含殘膜紫色土土壤水分特征曲線及模型分析

蔣文君，汪時機，李賢，李達

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

紫色土主要是由紫紅色頁巖與砂巖分化形成的一種雛形土，具有高生產(chǎn)力，富含鉀K、磷P、鈣Ca與部分微量元素，具有良好的透水性，適宜多種農(nóng)作物的生長，因此被廣泛開墾.根據(jù)第2次全國土壤普查結(jié)果，中國共有紫色土2 198.8萬hm2，其中大多數(shù)為耕地土壤，主要分布在四川(含重慶)、云南等16個省區(qū)市，其中四川(含重慶)有1 127.53萬hm2.四川(含重慶)地區(qū)主要種植作物為水稻、玉米、小麥[1]，水稻覆膜種植與玉米覆膜技術(shù)在四川(含重慶)地區(qū)得到了大量推廣，四川(含重慶)等地覆膜面積達到了98.58萬hm2[2].但當(dāng)前中國農(nóng)膜回收技術(shù)及機制尚不完善，所生產(chǎn)農(nóng)膜存在厚度、強度不達標(biāo)等問題，造成了大量農(nóng)膜無法回收，殘留在土壤中[3].根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查資料顯示，四川(含重慶)地區(qū)土壤中殘膜含量平均值達到了50 kg/hm2，隨著覆膜年限的增加，土壤中殘膜量還在繼續(xù)增加[4].殘膜會破壞土壤團聚體、阻斷土壤孔隙連續(xù)性，進而影響土壤水分遷移[5].李仙岳等[6]發(fā)現(xiàn)，隨著土壤中殘膜量的增加，滴灌濕潤峰在同一時間的遷移距離明顯縮短，濕潤體呈縮小趨勢；王志超等[7]研究發(fā)現(xiàn)殘膜會減小土壤入滲速率與蒸發(fā)速率；李元橋等[8]研究了點源供水條件下殘膜對土壤水分運移的影響.但鮮見關(guān)于殘膜影響紫色土水分遷移方面的研究.

土壤水分特征曲線反映了土體中孔隙水隨吸力狀態(tài)變化的規(guī)律，是評價土體持水性能的重要指標(biāo)之一，也是進行土壤水分與溶質(zhì)遷移模擬的重要參數(shù)之一.關(guān)于土壤水分特征曲線，國內(nèi)外學(xué)者就砂礫[9]、生物炭[10-11]以及不同級配土壤[12]存在條件下的土壤水分特征曲線進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)土壤水分特征曲線主要與土壤類型、土壤孔隙等有關(guān)，描述土壤水分特征曲線模型的普適度和精確性也依賴于土壤類型.因此，研究含殘膜紫色土土壤水分特征曲線及模型適應(yīng)性具有重要意義.

文中以重慶紫色土為研究對象，開展不同殘膜量下土壤水分特征曲線試驗.分析不同殘膜量下的紫色土土壤水分特征曲線以及土壤孔隙變化規(guī)律，使用所得數(shù)據(jù)擬合分析確定不同處理模型擬合精度，揭示殘膜對紫色土水分遷移的影響，以期為西南片區(qū)殘膜對紫色土水、鹽運移的影響提供一定的參考.

1 材料及方法

1.1 供試材料

此次試驗用土取自重慶市北碚區(qū)縉云山水土保持基地.經(jīng)室內(nèi)物理性質(zhì)基本試驗測定，其粒徑<0.002 mm的質(zhì)量分數(shù)為2.36%，粒徑介于0.002～0.050 mm的為17.11%，粒徑介于0.050～2.000 mm的為72.93%，查美國農(nóng)業(yè)部質(zhì)地三角形圖，供試紫色土質(zhì)地為壤土砂.供試農(nóng)膜厚為0.006 mm，處理后用于模擬田間殘膜.

1.2 試驗設(shè)計

已有研究表明，殘膜量Qf與覆膜年限t之間存在Qf=5.546t+47.840(R2=0.871)關(guān)系[13]，根據(jù)該方程，設(shè)置5個殘膜梯度.具體處理見表1，每個處理重復(fù)3次.

表1 試驗處理

隨著覆膜年限增加，農(nóng)田中的殘膜將逐漸碎片化[11].由于試驗所用環(huán)刀體積較小，為了保持試驗統(tǒng)一性并減少殘膜尺寸對紫色土水分遷移的影響，將農(nóng)膜制成1 cm2(1 cm×1 cm)的正方形備用.根據(jù)試驗設(shè)計，將殘膜與土壤均勻混合，按照1.5 g/cm3的容重制備成高度為20 mm，直徑為61.8 mm的重塑土樣.

