容重對(duì)黏壤土土壤水分特征曲線的影響

洪 成，尹殿勝,2，陳俊英，柴紅陽(yáng)

(1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，合肥 230601；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

土壤水分特征曲線是土壤基質(zhì)勢(shì)(水吸力)與土壤含水量之間的關(guān)系曲線，該曲線反映了土壤水分能量和數(shù)量之間的關(guān)系，是研究土壤水動(dòng)力學(xué)性質(zhì)必不可少的重要參數(shù)，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有重要意義[1,2]。土壤水分特征曲線影響因素主要有土壤質(zhì)地、土壤類型、土體顆粒的形狀、大小，土壤容重等。因此研究不同容重黏壤土的土壤水分特征曲線，得到土壤滲透系數(shù)、土壤持水性等相關(guān)水力參數(shù)對(duì)研究黏壤土入滲、蒸發(fā)、土壤侵蝕及溶質(zhì)運(yùn)移具有重要意義[3-5]。國(guó)內(nèi)外有很多關(guān)于土壤水分特征曲線的影響研究成果[6-9]。趙迪等研究生物炭對(duì)粉黏壤土水力參數(shù)的影響，得出生物炭可以提高土壤的有效含水率[10]。仵峰等研究小麥玉米秸稈摻土還田對(duì)土壤水分特征曲線的影響，研究表明土壤混摻秸稈可以提高土壤易利用水比例，提高土壤的保水性[11]。陳宇龍等研究了粒徑對(duì)土壤持水性能的影響，得出土壤的進(jìn)氣值和殘余基質(zhì)吸力隨粒徑的增大而減小[12]。栗現(xiàn)文等研究了不同高礦化度土壤水條件下滲透系數(shù)的變化，得出中等大小孔隙的變化對(duì)非飽和水滲透系數(shù)影響較為顯著[13]。伊盼盼等研究干密度對(duì)非飽和重塑粉土土壤水分特征曲線的影響，得出土壤進(jìn)氣值隨密度增加而增加[14]。楊兵等研究黏壤土曲率系數(shù)、不均勻系數(shù)和平均粒徑對(duì)滲透系數(shù)的影響，結(jié)果得出黏壤土的平均粒徑對(duì)滲透系數(shù)影響較大，滲透系數(shù)與曲率系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系[15]。朱崇輝等進(jìn)行了無(wú)黏性粗粒土的滲透試驗(yàn)研究，得出無(wú)黏性粗粒土滲透系數(shù)與其顆粒級(jí)配具有相關(guān)性[16]。通過(guò)以上研究說(shuō)明，土壤的孔隙比影響土壤的滲透特性，而容重影響土壤的孔隙比，因此容重對(duì)黏壤土的滲透系數(shù)有很大影響，關(guān)于這方面的研究報(bào)道不多，因此有必要探討容重對(duì)土壤水分特征曲線的影響。本文通過(guò)試驗(yàn)獲取不同容重黏壤土脫濕過(guò)程土壤水分特征曲線和飽和導(dǎo)水率，利用 RETC軟件選取通用模型擬合各組曲線，分析比較容重黏壤土的土壤滲透參數(shù)和土壤水分常數(shù)，為深入開(kāi)展黏壤土入滲數(shù)值計(jì)算提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試土壤取淮河王家壩河漫灘和一級(jí)階地，取樣深度為0～30 cm，土樣去除雜質(zhì)，自然風(fēng)干后，碾壓過(guò)10目(2 mm)篩備用。采用激光粒度儀(馬爾文，APA2000)對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤顆粒組成進(jìn)行測(cè)定：黏粒(<0.002 mm)、砂粒(0.002～0.02)和砂粒(0.02～2 mm)的土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15.2%、63.3%和25.5%，根據(jù)國(guó)際質(zhì)地三角形可知，供試土壤為黏壤土。試驗(yàn)設(shè)計(jì)4個(gè)容重，分別為1.25、1.30、1.35和1.40 g/cm3，每個(gè)容重重復(fù)3次。

1.2 土壤水分特征曲線測(cè)定的測(cè)定

采用壓力膜法(DJ-WS15Bar)測(cè)定土壤水分特征曲線，首先測(cè)定土樣的質(zhì)量及初始含水率，試驗(yàn)前把土樣和壓力板置于薄層蒸餾水中12～24 h使土樣達(dá)到充分飽和，再將土樣放入壓力室內(nèi)加壓，土壤受壓之后，將有水從引水管中流出，直到水不再流出時(shí)，此時(shí)認(rèn)為達(dá)到平衡，然后關(guān)閉進(jìn)氣閥，再打開(kāi)壓力室，分別對(duì)各個(gè)土樣稱重，稱重后將土樣放入壓力腔室繼續(xù)加壓，施加的壓力依次從低到高，重復(fù)以上步驟。這樣每個(gè)壓力等級(jí)下的土壤含水量可以計(jì)算出來(lái)，用各含水量和所對(duì)應(yīng)施加的壓力做出土壤水分特征曲線。飽和導(dǎo)水率通過(guò)變水頭法測(cè)定。

