土壤质地对冻融土壤入渗特性的影响

冻融土壤入渗特性试验针对三种质地的土壤进行。各种试验土壤的级配曲线见图2-10～图2-12。文水县山西省中心灌溉试验站（以下简称中心站）土壤粘粒含量为36%，较粘重；平遥宁固和北长寿土壤粘粒含量都为13%，但宁固土壤由于其粉粒的差异属于壤土质地，而北长寿土壤则属于砂质壤土质地。试验土壤的其他物理参数见第二章试验土壤条件。土壤质地对冻融土壤入渗特性的影响试验在不同年份越冬期自然土壤含水率、自然冻融条件下进行。在我国北方的季节性冻土区，尽管各年秋后土壤含水率有一定的差异，但因从秋后到土壤冻结的较长时间内，雨量小，蒸发强烈，致使越冬期间的土壤含水率差异不大。分析认为在不同年份越冬期内进行的入渗试验可近似反映不同质地土壤的入渗特性差异。

图4-17为三种质地不同土壤结构条件下，非冻结（A—C）和冻结（A′—C′）土壤累积入渗曲线比较图；图4-18为越冬期三种质地不同土壤结构条件下90 min累积入渗量随冻融历时的变化过程线。表4-3为越冬期土壤质地对土壤入渗能力影响对比表。试验结果表明：

1.土壤质地对冻融土壤入渗能力的影响明显

图4-17A、B、C为三种质地土壤不同耕作条件、非冻结状态下的累积入渗量过程线。可以看出无论那种耕作条件，土壤质地都对土壤入渗能力产生影响，土壤质地由轻变重，土壤入渗能力减小。图4-17A′、B′、C′所示为相应土壤冻结状态下的累积入渗过程线。可以看出冻结土壤条件下，土壤质地对土壤入渗特性的影响仍然明显。其影响趋势与非冻结土壤相似，土壤质地由轻变重，土壤入渗能力减小。

2.越冬期土壤质地对冻融土壤入渗能力的影响相对稳定

其相对稳定性表现在：①越冬期间轻质土壤的90 min的累积入渗量曲线始终位于重质土壤之上，表明土壤质地对土壤入渗能力的影响趋势不因土壤的冻结而改变；②越冬期间不同质地土壤的90 min累积入渗量曲线近似平行，表明在越冬期的整个冻融过程中，土壤质地对土壤入渗能力的影响不随土壤冻结阶段的变化而变化；③在融化阶段后期，不同质地累积入渗曲线间的距离有所增大，但各种耕作条件下其质地的影响趋势是一致的。曲线间距离增大与融化阶段后期土壤水分蒸发强度增大有关。轻质土壤地温升温快，解冻深度大，保水能力差，地表土壤含水率降低速度快，致使土壤入渗能力的增加速度大于重质土壤。冬小麦地偏离量的原因是由于轻质土壤（北长寿）的各次试验地块相距较远，土壤条件的空间变异性大一些。

表4-3 土壤质地对冻融土壤入渗能力影响对比表

3.土壤质地对越冬期间土壤入渗能力的相对下降量有影响

从图4-18可以看出，越冬期间随着土壤冻融过程的进行，不同质地土壤的入渗能力都遵循二次多项式关系变化，每年的1月上旬或中旬土壤入渗能力最小。现定义越冬期开始时的土壤入渗能力与越冬期间最小入渗能力的差值为年较差，年较差值与越冬期开始时的入渗量的比值则为入渗能力的相对降低值。试验土壤、气候条件下不同质地、结构土壤入渗能力（以90 min的累积入渗量为指标）的年较差和相对下降值见表4-3。从表4-3可见，尽管各种土壤入渗能力的年较差值无规律变化，但其相对降低值表现出一定的规律性，重质土壤的入渗能力的相对降低值大于轻质土壤。未耕地条件下，中心站粘粒含量为36%的壤土的相对降低值为67%，而质地较轻的宁固土壤为43.2%。秋耕地条件下，中心站壤土的相对降低值为49.3%，而宁固土壤为42.2%。

土壤质地是土壤固相物质各粒级土粒的配合比例，它通过对土粒的表面能、土壤孔隙尺度和分布的影响，对土壤水分运动的驱动力和水力传导度产生影响，进而影响到土壤的入渗能力。土壤质地越重，粘粒含量越高，颗粒越细微，固体相比表面积越巨大，表面能越高，吸附能力越强，粒间孔隙越小，吸水、保水性能越强。一般地讲，由于重质土壤孔隙比轻质土壤细小，相同土壤结构、含水率和水势梯度条件下，其水力传导度小于轻质土壤。因此，重质土壤的土壤入渗能力小于轻质土壤。

冻结条件下，土壤中部分液态水相变成冰并膨胀，占据部分土壤孔隙，使土壤孔隙变小，导致土壤水力传导度的减小。土壤的冻结，对于轻质土壤，相对大的孔隙变小，对于重质土壤而是使相对较小的孔隙变得更小，使轻质和重质土壤的水力传导度朝小的方向变化。因此，土壤的冻结对不同质地土壤入渗能力都有影响，且具有一致的影响趋势。

前人的研究表明：相同负温和含水率条件下，重质土壤的未冻水含量要比轻质土壤的大。这意味着土壤冻结对重质土壤入渗能力的影响小于轻质土壤，但在大田土壤自然含水率和自然冻结条件下，重质土壤的含水率要比轻质土壤高得多，尽管其单位含水率的相变率较轻质土壤小，但其绝对相变量要比轻质土壤大。此外，重质土壤的孔隙比较细小，即使相同的相变量，冻结水对孔隙的减小和阻塞影响要比轻质土壤大。上述各因素综合作用的结果是土壤冻结对重质土壤入渗能力的影响要大于轻质土壤。因此，越冬期间重质土壤入渗能力的相对降低值要大于轻质土壤。

图4-17 土壤质地对冻融土壤入渗能力影响

图4-18 土壤质地对冻融土壤入渗能力影响图