濱海鹽漬土土壤水分特征曲線測定及擬合模型的比較

蔣名亮，李 菲，陳小兵，郭建青，顏 坤，吳從穩(wěn),3，卜凡敏(. 長安大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 7005； . 中國科學院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復重點實驗室(煙臺海岸帶研究所)，山東 煙臺 6003；3. 煙臺大學生命科學學院，山東 煙臺 6005；. 山東省濱海鹽堿地水土環(huán)境工程技術(shù)研究中心，山東 東營 57500)

土壤水分特征曲線是土壤吸力與土壤含水率間的關(guān)系曲線，亦稱土壤持水曲線。它能夠表征土壤水的能量與數(shù)量的關(guān)系，曲線斜率的倒數(shù)即單位基質(zhì)勢的變化引起的含水量變化稱為比水容重，土壤水分特征曲線和比水容重是應(yīng)用數(shù)學物理方法定量分析土壤中的水分運動和溶質(zhì)運移的重要參數(shù)[1]。常用的田間和實驗室測定土壤水分特征曲線方法有壓力膜法、負壓計法、離心機法、沙性漏斗法、穩(wěn)定土壤剖面法、平衡水汽壓法等[2]。試驗實測數(shù)據(jù)本身實用價值不高，對土壤的水分特征沒有詳細的揭示意義，需要對實測點進行曲線擬合，得到水分特征曲線，從而能夠直觀地反映土壤的性質(zhì)和特點。現(xiàn)在主要的擬合模型有Brooks-Corey模型，van Genuchten模型[3]，Gardner 模型[4]，Campbell 模型和Fredlund 模型，其中應(yīng)用最廣泛的是Brooks-Corey模型和van Genuchten模型。

黃河三角洲是山東省重要的后備土地資源，其中近一半的土地為不同程度的鹽漬化土[5]。該地區(qū)鹽漬土按其成因分類屬于濱海鹽漬土，其土壤初期是由黃河攜帶的大量泥沙堆積而成，受海水的浸漬影響，含鹽量非常高，脫離海水之后，由周期性積鹽轉(zhuǎn)為季節(jié)性脫鹽[6]。鹽分以及某些離子組成對土壤及土壤水的理化性質(zhì)有很大的影響：鹽度會降低土壤水勢[1]；土壤含鹽量的增加會使土壤的持水性能增加[7]；土壤鈉質(zhì)化將惡化土壤的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，導致土壤結(jié)構(gòu)分散[8]。為了研究鹽分對土壤水分特征曲線的影響，栗現(xiàn)文、周金龍等將土體在不同礦化度水樣中飽和，然后測定土壤的脫濕曲線，通過擬合對比，分析了不同礦化處理對土壤孔隙的影響，以及最佳擬合模型的選擇[9]。在對土壤水分特征曲線的研究中土壤吸力一般指土壤基質(zhì)勢，而忽略土壤溶質(zhì)勢[1]，但濱海鹽漬土含鹽量高，忽略土壤溶質(zhì)勢顯然是不合適的。本文以此為出發(fā)點，實測黃河三角洲濱海鹽漬土不同土壤層位的水分-吸力數(shù)據(jù)，利用OriginPro 9.0繪圖軟件用戶自定義函數(shù)功能依據(jù)Brooks-Corey、Gardner和van Genuchten 3種模型擬合各層土壤的水分特征曲線，并選擇出最佳的擬合方案并得到相應(yīng)的擬合參數(shù)，結(jié)合土壤水分特征曲線分析土壤理化性質(zhì)，為濱海鹽漬土水鹽運移規(guī)律的研究與數(shù)值模擬提供可靠的參數(shù)，以求科學指導黃河三角洲地區(qū)鹽漬土的改良和農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗點位于山東省墾利縣的中國科學院黃河三角洲濱海濕地生態(tài)實驗站內(nèi)(118°58′44.00″E，37°45′52.39″N)，海拔2 m。地處暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候帶，雨熱同期，四季氣候變化明顯，年均氣溫13.1 ℃，年均蒸發(fā)量和降雨量分別為1 860.9、532.6 mm，蒸降比達到3.49。試驗點處地下水水位埋深1 m左右，最深不超過2.3 m，雨期地表常積水，平均礦化度為27.55 g/L。試驗站內(nèi)地勢低平，雨期澇害嚴重，土壤含鹽量高，鹽分以氯化鈉為主，土地利用類型為試驗田和荒地，試驗田種植棉花、檉柳，荒地植被有蘆葦、翅堿蓬、檉柳，實驗采樣點處為光板地，未生長任何植物。

