適用不同粒徑含鹽砂壤土水分?jǐn)U散率的通用模式

古萊姆拜爾·艾爾肯，虎膽·吐馬爾白,馬合木江·艾合買提

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 ，新疆 烏魯木齊 830052)

土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括土壤水分?jǐn)U散率D(θ)、導(dǎo)水率K(θ)以及比水容量C(θ)，這些參數(shù)綜合反映了土壤的持水性能及運(yùn)移能力[1]。土壤水分?jǐn)U散率反映了土壤孔隙度、孔隙大小分布以及導(dǎo)水性能，它是表征土壤水動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)之一，并影響土壤中水分運(yùn)動(dòng)狀況[2-3]。土壤水分?jǐn)U散率也是研究水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律與調(diào)控的主要參數(shù)[4]。土壤擴(kuò)散率受質(zhì)地、粘粒含量、土壤密度、孔隙度和有機(jī)質(zhì)等諸多因素的影響[5]。因此，半干旱地區(qū)土壤水分?jǐn)U散率的研究具有極其重要的理論和實(shí)踐意義，早已為人們所重視。長期以來，很多學(xué)者針對(duì)干旱、半干旱地區(qū)做了大量的研究工作[6-9]，但是研究土壤鹽分對(duì)土壤水分?jǐn)U散率的影響較少見。

用水平入滲實(shí)驗(yàn)計(jì)算土壤水分?jǐn)U散率的方法最早是由Bruce和Klute提出的[10]。該方法是利用一個(gè)半無限長的水平土柱來進(jìn)行入滲試驗(yàn)，忽略重力作用，根據(jù)一維水平流動(dòng)的偏微分方程和定解條件，引入Boltzmann變換參數(shù)后，將偏微分方程化為常微分方程，用解析法求得計(jì)算公式，再由試驗(yàn)資料列表計(jì)算土壤水分?jǐn)U散率[11]。隨后，Kirkham和Powers[12]詳細(xì)論述了這種方法的應(yīng)用。因?yàn)樵摲椒ǖ年P(guān)鍵是獲得土壤水分分布的光滑曲線，因此得到了廣泛應(yīng)用[13-20]。此法為室內(nèi)測定D(θ)的重要方法，在非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)研究中起到了重要作用。

土壤中的鹽分運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，鹽分一般隨著土壤水分的運(yùn)動(dòng)而遷移。由于新疆石河子121團(tuán)是典型的重鹽堿土，因此確定含鹽土中水溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的綜合擴(kuò)散系數(shù)是十分必要的。對(duì)鹽堿地土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的定量描述是控制區(qū)域土壤次生鹽堿化的基礎(chǔ)，其中的土壤水分?jǐn)U散率是研究土壤水鹽運(yùn)動(dòng)不可缺少的參數(shù)之一[21-23]。本研究在建立Boltzmann變換參數(shù)η與土壤體積含水率θ定量函數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用類似于Bruce和Klute的方法對(duì)新疆石河子121團(tuán)灌區(qū)膜下滴灌棉田不同粒徑含鹽砂壤土土壤水分?jǐn)U散率進(jìn)行比較,以及對(duì)土壤鹽分運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。通過水分?jǐn)U散率的測定可定量模擬單位時(shí)間內(nèi)土壤水分?jǐn)U散率的距離及其與含水率之間的關(guān)系，預(yù)測土壤次生鹽堿化的發(fā)展速度，為土壤次生鹽堿化的監(jiān)測與防治提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在新疆石河子121團(tuán)進(jìn)行，該團(tuán)位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，E85°20′～85°48′，N44°45′～44°58′。該地屬于溫帶大陸性氣候，日照時(shí)間長，年平均日照時(shí)間2 864 h，最高氣溫35℃，無霜期達(dá)160 d，年降水量140.2 mm,平均蒸發(fā)量1 789.2 mm，地下水埋深3～5 m，土壤質(zhì)地為砂壤土。0～100 cm土層平均體積質(zhì)量1.48 g·cm-3,田間持水率為20.6%(重量含水率)。

2 材料與方法

2.1 采樣方法與數(shù)據(jù)測定

土樣采自新疆石河子121團(tuán)試驗(yàn)地，采用50 m×50 m網(wǎng)格取樣，用自封袋裝擾動(dòng)土土樣，采集117點(diǎn)共702個(gè)土樣樣品，試驗(yàn)地面積為450 m×650 m。土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤顆粒分析是用國際SL237-1999中密度計(jì)法測定顆粒組成，土壤類型由美國土壤類型三角圖確定。其中粉粒占0.7%(0.002～0.05 cm)，粘粒占23.7%(<0.002 cm)，砂粒占75.6%(0.05～2 cm),土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，經(jīng)自然風(fēng)干后的土壤過0.5、0.5～1.0 mm和1.0～2.0 mm篩，按1.40 g·cm-3容重裝入水平土柱中。

