入渗是降水由地表进入土壤的过程，是陆地水循环的组成部分，土壤入渗性能的量化是研究水文过程的基础，对于理解和描述水文模型具有重要意义^[1]。紫色土分布在中国南方15个省区，紫色土区雨量充沛，降雨集中，土壤侵蚀模数可达5 500~1万5 000 t/(km²·a)，是我国水土流失最为严重的地区之一。测量土壤入渗性能的方法较多，对紫色土而言常用的有双环法、环刀法和圆盘入渗仪法等，其中，双环法采用的环式入渗仪因其操作过程简单，且设备成本较低成为测量土壤入渗应用最为广泛的土壤入渗性能测量仪器，但其测量结果并不具有准确性^[2]。为了提高其测量准确性，许多学者对传统的环式入渗仪进行改进^[3]，但这些改进均依赖于先进的测量技术且设备成本较高。

Germann等^[4]指出含有大孔隙或微孔隙的土壤水分入渗由基质入渗和优先流2部分构成，优先流是水分通过大孔隙进入土壤的水流，能够迅速的使入渗水分穿过土壤基质达到土壤深处。在非饱和土壤中，优先流的存在尤为普遍，目前，国内外主要采用染色示踪法^[5]、数学模型法^[6]和CT扫描法^[7]对优先流发育程度及分布特征进行定量评价，但鲜少给出优先流与基质流的定量关系。

张婧^[8]提出表置式环式入渗仪并将其应用于黄土高原林地，结果显示其不仅可以提高测量土壤入渗性能的准确性，而且可以定量区分土壤基质入渗和优先流过程，随之黄永超等^[9]将表置式环式入渗仪应用于紫色土耕层，结果显示表置式环式入渗仪在紫色土耕地也有很好的适用性。鉴于此，本试验将表置式环式入渗仪应用于沙溪庙组紫色土地表人为扰动少、自然生长杂草的地块，测量基质入渗和总入渗，通过开挖基质入渗的湿润土体判断对基质入渗的测量是否成功，通过计算基质入渗的空间变异性以验证用邻近土壤的基质入渗过程代替优先流过程计算的可行性，在此基础上分析基质入渗和优先流的定量关系，以期为紫色土的水文循环提供基础数据。

重庆位于川东平行岭谷区，沙溪庙组紫色土在该区广泛分布^[10]。北碚区为川东平行岭谷区内的典型区域，由3个背斜和向斜构成，其辖区内的歇马镇位于北碚向斜丘陵区，土壤类型为沙溪庙组紫色土^[11]；因此，本试验研究区域选择重庆市北碚区歇马镇大磨滩村(E 106°22′30.00″，N 29°45′29.53″)。研究区属亚热带季风气候湿润区，地貌形态以浅丘为主，海拔244~257 m，年平均气温18.21 ℃，1月最低日平均气温-5 ℃，7月最高日平均气温33 ℃，多年平均降雨量约1 089.8 mm。选择研究区域相对平坦，地表人为扰动少、自然生长杂草的地块作为试验地，其上杂草多为白茅草(Imperata cylindrica)，属禾本科多年生草本，长根状茎，是西南地区紫色土常见植物^[12]。

表置式环式入渗仪(外环直径为40 cm、内环直径20 cm、高10 cm)、环刀(5 cm×5 cm)、水桶、水壶(1 L)、铁锹、尺子、卷尺、橡胶锤、亚甲基蓝、细砂和细土(过0.25 mm筛)、尼龙布、5 cm×5 cm纸片、便捷式电风扇、秒表、数码相机。

本试验始于2017年6月上旬。在试验地(100 m²)选择3个试验点(A、B、C)，每个试验点地势相对平坦，间隔2 m呈等腰三角形排列，分别进行基质和总入渗的测量。根据Gupta等^[13]的试验结果，相邻土壤基质入渗空间变异性小，但为了不影响邻近入渗点土壤水分的入渗路径，本试验基质入渗点和总入渗点相隔1 m。选择试验点后，仔细捡除地表草层杂物，露出土壤表面。采用表置式环式入渗仪^[13](图 1)进行试验。

图 1(Fig. 1)

图 1 表置式环式入渗仪基质入渗(左)和总入渗(右)安装实物图 Fig. 1 Installation physical object of surface ring infiltration meters for measuring matrix (left) and total (right) infiltration

