秦文靜，樊貴盛

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引 言

土壤水分特征曲線作為非飽和帶內(nèi)土壤水分的基本特性曲線之一，是土壤含水率和土壤水吸力的關(guān)系曲線，表征了土壤水能量和數(shù)量間的關(guān)系。它能夠反映土壤持水、保水的基本特性[1]，為研究土壤水分入滲和蒸發(fā)過程，土壤內(nèi)污染物的遷移、累積、營養(yǎng)物質(zhì)的分布、轉(zhuǎn)換等溶質(zhì)運(yùn)移過程具有基礎(chǔ)價(jià)值。由于土壤水分特征曲線主要受到土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響，而影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)的因素十分復(fù)雜，現(xiàn)有的大部分研究其研究對(duì)象均為擾動(dòng)土，而擾動(dòng)土與原狀土的土壤孔隙結(jié)構(gòu)差距較大，通過直接試驗(yàn)方法獲取土壤水分特征曲線存在試驗(yàn)周期長、成本高、技術(shù)要求高等缺點(diǎn)。因此，本文基于不同質(zhì)地、不同結(jié)構(gòu)、不同有機(jī)質(zhì)含量的黃土土壤水分特征曲線實(shí)測(cè)值，在多種模型中選取描述土壤水分特征曲線的最優(yōu)模型，為黃土土壤水力運(yùn)動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取提供了一定的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省晉中市祁縣汾河灌區(qū)、山西省呂梁市交城縣和山西省晉中市壽陽縣。主要是根據(jù)山西省祁縣、交城、壽陽的土壤分布情況進(jìn)行選取，從平川區(qū)到山區(qū)，從土屬相近到不同土屬，從耕作土壤到原生土壤，共布設(shè)106個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，涵蓋了試驗(yàn)區(qū)的所有土屬。

山西省晉中市祁縣汾河灌區(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。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。

山西省呂梁市交城縣研究區(qū)域范圍包括E112°4.952′～112°15.354′，N37°31.071′～31°33.547′，海拔771～959 m。在試驗(yàn)點(diǎn)選取8個(gè)有代表性的剖面：卦山回填土壤、森林土壤、卦山腳下玉米地土壤、洪相試驗(yàn)田土壤、成村試驗(yàn)田土壤、段村試驗(yàn)田土壤、梨園多年生土壤和耕種玉米地土壤。取樣時(shí)按0～10、10～20、20～40和40～60 cm分層取樣。

山西省晉中市壽陽縣研究區(qū)域范圍包括E113°7.173′～113°9.964′，N37°44.768′～37°51.858′，海拔983～1 060 m。在試驗(yàn)點(diǎn)選取8個(gè)有代表性的剖面：耕種玉米地土壤、河灘玉米地土壤、河灘地土壤、溝地土壤、沖洪積溝地土壤、深層黃土地土壤、丘陵玉米地土壤和松塔水庫原生黃土土壤。取樣時(shí)按0～10、10～20、20～40和40～60 cm分層取樣，部分取樣點(diǎn)取土深度達(dá)到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，于春耕前與秋收后在3個(gè)地點(diǎn)(山西省祁縣、山西省交城和山西省壽陽)進(jìn)行取樣。土壤質(zhì)地分類采用國際制，包含砂土、壤土、粉砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)黏壤土、壤質(zhì)黏土和黏土，土壤容重γ變化范圍為0.964～1.736 g/cm3，有機(jī)質(zhì)OM變化范圍為0.063～12.480 g/kg，電導(dǎo)率EC變化范圍為0.040～1.090，pH值變化范圍為6.20～8.93，試驗(yàn)土壤基本包涵了黃土土壤的基本情況，代表性強(qiáng)。試驗(yàn)區(qū)土壤黏粒δ1、粉粒δ2和砂粒δ3含量如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地Fig.1 Soil texture in the test area

所取樣本土壤各理化參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)如表1所示。由表1可以看出，本試驗(yàn)所選取的土壤樣本基本囊括了多種黃土土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量等，具有很好的代表性。

表1 土壤理化參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Descriptive statistics table of soil physical and chemical parameters

注：Min表示最小值，Max表示最大值，Mean表示平均值，σ表示標(biāo)準(zhǔn)差，CV表示變異性系數(shù)。

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

本文選用德國UMS公司HYPROP儀進(jìn)行土壤水分特征曲線的測(cè)量。HYPROP儀基于Schindler[2]提出的在自然蒸發(fā)條件下，在空間上，土壤吸力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[3]，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8 h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tensionLINK連接到電腦，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。

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)[4]。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，土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀法測(cè)得，土壤電導(dǎo)率(EC)采用DDS-308A電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)定，土壤pH值采用PHS-3C型pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.4 土壤水分特征曲線預(yù)測(cè)模型