1.2 試驗設(shè)計

本次試驗在實驗站光板荒地挖一個1 m深的剖面，按0～20,20～40,40～60,60～80,80～100 cm人為將剖面分為5層，每層都取少量的土樣做理化性質(zhì)分析；用60 cm3的環(huán)刀取這5層的原狀土做壓力膜試驗測定土壤的水分特征曲線，每一層都取3個環(huán)刀樣做平行；使用小鋁盒取這5層的土壤測定其土壤含水率，也設(shè)定3個重復；用100 cm3的環(huán)刀取每層的原狀土測定土壤的干密度。每個環(huán)刀鋁盒都分別做好編號。

1.3 試驗方法

(1)土壤密度測定。將現(xiàn)場采集的大環(huán)刀樣和鋁盒土樣按照國標NY/T 1121. 4-2006土壤檢測第四部分土壤密度測定的操作步驟測定土壤水分和土壤密度。

(2)土壤鹽分、質(zhì)地分析。將各層取好的土壤風干然后磨碎過20目的土壤篩，按照5∶1的水土比制備土壤浸提液，使用DDSJ-308A電導率儀測量土壤含鹽量；使用Marlvern Mastersizer 2000F激光粒度儀濕法進樣測定土壤顆粒直徑及其粒徑分布，根據(jù)卡慶斯基土壤分類標準對每層土壤的質(zhì)地進行分類。

(3)土壤水分特征曲線測定。土壤水分特征曲線使用1500F1型1.5 MPa壓力膜儀測定，結(jié)果為持水曲線的脫濕過程。將原狀的環(huán)刀土樣飽和后置于1500F1型1.5 MPa壓力膜儀內(nèi)已完全濕潤的陶瓷壓力板上,分別設(shè)置不同壓力值:0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa，每一壓力平衡后(出水口48 h不再出水即認定平衡),取出土樣用電子天平(d=0.01 g)立即稱重,而后放入壓力膜儀繼續(xù)進行下一級壓力測量。完成最后一級壓力取出土樣稱重，然后烘干,測定干土質(zhì)量并計算最后一級壓力下的土壤含水率，然后根據(jù)每一級壓力損失的水分推出對應(yīng)壓力的土壤含水率。取3個平行樣的平均值作為測量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)分析

表1為該土壤剖面不同機械分層下土壤的物理化學性質(zhì)的分析結(jié)果。從表1中可以看出，按卡慶斯基分類標準，該剖面0～20 cm為沙壤土，中間20～60 cm兩分層為松沙土，底下60～100 cm兩層為輕壤土。土壤密度從上到下依次減小，表層土壤密度最高，達到了1.53 g/cm3；80～100 cm層最低，為1.34 g/cm3。受到蒸發(fā)作用的影響，越近土壤表層土壤含水率越低，而鹽分卻因表聚作用而越高，但80～100 cm含鹽量卻又升高了，那是由于該層位土壤受到了淺埋深高鹽地下水的影響。整個剖面含鹽量均近于或大于0.4%，按照我國土壤鹽化分級指標土壤鹽分分級指標的劃分標準[10]已達到強度鹽漬化土的標準，而表層0.821 5%的含鹽量更是達到了鹽土的范疇。

表1 剖面不同土層土壤的物理化學性質(zhì)Tab.1 Edaphic physical and chemical properties of different soil layers of the section

2.2 水分特征曲線測定結(jié)果與模型的比較選定

常用于擬合水分特征曲線土壤水分-吸力實測數(shù)據(jù)且精度較高的經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕衯an Genuchten 模型(1980年)，Gardner 模型(1970年)和 Brooks-Corey模型(1964年)，3種模型的表達式分別為：

Brooks-Corey模型(下文以BC模型表示)表達式為：

(1)

當h≥0時，θ=θs

式中：θ為體積含水率；θr為殘留含水率；θs為飽和含水率；hd為空氣進入土壤孔隙中所必須達到的基質(zhì)吸力值，即進氣壓力；h為土壤吸力，一般情況下h<0，當土壤水飽和時h=0；λ為經(jīng)驗參數(shù)，能夠反映土壤孔隙的分布特征。