在Lassabatere等^[14]的研究中，将环定位在土壤表面上并压入土壤中1 cm以测量入渗过程；因此，本试验使用橡胶锤将高10 cm的双环轻轻地压入土壤中约1 cm，同时确保环在压入期间保持水平，安装好环式入渗仪后，在内、外环内侧贴上刻度标签(测量精度为0.1 mm)，并在双环的内外侧与地表接壤的地方使用相同的土料遮盖因压入产生的缝隙，以避免水从内环和外环泄漏。在内环的土壤表面上放置直径为30 cm的尼龙布，在内环和外环之间的土壤表面上放置内径为15 cm，外径为50 cm的圆形尼龙布。之后，将过0.25 mm筛的细土和细砂均匀混合填入内外环的尼龙布上约3 cm厚，细砂能保持较好的水力连接性^[15]。为最大限度地减少水加入环中时对细砂层的冲刷，将5 cm×5 cm纸板放在砂表面上，并以4 g/L的质量浓度混合亚甲基蓝溶液。开始试验时，将试验用水小心地倒在纸板上，亚甲基蓝溶液和清水分别倒入内环和外环中，倒入时尽可能快地将水填充到内环和外环的5 cm深刻度处，此后，用秒表记录内环中水位每下降5 mm的时间，每当水位下降到1 cm刻度处时，重新注入试验用水于内外环中，直到入渗时间在连续3次测量中没有变化视为稳渗。整个入渗过程要保证外环的水位与内环始终保持一致。用方程式(1)计算基质入渗率，采用中点赋值方式^[8]以提高测量结果准确性。基于最后3次的入渗率计算稳渗速率。

式中：i_m是基质入渗率，mm/h；Δl是Δt时间段内的内环累积入渗量，mm；Δt是入渗时间，min；60是单位转换因数。

总入渗与基质入渗的安装和测量方法基本一致，不同点在于不用在土壤表面铺细砂和细土(图 1右)。总入渗的计算与基质入渗相同。

根据土壤总入渗为基质入渗与优先流入渗之和的事实，用土壤总入渗扣除基质入渗计算得到土壤大孔隙优先流，土壤优先流区域的基质入渗由邻近土壤的基质入渗代替。土壤优先流的计算公式为

式中：i_p是优先流入渗率，mm/h；i_t是土壤总入渗率，mm/h。

入渗试验结束后立即拆卸入渗环。次日，先挖掘垂直土壤剖面，从与外环和内环所在位置相切的沟槽开始，然后在内环直径的1/4和1/2的位置，共4个垂直剖面。挖掘垂直剖面后，在剩余1/2的湿润土体中，分别在距土壤表面5、10、20和30 cm的4个深度进行水平开挖。每个剖切面显出后，用便携式电风扇清洁土壤表面以去除松散的土壤颗粒并露出观测区域，用数码相机记录垂直和水平剖切面的湿润特征，以识别由亮蓝染色示踪的任何可能的斑点。此后，在挖掘沟的另一侧，分别在0~10、10~20、20~40、40~80和80~100 cm的深度收集土壤样品，每个土壤层收集3个样品，回到试验室测量土壤性质。由于土壤特性存在空间变异性，故采用其中一个试验点3个样品平均值作为土壤理化特性参数，如表 1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 试验点不同深度土壤理化特性参数 Tab. 1 Soil physical and chemical properties of experimental sites at different depths 深度 Depth/cm 砂粒Sand/% 粉粒Silt/% 黏粒Clay/% 初始质量含水率 Initial mass moisture content/% 密度 Bulk density/(g·cm-3) 有机质 Organic matter/(g·kg-1) 孔隙度 Porosity/% 1.000~0.050 mm 0.050~0.005 mm ＜0.005 mm 0~20 28.84±1.13 53.45±1.07 17.71±0.98 19.23±0.003 1.36±0.012 10.61±0.81 48.81±0.47 20~40 25.80±1.20 56.52±0.28 17.68±0.94 18.66±0.007 1.39±0.005 8.78±0.37 47.67±0.18 40~60 23.17±1.26 56.48±0.36 20.35±0.82 18.57±0.001 1.40±0.008 6.95±0.89 47.17±0.31 60~80 22.44±1.57 56.76±0.89 20.80±0.69 17.95±0.002 1.42±0.009 1.94±0.45 46.29±0.36 80~100 21.28±1.04 56.16±0.42 22.56±0.38 17.35±0.005 1.49±0.007 0.43±0.07 43.77±0.82 平均值Mean 24.31 55.87 19.82 18.35 1.41 5.74 46.74 注：表中数据为3个样品的平均值±标准差。Notes: The data is the mean±standard deviation of 3 samples.

