原狀鹽漬土不同鹽分含量對(duì)土壤水分特征曲線的影響

廖 海，栗現(xiàn)文，陳俊英，楊亞龍，勞聰聰，徐洋洋

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100）

0 引 言

土壤鹽漬化是一個(gè)全球化生態(tài)環(huán)境問題[1]，它會(huì)使土壤退化[2]，會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利的影響[3]，并且在干旱和半干旱地區(qū)土壤鹽漬化問題變得越發(fā)嚴(yán)重[4]。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的資料表明，全世界鹽漬土地的總面積約為9.5 億hm2，占地球陸地面積的7.26%，其中，我國(guó)鹽漬土地的面積約為1.0 億hm2，約占世界鹽漬土地的十分之一[5]。因此，開展對(duì)鹽漬土水力特性的研究具有重要的意義。

土壤水力特性決定著土壤的持水能力，而土壤水分特征曲線則是土壤水力特性的重要反映。土壤水分特征曲線是土壤水吸力或水分基質(zhì)勢(shì)與土壤含水率之間的關(guān)系曲線，它通常被用于評(píng)估土壤孔隙的大小和分布以及土壤水分的可利用性和持水性，它還被用來評(píng)估非飽和土壤的各種特性以及土壤水和溶質(zhì)運(yùn)移的模型[6-12]。許多研究者已經(jīng)在土壤水分特征曲線的擬合[13，14]、添加劑對(duì)土壤持水性的影響[15，16]、土壤水分特征曲線的影響因素[17]的研究上取得重要進(jìn)展。影響土壤水分特征曲線的因素有很多，包括：土壤鹽分含量、質(zhì)地和容重等。栗現(xiàn)文等[18]和郭全恩等[19]研究表明高含鹽量會(huì)使得土壤持水性和孔隙體積減小。趙雅瓊等[20]指出土壤粒徑越小，土壤孔隙的結(jié)構(gòu)就越密實(shí)，土壤中的中、小空隙增多連通性變差，但是土壤具有較高的進(jìn)氣值和良好的持水性，但李小剛等[21，22]研究指出隨含鹽量的增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和黏粒的分散性分別會(huì)顯著降低和顯著增加。李小剛[23]研究表明由于容重增大，土壤中的較大孔隙被壓縮，從而導(dǎo)致大孔隙數(shù)量減少，飽和含水率降低。但是以上研究多以擾動(dòng)鹽漬土為研究對(duì)象，其質(zhì)地、容重和鹽分含量設(shè)置均一，沒有考慮到大田下鹽分、質(zhì)地等在土壤中存在的空間變異性對(duì)土壤水分特征曲線的影響?，F(xiàn)階段關(guān)于原狀鹽漬土土-水曲線的研究很少，所以本文從考慮實(shí)際情況下鹽分、質(zhì)地等在土壤中存在的空間變異性角度出發(fā)，探究原狀鹽漬土鹽分含量對(duì)土壤水分特征曲線的影響。

本文以河套灌區(qū)沙壕渠灌域的三塊不同鹽分梯度（YZ1、YZ2、YZ3）的試驗(yàn)區(qū)原狀土壤為研究對(duì)象，測(cè)定并分析原狀鹽漬土不同鹽分含量下的土壤水分特征曲線，對(duì)不同鹽分含量梯度區(qū)土樣的土壤水分特征曲線和參數(shù)進(jìn)行擬合，并揭示3塊不同鹽分梯度區(qū)原狀鹽漬土土壤水分常數(shù)、持水能力、土壤當(dāng)量孔隙參數(shù)等的差異。研究可為鹽漬土的預(yù)防和改良提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河套灌區(qū)解放閘灌域沙壕渠灌域，如圖1 所示。沙壕渠灌域面積約為5 333.36 hm2。其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)107°05′～107°10′，北緯40°52′～41°00′，地形南窄北寬，地面較為平整且地勢(shì)走向?yàn)槟细弑钡?，其海拔? 034～1 037 m之間。沙壕渠灌域地屬干旱半干旱氣候區(qū)，年平均氣溫約為7 ℃，年均降雨量約為140 mm，年均蒸發(fā)量約為2 000 mm。沙壕渠灌域南北部鹽漬化程度差異較大，南部鹽漬化程度較輕，而北部鹽漬化程度大。

