土地整理工程對丘陵山區(qū)土壤持水特性的影響

2014-07-02 10:40:25鐘茫等

湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年6期

鐘茫等

摘要：通過測定土地整理前后Ⅰ區(qū)（由水田改成的旱地）、Ⅱ區(qū)（平緩旱地）和Ⅲ區(qū)（坡度較大區(qū)的旱地）土壤水分特征曲線，計算了比水容量，探討了水分含量與土壤顆粒之間的關(guān)系。結(jié)果表明，①土地整理后，土壤水力參數(shù)殘余含水量（θr）、飽和含水量（θs）、進(jìn)氣吸力的倒數(shù)（α）、孔隙大小分布指數(shù)（n）在不同質(zhì)地間的大小排序略有差異，表現(xiàn)出θr基本不受地質(zhì)影響，而θs、α和n則大致符合質(zhì)地越粗值越大的規(guī)律；②土壤比水容量在低土壤水勢段較高，隨著土壤水勢的增加水分含量明顯降低直到基本不變；③在低壓力段，土壤容重顯著影響土壤的持水性，二者呈極顯著正相關(guān)，0.020～0.050 mm沙粒和黏粒含量與土壤水分含量呈負(fù)相關(guān)，其他粒徑土壤含量與土壤水分含量呈正相關(guān)，但相關(guān)性均不顯著，田間持水性主要受土壤容重的影響；隨著壓力的增大土壤水分含量與粉粒含量的正相關(guān)性增強(qiáng)，與土壤容重的正相關(guān)性減弱。土地整理顯著改變土壤的持水性能，影響程度的大小與土地整理工程的擾動程度密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：土地整理工程；土壤持水特性；Van Genuchten模型

中圖分類號：S15 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）06-1271-06

The Influence of Land Consolidation Project on Soil Water Holding Capacity

in the Hilly Area

ZHONG Mang，REN Zhen-jiang，LIU Juan，HUANG Jing-jing，WEI Chao-fu

（Key Laboratory of Southwest of cultivated Land Conservation， Ministry of Agriculture / College of Resources and Environment，

Southwest University， Chongqing 400716， China）

Abstract： Based on determing of soil water capacity curve inⅠ（reclaim paddy to dryland）， Ⅱ（traditional gentle dryland） and Ⅲ（traditional steep dryland）， fitted by Van Genuchten equation and calculated the water unit weight， the relationship between the moisture content and soil particle was studied. The results showed that after arrangement， Hydraulic parameter of soil θr、θs、α、n had slight differences in sorting of different soil texture. θr was not received by soil texture. The lighter soil texture was， the lighter θs、α and n value would be. The water capacity curve showed that the soil in low pressure section had high moisture content. With increasing of pressure， the moisture content decreased. The trend of pressure change would decrease until basically unchanged. It was the same as the trend of moisture content. Analysis of water holding capacity and physical property showed that in low pressure section， the relativity between particle and water unit weight was distinctively positive， and the relativity between 0.020～0.050 mm sand and cosmid was negative. Because of the water holding capacity influenced by water unit weight， the relativity between 0.020～0.250 mm sand and moisture content was not obviously. With the increasing of pressure， the positive correlation between the moisture content and particle enhances. The positive correlation between moisture content and water unit weight was weak. The land consolidation could obviously improve the soil ability of water holding capacity closely related with detail steps.

Key words： project of land consolidation； water holding capacity； Van Genuchten model

土壤水分運(yùn)動是陸地水循環(huán)的重要組成部分[1]。隨著數(shù)學(xué)物理模型的應(yīng)用，土壤水分運(yùn)動的研究逐步由定性向定量發(fā)展。土壤水文參數(shù)（包括土壤持水能力、飽和導(dǎo)水率、不飽和導(dǎo)水率）的研究有助于預(yù)測農(nóng)田土壤墑情及大面積地下水環(huán)境等實際問題[2]。田間持水量、土壤水分特征曲線和比水容量是土壤持水性能的重要指標(biāo)，其水力參數(shù)是研究土壤水分運(yùn)動及循環(huán)的重要參數(shù)，在模擬土壤水分動態(tài)和預(yù)測區(qū)域水分分布上具有重要意義。土壤水存在于多孔介質(zhì)的孔隙中[2]，其含量取決于土壤的比表面積和土壤的孔隙度[3]。因此，土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等土壤物理特性與土壤持水量和比水容量都密切相關(guān)；土壤水分特征曲線、擴(kuò)散率參數(shù)與土壤性質(zhì)關(guān)系密切[4]；且土壤飽和導(dǎo)水率與土壤通氣孔隙度關(guān)系密切[5]。隨土壤壓實程度增加，土壤容重增加，孔隙度減少[6]，土壤的田間持水量減少，萎蔫系數(shù)提高，土壤的最大有效水含量明顯減少[7]。

