模拟实验土柱和装置

摘要：为探讨在气候特征较特殊区域的赤泥堆场溃坝后，赤泥中重金属对土壤及地下水的影响，以我国普遍存在的联合法赤泥为研究对象开展土柱模拟实验。

结果表明：赤泥经酸雨淋溶后，溶出的As 、Cr 、Cd 、V 、Mo 5种重金属主要累积在表层（0~20cm ）土壤中，平均浓度分别达到17.71、42.31、0.79、57.77、29.76mg ·kg -1，与原始浓度相比分别增加了5.83、1.36、2.21、2.34、1.89倍；Pb 与Zn 在0~60cm 深度土壤累积明显，平均浓度分别达到18.67、58.52mg ·kg -1，分别增加了8.76、3.86倍，Cu 、Ni 在土壤中含量有微量增加，累积现象不明显；赤泥经酸雨淋溶后，As 、Ni 酸可提取态平均占比较高，可迁移性强，Cu 、Cr 、Mo 主要以可氧化态和可还原态存在，Pb 、Zn 、V 主要以可还原态存在，具有较大的潜在迁移性；渗滤液中仅检出较低浓度的Mo 、V 、Pb 、Cu ，说明赤泥经酸雨淋溶后，溶出的重金属主要滞留在土壤中，对土壤造成较大的潜在危害。

关键词：赤泥；酸雨淋溶；土柱；重金属迁移；赋存形态中图分类号：X758文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2017）01-0076-09doi:10.11654/jaes.2016-0965Migration characteristics and potential hazards of heavy metals from bauxite residue to soil under simulated acid rainLIU Ji-dong 1,2,REN Jie 1,3,CHEN Juan 1,LIU Xiao-lian 1,2,XU Gang 2,WU Ming-hong 2,DU Ping 1*（1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment,Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing100012,China;2.College of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China;3.Beijing Normal Uni -versity,College of Water Science,Beijing 100875,China ）Abstract ：To understand the influence of heavy metals from combined bauxite residue on soil and groundwater,the migration characteristicsof which were investigated using soil column experiments.Results showed that dissolved As,Cr,Cd,V,Mo accumulated mainly in the surface layer （0~20cm ）soil with the average concentration 17.71,42.31,0.79,57.77,29.76mg ·kg -1,respectively after leaching withacid rain （compared with the original concentration,increased by 5.83,1.36,2.21,2.34,1.89times,respectively ）.Pb and Zn accumulatedsignificantly in the 0~60cm depth soil with the average concentration 18.67mg ·kg -1and 58.52mg ·kg -1（8.76times and 3.86times,re -spectively ）.And Cu,Ni accumulated insignificantly in soil.Considering the heavy metal chemical speciation,As,Ni indicated greater mi -gration risk for the highly acidic soluble fraction in soil.Cu,Cr,Mo in soil were mainly associated with oxidizable fraction and reducible fraction,and Pb,Zn,V were mainly reducible fraction,indicating higher potential mobility.Mo,V,Pb,Cu only detected in lower concentra -tions in the leachate,which ellucidating that the dissolved heavy metals mainly retained in soil.Keywords ：bauxite residue;acid rain leaching;soil column;heavy metal migration;speciation收稿日期：2016-07-25作者简介：刘继东（1991—），男，河南信阳人，硕士研究生，从事尾矿重金属污染控制研究。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920618031.1(22)申请日 2019.04.30(73)专利权人 山西农业大学地址 030801 山西省晋中市太谷县山西农业大学(72)发明人 栗丽　李廷亮　张晋丰　谢钧宇　李丽娜　黄晓磊　(74)专利代理机构 太原华弈知识产权代理事务所 14108代理人 梁丽丽(51)Int.Cl.G01N 33/24(2006.01)G01N 15/08(2006.01)(54)实用新型名称一种综合应用的室内模拟土柱实验装置(57)摘要本实用新型涉及一种综合应用的室内模拟土柱实验装置，由供水装置、填土装置和滤液收集装置组成；所述供水装置由供水箱、蠕动泵和降雨筛组成，所述蠕动泵连接在供水箱的出水口，所述降雨筛通过管道与蠕动泵连接，所述填土装置由若干段螺纹连接的中空填土管构成，所述填土装置的外侧壁上间隔设有若干采样口，填土装置的两端和两段中空填土管的连接处均设有渗漏板，所述滤液收集装置为一中空的漏斗体，其喇叭口朝上，下端开口方便收集滤液，上端口与填土装置的下端口螺纹连接，上端口设有一可拆卸的挡板。

