沖洪積平原土壤低吸力階段水分特征曲線影響因素研究

秦文靜，樊貴盛

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

土壤水分特征曲線是表示土壤水吸力隨含水率變化的曲線，用于表征土壤水能量與數(shù)量之間的相互關(guān)系，是土壤水分運(yùn)動研究中最基本、最重要的參數(shù)之一。土壤水分特征曲線一般分為低吸力段(吸力<100 kPa)、中吸力段(100 kPa <吸力<1 500 kPa)和高吸力段(吸力>1 500 kPa)三段[1]。低吸力段所吸持的水分主要是受毛管力的作用，運(yùn)移速度快，作物有效利用程度高，占土壤有效含水量的比例大(50%～75%)，對作物正常生長起到關(guān)鍵的作用，對于農(nóng)田水分管理有十分重要的意義[2-4]。近年來諸多學(xué)者對不同地域、不同氣候條件、不同植被類型的土壤水分特征曲線[5-8]進(jìn)行研究。Yang Fei, Zhang Gan-Lin[9]等研究了有機(jī)質(zhì)對高山草地土壤持水性能的影響，認(rèn)為有機(jī)質(zhì)通過對土壤結(jié)構(gòu)與容重的改變從而影響了土壤持水性能；Ma Kuo-Chen, Lin Yong-Jun, Tan Yih-Chi[10]研究了含鹽量對土壤水分特征曲線的影響，認(rèn)為含鹽量影響了土壤進(jìn)氣值從而影響了土壤水分特征曲線；姚嬌轉(zhuǎn)、劉廷璽等[11]對科爾沁沙地土壤水分特征曲線進(jìn)行研究并建立了傳遞函數(shù)。這些研究結(jié)果都推進(jìn)了土壤水分特征曲線研究的發(fā)展，但前人的研究對象均為擾動土壤全階段土壤水分特征曲線，且研究方法均為擾動土在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)控制單一因素，而對對植物吸收利用更有意義的低吸力階段原狀土壤的研究十分匱乏。

本文試圖以沖洪積平原原狀水成土為對象，基于對其低吸力階段土壤水分特征曲線的測定數(shù)據(jù)，進(jìn)行Van-Genuchten模型擬合，揭示土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量對沖洪積平原原狀水成土土壤低吸力階段水分特征曲線的影響，為土壤水分特征曲線科學(xué)表征提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省祁縣汾河灌區(qū)，研究區(qū)域范圍包括E110°31.409′～112°14.467′，N36°40.224′～37°19.300′，海拔747～755 m，屬溫帶大陸性氣候，年平均降水量448.1 mm，年平均氣溫9.9 ℃，年平均日照時數(shù)2 675 h，無霜期171.2 d。地貌類型為沖洪積平原。在試驗(yàn)樣地選取3個有代表性的剖面：汾河灌區(qū)昌源河河灘、西山湖南、西山湖北。取樣點(diǎn)相鄰間距超過300 m。取樣時按自然發(fā)生層分布在不同深度土層進(jìn)行，昌源河取樣點(diǎn)取土深度達(dá)到3 m，西山湖南與西山湖北由于地下水埋深小于2.5 m，故取土深度為2 m。

1.2 土壤條件

試驗(yàn)土壤取自全部為野外實(shí)際原狀土，土壤母質(zhì)為汾河沖洪積物，土壤類型為潮土。于春耕前進(jìn)行取土，土壤質(zhì)地包含砂土、砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土和黏土，土壤容重變化范圍為1.153～1.617 g/cm3，初始含水量變化范圍為0.06～0.49，有機(jī)質(zhì)變化范圍為0.1～6.91 g/kg，含鹽量變化范圍為0.09～0.93 g/kg，團(tuán)聚體含量變化范圍為0～53.1%，試驗(yàn)土壤基本包涵了沖洪積平原水成土的基本情況，代表性強(qiáng)。

