賈俊超, 張興昌

(1.陜西省生物農(nóng)業(yè)研究所, 西安 710043; 2.陜西省酶工程技術(shù)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(yùn)動，使得界面以上土層的含水量增加[1-2]。在干旱半干旱區(qū)，水分匱乏嚴(yán)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(zhì)污染地下水的風(fēng)險，因此在礦區(qū)復(fù)墾中廣泛應(yīng)用層狀土作為表層回填重構(gòu)土[4-5]。

目前，關(guān)于層狀土持水性的研究已有諸多報道，層狀土中細(xì)質(zhì)土、夾層深度、土體厚度均會影響土體中的水分運(yùn)動[6]。Yang[7]和kale[8]等通過對層狀土的入滲試驗(yàn)表明，人滲速率受細(xì)質(zhì)土影響最大。張建豐等[9]研究了不同質(zhì)地夾層的入滲特征，認(rèn)為夾層厚度對土體穩(wěn)滲率影響很大；Leconte等[10]發(fā)現(xiàn)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(jié)果表明層狀土體的分層厚度與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。Hachum等[11]研究了層狀土積水條件下的穩(wěn)定入滲率，發(fā)現(xiàn)各分層入滲率的調(diào)和平均數(shù)約等于土柱整體的入滲率。另外，對上粗下細(xì)的土體持水性研究，表明低滲透率的細(xì)質(zhì)土抑制了土體的水分運(yùn)動速率，同時提高了土壤持水能力[12-14]；為了更詳細(xì)地分析層狀土的入滲過程和持水特性，一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚15-17]被開發(fā)出來模擬降雨條件下的土壤水分運(yùn)動過程，并用Richard方程數(shù)值解模擬做了很好的驗(yàn)證。Huang等[5]通過對不同結(jié)構(gòu)層狀土體的蒸發(fā)性能研究，認(rèn)為不論是粗質(zhì)地覆蓋細(xì)質(zhì)地還是細(xì)質(zhì)地覆蓋粗質(zhì)地層狀土體的水分蒸發(fā)都主要來源于粗質(zhì)地土層。以上研究都是從入滲、蒸發(fā)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(biāo)分別代表土壤水的能量和數(shù)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(zhuǎn)換，也可以應(yīng)用于研究土壤持水能力和水分有效性[18]，其主要受土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、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(zhì)土體為前提,對于非均質(zhì)土體來說，相關(guān)學(xué)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(jié)構(gòu)[23]、膨脹性砂巖[24]及重構(gòu)土[25]等，得到了一些相對應(yīng)的水分特征曲線模型參數(shù)。層狀土體為非均質(zhì)土體結(jié)構(gòu)，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(jī)法測定同一土體尺度下，不同層狀結(jié)構(gòu)土體在不同水吸力下的含水量，并分析水分的能量與數(shù)量關(guān)系，以期揭示不同層狀結(jié)構(gòu)土體的持水能力，為礦區(qū)土地復(fù)墾過程中表土重構(gòu)提供一些理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

表1 供試土壤物理性質(zhì) %

各處理示意圖見圖1，本試驗(yàn)共9個處理，每個處理重復(fù)3次，其中J1—J5為均質(zhì)土處理(J1是純風(fēng)沙土，J2，J3和J4分別是風(fēng)沙土和土1∶2，1∶1，2∶1均質(zhì)混合，J5是純土)，F(xiàn)1—F4為分層處理。裝土前在環(huán)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(xù)性，風(fēng)沙土和土填裝后的容重見表1。將裝土的環(huán)刀放入水槽中，水深與環(huán)刀高度相平，保持48 h后，通過設(shè)定離心機(jī)轉(zhuǎn)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(zhì)量含水量。

圖1 處理示意圖

1.2 數(shù)據(jù)處理

本文采用Excel 2007做數(shù)據(jù)分析，Sigmaplot 12.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤持水性

圖2為不同均質(zhì)和層狀土體處理下土壤持水性的實(shí)測值和擬合曲線。可以看出，不論均質(zhì)或?qū)訝钔?，擬合曲線在高水吸力階段表現(xiàn)陡直，而在低水吸力階段變得平緩，這種趨勢在風(fēng)沙土中表現(xiàn)最為顯著。這是因?yàn)椴煌笮】紫兜乃畬?yīng)不同的吸力區(qū)域，在低吸力區(qū)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(qū)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(guān)系曲線