本实用新型的综合应用的室内模拟土柱实验装置，不仅可以根据污染物不同而选择土柱长度，还可以根据实验要求选择所需土柱的入水方式。

权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 209878758 U 2019.12.31C N 209878758U权　利　要　求　书1/1页CN 209878758 U1.一种综合应用的室内模拟土柱实验装置，其特征在于由供水装置、填土装置和滤液收集装置组成；所述供水装置由供水箱、蠕动泵和降雨筛组成，所述蠕动泵连接在供水箱的出水口，所述降雨筛通过管道与蠕动泵连接；所述填土装置由若干段螺纹连接的中空填土管构成，所述填土装置的外侧壁上间隔设有若干采样口，所述采样口与填土装置内部连通，填土装置的两端和两段中空填土管的连接处均设有渗漏板，所述渗漏板上均匀设有小孔，填土装置近上端口的外侧壁上设有与填土装置连通的径流口，所述径流口上设有径流口塞，填土装置近下端口的外侧壁上设有与填土装置连通的注水口，所述注水口上设有注水口塞，所述填土装置的上端口设置在降雨筛的下方，填土装置的直径与降雨筛的直径相同；所述滤液收集装置为一中空的漏斗体，其喇叭口朝上，下端开口方便收集滤液，上端口与填土装置的下端口螺纹连接，上端口设有一可拆卸的挡板。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020170053.9(22)申请日 2020.09.09(73)专利权人 桂林理工大学地址 541004 广西壮族自治区桂林市七星区建干路12号(72)发明人 陈晓冰　吴晗　姜波　韦灵　(74)专利代理机构 北京轻创知识产权代理有限公司 11212代理人 蒋杰(51)Int.Cl.G01N 1/08(2006.01)G01N 15/08(2006.01)(54)实用新型名称一种原状土柱水分入渗实验辅助装置(57)摘要本实用新型涉及一种原状土柱水分入渗实验辅助装置，包括取土装置和水分入渗装置；所述取土装置插入或拔出土壤内以得到土样，所述水分入渗装置夹住土样进行渗水实验。

通过使用该组合装置，可为田间土壤水文过程研究提供一定技术支撑，其所获得的数据可为完善土壤水文过程相关理论提供数据基础，更为研究区域的农业生产、水环境保护等研究提供技术资料。

权利要求书1页 说明书4页 附图6页CN 211904689 U 2020.11.10C N 211904689U1.一种原状土柱水分入渗实验辅助装置，其特征在于，包括取土装置和水分入渗装置；所述取土装置包括支架、钻筒、施力杆(1)和连接管(2)；所述支架竖直固定在取土位置处，所述钻筒竖直处于所述支架内，所述施力杆(1)水平处于所述支架的上方；所述连接管(2)的上端丝接所述施力杆(1)的中部，其下端竖直向下自由贯穿所述支架的顶部后丝接所述钻筒的上端，进而在所述施力杆(1)的驱动下使所述钻筒插入或拔出土壤内以得到土样；所述水分入渗装置包括有机玻璃柱体和底座(3)；所述有机玻璃柱体的底部可拆卸安装在所述底座(3)上，其内部用于夹住土样；在所述有机玻璃柱体内对应土样的顶部放置有避免外部供水冲刷土样表层的第一有机玻璃筛板(4)，所述底座(3)上对应所述有机玻璃柱体的底部固定有第二有机玻璃筛板(5)；在所述底座(3)上对应所述第二有机玻璃筛板(5)的下方固定有用于收集水液的漏斗(6)。