2.2 測定原理

測定原理參見文獻(xiàn)[24]。在水平土柱中，使進(jìn)水端維持接近飽和的穩(wěn)定邊界的土壤含水率，使水分在土柱中作水平滲吸運(yùn)動(dòng)，在不計(jì)重力影響的條件下進(jìn)行測定。其一維水平流的微分方程和定解條件為：

(1)

θ(x,t)=θix>0,t=0

(2)

θ(x,t)=θs,x=0,t>0

(3)

式中,t為時(shí)間(min)，x為水平入滲距離(cm)，D(θ)為非飽和土壤水分?jǐn)U散率(cm2·min-1)，θi為水平土柱初始含水率，θs為飽和含水率(開始試驗(yàn)后在邊界處瞬時(shí)形成)

對(duì)式(1)進(jìn)行波爾茲曼變換(Boltzmann),利用定解條件(2)和(3)式，可以求得：

(4)

式中,η為波爾茲曼參數(shù)，η=xt-1/2。

為了便于計(jì)算，通常將式(4)改變?yōu)椴罘值男问?，其表達(dá)式為：

(5)

通過對(duì)(5)式的計(jì)算，便可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用列表法計(jì)算土壤水分?jǐn)U散率D(θ)。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

水平土柱試驗(yàn)裝置見圖1，土柱由有機(jī)玻璃圓筒(內(nèi)徑為4.6 mm)組成。試樣段由13個(gè)長4 cm的圓環(huán)組成。在進(jìn)水邊界處(x=0)，為保證土壤體積含水率為飽和含水率但又不產(chǎn)生重力水流的條件，在進(jìn)水室與土柱之間裝設(shè)低氣泡壓力和高傳導(dǎo)率的多孔板或?yàn)V網(wǎng)。供水裝置用以控制水平土柱的作用水頭(可考慮保持土柱作用水頭略低于大氣壓力)，測量進(jìn)水量。

圖1 土壤水分?jǐn)U散率試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test equipment for determining soil water diffusivity

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)制備土樣及裝填土柱，準(zhǔn)備好足夠的試樣(風(fēng)干含水量)。按一定容重裝填土柱，將螺桿旋緊然后水平放置。(2)瞬時(shí)給進(jìn)水室充水并使供水裝置定位。(3)計(jì)時(shí)并記下供水箱初始水位讀數(shù)。(4)經(jīng)過相當(dāng)時(shí)間(濕潤鋒面未達(dá)土柱末端之前)后，即可結(jié)束試驗(yàn)，此時(shí)停止供水，松開堅(jiān)固螺桿，按節(jié)取出土壤測定含水率，記下整個(gè)試驗(yàn)的歷時(shí)及總水量。3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)。(5)利用烘干法將烘干土樣粉粹，取土水比例1∶5攪拌均勻，沉淀后利用DDSJ-308A土壤含鹽率儀測定土壤的含鹽率(3個(gè)重復(fù))。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤體積含水率與Boltzmann變換參數(shù)和土壤含鹽率的關(guān)系

通過非穩(wěn)定流水平土柱試驗(yàn)，得到三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用式η=xt-1/2算出不同θ值對(duì)應(yīng)的η值，并繪制θ-η曲線(圖2)，Boltzmann參數(shù)η=xt-1/2(x為水平入滲距離，t為時(shí)間)反映了水分在土壤中水平入滲時(shí)，濕潤峰向前移動(dòng)的快慢程度[7]。在進(jìn)水端土壤體積含水率接近飽和，Boltzmann變換參數(shù)應(yīng)為零；當(dāng)土壤體積含水率取初始體積含水率時(shí)，Boltzmann變換參數(shù)趨于無窮大。從圖可知土壤體積含水率隨著Boltzmann變換參數(shù)的增大而減少。

對(duì)粒徑<0.5 mm、0.5～1.0 mm和1.0～2.0 mm，當(dāng)體積含水率范圍分別在0.367、0.332、0.317 cm3·

圖2 土壤體積含水率(θ)與Boltzmann參數(shù)(η)的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil water content θ and Boltzmann transformation parameter η

cm-3以上時(shí)，Boltzmann變換參數(shù)隨體積含水率緩慢下降；在體積含水率低于0.367、0.332、0.317 cm3·cm-3時(shí)，隨著體積含水率的降低，Boltzmann變換參數(shù)迅速下降。

土壤鹽分一般隨著土壤水分的運(yùn)動(dòng)而遷移。由土壤體積含水率與土壤含鹽率的變化關(guān)系(圖3)可知，土壤含鹽率隨著土壤體積含水率的增大而減少，<0.5 mm粒徑的砂壤土的含鹽率最高；接下來是0.5～1.0 mm粒徑的砂壤土；最低的是1.0～2.0 mm粒徑的砂壤土。這是因?yàn)橥寥览塾?jì)入滲時(shí)間和總?cè)霛B水量隨著粒徑的增大而減少。土壤含鹽率與土壤體積含水率的關(guān)系可用線性函數(shù)來表示(表1)。從土壤體積含水率與Boltzmann變換參數(shù)和土壤含鹽率之間的關(guān)系分析可知Boltzmann變換參數(shù)和土壤含鹽率隨著土壤體積含水率的增大而減少。