在水稻土中，土壤田間持水量和有效水含量均與土壤容重呈極顯著的線性負(fù)相關(guān)，有效水與土壤黏粒含量也呈顯著的線性負(fù)相關(guān)[8]；而土壤的田間持水量和有效水含量與土壤有機(jī)質(zhì)、結(jié)構(gòu)系數(shù)、團(tuán)聚度呈極顯著的線性正相關(guān)，萎蔫系數(shù)與土壤質(zhì)地也呈顯著的線性正相關(guān)[9]。土壤中含有一定量的有機(jī)物質(zhì)可以提高土壤的持水能力[10，11]。由于土壤吸附作用和孔隙的復(fù)雜性，目前尚未有合適的理論公式來表達(dá)土壤水吸力和含水量的關(guān)系。許多學(xué)者構(gòu)建了不同的持水模型，Gardner模型是描述土壤水分特征最為普遍的模型，其參數(shù)在一定程度上反映了樣區(qū)土壤水分的變化規(guī)律。王風(fēng)等[12]認(rèn)為Gardner提出的基質(zhì)吸力（S）與土壤含水量（θ）的經(jīng)驗公式θ=αS–b適合中國大部分地區(qū)，但考慮到滯留含水量，該方程參數(shù)的物理意義不明確，因此僅用來描述土壤水分隨基質(zhì)吸力變化而變化的特點。Van Genuchten模型[13]是最常用的描述土壤水分特征曲線的模型，其參數(shù)物理意義明確，被廣泛應(yīng)用于土壤水分特征曲線的模擬，土壤擴(kuò)散率、非飽和導(dǎo)水率的推求。利用分形幾何理論，可在水分特征曲線與土壤結(jié)構(gòu)分維之間建立一定的函數(shù)關(guān)系，揭示Calnpbell經(jīng)驗公式與土壤孔隙結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系[14，15]。因此，土壤持水模型參數(shù)不僅與黏粒密切相關(guān)，而且也與土壤容重、有機(jī)質(zhì)[16]等密切相關(guān)。

本研究探討了土地整理工程前后土壤的持水特性[17]，并將其與樣區(qū)基礎(chǔ)物理性質(zhì)之間的相關(guān)性進(jìn)行了探討。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集

在土地整理前后分別進(jìn)行一次采樣。采樣區(qū)位于重慶市合川區(qū)小沔鎮(zhèn)，地處渠江南岸，介于東經(jīng)106°30′15″—106°31′29″，北緯30°07′31″—30°08′21″。土壤以灰棕紫泥土為主，主要由侏羅系上沙溪廟組泥巖、沙巖發(fā)育形成，灌溉水田多為灰棕紫色水稻土。研究根據(jù)地形及土地利用類型將采樣區(qū)分為3個區(qū)域，分別為由水田改成的旱地（Ⅰ）、平緩旱地（Ⅱ）、坡度較大區(qū)的旱地（Ⅲ）。采樣前，根據(jù)采樣區(qū)已有地理坐標(biāo)生成20 m×20 m的網(wǎng)格，每個點以網(wǎng)格節(jié)點為中心，半徑2 m，取5個點的混合土樣，取樣深度0～20 cm；采樣時，借助GPS，坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)，共設(shè)計采樣點25個（圖1）。

1.2 測定方法

選定的指標(biāo)分別有田間持水量、土壤水分特性曲線和比水容重。采用壓力膜儀測定土壤持水特性，并以0.3×105 Pa吸力下土地整理前后的含水量作為田間持水量。具體操作為：利用壓力膜儀測定土壤持水特性。濕土樣被放在壓力膜儀中，外加一已知的壓力，此壓力可以使低壓下保持在土壤中的任何水分被壓出土壤。通過在幾個不同的壓力下分析樣品，則可確定土壤含水量與壓力之間的關(guān)系。研究采用的是利用德國生產(chǎn)的1500型15 bar壓力膜儀，分別測定0.1×105、0.3×105、0.5×105、1.0×105、3.0×105、10.0×105、15.0×105 Pa壓力下的土壤含水量和比水容量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地整理工程對田間持水量的影響