第22卷　第2期2024年4月中国水土保持科学Science of Soil and Water ConservationVol.22　No.2Apr.2024DOI :10.16843/j.sswc.2023020东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟李若凡1,谢　云1,2†,辛　艳3,杨静怡1,刘　刚2,蔺宏宏1(1.北京师范大学地理科学学部,100875,北京;2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,100875,北京;3.中国水利水电科学研究院,100038,北京)摘要:土壤入渗与土壤侵蚀密切相关㊂研究黑土土壤入渗特征对于黑土土壤侵蚀预测与防护有重要作用㊂为探明不同侵蚀程度黑土的水分运移过程,采用室内土柱实验法观测并评价HYDRUS1D 模型在东北黑土区的适用性㊂其中,轻度侵蚀土壤表土层A 层厚度和淀积层B 层厚度分别为30和25cm,中度侵蚀土壤A 层和B 层厚度分别为30和10cm,重度侵蚀土壤A 层和B 层厚度分别为0和15cm㊂结果表明:轻㊁中㊁重3种不同侵蚀程度土壤的稳定入渗率分别为0.16㊁0.25和0.72cm /h,湿润锋运移速率为2.52㊁3.32和9.85cm/h㊂由于黑土黏重特性,HYDRUS 1D 模型在黑土区的适用性较低,轻㊁中度侵蚀土壤的稳定入渗率分别高估2.5倍和1.6倍,而重度侵蚀土壤的稳定入渗率低估0.4倍,其中中度侵蚀的土壤入渗的拟合结果相对较好,可为土壤水蚀过程模拟和水土流失治理提供基础依据㊂关键词:土壤入渗;土柱实验;HYDRUS 1D;黑土;土壤侵蚀程度中图分类号:S157.1文献标志码:A文章编号:2096⁃2673(2024)02⁃0017⁃08引用格式:李若凡,谢云,辛艳,等.东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟[J].中国水土保持科学,2024,22(2):17-24.LI Ruofan,XIE Yun,XIN Yan,et al.Soil infiltration characteristics and simulation of different eroded degrees in the black soil region of Northeast China[J].Science of Soil and Water Conservation,2024,22(2):17-24.收稿日期:20230215　修回日期:20230605项目名称:国家 十四五 重点研发计划项目课题 黑土农田侵蚀阻控原理及水土保持措施效应”(2021YFD1500705)第一作者简介:李若凡(1998 ),女,硕士研究生㊂主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持㊂E⁃mail:lrfzrdl@†通信作者简介:谢云(1964 ),女,博士,教授㊂主要研究方向:土地生产力,土壤侵蚀和气候影响评价㊂E⁃mail:xieyun@Soil infiltration characteristics and simulation of different erodeddegrees in the black soil region of Northeast ChinaLI Ruofan 1,XIE Yun 1,2,XIN Yan 3,YANG Jingyi 1,LIU Gang 2,LIN Honghong 1(1.Faculty of Geographic Sciences,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,100038,Beijing,China)Abstract :[Background ]The black soil area in Northeast China is an important grain producing area in China.The problem of soil degradation caused by soil erosion in the black soil area is becoming more and more obvious.It is of great significance to study the infiltration characteristics of black soil with differentdegrees of erosion to control slope soil erosion.The application of HYDRUS 1D model is more extensive,and it is mostly concentrated in the arid area of Northwest China.Whether the model can simulate the infiltration of black soil needs further study or not.[Methods ]The author collected black soil samples with slight,moderate and severe eroded degrees in the typical black soil area of Heshan Farm in Heilongjiang province,and determined the one⁃dimensional vertical infiltration process based on indoor中国水土保持科学2024年soil column experiments.The black soil with different eroded degrees was determined according to the thickness of the black soil layer(layer A)and the thickness of the deposited layer(layer B).The HYDRUS1D model was used to simulate soil infiltration.The simulation results were compared with the measured data,and the applicability of the model in the black soil area was evaluated by using Origin software.