典型地塊粉砂壤土水分?jǐn)U散率測(cè)定

穆麗德?tīng)枴ね谢锛?，虎膽·吐馬爾白，李卓然

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引 言

土壤水分?jǐn)U散率D(θ)是研究土壤水鹽運(yùn)移理論最為重要的參數(shù)之一，它是非飽和介質(zhì)中導(dǎo)水速率的重要體現(xiàn)[1-4]。D(θ)表征了土壤本身的性質(zhì)和特征，是應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法定量分析研究必不可少的資料，也是進(jìn)行土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模擬必不可少的依據(jù)。水平土柱法是研究土壤水分?jǐn)U散率D(θ)的重要方法[5]。Warrick[6]用土壤水分分布數(shù)據(jù)估計(jì)土壤水力函數(shù)參數(shù)，然后利用水力函數(shù)與水分?jǐn)U散率的關(guān)系計(jì)算出土壤水分?jǐn)U散率。魏颯等[7]通過(guò)研究不同土層水分?jǐn)U散率，得出耕作層水分?jǐn)U散率最大的結(jié)論，并且采用經(jīng)驗(yàn)方程D(θ)=aebθ擬合效果最佳。劉彩虹等[8]研究表明40～60 cm土層水分?jǐn)U散速度最快，剩余土層水分?jǐn)U散速度依次為0～20、20～40、80～100、60～80 cm。石玉潔等[9]討論了不同質(zhì)地、不同孔隙度對(duì)土壤水分?jǐn)U散率的影響。古萊姆拜爾等[10]結(jié)果表明不同粒徑砂壤土的水分?jǐn)U散率大小依次是：0.5～1.0 mm>1.0～2.0 mm>0.5 mm。吳鳳平等[11]結(jié)果顯示砂石含量越高，濕潤(rùn)鋒推移速度越慢并且隨著砂石含量的增大水分?jǐn)U散率值也增大。田丹等[12]研究生物炭含量對(duì)粉砂壤土與粉砂土水分?jǐn)U散率的影響。鄭子成等[13]研究表明設(shè)施土壤擴(kuò)散率大于露地土壤是因?yàn)轲ち：枯^高，水分?jǐn)U散率越低。為了進(jìn)一步模擬北疆石河子墾區(qū)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，首先確定土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如D(θ)等。因此，本文通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析揭示不同深度粉砂壤土水分?jǐn)U散率的變化，從而為更好的模擬區(qū)域水鹽動(dòng)態(tài)提供可靠地?cái)?shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤物理參數(shù)

試驗(yàn)于2017年1月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，試驗(yàn)所用土樣采自新疆石河子市121團(tuán)耕種年限達(dá)18年的滴灌棉田土壤。為了分析作物主要根系層范圍內(nèi)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，在滴頭下、膜下、膜間取深度分別為0～20，20～40，40～60 cm三個(gè)土層土樣，并進(jìn)行3 次重復(fù)取樣，取樣后將各層土樣混合均勻并測(cè)定其機(jī)械組成，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1中土壤砂粒、粉粒和黏粒試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析，參照土壤質(zhì)地三角圖[14]，最終確定土壤質(zhì)地為粉砂壤土。

表1 試驗(yàn)機(jī)械組成與土壤容重

1.2 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)方法

采用水平土柱進(jìn)行土壤水分?jǐn)U散率D(θ)的測(cè)定[15]，通常情況下一維水分吸滲運(yùn)動(dòng)(忽略重力作用)。其方程及定解條件表述為：

θ(x,t)=θ0；x>0,t=0

θ(x,t)=θs；x=0,t>0

(1)

引入Boltzmann變換參數(shù)η(θ)則有：

η(θ)=xt-1/2

(2)

式中：θ0為初始土壤含水率，cm3/cm3；θs為飽和土壤含水率，cm3/cm3；x為水平入滲距離，cm；t為水分?jǐn)U散的總時(shí)間，min；D(θ)為非飽和土壤水分?jǐn)U散率，cm2/min。

通過(guò)引人波爾茲曼變量η(θ)對(duì)公式(1)進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換為常微分方程求解得到D(θ)的計(jì)算公式為：

(3)

應(yīng)用式(3)可計(jì)算D(θ)。為了便于計(jì)算，通常采用如下所示的差分形式計(jì)算D(θ)：

(4)

非飽和土壤水分?jǐn)U散率采用水平土柱吸滲法，試驗(yàn)裝置如圖1所示。水平土柱全長(zhǎng)約48 cm，由12個(gè)有機(jī)玻璃制成的圓筒組成，每節(jié)長(zhǎng)為4 cm、內(nèi)徑為4.6 cm。水室段長(zhǎng)10 cm，供水段連接馬氏瓶供水，控制水室內(nèi)液面與試樣段土壤樣品的高度相同，以消除重力勢(shì)和壓力勢(shì)對(duì)土壤水分?jǐn)U散的影響，以及保證水頭恒定。

采集的土樣經(jīng)過(guò)風(fēng)干、磨碎及過(guò)2 mm孔徑篩，然后按照田間實(shí)測(cè)容重將供試土樣填裝到水平擴(kuò)展槽試樣段內(nèi)(3個(gè)重復(fù))，將螺桿旋緊后水平放置；瞬時(shí)給進(jìn)水室充水并使供水裝置定位，記錄起始時(shí)間，同時(shí)記下供水箱初始水位；待濕潤(rùn)峰到達(dá)土柱末端，此時(shí)關(guān)閉供水閥并記錄試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間，松開(kāi)堅(jiān)固螺桿，按節(jié)取出土壤用稱重法測(cè)定土壤含水率，記下試驗(yàn)中水平距離開(kāi)始擴(kuò)散到擴(kuò)散完的累計(jì)時(shí)間及總?cè)霛B水量。

