尿素濃度對(duì)土壤水分特征曲線及持水性的影響研究

董曉華，郭梁鋒，馬海波，姚著喜，劉旋旋(.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430072)

0 引 言

土壤水分特征曲線表示含水量與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線，是研究土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移的理論基礎(chǔ)[1]，也是評(píng)價(jià)持水能力的簡(jiǎn)便方法。土壤水分特征曲線受到土壤類型[2]、結(jié)構(gòu)[3]、溫度[4,5]、鹽分[6]等因素單獨(dú)影響，或多種因素復(fù)合影響，從而改變其形態(tài)。由于沒(méi)有很好理論推導(dǎo)方法獲得含水率和基質(zhì)勢(shì)的關(guān)系，所以目前還是以物理試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合的辦法得到水分特征曲線[7]。在眾多經(jīng)典模型中VG模型由于自身的優(yōu)越性被廣泛應(yīng)用到相關(guān)研究中。張力計(jì)法、壓力膜儀、漏斗法[8]等都是常用的土壤水分特征曲線測(cè)量方法，在多種測(cè)量方法當(dāng)中，離心機(jī)法[9]由于其在操作上簡(jiǎn)單、快速，而被廣泛應(yīng)用。

在農(nóng)業(yè)施肥中尿素(CON2H4)占有的比重很大，然而不合理的尿素施肥造成的土壤污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重[10]。目前，考慮溫度、容重、結(jié)構(gòu)、鹽分等對(duì)水分特征曲線的影響研究已有許多，但是尿素濃度對(duì)水分特征曲線的影響的研究并不多見(jiàn)[11]。本文根據(jù)前人研究的成果，使用離心機(jī)法測(cè)量宜昌地區(qū)砂型土壤在不同尿素濃度情況下的水分特征曲線。通過(guò)將測(cè)量結(jié)果分別與Gardner和VG經(jīng)典模型曲線擬合，分析隨尿素濃度變化Van Genuchten模型參數(shù)的走勢(shì)；并以此為根據(jù)研究尿素濃度對(duì)試樣水分特征曲線、容水度、田間持水量、凋萎系數(shù)、全有效水的影響。為今后研究尿素濃度對(duì)農(nóng)業(yè)施肥、節(jié)水灌溉和水土保持的影響奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土樣是采自三峽大學(xué)校園的砂型土壤，采樣時(shí)為了使試樣更有代表性選取多個(gè)地形點(diǎn)，清除采樣點(diǎn)處表面覆蓋物并用環(huán)刀對(duì)深度為5～15 cm間的土壤進(jìn)行取樣，取樣后將多個(gè)不同取樣點(diǎn)的土樣在潔凈的塑料板上混合均勻，在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)風(fēng)干、磨碎并過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)后保存在密封袋中。測(cè)得試樣初始質(zhì)量含水率為6%(g/g)，利用濕篩法和密度計(jì)法分析土壤的粒徑組成，測(cè)得該供試土樣的基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 試樣基本物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