土壤水分特征曲線經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑諗?shù)學(xué)性質(zhì)可分為多項(xiàng)式形[5]、對(duì)數(shù)型[6]和冪函數(shù)形[7]。土壤水分特征曲線經(jīng)驗(yàn)公式主要有Brooks-Corey模型[8](BC)、Van Genuchten模型[9](VG)和Frelund-Xing模型[10,11](FX)。3種模型形式如表2所示。本文基于這3種模型進(jìn)行黃土土壤水分特征曲線模型優(yōu)選。

2 結(jié)果與分析

應(yīng)用Hyprop Fit軟件中的不同模型對(duì)實(shí)測(cè)所得土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，確定各土樣的土壤水分特征曲線模型參數(shù)，并通過模型計(jì)算出實(shí)測(cè)土壤吸力所對(duì)應(yīng)的含水率，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。采用BC模型擬合黃土土壤水分特征曲線RMSE最大值為0.021 3，最小值為0.002 8，平均值為0.008 245，R2最大值為0.999，最小值為0.981，平均值為0.995；采用VG模型擬合黃土土壤水分特征曲線RMSE最大值為0.018 2，最小值為0.000 40，平均值為0.004 03，R2最大值為0.999，最小值為0.990，平均值為0.997；采用FX模型擬合黃土土壤水分特征曲線RMSE最大值為0.002 1，最小值為0.000 7，平均值為0.003 924，R2最大值為0.999，最小值為0.995，平均值為0.998 5。3種模型擬合所得RMSE最大與最小條件下的土壤水分特征曲線如圖2所示(圖中土壤水吸力與BC中h、VG模型中h、FX模型中φ相對(duì)應(yīng))。為了得到黃土土壤水分特征曲線的最優(yōu)擬合模型，將各土樣理化參數(shù)與RMSE做Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。

表2 土壤水分特征曲線3種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅磉_(dá)式Tab.2 Three empirical model expressions of soil water characteristic curve

圖2 3種模型擬合所得RMSE最大與最小條件下的土壤水分特征曲線Fig.2 Soil water characteristic curves under maximum and minimum RMSE of three models

表3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合RMSE值與土壤理化參數(shù)Spearman相關(guān)性分析表Tab.3 Empirical model fitting RMSE value and soil physical and chemical parameters Spearman correlation analysis table

注：**表示P<0.01時(shí)，相關(guān)性是顯著的；*表示P<0.05時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

由圖2，表3可知，

(1)BC模型對(duì)砂性土壤的擬合效果最優(yōu)。砂粒含量與BC-RMSE顯著負(fù)相關(guān)，即隨著砂粒含量的增大，BC-RMSE呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；土壤容重與BC-RMSE顯著負(fù)相關(guān)，即隨著容重的增大，BC-RMSE呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)樯靶酝寥澜Y(jié)構(gòu)松散，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)少，單位體積內(nèi)所含土粒多，因此容重反而比細(xì)質(zhì)地土壤大，因此，隨著容重的增大，BC-RMSE呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

(2)VG模型對(duì)細(xì)質(zhì)地土壤的擬合效果最優(yōu)。黏粒含量、粉粒含量與VG-RMSE顯著負(fù)相關(guān)，即隨著黏粒含量的增大，VG-RMSE呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；砂粒含量與VG-RMSE顯著正相關(guān)，即隨著砂粒含量的增大，VG-RMSE呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)；充分說明土壤質(zhì)地越細(xì)，VG模型擬合效果越好。

(3)FX模型與各理化參數(shù)間均不相關(guān)。說明不同質(zhì)地、不同結(jié)構(gòu)、不同有機(jī)質(zhì)含量均未對(duì)FX模型的擬合效果產(chǎn)生影響。FX模型對(duì)各種土樣均呈現(xiàn)出較好的擬合效果。

因此，推薦使用FX模型作為黃土土壤水分特征曲線的最優(yōu)擬合模型。

3 結(jié) 語

采用Hyprop儀進(jìn)行原狀黃土低吸力階段土壤水分特征曲線的測(cè)定，應(yīng)用Hyprop Fit軟件中的不同模型對(duì)實(shí)測(cè)所得土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，確定各土樣的土壤水分特征曲線模型參數(shù)，并通過模型計(jì)算出實(shí)測(cè)土壤吸力所對(duì)應(yīng)的含水率，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。采用BC模型擬合黃土土壤水分特征曲線RMSE最大值為0.021 3，最小值為0.002 8，平均值為0.008 245，R2最大值為0.999，最小值為0.981，平均值為0.995；采用VG模型擬合黃土土壤水分特征曲線RMSE最大值為0.018 2，最小值為0.000 40，平均值為0.004 03，R2最大值為0.999，最小值為0.990，平均值為0.997；采用FX模型擬合黃土土壤水分特征曲線RMSE最大值為0.002 1，最小值為0.000 7，平均值為0.003 924，R2最大值為0.999，最小值為0.995，平均值為0.998 5。通過將各土樣理化參數(shù)與RMSE做Spearman相關(guān)性分析，結(jié)合3種模型預(yù)測(cè)精度，最終確定Frelund-Xing模型為原狀黃土土壤水分特征曲線的最優(yōu)擬合模型。