我国北方干旱地区生态环境破坏严重，自然条件恶劣，土地沙漠化与水土流失现象较为严峻，土地生产力下降，严重制约经济社会可持续发展；因此，加快沙化土地的修复，对促进沙化地区经济发展、人与自然和谐共处至关重要。土壤水分状况是判断土壤质量的重要指标^[1]。风沙土结构松散，颗粒易被风蚀，胶体含量低，颗粒间隙大，且渗透能力强，易引起水分渗漏损失，难以保存土壤中的水分和养分^[2]，对农业生产和植物生长产生不利影响^[3]；而红黏土通气性差，胶结程度高，具有失水开裂、遇水泥化等特征，与风沙土性质互补，复配后土壤的吸水和保水特性得到改善，可降低风沙土的失水速率^[4]。

土地沙化主要是由风蚀和风力堆积造成，对沙化土地进行改良可抑制其风沙流动，增加其保水性。因地制宜选择不同的改良措施^[5]，针对风沙土复配类型的研究主要有风沙土与粉煤灰、砒砂岩、生物炭等^[6,7]。风沙土施用粉煤灰后能够减弱土壤渗透性，使得持水能力显著增强，总孔隙度增加，田间持水量提高15.56%～66.34%^[8]；利用生物炭改良风沙土能够有效改善沙地土壤结构，提高风沙土保水能力^[9]；在毛乌素沙地利用砒砂岩与沙快速成土技术可显著提高土壤节水性能和有机质含量，使得土壤结构得到改善，农作物产量提高^[10]；随着砒砂岩含量增加，土壤中砂粒含量逐渐减少，粉粒、黏粒含量逐渐上升，持水性能提升的同时保肥、保水能力也有明显提高^[11]。

已有研究主要探讨粉煤灰、砒砂岩、生物炭等对风沙土的改良，关于红黏土与风沙土复配对土壤的改良作用鲜有报道，但也有学者研究发现在风沙土上覆盖红黏土可显著提升风沙土持水和保水性能^[12]。基于红黏土与风沙土的土壤性质互补的特征，将红黏土与风沙土按照一定质量比进行混合，不同类型土壤复配比例不同，对土壤的改良效果也不尽相同；因此，明确土壤改良的最佳复配比例至关重要。笔者以鄂尔多斯杭锦旗独贵塔拉镇的风沙土和红黏土为研究对象，测定其在不同复配比下土壤物理参数和土壤入渗过程差异，旨在确定最佳的复配比例，为区域土地利用和水土保持提供理论参考。

试验选取的风沙土与红黏土均采自内蒙古鄂尔多斯市杭锦旗独贵塔拉镇，地理位置为 E 108°42′，N 40°36′ ，海拔1016 m。地势西高东低，地貌类型主要以固定沙地、流动及半固定沙丘为主。年平均气温6 ℃，1月平均气温‒9.80 ℃，最低气温‒19.70 ℃；7月平均气温21.30 ℃，最高气温29.90 ℃。多年平均降水量316 mm，主要集中在7—8月，占全年降水量的49%。平均风速4.50 m/s，瞬时最大风速达30 m/s，以春季风为主。植被以沙生植物为主，包括沙枣（Elaeagnus angustifolia）、柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、油蒿（Artemisia ordosica Krasch）、沙柳（Salix cheilophila）、杨柴（Corethrodendron fruticosum）等。

选取风沙土与红黏土置于通风处自然风干，将 > 2 mm的土块粉碎后通过2 mm筛备用。供试土壤基本物理性质如表1。

表 1(Tab. 1)

表 1 供试土壤基本物理性质 Tab. 1 Basic physical properties of tested soil 样品 Samples 初始含水率 Initial moisture content/% 机械组成 Mechanical composition/% 砂粒 Sand 粉粒 Silty 黏粒 Clay 风沙土 Aeolian sandy 0.14 93.16 6.80 0.07 红黏土 Red clay 12.83 62.00 24.66 13.34