將尿素用研缽碾成粉末與供試土壤充分混合并攪拌均勻，配成含有尿素質(zhì)量濃度分別為0%、1%、4%、7%的混合土壤，按1.4 g/cm3密度均勻壓實(shí)填入離心機(jī)的環(huán)刀內(nèi)，環(huán)刀內(nèi)裝土高度40 mm。為了排除整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的干擾，設(shè)置試樣在吸濕和離心過(guò)程中的環(huán)境溫度為20 ℃。將裝有土樣的環(huán)刀放入蒸餾水層中進(jìn)行飽和處理24 h，為了防止在吸濕過(guò)程中由于吸水導(dǎo)致試樣的膨脹，設(shè)置吸濕水層厚度為5 mm。待試樣達(dá)到充分飽和狀態(tài)之后，取出吸干環(huán)刀外部的水分并稱重。然后用離心機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下對(duì)樣品進(jìn)行脫濕處理，轉(zhuǎn)速?gòu)男〉酱蠓謩e設(shè)置為500、1 000、1 500、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000 r/min。預(yù)定每個(gè)轉(zhuǎn)速的時(shí)間為100 min，待每個(gè)轉(zhuǎn)速完成之后將環(huán)刀取出，再用吸水性能較好的布或吸水紙吸干環(huán)刀表面的水分之后使用精度為0.01 g天平進(jìn)行稱重，使用分度值為50的游標(biāo)卡尺測(cè)量每次離心后樣品的高度。測(cè)量結(jié)束后，將環(huán)刀取出并放入恒溫箱中105 ℃烘干24 h后稱重。設(shè)定不同尿素濃度的土壤重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程，即可得到不同尿素濃度下土壤試樣的水分特征曲線重復(fù)樣本。依據(jù)所測(cè)各試樣不同轉(zhuǎn)速下的土樣質(zhì)量、轉(zhuǎn)速和離心半徑，可推算出各離心速率下試樣的基質(zhì)吸力和質(zhì)量含水率。

本試驗(yàn)得到的含水率為質(zhì)量含水率，不考慮土壤密度的變化，即忽略在離心過(guò)程中由離心力所導(dǎo)致土壤壓縮、體積變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的誤差，故在計(jì)算基質(zhì)吸力時(shí)使用公式(1)：

(1)

式中：H為基質(zhì)吸力，kPa；r0=8.95，是離心中心到環(huán)刀底部，cm；l0=5.3，是環(huán)刀的高度，cm ；h′為試樣頂部到離心中心的距離，cm；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

1.3 數(shù)值方法

將測(cè)量結(jié)果分別與Van Genuchten和Gardner經(jīng)典模型擬合，通過(guò)擬合結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而剖析尿素濃度對(duì)模型各參數(shù)和容水度的影響。在眾多曲線擬合的方法當(dāng)中，最小二乘法擬合曲線是以給定值與取定函數(shù)所求值之間的誤差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)，其目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)公式(2)。結(jié)合本文研究，從幾何意義來(lái)講就是尋找與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值距離平方和最小的土壤水分特征曲線。

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 尿素濃度對(duì)試樣水分特征曲線的影響

離心機(jī)法測(cè)量土壤水分特征曲線是根據(jù)在離心過(guò)程提供了與基質(zhì)勢(shì)相反的力，且基質(zhì)勢(shì)與含水率在數(shù)值上一一對(duì)應(yīng)。在試樣離心過(guò)程中，土壤中尿素濃度的不同，在相同的離心力作用下，相同試樣對(duì)水分的持有能力也會(huì)發(fā)生變化。從圖1分析不同素濃度試樣的水分特征曲線，對(duì)于該試樣情況下的砂型土壤，尿素的濃度越高，試樣含水量等同的情況下相應(yīng)的基質(zhì)吸力越低，水勢(shì)增加，持水能力降低。由此表明，尿素濃度變化作為對(duì)土壤水分特征曲線影響因素不能忽略，在同基質(zhì)吸力的條件下，高濃度尿素試樣的持水力較差。伴隨試樣尿素濃度的增大，水分特征曲線向左運(yùn)動(dòng)。1%、4%、7%濃度試樣的水分特征曲線在0%的左邊，且偏移幅度順次增大。這是由于在試驗(yàn)處理過(guò)程中，尿素能夠迅速溶于土壤水形成硝酸鹽、銨鹽等，尿素濃度越高溶于水后的鹽分濃度越高，進(jìn)而影響了試樣原狀孔隙結(jié)構(gòu)。依據(jù)土壤孔隙水能量和當(dāng)量孔徑表達(dá)式(3)：

(3)

式中：H1為土壤最大毛細(xì)管上升高度，mm；σ為土壤表面張力系數(shù)，N/mm，溫度相同條件下為定值；ρw為水的密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；R為土壤的當(dāng)量孔徑，mm。