1.3 試驗(yàn)儀器及測定方法

1.3.1 土壤水分特征曲線測定

在各層次土壤中用體積為250 cm3的環(huán)刀取原狀土(每層3個)，用于土壤水分特征曲線的測量。本文選用德國UMS公司HYPROP儀[12-15]進(jìn)行土壤水分特征曲線的測量。HYPROP儀基于Schindler[16]提出的在自然蒸發(fā)條件下，在空間上，土壤吸力和和土壤含水率在土壤剖面上符合線性變化，在時間上，土壤吸力和環(huán)刀樣重量符合線性變化，并且在測量時間間隔較短、選用插值合適的情況下，擬合結(jié)果可靠[17]，擬合精度小于0.01。HYPROP儀每隔100 s自動測量一次吸力值，每隔8h稱重。試驗(yàn)所用HYPROP儀包括10個HYPROP傳感器組件(用于測量土壤吸力及溫度)和1個天平(精度為0.01 g)，傳感器組件通過tensionLINK連接到電腦，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。試驗(yàn)儀器如圖1所示。

采用HYPROP儀測定土壤水分特征曲線，主要步驟為：①將所取原狀土逆向飽和48 h；②將張力計(jì)安裝到傳感器底座上，并將各傳感器組件和天平與計(jì)算機(jī)連接；③將土樣置于底座上，開始測量，測量過程中每隔8h稱重一次；④實(shí)時觀察土壤水勢數(shù)據(jù)，當(dāng)水勢達(dá)到峰值(一般為-880 cm)并垂直下降，水勢最終趨于水平(0 cm左右)時測量完成；⑤測量結(jié)束后將土樣在105 ℃下烘干8～12 h，稱得干土重。試驗(yàn)過程保證在恒溫條件下進(jìn)行，且無外來風(fēng)干擾。

1.3.2 土壤理化參數(shù)測定

在環(huán)刀取樣處附近取適量散土，用于測量其他理化參數(shù)[18]。土壤機(jī)械組成用激光粒度分析儀測定，土壤含水率用烘干法(105 ℃)測定，土壤容重用環(huán)刀法測定，大于0.025 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量用Yoder濕篩法測得[19]，土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀法測得。

1.4 土壤水分特征曲線Van-Genuechten模型

土壤水分特征曲線有諸多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如Van-Genuchten模型[20]、Brooks-Corey模型[21]、Fredlund-Xing模型[22]等。V-G模型參數(shù)意義明確，對于各種類型土壤均適用且擬合精度高，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，故本文選用V-G模型作為土壤水分特征曲線擬合模型。V-G模型形式為：

(1)

式中：Se為土壤水吸力值；h為壓力水頭；α為與進(jìn)氣值有關(guān)的吸力值，對應(yīng)于曲線的拐點(diǎn)；n為與孔徑分布有關(guān)的參數(shù)，對應(yīng)于曲線的斜率，用于描述脫水速率；m=1-1/n，θr為殘余含水率；θs為飽和含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)地土壤的土壤水分特征曲線分析

選擇砂土、砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土和黏土四種代表性土壤進(jìn)行了試驗(yàn)。在土壤有機(jī)質(zhì)含量(G=2.36±0.05 g/kg)、結(jié)構(gòu)(γ=1.36±0.001 2 g/cm3、大于0.025 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為25.3%±1%，其中砂土為純細(xì)砂，團(tuán)聚體含量為0)相差不大的基礎(chǔ)上，不同質(zhì)地土壤實(shí)測低吸力階段土壤水分特征曲線如圖2所示。為了突出土壤水分特征曲線低吸力階段變化過程，將土壤水吸力取值10為底的對數(shù)(即PF值)。擬合所得V-G模型參數(shù)值如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)不同質(zhì)地土壤隨著吸力的變化，含水率變化范圍相差較大。隨著吸力的增大(PF值從0.118 cm到3 cm)，黏土土壤含水率變化范圍為49.41%～38.87%，粉砂質(zhì)壤土土壤含水率變化范圍為47.81%～24.89%，砂質(zhì)壤土土壤含水率變化范圍43.83%～8%，砂土土壤含水率變化范圍為44.73%～6.98%。PF值小于1.5 cm時，質(zhì)地越細(xì)，土壤飽和含水率越高。但由圖2、表1可以看出，砂土的飽和含水率較砂質(zhì)壤土高。究其原因?yàn)樯巴僚c砂質(zhì)壤土黏粒含量相差不大，但試驗(yàn)所供砂土黏粒和粉粒含量為0，土壤中大孔隙間連通性好，所能吸持的毛管水含量較砂質(zhì)壤土多，故砂土土壤飽和含水率較砂質(zhì)壤土高。當(dāng)1.5 cm3.0 cm時，質(zhì)地越細(xì)，土壤含水率越高。此時，土壤中大孔隙水分基本排完，隨著吸力的增大，水分只能保持在細(xì)小孔隙中。

