張鵬飛， 賈小旭， 趙春雷， 邵明安,

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190）

土壤水分特征曲線反映了土壤水吸力與土壤體積含水率之間的定量關(guān)系，是土壤水文研究的重要指標(biāo)［1］。土壤水分特征曲線與土壤孔隙狀況密切相關(guān)，一切影響土壤孔隙狀況和水分特性的因素都會(huì)對其產(chǎn)生影響［2］，包括土壤容重［3］、質(zhì)地［4］、結(jié)構(gòu)［5］等。由于土壤水分特征曲線影響因素復(fù)雜，目前尚未從理論上建立土壤含水量與土壤基質(zhì)勢之間的關(guān)系，通常利用Brooks-Corey 模型［6］、Campbell 模型［7］、van Genuchten 模型［8］等經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行描述。其中，van Genuchten 模型因其適用多種類型土壤、模擬精度高而被廣泛使用。

容重是土壤的基本物理性質(zhì)之一，是土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)、土壤水分特征曲線的重要影響因素［3,9-12］。容重對土壤水分特征曲線的影響受到研究者的關(guān)注，如邵明安等［13］研究了填裝土土壤水分特征曲線測量過程中質(zhì)量含水量、吸力和容重三者間的定量關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)土壤持水特性是由土壤質(zhì)量含水量、吸力和容重3 個(gè)變量共同確定的一個(gè)曲面。李卓等［14］利用模擬實(shí)驗(yàn)研究了容重對土壤水分蓄持能力影響，結(jié)果表明土壤的水分蓄持能力隨容重的增加而減小。關(guān)于容重對土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響，付曉莉等［15］研究了土壤水分特征曲線測定過程產(chǎn)生的容重變化對水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響，結(jié)果表明參數(shù)α隨容重的增大而減小，可用冪函數(shù)表示；黑壚土和塿土的參數(shù)λ、n隨容重的增加而增大，可用線性函數(shù)描述。呂殿青等［16］利用石蠟固定容積方法，研究了不同壓實(shí)程度土壤的水分特征曲線，結(jié)果表明水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)λ、α隨容重的增大而減小，可分別用冪函數(shù)和線性關(guān)系表示。雖然，容重對土壤水分特征曲線、土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響已有大量研究，但以往研究更加關(guān)注測定過程中容重變化對土壤水分特征曲線、土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響，且土壤類型單一，缺乏不同初始容重和不同土壤類型處理下的對比實(shí)驗(yàn)研究?；诖?，為探究初始容重對不同質(zhì)地土壤水分特征曲線、水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響，本研究選取黑土、紅壤和塿土3種土壤類型，每種土壤設(shè)定5個(gè)初始填裝容重（1.0 g·cm-3、1.1 g·cm-3、1.2 g·cm-3、1.3 g·cm-3、1.4 g·cm-3），通過離心機(jī)測量不同初始容重處理的土壤水分特征曲線，對比不同處理間土壤水分特征曲線的差異，并利用van Genuchten模型對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)，分析初始容重對不同處理土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。本研究可為明確初始容重對土壤水分特征曲線及其水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取楊凌塿土、江西紅壤、黑龍江黑土為實(shí)驗(yàn)供試土壤。3種土壤經(jīng)自然風(fēng)干后過2 mm篩，利用吸管法對顆粒組成進(jìn)行測定分析，土壤質(zhì)地分析采用國際制劃分標(biāo)準(zhǔn)，3 種供試土壤的顆粒組成及質(zhì)地類型見表1。

表1 3種供試土壤的顆粒組成和質(zhì)地Tab.1 Particle composition and texture of three soils tested

