原狀鹽漬土不同鹽分含量對土壤水分特征曲線的影響

廖 海，栗現文，陳俊英，楊亞龍，勞聰聰，徐洋洋

（西北農林科技大學水利與建筑工程學院旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌712100）

0 引 言

土壤鹽漬化是一個全球化生態環境問題[1]，它會使土壤退化[2]，會對作物生長產生不利的影響[3]，并且在干旱和半干旱地區土壤鹽漬化問題變得越發嚴重[4]。聯合國糧農組織的資料表明，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勢與土壤含水率之間的關系曲線，它通常被用于評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，它還被用來評估非飽和土壤的各種特性以及土壤水和溶質運移的模型[6-12]。許多研究者已經在土壤水分特征曲線的擬合[13，14]、添加劑對土壤持水性的影響[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、質地和容重等。栗現文等[18]和郭全恩等[19]研究表明高含鹽量會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，土壤孔隙的結構就越密實，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聚體的穩定性和黏粒的分散性分別會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，從而導致大孔隙數量減少，飽和含水率降低。但是以上研究多以擾動鹽漬土為研究對象，其質地、容重和鹽分含量設置均一，沒有考慮到大田下鹽分、質地等在土壤中存在的空間變異性對土壤水分特征曲線的影響。現階段關于原狀鹽漬土土-水曲線的研究很少，所以本文從考慮實際情況下鹽分、質地等在土壤中存在的空間變異性角度出發，探究原狀鹽漬土鹽分含量對土壤水分特征曲線的影響。

本文以河套灌區沙壕渠灌域的三塊不同鹽分梯度（YZ1、YZ2、YZ3）的試驗區原狀土壤為研究對象，測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，對不同鹽分含量梯度區土樣的土壤水分特征曲線和參數進行擬合，并揭示3塊不同鹽分梯度區原狀鹽漬土土壤水分常數、持水能力、土壤當量孔隙參數等的差異。研究可為鹽漬土的預防和改良提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于河套灌區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。其地理坐標為：東經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走向為南高北低，其海拔在1 034～1 037 m之間。沙壕渠灌域地屬干旱半干旱氣候區，年平均氣溫約為7 ℃，年均降雨量約為140 mm，年均蒸發量約為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

根據土壤的鹽漬化程度，樣點取樣區為3個鹽漬化梯度區域，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）本文中簡稱YZ1、YZ2、YZ3，每塊研究區域約為16 hm2，按原沙壕渠監測區的三個鹽分梯度分區進行取樣。為了使取樣具有代表性，每一鹽分梯度區塊隨機取3 個樣點，每個樣點取3 個層位：20、40、60 cm。樣品分二種：環刀樣，鋁盒樣。除鋁盒樣外，環刀樣品用原狀土鉆進行采樣且樣品數量都為27個。環刀樣用于容重與土壤水分特征曲線的測定，鋁盒樣則用于顆分、水分與含鹽量的測定。樣品質地情況如表1所示，多數土壤樣品的質地為壤質黏土和砂質壤土，較少土壤樣品的質地為黏土。

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

1.3 電導率和土壤水分特征曲線的測定

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

將27 個環刀樣置于清水中至飽和，用高速恒溫冷凍離心機（日本，日立，CR21GⅡ型）測定環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（負壓），cm；α 為進氣值的倒數，cm-1；m、n 為形狀參數，m=1-1/n。本研究中，模型參數由RETC軟件確定。

1.4 當量孔徑的測量

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

若土壤含水率θ1、θ2（cm3/cm3）對應的當量孔徑分別為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 數據分析

為評價van Genuchten 模型對各條件下土-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價指標。如果IME 和IRMSE 的值接近于零，則估計的準確度將增加，IME可以取正值和負值，但IRMSE只能取正值。

式中：np為用于擬合模型的參數個數；θm，θp，θmean分別為含水率實測值、模型擬合值、含水率實測值的平均值；h為基質吸力，kPa；pm和pp分別為含水率實測值和含水率實測值總體算數平均值；N為含水率實測值個數。

2 結果與分析

2.1 原狀鹽漬土土壤水分特征曲線

圖2 為YZ1、YZ2、YZ3 地塊不同深度電導率圖，由圖2可知，整個60 cm 土層范圍內電導率值隨地塊鹽漬化程度增大而增大，其中YZ1、YZ3 土壤20、40 cm 深度電導率值差異不大，但60 cm 電導率值增大；YZ2 土壤40cm 深度電導率值較20、60 cm 電導率值增大。圖3 為試驗測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。60 cm處的土-水曲線相較于20cm 明顯右移，兩處容重相近，但其質地不同且60 cm 處鹽分含量顯著增加，即在鹽分和質地的影響下土壤持水性增強。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，三處質地相同，但其鹽分含量和容重不同，其中鹽分含量大小關系為40 cm＞60 cm＞20 cm，容重大小關系為20 cm＞60 cm＞40 cm，即鹽分含量相較于容重對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，但質地不同且20 cm 處鹽分含量顯著減少即過大的鹽分含量會減小土壤持水性；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，在只考慮質地、鹽分和容重因素影響下，YZ1、YZ2、YZ3地塊的土-水曲線規律為：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；YZ3 地塊20 cm 處土-水曲線較YZ1地塊20 cm 左移，兩處容重相近，但質地不同且鹽分含量相差過大，即在鹽分和質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；YZ3 地塊40 cm 處土-水曲線較YZ1 地塊40 cm 左移，兩處質地相近，但容重和鹽分含量不同，容重和鹽分含量大小關系為YZ3-40＞YZ1-40 即在鹽分、質地和容重因素影響下，過大的鹽分含量會減小土壤的持水性且對土壤持水性的影響占據主導作用。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，三處質地和容重相近，但鹽分含量相差顯著，即輕度鹽漬化對應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VG模型參數的影響

