本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第4期“水土保持科学与工程”栏目。
横坡垄作系统中雨水/灌溉水易在垄沟低洼处积聚, 诱发积水入渗, 使入渗特性有别于传统耕作系统。基于横坡垄作垄沟内积水特征, 采用室内土柱供水实验, 以层状棕壤为研究对象, 分析5个积水深度(2、4、6、8和12 cm)下入渗率、湿润锋运移动态变化, 并利用修正的Green-Ampt模型对积水入渗过程进行模拟。
横坡垄作可拦蓄雨水，增加就地入渗、减少地表径流和土壤流失，成为在东北黑土区、北方土石山区、南方红壤丘陵区等区域被广泛采用的耕作措施；但是，横垄坡地起垄时，垄沟方向会偏离等高线，易形成较低的垄沟区域，可诱发垄沟内雨水汇聚。横坡垄作坡面垄沟内积水的产生可形成积水入渗，且积水深度随降雨历时/灌溉呈动态变化，致使土壤水分入渗速率随之变化。同时，进行人工或采用犁耕、小型机械进行横坡垄作作业时，垄沟尺寸难以统一，且作物对垄结构要求也不尽相同，使降雨/灌溉过程中积水深度在不同垄作结构下有所差异。然而，前期针对积水深度对入渗特性的影响未达成有效共识。有学者认为积水深度的大小不仅影响土壤表面的孔隙度，改变入渗界面处的土壤微结构和压力势，还可变化入渗水头，致使土壤水分入渗率增加或减弱；但部分学者认为积水深度变化对入渗特性无明显影响，或积水深度在一定范围内才能显著影响入渗特性；因此，在将垄沟内积水深度动态变化下的入渗过程解离为多个恒定水头下积水入渗过程基础上，深入研究入渗特性对积水深度的响应，成为揭示横坡垄作措施下积水入渗机制的关键。
为定量评价土壤水分入渗性能，国外学者基于土壤水分入渗过程，建立Kostiakov、Philip、Horton、Green-Ampt等入渗模型。其中，Green-Ampt模型因模拟精度高而得到广泛应用。最初，Green-Ampt模型主要适用于模拟干燥土体在薄层积水时的入渗过程。后期，国内外学者根据研究对象的特异性，对Green-Ampt模型进行相应的修正，使其在盐碱土、层状土(层状夹砂、夹黏)、含水量变化的均质土等土壤水分入渗过程模拟方面得到应用。此外，修正Green-Ampt模型还在变水头积水入渗方面得到了一定尝试，但还不够成熟；因此，笔者以横坡垄作措施下积水特征为切入点，基于室内土柱供水试验，在明晰不同积水深度下层状棕壤水分一维入渗特性基础上，建立积水入渗修正Green-Ampt模型，旨在为积水入渗量的估算提供途径，为横坡垄作措施的合理应用以及农业生产水分管理提供理论支撑。
1) 积水入渗过程可划分为耕层、过渡和犁底层入渗阶段：耕层阶段，入渗率急剧下降后趋于稳定；过渡阶段，入渗率稳定一定时段后逐渐降低；犁底层阶段，入渗率趋于稳定。
2) 积水深度12、8、6和4 cm下的初始入渗率较积水深度2 cm增加31.0%~73.1%，稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量分别增加40.2%~97.8%、29.9%~120.5%和15.8%~31.0%；入渗参数与积水深度之间符合幂函数关系。
3) 积水深度的增加加快了湿润锋的运移；不同积水深度下湿润锋的运移速率均在耕层阶段急剧降低，过渡阶段运移速率波动减小，犁底层阶段运移速率接近某一常数。
4) 在建立积水深度与饱和导水率间呈线性正相关关系基础上(Ks(h)=0.092h+0.76)，明确湿润锋处的土壤吸力(25.61 cm)，进而构建积水入渗修正Green-Ampt模型。
入渗率和累积入渗量动态变化
入渗参数与积水深度间的关系
湿润锋运移动态变化
不同积水深度下入渗率与湿润锋深度倒数间的关系
不同积水深度下的入渗参数
不同积水深度下的土壤饱和导水率(Ks)和湿润锋处的吸力(Sf)
亓益品, 窦永辉, 王亚楠, 肖培青, 安娟. 横坡垄作措施下层状棕壤的积水入渗特征及其模拟[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(4): 59-67. DOI: 10.16843/j.sswc.2022055.
QI Yipin, DOU Yonghui, WANG Yanan, XIAO Peiqing, AN Juan. Ponding infiltration characteristic and its molding simulation for layered brown soil in contour ridge system[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(4): 59-67. DOI: 10.16843/j.sswc.2022055.
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