由式(3)可知，土壤水所有能量與孔徑當(dāng)量成反比。從圖1可以看出，在0～50 kPa階段，含有不同尿素濃度的土壤水分特征曲線形態(tài)變化不大，這是由于試樣所能吸持的水量主要由大孔隙決定，所以，盡管土壤吸力變化很小，但含水率變化很大；隨著基質(zhì)吸力的逐漸增加在50～950 kPa階段，含有不同尿素濃度的土壤水分特征曲線變化明顯，這是由于在離心過(guò)程中試樣的水分散失，尿素溶于水后形成的鹽分濃度逐漸增加，填充了試樣的大孔徑，造成大孔徑比例減少，試樣中水分由大孔徑保持的狀態(tài)逐漸被越來(lái)越小孔徑所替代，導(dǎo)致試樣水分散失越來(lái)越慢，曲線傾斜度增大。

圖1 試樣土壤水分特征曲線

2.2 試樣水分特征曲線擬合

VG模型不只適應(yīng)多種基配組成的土壤，而且能與土壤自身的物理性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，且擬合效果較好，因此自提出以來(lái)被廣泛使用，其式為(4)：

(4)

式中：θ為土壤含水率，g/g；θr為殘余含水率，g/g；θs為飽和含水率，g/g；h為壓力水頭，cm；α為進(jìn)氣值的倒數(shù)；m、n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其中m=1-1/n，0

對(duì)式(4)與測(cè)量結(jié)果擬合，得到α、n、θs和θr的值。對(duì)不同尿素濃度情況下土壤供試樣品的水分特征曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，所得各參數(shù)見(jiàn)表2，擬合效果如圖1。VG模型雖屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷舶欢ǖ奈锢硪饬x，因此在不同尿素濃度下通過(guò)曲線擬合得到的模型參數(shù)在一定程度上也反映出供試土樣受尿素濃度影響的情況。經(jīng)過(guò)分析4組測(cè)量結(jié)果與擬合數(shù)據(jù)相差的偏離度重均小于1.0×10-4，擬合效果良好。由表2可知，進(jìn)氣參數(shù)α、飽和含水率θs、殘余含水率θr都隨著尿素濃度增大而減小，試樣空隙尺寸分布參數(shù)n隨土壤尿素濃度的增大而增大。一般認(rèn)為α=1/h，h土壤進(jìn)氣吸力，參數(shù)α隨尿素濃度的升高而降低，證明隨著尿素濃度的增加試樣進(jìn)氣吸力值增加；形狀參數(shù)n只描述曲線的形狀，其擬合值隨尿素濃度的升高而增大，但變化不明顯；飽和含水率θs和殘余含水率θr受尿素濃度的影響主要由于尿素濃度的變化影響土壤顆粒間空隙減小，使試樣中水的運(yùn)動(dòng)能力減弱，持水能力降低。經(jīng)過(guò)分析各試樣VG模型α、n、θs、θr的值可知，形狀參數(shù)n、飽和含水率θs和殘余含水率θr的變異系數(shù)不超過(guò)10%，其變異程度很??；形狀參數(shù)α在10%～100%變異性之間屬于中等變異。

表2 試樣水分特征曲線方程擬合參數(shù)

2.3 尿素濃度對(duì)試樣持水性能的評(píng)價(jià)

容水度C是單位基質(zhì)吸力變化所引發(fā)含水率的變化的反映，可以說(shuō)明持水能力大小。可由Gardner模型θ=Ah-B的一階導(dǎo)數(shù)來(lái)表示，其一階導(dǎo)數(shù)為式(5)：

(5)

式中：C為容水度，kPa g/g；θ為含水率，g/g；H為土壤基質(zhì)吸力，kPa；A為100 kPa吸力時(shí)土壤含水量，g/g；B表示曲線隨吸力增加而下降的快慢程度。

