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(dòng)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(duì)作物正常生長(zhǎng)起到關(guān)鍵的作用，對(duì)于農(nóng)田水分管理有十分重要的意義[2-4]。近年來(lái)諸多學(xué)者對(duì)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(duì)高山草地土壤持水性能的影響，認(rèn)為有機(jī)質(zhì)通過(guò)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)象均為擾動(dòng)土壤全階段土壤水分特征曲線，且研究方法均為擾動(dòng)土在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)控制單一因素，而對(duì)對(duì)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(duì)象，基于對(duì)其低吸力階段土壤水分特征曲線的測(cè)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(duì)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(shí)數(shù)2 675 h，無(wú)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(gè)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(guò)300 m。取樣時(shí)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(cè)定方法

1.3.1 土壤水分特征曲線測(cè)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(gè))，用于土壤水分特征曲線的測(cè)量。本文選用德國(guó)UMS公司HYPROP儀[12-15]進(jìn)行土壤水分特征曲線的測(cè)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(shí)間上，土壤吸力和環(huán)刀樣重量符合線性變化，并且在測(cè)量時(shí)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(dòng)測(cè)量一次吸力值，每隔8h稱重。試驗(yàn)所用HYPROP儀包括10個(gè)HYPROP傳感器組件(用于測(cè)量土壤吸力及溫度)和1個(gè)天平(精度為0.01 g)，傳感器組件通過(guò)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(cè)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(kāi)始測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中每隔8h稱重一次；④實(shí)時(shí)觀察土壤水勢(shì)數(shù)據(jù)，當(dāng)水勢(shì)達(dá)到峰值(一般為-880 cm)并垂直下降，水勢(shì)最終趨于水平(0 cm左右)時(shí)測(cè)量完成；⑤測(cè)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(guò)程保證在恒溫條件下進(jìn)行，且無(wú)外來(lái)風(fēng)干擾。

1.3.2 土壤理化參數(shù)測(cè)定

在環(huán)刀取樣處附近取適量散土，用于測(cè)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(cè)定，土壤含水率用烘干法(105 ℃)測(cè)定，土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定，大于0.025 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量用Yoder濕篩法測(cè)得[19]，土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀法測(cè)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(duì)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(duì)應(yīng)于曲線的拐點(diǎn)；n為與孔徑分布有關(guān)的參數(shù)，對(duì)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(cè)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(guò)程，將土壤水吸力取值10為底的對(duì)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(shí)，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(shí)，質(zhì)地越細(xì)，土壤含水率越高。此時(shí)，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(guò)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(lái)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(duì)于粉砂質(zhì)壤土而言，顆粒級(jí)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(lái)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(guò)程。對(duì)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(guò)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(shí)，土壤處于飽和狀態(tài)，此時(shí)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(shí)，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(shí)，土壤開(kāi)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?jí)配不合理所導(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(duì)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(cè)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(jí)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(guò)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(cè)得土壤水分特征曲線變化過(guò)程均一致。分析認(rèn)為，土壤質(zhì)地相同時(shí)，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(huì)導(dǎo)致細(xì)微處有差別，但整體而言仍然呈現(xiàn)出變化過(guò)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(duì)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(cè)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(jí)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(shí)，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(cè)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(jí)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(shí)，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(yǔ)

(1)土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量對(duì)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(guò)程相差較大；同一質(zhì)地土壤，土壤水分特征曲線變化過(guò)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(shí)覺(jué)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(jí)配對(duì)土壤內(nèi)部孔隙的影響不可忽視，合理的級(jí)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(huì)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(jí)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(duì)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。