[Results]1)Firstly,the stable infiltration time of severe,moderate and slight eroded soil was 8,26and36h,respectively,and the infiltration rate was0.72,0.25and0.16cm/h,respectively.The higher the degree of erosion,the greater the cumulative infiltration amount of soil in the same infiltration duration.2)Secondly,in terms of the change characteristics of the wetting front with time,the soil with slight,moderate and severe eroded degrees has a slower infiltration rate to the lower layer,and the wetting front migration rate slows down accordingly,and the average speed of the wetting front migration of the soil with three erosion degrees is:2.52,3.32and9.85cm/h,respectively.3)Finally,there are some differences in the trend of soil moisture content with time in the infiltration process of the three soils.The saturated water content of soil decreases with the increase of erosion degree.The saturated water content of slight eroded soil is about4.9%higher than that of moderate eroded soil,and the saturated water content of specific severe eroded soil is about9.4%higher than that of moderate eroded soil.The saturated water content of each soil decreased with the deepening of soil layers.According to the erosion intensity from weak to strong,the saturated water content of the surface soil was7.8%, 8.0%and12.8%higher than that of the lowest layer,respectively.[Conclusions]The infiltration process simulated by HYDRUS1D underestimates the infiltration of soil with high sand content and overestimates the infiltration of soil with high clay content.The infiltration capacity of slight and moderate eroded soil was overestimated,while the infiltration capacity of severe eroded soil was underestimated. Among them,the fitting results of moderate eroded soil infiltration are better than those of the other two erosded soils.We can try to further modify the parameter values of residual water content and saturated water content,and optimize the fitting results.Keywords:soil infiltration;soil column experiment;HYDRUS1D;black soil;soil eroded degrees 东北黑土区是我国重要的粮食主产区,也是我国重要的商品粮基地,被视为中国粮食安全的 压舱石”㊂该地区纬度较高,雨热同期,属寒温带大陆性季风气候㊂黑土具有有机质含量高㊁质地黏重㊁入渗能力较弱㊁易产生地表径流的特征㊂在近百年的开垦过程中,由于缺乏保护,黑土区水土流失导致的土壤退化问题越来越明显,并得到广泛关注㊂地表径流是坡面土壤侵蚀发生的动力基础㊂径流是由降雨或灌溉水到达地表之后超过土壤入渗能力的水分形成的㊂因此,土壤入渗是影响侵蚀过程的重要环节㊂研究不同侵蚀程度黑土的入渗特征对治理坡面土壤侵蚀具有重要意义㊂不同类型的土壤入渗过程差异很大㊂每种入渗模型都不可能适用于所有土壤㊂依据土壤的特性选择适用的入渗模型并加以改进,是目前主流的土壤入渗模拟方法㊂HYDRUS1D是由美国国家盐改中心(US Salinity Laboratory)于1991年开发的商业化软件㊂该软件是一种用于模拟变饱和带多孔介质中的水分㊁热量和溶质运移的数值模型,能够较好地模拟水分㊁溶质和能量在土壤中的时空分布变化及运移规律[1]㊂郭雯等[2]在内蒙古高原西部腰坝绿洲利用该模型模拟土壤水分入渗过程,模拟结果与实测含水率拟合较好,模型平均R E㊁R MSE值分别为6.1%㊁0.015cm3/cm3,误差较小,精度较高;李琦等[3]以华北平原区典型冬小麦农田土壤为研究对象,结合野外观测与室内土柱试验,借助该软件建立水盐运移模型,模拟结果的纳什效率系数平均值为0.826,变异系数为0.0560,能较好且稳定地模拟土壤内部水分的运移过程;王国帅等[4]利用该模型模拟沙丘㊁沙丘 荒地交界和荒地土壤水分和盐分运移动态,R MSE为0.01~0.03cm3/cm3,R2为0.85~0.92,其结果能较好地反映出土壤水分的动态变化㊂我国HYDRUS1D模型的应用研究多集中于西北干旱地区,该模型是否能模拟黑土入渗需81　第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟要进一步研究㊂笔者将基于室内土柱试验,观测典型黑土区不同侵蚀程度黑土土壤入渗过程,并利用HYDRUS1D模型模拟,通过比较模型模拟结果与实测数据,评价该模型对东北黑土区不同侵蚀程度土壤的模拟效果,为黑土土壤入渗模拟和土壤侵蚀预报提供基础㊂这对黑土土壤水蚀过程模拟和水土流失治理有重要的实际意义㊂1　