容水度是用來(lái)衡量土壤持水性能的一個(gè)指標(biāo)，因此利用容水度對(duì)土壤的持水性能進(jìn)行定性的分析是一種比較常見(jiàn)的手段。100 kPa基質(zhì)吸力時(shí)的容水度可以定量分析持水能力的大小[12]。對(duì)上述公式(5)與實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行擬合，得到不同尿素濃度下的參數(shù)A、B。由A、B進(jìn)而得到C與土壤吸力之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。試樣容水度隨吸力的增加而減小，曲線隨吸力的增大逐漸趨于平緩。試樣容水度擬合公式和100 kPa基質(zhì)吸力時(shí)試樣的容水度值見(jiàn)表3。

圖2 試樣基質(zhì)吸力與容水度變化關(guān)系

表3 土壤容水度擬合公式

由此可知不同尿素濃度的土壤在100 kPa時(shí)的容水度隨濃度的升高依次降低，試樣的持水能力隨尿素濃度的增加逐步降低。試樣容水度隨基質(zhì)吸力增大而減小是由于：試樣在離心脫水過(guò)程中尿素逐漸的析出占據(jù)了土壤空隙，使得小孔徑數(shù)量增加，試樣土壤與水分的相互作用增強(qiáng)，排出相同水量所需的離心力逐漸增加。總體來(lái)說(shuō)，相同試樣條件下， 隨尿素濃度的增大試樣的持水能力減弱。

全有效水是介于土壤凋萎系數(shù)和田間持水量之間且能被植物所利用的土壤水。對(duì)于相同結(jié)構(gòu)性質(zhì)的土壤，田間持水量和凋萎系數(shù)為定值，因此可以從植物用水方面來(lái)反映土壤持水能力的大小。因此，研究不同尿素濃度條件下土壤田間持水量和凋萎系數(shù)，不僅對(duì)農(nóng)業(yè)用水以及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)施肥有重要意義，同時(shí)對(duì)滿足植物需水和節(jié)約用水的有機(jī)協(xié)調(diào)有重要意義。一般認(rèn)為，30 kPa基質(zhì)吸時(shí)土壤水的含量為田間持水量；1 500 kPa基質(zhì)吸力時(shí)土壤水含量為凋萎系數(shù)。將30和1 500 kPa大氣壓時(shí)的土壤吸力值分別代入水分特征曲線得到0%、1%、4%、7%尿素濃度試樣的田間持水量和凋萎系數(shù)，其二者的差值表示該試樣的有效水范圍，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 試樣水分常數(shù)及全有效水范圍

由圖3可以看出：隨試樣尿素濃度的增加全有效水范圍、凋萎系數(shù)、田間持水量梯級(jí)減小。這種變化是由于試樣中的尿素濃度過(guò)高填充了土壤的空隙，使保持試樣有效水的孔隙量減少。結(jié)果說(shuō)明，試樣中尿素濃度越高其田間持水量和凋萎系數(shù)越低，植物在該試樣條件下所吸收的有效水量降低。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文使用離心機(jī)測(cè)量了含0%、1%、4%、7%尿素濃度土壤的土壤水分特征曲線，并將結(jié)果與VG和Gardner經(jīng)典模型擬合，通過(guò)擬合結(jié)果討論了尿素質(zhì)量濃度對(duì)該試驗(yàn)條件下模型參數(shù)的影響，進(jìn)而分析尿素質(zhì)量濃度對(duì)持水性指標(biāo)的影響。結(jié)果證明：尿素濃度對(duì)水分特征曲線有顯著的影響，且隨著尿素濃度的增加水分特征曲線向左運(yùn)動(dòng)明顯，持水能力減弱；VG經(jīng)典模型參數(shù)n隨尿素濃度的增大而減小，參數(shù)θs和α隨尿素的增大而增大；隨著尿素濃度的增大而減小，全有效水范圍、田間持水量、容水度和凋萎系梯級(jí)減小，持水能力減弱。

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