表 1 供试土壤基本物理性质 Tab. 1 Basic physical properties of tested soil

根据当地实际应用材料获取和成本考虑，将红黏土与风沙土按照0∶1、1∶4、2∶3、3∶2、4∶1、1∶0质量比混合，其中0∶1表示完全为风沙土，1∶0表示完全为红黏土，每个处理设置3次重复，共18个土壤样品。取不同复配比土壤样品，均按照土壤密度为1.36 g/cm³装入到体积为100 cm³的环刀中测定土壤饱和持水率、毛管持水率、田间持水率、毛管孔隙度等指标。粒级划分参照美国沙物质粒径划分标准^[13]（黏粒 < 0.002 mm、粉粒≥ 0.002～0.05 mm、砂粒≥ 0.05～2.00 mm）。土壤机械组成用干筛法测定，采用四分法称取100 g风干并过2 mm筛后的复配土壤样品进行机械组成测定。

土壤水分入渗速率采用环刀法测定^[14]。笔者采用体积为100 cm³钢制环刀，将环刀上盖取下，再将另一空环刀接口处与土样环刀对齐并在接口处进行密封防止漏水，之后将粘合的环刀静止固定在漏斗上方，在漏斗下方放置空烧杯，置于天平上方，进行入渗测定。

持续使用量筒向空置的环刀内注入蒸馏水，确保水面稍微低于环刀口，同时维持环刀内部的水层厚度恒定为5 cm。并记录每次加入蒸馏水的体积。加入蒸馏水后开始计时，记录下方土样环刀中有水渗出滴落天平计数变化时开始试验计时，前10 min内每隔1 min记录1次天平读数，此后每隔5 min记录1次天平读数。试验持续到连续3次记录天平读数相同时，视为达到稳定入渗状态，计时结束。土壤水分入渗速率计算公式如下：

式中：V为土壤入渗速率，mm/min；ΔI为在Δt时间内的累计入渗量，mL；Δt为入渗时间间隔，min；S为环刀横截面积，cm³。

分析评价土壤入渗性能时通常会使用初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率和累计入渗量4个入渗指标^[15]。根据试验结果，不同复配土壤的入渗速率均在30 min后趋于稳定。因此，在试验中将入渗过程划分为3个不同阶段，0～10 min为渗润阶段、10～30 min为渗漏阶段，30～80 min为稳定阶段^[16]。初始入渗速率是入渗开始后第1分钟的入渗速率，平均入渗速率是0～80 min内平均入渗速率，累积入渗量是80 min内的累计入渗总量。

国内外学者提出多种数学模型用于描述水分入渗过程，笔者选取Philip入渗模型、Kostiakov模型、Horton入渗模型^[17]。利用统计分析软件进行拟合，探究其对本试验红黏土与风沙土不同配比下土壤入渗过程的适用性。

1）Philip模型：

式中：I（t）为入渗速率，mm/min；t为入渗时间，min；A为稳定入渗速率，mm/min；B为模型参数。

2）Kostiakov模型：

式中：a和b为模型参数。

3）Horton模型：

式中：I_f为稳定入渗速率，mm/min；I_i为初始入渗速率，mm/min；c为模型参数。

笔者采用SPSS 26对土壤物理性质进行单因素方差分析（ANOVA），采用相关性分析对土壤物理性质与不同红黏土含量复配土不同入渗阶段入渗速率进行相关关系分析。采用Origin 2024进行土壤水分入渗曲线模型拟合与作图。采用GraphPad Prism 8和Matlab 2024制图。

由图1可知，风沙土以砂粒为主，质量分数达93.16%，其次为粉粒（6.80%），黏粒质量分数仅为0.07%。而红黏土粉粒质量分数为24.66%，黏粒质量分数为13.34%。随着风沙土中红黏土复配量的增加，砂粒含量显著减少，粉粒和黏粒质量分数显著增加（P < 0.05）。因此，加入红黏土后，改善风沙土质地较粗的状况，复配土中的关键粒级（粉粒、黏粒）质量分数显著提高，土壤质地条件逐步变好。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同复配比下土壤各粒级质量分数 Fig. 1 Mass percentage of each grain size of soil under different compounding ratios