土壤持水能力是一個非常重要的農(nóng)業(yè)水文指標(biāo)，至今仍用田間持水量來表示。田間持水量不是一個真正的常數(shù)，但田間持水量是土壤抵抗重力作用而保留下來的含水量，它去除了蒸發(fā)、地下水和下部土壤干層的影響，作為評價土壤持水能力的一個指標(biāo)，仍有其相對平衡和定量的意義，至今尚沒有一個更好的指標(biāo)可以替代它。田間持水量通常由測定某一基質(zhì)勢時的含水量作為近似值。研究測定了0.3×105 Pa壓力下土地整理前后的含水量作為田間持水量，具體結(jié)果見表1。由表1可知，土地整理前Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3區(qū)田間持水量平均值分別為0.263、0.302、0.231 cm3/cm3，Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)，且Ⅱ區(qū)明顯高于Ⅲ區(qū)；土地整理后Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3區(qū)田間持水量平均值分別0.262、0.287、0.250 cm3/cm3，Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)，但Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)之間差異縮小。土地整理后與整理前相比，Ⅰ區(qū)平均田間持水量幾乎沒有變化；Ⅱ區(qū)平均田間持水量減少0.015 cm3/cm3，降幅為4.97%；Ⅲ區(qū)平均田間持水量增加0.019 cm3/cm3，增幅為8.23%。

2.2 土地整理工程對土壤水分特征曲線的影響

土壤水分特征曲線是土壤持水性能的重要指標(biāo)，是土壤水的基質(zhì)勢或土壤水吸力隨土壤含水率而變化的關(guān)系曲線。其表征土壤水的能量與數(shù)量之間的關(guān)系，是研究土壤水分的保持和運(yùn)動所用到的反映土壤水分基本特性的曲線。土壤水分特征曲線能較準(zhǔn)確地反映土壤孔隙的大小及其分布、土壤的持水性及水分的有效性。

Van Genuchten模型與實測數(shù)據(jù)相似程度好，在接近飽和時擬合效果更好，且參數(shù)具有明確的物理意義[18]，因此被廣泛用來模擬水分特征曲線。在RETC軟件中擬合Van Genuchten模型方程參數(shù)（以15.0×105 Pa壓力下的實測土壤含水量作為方程中的殘余含水量），該軟件通過對實測值的多次迭代擬合出水分特征曲線，具有較高的準(zhǔn)確性，其中土壤飽和導(dǎo)水率的實測值受時間和空間的影響很大，擬合值則難以如實反映土壤的飽和導(dǎo)水率，因此研究主要考慮殘余含水量（θr）、飽和含水量（θs）、進(jìn)氣吸力的倒數(shù)（α）、孔隙大小分布指數(shù)（n）4個水力參數(shù)[15]。土地整理前和整理后的水力參數(shù)θr、θs、α、n見表2。

由表2可知，土地整理前Ⅰ區(qū)θr為0.000 0～0.000 7 cm3/cm3，θs為0.283 9～0.579 8 cm3/cm3，α為0.002 1～0.158 2 cm，n為1.021 1～1.174 0；Ⅱ區(qū)θr為0.000 4～0.146 8 cm3/cm3，θs為0.381 5～0.576 5 cm3/cm3，α為0.001 2～0.016 3 cm，n為1.101 2～1.303 8；Ⅲ區(qū)θr為0.000 0～0.001 0 cm3/cm3，θs為0.288 9～0.488 0 cm3/cm3，α為0.002 7～0.031 4 cm，n為1.095 6～1.315 0。各水力參數(shù)均在合理的范圍內(nèi)，但不同區(qū)域類型各參數(shù)平均值差異較大，θr在不同區(qū)域的變化幅度為Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅰ區(qū)，差異明顯；θs在不同區(qū)域的變化幅度為Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)；α在不同區(qū)域間的變化幅度為Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)；n在不同區(qū)域的變化幅度為Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)。因此進(jìn)行土地整理前參數(shù)n大致符合質(zhì)地越粗值越大的規(guī)律，θs、α、θr變化規(guī)律不明顯。

