層狀土持水性室內模擬初步研究

賈俊超, 張興昌

(1.陜西省生物農業研究所, 西安 710043; 2.陜西省酶工程技術研究中心，西安 710043)

層狀土體在自然界中較為常見，層狀土由于界面毛管障礙作用，會降低土壤水分向下的運動，使得界面以上土層的含水量增加[1-2]。在干旱半干旱區，水分匱乏嚴重制約著植被的生長[3]。而層狀土由于界面阻水作用，可以增加土體含水量，降低有害物質污染地下水的風險，因此在礦區復墾中廣泛應用層狀土作為表層回填重構土[4-5]。

目前，關于層狀土持水性的研究已有諸多報道，層狀土中細質土、夾層深度、土體厚度均會影響土體中的水分運動[6]。Yang[7]和kale[8]等通過對層狀土的入滲試驗表明，人滲速率受細質土影響最大。張建豐等[9]研究了不同質地夾層的入滲特征，認為夾層厚度對土體穩滲率影響很大；Leconte等[10]發現上層土體的厚度對入滲過程起到了重要的影響；任利東等[2]研究了不同厚度的層狀土對持水性的影響，結果表明層狀土體的分層厚度與土壤含水量呈負相關關系。Hachum等[11]研究了層狀土積水條件下的穩定入滲率，發現各分層入滲率的調和平均數約等于土柱整體的入滲率。另外，對上粗下細的土體持水性研究，表明低滲透率的細質土抑制了土體的水分運動速率，同時提高了土壤持水能力[12-14]；為了更詳細地分析層狀土的入滲過程和持水特性，一些經驗模型[15-17]被開發出來模擬降雨條件下的土壤水分運動過程，并用Richard方程數值解模擬做了很好的驗證。Huang等[5]通過對不同結構層狀土體的蒸發性能研究，認為不論是粗質地覆蓋細質地還是細質地覆蓋粗質地層狀土體的水分蒸發都主要來源于粗質地土層。以上研究都是從入滲、蒸發和水分再分布的角度來探討層狀土的持水性。

土壤水分特征曲線的兩個坐標分別代表土壤水的能量和數量，通過該曲線擬合方程既可以用于土壤水吸力和土壤含水量之間的相互轉換，也可以應用于研究土壤持水能力和水分有效性[18]，其主要受土壤質地、土壤結構、容重和溫度的影響[6]。目前，描述土壤水分特征曲線的成熟模型主要有van Genuchten(VG)模型[19]、Brooks-Corey(BC)模型[20]、Dual Porosity(DP)[21]模型及Log normal distribution(LND)模型[22]。上述模型都是以均質土體為前提,對于非均質土體來說，相關學者已研究了不同形式下的土壤水分特征曲線模型，例如土石混合結構[23]、膨脹性砂巖[24]及重構土[25]等，得到了一些相對應的水分特征曲線模型參數。層狀土體為非均質土體結構，土體尺度和分層界面都會影響其持水性，因此，用土壤水分特征曲線來研究層狀土體的持水性還未見報道，本文用高速離心機法測定同一土體尺度下，不同層狀結構土體在不同水吸力下的含水量，并分析水分的能量與數量關系，以期揭示不同層狀結構土體的持水能力，為礦區土地復墾過程中表土重構提供一些理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

表1 供試土壤物理性質 %

各處理示意圖見圖1，本試驗共9個處理，每個處理重復3次，其中J1—J5為均質土處理(J1是純風沙土，J2，J3和J4分別是風沙土和土1∶2，1∶1，2∶1均質混合，J5是純土)，F1—F4為分層處理。裝土前在環刀(高5 cm、體積100 cm3)底部鋪上定性濾紙，防止土壤漏出，分層填裝時把界面處打毛盡量保持土壤孔隙的連續性，風沙土和土填裝后的容重見表1。將裝土的環刀放入水槽中，水深與環刀高度相平，保持48 h后，通過設定離心機轉速和時間，依次用稱重法計算水吸力在1，10，20，40，60，80，100，200，400，600 kpa時的質量含水量。

圖1 處理示意圖

1.2 數據處理

本文采用Excel 2007做數據分析，Sigmaplot 12.0作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤持水性

圖2為不同均質和層狀土體處理下土壤持水性的實測值和擬合曲線。可以看出，不論均質或層狀土，擬合曲線在高水吸力階段表現陡直，而在低水吸力階段變得平緩，這種趨勢在風沙土中表現最為顯著。這是因為不同大小孔隙的水對應不同的吸力區域，在低吸力區土壤含水量流失來自大孔隙，且減小幅度較大，持水性曲線相對平緩；在高吸力區域，土壤含水量流失來自小孔隙中，土壤含水量的減小緩慢，所以持水性曲線變化幅度較大[26]。

圖2 不同處理土壤水吸力和含水量之間的關系曲線

對于均質土J1—J5，曲線逐漸向右移動，在相同水吸力條件下，隨著土數量的增加，含水量逐漸增大，這主要是由于土中的黏粒含量高，土體中細小孔隙數量和比表面積增大，進而增強了對水分的吸附能力[24]。對于層狀土F1—F4，曲線移動趨勢和均質土相似。同一土壤水吸力下，相同配比材料層狀土的含水量要大于均勻混合的含水量，這主要是因為在層狀土中，分層界面存在毛管障礙[6,12]，可能阻礙了水分的穿透，導致水分含量增加。由以上分析可知，在相同材料配比下，無論粗夾細、上粗下細、上細下粗或細夾粗層狀土較均質土有更好的持水性。另外，在相同水吸力下，均質土處理的土壤含水量由大到小依次為J5>J4>J3>J2>J1，層狀土含水量依次為F4>F3>F2>F1，由以上結果可知細質地土壤的含量和土層結構都會影響土壤持水量。通過對比均質土和層狀土相同水吸力下含水量,其大小依次為J5>F4>J4>F3>F2>J3>F1>J2>J1,對比均質土和層狀土含水量在相同吸力下的大小可知,細質地土壤含量對土體持水性的影響要大于土體結構。

