容重對黏壤土土壤水分特征曲線的影響

洪 成，尹殿勝,2，陳俊英，柴紅陽

(1.中水淮河規劃設計研究有限公司，合肥 230601；2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

土壤水分特征曲線是土壤基質勢(水吸力)與土壤含水量之間的關系曲線，該曲線反映了土壤水分能量和數量之間的關系，是研究土壤水動力學性質必不可少的重要參數，在生產實踐中具有重要意義[1,2]。土壤水分特征曲線影響因素主要有土壤質地、土壤類型、土體顆粒的形狀、大小，土壤容重等。因此研究不同容重黏壤土的土壤水分特征曲線，得到土壤滲透系數、土壤持水性等相關水力參數對研究黏壤土入滲、蒸發、土壤侵蝕及溶質運移具有重要意義[3-5]。國內外有很多關于土壤水分特征曲線的影響研究成果[6-9]。趙迪等研究生物炭對粉黏壤土水力參數的影響，得出生物炭可以提高土壤的有效含水率[10]。仵峰等研究小麥玉米秸稈摻土還田對土壤水分特征曲線的影響，研究表明土壤混摻秸稈可以提高土壤易利用水比例，提高土壤的保水性[11]。陳宇龍等研究了粒徑對土壤持水性能的影響，得出土壤的進氣值和殘余基質吸力隨粒徑的增大而減小[12]。栗現文等研究了不同高礦化度土壤水條件下滲透系數的變化，得出中等大小孔隙的變化對非飽和水滲透系數影響較為顯著[13]。伊盼盼等研究干密度對非飽和重塑粉土土壤水分特征曲線的影響，得出土壤進氣值隨密度增加而增加[14]。楊兵等研究黏壤土曲率系數、不均勻系數和平均粒徑對滲透系數的影響，結果得出黏壤土的平均粒徑對滲透系數影響較大，滲透系數與曲率系數呈正相關關系[15]。朱崇輝等進行了無黏性粗粒土的滲透試驗研究，得出無黏性粗粒土滲透系數與其顆粒級配具有相關性[16]。通過以上研究說明，土壤的孔隙比影響土壤的滲透特性，而容重影響土壤的孔隙比，因此容重對黏壤土的滲透系數有很大影響，關于這方面的研究報道不多，因此有必要探討容重對土壤水分特征曲線的影響。本文通過試驗獲取不同容重黏壤土脫濕過程土壤水分特征曲線和飽和導水率，利用 RETC軟件選取通用模型擬合各組曲線，分析比較容重黏壤土的土壤滲透參數和土壤水分常數，為深入開展黏壤土入滲數值計算提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

供試土壤取淮河王家壩河漫灘和一級階地，取樣深度為0～30 cm，土樣去除雜質，自然風干后，碾壓過10目(2 mm)篩備用。采用激光粒度儀(馬爾文，APA2000)對試驗區土壤顆粒組成進行測定：黏粒(<0.002 mm)、砂粒(0.002～0.02)和砂粒(0.02～2 mm)的土壤顆粒質量分數分別為15.2%、63.3%和25.5%，根據國際質地三角形可知，供試土壤為黏壤土。試驗設計4個容重，分別為1.25、1.30、1.35和1.40 g/cm3，每個容重重復3次。

1.2 土壤水分特征曲線測定的測定

采用壓力膜法(DJ-WS15Bar)測定土壤水分特征曲線，首先測定土樣的質量及初始含水率，試驗前把土樣和壓力板置于薄層蒸餾水中12～24 h使土樣達到充分飽和，再將土樣放入壓力室內加壓，土壤受壓之后，將有水從引水管中流出，直到水不再流出時，此時認為達到平衡，然后關閉進氣閥，再打開壓力室，分別對各個土樣稱重，稱重后將土樣放入壓力腔室繼續加壓，施加的壓力依次從低到高，重復以上步驟。這樣每個壓力等級下的土壤含水量可以計算出來，用各含水量和所對應施加的壓力做出土壤水分特征曲線。飽和導水率通過變水頭法測定。

1.3 土壤水分特征曲線擬合模型

土壤水分特征曲線有很多經驗函數，但常用的模型是van Genuchten 模型(簡稱 VG模型)[17]：

(1)

式中：θ為土壤的體積含水率；θr為土壤殘余體積含水率；θs為土壤飽和體積含水率；h為水吸力；λ為土壤孔隙尺寸的分布參數，與土-水曲線的斜率有關；α為進氣值的倒數；m、n為影響土壤水分特征曲線形態的經驗參數，m=1-1/n或m=1-2/n。

應用美國國家鹽改中心(US Salinity Laboratory)提供的RETC軟件中的土壤水分特征曲線模型，擬合實測的試驗數據。對不同容重土壤的實測土壤水分特征曲線進行擬合，確定土壤水分特征曲線模型的參數，通過模型計算得出實測土壤水吸力對應的含水率和滲透系數在選擇水分特征曲線模型時，也要選擇不同的求解K的Mualem或Burdine模型，本文選擇求解土壤非飽和導水率K的Mualem模型。