圖2 不同質(zhì)地土壤水分特征曲線

土壤質(zhì)地V-G模型參數(shù)α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSE砂土0.018 25.4810.815 444.735.20.008 0砂質(zhì)壤土0.011 58.7710.885 943.837.70.008 2粉砂質(zhì)壤土0.015 12.3240.567 947.8115.20.003 1黏土0.009 051.0820.075 7949.4120.030.001 0

(2)不同質(zhì)地土壤水分特征曲線變化過程相差較大。土壤黏粒含量越高，土壤中的細(xì)小孔隙越多，同一吸力條件下土壤的含水率越大。黏土土壤顆粒細(xì)，壘結(jié)起來之后形成的孔隙較小，孔徑分布較為均勻，故隨著吸力的增大含水率緩慢減小。對于粉砂質(zhì)壤土而言，顆粒級配中黏粒含量(8.427%)遠(yuǎn)小于黏土(45.142%)，而砂粒含量增多，壘結(jié)起來之后形成的孔隙較黏土小，故隨著吸力的增大，呈現(xiàn)出平緩、較大幅減小和緩慢減小的過程。對于砂土而言，絕大部分孔隙都比較大，當(dāng)吸力達(dá)到一定值后，這些大孔隙中的水首先排空，土壤中僅有少量的水存留，故土壤水分特征曲線呈現(xiàn)為一定吸力一下平緩、陡直繼而平緩的過程。不同質(zhì)地土壤呈現(xiàn)土壤水分特征曲線較大差異的主要原因是不同粒徑土壤顆粒壘結(jié)所形成的土壤孔隙大小、分布和連通性各不相同。

(3)不同質(zhì)地土壤進(jìn)氣值(α值)相差較大。砂土進(jìn)氣值<粉砂質(zhì)壤土<砂質(zhì)壤土<黏土，且粗質(zhì)地土壤進(jìn)氣值的出現(xiàn)較細(xì)質(zhì)地明顯，表現(xiàn)為土壤水分特征曲線斜率的迅速變化。當(dāng)土壤吸力為零時，土壤處于飽和狀態(tài)，此時含水率為飽和含水率θs，若施加微小吸力，土壤中最大孔隙能夠抵抗所施加的吸力而繼續(xù)保持水分，表現(xiàn)為PF<1.5 cm時，土壤水分特征曲線基本保持水平。當(dāng)吸力值大于進(jìn)氣值時，土壤開始排水，含水率快速減小。一般而言，質(zhì)地越細(xì)，土壤進(jìn)氣值越大。而由圖2可以看出，砂質(zhì)壤土進(jìn)氣值較粉砂質(zhì)壤土大，究其原因?yàn)橥寥兰壟洳缓侠硭鶎?dǎo)致。由于粗質(zhì)地的砂性土壤孔隙大小分布較為均一，故進(jìn)氣值的出現(xiàn)較細(xì)質(zhì)地土壤明顯。

