103.4900.00460.9961.782 0.0052 0.9260.800 -3 0.0132 0.914 0.0780.01870.9606.1590.01300.9931.283 0.0154 0.8682.580 10 0 0.0314 0.920 0.5660.07390.91920.470.03600.9991.112 0.0410 0.8436.167 -9 0.0011 0.943 0.1140.00190.8950.3120.00130.9970.213 0.0016 0.9310.141 -6 0.0037 0.943 0.0410.00930.9760.2600.00350.9991.159 0.0042 0.8451.499 -3 0.0053 0.985 0.2110.00970.8631.9800.00520.9980.300 0.0081 0.9421.840 草地 Grass land 20 0 0.0213 0.971 0.0370.03630.8956.0280.02120.9972.139 0.0270 0.8726.140 -9 0.0017 0.930 0.1020.00290.9050.4860.00180.9982.322 0.0022 0.9380.351 -6 0.0025 0.924 0.0420.00310.9200.1870.00240.9991.281 0.0031 0.8490.606 -3 0.0370 0.941 0.2760.04160.9892.3690.03711.0000.036 0.0384 0.8905.479 10 0 0.0389 0.931 0.4810.04260.9406.1830.03910.9991.133 0.0440 0.8946.037 -9 0.0006 0.954 0.1240.00130.8800.2540.00061.0001.206 0.0010 0.9530.185 -6 0.0023 0.972 0.0190.00290.9020.2870.00220.9951.148 0.0028 0.9330.536 -3 0.0096 0.963 0.1200.02090.9121.3650.00961.0001.176 0.0134 0.9873.498 茶园 Tea garden 20 0 0.0233 0.936 0.0540.02890.9457.4960.02600.9961.046 0.0368 0.8525.059 -9 0.0104 0.921 0.0980.01210.9411.1180.01060.9981.083 0.0106 0.8791.583 -6 0.0119 0.938 0.6840.01520.9990.2810.01180.9961.002 0.0122 0.9381.683 -3 0.0147 0.973 0.2850.02390.9393.2910.01451.0000.258 0.0158 0.9073.019 10 0 0.0265 0.930 0.0770.03850.9513.5290.02651.0000.225 0.0293 0.9035.469 -9 0.0014 0.906 0.1050.00230.8920.5510.00160.9980.684 0.0020 0.9420.372 -6 0.0019 0.947 0.0210.00290.9320.3800.00180.9990.341 0.0028 0.9710.815 -3 0.0024 0.924 0.1560.00690.8202.1130.00221.0000.943 0.0036 0.9522.534 菜地 Vegetable field 20 0 0.0038 0.953 0.0550.01480.8363.3150.00380.9990.232 0.0045 0.9636.525 注：R2指决定系数；RMSE 指模型计算的均方根误差；S 为一定供水压力下的吸渗率，cms-0.5。 Note: R2 is determination coefficient; RMSE is root mean squared error; S is soil sorptivity at a defined hydraulic pressure, cms-0.5. 2.3 盘径对不同土地利用类型土壤吸渗率的影响 为了便于与前人研究进行比较，在分析盘径对 土壤吸渗率的影响时，应用参考方法 Vandervaere 公式计算吸渗率值。因各负压下 2 种圆盘测定的不 同土壤中吸渗量与时间的关系相似，故仅以 0 负压 为例进行说明。