1.2 樣品采集

根據(jù)土壤的鹽漬化程度，樣點(diǎn)取樣區(qū)為3個(gè)鹽漬化梯度區(qū)域，分別為無鹽漬化（含鹽量為0.66g/kg）、輕度鹽漬化（含鹽量為4.36 g/kg）和重度鹽漬化（含鹽量為19.72 g/kg）本文中簡(jiǎn)稱YZ1、YZ2、YZ3，每塊研究區(qū)域約為16 hm2，按原沙壕渠監(jiān)測(cè)區(qū)的三個(gè)鹽分梯度分區(qū)進(jìn)行取樣。為了使取樣具有代表性，每一鹽分梯度區(qū)塊隨機(jī)取3 個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)取3 個(gè)層位：20、40、60 cm。樣品分二種：環(huán)刀樣，鋁盒樣。除鋁盒樣外，環(huán)刀樣品用原狀土鉆進(jìn)行采樣且樣品數(shù)量都為27個(gè)。環(huán)刀樣用于容重與土壤水分特征曲線的測(cè)定，鋁盒樣則用于顆分、水分與含鹽量的測(cè)定。樣品質(zhì)地情況如表1所示，多數(shù)土壤樣品的質(zhì)地為壤質(zhì)黏土和砂質(zhì)壤土，較少土壤樣品的質(zhì)地為黏土。

表1 土壤樣品的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of soil samples

1.3 電導(dǎo)率和土壤水分特征曲線的測(cè)定

將27 個(gè)鋁盒樣在105 ℃下烘干后進(jìn)行充分研磨，采用土水比1：5 的方法配置土壤溶液，并用電導(dǎo)率儀（雷磁DDS-307 A 型，上海佑科儀器分公司）測(cè)定土壤溶液的電導(dǎo)率值（EC1：5，μS/cm）。

將27 個(gè)環(huán)刀樣置于清水中至飽和，用高速恒溫冷凍離心機(jī)（日本，日立，CR21GⅡ型）測(cè)定環(huán)刀樣品脫濕過程的土壤水分特征曲線，土壤水分特征曲線的擬合采用van Genuchten-Mualem 模型：

式中：θ(h)、θs和θr分別為土壤體積含水率、飽和含水率和殘余含水率，cm3/cm3；h 為壓力水頭（負(fù)壓），cm；α 為進(jìn)氣值的倒數(shù)，cm-1；m、n 為形狀參數(shù)，m=1-1/n。本研究中，模型參數(shù)由RETC軟件確定。

1.4 當(dāng)量孔徑的測(cè)量

將土壤中的各種孔隙的孔徑假設(shè)為圓形毛管，土壤水吸力S（Pa）和毛管直徑d（mm）的關(guān)系可表示為[24]：

若土壤含水率θ1、θ2（cm3/cm3）對(duì)應(yīng)的當(dāng)量孔徑分別為d1、d2，則d2與d1之間的孔隙所占體積與孔隙總體積之比為(θ1-θ2)/θs(其中θ1＞θ2)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

為評(píng)價(jià)van Genuchten 模型對(duì)各條件下土-水曲線的擬合情況，用RMSE、R2、IME 和IRMSE 作為van Genuchten 模型擬合原狀鹽漬土不同鹽分含量的土壤水分特征曲線的評(píng)價(jià)指標(biāo)。如果IME 和IRMSE 的值接近于零，則估計(jì)的準(zhǔn)確度將增加，IME可以取正值和負(fù)值，但I(xiàn)RMSE只能取正值。