1.2 研究方法

于2020年12月在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所進(jìn)行，首先將自然風(fēng)干后的土樣磨碎過2 mm篩，然后分別按照設(shè)定初始容重填裝在體積為100 cm3的環(huán)刀中，為減小不同初始容重處理填裝過程中的誤差，土壤樣品采用逐層填裝的方法，每層土壤樣品填裝完成后對其表層進(jìn)行人工打磨，以保證每層土壤之間自然銜接。填裝完成后將環(huán)刀飽和24 h，測定其飽和含水量。利用高速冷凍離心機(jī)（CR21G）測定土壤水分特征曲線，測定時(shí)保持溫度穩(wěn)定在20 ℃，測定不同吸力下（1 kPa、10 kPa、20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa）土壤樣品相應(yīng)的體積含水量，對應(yīng)的離心機(jī)轉(zhuǎn)速分別為310 r·min-1、981 r·min-1、1387 r·min-1、1961 r·min-1、2402 r·min-1、2774 r·min-1、3101 r·min-1、4385 r·min-1、6202 r·min-1、7596 r·min-1、8771 r·min-1，其測定時(shí)間分別為10 min、26 min、36 min、45 min、51 min、55 min、58 min、68 min、77 min、83 min、87 min。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)重復(fù)處理，土壤含水量取3個(gè)重復(fù)的平均值進(jìn)行分析。

1.3 土壤水分特征曲線模型

利用RETC軟件中的van Genuchten模型對離心機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)［17］。van Genuchten模型［8,18］的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：θ為土壤含水量（cm3·cm-3）；θr為殘余含水量（cm3·cm-3）；θs為飽和含水量（cm3·cm-3）；h為壓力水頭（cm）；α、n、m為形狀參數(shù)，其中m=1-1/n。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，SPSS 25.0 對不同處理土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)（θr、θs、α、n）進(jìn)行單因素方差分析，明確3 種土壤不同初始容重處理之間水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的差異性，然后利用Pearson相關(guān)分析對3種土壤類型下初始容重與土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析，進(jìn)一步明確土壤水力參數(shù)與初始容重的線性關(guān)系，采用Origin2021b軟件進(jìn)行圖像化處理。選取均方根誤差（RMSE）和決定系數(shù)（R2）作為土壤含水率實(shí)測值與van Genuchten 模型預(yù)測值之間差異性的評價(jià)指標(biāo)。RMSE［19］表達(dá)式為：

式中：Xi為體積含水率實(shí)測值；Yi為模型擬合值；N為用于模型擬合的樣本個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 van Genuchten 模型對3 種土壤水分特征曲線擬合效果評價(jià)

通過RETC 軟件對離心機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到van Genuchten模型擬合參數(shù)R2，將實(shí)測值和擬合值代入公式（2）求得模型擬合效果評價(jià)指標(biāo)均方根誤差RMSE，具體結(jié)果見表2。其中，擬合參數(shù)R2越接近于1，均方根誤差RMSE 越接近于0，van Ge-nuchten模型擬合效果越好［19］。

表2 黑土、紅壤和塿土不同初始容重處理擬合參數(shù)R2和評價(jià)指標(biāo)RMSETab.2 Fitting parameters R2and evaluation index RMSE of black soil,red soil and loess soil with different initial bulk density treatments

由表2 可知，3 種土壤不同初始容重處理van Genuchten模型擬合參數(shù)R2均高于0.99，且求得的模型擬合效果評價(jià)指標(biāo)均方根誤差RMSE 均低于0.01，結(jié)果表明擬合值與實(shí)測值之間的誤差較小，van Genuchten模型擬合效果較好，可用于黑土、紅壤和塿土不同初始容重處理土壤含水量實(shí)測值的擬合。

2.2 初始容重對3種不同質(zhì)地土壤水分特征曲線的影響

對比3種土壤的水分特征曲面（圖1）發(fā)現(xiàn)，在近飽和段（S＜100 kPa），3 種土壤的水分特征曲面表現(xiàn)為相似的變化趨勢，即相同土壤水吸力下隨著初始容重的增加土壤體積含水率逐漸增加。而在高吸力段（S＞100 kPa），3 種土壤的水分特征曲面表現(xiàn)為不同的變化趨勢。對于黑土而言，隨著初始容重的增加土壤水分特征曲面平緩上升（圖1a），紅壤的水分特征曲面在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3的過程中呈下降趨勢（圖1b），而塿土的水分特征曲面在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3時(shí)上升的更加陡直（圖1c）。