3 种土地利用类型下 2 种盘径圆盘 测定的吸渗量与时间的拟合决定系数均大于 0.92 （表 1） ， 说明不同盘径圆盘实测数据均能较好地符 合 Vandervaere 公式。 但 Bristow 和 Savage21研究表 明，土壤吸渗率测定方法的适应性不仅体现在对实 第 18 期 佘冬立等：利用圆盘入渗仪测定不同土地利用类型土壤吸渗率 155 测数据有较好拟合结果，更需要得出较合理参数。 相同负压下小圆盘测得的吸渗率均比大圆盘测得 的吸渗率大，即随着盘径的增大，土壤吸渗率变小 （表 1） 。这是因为圆盘吸渗作为一个三维吸渗过 程，包括侧向和垂向 2 个方向，垂向吸渗量与圆盘 面积成正比，而侧向吸渗量则与圆盘周长存在线性 关系，所以在单位面积下，垂向吸渗量与圆盘大小 无关，而侧向吸渗量则与盘径大小成反比，盘径越 大，吸渗量越小，越接近一维条件下的吸渗过程1。 即随盘径增大，在相同时间内累积吸渗量会逐渐变 小，而吸渗率又与累积吸渗量成正比关系，所以随 着盘径的增大，吸渗率也会逐渐减小。 土壤孔隙分布对土壤吸渗特性具有较大影 响，为进一步分析盘径对吸渗率的影响，选取孔 隙分布差异性较大的茶园为例，对 2 种盘径下测定 的吸渗率进行了方差分析。不同盘径在9、6、 3 和 0 cm 等压力水头下测得的吸渗率均无显著差 异 （P0.05） 。在其他 2 种土地方式上测得的结果 均与在茶园上测得结果趋势一致。已有的研究结 果表明，不同盘径的圆盘入渗仪测定土壤水力特 性时具有不同的计算参数，但入渗仪圆盘尺寸对 于相应条件下的土壤水力参数的计算结果没有显 著影响1,22。Vandervaere 等22在其研究结果中提出 野外有风的情况下，大盘径圆盘测定水力参数更 稳定。但本试验野外测定过程中，小圆盘与土壤 表面砂层接触更紧密，且考虑到水源条件的限 制，利用小盘径圆盘进行土壤水力学性质测定， 既可以保证试验结果的精度要求，又可以有效节 约试验用水，快速方便试验测定。因此，不同盘 径入渗仪可适用于不同的野外测定条件。本研究 以下部分结果分析仅以小圆盘测定结果为例进行 探讨。 2.4 压力水头对不同土地利用类型土壤吸渗率的 影响 压力水头和土地利用类型对土壤吸渗率的影 响具有交互效应（表 2） 。在菜地土壤，压力水头对 吸渗率影响不显著（P0.05） ；在草地，压力水头 对吸渗率影响差异显著（P0.05） ；而在茶园，压 力水头对吸渗率具有极其显著的影响（P0.01） 。 这可能由于菜地上频繁的耕作扰动，使其土壤结构 破坏严重、质地较细、以小孔隙为主，小孔隙对水 流的贡献率大于大、中孔隙对水流的贡献率23，所 以土壤吸渗率的变化受压力水头的影响不显著。相 比菜地，茶园和草地土壤中大孔隙较多，且孔隙分 布不均匀，所以压力水头变化对茶园、草地土壤吸 渗率影响显著，特别是茶园中植物根系和土壤动物 活动频繁，小孔隙数量少。 在草地和茶园，压力水头高时（3、0 cm） ， 土壤吸渗率也高（表 2） 。根据毛管水理论，在土壤 水运动过程中，3、6、9 cm 水头下的吸渗将分 别排除当量半径大于 0.5、0.25、0.1 mm 土壤孔隙 中的水流。因此，根据试验的 4 个水头吸渗结果能 将土壤孔隙分为 4 个等级： 孔隙半径0.5 mm 为大 孔隙，0.250.5 mm 为中等孔隙 1，0.1 0.25 mm 为中等孔隙 2，0.1 mm 为小孔隙。在降 低压力水头的过程中，有一部分小孔隙在不断的被 排除；当越来越小的孔隙被排除时，会导致更多的 土壤孔隙丧失导水能力，从而使土壤的入渗能力降 低23。以茶园为例，当压力水头为9 和6 cm 时， 吸渗率没有显著差异， 但当压力水头变为3 cm 时， 吸渗率显著增大， 这很大可能是由于9 和6 cm 水 头之间对应的土壤孔隙在土壤导水能力中所占比 例很小，其对土壤吸渗的作用可以忽略。 表 2 各压力水头对不同土地利用类型土壤吸渗率的影响 Table 2 Effects of pressure heads on soil sorptivity under different land use 土地利用类型 Land use 压力水头 Pressure heads/cm 吸渗率 Soil sorptivity/(cms-0.5) P 值 P value -9 0.01040.0064 ab -6 0.01190.0072 ab -3 0.01470.0025 b 菜地 Vegetable field 0 0.02650.0120 a 0.650 -9 0.00350.0005 bc -6 0.00450.0020 bc -3 0.01320.0055 b 草地 Grassland 0 0.03140.0110 a 0.011 -9 0.00170.0006 c -6 0.00250.0006 c -3 0.03700.0087 a 茶园 Tea garden 0 0.03890.0031 a 0.003 注：数据表示为平均值（标准差）；相同字母表示相同压力水头下不 同土地利用类型之间土壤吸渗率差异不显著（P0.05） 。 