式中：np為用于擬合模型的參數(shù)個(gè)數(shù)；θm，θp，θmean分別為含水率實(shí)測(cè)值、模型擬合值、含水率實(shí)測(cè)值的平均值；h為基質(zhì)吸力，kPa；pm和pp分別為含水率實(shí)測(cè)值和含水率實(shí)測(cè)值總體算數(shù)平均值；N為含水率實(shí)測(cè)值個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 原狀鹽漬土土壤水分特征曲線

圖2 為YZ1、YZ2、YZ3 地塊不同深度電導(dǎo)率圖，由圖2可知，整個(gè)60 cm 土層范圍內(nèi)電導(dǎo)率值隨地塊鹽漬化程度增大而增大，其中YZ1、YZ3 土壤20、40 cm 深度電導(dǎo)率值差異不大，但60 cm 電導(dǎo)率值增大；YZ2 土壤40cm 深度電導(dǎo)率值較20、60 cm 電導(dǎo)率值增大。圖3 為試驗(yàn)測(cè)得的原狀土不同鹽分含量不同土壤深度的土壤水分特征曲線，由圖3可知，隨著吸力增加，鹽漬化程度為YZ1、YZ2、YZ3 的土壤含水率值均減小。

由圖2、圖3（a）和表1 知，YZ1 地塊20 cm 處土-水曲線較40 cm 明顯右移，兩處質(zhì)地相同、容重相近，但其鹽分含量顯著增加，表明隨鹽分含量的增加，土壤持水性增強(qiáng)。60 cm處的土-水曲線相較于20cm 明顯右移，兩處容重相近，但其質(zhì)地不同且60 cm 處鹽分含量顯著增加，即在鹽分和質(zhì)地的影響下土壤持水性增強(qiáng)。由圖2、圖3（b）和表1 知，YZ2 地塊40 cm處土-水曲線相較于60 cm明顯右移，60 cm處的土-水曲線相較于20 cm 明顯右移，三處質(zhì)地相同，但其鹽分含量和容重不同，其中鹽分含量大小關(guān)系為40 cm＞60 cm＞20 cm，容重大小關(guān)系為20 cm＞60 cm＞40 cm，即鹽分含量相較于容重對(duì)土壤持水性的影響更大，鹽分含量越高土壤持水性越大。由圖2、圖3（c）和表1 知，YZ3 地塊20 cm 處土-水曲線較60 cm明顯右移，兩處容重相近，但質(zhì)地不同且20 cm 處鹽分含量顯著減少即過大的鹽分含量會(huì)減小土壤持水性；YZ3 地塊40 cm處土-水曲線較20 cm 明顯右移，兩處容重、質(zhì)地和鹽分含量都不相同即在三者的影響下40 cm處的持水性大于20 cm。

由圖2、圖3（d）～圖3（f）和表1 知，在只考慮質(zhì)地、鹽分和容重因素影響下，YZ1、YZ2、YZ3地塊的土-水曲線規(guī)律為：YZ2、YZ3 地塊分別較YZ1 地塊呈明顯的右移和左移即持水性分別增大和減小。由圖2、圖3（d）和表1 知，YZ2 地塊20 cm 處土-水曲線較YZ1 地塊20 cm 右移，兩處質(zhì)地相同，但其鹽分含量和容重均大于YZ1 地塊20 cm，即在鹽分和容重影響下土壤持水性增強(qiáng)；YZ3 地塊20 cm 處土-水曲線較YZ1地塊20 cm 左移，兩處容重相近，但質(zhì)地不同且鹽分含量相差過大，即在鹽分和質(zhì)地因素影響下土壤持水性減小。由圖2、圖3（e）和表1 知，YZ2 地塊40 cm 處土-水曲線較YZ1 地塊40 cm 右移，兩處質(zhì)地相同、容重相近，但其鹽分含量顯著增加，表明隨鹽分含量的增加，土壤持水性增強(qiáng)；YZ3 地塊40 cm 處土-水曲線較YZ1 地塊40 cm 左移，兩處質(zhì)地相近，但容重和鹽分含量不同，容重和鹽分含量大小關(guān)系為YZ3-40＞YZ1-40 即在鹽分、質(zhì)地和容重因素影響下，過大的鹽分含量會(huì)減小土壤的持水性且對(duì)土壤持水性的影響占據(jù)主導(dǎo)作用。由圖2、圖3（f）和表1 知，YZ2 地塊60 cm 處土-水曲線較YZ1地塊60 cm 右移，但YZ3地塊60 cm 處土-水曲線較YZ1地塊60 cm 左移，三處質(zhì)地和容重相近，但鹽分含量相差顯著，即輕度鹽漬化對(duì)應(yīng)的鹽分含量增加土壤持水性，而重度鹽漬化下土壤持水性減小。綜上，原狀鹽漬土土壤水分特征曲線主要受鹽分含量的影響，與無鹽漬化土壤相比，輕度鹽漬化下的含鹽量增大土壤持水性，重度鹽漬化下土壤持水性減小。