依據US Salinity Laboratory（美國鹽改中心）開發的RETC軟件中的van Genuchten-Mualem 模型計算原狀鹽漬土土-水曲線模型參數，其結果如表2 所示。由表2 知模型擬合參數隨鹽漬化程度的增大而改變。整個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，但當鹽漬化程度為重度時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地類型的土壤持水性越強[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α 數值上為進氣值倒數，它反映土壤初始排水時的難易程度，易排水時α 值大，由表2 知，整體上參數α 隨鹽漬化的增加而減小。參數n 反映土壤水分特征曲線的傾斜程度，當n 大時，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，由評價參數RMSE、IME、IRMSE 和R2的數值知，整體上VG 模型對于YZ1、YZ2 和YZ3 地塊60 cm 土層土壤土水-曲線擬合較好，但對于YZ2 地塊整個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-曲線擬合結果好，圖4對此結果顯示出良好的一致性。

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

2.4 不同鹽分含量對原狀鹽漬土當量孔徑分布的影響

土壤孔隙決定著土壤的通透性和持水性，也表征著土壤團聚狀況。由公式（2）分別計算出原狀鹽漬土不同條件下的當量孔徑。土壤當量孔徑可分為：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個孔徑段[27]。累積當量孔徑分布結果如圖5所示。

由圖5 知，各級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量孔徑分布存在差異，即土壤20 cm 處當量孔徑分布與無鹽漬化土壤不同土壤深度當量孔徑分布相近，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。但只有當量孔徑為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 土壤與之對應的比例分別減小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 不同鹽分含量對原狀鹽漬土土壤水分常數的影響

由公式（1）和（2）分別計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、凋萎系數及無效水[6]，結果如表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60 cm土層的凋萎系數小于YZ2、YZ1土壤，但YZ3土壤重力水含量大于YZ2、YZ1土壤。其結果可由圖4分析的結果解釋，即YZ2土壤極微孔隙和微孔隙增加，持水性增強，田間持水率隨之變大，YZ3土壤則與其相反。

3 討 論

研究從考慮實際情況下鹽分、質地等在土壤中存在的空間變異性角度出發探究原狀鹽漬土鹽分含量對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地和鹽分含量有關。結果表明，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得到提高[29]，但是隨鹽化程度的增加，黏粒的分散率增加，團聚體穩定性降低引起土壤結構的變化[21,30]，即重度鹽漬化下黏粒對土壤持續水性作用減小，過大的含鹽量會減小土壤的持水性。隨地塊鹽漬化程度的增加，團聚體穩定性降低引起土壤結構的變化，土壤整個60 cm土層各大小孔隙比例隨之改變（圖5）。結果表明，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]的結果一致。由于鹽分含量、黏粒含量對土壤持水性、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，電導率值、黏粒含量、容重與田間持水率相關性依次減小，由主成分分析各因數權重可知電導率、黏粒含量和砂粒含量貢獻率較大，但三者權重值接近即鹽分含量對田間持水率的影響占主導作用。

在本研究中VG 模型參數n、α 的值主要受土壤鹽分含量、黏粒含量的影響。結果表明，參數α隨鹽漬化的增加呈對數減小，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，土壤質地就越細，土壤持水性就越強，土壤開始排水時就需要較大的進氣壓力值，而參數α作為進氣值的倒數其值減小；隨土壤黏粒含量的增加，土壤持水性就會增強并且在含水率變化相同的條件下吸力值變化小，土-水曲線走勢放緩，所以參數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，進氣值增大，參數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，土壤持水性就會增強，造成土-水曲線右移且坡度變緩[31]，因此參數n 值減小。但當鹽分含量達到重度鹽漬化時，參數n 值增大（表2），說明鹽分含量增大到一定程度時，其對參數n的影響為負。

研究結果比室內非原狀鹽漬土鹽分含量對土壤水分特征曲線的影響的實驗結果更具有真實性。但各條件下不同孔隙的比例是基于孔隙簡化后由經驗公式得到，其真實性還有待驗證。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孔隙結構的影響。此外，本文得出原狀鹽漬土鹽分含量對土壤持水性、田間持水率和VG 模型參數n 的影響，但不明確鹽分含量對他們影響的拐點值。所以在今后的研究中可以從以上兩個方面開展進一步的研究。

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

4 結 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，其對應R2值范圍為0.78～0.99；0.95～0.99；0.74～0.93。VG 模型參數n 隨原狀鹽漬土鹽分含量的增加先減小后增大，而進氣值倒數α值則呈減小趨勢。

（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。