表 1 试验点不同深度土壤理化特性参数 Tab. 1 Soil physical and chemical properties of experimental sites at different depths

本文各项散点图绘制和入渗模型拟合采用Origin 9.0软件。

试验点(A、B、C)的土壤基质入渗率和累积入渗量如图 2所示，土壤基质初渗速率介于480.0~900.0 mm/h之间，稳渗速率介于341.4~403.2 mm/h之间，土壤平均入渗率介于416.3~513.7 mm/h之间，累积入渗量介于657.2~805.9 mm之间。3个不同试验点的基质入渗过程大致相同，表明该方法测量土壤基质入渗的可行性。

图 2(Fig. 2)

A, B, and C are the 3 experimental sites.The same below. 图 2 不同试验点土壤基质入渗率和累积入渗量随时间变化情况 Fig. 2 Soil matrix infiltration rate and cumulative infiltration at different experimental sites

优先流通道可通过染色示踪来刻画，亮蓝被认为是现在试验中最理想的染色示踪剂，对于没有大孔隙的土壤，亮蓝只能停留在土壤表面或进入基质0.5~1 mm的深度^[16]。土壤剖切面处无染色区域，即可说明无优先流通过。土壤水平切面和垂直剖面如图 3和图 4所示，均无染色部分，表明没有优先流经过，所测得的入渗过程确为基质入渗。

图 3(Fig. 3)

图 3 土壤基质入渗过程水平切面图 Fig. 3 Horizontal section of soil matrix infiltration

图 4(Fig. 4)

图 4 土壤基质入渗过程垂直剖面图 Fig. 4 Vertical section of soil matrix infiltration

为更直观的描述试验区土壤基质入渗规律，对不同试验点测量的入渗过程选用最常用的物理入渗模型(Philip模型)和最常见的应用经验模型(Kostiakov模型)进行拟合(表 2)，以检验测量结果的准确性。Philip模型的参数K(312.07~375.08 mm/h)表征稳定入渗率，试验点A＞B＞C，与实测稳渗速率的相对误差3.88%~8.48%。Kostiakov模型的参数a代表开始时段内下渗的数量，说明初渗速率试验点A＞B＞C，与实测数据表达结果基本一致。Philip模型R²平均值为0.88，Kostiakov模型R²平均值为0.93，P < 0.01，Kostiakov入渗模型较Philip入渗模型拟合效果更好。表明表置式环式入渗仪对沙溪庙组紫色土基质入渗的测量有很好的适用性。

表 2(Tab. 2)

表 2 基质入渗率的模型拟合结果 Tab. 2 Model fitting results of soil matrix infiltration rate 模型 Model 入渗公式 Infiltration formula 试验点 Experimental site 拟合参数 Fitting parameters 决定系数R2 Determination coefficient R2 Philip im=K+0.5St-0.5 A S=154.30 K=375.08 0.85 B S=121.58 K=340.26 0.86 C S=116.69 K=312.07 0.93 Kostiakov im=at-b A a=443.08 b=0.18 0.95 B a=394.25 b=0.16 0.89 C a=364.12 b=0.17 0.94

表 2 基质入渗率的模型拟合结果 Tab. 2 Model fitting results of soil matrix infiltration rate

为了验证土壤优先流区域的基质入渗可由邻近土壤的基质入渗代替进行计算，分析3个不同试验点测量的土壤基质入渗率和累积入渗量的空间变异性，图 5显示了入渗模型拟合参数(S，K，a，b)、土壤基质入渗率(i_m)和累积入渗量的变异系数，在不同表征土壤入渗过程的参数中，S的变异系数最大，为15.6%。3个不同基质入渗试验点的土壤基质稳渗速率介于341.4~403.2 mm/h之间，空间变异系数为8.9%，累积入渗量介于657.2~805.9 mm之间，空间变异系数为10.4%，土壤基质入渗空间变异性较小。基质入渗主要通过孔径小于0.04 mm的区域^[17]，受土壤大孔隙随机分布差异的影响较低，表明本试验区测量的优先流区域土壤的基质入渗过程可由邻近土壤的基质入渗过程代替进行优先流过程的计算。

图 5(Fig. 5)

图 5 基质入渗不同参数的空间变异性 Fig. 5 Coefficients of variation of parameters S, K, a, b, im and cumulative infiltration (CI)