對于均質(zhì)土J1—J5，曲線逐漸向右移動，在相同水吸力條件下，隨著土數(shù)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(xì)小孔隙數(shù)量和比表面積增大，進(jìn)而增強(qiáng)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(zhì)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?yàn)樵趯訝钔林校謱咏缑娲嬖诿苷系K[6,12]，可能阻礙了水分的穿透，導(dǎo)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(xì)、上粗下細(xì)、上細(xì)下粗或細(xì)夾粗層狀土較均質(zhì)土有更好的持水性。另外，在相同水吸力下，均質(zhì)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(jié)果可知細(xì)質(zhì)地土壤的含量和土層結(jié)構(gòu)都會影響土壤持水量。通過對比均質(zhì)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(zhì)土和層狀土含水量在相同吸力下的大小可知,細(xì)質(zhì)地土壤含量對土體持水性的影響要大于土體結(jié)構(gòu)。

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(zhì)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(zhì)土的含水量，其中土壤含水量F1比J2的高0.025 cm3/cm3，F(xiàn)2比J3高0.012 cm3/cm3，F(xiàn)3比J3高0.014 cm3/cm3，F(xiàn)4比J4高0.010 cm3/cm3。對比表2各含水量差值的標(biāo)準(zhǔn)差，可以得出含水量差值在各個水吸力下相近。對比細(xì)質(zhì)地土壤含量和土壤結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的影響，含水量差值并不隨著細(xì)質(zhì)地土壤含量的增加而增加。由以上結(jié)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(zhì)土，且不同的層狀結(jié)構(gòu)含水量增加程度不同，其中粗夾細(xì)結(jié)構(gòu)的持水性最強(qiáng)。眾所周知，土壤水分是干旱半干旱區(qū)植被恢復(fù)的主要限制因子，因此在礦區(qū)表層土回填過程中，推薦采用層狀土體作為表層土的重構(gòu)模式，尤其是粗夾細(xì)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(zhì)土的含水量差值 cm3/cm3

2.2 常用模型評價分析及參數(shù)估計

應(yīng)用RETC[27]軟件結(jié)合VG，BC和LND模型對其水分特征曲線進(jìn)行求參，得到不同土體結(jié)構(gòu)處理各模型下的決定系數(shù)和均方根誤差比較分析見表3。結(jié)果表明：層狀和均質(zhì)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(shù)R2均大于0.991 3?；赗2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(shù)R2最小為0.954 2。對比均質(zhì)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(zhì)土體相近，并沒有因?yàn)閷訝钔馏w中界面存在而降低水分特征曲線的擬合精度。結(jié)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(wěn)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(wěn)定的值，因此均質(zhì)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(zhì)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(zhì)地和層狀結(jié)構(gòu)的不同存在差異，層狀土體的擬合精度并沒有因?yàn)榻缑娴拇嬖陲@著降低擬合精度。另外，通過對比發(fā)現(xiàn)VG模型模擬層狀土水吸力和含水量之間的關(guān)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(jié)構(gòu)土壤水分?jǐn)?shù)量和能量的關(guān)系曲線參數(shù)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(zhì)土(J1—J4)的大，這是因?yàn)閷訝钔两缑嫣幍拿苷系K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(zhì)土(J1—J5)來說，土含量的增加與飽和含水量的變化正相關(guān)，這是由于土質(zhì)地較細(xì)、容重小、土壤總孔隙度大。α是模型中的一個形狀參數(shù)，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(shù)，也可以表示土壤進(jìn)氣吸力的倒數(shù)[24]。新構(gòu)土體的α值與土壤質(zhì)地之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，胡振琪等[29]采集晉陜蒙能源區(qū)露天煤礦排土場表層重構(gòu)土，并測定其土壤水分特征曲線，結(jié)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(shù)α值很接近；攝曉燕等[24]研究了風(fēng)沙土和砒砂巖的復(fù)配土的土壤水分特征曲線，結(jié)果表明α值與砒砂巖含量呈正相關(guān)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在均質(zhì)土中土含量與α值呈正相關(guān)，說明土壤釋水速度加快。相同材料配比下均質(zhì)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(zhì)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(shù)

3 結(jié) 論

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

(2) VG模型模擬的復(fù)配土體土壤水分?jǐn)?shù)量和能量關(guān)系曲線準(zhǔn)確度較高，層狀結(jié)構(gòu)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(zhì)土增大。

層狀土較均質(zhì)土有更強(qiáng)的保水特性，其中粗夾細(xì)層狀結(jié)構(gòu)的持水能力最強(qiáng)。以上研究結(jié)果可為干旱半干旱露天礦區(qū)表層土回填和植被恢復(fù)提供理論基礎(chǔ)。