2.2 不同結(jié)構(gòu)的土壤水分特征曲線分析

土壤結(jié)構(gòu)能夠反映土壤的密實(shí)程度和孔隙狀況。故本文以容重作為反映土壤密實(shí)程度的衡量指標(biāo)，以大于0.025 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量作為反映土壤孔隙狀況的指標(biāo)。從而全方面的分析不同結(jié)構(gòu)的土壤水分特征曲線。

2.2.1 容重對土壤水分特征曲線的影響分析

選擇粉砂質(zhì)壤土不同容重土壤進(jìn)行了試驗(yàn)。在土壤有機(jī)質(zhì)含量(G=3.10±0.07g/kg)、大于0.025 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(33.21%±0.09%)相差不大的基礎(chǔ)上，不同容重實(shí)測低吸力階段土壤水分特征曲線如圖3所示。擬合所得V-G模型參數(shù)值如表2所示。

圖3 不同容重土壤水分特征曲線

土壤容重/(g·cm-3)V-G模型參數(shù)α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSEγ=1.1530.009 852.3110.567 348.817.50.003 6γ=1.5200.012 41.6450.392 141.618.30.008 0

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)同一質(zhì)地不同容重土壤，飽和含水率θs相差較大。同一質(zhì)地土壤，土壤級配較為相似，但容重越大，土壤大孔隙越少，中小孔隙越發(fā)達(dá)；容重越小，大孔隙越發(fā)達(dá)，連通性越好，所能吸持的毛管水越多，故同一質(zhì)地土壤容重越小，飽和含水率θs越大。

(2)同一質(zhì)地不同容重土壤，土壤水分特征曲線變化過程相似。由圖2可以看出，粉砂質(zhì)壤土土壤水分特征曲線經(jīng)歷了較為平穩(wěn)階段、快速減少階段和穩(wěn)定階段。供試土壤中，所有質(zhì)地相同的原狀土壤，測得土壤水分特征曲線變化過程均一致。分析認(rèn)為，土壤質(zhì)地相同時，土壤內(nèi)孔隙大小比例較為相似、分布較為相似、連通性較為相似。因此，盡管其他理化參數(shù)的不同會導(dǎo)致細(xì)微處有差別，但整體而言仍然呈現(xiàn)出變化過程具有一致性。

(3)隨著容重的增加，進(jìn)氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n值減小)，比水容量增大，土壤的持水性能逐漸增強(qiáng)。究其原因，隨著土壤容重增加，大孔隙減小，中小孔隙增多，故吸持在大孔隙中的水分減少，中小孔隙中的水分增多，隨著水分的蒸發(fā)，大孔隙中的水分率先排干，中小孔隙越多，水分所受到的吸附力越大，排水難度越大，持水性能越好。

2.2.2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量對土壤水分特征曲線的影響分析

選擇粉砂質(zhì)壤土不同水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量土壤進(jìn)行了試驗(yàn)。在土壤有機(jī)質(zhì)含量(G=1.97±0.05 g/kg)、土壤容重(γ=1.40±0.02 g/cm3)相差不大的基礎(chǔ)上，不同水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量實(shí)測低吸力階段土壤水分特征曲線如圖4所示。擬合所得V-G模型參數(shù)值如表3所示。

圖4 不同水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量土壤水分特征曲線

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量/%V-G模型參數(shù)α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSE16.90.002 932.2020.545 849.516.50.007 051.780.004 971.5520.355 752.620.70.001 9

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)同一質(zhì)地不同水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量土壤，飽和含水率θs相差較大。同一質(zhì)地土壤，土壤級配較為相似，但水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量約低，大孔隙越少，中小孔隙越發(fā)達(dá)；土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高，土壤大孔隙越多，連通性越好，且穩(wěn)定性越強(qiáng)，所能吸持的毛管水越多，故同一質(zhì)地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高，飽和含水率θs越大。