圖3 土壤體積含水率(θ)與土壤含鹽率(S)的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil water content (θ)and soil salt content (S)

3.2 土壤體積含水率與土壤水分?jǐn)U散率的關(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算不同體積含水率對(duì)應(yīng)的土壤水分?jǐn)U散率，并繪制土壤體積含水率與土壤水分?jǐn)U散率的關(guān)系曲線(圖4)。

從圖中可以看出，對(duì)于同一容重、相同水平距離情況下粒徑不同時(shí)含鹽砂壤土的土壤水分?jǐn)U散率隨土壤體積含水率的增加而增加。當(dāng)含水率接近飽和時(shí)，水分?jǐn)U散率趨于無窮。1.0～2.0 mm的砂壤土擴(kuò)散率最大，而且變化比較迅速，其次0.5～1.0 mm的砂壤土，最小的是小于0.5 mm的砂壤土。這表明土壤機(jī)械組成對(duì)土壤水分?jǐn)U散率有較大的影響，表現(xiàn)為隨著土壤粒徑的減小，土壤水分?jǐn)U散率逐漸降低。這與Xie Senchuan等[25]的砂性土的非飽和土壤水分?jǐn)U散率大于粘性土的結(jié)論一致。用指數(shù)函數(shù)擬合土壤水分?jǐn)U散率與土壤體積含水率之間的關(guān)系，具體結(jié)果見表2。

3.3 土壤水分?jǐn)U散率的綜合通用表達(dá)式

在實(shí)際情況中，僅僅土壤體積含水率與土壤水分?jǐn)U散率的經(jīng)驗(yàn)公式受到一定的限制，不能較好地反映出土壤水分?jǐn)U散率的變化曲線。因此要找到一個(gè)計(jì)算不同粒徑含鹽沙壤土水分?jǐn)U散率的通用公式。

表1 土壤體積含水率與土壤含鹽率的線性函數(shù)擬合分析

圖4 土壤體積含水率θ與土壤水分?jǐn)U散率D(θ)的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between soil water content (θ) and soil water diffusivity D(θ)

由土壤體積含水率與土壤含鹽率的變化關(guān)系可知，土壤含鹽率隨著土壤體積含水率的增大而減少，土壤含鹽率與土壤體積含水率的關(guān)系可用線性函數(shù)來表示(表1)。通過分析土壤體積含水率與土壤含鹽率之間關(guān)系，再結(jié)合土壤體積含水率與土壤水分?jǐn)U散率之間關(guān)系，可知土壤含鹽率隨著土壤水分?jǐn)U散率的增大而減少。本文通過上述分析了土壤水分?jǐn)U散率與土壤體積含水率和土壤含鹽率的變化關(guān)系，得到了土壤水分?jǐn)U散率的綜合表達(dá)式(見表3)。試驗(yàn)分析得出，同一容重、相同水平距離情況下粒徑不同時(shí)含鹽沙壤土擬合的經(jīng)驗(yàn)公式，擬合程度和回歸程度較好。

表2 土壤體積含水率與土壤水分?jǐn)U散率的指數(shù)函數(shù)擬合分析

表3 土壤水分?jǐn)U散率的綜合表達(dá)式

4 結(jié)果與討論

1)對(duì)于同一容重、相同水平距離情況下粒徑不同時(shí)含鹽砂壤土的土壤體積含水率與土壤水分?jǐn)U散率呈單調(diào)遞增關(guān)系。1.0～2.0 mm的砂壤土擴(kuò)散率最大，而且變化比較迅速，其次為0.5～1.0 mm的砂壤土，最小的是小于0.5 mm的砂壤土。隨著土壤粒徑的減小，土壤水分?jǐn)U散率在逐漸降低。當(dāng)土壤體積含水率接近飽和時(shí)，水分?jǐn)U散率趨于無窮。

2)對(duì)于同一容重、相同水平距離情況下粒徑不同時(shí)含鹽砂壤土的土壤含鹽率與土壤水分?jǐn)U散率呈單調(diào)遞減關(guān)系。<0.5 mm粒徑的砂壤土的含鹽率最高，其次為0.5～1.0 mm粒徑的砂壤土,最低的是1.0～2.0 mm粒徑的砂壤土。

3)新疆鹽堿地土壤面積較大，土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算中考慮土壤的含鹽量是較為符合實(shí)際。土壤水分?jǐn)U散率D(θ)的通用模式中綜合考慮土壤體積含水率和土壤含鹽率，得出的經(jīng)驗(yàn)公式能夠較好地反映不同粒徑含鹽砂壤土的土壤水分?jǐn)U散率。