土地整理后Ⅰ區(qū)θr為0.000 0～0.000 9 cm3/cm3，θs為0.291 8～0.497 1 cm3/cm3，α為0.001 9～0.075 7 cm，n為1.100 4～1.210 2；Ⅱ區(qū)θr為0.000 2～0.000 4 cm3/cm3，θs為0.290 3～0.504 8 cm3/cm3，α為0.000 0～0.337 5 cm，n為1.013 2～1.123 1；Ⅲ區(qū)θr為0.000 0～0.000 9 cm3/cm3，θs為0.301 4～0.636 0 cm3/cm3，α為0.000 4～0.345 0 cm，n為1.009 8～1.202 2。各水力參數(shù)均在合理的范圍內(nèi)，不同區(qū)域類型各參數(shù)平均值差異較大，θr在不同區(qū)域的變化幅度為Ⅰ區(qū)=Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)，但是差異很小，可以忽略；θs在不同區(qū)域的變化幅度為Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)；α在不同區(qū)域的變化幅度為Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)；n在不同區(qū)域的變化幅度為Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)。土地整理后參數(shù)θr無較大變化，而θs、α和n則大致符合質(zhì)地越粗值越大的規(guī)律。進(jìn)行土地整理后的參數(shù)變化規(guī)律與王改改[16]、來劍斌等[19]的研究規(guī)律大致相同。

對土地整理前后各參數(shù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，Ⅰ區(qū)θr的變化區(qū)間基本沒有變化，土地整理對θr影響不大；整理前θs、α和n的變化區(qū)間明顯大于整理后，整理后θs和α更加趨于集中，說明整理后由水田改成的旱地土壤之間持水特性差異縮小。Ⅱ區(qū)θr的變化區(qū)間基本沒有變化，θs的變化區(qū)間增大，α的變化區(qū)間明顯增大，n的變化區(qū)間減小，說明整理后平緩的傳統(tǒng)旱地土壤之間持水特性差異仍較大。Ⅲ區(qū)θr的變化區(qū)間減小但是不明顯，θs的變化區(qū)間增大，α的變化區(qū)間增大，n的變化區(qū)間減小，說明整理后坡度較大的傳統(tǒng)旱地土壤之間持水特性差異依然較大。各水力參數(shù)均在合理的范圍內(nèi)。

2.3 土地整理工程對土壤比水容量的影響

土壤比水容量反映的是單位水勢變化時，土壤吸入或釋放的水量，在數(shù)值上等于土壤水分特征曲線的斜率，它對于評價土壤水分的有效性具有重要的意義。根據(jù)實測的土壤水分特征曲線可分別求得不同水勢段土壤的比水容量。土地整理前后各采樣點不同水勢段的比水容量見表3，由表3可知，土壤比水容量隨土壤水勢的變化與是否進(jìn)行土地整理無關(guān)，當(dāng)土壤水勢由-0.1×105～-0.3×105 Pa降至 -1.0×105～-3.0×105 Pa時，土壤比水容量由10-1個數(shù)量級下降至10-2個數(shù)量級，土壤水勢降至

-10.0×105～-15.0×105 Pa時，土壤比水容量由10-2個數(shù)量級下降至10-3個數(shù)量級，土壤比水容量明顯下降，土壤的釋水量明顯變小，土壤此時雖屬于有效水范圍，但土壤的釋水量卻很小。

2.4 土地整理后土壤水分含量與主要物理性質(zhì)的相關(guān)性

將樣區(qū)土壤不同粒級的顆粒組成、容重作為影響因素，分別與不同壓力下的土壤水分含量進(jìn)行相關(guān)性分析，通過對不同壓力下土壤的水分含量與土壤的質(zhì)地、容重等的相關(guān)性分析研究高壓力段和低壓力段影響土壤水分的主要因素，結(jié)果見表4。由表4可知，當(dāng)0.3×105 Pa壓力下的土壤水分含量作為田間持水量，15.0×105 Pa壓力下的則為田間凋萎含水量，可知0.3×105 Pa壓力下，土壤水分含量與土壤粒徑為0.020～0.050 mm和<0.002 mm顆粒含量呈負(fù)相關(guān)，與土壤容重呈極顯著正相關(guān)，與其他粒徑含量呈正相關(guān)，但相關(guān)性均不顯著，說明田間持水性主要受土壤容重的影響；15.0×105 Pa壓力下，土壤水分含量與土壤容重和粉粒含量呈顯著正相關(guān)，與土壤粒徑為0.020～0.250 mm和<0.002 mm顆粒含量呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性均不顯著。隨著壓力的增大土壤水分含量與粉粒含量的正相關(guān)性增強(qiáng)，與土壤容重的正相關(guān)性減弱。