材料与方法1.1　土壤样品采集与测定室内土柱试验于2020年在黑龙江省黑河市嫩 江县鹤山农场境内的北京师范大学九三水土保持试验站(E125°16′~125°21′,N48°59′~49°03′)完成㊂供试土壤选择轻度㊁中度及重度3种不同侵蚀程度的土壤(表1),测定其一维垂直入渗过程,每种土壤类型设置3个重复㊂不同侵蚀程度黑土根据表层的黑土层(A层)厚度和其下淀积层(B层)厚度确定:轻度侵蚀的土壤A㊁B层分别为30和25cm,中度侵蚀的土壤A㊁B层分别为30和10cm,重度侵蚀的土壤A㊁B层分别为0和15cm(表2)㊂1.2　入渗实验装置与方法试验由土柱系统和供水装置组成㊂土柱系统:土柱装土50cm高,直径28.4cm,为 表1　3种侵蚀程度土壤密度及机械组成Tab.1　Soil bulk densities and mechanical compositions at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree土层Soil horizon/cm土粒密度Bulk density/(g㊃cm-3)砂粒Sand content/%粉粒Silt content/%黏粒Clay content/% 0~101.0612.4545.5642.00 10~201.2811.2747.6941.04轻度Slight20~301.249.4748.9941.54 30~401.4910.2348.1741.6040~501.5211.7547.2840.960~101.1819.4746.9433.5910~201.3928.5048.9722.53中度Moderate20~301.4729.4648.2422.30 30~401.4631.4038.0730.5340~501.4530.0838.1331.790~101.4363.9415.7020.3610~201.5366.3414.6219.04重度Severe20~301.8164.3310.3925.28 30~402.0768.9812.7918.2340~501.7174.6711.2714.06表2　3种侵蚀程度土壤取土位置和土壤剖面Tab.2　Soil sampling position and soil profile at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree取土位置Soil location地貌部位Landformposition黑土(A)层深度Black soil(A)depth/cm淀积(B)层深度Deposition(B)layer depth/cm母质出现深度Appearing parentmaterial depth/cm母质类型Parent materialtype轻度Slight E125°18′21″N49°01′58″坡中Middle slope0~3030~5555黄黏土Yellow clay中度Moderate E125°19′40″N49°00′39″坡中上Middle and upper slope0~3030~4040黄黏土Yellow clay重度Severe E125°19′24″N49°00′42″坡中上Middle and upper slope00~1515黄砂Yellow sand透明有机玻璃圆柱㊂每次试验准备3个土柱,分别按照轻㊁中㊁重3种侵蚀程度的原状土壤分层,每层10cm分层填装进土柱,装土密度与原状土密度一致,层间用毛刷打毛㊂将土柱挂上铁架,每个土柱每层中间位置(即5㊁15㊁25㊁35和45cm处)安装水分温度传感器探头,探头长度为15cm,数据采集器每5min输出相应位置的土壤含水量数据㊂为确保试验的准确性,再设置2次重复试验㊂供水装置:马氏瓶,保证土面上方有3cm的稳定水头㊂91中国水土保持科学2024年试验开始,马氏瓶中水位每下降1cm手动记录1次历时㊂数据采集器每隔1min记录土柱质量的变化,每隔5min记录剖面含水量变化㊂若连续5个时刻记录点的入渗速率基本相同,将第1个时刻记作达到稳渗的时刻,并把连续5个记录点的平均入渗速率做为稳渗速率㊂同时记录湿润锋运移情况,湿润峰到达土柱底部后停止马氏瓶供水㊂用塑料薄膜密封土柱上表面防止蒸发,待所有土柱排水口不再有水流出时,撤下塑料薄膜,试验结束㊂综上,本研究进行3次试验,共9组数据,分别计算:1)累积入渗量与入渗速率㊂土柱试验过程中需要手动记录入渗过程中马氏瓶中水位每下降1cm所需要的时间㊂测量马氏瓶水位每下降1cm的水流通量,根据记录表中的时间间隔计算入渗过程中的累积入渗量与入渗速率㊂I1=ΔlQ0/S;(1)I=I1+I2+I3+ +I n;(2)f=I/t㊂(3)式中:I n为每段时间的累积入渗量,cm;Δl为马氏瓶水位差;Q0为马氏瓶每cm的水流通量,mL;S为土柱的横截面积,cm2;I为总累积入渗量,cm;f为入渗速率,cm/h;t为时间,h㊂2)土壤含水量㊂数采每5min输出相应位置的土壤含水量数据㊂3)湿润锋运移㊂土柱上贴有刻度尺,根据湿润锋运移的速率选择记录间隔㊂在试验刚开始时入渗速率较快,每3min记录1次湿润锋位置,随着试验的进行湿润锋移动速率逐渐减慢,记录时间间隔增大,最大时间间隔不超过2h㊂将记录下的刻度转化为入渗深度,得到湿润锋运移情况㊂1.3　HYDRUS1D模型入渗计算笔者使用软件的模拟水流程序模拟土壤水分入渗㊂该模型仅考虑一维垂向运移时的土壤水分运动,并采用Richards方程来描述一维非饱和土壤水流的运动[5]㊂HYDRUS1D模型中水分特征曲线模型有Van Genuchten㊁Modified Van Genuchten㊁Brooks⁃Corey和Kosugi等㊂笔者采用运用最为广泛的㊁也更适合东北黑土[6]的Van Genuchten模型来拟合土壤水力性质㊂HYDRUS1D中VG模型表达式为:θ(h)=θr+θs-θr(1+|α×h|n)m h<0θs h≥ìîíïïï0;(4)K(h)=K s S l e(1-(1-S1/m e)m)2;(5)m=1-1n　n>1;(6)S e=θ-θrθs-θr㊂(7)式中:θ(h)为土壤含水量随土壤水势的变化函数;h为土壤的有压水头,cm;θr和θs分别为残余含水量和饱和含水量,cm3/cm3;K(h)为非饱和导水率,cm/h;K s为饱和导水率,cm/h;α为进气吸力值的倒数;n为孔隙度连通性参数,m为经验参数;l为形状参数,l=0.5;S e为有效水分含量㊂入渗模拟过程中需要设置的指标有剖面形态㊁时间步长㊁土壤水力参数和边界条件等㊂其中土壤水力参数是进行模拟的主要指标,包括:残余含水量θr㊁饱和含水量θs㊁进气吸力值α㊁孔隙度连通性参数n㊁饱和导水率K s和形状参数l等,这些参数主要通过土壤水分特征曲线模拟来获得㊂本实验中θr㊁θs和K