陜西洛川L1-S8黃土和古土壤水分特征研究

王長燕，衛(wèi)旭東

(1.寶雞文理學院 地理與環(huán)境學院，陜西 寶雞 721013；2.陜西省災害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

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·環(huán)境科學·

陜西洛川L1-S8黃土和古土壤水分特征研究

王長燕1，2，衛(wèi)旭東1

(1.寶雞文理學院 地理與環(huán)境學院，陜西 寶雞 721013；2.陜西省災害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

分析陜西洛川L1-S8黃土和古土壤層水分特征,為研究黃土高原土壤水分運動及農(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)。采用張力計法、環(huán)刀法等對洛川L1-S8黃土和古土壤層共16層32個原狀土樣進行水分特征曲線、田間持水量等的實驗測定。用Van Genuchten模型對洛川L1-1-S8-2黃土和古土壤的水分特征曲線進行擬合，R2值達0.98以上,每個黃土層及其相鄰下部的古土壤層的水分特征曲線相互交叉。洛川黃土層的土壤水分特征用Van Genuchten模型描述最適合;L1-L8黃土層的持水性在低吸力段強于相鄰下部的S1-S8古土壤層,在較高吸力段弱于相鄰下部的S1-S8古土壤層;總體上看洛川L1-S8黃土層的飽和含水量都比相鄰下部的古土壤層高,穩(wěn)定凋萎系數(shù)略低,最大有效水含量略高;L1-S5中黃土層的田間持水量比相鄰下部的古土壤層高,L6-S8中黃土層的田間持水量比相鄰下部的古土壤層略低。

陜西洛川;黃土和古土壤;水分特征曲線

本研究通過大量實驗,對洛川黃土塬L1-S8層位土壤水分特征曲線進行測定,優(yōu)選出描述黃土層水分特征曲線的最優(yōu)模型,計算分析黃土各層飽和持水量、田間持水量、穩(wěn)定凋萎濕度等水分常數(shù),以期為研究黃土高原土壤水分運動及農(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

洛川縣位于陜西省的中部、黃土高原的南部,是黃土高原面積最大、土層最厚的塬區(qū)之一,也是目前世界上保存最完好的古原地貌之一。塬面平坦開闊,平均海拔約1100 m,塬區(qū)黃土地層完整齊全,厚度較大,是典型的高原型黃土塬。洛川黃土區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L氣候,晝夜溫差較大,年平均氣溫9.2℃,年均降水量623.3mm,季節(jié)變化大,7～9月份占年降水量的60%,雨熱同期。

本研究在洛川縣城西邊約1km處的溝坡上選擇了一個典型剖面。剖面從L1至S8地層連續(xù)而完整,層位出露清楚。本剖面的現(xiàn)代耕作層之下是晚更新世馬蘭黃土(L1),全新世黃土L0和全新世古土壤S0已被侵蝕掉。

2 采樣與實驗方法

在L1-S8每個層位的中上部和中下部分別用大環(huán)刀(容積2650.7cm3)各采取一個原狀土樣,16個層位共采集樣品32個。L1層位中上部樣品標記為L1-1,中下部樣品標記為L1-2,其余層位的樣品編號依次類推。在實驗室中對樣品進行田間含水量、土壤水分特征曲線、容重的測定。田間持水量和容重采用環(huán)刀法進行測定,水分特征曲線(包括脫濕過程和吸濕過程)采用真空表型負壓計法進行測定,吸力的測定范圍為0～85kPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 洛川L1-S8樣品水分特征曲線擬合

前人已經(jīng)提出了很多數(shù)學模擬方程來定量研究土壤的水分特征曲線[13-15]。其中最常用的土壤水分特征曲線模型有Gardner模型、Brooks-Corey模型和Van Genuchten模型,其表達式分別為:

Gardner模型:h=aθ-b，

在CSMR邊坡巖體質(zhì)量分類方法中，除坡高指標外，結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡傾向間的差值等9個指標的取值已有相應的區(qū)間，為了與工程的實際保持基本一致，本文對上述9個指標的區(qū)間取值也參照上述區(qū)間，同時對于原分類方法中無上限或下限的閾值情況，本文根據(jù)實際工程情況進行適當選取。另外水電水利邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程以邊坡高度為分類依據(jù)，將邊坡分為低邊坡(h<10 m)，中邊坡(10 m≤h<30 m)、高邊坡(30 m≤h<100 m)、以及超高邊坡(h≥100 m)。為了與本文中的等級劃分相對應，本文將其分為低邊坡、中邊坡、中高邊坡、高邊坡以及超高邊坡五個等級。最終各評價指標的等級劃分如表1所示。

Van Genuchten模型:

其中θ為體積含水量(cm3/cm3),θs為飽和含水量(cm3/cm3),θr為滯留含水量(cm3/cm3),h為土壤吸力(kPa),hd為土壤進氣吸力(kPa),m，n，a，b為擬合參數(shù),m=1-1/n。

目前已有多種方法對水分特征模型參數(shù)進行求解[16-19],origin軟件可以快捷地實現(xiàn)復雜模型的參數(shù)求解,且準確度較高,本文借助最新origin 8.0軟件來進行參數(shù)的求解和曲線的擬合。結(jié)果顯示Gardner模型和Brooks-Corey模型對樣品L1-1-S8-2的脫濕曲線擬合的R2值都比較低,Van Genuchten模型擬合的R2值較高,L1-1-S8-2中,脫濕過程擬合的R2值在0.9846～0.9989之間,吸濕過程擬合的R2值在0.9843～0.9987之間,說明洛川L1-S8層土壤的水分特征曲線用Van Genuchten模型來描述比較合適。Van Genuchten模型的擬合曲線如圖1、圖2所示。

圖1 L1-1-S8-2脫濕曲線圖Fig.1 Dehumidifying curves of L1-1-S8-2

圖2 L1-1-S8-2吸濕曲線圖Fig.2 Moisture-absorbed curves of L1-1-S8-2

3.2 洛川L1-S8土壤持水性分析

將各樣品的土壤水分特征曲線進行比較,同一吸力條件下,土壤含水量較高,反映土壤持水性較強,反之說明土壤持水性較弱。用脫濕過程曲線來分析土壤的持水性變化,從圖1中可以看出,除第4，7層黃土和古土壤樣品外,L1-1-L8-2的脫濕曲線與相應S1-1-S8-2的脫濕曲線在低吸力段(20～40kPa)都出現(xiàn)交叉,在小于交叉點吸力范圍內(nèi),同一吸力條件下L1-1-L8-2的水分含量高于S1-1-S8-2,說明在此范圍內(nèi)L1-L8黃土層的持水性強于S1-S8古土壤層;在大于交叉點吸力范圍內(nèi),同一吸力條件下L1-1-L8-2的水分含量低于S1-1-S8-2,說明在此范圍內(nèi)L1-L8黃土層的持水性弱于S1-S8古土壤層。第4層黃土的持水曲線在0～85kPa范圍內(nèi)始終在第4層古土壤的持水曲線之上,說明第4層黃土的持水性在0～85kPa范圍內(nèi)始終大于第4層古土壤層;第7層黃土和古土壤的持水曲線在0～85kPa范圍內(nèi)基本重合,反映第7層黃土和古土壤的持水性能強弱基本相同。

容重和持水量之間存在一定的關(guān)系[20-21]。將各樣品的容重值和持水量結(jié)合起來分析發(fā)現(xiàn),在0～5kPa 范圍內(nèi)L1-1-S8-2樣品的持水量與容重具有較好的反相關(guān)關(guān)系,在高吸力段絕大多數(shù)樣品的持水量與容重具有正相關(guān)關(guān)系,但L4-2，S5-2樣品的持水量與容重卻具有反相關(guān)關(guān)系,這說明在吸力值很小時(0～5kPa)土壤的持水性受容重的影響很大,在吸力值較大時土壤的持水性除了受容重的影響外,還可能受到其他因素如粘粒含量、有機質(zhì)含量等因素的影響[22-23]。

3.3 洛川L1-S8土壤水分常數(shù)分析

飽和含水量、田間持水量、穩(wěn)定凋萎系數(shù)是研究土壤水分運動和利用最重要的3個水分常數(shù),本研究將各層樣品的3個水分常數(shù)分別進行計算,來分析各層黃土和古土壤的水分性質(zhì)。

飽和含水量反映土壤的最大容水能力。計算結(jié)果顯示,飽和容水量最大的層位是第1，4層黃土層,平均值分別為46.46%，43.3%,飽和容水量最小的層位是第5層古土壤層,平均值僅為28.78%;從黃土層和古土壤層比較來看,黃土層樣品的飽和含水量都比相鄰上部和下部的古土壤層樣品大。

田間持水量是土壤有效水的上界,本剖面中田間持水量較高的層位是第7層古土壤層和第4層黃土層,分別為23.45%和23.38%,田間持水量較低的層位是第3層古土壤層、第1層古土壤層、第5層古土壤層,數(shù)值略低于20%;通過黃土層和古土壤層的比較,L1-S5中黃土層的田間持水量比相鄰下部的古土壤層高,L6-S8中黃土層的田間持水量比相鄰下部的古土壤層略低,數(shù)值低約1%,推測可能是由于重力壓實作用使得土層中的大孔隙減少,而且重力壓實作用對黃土的影響比古土壤層更明顯。