2.2 原狀鹽漬土不同鹽分含量對(duì)VG模型參數(shù)的影響

依據(jù)US Salinity Laboratory（美國(guó)鹽改中心）開發(fā)的RETC軟件中的van Genuchten-Mualem 模型計(jì)算原狀鹽漬土土-水曲線模型參數(shù)，其結(jié)果如表2 所示。由表2 知模型擬合參數(shù)隨鹽漬化程度的增大而改變。整個(gè)60cm 土層殘余含水率隨鹽漬化程度的增大變化較小，飽和含水率隨鹽漬化程度的增大而逐漸增大，但當(dāng)鹽漬化程度為重度時(shí)飽和含水率值小于無鹽漬化土壤。飽和含水率和殘余含水率的差值越大意味著該質(zhì)地類型的土壤持水性越強(qiáng)[25]，研究表明YZ2 土壤相較于YZ1 土壤40、60 cm 處的飽和含水率和殘余含水率的差值分別增大了5.5%、15.6% 即土壤持水性增大。參數(shù)α 數(shù)值上為進(jìn)氣值倒數(shù)，它反映土壤初始排水時(shí)的難易程度，易排水時(shí)α 值大，由表2 知，整體上參數(shù)α 隨鹽漬化的增加而減小。參數(shù)n 反映土壤水分特征曲線的傾斜程度，當(dāng)n 大時(shí)，曲線較陡[26]，由表2 可知，n 值隨鹽漬化程度的增大先減小后增大。

表2 各處理不同含鹽量的土壤水分特征曲線擬合參數(shù)Tab.2 Soil hydraulic properties under different treatments

2.3 基于VG 模型各處理不同土壤深度的含水率的耦合模擬

由表3 可知，由評(píng)價(jià)參數(shù)RMSE、IME、IRMSE 和R2的數(shù)值知，整體上VG 模型對(duì)于YZ1、YZ2 和YZ3 地塊60 cm 土層土壤土水-曲線擬合較好，但對(duì)于YZ2 地塊整個(gè)60 cm 土層土壤土水-曲線擬合精度（隨土壤深度的增加R2分別為0.74、0.82、0.93）沒有YZ1 和YZ3 地塊土壤土水-曲線擬合結(jié)果好，圖4對(duì)此結(jié)果顯示出良好的一致性。

表3 各處理不同含鹽量的土-水曲線的擬合評(píng)價(jià)Tab.3 The results of the estimation of the SWCC by different treatments

2.4 不同鹽分含量對(duì)原狀鹽漬土當(dāng)量孔徑分布的影響

土壤孔隙決定著土壤的通透性和持水性，也表征著土壤團(tuán)聚狀況。由公式（2）分別計(jì)算出原狀鹽漬土不同條件下的當(dāng)量孔徑。土壤當(dāng)量孔徑可分為：極微孔隙（＜0.3 μm）、微孔隙（≥0.3～5 μm）、小孔隙（≥5～30 μm）、中等孔隙（≥30～75 μm）、大孔隙（≥75～100 μm）、土壤空隙（≥100 μm）6個(gè)孔徑段[27]。累積當(dāng)量孔徑分布結(jié)果如圖5所示。