2.3 初始容重對3種不同質(zhì)地土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響

由圖1可知，3種土壤的水分特征曲面隨著初始容重變化的趨勢有所不同，表明土壤質(zhì)地、初始容重對土壤水分特征曲線存在一定的影響，進(jìn)而導(dǎo)致不同處理土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)存在差異［20］。4個(gè)水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)中，3種土壤的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)α、θs與初始容重均表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）（圖2），即隨著初始容重的增加，水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)α（圖3a）、θs（圖3b）逐漸降低，其中黑土水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)α在不同初始容重間差異顯著（P＜0.05），相較于其他2 個(gè)水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)，α、θs受初始容重的影響較大。除初始容重1.4 g·cm-3處理外，相同初始容重下塿土的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr顯著低于黑土和紅壤（圖3c），其中，黑土和塿土的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr與初始容重?zé)o顯著關(guān)系，而紅壤的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr與初始容重表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），且隨著初始容重的增加，θr的減小幅度較大，高達(dá)10%。這表明相較于黑土和塿土，紅壤的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr受初始容重的影響較大。黑土初始容重與土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)n表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而紅壤和塿土初始容重與土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)n呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但關(guān)系不顯著（P＞0.01），這表明相較于紅壤和塿土，黑土的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)n受初始容重的影響較大，但3 種土壤不同初始容重處理水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)n的變化幅度較小，都維持在0.1左右（圖3d）。

圖1 黑土（a）、紅壤（b）和塿土（c）的水分特征曲面Fig.1 Moisture characteristic surfaces of black soil(a),red soil(b)and loess soil(c)

圖2 黑土、紅壤和塿土初始容重與土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)相關(guān)系數(shù)分布特征Fig.2 Distribution characteristics of correlation coefficient between initial bulk density of black soil,red soil and loess soil and soil water movement parameters

圖3 黑土、紅壤和塿土不同初始容重處理的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)α（a）、θs（b）、θr（c）和n（d）特征Fig.3 Characteristics of water movement parameters α(a)、θs(b)、θr(c)and n(d)in black soil,red soil and loess soil under different bulk densities

3 討論

土壤水分特征曲線的影響因素眾多，其中包括土壤質(zhì)地、總孔隙度和容重等［21］，本研究探討了初始容重、質(zhì)地對土壤水分特征曲線及其水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)地和初始容重對土壤水分特征曲線的影響主要集中在較高的土壤水吸力段。其中，紅壤的水分特征曲面在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3的過程中呈下降趨勢，這是因?yàn)榧t壤中黏粒含量較高，且砂粒含量較低，相同初始容重下相比黑土、塿土有更多的小孔隙，在高容重處理中，較高的離心力使這些小孔隙中的水被排出，導(dǎo)致土壤含水率呈下降趨勢。相比之下，塿土的水分特征曲面在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3的過程中上升的更加陡直。這是因?yàn)閴v土中黏粒含量較其他2 種土壤低，土壤大孔隙數(shù)量較多，而張麗娜［22］基于CT掃描技術(shù)的礦區(qū)不同容重土壤水力特性的預(yù)測研究發(fā)現(xiàn)，土壤壓實(shí)容易改變土壤孔隙形態(tài)，其大孔隙數(shù)量隨著容重的增加而減小，壓實(shí)過程中對大孔隙的破壞程度較高，若壓實(shí)程度過大，將導(dǎo)致土壤大孔隙消失。本研究中，離心力使得土壤發(fā)生收縮，產(chǎn)生壓實(shí)效應(yīng)。因此，塿土中大孔隙數(shù)量逐漸減小，增加了小孔隙數(shù)量，進(jìn)而增加了塿土的持水能力［23］。