s均有实测数据,α㊁n和l3个参数依靠模型内置函数模拟,共设置5种模拟情况:1)θr㊁K s㊁θs均为模拟值;2)θr㊁K s㊁θs均为实测值;3)θr㊁K s为模拟值,θs为实测值;4)K s为模拟值,θr㊁θs为实测值;5)θr为模拟值,K s㊁θs为实测值㊂采用Excel2010和SPSS24.0软件对数据进行分析,用Pearson法对累积入渗量㊁入渗速率的模拟值与实测值进行相关分析,利用Origin2010软件作图㊂2　结果与分析2.1　不同侵蚀程度黑土入渗速率及累积入渗量随时间的变化特征由图1可见,重㊁中㊁轻度侵蚀土壤达到稳渗的时间分别为8㊁26和36h,稳渗时的入渗速率为0.72㊁0.25和0.16cm/h,完成整个入渗的历时分别为10.2㊁31.5和50h㊂针对一次完整的入渗过程,轻度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为7.3㊁4㊁3.9㊁3.4和3.6cm;中度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为7㊁3.6㊁3.4㊁4.5和2.5cm;重度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为5㊁3.2㊁2.6㊁2和3.7cm㊂通常情况下,黏粒含量越高的土壤对水的吸附能力越强,相同势能下的水分通量会相应变小,因此侵蚀程度越高的土壤在相同的入渗历时内累积入渗量会越大(图1)㊂2.2　不同侵蚀程度黑土湿润锋随时间变化特征湿润锋的运移可以反映出土壤的入渗能力[7]㊂轻㊁中㊁重3种侵蚀程度的土壤均是越向下层入渗速02　第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟图1　不同侵蚀程度土壤入渗速率及累积入渗量Fig.1　Infiltration rates and cumulative infiltrations of soils with different erosion degrees率越慢,湿润锋运移速率相应减慢(图2)㊂轻度侵蚀的土柱在1h 处完成第1层10cm 土壤的入渗,并开始第2层的入渗,5h 开始第3层入渗,14.5h 开始第4层入渗,28.7h 开始第5层入渗,50h 的时候完成整个入渗过程㊂每层入渗耗时分别为1㊁4㊁9.5㊁14.2和21.3h㊂中度侵蚀的土柱每层入渗耗时分别为1㊁4.4㊁7㊁10.1和14h;重度侵蚀的土柱每层入渗耗时分别为0.25㊁0.6㊁1.7㊁3.5和5.2h㊂轻㊁中㊁重3种侵蚀程度湿润锋运移的平均速度分别为:2.52㊁3.32和9.85cm /h㊂图2　轻㊁中㊁重度侵蚀土壤入渗湿润锋运移变化Fig.2　Changes of wetting front migrations of infiltrationsin slight,moderate and severe eroded soils2.3　不同侵蚀程度黑土入渗过程中剖面含水量随时间变化特征将入渗过程中土壤含水量最大并不再发生明显变化的数值作为土壤饱和含水量㊂3种土壤在入渗过程中的土壤水分含量随时间变化的趋势存在一定的差异㊂土壤饱和含水率随着侵蚀程度的增大而减少,轻度侵蚀土壤比中度侵蚀土壤饱和含水率平均高4.9%左右,比重度侵蚀土壤饱和含水率平均高9.4%左右㊂每种土壤的饱和含水率随土壤层数的加深而减少,3种土壤按侵蚀强度由弱到强,其表层土壤饱和含水率比最下层分别大7.8%㊁8.0%和12.8%(图3)㊂2.4　HYDRUS 1D 模型模拟黑土土壤入渗通过HYDRUS 1D 内置函数所得到的模拟值如表3所示,其他模拟情况均根据表中参数进行校正设置㊂根据入渗过程拟合可以看出,总体上轻度侵蚀土壤的累积入渗量被高估,重度侵蚀土壤的累积入渗量被低估,中度侵蚀土壤的拟合情况相对最好,模拟值与实测值分布于1∶1线两侧,且较为集中,所以HYDRUS 1D 对于相对极端情况的黑土拟合情况较差(图4)㊂入渗速率由土壤累积入渗量计算得到,所以其拟合结果的特征与累积入渗量的规律相似(图5)㊂除重度侵蚀土壤能够看出实际入渗速率明显高于模拟结果,其余土壤实际入渗与拟合结果的差异并不明显㊂轻㊁中㊁重度3种土壤的稳定入渗率模拟值与实测值也存在差异(表4),轻中度侵蚀土壤的稳定入渗率被高估,模拟值分别为实测值的2.5倍和1.6倍,而重度侵蚀土壤的稳渗率被低估,模拟值为实测值的0.4倍㊂3　讨论3.1　侵蚀程度对黑土入渗的影响本研究通过室内土柱试验,分别分析不同侵蚀程度黑土的初始入渗速率㊁稳定入渗率㊁湿润锋运移速率以及土壤剖面含水量随时间变化特征,可知初始入渗速率主要受供水装置影响,入渗过程刚开始时风干土壤的含水量很小,土壤的基质势梯度很大,12中国水土保持科学2024年 图3　轻㊁中㊁重度侵蚀土壤10~50cm分层土壤含水率随时间变化Fig.3　Variation of soil moisture contents with time in10-50cm divided layers of slight,moderate and severe eroded soils表3　3种侵蚀程度土壤土柱所有模拟参数数值Tab.3　All simulated parameters of soil column with three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree土层Soil horizon/cmθrθsα/(cm-1)n K s/(cm㊃h-1)0~100.10280.56600.01431.38942.496710~200.09680.49970.01171.41960.7217轻度Slight20~300.09860.51510.01211.41370.902930~400.09100.44270.01121.39750.211740~500.08900.43090.01121.39200.17920~100.09130.50390.00951.49081.366210~200.06890.41160.00691.58670.5396中度Moderate20~300.06610.39340.00751.55840.375430~400.07780.41780.01081.45310.298340~500.08000.42420.01091.44950.31330~100.06290.41950.02281.42281.457510~200.05810.39130.02581.39751.0963重度Severe20~300.05060.31360.01431.31140.090030~400.04490.25800.03891.25080.115840~500.04740.33760.03631.39810.9696　注:θr:残余含水量,cm3/cm3;θs:饱和含水量,cm3/cm3;α:进气吸力值的倒数;n:孔隙度连通性参数;K s:饱和导水率,cm/h㊂下同㊂Notes:θr:Residue water,cm3/cm3;θs:saturation capacity,cm3/cm3;α:the inverse of air⁃entry value;n:porosity connectivity parameters;K s:saturated hy⁃draulic conductivity,cm/h.The same below.