如表2所示，随着红黏土复配量的增加，复配土中各水力参数与风沙土相比均显著增大（P < 0.05）。复配比为1∶4～4∶1时，饱和持水率是风沙土的1.08～1.28倍，毛管持水率和毛管孔隙度是风沙土的1.10～1.21倍；田间持水率是风沙土的1.13～1.36倍。随着红黏土复配比的提高，孔隙度呈上升趋势，说明其保水能力也在逐渐增强。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同复配比下土壤水力参数 Tab. 2 Soil hydraulic parameters under different compounding ratios % 红黏土∶风沙土 Red clay∶Aeolian sandy 饱和持水率 Saturated water-holding capacity 毛管持水率 Capillary water-holding capacity 田间持水率 Field water-holding capacity 毛管孔隙度 Capillary porosity 0∶1 15.64 ± 0.10e 12.03 ± 0.66e 6.42 ± 0.28d 16.37 ± 0.89e 1∶4 16.92 ± 0.09d 13.22 ± 0.88d 7.26 ± 0.21c 17.99 ± 1.19d 2∶3 18.09 ± 0.02c 13.50 ± 0.41cd 7.74 ± 0.41c 18.36 ± 0.55cd 3∶2 19.89 ± 0.13b 14.65 ± 0.47b 7.43 ± 0.27c 19.93 ± 0.64b 4∶1 19.95 ± 0.05b 14.52 ± 0.09bc 8.74 ± 0.21b 19.75 ± 0.12bc 1∶0 22.84 ± 0.75a 16.34 ± 0.25a 9.92 ± 0.37a 22.22 ± 0.33a 　注：不同小写字母代表不同复配比下各水力参数显著差异（P < 0.05）. Notes: Different lowercase letters indicate significant differences (P < 0.05) in each hydraulic parameter at different compounding ratios.

表 2 不同复配比下土壤水力参数 Tab. 2 Soil hydraulic parameters under different compounding ratios

由图2可知，不同比例复配土水分入渗速率均表现为初期土壤入渗速率高，随时间延长逐渐减小，最后趋于稳定。在不同红黏土含量复配土中，初始入渗速率随着红黏土复配比例的增加而逐渐降低，其中风沙土入渗速率最大，并且随着时间推移减小速度最快，完全为红黏土时土壤入渗速率一直最低。前5 min内，土壤入渗速率急剧下降；10 min后处于渗漏阶段，30 min后各复配土入渗速率均达到稳定状态。随着红黏土含量的增多，土壤达到稳定入渗阶段的时间分别为10 、35、35、35、50和60 min，红黏土延缓入渗过程的作用越来越明显。

图 2(Fig. 2)

图 2 红黏土与风沙土不同复配比下土壤入渗速率曲线 Fig. 2 Soil infiltration rate curves under different compounding ratios

不同比例复配土均表现为初始入渗速率 > 平均入渗速率 > 稳定入渗速率。随着红黏土含量增加，初始入渗速率、平均入渗速率和稳定入渗速率均逐渐减小，表明红黏土增加土壤毛管孔隙度，改善风沙土的持水性（图3）。

图 3(Fig. 3)

不同小写字母表示不同土壤复配比例之间差异显著（P < 0.05)。下同。 Different lowercase letters indicate significant differences among different soil compounding ratios. The same below. 图 3 红黏土与风沙土不同复配比下土壤入渗速率 Fig. 3 Soil infiltration rates of compounded soils with different compounding ratios

由图4可知，在相同入渗时间内，风沙土累积入渗量最大，随着红黏土含量增多，复配土累积入渗量整体上呈现逐渐减小趋势。0∶1～4∶1复配比之间的差值也呈减小趋势，其中1∶4复配土对土壤累积入渗量的减弱效果最为显著，减少130.75 mL，复配比由1∶4到3∶2时土壤累积入渗量依次减少65.50 和10.67 mL，由3∶2到4∶1时累积入渗量增加6.67 mL，完全为红黏土时较复配比4∶1的复配土减少31.83 mL。

图 4(Fig. 4)