Gardner 模型形式如下：

|h|=αθ-bh<0

(2)

根據(jù)試驗條件調(diào)整該模型的自變量和因變量，將上式寫成反函數(shù)模式：

θ=A|h|-Bh<0

(3)

式中：A，B為擬合參數(shù)。

van Genuchten 模型(下文以VG模型表示)表達形式：

(4)

h≥0時，θ=θs

式中：α，n和m為土壤孔隙尺寸分布參數(shù)[9]，一般取m=1-1/n或1-2/n，均為經(jīng)驗參數(shù)；其他符號含義同上。

采用OriginPro 9.0軟件對表 2的壓力膜試驗實測數(shù)據(jù)根據(jù)這3個模型進行自定義函數(shù)擬合繪圖及參數(shù)計算。圖 1為剖面5層土壤壓力膜試驗實測點和模型擬合的曲線，表 3為3個擬合模型相應(yīng)的參數(shù)計算結(jié)果。

從表3可以看到使用3種模型對剖面上每一層土壤實測數(shù)據(jù)的水分特征曲線進行擬合的決定系數(shù)R2都達到了0.9以上， 且VG模型擬合結(jié)果較好，精度都大于0.976 7，明顯高于BC模型和Gardner模型，除了20～40 cm土層，Gardner模型的擬合精度都稍微高于BC模型，但二者差距甚微。

結(jié)合表1中各層土壤的粒徑組成可以發(fā)現(xiàn)，土壤中物理性砂粒含量越高，Gardner模型和BC模型的擬合精度就越低(0～20，20～60 cm土層)，說明這兩種擬合模型不適用與具有大孔隙的土壤的水分特征曲線擬合；而VG模型在擬合整個土壤剖面不同類型土壤時擬合精度無特別規(guī)律，而且擬合度都很高。

參數(shù)擬合方面，BC、Gardner、VG模型擬合的經(jīng)驗參數(shù)A、B、hd、λ、n、m都是隨著物理性沙粒含量的增高而增加的，α則相反。對于同為輕壤土的60～80和80～100 cm層，粒徑組成相近，容重也非常接近，但是BC、Gardner模型對水分特征曲線曲線的擬合精度相差較大，這是因為80～100 cm土壤大顆粒多于60～80 cm土壤[粒徑分析表明按國際制土壤分類前者粉粒(2～20 μm)38.52%，沙粒(>20 μm)60.93%；而后者粉粒51.41 %，沙粒48.34 %]，從而使土壤大直徑的孔隙較多，從而使BC、Gardner模型擬合60～80 cm層精度明顯大于80～100 cm層，雖然前者VG模型的擬合精度也大于后者，但相對于BC、Gardner模型，VG模型精度為0.981 6已遠遠高于前者。

綜上，在進行土壤水分特征曲線曲線的擬合上VG模型具有更廣的適用性。本次壓力膜試驗采用VG模型對實測數(shù)據(jù)擬合的曲線與參數(shù)計算作為擬合結(jié)果。

表2 剖面各層土壤吸力-水分關(guān)系測定結(jié)果Tab.2 Analysis results of the relationship between soil suction and moisture of each soil layer of the section

2.3 VG模型模擬結(jié)果分析與討論

圖2為剖面五層土壤實測數(shù)據(jù)點的總圖和相應(yīng)的VG模型擬合結(jié)果，結(jié)合表2的實測數(shù)據(jù)和表3的參數(shù)擬合結(jié)果，可以計算出各層土壤的田間持水率和土壤的凋萎系數(shù)，這些參數(shù)對農(nóng)田灌溉計劃有重要的應(yīng)用價值。田間持水率為毛管力約為10 132.5～30 397.5 Pa時的含水率[1]，各層田間持水率分別(取30 397.5 Pa)為38.86%、42.38%、39.09%、35.31%和45.57%，各層土壤凋萎系數(shù)(約為1 519 kPa時的土壤含水率)為20.65%、16.83%、5.93%、5.45%和27.21%。結(jié)合表1可以看到對于相同類型的土壤，含鹽量對其凋萎系數(shù)影響很大，含鹽量越高土壤凋萎系數(shù)越大。模型參數(shù)α、n、m為土壤尺寸參數(shù)，是進行土壤水鹽運移規(guī)律及模擬研究的重要參數(shù)；n決定持水曲線的坡度，n越大坡度越小，反之依然[11]。從表3可以看到5層土壤的參數(shù)α和n分別為0.001 9、0.001 6、0.001 3、0.001 7、0.000 5和1.207 5、2.561 1，4.306 7、1.974 6、1.253 6，結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)n值的大小正符合曲線坡度的反比關(guān)系。