穩(wěn)定凋萎系數(shù)是土壤有效水的下界,一般以1 500 kPa吸力對應的土壤含水量來確定[24]。洛川L1-S8剖面中穩(wěn)定凋萎系數(shù)最大的層位是第5，6層古土壤層,平均值分別為17.99%，17.08%,穩(wěn)定凋萎系數(shù)最小的層位是第3層黃土層,平均值僅為4.66%;通過對比,除第7層黃土層的穩(wěn)定凋萎系數(shù)比第7層古土壤層略高外(差值僅為0.22%),其他黃土層樣品的穩(wěn)定凋萎系數(shù)都比相鄰下部的古土壤層樣品小。穩(wěn)定凋萎系數(shù)反映植物利用水分的下限,土壤水分含量低于穩(wěn)定凋萎系數(shù)時,植物將會永久死亡。由此可見,在各層土壤水分含量相同的情況下,黃土層的植物生長良好時,古土壤層的植物可能已經(jīng)枯死。

處于田間持水量和穩(wěn)定凋萎系數(shù)之間的是有效水,是植物生長利用的主要部分。洛川L1-S8剖面中有效水含量較大的層位是第3，4，7層黃土層和第7層古土壤層,平均值分別為17.81%，16.17%，16.59%，17.75%,有效水含量較小的層位是第5，1，2，3，4，6層古土壤層,各層平均值都小于7%；通過對比,除第7層黃土層的有效水含量比第7層古土壤層略低外(差值僅為1.16%),其他黃土層樣品的有效水含量都比相鄰下部的古土壤層樣品高。

4 結(jié) 論

通過以上分析,可以得出如下結(jié)論:

1)洛川L1-1-S8-2黃土和古土壤的水分特征適合用Van Genuchten模型來描述。

2)L1-1-L8-2的脫濕曲線與相應S1-1-S8-2脫濕曲線在約20～40kPa出現(xiàn)交叉,在小于交叉點范圍內(nèi),L1-L8黃土層的持水性強于S1-S8古土壤層;在大于交叉點范圍內(nèi),L1-L8黃土層的持水性弱于S1-S8古土壤層。在低吸力段黃土層和古土壤層的持水量主要受容重的影響,容重越大,持水量越小。

3)洛川L1-S8黃土層的飽和含水量都高于相鄰下部的古土壤層;L1-S5中黃土層的田間持水量比相鄰下部的古土壤層高,L6-S8中黃土層的田間持水量比相鄰下部的古土壤層略低;除第7層黃土層的穩(wěn)定凋萎系數(shù)比第7層古土壤層略高,最大有效水含量略低外,其他黃土層的穩(wěn)定凋萎系數(shù)都比相鄰下部的古土壤層略低,最大有效水含量略高。

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(編 輯 徐象平)

The characteristics of soil moisture of L1-S8in Luochuan, Shaanxi

WANG Changyan1,2， WEI Xudong1

(1.College of Geography and Environment, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China；2.Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province, Baoji 721013, China)

The paper analyzed the characteristics of soil moisture of L1-S8in Luochuan of China, in order to supply reference for research on water moisture movement, agriculture development and ecological construction. The 32 samples were undisturbed soil samples taken by big cutting-ring. The soil-water characteristic curves were obtained by tensiometer with measuring range of 0～85kPa, and the field capacities of samples were determined with the cutting-ring method. The results showed that the R2values of soil-water characteristic curves of L1-1-S8-2 fitted with Van Genuchten model are all above 0.98. The soil-water characteristic curves of each loess sample and that of adjacent and lower paleosol sample cross. Van Genuchten model is the best to describe the soil-water characteristics of loess and paleosol in Luochuan. The water-preserved properties of L1-L8are stronger in lower suction range and weaker in high suction range than that of adjacent and lower S1-S8. Compared with paleosol layers, the saturation moisture content of loess layers are greater, wilting moisture are lower, and the maximum effective water content are greater. Compared with adjacent and lower paleosol layers, the field capacities of L1-L5are greater, and those of L6-L8are lower.

Luochuan of Shaanxi; loess and paleosol; water characteristic curve

2015-11-04

陜西省教育廳重點實驗室基金資助項目(2010JS072，2009JS071，2013JS011)；國家自然科學基金資助項目 (40672108，41371497，41171423)；寶雞文理學院重點基金資助項目(ZK1054，ZK15052)

王長燕，女，山東招遠人，博士，從事環(huán)境演變和土壤水研究。

P641.131，S152.7+2

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-05-024