(2)同一質(zhì)地且有機(jī)質(zhì)含量相差不大的土壤，隨著土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加，進(jìn)氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n減小)，即同一吸力條件下，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高，含水率越大，土壤持水性越強(qiáng)。分析認(rèn)為，同一質(zhì)地的土壤，砂粒、粉粒、黏粒含量相差不大，砂粒構(gòu)成土壤“大骨架”，粉粒填充其中的一部分孔隙，黏粒填充更小的孔隙，當(dāng)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量大時，土壤結(jié)構(gòu)較好，保水能力增強(qiáng)。

2.3 不同有機(jī)質(zhì)含量土壤水分特征曲線分析

選擇粉砂質(zhì)壤土不同土壤有機(jī)質(zhì)含量土壤進(jìn)行了試驗(yàn)。在容重(γ=1.37±0.02 g/cm3)、大于0.025 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(51.71%±0.09%)，相差不大的基礎(chǔ)上，不同有機(jī)質(zhì)含量土壤實(shí)測低吸力階段土壤水分特征曲線如圖5所示。擬合所得V-G模型參數(shù)值如表4所示。

圖5 不同有機(jī)質(zhì)含量土壤水分特征曲線

有機(jī)質(zhì)含量/(g·kg-1)V-G模型參數(shù)α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSEG=1.9730.004 971.5520.355 752.620.70.001 9G=4.6860.009 282.0820.519 749.819.20.002 9

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)同一質(zhì)地不同有機(jī)質(zhì)含量土壤，飽和含水率θs相差較大。同一質(zhì)地土壤，土壤級配較為相似，但土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加使得土壤結(jié)構(gòu)與膠體狀況都發(fā)生了變化，土壤孔隙度增加、吸附作用增強(qiáng)，有利于土壤水分的保持，從而使得含水率增加。

(2)同一質(zhì)地且有機(jī)質(zhì)含量相差不大的土壤，隨著土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加，進(jìn)氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n減小)，即同一吸力條件下，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高，含水率越大，土壤持水性越強(qiáng)。分析認(rèn)為，同一質(zhì)地的土壤，砂粒、粉粒、黏粒含量相差不大，砂粒構(gòu)成土壤“大骨架”，粉粒填充其中的一部分孔隙，黏粒填充更小的孔隙，當(dāng)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量大時，土壤結(jié)構(gòu)較好，保水能力增強(qiáng)。

(3)同一質(zhì)地的土壤，在同一吸力條件下，隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，土壤水分特征曲線向右平移，即同一吸力條件下，有機(jī)質(zhì)含量越高，含水率越大。

3 結(jié) 語

(1)土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量對土壤水分特征曲線均有較為顯著的影響。不同質(zhì)地土壤隨著吸力的變化，含水率變化范圍相差較大，且變化過程相差較大；同一質(zhì)地土壤，土壤水分特征曲線變化過程一致，隨著容重的增加，進(jìn)氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n值減小)，比水容量增大，土壤的持水性能逐漸增強(qiáng)；同一質(zhì)地土壤，隨著土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加，進(jìn)氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n減小)，土壤持水性越強(qiáng)；同一質(zhì)地且有機(jī)質(zhì)含量相差不大的土壤，隨著土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加，進(jìn)氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n減小)，土壤持水性越強(qiáng)。

(2)土壤內(nèi)孔隙的大小、分布和連通性時覺得土壤水分特征曲線差異較大的根本原因。土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量的不同導(dǎo)致土壤內(nèi)部孔隙的大小、分布和連通性不同，從而導(dǎo)致土壤水分特征曲線的差異。

(3)土壤級配對土壤內(nèi)部孔隙的影響不可忽視，合理的級配能夠很大程度的提高土壤的保水性能。土壤由粒徑較大的砂粒含量組成“骨架”，形成諸多大孔隙，粉粒填充其中，黏粒填充到更小的孔隙中，會出現(xiàn)大孔隙基本完全填充和大孔隙不能完全填充的情況。當(dāng)級配合理的情況下，大孔隙被黏粒、粉粒含量基本完全填充，細(xì)小孔隙發(fā)育，土粒對水分的吸持作用較強(qiáng)，表現(xiàn)為同一吸力條件下，土壤含水率高，持水性好。