斥水土壤水分特征曲線及擬合模型分析

劉 暢，陳俊英,2，蔡耀輝，李志軍,2，Leionid Gillerman

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.本古里安大學Blaustein沙漠研究所，以色列 思德博克 84990)

0 引 言

土壤斥水性是指水分不能或很難濕潤土壤顆粒表面的物理現象，主要表現為水滴在斥水性土壤表面不能迅速入滲或鋪展的現象。世界多地發現了斥水土壤，其分布范圍廣泛，涉及土壤類型多。斥水土壤入滲能力低，很容易形成優先流，導致土壤水分分布不均勻，使水中攜帶的溶質更快地進入地下水，降低土壤持水能力，形成沖刷，影響農作物產量[1]。研究斥水土壤的土壤水分特征曲線，對斥水土壤水分運動規律具有重要的理論意義。

土壤水分特征曲線(簡稱土-水曲線)是表示土壤水吸力和土壤含水率的關系曲線，反應土壤水的能量和數量之間的關系[2]，是研究土壤水分運動以及溶質運移的基礎，對評價土壤水分的有效性和持水性具有重要意義[3]。對于普通親水土壤以及含有混摻物親水土壤的土-水曲線，在國內外已經取得了很多的研究成果[4-6]，常用的土-水曲線擬合模型主要包括Brooks-Coery(BC)模型[7]、van Genuchten(VG)模型[8]、Dual-porosity(DP)模型[9]和Lognormal distribution(LND)模型[10]，一般都是基于實測吸力和土壤含水率數據，采用已有的數學模型進行擬合，推求水力參數，評價土壤持水性能[11]。由于斥水土壤的水分運動比親水土壤的緩慢，已有的親水土壤水力參數不能適用于一定條件下的斥水土壤，因此需要進一步研究。斥水土壤的土-水曲線研究起步較晚，Batuters等[12]對人工配置的斥水砂土進行入滲試驗，研究發現斥水砂土的土-水曲線和斥水程度有關；Arey等[13]應用毛管上升過程及相似理論，基于VG模型得出了斥水土壤的水力性質模型，但文章指出模型的適用性還不明確；劉世賓等[14]測定了4種人工添加斥水劑配制土壤的土壤水分特征曲線，并用VG和BC模型進行擬合和分析。國內外對于斥水土壤水分特征曲線的研究雖然已經取得了很多成果，但是對于不同天然斥水土壤，以及同類斥水土壤在不同斥水程度下的土-水曲線研究還不多見，因此本研究選用以色列3個質地、2個斥水程度的6種斥水土壤，測定其吸力和土壤含水率，應用RETC軟件中的VG、BC、DP和LND模型進行擬合，并對擬合效果進行評價，給出4個土壤水分特征曲線模型的適用性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究所用土壤樣品取自以色列的基布茲Beery、基布茲Bitzaron和基布茲Magen三個地方不同質地的表層土壤，共6種土樣，表1所示為各個土樣的編號代碼、土壤類型和相關參數。黏土L1和砂土M1的斥水等級為嚴重斥水，其余土壤樣品的斥水等級均為中等斥水，其中壤土B1和B2的斥水等級雖然相同，但B1的斥水持續時間比B2大。

表1 土壤采集地及土壤相關參數Tab.1 Soil spots and the related parameters

1.2 試驗方法

將采集的土壤樣品自然風干，去雜過2 mm標準孔篩篩子，按土壤采集地的實際容重(6種試驗土樣容重均為1.30 g/cm3)裝入環刀。試驗開始前將環刀置于蒸餾水中浸泡至飽和，試驗結束后將環刀置于105 ℃烘箱內干燥至恒重，以計算土壤含水率，各處理均重復3次，取其均值作為最終結果。

采用日本CR21GⅡ型高速恒溫冷凍離心機測定土壤水分曲線，測定時機內恒溫4 ℃，將待測樣品放入離心機裝置中，加壓范圍為10～8 000 cm，隨著施加壓力增大，其平衡時間也增加，每次離心結束后，采用電子天平(ES-3002H型)稱重，獲得土壤質量含水率，再將其轉換為體積含水率。

1.3 土壤水分特征曲線擬合模型

應用美國國家鹽改中心(US Salinity Laboratory)提供的RETC軟件中不同的土壤水分特征曲線模型，擬合實測的試驗數據，分析或預測斥水土壤的水力性質。本文選擇求解土壤非飽和導水率K的Mualem模型，應用RETC軟件中BC、VG、DP和LND模型對不同類型斥水土壤的實測土壤水分特征曲線進行擬合，確定土壤水分特征曲線模型的參數，通過模型計算得出實測土壤水吸力對應的含水率，并與實測值進行對比。

(1)BC模型。

(1)

式中：Se是土壤的飽和度；θ是土壤的體積含水率；θr是土壤殘余體積含水率；θs是土壤飽和體積含水率；h是壓力水頭；λ是土壤孔隙尺寸的分布參數，與土-水曲線的斜率有關；α是進氣值的倒數。

(2)VG模型。

(2)

式中：m、n是影響土壤水分特征曲線形態的經驗參數，m=1-1/n(n>1)，其余符號含義和式(1)相同。

(3)DP模型。

Se=w1[1+(α1h)n1]-m1+w2[1+(α2h)n2]-m2

(3)

式中：w1和w2分別是2個區域的權重因子；α1和α2分別是2個區域進氣值的倒數，m1和m2、n1和n2分別是2個區域土壤孔隙尺寸的分布參數，其余符號含義與式(1)和(2)相同。

(4)LND模型。

(4)