表2對比分析了相同土壤材料配比下，10～100 kPa土壤水吸力之間均質和層狀土的含水量的差值。由表2可知，層狀土含水量高于相同材料配比下均質土的含水量，其中土壤含水量F1比J2的高0.025 cm3/cm3，F2比J3高0.012 cm3/cm3，F3比J3高0.014 cm3/cm3，F4比J4高0.010 cm3/cm3。對比表2各含水量差值的標準差，可以得出含水量差值在各個水吸力下相近。對比細質地土壤含量和土壤結構對含水量差值大小的影響，可以得出含水量差值主要受土壤結構的影響，含水量差值并不隨著細質地土壤含量的增加而增加。由以上結果可以得出，在相同材料配比下，層狀土的含水量要高于均質土，且不同的層狀結構含水量增加程度不同，其中粗夾細結構的持水性最強。眾所周知，土壤水分是干旱半干旱區植被恢復的主要限制因子，因此在礦區表層土回填過程中，推薦采用層狀土體作為表層土的重構模式，尤其是粗夾細層狀土體對持水量的增加最為顯著。

表2 相同土壤材料配比下層狀土與均質土的含水量差值 cm3/cm3

2.2 常用模型評價分析及參數估計

應用RETC[27]軟件結合VG，BC和LND模型對其水分特征曲線進行求參，得到不同土體結構處理各模型下的決定系數和均方根誤差比較分析見表3。結果表明：層狀和均質土壤水分特征曲線VG和BC模型都有較高的擬合精度，各處理的RMSE均小于0.009 8 cm3/cm3，決定系數R2均大于0.991 3。基于R2和RMSE對比分析VG，BC和LND模型擬合精度，可知LND模型的模擬效果相對較差，決定系數R2最小為0.954 2。對比均質和層狀土體水分特征曲線的擬合精度的差異，可以看出層狀土體和均質土體相近，并沒有因為層狀土體中界面存在而降低水分特征曲線的擬合精度。結合表2我們可知層狀土體在各個吸力階段增加的含水量值大小相近，是一個相對穩定的值，這也可以說明層狀土體含水量隨著水吸力的變化是相對穩定的值，因此均質土的水分特征曲線模型也可以較好的模擬層狀土體。綜上所述，RETC可以用來擬合層狀和均質土的土壤水分特征曲線，盡管其模擬效果因不同模型、土壤質地和層狀結構的不同存在差異，層狀土體的擬合精度并沒有因為界面的存在顯著降低擬合精度。另外，通過對比發現VG模型模擬層狀土水吸力和含水量之間的關系曲線擬合效果最好。

表3 不同處理各模型擬合誤差比較

VG模型模擬的各土體結構土壤水分數量和能量的關系曲線參數見表4。對于土壤殘余含水量(θr)來說，相同材料配比下，層狀土(F1—F4)的殘余含水量比均質土(J1—J4)的大，這是因為層狀土界面處的毛管障礙阻礙了水分的溢出，從而使殘余含水量增大[28]。飽和含水量(θs)是土體中能夠保持的最大含水量，它代表著土體中氣相和液相所能占得最大體積，對于均質土(J1—J5)來說，土含量的增加與飽和含水量的變化正相關，這是由于土質地較細、容重小、土壤總孔隙度大。α是模型中的一個形狀參數，其值大小可以表示土壤中水分釋放的速度[26]。α值既是模型的形狀參數，也可以表示土壤進氣吸力的倒數[24]。新構土體的α值與土壤質地之間沒有顯著的相關關系，胡振琪等[29]采集晉陜蒙能源區露天煤礦排土場表層重構土，并測定其土壤水分特征曲線，結果表明黏壤土和粉壤土的殘余含水量和飽和含水量相差較大，而形狀參數α值很接近；攝曉燕等[24]研究了風沙土和砒砂巖的復配土的土壤水分特征曲線，結果表明α值與砒砂巖含量呈正相關。本試驗結果表明，在均質土中土含量與α值呈正相關，說明土壤釋水速度加快。相同材料配比下均質土的α值要大于層狀土，而F2的α值要大于J3，表明在層狀土中水分從粗質地層向外滲出時，釋水速度變快[28]。

表4 VG模型對各處理的擬合參數

3 結 論

(1) 相同材料配比下，層狀土的保水能力要高于均質土，且粗夾細層狀土有更強的持水能力。相同外加吸力的情況下，質地較細土壤含量對土壤持水性的影響要大于土體結構。

(2) VG模型模擬的復配土體土壤水分數量和能量關系曲線準確度較高，層狀結構中界面的存在并沒有降低水分特征曲線的擬合精度，相同材料配比下層狀土的飽和含水量和殘余含水量都較均質土增大。

層狀土較均質土有更強的保水特性，其中粗夾細層狀結構的持水能力最強。以上研究結果可為干旱半干旱露天礦區表層土回填和植被恢復提供理論基礎。