由圖5 知，各級(jí)孔徑比例隨土壤鹽漬化程度的增加而改變。YZ1土壤不同土壤深度當(dāng)量孔徑分布并無明顯差異，極微孔隙占孔隙比例最大。YZ2土壤不同土壤深度當(dāng)量孔徑分布存在差異，即土壤20 cm 處當(dāng)量孔徑分布與無鹽漬化土壤不同土壤深度當(dāng)量孔徑分布相近，但隨土壤深度的增加極微孔隙和微孔隙占總孔隙的比例分別增加11.75%和19.25%，即土壤持水性增強(qiáng)。但只有當(dāng)量孔徑為0.000 2～0.009 mm 的孔隙才為有效孔隙，其中的水分才能夠被植物所利用[24]即YZ2土壤雖然持水性增強(qiáng)了但有效孔隙并沒有增加。YZ3土壤隨土壤深度增加極微孔隙和微孔隙占總孔隙的的比例較YZ1 土壤與之對(duì)應(yīng)的比例分別減小28.08%、40.61%和21.64%，這說明YZ3 土壤持水性減小，但有效孔隙增加。

2.5 不同鹽分含量對(duì)原狀鹽漬土土壤水分常數(shù)的影響

由公式（1）和（2）分別計(jì)算出原狀鹽漬土不同條件下的田間持水率、重力水、有效水、易利用水、易利用水比例、凋萎系數(shù)及無效水[6]，結(jié)果如表4所示。

由表4 可以看出，整體上YZ2 土壤60 cm 土層的田間持水率、易利用水和易利用水比例較YZ1土壤有所增大，其中40、60 cm土層的田間持水率分別增大32.6%、28.8%。與YZ1土壤相比，YZ3土壤整個(gè)60 cm土層的田間持水率、易利用水和易利用水比例都有所減小，隨土層深度的增加田間持水率分別減小34.4%、34.1%和6.5%。整體上，YZ3土壤整個(gè)60 cm土層的凋萎系數(shù)小于YZ2、YZ1土壤，但YZ3土壤重力水含量大于YZ2、YZ1土壤。其結(jié)果可由圖4分析的結(jié)果解釋，即YZ2土壤極微孔隙和微孔隙增加，持水性增強(qiáng)，田間持水率隨之變大，YZ3土壤則與其相反。

3 討 論

研究從考慮實(shí)際情況下鹽分、質(zhì)地等在土壤中存在的空間變異性角度出發(fā)探究原狀鹽漬土鹽分含量對(duì)土壤水分特征曲線的影響。研究表明YZ2、YZ1 和YZ3 地塊土壤的持水性、田間持水率、孔隙之間的差異主要與土壤質(zhì)地和鹽分含量有關(guān)。結(jié)果表明，YZ2 地塊與YZ1 地塊相比土壤的持水性增大，這與Feng 等[28]研究結(jié)果一致即隨含鹽量的增加土壤持水能力增大，但YZ3 地塊土壤的持水性減小，其原因在于雖然土壤黏粒含量越多比表面積就越大，攜帶的電荷量也越多，這就能吸引更多的水分子，土壤的持水能力就會(huì)得到提高[29]，但是隨鹽化程度的增加，黏粒的分散率增加，團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低引起土壤結(jié)構(gòu)的變化[21,30]，即重度鹽漬化下黏粒對(duì)土壤持續(xù)水性作用減小，過大的含鹽量會(huì)減小土壤的持水性。隨地塊鹽漬化程度的增加，團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低引起土壤結(jié)構(gòu)的變化，土壤整個(gè)60 cm土層各大小孔隙比例隨之改變（圖5）。結(jié)果表明，YZ2、YZ3地塊與YZ1地塊相比，YZ2地塊小于5 μm的孔隙比例增加，土壤持水性增大，而YZ3 地塊大于等于5 μm 孔隙比例增加導(dǎo)致土壤持水性減小，即孔隙大小比例隨鹽分含量變化，土壤持水性隨之改變，這與郭全恩等[19]的結(jié)果一致。由于鹽分含量、黏粒含量對(duì)土壤持水性、孔隙的影響，田間持水率的大小也隨地塊鹽漬化程度的改變而變化。由圖6 知，電導(dǎo)率值、黏粒含量、容重與田間持水率相關(guān)性依次減小，由主成分分析各因數(shù)權(quán)重可知電導(dǎo)率、黏粒含量和砂粒含量貢獻(xiàn)率較大，但三者權(quán)重值接近即鹽分含量對(duì)田間持水率的影響占主導(dǎo)作用。