2 結果與分析

2.1 容重對黏壤土水分特征曲線的影響

圖1為試驗測得的不同容重黏壤土的水分特征曲線。由圖1可知，在吸力為0時，即土壤處于飽和狀態，此時土壤為飽和含水率，其值隨容重增大而減小，主要是因為飽和含水率時土壤的孔隙被水充滿，土壤容重越小，其孔隙越多，則飽和含水率也越高；在低吸力(小于1 000 cm)段，含水率隨容重增大而增大，各容重土壤水分特征曲線平緩，說明隨吸力增加，土壤含水率迅速降低，主要是因為在此吸力范圍內土壤從大孔隙進行排水，而容重大的大孔隙少于容重小的，因此其含水率就高。當吸力大于1 000 cm時，土壤水分特征曲線陡直，說明含水率隨容重及吸力變化微小，這是因為在高吸力范圍內只有很小的孔隙能保留水分，而土體對其吸持力較大，因此這一階段的水吸力變化較大而土壤含水率變化不大。

圖1 不同容重黏壤土水分特征曲線Fig.1 Soil water characteristic curves of different bulk density clay loam

2.2 容重對飽和導水率的影響

土壤飽和導水率是土壤被水飽和時，單位水勢梯度下、單位時間內通過單位面積的水量，是土壤重要的物理性質之一，它是計算土壤剖面中水的通量和設計灌溉、排水系統工程的一個重要土壤參數，也是水文模型中的重要參數[1]。土壤質地、容重、孔隙分布以及有機質含量等因素均會影響其飽和導水率。圖2是實測的不同容重黏壤土的飽和導水率變化圖。從圖2可以看出，不同容重黏壤土的飽和導水率實測值差異顯著，與容重呈負線性相關，相關系數為0.963 5。隨著容重增加，相同體積內土粒的體積增加，土壤的孔隙減小，水流的運動減小，因此飽和導水率減小。

圖2 不同容重黏壤土飽和導水率變化趨勢Fig.2 Variation trend of saturated hydraulic conductivity for different bulk density clay loam

2.3 不同容重砂土土-水曲線VG模型擬合參數

利用RETC軟件的VG模型擬合的土壤水分特征曲線參數如表1所列。從表1可以看出，VG模型擬合的4個參數與容重均呈顯著相關，飽和含水率θs和參數n值與容重的呈顯著負相關，殘余含水率θr和參數a值與容重呈負相關。低容重的土壤孔隙比容重大的多，因此其飽和含水率θs也高，土壤的進氣值就大，因此對應的進氣值的倒數a值就大。殘余含水率代表了土內所殘留的孔隙水是以相互隔絕的半月形懸著水形式存在，因此容重大的砂土對應的殘余含水率θs就小。而參數n值與土壤的孔徑分布有關，容重不同孔徑不同，因此參數n值也就不同。

表1 VG模型土壤水分特征曲線參數Tab.1 Soil moisture characteristic curve parameters of VG model

2.4 容重對黏壤土水分常數的影響

根據擬合得到的VG模型基本參數值，計算出各處理相應的田間持水率、凋萎系數和有效含水率(見表2)。飽和含水率是實測的，田間持水率是吸力為0.2×105Pa時的含水率，凋萎系數是吸力為15×105Pa時的含水率，有效含水率是田間持水率與凋萎系數之差。從表2中可以看出黏壤土的田間持水率和有效含水率隨容重增加而增大，說明容重增加可以增加作物吸收土壤水分的能力，對作物生長有利。

表2 黏壤土水分常數(體積分數) cm3/cm3

2.5 容重對黏壤土非飽和導水率的影響

非飽和導水率是指單位勢梯度作用下，單位時間單位面積土壤通過的水量[1]，它是土壤含水率和土壤吸力的函數，隨著土壤含水量的增加而增加，隨著土壤吸力的增加而減小。因此，非飽和土壤導水率是土壤水分動態特征參數。用RECT軟件擬合的不同容重黏壤土的非飽和導水率見圖3。從圖3可以看出不同容重的黏壤土非飽和導水率變化差異很明顯，非飽和導水率隨含水率而增加。在含水率小于0.4 cm3/cm3以內，非飽和導水率曲線呈平直狀，說明非飽和導水率變化不大，此時的非飽和導水率非常小。當含水率大于0.4 cm3/cm3時，非飽和導水率曲線呈陡直狀，非飽和導水率變化很大，非飽和導水率相同時，含水率隨容重的增加而減小，因為此時土壤含水率高，土壤由大孔隙排水，而容重高的孔隙小，因此在含水率小的情況下就可以和容重低的有相同的滲透速度。

圖3 不同容重黏壤土非飽和導水率隨含水率變化Fig.3 The relationship between unsaturated hydraulic conductivity and water moisture

3 結 語

(1)黏壤土土壤含水率隨吸力增加而減小，在低吸力階段(小于1 000 cm)土壤水分特征曲線呈平緩狀；在高吸力(大于1 000 cm)土壤水分特征階段，土-水曲線呈陡直狀；在相同的吸力時，含水率隨容重增加而增加。

(2)黏壤土飽和導水率與容重呈負線性相關；用VG模型回歸不同容重黏壤土水分特征曲線參數，得出不同容重黏壤土飽和含水率θs、殘余含水率θr和參數a值與容重的呈顯著負相關。

(3)黏壤土的田間持水率和有效含水率隨容重增加而增大，對作物生長有利。

(4)黏壤土非飽和導水率變化差異很明顯，非飽和導水率隨含水率而增加，在含水率小于0.4 cm3/cm3以內，非飽和導水率曲線呈平直狀，非飽和導水率變化不大；當含水率大于0.4 cm3/cm3時，非飽和導水率曲線呈陡直狀，非飽和導水率變化很大，非飽和導水率相同時，含水率隨容重的增加而減小。

(5)本文只研究了一種黏壤土不同容重對土壤水分特征曲線的影響，對于其他類型土壤、不同容重、不同粒徑組成沒有深入研究。