式中：h0、σ等同于前述公式的α、n，分別是進氣值的倒數和土壤孔隙尺寸的分布參數，其余符號含義與(1)和(2)式相同。

2 結果與分析

2.1 不同斥水土壤的土壤水分特征曲線

圖1為試驗測得的不同斥水土壤水分特征曲線。由圖1可知，三種斥水土壤的水分特征曲線在形態上與親水土壤的較為一致，其變化趨勢也與親水土壤比較類似。當吸力較低(S<1 000 cm)時，隨著吸力的增加，三種類型斥水土壤含水率下降速度較快，這主要是在低吸力時，土體通過大孔隙進行排水，即使吸力變化不大，三種類型斥水土壤的含水率也會發生明顯改變，因此在低吸力時，斥水土壤的土-水曲線變化平緩；同時可以看出在相同吸力情況下，黏土L1、L2的含水率高于壤土和砂土，同時砂土的含水率又遠低于黏土和壤土兩種類型土壤。當吸力較高(s=1 000-8 000 cm)時，三種類型的斥水土壤含水率下降速度較慢，其土-水曲線呈陡直狀，在高吸力階段，隨著吸力的增加，斥水土壤只有較小的孔隙能保留水分，其土體對其吸持力較大，因此這一階段的土壤含水率表現出隨吸力增加無顯著變化；同時高吸力階段，在吸力相同的情況下，三種類型土壤含水率大小順序仍與低吸力階段相同，進一步說明斥水土壤的土-水曲線與親水土壤的土-水曲線變化規律基本一致。

圖1 不同斥水土壤水分特征曲線Fig.1 Soil water characteristic curves of different repellent soils

從圖1還可以看出，對于同一種類型的土壤，在同一吸力條件下，土壤斥水程度等級越高，含水率越小，保水能力降低。這是因為斥水土壤有排斥水的特點，使得土壤對水的吸力減小，隨著外界吸力增大，會在土壤垂直剖面容易形成優先流現象[15]，因此土壤斥水持續時間越大，土壤持水能力也越差，這與Ritsema等[16]關于斥水土壤水分運移研究中的結果相同。

2.2 不同類型土壤水分曲線模型及評價分析

各斥水土樣的不同模型擬合統計特征值如表2所示。從表2可以看出，VG、BC和DP模型對三種類型的斥水土壤水分特征曲線的擬合度均較好，相關系數都在0.97以上，呈現極顯著相關關系(p<0.000 1)，殘差平方和小于0.005，所以VG、BC和DP模型均能較好的適用于斥水黏土、壤土和砂土。而LND模型在擬合黏土和壤土時相關系數均小于0.20(本文沒有列出)，因此LND模型不能應用于斥水黏土和壤土，但對于斥水砂土M1和M2，LND模型擬合的相關系數接近1(分別為0.998和0.999)，殘差平方和幾乎為零，呈現極顯著相關關系(p<0.000 1)，說明LND模型能夠很好地適用于斥水砂土。

不同模型擬合斥水土壤的水分特征曲線效果如圖2所示。從圖2可以看出在高吸力到低吸力的過渡段，砂土M1、M2和壤土B2的VG模型擬合曲線與砂土M1、M2的BC模型擬合曲線均存在明顯的拐點，而黏土L1、L2和壤土B1的VG、BC模型擬合曲線與3種質地土壤的DP模型擬合土-水曲線均相對比較平順，同時砂土M1、M2的LND模型擬合的土-水曲線與實測值擬合度較高。從圖2(a)可知，在高吸力階段，VG模型對斥水壤土和黏土的擬合值比實測值偏小，砂土的擬合值與實測值比較接近；而在低吸力階段，VG模型對3種質地斥水土壤的擬合值效果均比較好。從圖2(b)可以看出，BC模型僅在高吸力段對黏土L1的擬合和實測數據存在一定的偏差，對其余土壤擬合效果均比較好。由圖2(c)可以看出，斥水砂土的DP模型擬合曲線與實測值差異很小；在低吸力階段，3種質地土壤的DP模型擬合值與實測值非常接近；但在高吸力階段，黏土和壤土的DP模型擬合值比實測值稍微偏小。而由圖2(d)可知，斥水砂土的LND模型擬合值與實測值的差異也很小，進一步說明LND模型能夠較好的適用斥水砂土。

表2 不同類型斥水土壤各模型擬合統計特征值Tab.2 Statistic eigenvalues of fitting models under different repellent soils

圖2 不同斥水土壤水分特征曲線模型擬合效果Fig.2 Comparison of models fitting effects on soil water characteristics curves under different repellent soils

3 結 語

(1)斥水土壤的土壤水分特征水曲線，在低吸力階段隨著吸力增加，土壤含水率下降速度較快，土-水曲線呈平緩狀；在高吸力階段，土壤含水率下降速度較慢，土-水曲線呈陡直狀，這與親水土壤變化規律基本一致。

(2)對于同一種類型的土壤，在同一吸力條件下，土壤斥水程度等級越高，含水率越小，保水能力越低。

(3)對不同斥水土壤的土壤水分特征曲線模型計算值與實測值進行回歸，由擬合特征值分析得出：斥水黏土和壤土的VG、BC和DP模型擬合值和實測值均呈極顯著相關關系，而LND模型則不適用斥水黏土和壤土；對于斥水砂土，VG、BC、LND和DP模型擬合值和實測值均呈極顯著相關關系，具有較好的適用性。

(4)從各模型擬合值與實測值的模擬效果來看，對于斥水砂土，VG和BC模型擬合的土-水曲線存在拐點，而LND和DP模型擬合的效果相對更好，因此對于斥水砂土推薦使用LND和DP模型；對于黏土和壤土，VG、BC和DP模型擬合效果差異不大，均可使用。

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