图 4 红黏土与风沙土不同复配比下土壤累积入渗量 Fig. 4 Cumulative infiltration under different compounding ratios

由表3可知，土壤初始入渗速率、稳定入渗速率以及平均入渗速率与土壤毛管孔隙度之间均呈现出极显著的负相关关系（P < 0.01），与饱和持水率之间表现出相同趋势，说明毛管孔隙度和饱和持水率对土壤水分入渗具有抑制作用。土壤初始入渗速率和平均入渗速率与砂粒呈极显著正相关关系（P < 0.01），与其他土壤颗粒含量均呈极显著负相关关系（P < 0.01），稳定入渗速率与砂粒含量呈极显著正相关关系（P < 0.01），与粉粒和黏粒含量显著负相关关系（P < 0.05），说明砂粒含量对入渗速率具有促进作用。

表 3(Tab. 3)

表 3 土壤入渗速率与影响因子的相关性 Tab. 3 Correlation between soil infiltration rate and influencing factors 影响因子 Influencing factors 初始入渗速率 Initial infiltration rate 稳定入渗速率 Stable infiltration rate 平均入渗速率 Average infiltration rate 毛管孔隙度 Capillary porosity −0.829** −0.874** −0.915** 饱和持水率 Saturated water-holding capacity −0.959** −0.696** −0.907** 砂粒 Sand 0.905** 0.593** 0.828** 粉粒 Silt −0.848** −0.565* −0.794** 黏粒 Clay −0.919** −0.589* −0.817** 　注：*、**分别表示相关系数达0.05、0.01显著水平。Notes: * and ** indicate that the correlation coefficient reaches 0.05, and 0.01 significant level, respectively.

表 3 土壤入渗速率与影响因子的相关性 Tab. 3 Correlation between soil infiltration rate and influencing factors

表4结果表明，3个入渗模型均能较好的模拟不同比例复配土壤的入渗过程。不同红黏土含量复配土入渗过程的相关系数在0.87～1.00之间，决定系数≥ 0.61。水分入渗过程中3种入渗模型R²分别为0.75、0.61和0.97，其中Horton模型R²最高。加入红黏土后，3种入渗模型R²分别在0.92～0.98、0.95～0.99和0.93～0.97之间，表明3种模型模拟不同红黏土与风沙土复配土壤入渗过程的拟合优度较高。Kostiakov模型中参数a和b先减小后增大再减小，b值能够反映土壤入渗能力的衰减速度，说明随着红黏土含量的增加，入渗速率衰减速度增加，与图2中入渗速率随时间变化的趋势一致；Horton模型中参数I_i和I_f分别代表初始入渗速率和稳定入渗速率，I_f随着红黏土含量增加而减小，I_i则先减小后增加再减小，与图3结果一致。

表 4(Tab. 4)

表 4 红黏土与风沙土不同复配比下土壤入渗模型的拟合参数 Tab. 4 Fitting parameters of soil infiltration model with different compounding ratios 红黏土∶风沙土 Red clay∶Aeolian sandy 菲利普模型 Philip model I(t) = A + Bt−0.5 考斯加可夫模型 Kostiakov model I(t) = at−b 霍顿模型 Horton model I(t) ＝ If + (Ii −If)e−ct A B R2 a b R2 If Ii c R2 0∶1 6.52 22.54 0.75 27.1 0.28 0.61 11.18 59.41 0.66 0.97 1∶4 −2.00 32.22 0.93 33.29 0.66 0.96 4.02 46.04 0.38 0.97 2∶3 −0.47 23.22 0.94 24.54 0.59 0.96 4 35.28 0.41 0.96 3∶2 −1.03 23.65 0.92 25.37 0.65 0.95 3.71 39.57 0.48 0.96 4∶1 −2.05 23.25 0.93 24.42 0.75 0.98 2.53 35.64 0.45 0.95 1∶0 −0.54 13.89 0.98 14.00 0.58 0.99 1.85 16.33 0.27 0.93 　Notes: I(t): infiltration rate, mm/min; t: infiltration time, min; A: stable infiltration rate; mm/min; B, a, b, c: parameters for models; If: stable infiltration rate, mm/min; Ii: initial infiltration rate, mm/min.