初始容重對土壤飽和含水量參數(shù)θs和水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)α影響較大，且3種土壤均表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于飽和含水量θs與土壤孔隙度密切相關(guān)［24］，而初始容重對土壤孔隙度存在影響，汪言在等［25］通過對北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶表層土壤孔隙度特征及其影響因素研究發(fā)現(xiàn)，土壤孔隙度與田間持水量存在正相關(guān)關(guān)系，而容重與土壤孔隙度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，本研究中，土壤飽和含水量參數(shù)θs隨著初始容重的增加逐漸減小。而水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)α與土壤進(jìn)氣值的倒數(shù)密切相關(guān)［15］，導(dǎo)致隨著初始容重的增加，土壤進(jìn)氣值逐漸增加，水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)α逐漸減小。而土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr、n與初始容重的關(guān)系在3 種土壤間有所不同。相較于黑土和塿土而言，紅壤的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr與初始容重表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且紅壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr在初始容重為1.0 g·cm-3、1.4 g·cm-3時(shí)，分別達(dá)到最大值和最小值，與其他初始容重處理具有顯著差異（P＜0.05），減小幅度達(dá)10%，受初始容重影響較大。這是因?yàn)榧t壤中黏粒含量較黑土和塿土高，隨著初始容重的增加，土壤小孔隙數(shù)量逐漸增加，一般認(rèn)為，水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr對應(yīng)的土壤水吸力為1500 kPa［15］，該吸力下，土壤小孔隙中的水逐漸被排出，導(dǎo)致水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr隨初始容重增加逐漸降低，且變化幅度較大。

此外，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，離心機(jī)測量過程中較高的離心力使得土壤會(huì)發(fā)生一定程度的收縮，導(dǎo)致初始容重發(fā)生變化，這與孫中峰等［26］對晉西黃土區(qū)坡面林地土壤持水性能研究結(jié)果一致。在本研究中，這一現(xiàn)象導(dǎo)致塿土的水分特征曲面在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3時(shí)上升的更加陡直，這與呂殿青等［16］采用石蠟固定容積的方法測量土壤水分特征曲線的結(jié)果存在差異。因此，今后的研究需要定量分析離心機(jī)測量過程中土壤收縮對水分特征曲線及其水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。例如，結(jié)合測量過程中土壤收縮較小的壓力膜儀測量方法［27］，對比離心機(jī)、壓力膜儀測量所得土壤水分特征曲線及其水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的差異性，進(jìn)一步明確離心機(jī)測量過程中土壤收縮對水分特征曲線及其水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。

4 結(jié)論

通過研究土壤初始容重、質(zhì)地對水分特征曲線及其水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響，得到主要結(jié)論如下：

（1）van Genuchten模型對不同處理水分特征曲線擬合效果較好，可用于黑土、紅壤和塿土不同初始容重處理水分特征曲線的擬合。

（2）土壤質(zhì)地和初始容重對水分特征曲線的影響主要集中在較高的水吸力段。在近飽和段，相同水吸力下3種土壤的水分特征曲線均表現(xiàn)為隨著初始容重的增加，體積含水量逐漸增加；而在高吸力段，較大離心力使得3 種土壤水分特征曲線隨初始容重變化趨勢存在差異，在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3的過程中，紅壤由于其黏粒含量較高，水分特征曲面呈下降趨勢，而砂粒含量較高的塿土的水分特征曲面變的更加陡直。

（3）3 種土壤的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)α、θs與初始容重均表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，受初始容重的影響較大；而水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr、n與初始容重的相關(guān)性受土壤質(zhì)地的影響，導(dǎo)致3 種不同土壤質(zhì)地間水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θr、n與初始容重的關(guān)系存在差異。