Note: Data are mean standard deviation; Means with same letter are not significantly different (P0.05) with respect to land uses at each pressure head. 在某一个压力水平下（除 0 外） ，不同土地利 用类型对土壤吸渗率的影响存在显著差异（P 0.05） ；当压力水头为9 和6 cm 时，菜地吸渗率 （0.0104 和 0.0119 cm/s0.5） 显著高于茶园 （0.0017 和 0.0025 cm/s0.5）（P0.05） ； 当压力水头为3 cm 时，茶园吸渗率（0.0370 cm/s0.5）显著高于菜地 和草地（0.0147 和 0.0132 cm/s0.5） （P0.05） 。这 可能与不同土地利用类型下土壤孔隙分布差异有 关11,24-27。菜地含有较多的小孔隙，且土壤含水率 较低，因此在压力水头较小的时候，菜地比茶园和 草地的吸渗率大；而随着压力水头增大，茶园和草 地的吸渗率增大，主要由于茶园和草地的土壤结构 农业工程学报 2014 年 156 较好，大孔隙较多，因此在高压力水头情况下，土 壤吸渗速率增加，特别是茶园土壤有机质含量高， 土壤结构好，植物根系和土壤动物活动使得茶园土 壤大孔隙相对较多，故土壤在3 和 0 cm 水头下保 持较高的吸渗率。由此可知，土地利用是影响土壤 结构变化的重要因素之一，从而影响各级土壤孔隙 对水流的贡献率（从而影响不同压力水头下土壤吸 渗率） ，特别是通过对大孔隙的形成（植物根系与 土壤动物活动等）和土壤小孔隙（耕作扰动等）结 构比率的影响来影响土壤水分运动参数12,28。因 此，在实际应用中，通过对不同负压水头下各土地 利用类型土壤吸渗率的测定，不仅可以对不同利用 土壤孔隙结构的发育与演变规律进行反向评估，为 研究区的作物生长和土壤质量的保育提供基础资 料，还可以为该研究区合理确定农田灌排技术参数 提供科学依据。 3 结论与讨论 本文采用 2 种不同直径（10 和 20 cm）的圆盘 入渗仪测定了菜地、茶园、草地 3 种土壤的吸渗过 程，主要结论如下： 1）土壤吸渗率的不同计算公式所适应的吸渗 过程时间尺度不同。Philip 一维水平吸渗公式最佳 时间宜选在吸渗过程的前 30 s 以内， Haverkamp 三 维吸渗法适合于整个吸渗过程，Haverkamp 三维吸 渗改进方法最佳时间尺度为 240 s。 相对于参考方法 Vandervaere 公式， Haverkamp 三维吸渗公式为采用 圆盘入渗仪确定田间土壤吸渗率的较好计算方法； 2）圆盘直径对土壤吸渗率测定结果的影响不 显著（P0.05） ，从试验测定的方便程度考虑，小 盘径圆盘更适合用于取水困难条件下野外测定土 壤吸渗特性参数； 3）土壤吸渗率受压力水头和土地利用的交互 影响。 吸渗率随压力水头的增大逐渐增大， 菜地土 壤中各压力水头下吸渗率差异不显著（P0.05） ， 而草地和茶园土壤中各压力水头下测定的吸渗率 差异显著（P0.05） 。在茶园和草地，当压力水头 为9 和6 cm 时，菜地吸渗率显著高于茶园；当 压力水头为3 cm 时， 茶园吸渗率显著高于菜地和 草地。 因此，在实际应用中，通过对不同负压水头下 各土地利用类型土壤吸渗率的测定，不仅可以对不 同利用土壤孔隙结构的发育与演变规律进行反向 评估，为研究区的作物生长和土壤质量的保育提供 基础资料，还可以为该研究区合理确定农田灌排技 术参数提供科学依据。由于土壤吸渗率具有较大的 空间变异性，田间测定需要更多的重复，以获得更 真实可靠的试验结果；同时，由于不同利用类型土 壤在不同负压下的吸渗率存在差异，在进行特定研 究时需要进行大量的测定工作来获取相应的吸渗 率参数。本研究也表明，圆盘入渗测定吸渗率主要 通过入渗初期的数据来确定，吸渗过程中需要快速 准确地读取储水管中的水位，而人工的读数常常影 响试验结果的精确性。因此，进一步的研究需要开 发能够自动监测水位变化的圆盘入渗仪，提高试验 的测定精度，并可加快试验进程，节约试验成本和 劳力。 参 考 文 献 1 付秋萍， 王全九， 樊军. 盘式吸渗仪吸渗率计算方法比 较J. 农业机械学报，2009，40(9)：5662. 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