荒漠土壤的水分特征曲線測定及擬合比較

楊逍宇

摘 要：土壤水分特征曲線可以表達能量與數(shù)量之間的關(guān)系，土壤水分運動、調(diào)節(jié)利用土壤水分和土壤改良方面具有十分重要的理論價值和應(yīng)用價值。本文利用室內(nèi)離心機法獲得了荒漠綠洲河岸帶的包氣帶分層水分特征曲線數(shù)據(jù)，采用van Genuchten模型與Gardner模型各層土壤的水分特征曲線進行擬合分析。結(jié)果表明：van Genuchten模型在各層不同類型的土壤的擬合中都有良好的表現(xiàn)，而Gardner模型表現(xiàn)較差，特別對于粘質(zhì)土壤。

關(guān)鍵詞：沙漠;土壤;水分特征曲線;經(jīng)驗公式;擬合

中圖分類號：S152.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0203-03

0 引言

土壤水分特征曲線是土壤水基質(zhì)電位與土壤含水量相對應(yīng)變化之間的關(guān)系，其本質(zhì)是土壤水所含能量與數(shù)量之間的關(guān)系[1]。土壤的持水性能和排水性能可以通過土壤水分特征曲線反映出來，土壤水分特征曲線是研究土壤水分的保持和運動以及反映土壤水分基本特征的曲線，在土壤研究中有重要的實用價值[2]。土壤含水量和基質(zhì)勢可以通過土壤水分特征曲線進行相互轉(zhuǎn)換;土壤孔隙大小的分布也可以通過水分特征曲線反映;同時，土壤水分特征曲線也可以用來判斷土壤質(zhì)地狀況和土壤水分的分布狀況;此外，水分特征曲線是土壤水分運動方程模擬不可以缺少的重要參數(shù)[3]。因此，研究土壤水分特征曲線對土壤水分的運動、調(diào)節(jié)和改良具有極高的研究價值和應(yīng)用價值。

獲取土壤水分特征曲線的方法包括多種方法，例如直接測定法和經(jīng)驗公式法，其中直接測定法包括張力計法、離心機法和壓力膜法等。然而，土壤水分特征曲線的影響因素較為復(fù)雜，有必要從理論上分析土壤基質(zhì)勢與土壤含水量之間的關(guān)系，并推導(dǎo)出這種關(guān)系的表達式。因此，在直接觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一些經(jīng)驗公式[4]，常見的經(jīng)驗公式有：Broods-Corey模型、Gardner模型、Van-Genuchten模型、Gardner-Russo模型、Mckee-Bumb模型、Frdlund-Xing模型等。

干旱區(qū)占我國國土面積的25%左右，干旱區(qū)包氣帶干燥，獲取土壤基質(zhì)勢非常困難，土壤水分特征曲線通常用于將土壤水分轉(zhuǎn)換為基質(zhì)勢。因此土壤水分特征曲線是研究包氣帶水分運動過程的一個非常重要的參考因素。本文以荒漠土壤作為研究對象，通過離心機法獲取土壤切面土壤樣品的水分特征曲線，并選擇應(yīng)用比較廣泛的經(jīng)驗公式van Genuchten模型和Gardner模型進行擬合對比分析。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與測定試驗

試驗土樣采自我國西北內(nèi)陸河流域黑河流域下游的荒漠綠洲區(qū)，綠洲區(qū)河岸帶包氣帶厚度約為3.2m。根據(jù)土壤剖面的分層狀況，選取0-30cm、60-90cm、90-120cm、140-160cm、180-210cm、210-230cm為土樣采集土層，每層取2個重復(fù)土樣。如表1所示，研究區(qū)河岸帶包氣帶為砂質(zhì)土壤，并夾雜粘土層，其中埋深90-120cm和210-230cm土壤為粘土。本試驗采用離心機法測定土壤水分特征曲線，離心機的型號為Hitachi CR21GIII。

1.2 Van Genuchten模型Gardner模型

Van Genuchten模型：? ? ? ?（1）

式中，θ為體積含水率（cm3/cm3），θr為殘余含水率（cm3/cm3），θs為飽含水率（cm3/cm3）;h為土壤吸力（基質(zhì)勢的絕對值，cm）;α為與進氣值有關(guān)的參數(shù);n，m為曲線形狀參數(shù)，其中，m=1-1/n。