表 4 红黏土与风沙土不同复配比下土壤入渗模型的拟合参数 Tab. 4 Fitting parameters of soil infiltration model with different compounding ratios

由图5可知，Philip模型与Kositakov模型的模拟值在入渗速率趋于稳定的过程中出现持续降低的情况，模拟曲线均偏离稳定入渗阶段的实测值。由图6可知，Horton模型最接近于实测值，RMSE最小，R²最大，模拟效果最优。Horton模型更适用于描述不同红黏土含量复配土土壤水分入渗过程。

图 5(Fig. 5)

图 5 入渗模型对不同复配土入渗过程的拟合与实测对比 Fig. 5 Comparison of infiltration model fits and measurements of soil infiltration processes at different compounding ratios

图 6(Fig. 6)

图 6 不同入渗模型的模拟值与实测值之间关系的泰勒图 Fig. 6 Taylor diagram of the relationship between simulated and measured values for different infiltration models

土壤是多孔介质，当水分在土壤中运移时，入渗速率会受到土壤机械组成等土壤性质的影响^[18]。风沙土中粒径组成单一，水分渗透性高，当风沙土与红黏土混合时，增加土壤中粉粒和黏粒含量，土壤颗粒组成逐步向细粒化方向转变，二者混合弥补各自粒度组成上的不足，复配土中的关键粒级（黏粒）的含量逐渐增加^[19]。红黏土中细颗粒物质具有吸水能力，随着红黏土含量的增加，土壤稳定入渗速率逐渐下降。研究表明土壤质地对水分入渗过程有显著影响，粉粒和黏粒含量的增加会显著降低土壤入渗速率^[20]。土壤水分入渗速率直接受土壤孔隙的影响，添加红黏土后，复配土的孔隙结构改变，胶结程度增强，大孔隙减少，毛管孔隙度增加，土壤持水性和保水能力增加；同时，红黏土细颗粒物质填充到风沙土的大孔隙中，导致复配土入渗速率呈减小趋势，且到达稳定入渗阶段的时间逐渐延长^[21]。可见不同程度红黏土复配后，土壤的饱和持水率、毛管持水率和田间持水率均显著增加，显著改善风沙土的持水和保水性能。

b值越大，说明在土壤水分入渗过程中，入渗能力衰减速度减小的越快^[22]。研究发现添加红黏土后，风沙土的初始入渗能力减弱，同时水分向深层土壤的渗透速度也得以减缓，促使水分较大程度地在土壤表层得到截留，从而显著改善风沙土的漏水现象^[23]。因此，对于干旱地区的植物生长具有积极影响，为其提供更为适宜的生长环境。红黏土与风沙土在合适的比例下形成的复配土可以显著提高土壤饱和持水率，降低土壤水分渗漏速度，而且保留红黏土较好的保水和持水特性，同时，在沙粒的分散间隔作用下，土壤的孔隙度增加，还可有效防止土壤板结^[24]。

土壤入渗作为土壤水文过程的关键过程^[25]，对于准确分析和预测不同处理下土壤水分运动过程至关重要。在对比不同入渗模型对复配土土壤入渗模拟过程时，笔者发现Horton模型在模拟不同红黏土含量复配土的入渗过程中表现更佳^[26]。当土壤入渗速率逐渐趋近于稳定，发生突然变化时，Philip模型和Kostiakov模型均无法准确模拟这一过程中的实测值，这表明这2种模型在模拟风沙土下渗过程的突变情况时存在局限性。

1） 在风沙土中加入红黏土后，增加土壤中粉粒和黏粒含量，风沙土性质得到显著改善。

2） 随着红黏土含量的增多，复配土保水能力增强；土壤初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率均显著降低。1∶4配比下复配土各水力参数与风沙土相比已有显著变化（P < 0.05），且对土壤累积入渗量的减弱效果最为显著。

3） Horton模型对不同处理下复配土水分入渗过程的模拟结果最优。在考虑综合效益的前提下，当地红黏土掺配改良风沙土的最优配比为1∶4。