1.3 試驗方法

試驗儀器使用1500型壓力膜儀.土壤水吸力由毛細吸力、吸附吸力及溶質(zhì)吸力組成.滲透吸力與孔隙水的溶解鹽濃度有關(guān)，基質(zhì)吸力與水的表面張力所引起的毛細現(xiàn)象相關(guān).本次試驗所用水為無氣蒸餾水，滲透吸力較小，主要考慮基質(zhì)吸力.將土樣放入蒸餾水中浸泡至恒重，取出控水5 min，稱取初始質(zhì)量.

壓力設(shè)置12個檔次，測定0，2，4，8，16，25，50，100，150，200，300，400 kPa壓力下的含水率.先飽和陶土板，使用吸液管將板上多余的水分吸干，將各組飽和后的試樣按照順序排列在板上，將板固定于提取器中，連接好外流管，關(guān)閉提取器開始施加氣壓.定期稱取試樣質(zhì)量，測量直徑與高度，以判斷是否達到平衡狀態(tài)，紫色土膨脹率幾乎為零，在低吸力范圍內(nèi)體積幾乎不變，因此主要考慮排水.吸力平衡標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)稱得質(zhì)量算得排水量，當(dāng)每24 h排水變化量ΔVw<0.1 mL即認為已經(jīng)達到平衡.

1.4 土壤容水度

土壤水分特征曲線的斜率是每單位土壤水吸力的變化所導(dǎo)致的土壤含水率的變化，一般稱為土壤容水度，容水度表征土壤持水能力，計算公式為

(1)

式中：θ為土壤體積含水率，%；S為土壤水吸力，kPa.

1.5 當(dāng)量孔徑

在非飽和土壤水分系統(tǒng)中，假定土壤水吸力S是由土壤中一定孔徑的圓形毛細管作用的結(jié)果.土壤水吸力S與毛細孔半徑r的關(guān)系為

(2)

式中：T為水的表面張力，室溫下一般為7.2×10-4N/cm.

土壤水吸力S與毛管孔隙直徑D的關(guān)系為

(3)

土壤中的毛管孔徑的大小可以用來表示土壤水勢或土壤水吸力的大小，但實際土壤中的孔徑不均勻，形狀不規(guī)則.為區(qū)別土壤真實孔徑，將計算所得的孔徑稱為土壤該吸力下的當(dāng)量孔徑.

1.6 常用土壤水分特征曲線擬合模型

1)Van Genuchten模型及其修正模型[14](簡稱VG模型)為

(4)

式中：θs為土壤飽和體積含水率，%；θr為土壤殘余體積含水率，%；h為土壤負壓，m；α為進氣值的倒數(shù)；m與n為不相關(guān)參數(shù)或m=1-1/n或m=1-2/n，是土壤孔隙尺寸分布參數(shù)，α，m，n均為影響土壤水分特征曲線形態(tài)的經(jīng)驗參數(shù).

2)Brooks and Gorey模型(簡稱BC模型)為

(5)

式中：Se為飽和度；λ為土壤孔隙尺寸分布參數(shù)，影響土壤水分特征曲線的斜率；其余符號含義同式(4).

3)Dual-porosity模型(簡稱DP模型)為

Se=ω1[1+(α1h)n1]-m1+ω2[1+(α2h)n2]-m2，

(6)

式中：ω1，ω2分別為2個區(qū)域的權(quán)重因子；α1，α2，m1，m2，n1，n2為2個區(qū)域的經(jīng)驗參數(shù)，α1，α2為各自區(qū)域進氣值的倒數(shù)，m1，m2，n1，n2為土壤孔隙尺寸分布參數(shù)，它們均為影響土壤水分特征曲線的經(jīng)驗參數(shù).

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

運用Retention Curve(RETC)軟件擬合土壤水分特征曲線，運用SPSS20.0分析相關(guān)性、顯著性及檢驗擬合效果.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同殘膜量下的土壤水分特征曲線