试验点(A、B、C)的土壤总入渗率和累积入渗量如图 6所示，土壤总初渗速率介于984.0~2 470.8 mm/h之间，稳渗速率介于359.4~720.0 mm/h之间，土壤平均入渗率介于648.2~1 239.3 mm/h之间，累积入渗量介于966.2~1 898.1 mm之间。3个不同试验点的总入渗率和累积入渗量变化曲线较分散，入渗过程不具有较好一致性，这与刘继龙等^[18]采用环式入渗仪进行入渗试验的结果一致，该差异性可能是优先流引起的，因为影响优先流的主要因素为孔径大于1.5 mm的大孔隙^[19]，其空间分布差异性直接导致优先流入渗存在差异，从而间接引起土壤总入渗均一性降低。土壤水平切面和垂直剖面如图 7和图 8所示，均存在染色部分，说明测得的入渗过程存在优先流经过，该入渗过程为总入渗。

图 6(Fig. 6)

图 6 不同试验点土壤总入渗率和累积入渗量随时间变化情况 Fig. 6 Total infiltration rate and cumulative infiltration of soil at different experimental sites

图 7(Fig. 7)

图 7 土壤优先流入渗水平切面图 Fig. 7 Horizontal section of soil preferential flow

图 8(Fig. 8)

图 8 土壤优先流入渗垂直剖面图 Fig. 8 Vertical section of soil preferential flow

用土壤总入渗扣除基质入渗计算得到土壤大孔隙优先流，优先流试验点(A、B、C)的土壤入渗率和累积入渗量如图 9所示，土壤优先流初渗速率介于504.0~1 570.8 mm/h之间，稳渗速率介于18.0~316.8 mm/h之间，土壤平均入渗率介于231.3~725.8 mm/h之间，累积入渗量介于309.0~1 092.7 mm之间。优先流的初渗速率(504.0~1 570.8 mm/h)和累积入渗量(309.0~1 092.7 mm)显示了显著的空间变异性，这种空间变异可能归因于大孔隙的空间随机性，因为大孔隙的空间分布特征在相似植被类型之间也存在显著差异^[20]。

图 9(Fig. 9)

图 9 不同试验点土壤优先流入渗率和累积入渗量随时间变化情况 Fig. 9 Soil preferential infiltration rate and cumulative infiltration at different experimental sites

根据土壤入渗过程曲线，将整个入渗过程按照时段分为3个入渗阶段，分别为0~10 min、10~60 min和60~90 min。表 3显示了不同入渗阶段土壤优先流入渗率和基质入渗率的测量结果及其比值。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同入渗阶段土壤基质入渗率和优先流测量结果及其比值 Tab. 3 Soil matrix infiltration rate and preferential flow measurement results and their ratios 入渗阶段 Infiltration stage/min 试验点 Experimental site 总入渗率 Total infiltration rate/(it)(mm·h-1) 优先流入渗率 Preferential infiltration rate (ip)/(mm·h-1) 基质入渗率 Matrix infiltration rate (im)/(mm·h-1) ip/im A 2 055.9 1 289.1 766.8 1.7 0~10 B 1 521.8 902.2 619.6 1.5 C 1 203.5 617.9 585.6 1.1 A 1 275.9 778.3 497.6 1.6 10~60 B 772.2 320.0 452.2 0.7 C 627.3 220.3 407.0 0.5 A 807.1 398.6 408.5 1.0 60~90 B 430.7 67.1 363.6 0.2 C 409.3 63.1 346.2 0.2

表 3 不同入渗阶段土壤基质入渗率和优先流测量结果及其比值 Tab. 3 Soil matrix infiltration rate and preferential flow measurement results and their ratios

从表 3可以看出，紫色土优先流入渗率随着入渗的进行大幅度降低，试验点A优先流入渗率从1 289.1 mm/h到399.6 mm/h，试验点B优先流入渗率从902.2 mm/h到67.1 mm/h，试验点C优先流入渗率从617.9 mm/h到63.1 mm/h，而土壤基质入渗率的时间变异性远小于优先流入渗率。由于优先流路径主要受大孔隙分布数量和结构的影响，植物根系分布对大孔隙分布的影响较大，而本试验地块上草本植物根系的垂直分布深度较浅，在土壤表层植物根系分布较为密集，随着入渗水流不断的向下进行，根系分布的数量逐渐减少，优先流路径也随之逐渐减少，故而优先流入渗率大幅度的降低。