圖1 剖面各層土壤不同擬合模型下的水分特征曲線擬合Fig.1 Each layer soil' moisture characteristics curse under different fitting models of the section

表3 剖面各層土壤實測點不同模型擬合下的參數(shù)表Tab.3 Measured data' parameter list of different fitting models of each soil layer of the section

圖2 剖面各層土壤壓力膜實測結(jié)果分布點及VG模型擬合曲線Fig.2 Each layer soil's data measured by pressure film and their VG-Model fitting curse of the section

從圖2根據(jù)曲線形狀可以將水分特征曲線分為2組： 20～40、40～60 cm為一組，這兩層土壤均為松砂土，土壤含水率在0.2 MPa壓力前隨壓力的增加急劇減小，之后相對平緩，這是因為土壤中物理性沙粒含量很高，存在大量的大孔隙水，這部分水在較小的壓力下就很容易被疏干，當壓力達到0.2 MPa時，大孔隙水基本已經(jīng)流失，存在于小空隙內(nèi)的水才慢慢釋出，此時脫水較為困難，曲線就非常平緩，從圖2中可以看20～40 cm土層的殘留含水率16.64%明顯高于40～60 cm的殘留含水率5.93%，換言之前者土壤保水性高于后者，其原因有二，第一前者物理性黏粒高于后者，第二前者含鹽量高于后者，其中的鹽分能夠使使土體中等大小土壤孔隙(0.012 mm0～20 cm>60～80 cm，物理性黏粒80～100 cm(19.88%)>60～80 cm(17.68%)>0～20 cm(11.82%)，含鹽量0～20 cm(8.215 g/kg)>80～100 cm(5.640 g/kg)>60～80 cm(3.955 g/kg)，80～100 cm物理性黏粒遠高于0～20 cm，所以保水性更好，前者物理性黏粒和含鹽量都高于60～80 cm，因此具更好的保水性， 0～20 cm含鹽量是60～80 cm的兩倍多，鹽分對土壤結(jié)構(gòu)造成了很大的改變，故而0～20 cm保水性高于60～80 cm。

3 結(jié) 論

(1)van Genuchten模型對該試驗點土壤水分特征曲線的擬合效果好于Brooks-Corey模型和Gardner模型，且擬合效果與土壤結(jié)構(gòu)沒有很大的相關(guān)性；Brooks-Corey模型和Gardner模型的擬合效果接近，對該試驗點擬合效果不穩(wěn)定，土壤粒徑結(jié)構(gòu)有這兩種模型的擬合有很大的影響，且這兩種擬合模型不適用于沙性土壤的擬合。

(2)使用模型擬合的土壤水分特征曲線能夠容易地獲取土壤某些特殊點的水分-吸力數(shù)據(jù)，試驗點土壤剖面各層土壤的田間持水率分別為39.82%、43.94%、39.51%、37.37%和45.90%，凋萎系數(shù)則為20.65%、16.83%、5.93%、5.45%和27.21%。

(3)從van Genuchten模型擬合的結(jié)果可以看出不同質(zhì)地的土壤具有不同的水分特征曲線形狀，而同一質(zhì)地的土壤具有相似的形狀；土壤顆粒和土壤鹽分對土壤的水分特征曲線有很大的影響，黏重土壤和高鹽土壤具有很強的持水能力。

本文試驗使用的壓力膜儀不能測定土壤水分特征曲線的吸濕過程，所以文中的研究都是就土壤脫濕曲線來討論的；黃河三角洲是黃河攜帶大量泥沙在渤海凹陷處沉積形成的沖積平原，對該地區(qū)多個位置的粒徑分析表明土壤的含沙量都比較高，所以文中結(jié)論對該地區(qū)土壤持水曲線的研究具有一定的借鑒意義；文中提到的鹽分以及土壤含沙量對土壤持水性的研究由于試驗數(shù)據(jù)較少，未能進行更系統(tǒng)的研究，因此鹽分、土壤粒徑雙重影響下的土壤水分特征曲線是之后亟需研究的內(nèi)容。

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