圖1 土壤水分?jǐn)U散率實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率與Boltzmann參數(shù)間關(guān)系

水平入滲距離、土壤含水率、Boltzmann參數(shù)對(duì)照見(jiàn)表2。由表2分析可知，Boltzmann參數(shù)隨著土壤含水率的減少而增大。其中40～60 cm土層隨著含水率的減少，Boltzmann參數(shù)變幅為最明顯。各深度土層入滲時(shí)間也各不相同，其中40～60 cm深度土層入滲時(shí)間最短，僅為1 475 min，0～20 cm土層入滲時(shí)間最長(zhǎng)，為5 085 min。這是由于土壤容重不同導(dǎo)致的，土壤容重越小，則土壤顆粒間孔隙較大，水分通過(guò)能力較強(qiáng)，入滲時(shí)間短。根據(jù)修正后的數(shù)據(jù)，計(jì)算并擬合土壤含水率與Boltzmann參數(shù)曲線，相關(guān)分析結(jié)果顯示二者均符合多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，擬合效果較好見(jiàn)表3。

表2 水平入滲距離、土壤含水率、Boltzmann參數(shù)對(duì)照表

表3 Boltzmann參數(shù)擬合情況表

2.2 土壤水分?jǐn)U散率的測(cè)定

不同深度土壤水平擴(kuò)散率變化情況見(jiàn)表4。由表4可以看出，0～20 cm土層變化范圍在0.006～0.371 cm2/min，20～40 cm土層變化范圍在0.003～0.255 cm2/min，40～60 cm土層變化范圍在0.010～0.727 cm2/min。從整體上看，在含水率相同條件下，土壤水分?jǐn)U散率分布存在明顯變化：0～20 cm與20～40 cm土壤水分?jǐn)U散率幾乎沒(méi)有差別，但根系層(40～60 cm)土壤水分?jǐn)U散率變化范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩層(0～20，20～40 cm)。這是由于容重不同所導(dǎo)致的，容重越小，水分含量越高，水分?jǐn)U散速率越快。從不同深度來(lái)看，40～60 cm土壤水分?jǐn)U散率在土壤含水率增加的情況下，水分?jǐn)U散率有大幅度的增長(zhǎng)。而0～20和20～40 cm土層隨著含水率的增加，水分?jǐn)U散率增長(zhǎng)幅度較為穩(wěn)定，均維持在一個(gè)均衡水平。

表4 不同深度土壤水分?jǐn)U散率變化情況

2.3 土壤水分?jǐn)U散率隨土壤含水率變化曲線擬合分析

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)的土壤水分?jǐn)U散率數(shù)據(jù)分析，利用RETC軟件提供的Brooks and Corey Mualem(簡(jiǎn)稱BCM)模型與VanGenuchten- Mualem(簡(jiǎn)稱VGM)模型進(jìn)行擬合，最終確定的土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表5。VGM模型與BCM模型的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖如圖2和圖3所示。

表5 土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)

注：θr為土壤殘余含水率；θs為土壤飽和含水率；a為土壤進(jìn)氣值的倒數(shù)；n為形狀系數(shù)；Ks為飽和水力傳導(dǎo)度。

圖2 土壤水分?jǐn)U散率 與含水率 用VGM模型模擬擬合結(jié)果

圖3 土壤水分?jǐn)U散率 與含水率 用BCM模型模擬擬合結(jié)果

由圖2和圖3來(lái)分析，土壤水分?jǐn)U散率D(θ)，BCM模型擬合結(jié)果優(yōu)于VGM模型擬合結(jié)果。除了VGM模型40～60 cm土層均方根誤差值為0.155較大外，0～20，20～40 cm土層均方根誤差均小于0.02。而B(niǎo)CM模型0～20、20～40、40～60 cm土層均方根誤差均小于0.02，表明實(shí)測(cè)值與擬合值非常接近，擬合效果較高，因此BCM模型的擬合結(jié)果作為本研究的粉砂壤土土壤水分?jǐn)U散率 較為合理。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)從整體變化情況來(lái)看，隨著土壤含水率的減少，Boltzmann參數(shù)逐漸增加。40～60 cm土層Boltzmann參數(shù)變化浮動(dòng)最為明顯，其余兩層變化波動(dòng)較小。在相同水平入滲距離情況下，各土層入滲時(shí)間不同。容重越小，入滲時(shí)間越短。其累計(jì)入滲時(shí)間長(zhǎng)短關(guān)系為：40～60 cm>20～40 cm>0～20 cm。

(2)土壤容重對(duì)土柱含水率分布有一定影響，容重越大水平土柱的含水率分布就越小。土樣剖面在含水率相同時(shí)土壤水分?jǐn)U散率均不相同，其擴(kuò)散率大小關(guān)系為：40～60 cm>0～20cm>20～40 cm。這是由于膜下滴灌棉花土壤鹽分主要集中在20～40 cm深度范圍內(nèi)，除了土壤容重、土壤顆粒組成有影響外，土壤鹽分對(duì)于土壤水分?jǐn)U散率有抑制作用，因此20～40 cm土壤水分?jǐn)U散率相對(duì)上下層較小，從而也進(jìn)一步說(shuō)明長(zhǎng)期連作膜下滴灌后棉花耕作層出現(xiàn)土壤鹽分累積過(guò)程的問(wèn)題。

(3)將室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別與VGM和BCM模型進(jìn)行模擬并分析比較，得出BCM模型模擬結(jié)果較為符合實(shí)際。

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