在本研究中VG 模型參數(shù)n、α 的值主要受土壤鹽分含量、黏粒含量的影響。結(jié)果表明，參數(shù)α隨鹽漬化的增加呈對(duì)數(shù)減小，n值隨鹽漬化程度的增大減小后又增大。隨土壤黏粒含量的增加，土壤質(zhì)地就越細(xì)，土壤持水性就越強(qiáng)，土壤開始排水時(shí)就需要較大的進(jìn)氣壓力值，而參數(shù)α作為進(jìn)氣值的倒數(shù)其值減??；隨土壤黏粒含量的增加，土壤持水性就會(huì)增強(qiáng)并且在含水率變化相同的條件下吸力值變化小，土-水曲線走勢(shì)放緩，所以參數(shù)n的值減小。隨著鹽分含量的增加，土壤鹽分中的離子與帶電顆粒結(jié)合吸附在土壤表面，使得土壤持水能力增加，初始排水的難度加大，進(jìn)氣值增大，參數(shù)α值減小；隨著土壤鹽分含量的增大，土壤表面積增大并且土壤膠體狀況得到改善，土壤持水性就會(huì)增強(qiáng)，造成土-水曲線右移且坡度變緩[31]，因此參數(shù)n 值減小。但當(dāng)鹽分含量達(dá)到重度鹽漬化時(shí)，參數(shù)n 值增大（表2），說明鹽分含量增大到一定程度時(shí)，其對(duì)參數(shù)n的影響為負(fù)。

研究結(jié)果比室內(nèi)非原狀鹽漬土鹽分含量對(duì)土壤水分特征曲線的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有真實(shí)性。但各條件下不同孔隙的比例是基于孔隙簡(jiǎn)化后由經(jīng)驗(yàn)公式得到，其真實(shí)性還有待驗(yàn)證。今后可通過CT 和電鏡掃描等手段研究原狀鹽漬土鹽分含量對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響。此外，本文得出原狀鹽漬土鹽分含量對(duì)土壤持水性、田間持水率和VG 模型參數(shù)n 的影響，但不明確鹽分含量對(duì)他們影響的拐點(diǎn)值。所以在今后的研究中可以從以上兩個(gè)方面開展進(jìn)一步的研究。

表4 不同鹽分含量原狀鹽漬土土壤水分常數(shù)值Tab.4 Soil moisture parameters of saline soil under different treatments

4 結(jié) 論

（1）原狀鹽漬土土壤水分特征曲線主要受鹽分含量的影響，與無鹽漬化土壤相比，輕度鹽漬化土壤中的含鹽量使土壤持水性增加，重度鹽漬化土壤中過大的鹽分含量則使土壤持水性減小。

（2）VG 模型對(duì)于YZ1 和YZ3地塊60 cm 土層土壤土水-曲線擬合精度高于YZ2 地塊，其對(duì)應(yīng)R2值范圍為0.78～0.99；0.95～0.99；0.74～0.93。VG 模型參數(shù)n 隨原狀鹽漬土鹽分含量的增加先減小后增大，而進(jìn)氣值倒數(shù)α值則呈減小趨勢(shì)。

（3）相比無鹽漬化土壤，輕度鹽漬化土壤40、60 cm 土層小于5 μm 的孔隙比例之和增加，田間持水率增大；而重度鹽漬化土壤小于5 μm 的孔隙比例之和隨土壤深度的增加而減小，田間持水率減小。