Water Infiltration and Simulation of Typical Loess-developed Soils Affected by Soil Internal Forces

Abstract

水资源短缺是黄土高原地区农业生产和生态环境建设中遇到的主要限制因子。 土壤水分入渗作为地表水转化为土壤水的一个重要过程， 不仅决定着土壤对雨水和灌溉水等有限水源的利用程度，而且也深刻影响着地表径流和土壤侵蚀强度。 土壤水分入渗特性受到土壤内外部许多因素的影响。其中团聚体稳定性是影响土壤水分运动的重要因素。 新近的研究表明， 介观尺度土壤颗粒间的内力作用（包括静电斥力、分子引力和水合斥力） 可高达数百个大气压， 是土壤团聚体破碎的主要推动力。 而团聚体的破碎将会改变土壤孔隙状况，进而对土壤水分运动产生影响。然而目前有关土壤颗粒间内力作用对土壤水力性质的影响研究尚且较少，且考虑颗粒间内力作用后经典水分入渗模型的适用性还有待进一步验证。因此，本研究选取四种典型的黄土母质发育土壤（黑垆土、黄绵土、褐土和塿土）为研究对象，通过理论计算与试验验证相结合的方法，探究土壤内力作用对土壤水分入渗过程的影响，并采用经典土壤水分入渗模型和水分特征曲线模型进行拟合， 验证并比较分析了模型的适用性。 本研究取得以下结果： （1） 定量获取了几种典型黄土内力作用大小及分布特征。 随着电解质浓度的降低， 四种供试土壤的表面电位（绝对值）、表面电场强度增大，静电斥力、DLVO 力和净作用力皆不同程度地增大。土壤颗粒间的内力作用皆随相邻颗粒间 距离的增加而减小。 净作用力仅在浓度为 1 mol&middot;L-1 时出现净吸引力。 黑垆土、黄绵土、褐土和塿土的临界电位分别是-211.9、 -203.6、 -223.3 和-232.6 mV。对应的临界浓度都约为 0.01 mol&middot;L-1。 当颗粒表面电位大于该临界值，以颗粒间距离 2 nm 为例， 颗粒间净作用力均保持不变；而当电位小于该临界值时，随土粒表面电位的增加颗粒间净作用力增加。这表明，土粒间内力作用随体系电解质浓度减小， 电位的增大将表现出先增大而后减小的趋势。 （2） 系统研究了不同内力作用下土壤水分入渗特性。 随着电解质浓度的降低，土壤颗粒间净斥力作用的增强， 水分入渗速率降低，湿润锋运移速度降低，土壤水分累积入渗量减少。 其中电解质浓度 0.01 mol&middot;L-1 是控制水分运动的临界浓度。 当电解质浓度低于临界浓度时， 水分入渗速率、 湿润锋运移速度等参数不再随电解质浓度而发生变化； 而当电解质浓度高于临界浓度时， 随浓度的增大，水分入渗速率、湿润锋运移速度、水分累积入渗量均增加。Kostiakov 模型和 Philip模型均可对累积入渗量随测定时间的变化情况进行较高程度地拟合， 其中Kostiakov 模型的拟合效果更好。 （3）探讨了不同内力作用下土壤持水性能的变化。随着电解质浓度的降低，净斥力作用增强，土壤饱和导水率减小，土壤持水能力增强。 van Genuchten 模型和 Gardner 模型皆能较好地拟合四种土壤不同内力作用下的水分特征曲线， 总体分析， Gardner 模型对不同内力作用下的水分特征曲线变化拟合效果更好。 &nbsp;</p