1.3 土壤水分特征曲線擬合模型

土壤水分特征曲線有很多經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，但常用的模型是van Genuchten 模型(簡(jiǎn)稱 VG模型)[17]：

(1)

式中：θ為土壤的體積含水率；θr為土壤殘余體積含水率；θs為土壤飽和體積含水率；h為水吸力；λ為土壤孔隙尺寸的分布參數(shù)，與土-水曲線的斜率有關(guān)；α為進(jìn)氣值的倒數(shù)；m、n為影響土壤水分特征曲線形態(tài)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，m=1-1/n或m=1-2/n。

應(yīng)用美國(guó)國(guó)家鹽改中心(US Salinity Laboratory)提供的RETC軟件中的土壤水分特征曲線模型，擬合實(shí)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)不同容重土壤的實(shí)測(cè)土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，確定土壤水分特征曲線模型的參數(shù)，通過(guò)模型計(jì)算得出實(shí)測(cè)土壤水吸力對(duì)應(yīng)的含水率和滲透系數(shù)在選擇水分特征曲線模型時(shí)，也要選擇不同的求解K的Mualem或Burdine模型，本文選擇求解土壤非飽和導(dǎo)水率K的Mualem模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 容重對(duì)黏壤土水分特征曲線的影響

圖1為試驗(yàn)測(cè)得的不同容重黏壤土的水分特征曲線。由圖1可知，在吸力為0時(shí)，即土壤處于飽和狀態(tài)，此時(shí)土壤為飽和含水率，其值隨容重增大而減小，主要是因?yàn)轱柡秃蕰r(shí)土壤的孔隙被水充滿，土壤容重越小，其孔隙越多，則飽和含水率也越高；在低吸力(小于1 000 cm)段，含水率隨容重增大而增大，各容重土壤水分特征曲線平緩，說(shuō)明隨吸力增加，土壤含水率迅速降低，主要是因?yàn)樵诖宋Ψ秶鷥?nèi)土壤從大孔隙進(jìn)行排水，而容重大的大孔隙少于容重小的，因此其含水率就高。當(dāng)吸力大于1 000 cm時(shí)，土壤水分特征曲線陡直，說(shuō)明含水率隨容重及吸力變化微小，這是因?yàn)樵诟呶Ψ秶鷥?nèi)只有很小的孔隙能保留水分，而土體對(duì)其吸持力較大，因此這一階段的水吸力變化較大而土壤含水率變化不大。

圖1 不同容重黏壤土水分特征曲線Fig.1 Soil water characteristic curves of different bulk density clay loam

2.2 容重對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響

土壤飽和導(dǎo)水率是土壤被水飽和時(shí)，單位水勢(shì)梯度下、單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的水量，是土壤重要的物理性質(zhì)之一，它是計(jì)算土壤剖面中水的通量和設(shè)計(jì)灌溉、排水系統(tǒng)工程的一個(gè)重要土壤參數(shù)，也是水文模型中的重要參數(shù)[1]。土壤質(zhì)地、容重、孔隙分布以及有機(jī)質(zhì)含量等因素均會(huì)影響其飽和導(dǎo)水率。圖2是實(shí)測(cè)的不同容重黏壤土的飽和導(dǎo)水率變化圖。從圖2可以看出，不同容重黏壤土的飽和導(dǎo)水率實(shí)測(cè)值差異顯著，與容重呈負(fù)線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.963 5。隨著容重增加，相同體積內(nèi)土粒的體積增加，土壤的孔隙減小，水流的運(yùn)動(dòng)減小，因此飽和導(dǎo)水率減小。

圖2 不同容重黏壤土飽和導(dǎo)水率變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of saturated hydraulic conductivity for different bulk density clay loam

2.3 不同容重砂土土-水曲線VG模型擬合參數(shù)