土壤的入渗能力较强,入渗速率主要取决于供水速率㊂但随着入渗过程的不断进行,土壤的基质势梯度会逐渐趋近于0,使入渗速率逐渐保持在一个较小的稳定值,即进入稳定入渗阶段㊂稳定入渗阶段是指土壤入渗经过瞬变和渐变阶段之后达到的一种入渗速率处于相对稳定的阶段㊂稳渗速率是反映土壤渗透性能的主要指标[8]㊂不同侵蚀程度黑土土壤机械组成结构不同,侵蚀程度强的土壤中砂粒含量越高,土壤孔隙度越大,导水率相应变大,入渗过程加快,稳渗率越高㊂因此土壤达到稳渗的时间越短,完成入渗的时间也越短,最终的稳定入渗率较高,反之递减㊂不同侵蚀程度黑土下不同剖面含水22　第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟 S :模拟值;M:实测值㊂下同㊂S:Simulated value.M:Measured value.The same below.图4　轻度㊁中度和重度侵蚀土壤累积入渗量模拟值与实测值相关性分析Fig.4　Correlation analysis between simulated and measured cumulative infiltration in slight,moderateland severe eroded soils图5　轻度㊁中度和重度侵蚀入渗速率模拟值与实测值相关性分析Fig.5　Correlation analysis between simulated and measured values of infiltration rates of slight,moderateand severe eroded soils表4　3种侵蚀程度土壤稳定入渗率及模拟值Tab.4　Soil stable infiltration rate and simulated values at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree 实测稳定入渗率Measured stableinfiltration rate /(cm ㊃h -1)5种模拟情况下的稳定入渗率Stable infiltration rate under five simulated conditions /(cm ㊃h -1)S:θr ㊁K s ㊁θsM:θr ㊁K s ㊁θs S:θr ㊁K s ;M:θsS:K s ;M:θr ㊁θsS:θr ;M:K s ㊁θs轻度Slight 0.160.3980.00570.3980.3980.0073中度Moderate 0.250.398 0.4460.446 重度Severe 0.720.2160.2680.2020.2170.278RMSE0.3670.3830.390 注: :模拟过程提前结束,无数值的情况㊂Notes: :The simulation process ends early,and there is no numerical case.量其分布规律与土壤累积入渗量的规律相似,这是由于土壤中黏粒含量较高会吸附更多的水分导致土壤饱和含水率更高㊂3.2　不同侵蚀程度黑土入渗模拟效果3种侵蚀程度土壤的土壤含水量的模拟结果与入渗速率和累积入渗量的规律相符,均为轻中㊁度侵蚀土壤模拟的入渗过程快于实测过程,而重度侵蚀土壤模拟的入渗过程慢于实测过程㊂这表明HYDRUS 1D 模拟入渗过程会低估砂粒含量较高的土壤入渗,高估黏粒含量较高的土壤入渗,黑土较为黏重的质地影响HYDRUS 1D 中内置函数对于土壤入渗过程的模拟,导致入渗模型的适用性稍差㊂在所32中国水土保持科学2024年模拟的6个水力参数中,针对轻度侵蚀地块土壤,K s 是主要的误差来源,对拟合结果的影响最明显:拟合时表层K s值有所低估,而在深层K s值被高估;中度侵蚀地块的拟合情况较好,有完整模拟过程的模拟情况1)㊁3)和4)有相同的趋势;重度侵蚀地块的所有模拟情况均明显少于实际入渗㊂这是由于重度侵蚀土壤底层密度较大,模拟出的K s值偏小,实测出的K s值并没有明显大于其他2种侵蚀程度土壤所导致的㊂水势梯度是由水头㊁重力㊁基质力和毛管力决定的,在实测入渗与模拟入渗设置的前期条件相同的时候,两者的水势梯度是没有太大差别的㊂所以入渗速率的差异主要是由饱和导水率值的差异造成的,饱和导水率是影响模拟结果最关键的因子㊂4　结论通过室内土柱实验发现,不同侵蚀程度黑土的入渗性能不同:3种侵蚀程度黑土的入渗速率在入渗开始时均较大,而后逐渐减小,最后趋于稳定,每种土壤上层的入渗速率均大于下层㊂随着侵蚀程度加剧,土壤入渗速率㊁累积入渗量及湿润锋运移速度加大,土壤达到稳渗的时间越短,完成入渗的时间也越短,最终的稳定入渗率也较高㊂土壤饱和含水率随着侵蚀程度的增大而减少㊂3种不同侵蚀程度土壤入渗过程的含水量模拟结果与实测结果差异较大,轻中度侵蚀土壤模拟的入渗过程快于实测过程,而重度侵蚀土壤模拟的入渗过程慢于实测过程㊂HYDRUS1D模拟入渗过程会低估砂粒含量较高的土壤入渗而高估黏粒含量较高的土壤入渗㊂应用HYDRUS1D模型模拟不同侵蚀程度黑土入渗过程的结果发现,轻㊁中度侵蚀土壤的入渗能力被高估,而重度侵蚀土壤的入渗能力被低估㊂其中,中度侵蚀的土壤入渗的拟合结果好于其他2种侵蚀程度土壤㊂可尝试进一步修正残余含水量和饱和含水量的参数数值,优化拟合结果㊂5　参考文献[1]　卞建民,李育松,胡昱欣,等.基于Hydrus1D模型的大安灌区旱田灌溉入渗补给研究[J].干旱地区农业研究,2014,32(2):191.BIAN Jianmin,LI Yusong,Hu Yuxin,et al.Study onrecharge from dry farmland irrigation based on the Hydrus1D model in Da′an irrigation district[J].AgriculturalResearch in the Arid Areas,2014,32(2):191. 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《土柱实验》教学指导书一、实验目的1、加强对黄土特性的学习，掌握土壤弥散系数的概念和方法；2、观察污染物在土壤中的迁移情况；3、深入了解土壤对污染物的吸附和解析模型；4、熟悉模拟实验数据的记录和处理，是将来进行污染物运移数学模拟的基础。