為詳細討論不同殘膜量對紫色土土壤水分特征曲線的影響，將100 kPa作為高吸力段與低吸力段的分界點[15].由圖1土壤水分特征曲線可知，在低吸力段，主要排出大孔隙中的水，土壤對水的吸持能力較小，曲線陡峭且密集，隨著吸力逐漸增大，在高吸力段，土壤中只有中小孔隙保留水分，土壤對水的吸持能力較大，曲線變得稀疏且平緩.圖中LS1—LS5表示Qf分別為0，90，180，360，720 kg/hm2.當(dāng)吸力為100 kPa時，處理LS5的含水率為處理LS1(無殘膜)的90.91%，而當(dāng)吸力達到400 kPa時，處理LS5的含水率為處理LS1(無殘膜)的86.36%.可見，在同一吸力條件下，殘膜量越多，土壤含水率越小.根據(jù)圖1a所示，在低吸力段，各處理中隨著殘膜量增加，土壤水分特征曲線受殘膜量的影響較小，特別是25 kPa以內(nèi)，各處理在某些吸力條件下，含水率基本相同，隨著殘膜量增加僅存在微弱的減小趨勢，差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05).根據(jù)圖1b所示，高吸力段，各處理土壤含水率差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).

隨著吸力的不同，容水度Cθ也相應(yīng)發(fā)生改變.根據(jù)圖1所示，在低吸力段，除個別點外，處理LS2，LS3，LS4，LS5的容水度Cθ明顯小于處理LS1；在高吸力段，各曲線在形態(tài)上是大體平行的，不同處理容水度Cθ相近，局部差異表現(xiàn)為不同殘膜量對土壤結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律不同.

圖1 不同處理土壤水分特征曲線

2.2 不同殘膜量對土壤當(dāng)量孔徑的影響

當(dāng)土壤進氣值達到某一數(shù)值后飽和土體開始排水，在低吸力段主要排出大孔隙中的水，在高吸力段主要排中小孔隙中的水.根據(jù)圖1進行計算，低吸力段對應(yīng)的大孔隙當(dāng)量孔徑為0.002 88～0.144 00 mm；高吸力段對應(yīng)的中小孔隙當(dāng)量孔徑為0.000 72～0.002 88 mm.設(shè)土壤水吸力為S1,S2(S1

表2 不同處理當(dāng)量孔徑體積占比

2.3 土壤水分特征曲線擬合模型對比分析

利用RETC軟件擬合土壤水分特征曲線.當(dāng)選擇擬合模型時，還應(yīng)選擇不同的Mualem或Burdine模型求解K(土壤非飽和導(dǎo)水率).與Mualem模型匹配的模型有VG模型(m與n為不相關(guān)參數(shù)或m=1-1/n)、BC模型及DP模型；與Burdine模型匹配的模型有VG模型(m與n為不相關(guān)參數(shù)或m=1-2/n)及BC模型.因此，有7種模型描述土壤水力參數(shù)，分別縮寫為VGM(m，n),VGM(m，1/n),BCM,DPM,VGB(m，n),VGB(m，2/n),BCB.

對比RETC軟件擬合土壤水分特征曲線所得計算值與實測值，所得統(tǒng)計特征數(shù)見表3.各處理對應(yīng)P值均小于0.01，擬合效果較好，通過比較討論各模型其他擬合統(tǒng)計特征值，得出各處理最優(yōu)擬合模型：

表3 不同處理各模型擬合統(tǒng)計特征值

1)VGM(m，1/n)模型擬合相關(guān)系數(shù)R最高，殘差平方和RSS最小，F(xiàn)值最大，擬合效果最佳；VGB(m，n)模型擬合相關(guān)系數(shù)R最低，殘差平方和RSS最大，F(xiàn)值最小，擬合效果最差.

2)使用VGM(m，1/n)模型擬合，處理LS1的擬合程度均高于處理LS2,LS3,LS4,LS5.原因可能是殘膜堵塞土壤孔隙，對土壤孔隙尺寸分布參數(shù)的影響較大，但在測量過程中測得的數(shù)據(jù)點較少，導(dǎo)致所得土壤孔徑分布參數(shù)不準(zhǔn)確.

3)各處理最佳擬合模型的非飽和導(dǎo)水率模型均為Mualem模型.BC模型與Mualem模型、Burdine模型結(jié)合在不同處理的擬合結(jié)果上沒有差異.

Van Genuethen曾對Mualem模型及Burdine模型進行比較，多數(shù)情況下Mualem模型對試驗數(shù)據(jù)的擬合效果優(yōu)于Burdine模型.與其他模型相比，Van Genuchten模型適用土壤質(zhì)地范圍比較廣，就籠統(tǒng)分類而言文中所提到的所有模型均為唯象(Phenomenological)模型，從機理上還沒有理想的數(shù)學(xué)模型來描述土壤水分特征曲線.

