摘要：入滲是土壤的基本物理性狀，與降雨產(chǎn)流、侵蝕、非點源污染等過程密切相關(guān)，快速、準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)、圓盤測定的飽和導水率分別為Hood的65.8%，75.1%和105%，雙環(huán)、單環(huán)、圓盤達到穩(wěn)滲時間分別為100，80和30min。說明圓盤測得的穩(wěn)滲速率、飽和導水率接近標準值，而且省時省力省水，更適合于野外實驗。

        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。因此認識黃土高原的土壤入滲特征對于洪水預報和土壤侵蝕預測預報，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)法被認為準確的方法，實際應用多。

       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、耗時間長，為了保持雙環(huán)內(nèi)水頭深度一致，當利用雙環(huán)法測定坡地土壤入滲時，需要平整地表，這種擾動可能對測定結(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)安裝時的地表擾動自然會對試驗結(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省力又準確方便的方法來替代雙環(huán)法進行坡面土壤入滲過程的測定。

1研究區(qū)概況與實驗方法

1.1研究區(qū)概況

    中國科學院安塞水土保持綜合試驗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氣候區(qū)，年均氣溫8.8°C，年均降水量549mm，降水多以短歷時暴雨為主，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。實驗在試驗站平坦川地的大豆地內(nèi)的無雨天連續(xù)進行，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，有機質(zhì)含量為0.9%。

   1.2實驗方法

1.2.1 單環(huán)和雙環(huán)法測定方法雙環(huán)實驗的內(nèi)徑35cm，外徑50cm，高度均為18.5cm。在實驗區(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，當內(nèi)環(huán)和外環(huán)中的水層厚度達到3cm時，開始用秒表記時，并分別在0.0，0.5，1，2，3，5，7，10，15，20，25和30min及之后每10min讀取供水桶標尺刻度值，實驗過程中保持內(nèi)外環(huán)水面高度為3cm，讀數(shù)時一并讀取水溫。單環(huán)實驗用雙環(huán)的內(nèi)環(huán)來完成，實驗過程與雙環(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），由儲水管、調(diào)壓管和入滲盤組成。實驗時選擇平整樣地，去除地表作物，同時在樣地周圍用環(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，環(huán)內(nèi)鋪滿過0.25mm篩子的細沙，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，確保儲水管沒有氣泡產(chǎn)生，記錄儲水管水位初始高度，將儀器小心放在測定點，使其與沙面緊密接觸；當儲水管中產(chǎn)生氣泡時開始計時，前10次讀數(shù)時間間隔為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，直至達到穩(wěn)定入滲，讀數(shù)時一并讀取水溫。實驗結(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、導水管路、儲水管等組成。實驗時盡量選擇平整樣地，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，本實驗調(diào)出0和4cm兩個壓差。開始計時，液面每下降5mm記錄1次時間，直至觀測值達到穩(wěn)定，讀數(shù)時一并讀取水溫。以上實驗各進行3次，將3次實驗數(shù)據(jù)平均，進行土壤穩(wěn)滲速率、土壤飽和導水率的計算。

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等軟件進行。其中，為了檢驗雙環(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時累積入滲量（mm）進行Pearson相關(guān)性分析和獨立樣本T檢驗。

2 土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率、飽和導水率的計算

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），計算公式為：

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

2.2 土壤穩(wěn)滲速率

單環(huán)和雙環(huán)法計算公式為：

式中：fs———10℃標準水溫時土壤入滲速率（mm／min）；Δh———某一時段Δt供水桶讀數(shù)差值（mm）；Δt———時段（min）；T———某時段的平均水溫（℃）。

圓盤入滲儀計算公式為：

式中：D1———入滲盤的有效直徑（cm）；D2———儲水管直徑（cm）。

Hood入滲儀計算公式為：

式中：ｆ———橫切面面積指數(shù)，即儲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 土壤飽和導水率

土壤導水率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）———給定壓力下的導水率（mm／min）；Ks———飽和導水率（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水率計算公式。而對于單環(huán)／雙環(huán)法其飽和導水率由公式（8）計算：

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）進行計算。

對公式（7）兩邊取對數(shù)：

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

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行計算分析，得到入滲性能比較（表1），同時根據(jù)過程點數(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、飽和導水率和達到穩(wěn)定的時間，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致的。

      穩(wěn)滲速率是反映土壤滲透性能的主要指標，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)的時空變異及計算公式的不同；用Hood儀法測定土壤入滲時存在很大的側(cè)滲現(xiàn)象，從而導致Hood入滲儀測定的穩(wěn)滲速率為雙環(huán)的225%。

      飽和導水率是土壤滲透性能的另一種量化表述，在土壤物理學、坡面水文過程及侵蝕過程模擬中應用較為廣泛。由表1可知，由于單環(huán)／雙環(huán)、圓盤法均使用了經(jīng) 驗參數(shù)參與計算，而Hood儀法均使用實測值，所以以Hood儀值為標準，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%。

     實驗耗時是野外實驗需要考慮的比較重要的因素，由表1可知達到穩(wěn)定入滲的時間上雙環(huán)約為100min，單環(huán)約為80min，圓盤約為30min，而Hood儀考慮調(diào)壓過程總時間約為30min。綜合來看，圓盤入滲儀法在穩(wěn)滲速率和飽和導水率上均靠近標準值，而且用時短。

      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，直到實驗結(jié)束。實驗初期（20min）土壤入滲速率較大且讀數(shù)間隔短，供水桶水面波動增大了水位觀測的隨機誤差，因此單環(huán)和雙環(huán)的測定結(jié)果存在較大波動，且雙環(huán)法波動性更大。與單環(huán)和雙環(huán)入滲儀相比，圓盤入滲儀用水量很小，實驗時間短，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間的延長而增加（圖2），但受入滲達到穩(wěn)定時間（表1）的影響，不同方法間土壤累積入滲量與時間的關(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)。由于圓盤入滲儀達到穩(wěn)定的時間短，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的累積入滲量，從表中可以看出隨著時間的延長，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累積入滲量（表2）為基礎(chǔ)，進行相關(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的相關(guān)性。

對于T檢驗，“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，同時也從側(cè)面說明了圓盤入滲儀適合在黃土丘陵區(qū)進行土壤入滲測定。

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)研究成果和實驗經(jīng)驗，列舉了4種方法在用水量、實驗耗時、對地表的擾動程度、實驗誤差、實驗原理、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的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

利用實測土壤入滲數(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%，飽和導水率為Hood的105%，均接近標準值；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；圓盤法實驗耗時平均約為30min，約為雙環(huán)和單環(huán)法實驗耗時的1／3，單位面積上實驗用水僅為雙環(huán)法的1／2左右；圓盤法不擾動表土，讀數(shù)相對準確。綜合比較4種測定方法，圓盤法具有省時、省力、省水、準確等優(yōu)勢，可以替代雙環(huán)法進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 第32卷第6期 】