二、实验内容1、测定土壤的弥散系数2、观察污染物在土壤中的迁移3、建立土壤对污染物的等温吸附模型和吸附动力学模型；4、建立土壤对污染物的等温解析模型和解析动力学模型；三、仪器相片活性碳夹层柱身出水口出水或入水孔四、模拟实验土柱和装置1、土柱的概述实验土柱通常分为两种：非扰动的原状土柱和填装的土柱。

原状土柱较好的代表了研究对象的原土壤结构及理化性质。

填装土柱可以是经过筛分的一种土壤,也可以是按一定比例混合的几种土壤。

填装土柱不能保持原土壤结构,但是,适用于一定目的的专门研究。

例如,通过改变各种参数(土壤粒径、比表面和矿物组分,土壤水的pH值,或土壤的不同混合比例等)，来研究土壤对特定污染物的吸附性能。

2、土柱的尺寸土柱的尺寸没有硬性的规定，一般认为圆形土柱的长度大于其直径的2.5倍即可。

不过对于要求精确的模拟土柱，其尺寸还要考虑以下几个方面(1) 污染物通常含有多种物质，在设计实验的过程中应当以迁移能力最强的污染物为标准来设计土柱，一般来说迁移能力上，有机污染物<阳离子污染物<阴离子污染物。

(2) 由于在土柱内建立稳定的非饱和流场的方法不同,当土柱下段含水率偏高，不能满足实验要求时，必须要增长土柱的长度。

(3) 对于不同的实验目的，必须根据测量方法和测量数据来确定土柱长度与直径的比值。

3、入水方式入水方式通常有从上往下渗水和从下往上饱水两种。

通常前者用于，地表污染物往土壤中的下渗，可以比较正确的反应该条件下污染物在土壤中的迁移情况，但是无法用于研究土壤对其的吸附作用。

而从下往上饱水，可以让土壤与污染物充分接触，是研究土壤对污染物吸附机理和模型的最佳方式。

化学农药环境安全评价试验准则第5部分：土壤淋溶试验警示——使用本标准的人员应有正规实验室工作的实践经验。

本标准并未指出所有可能的安全问题。

使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的条件。

1 范围本文件规定了化学农药土壤淋溶试验的试验条件、试剂或材料、供试土壤、仪器设备、样品、试验步骤、试验数据处理、质量控制以及试验报告等的基本要求。

本文件适用于为化学农药登记而进行的土壤淋溶试验，不适用于熏蒸剂等极易挥发的农药。

2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 31270.1 化学农药环境安全评价试验准则第1部分；土壤代谢试验GB/T 32726-2016 土壤质量-野外土壤描述GB/T 39228 土壤微生物生物量的测定熏蒸提取法GB/T 6682 分析实验室用水规格和试验方法LY/T 1215 森林土壤水分-物理性质的测定LY/T 1225 森林土壤颗粒组成（机械组成）的测定LY/T 1243 森林土壤阳离子交换量的测定NY/T 1121.2 土壤检测第2部分：土壤pH的测定NY/T 1121.4 土壤检测第4部分：土壤容重的测定NY/T 1121.6 土壤检测第6部分：土壤有机质的测定ISO 11274 土壤质量持水能力的测定实验室方法（Soil quality - Determination of water-retention characteristic - Laboratory methods）3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

最大淋溶距离 maximum leaching distance经过淋溶过程后，被试物或老化残留物的量≥0.5%初始添加量的最深土壤段。

平均淋溶距离 average leaching distance在常规淋溶试验中被试物累计回收率达总回收率50%的土壤段的底端；或在老化残留淋溶试验中（累计回收率达总回收率50%的土壤段的底端）减去老化残留土壤层厚度的一半。