2.4 不同殘膜量對土壤水分特征曲線參數(shù)的影響

選用VGM(m,1/n)模型擬合含殘膜紫色土土壤水分特征曲線，擬合參數(shù)如表4所示.土中一旦存在殘膜，隨著殘膜量增加，飽和含水率θs有下降的趨勢.進氣值倒數(shù)α隨著殘膜量增加存在微弱減小的趨勢.形狀參數(shù)n隨著殘膜量的增加逐漸增大.

表4 擬合參數(shù)值

3 討 論

一定殘膜量范圍內(nèi)，隨著殘膜量增加，紫色土持水能力降低，原因在于殘膜表面光滑度高，隨著土壤水吸力的增大，垂直分布于土壤中的殘膜與土壤界面之間產(chǎn)生優(yōu)勢流，使得土壤持水能力下降.這與李元橋等[8]在研究殘膜影響土壤水分遷移時所得結(jié)論相同.容水度Cθ(即土壤水分特征曲線斜率的負數(shù))與土壤水的蓄積以及土壤水對植物的有效性有關(guān)，容水度越大土壤持水能力越好.供水能力越強，有效水分越多，作物可吸收水分越多[16].當(dāng)土壤中存在殘膜時，減小土壤容水度，導(dǎo)致土壤有效水分變少，影響作物吸水.根據(jù)表2，隨著殘膜量增多，土壤大孔隙比例增多，中小孔隙比例略微下降.當(dāng)飽和土體受到吸力作用，大孔隙極易失水，殘膜使得土壤大孔隙體積占比增多，土壤優(yōu)勢流更加明顯，土壤含水率下降更快，持水能力明顯減弱.用VGM(m,1/n)模型擬合含殘膜紫色土土壤水分特征曲線，在含殘膜各處理中，隨著殘膜量增多，飽和含水率θs有下降趨勢，原因在于殘膜會占據(jù)土壤孔隙，使得土壤孔隙在一定程度上減少.進氣值倒數(shù)α隨著殘膜量增加存在微弱減小的趨勢，說明殘膜降低紫色土持水能力，因為進氣值倒數(shù)越小，進氣值越大，從土壤中排出的水越多，土壤的體積含水率則越小，這與不同殘膜量下對比紫色土土壤水分特征曲線所得結(jié)論一致.

不同殘膜量對砂土的土壤水分特征曲線影響并不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，但對粉砂壤土的土壤水分特征曲線影響具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，所以殘膜對大孔隙含量較少的土壤的持水能力將產(chǎn)生較大影響[17].隨著土壤中殘膜量的增加，紫色土在高吸力段的土壤含水率差異大于砂土，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，但并不如粉砂壤土的差異大，紫色土大孔隙比例的增加量比粉砂壤土大孔隙比例的增加量少，比砂土大孔隙比例的增加量多[17].分析其原因在于本試驗所用紫色土為壤土砂，與粉砂壤土相比，其黏粒(粒徑<0.002 mm)含量較少，與砂土相比，其粉粒(粒徑0.002～0.050 mm)含量較多，砂粒(粒徑0.050～2.000 mm)含量較少，導(dǎo)致在相同容重下紫色土的大孔隙含量比粉砂壤土多，比砂土少，殘膜對紫色土持水特性造成的影響比砂土大，比粉砂壤土小.

4 結(jié) 論

1)隨著殘膜量增多，土壤持水能力降低.相同土壤水吸力下，含殘膜處理的土壤含水率均低于純土處理，在高吸力段差異更加明顯.含殘膜處理的土壤容水度小于純土處理，供水能力下降，土壤有限水分減少.在土壤水吸力400 kPa時，殘膜量720 kg/hm2處理(LS5)的土壤含水率為無殘膜處理(LS1)的86.36%.

2)低吸力段，土壤當(dāng)量孔徑介于0.002 88～0.144 00 mm；高吸力段，土壤當(dāng)量孔徑介于0.000 72～0.002 88 mm.隨著殘膜量增加，低吸力段(主要排大孔隙土壤水)的當(dāng)量孔徑體積占比增大，而高吸力段(主要排中小孔隙土壤水)當(dāng)量孔徑體積占比減小.在低吸力段，720 kg/hm2殘膜含量處理(LS5)比無殘膜處理(LS1)當(dāng)量孔徑占比增大近 16%.

3)利用RETC軟件擬合含殘膜紫色土土壤水分特征曲線，經(jīng)過模型擬合度分析得到，VGM(m，1/n)模型對含殘膜紫色土擬合效果最好.

4)各處理最優(yōu)模型的非飽和導(dǎo)水率模式均為Mualem模型，BC模型與Mualem模型、Burdine模型結(jié)合對不同殘膜量的紫色土土壤水分特征曲線擬合效果不存在差異.