3 結(jié)論

田間持水量、土壤水分特征曲線和比水容量是土壤持水性能的重要指標(biāo)，其水力參數(shù)是研究土壤水分運(yùn)動及循環(huán)的重要參數(shù)，在模擬土壤水分動態(tài)和預(yù)測區(qū)域水分分布上具有重要意義。針對土地整理區(qū)不同地勢特征的土壤，運(yùn)用Van Genuchten模型擬合土壤持水特性，取得以下結(jié)論。

1）土地整理前后，Ⅰ區(qū)θr的變化區(qū)間基本沒有變化，土地整理對θr影響不大；整理前θs、α和n的變化區(qū)間明顯大于整理后，整理后θs和α更加趨于集中，說明整理后由水田改成的旱地土壤之間持水特性差異縮小。Ⅱ區(qū)θr的變化區(qū)間基本沒有變化，θs的變化區(qū)間增大，α的變化區(qū)間明顯增大，n的變化區(qū)間減小，說明整理后平緩的傳統(tǒng)旱地土壤之間持水特性差異仍較大。Ⅲ區(qū)θr的變化區(qū)間減小但是不明顯，θs的變化區(qū)間增大，α的變化區(qū)間增大，n的變化區(qū)間減小，說明整理后坡度較大的傳統(tǒng)旱地土壤之間持水特性差異依然較大。各水力參數(shù)均在合理的范圍內(nèi)。

2）土地整理后，土壤水力參數(shù)θr、θs、α、n在不同質(zhì)地間的大小排序略有差異，基本表現(xiàn)出θr基本不受地質(zhì)影響，而θs、α和n則大致符合質(zhì)地越粗值越大的規(guī)律，與在黃土高原發(fā)現(xiàn)的規(guī)律基本相同[19]，因為黏質(zhì)土壤中細(xì)孔隙較多，表面能較大，故能吸持較多的水分，在任何壓力下土壤中均含有較多的水分，沙質(zhì)土壤中大孔隙較多，水分容易排走，保持的水分較少。黏土中，孔隙分布比較均勻，因此當(dāng)吸力增加時，含水量的減少比較緩慢，曲線坡度比較緩和；沙質(zhì)土中，絕大部分孔隙容量集中在很小孔徑范圍的孔隙內(nèi)，一旦達(dá)到一定吸力，這些孔隙中的水分很快被排空，土壤含水量急劇下降。

3）土壤的比水容量影響著土壤的持水能力。從樣區(qū)土壤的比水容量來看，低壓力段土壤比水容量較高，隨著壓力增加比水容量逐漸減小，壓力越大減小趨勢越不明顯。土水勢為-0.10×105～-0.3×105 Pa時的土壤比水容量大，釋水量大；當(dāng)土水勢處于-10.0×105～-15×105 Pa時，土壤比水容量明顯變小，此時雖屬于有效水范圍，但土壤的釋水量卻很小，這是該土水勢范圍內(nèi)干旱的原因。

4）土壤質(zhì)地、容重影響著土壤的持水性能已經(jīng)被廣泛報道。本研究中發(fā)現(xiàn)在低壓力段土壤容重顯著影響土壤的持水性，二者呈極顯著正相關(guān)，0.020～0.050 mm沙粒和黏粒含量對土壤持水呈負(fù)效應(yīng)，其他粒徑土壤含量對土壤水分的相關(guān)性不顯著，主要是因為田間持水性主要受土壤容重的影響；隨著壓力的增大土壤水分含量與粉粒含量的正相關(guān)性增強(qiáng)，與土壤容重的正相關(guān)性減弱。這是因為在低壓力下，水分的保持主要依賴于土壤結(jié)構(gòu)和孔徑分布，受到土壤容重和孔隙度等的強(qiáng)烈影響，而在高壓力條件下，土壤水分的保持則主要是依賴土壤粉粒的吸附作用。說明粉粒能夠提高土壤持水能力，但若粉粒含量過高，萎蔫系數(shù)也會相應(yīng)提高，進(jìn)而降低土壤中的有效水含量。因此質(zhì)地中的粉粒含量對土壤的持水能力有較大的影響。

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