利用RETC軟件的VG模型擬合的土壤水分特征曲線參數(shù)如表1所列。從表1可以看出，VG模型擬合的4個(gè)參數(shù)與容重均呈顯著相關(guān)，飽和含水率θs和參數(shù)n值與容重的呈顯著負(fù)相關(guān)，殘余含水率θr和參數(shù)a值與容重呈負(fù)相關(guān)。低容重的土壤孔隙比容重大的多，因此其飽和含水率θs也高，土壤的進(jìn)氣值就大，因此對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣值的倒數(shù)a值就大。殘余含水率代表了土內(nèi)所殘留的孔隙水是以相互隔絕的半月形懸著水形式存在，因此容重大的砂土對(duì)應(yīng)的殘余含水率θs就小。而參數(shù)n值與土壤的孔徑分布有關(guān)，容重不同孔徑不同，因此參數(shù)n值也就不同。

表1 VG模型土壤水分特征曲線參數(shù)Tab.1 Soil moisture characteristic curve parameters of VG model

2.4 容重對(duì)黏壤土水分常數(shù)的影響

根據(jù)擬合得到的VG模型基本參數(shù)值，計(jì)算出各處理相應(yīng)的田間持水率、凋萎系數(shù)和有效含水率(見(jiàn)表2)。飽和含水率是實(shí)測(cè)的，田間持水率是吸力為0.2×105Pa時(shí)的含水率，凋萎系數(shù)是吸力為15×105Pa時(shí)的含水率，有效含水率是田間持水率與凋萎系數(shù)之差。從表2中可以看出黏壤土的田間持水率和有效含水率隨容重增加而增大，說(shuō)明容重增加可以增加作物吸收土壤水分的能力，對(duì)作物生長(zhǎng)有利。

表2 黏壤土水分常數(shù)(體積分?jǐn)?shù)) cm3/cm3

2.5 容重對(duì)黏壤土非飽和導(dǎo)水率的影響

非飽和導(dǎo)水率是指單位勢(shì)梯度作用下，單位時(shí)間單位面積土壤通過(guò)的水量[1]，它是土壤含水率和土壤吸力的函數(shù)，隨著土壤含水量的增加而增加，隨著土壤吸力的增加而減小。因此，非飽和土壤導(dǎo)水率是土壤水分動(dòng)態(tài)特征參數(shù)。用RECT軟件擬合的不同容重黏壤土的非飽和導(dǎo)水率見(jiàn)圖3。從圖3可以看出不同容重的黏壤土非飽和導(dǎo)水率變化差異很明顯，非飽和導(dǎo)水率隨含水率而增加。在含水率小于0.4 cm3/cm3以內(nèi)，非飽和導(dǎo)水率曲線呈平直狀，說(shuō)明非飽和導(dǎo)水率變化不大，此時(shí)的非飽和導(dǎo)水率非常小。當(dāng)含水率大于0.4 cm3/cm3時(shí)，非飽和導(dǎo)水率曲線呈陡直狀，非飽和導(dǎo)水率變化很大，非飽和導(dǎo)水率相同時(shí)，含水率隨容重的增加而減小，因?yàn)榇藭r(shí)土壤含水率高，土壤由大孔隙排水，而容重高的孔隙小，因此在含水率小的情況下就可以和容重低的有相同的滲透速度。

圖3 不同容重黏壤土非飽和導(dǎo)水率隨含水率變化Fig.3 The relationship between unsaturated hydraulic conductivity and water moisture

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)黏壤土土壤含水率隨吸力增加而減小，在低吸力階段(小于1 000 cm)土壤水分特征曲線呈平緩狀；在高吸力(大于1 000 cm)土壤水分特征階段，土-水曲線呈陡直狀；在相同的吸力時(shí)，含水率隨容重增加而增加。

(2)黏壤土飽和導(dǎo)水率與容重呈負(fù)線性相關(guān)；用VG模型回歸不同容重黏壤土水分特征曲線參數(shù)，得出不同容重黏壤土飽和含水率θs、殘余含水率θr和參數(shù)a值與容重的呈顯著負(fù)相關(guān)。

(3)黏壤土的田間持水率和有效含水率隨容重增加而增大，對(duì)作物生長(zhǎng)有利。

(4)黏壤土非飽和導(dǎo)水率變化差異很明顯，非飽和導(dǎo)水率隨含水率而增加，在含水率小于0.4 cm3/cm3以內(nèi)，非飽和導(dǎo)水率曲線呈平直狀，非飽和導(dǎo)水率變化不大；當(dāng)含水率大于0.4 cm3/cm3時(shí)，非飽和導(dǎo)水率曲線呈陡直狀，非飽和導(dǎo)水率變化很大，非飽和導(dǎo)水率相同時(shí)，含水率隨容重的增加而減小。

(5)本文只研究了一種黏壤土不同容重對(duì)土壤水分特征曲線的影響，對(duì)于其他類型土壤、不同容重、不同粒徑組成沒(méi)有深入研究。