在整个入渗过程中，土壤优先流入渗率是基质入渗率的0.2~1.7倍。初始阶段(0~10 min)，优先流入渗率是土壤基质入渗的1.1~1.7倍；随着入渗的不断进行(10~60 min)，优先流入渗率的下降速度远大于基质入渗率，优先流入渗率是基质入渗的0.5~1.6倍；60~90 min，优先流是基质入渗的0.2~1.0倍，在紫色土土壤入渗过程中，初始阶段优先流相对土壤基质入渗占据主要优势，稳渗阶段则相反。可见，基质入渗和优先流在沙溪庙组紫色土水文循环过程起着同等重要的影响。

对于紫色土总入渗的测量，李叶鑫等^[21]采用环刀法研究了紫色丘陵区不同碎石含量弃土弃渣下垫面的入渗特征，土壤初始含水量11.76%，密度1.44 g/cm³，总孔隙度46.38%，测得土质弃渣总初渗速率为2 351.4 mm/h。李雪垠等^[22]采用一维垂直水头法，通过室内模拟土柱入渗试验研究紫色土中砾石夹层对土壤水分入渗的影响，结果表明，砾石含量为0时，土壤密度1.35 g/cm³，总孔隙度49.06%，测得总初渗速率为2 941.2 mm/h，稳渗速率为71.4 mm/h。本试验土壤总初渗速率介于984~2 471 mm/h之间，稳渗速率介于359~720 mm/h之间，与李叶鑫等^[21]的试验结果基本一致。初渗速率略低于李雪垠等^[22]的试验结果，而稳渗速率高于李雪垠等^[30]的试验结果，是因为初渗和稳渗阶段的湿润深度不同且土壤理化性质对土壤入渗性能有很大影响，本试验不同深度(0~100 cm)土壤的理化性质变化范围较大，而李雪垠等^[22]的模拟土柱试验填装的土壤剖面具有良好的均质性。分析表明，表置式环式入渗仪可以较好的应用于沙溪庙组紫色土总入渗的测量。

本试验结果表明，整个入渗过程土壤优先流入渗率是基质入渗率的0.18~1.68倍。初始阶段(0~10 min)，优先流入渗率是土壤基质入渗的1.06~1.68倍，达到稳渗阶段后，优先流是基质入渗的0.18~0.98倍，由初渗时优先流占主要优势转向稳渗时基质入渗占主要优势，这与黄永超等^[9]应用表置式环式入渗仪在紫色土耕层定量区分基质和优先流入渗的试验结果一致。本试验区3个不同试验点的优先流累积入渗量A(1 092 mm)＞B(441 mm)＞C(399 mm)，优先流平均入渗率试验点A(726 mm/h)＞B(330 mm/h)＞C(231 mm/h)，表明优先流累积入渗量越大，优先流发育程度越大，这与姚晶晶等^[23]在重庆四面山草地运用优先流长度指数表征优先流发育程度的分析结果一致。本试验区每个试验点的优先流时间变异性均较大，但随着入渗的不断进行，入渗深度逐渐增加，变异性越小，表明随着土层深度的增加，大孔隙优先流路径的数量越少，这与陈晓冰等^[24]运用空间点格局分析方法对三峡库区紫色砂岩区农地的优先流分布特征一致。上述分析表明，在沙溪庙组紫色土区上运用表置式环式入渗仪对于定量评价优先流特征有较好的应用价值。

本试验区土壤基质入渗的空间变异性较小，而优先流空间变异性较大，主要原因是影响土壤基质和优先流入渗的主要因素存在差异，尤其是两者水流所通过的孔径大小不一。基质入渗受大孔隙分布的影响较小，故基质入渗空间变异性较小，而优先流影响因素的多样性^[25]和大孔隙分布的随机性导致优先流入渗存在更多的不规则性，故优先流空间变异性较大。由于同一土地利用类型的土壤理化性质同样具有较高的非均匀性，因此土壤优先流空间变异性可能受到试验研究尺度的影响，即研究尺度越大，优先流的空间变异性越高。本文的优先流空间变异性是在田间条件下进行的3组试验得出的，还需要经过更多的样点加以检验与修正。

土壤基质和优先流入渗在沙溪庙组紫色土水文循环过程起着同等重要的作用。在入渗过程中，土壤入渗初始阶段(0~10 min)，优先流占主要优势；随着入渗的进行，优先流入渗率和基质入渗的比值逐步减小；稳渗阶段(60~90 min)，基质入渗占主要优势。Philip和Kostiakov入渗模型较好地拟合了沙溪庙组紫色土基质入渗过程。表置式环式入渗仪对于定量评价优先流特征有较好的应用价值，能够很好地适用于沙溪庙组紫色土入渗性能的测量。