Gardner模型：h=αθ-β? ? ? ? ?（2）

式中，θ是體積含水率（cm3/cm3），θs是飽和含水率（cm3/cm3）;h是土壤吸力（cm）;α，β為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 荒漠綠洲河岸帶土壤水分特征曲線的確定

使用離心機測量法，測定獲得了表1中各層土壤的水分特征曲線，如圖1和圖2所示。其中，0-30cm、60-90cm和140-160cm埋深的土壤為壤質(zhì)的砂土或細(xì)砂土，其水分特征曲線相對比較一致，飽和含水量在0.42-0.45之間，殘余含水量在0.02-0.05之間，大體屬于同一土壤結(jié)構(gòu)類型。

另外，埋深為90-120cm、180-210cm和210-230cm的土壤水分特征曲線與前述三種土壤樣品有明顯的不同。其中，90-120cm和210-230cm深度的土壤為粘土土壤結(jié)構(gòu)類型，二者土壤水分特征曲線線型一致，為上凸型。埋深為180-210cm的土壤為砂質(zhì)土壤，線型為下凹型，與圖1三種土壤一致，但是其殘余含水量為0.12，明顯較大于圖1三種土壤的殘余含水量。

2.2 Van Genuchten模型Gardner模型擬合結(jié)果的比較

在本文中，決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）被用作模型比較的指標(biāo)，對于RMSE和R2各層土壤水分特征曲線的擬合評價指標(biāo)如表2所示。對于各層土壤，van Genuchten模型的RMSE值均明顯小于Gardner模型，而van Genuchten模型的R2值均大于0.98，明顯高于Gardner模型。因此，對于荒漠綠洲河岸帶土壤，van Genuchten模型擬合水分特征曲線表現(xiàn)更好。

對于埋深0-30cm的土壤，Van Genuchten模型的RMSE為0.009，R2為0.985，而Gardner模型的RMSE為0.025，R2為0.905。由圖3可以看出，Van Genuchten模型比Gardner模型能更好地擬合實測的水分特征曲線數(shù)據(jù)。

對于埋深140-160cm的土壤，Van Genuchten模型與Gardner模型的RMSE值分別為0.003和0.014，而R2值分別為0.999和0.981，表明這兩個模型對于該層土壤均有較好的擬合效果，如圖4所示。

從圖5可看出，對于深度為210-230cm的土壤，Van Genuchten模型能夠很好描述該層土壤水分特征，而Gardner模型則不能，其R2值小于0.8。

3 結(jié)語

通過野外采集土樣和室內(nèi)離心機方法，獲得西北內(nèi)陸河流域黑河下游荒漠河岸帶的土壤剖面水分特征曲線。根據(jù)土壤的深度和分層不同，水分特征曲線呈現(xiàn)出不同的曲線類型。在半對數(shù)坐標(biāo)中，對于砂質(zhì)土壤水分特征曲線呈下凹型，而對于粘質(zhì)土壤，水分特征曲線呈上凸型。根據(jù)實測的數(shù)據(jù)，選擇van Genuchten模型與Gardner模型分別對各層土壤的水分特征曲線進行擬合并分析，結(jié)果表明：與Gardner模型相比，van Genuchten模型對各層不同類型的土壤均有良好的擬合效果，而Gardner模型對粘質(zhì)土壤表現(xiàn)并不理想。

參考文獻

[1] 黃曉波，高冰可.土壤水分特征曲線研究綜述[J].農(nóng)技服務(wù)，2016，33（04）：22-23+27.

[2] 李浩然，樊貴盛.土壤水分特征曲線Gardner模型參數(shù)預(yù)報模型研究[J/OL].人民黃河：1-5[2019-01-29].

[3] 辛琳，郝新生，崔清亮.土壤水分特征曲線的4種經(jīng)驗公式擬合研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（02）：256-259.

[4] 唐凱.幾種典型土壤水分特征曲線模型分析[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2017，37（03）：34-35.