沖洪積平原土壤低吸力階段水分特征曲線影響因素研究

秦文靜，樊貴盛

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

土壤水分特征曲線是表示土壤水吸力隨含水率變化的曲線，用于表征土壤水能量與數量之間的相互關系，是土壤水分運動研究中最基本、最重要的參數之一。土壤水分特征曲線一般分為低吸力段(吸力<100 kPa)、中吸力段(100 kPa <吸力<1 500 kPa)和高吸力段(吸力>1 500 kPa)三段[1]。低吸力段所吸持的水分主要是受毛管力的作用，運移速度快，作物有效利用程度高，占土壤有效含水量的比例大(50%～75%)，對作物正常生長起到關鍵的作用，對于農田水分管理有十分重要的意義[2-4]。近年來諸多學者對不同地域、不同氣候條件、不同植被類型的土壤水分特征曲線[5-8]進行研究。Yang Fei, Zhang Gan-Lin[9]等研究了有機質對高山草地土壤持水性能的影響，認為有機質通過對土壤結構與容重的改變從而影響了土壤持水性能；Ma Kuo-Chen, Lin Yong-Jun, Tan Yih-Chi[10]研究了含鹽量對土壤水分特征曲線的影響，認為含鹽量影響了土壤進氣值從而影響了土壤水分特征曲線；姚嬌轉、劉廷璽等[11]對科爾沁沙地土壤水分特征曲線進行研究并建立了傳遞函數。這些研究結果都推進了土壤水分特征曲線研究的發展，但前人的研究對象均為擾動土壤全階段土壤水分特征曲線，且研究方法均為擾動土在實驗室內控制單一因素，而對對植物吸收利用更有意義的低吸力階段原狀土壤的研究十分匱乏。

本文試圖以沖洪積平原原狀水成土為對象，基于對其低吸力階段土壤水分特征曲線的測定數據，進行Van-Genuchten模型擬合，揭示土壤質地、結構和有機質含量對沖洪積平原原狀水成土土壤低吸力階段水分特征曲線的影響，為土壤水分特征曲線科學表征提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省祁縣汾河灌區，研究區域范圍包括E110°31.409′～112°14.467′，N36°40.224′～37°19.300′，海拔747～755 m，屬溫帶大陸性氣候，年平均降水量448.1 mm，年平均氣溫9.9 ℃，年平均日照時數2 675 h，無霜期171.2 d。地貌類型為沖洪積平原。在試驗樣地選取3個有代表性的剖面：汾河灌區昌源河河灘、西山湖南、西山湖北。取樣點相鄰間距超過300 m。取樣時按自然發生層分布在不同深度土層進行，昌源河取樣點取土深度達到3 m，西山湖南與西山湖北由于地下水埋深小于2.5 m，故取土深度為2 m。

1.2 土壤條件

試驗土壤取自全部為野外實際原狀土，土壤母質為汾河沖洪積物，土壤類型為潮土。于春耕前進行取土，土壤質地包含砂土、砂質壤土、粉砂質壤土和黏土，土壤容重變化范圍為1.153～1.617 g/cm3，初始含水量變化范圍為0.06～0.49，有機質變化范圍為0.1～6.91 g/kg，含鹽量變化范圍為0.09～0.93 g/kg，團聚體含量變化范圍為0～53.1%，試驗土壤基本包涵了沖洪積平原水成土的基本情況，代表性強。

1.3 試驗儀器及測定方法

1.3.1 土壤水分特征曲線測定

在各層次土壤中用體積為250 cm3的環刀取原狀土(每層3個)，用于土壤水分特征曲線的測量。本文選用德國UMS公司HYPROP儀[12-15]進行土壤水分特征曲線的測量。HYPROP儀基于Schindler[16]提出的在自然蒸發條件下，在空間上，土壤吸力和和土壤含水率在土壤剖面上符合線性變化，在時間上，土壤吸力和環刀樣重量符合線性變化，并且在測量時間間隔較短、選用插值合適的情況下，擬合結果可靠[17]，擬合精度小于0.01。HYPROP儀每隔100 s自動測量一次吸力值，每隔8h稱重。試驗所用HYPROP儀包括10個HYPROP傳感器組件(用于測量土壤吸力及溫度)和1個天平(精度為0.01 g)，傳感器組件通過tensionLINK連接到電腦，實現數據的連續采集。試驗儀器如圖1所示。

采用HYPROP儀測定土壤水分特征曲線，主要步驟為：①將所取原狀土逆向飽和48 h；②將張力計安裝到傳感器底座上，并將各傳感器組件和天平與計算機連接；③將土樣置于底座上，開始測量，測量過程中每隔8h稱重一次；④實時觀察土壤水勢數據，當水勢達到峰值(一般為-880 cm)并垂直下降，水勢最終趨于水平(0 cm左右)時測量完成；⑤測量結束后將土樣在105 ℃下烘干8～12 h，稱得干土重。試驗過程保證在恒溫條件下進行，且無外來風干擾。

1.3.2 土壤理化參數測定

在環刀取樣處附近取適量散土，用于測量其他理化參數[18]。土壤機械組成用激光粒度分析儀測定，土壤含水率用烘干法(105 ℃)測定，土壤容重用環刀法測定，大于0.025 mm土壤水穩性團聚體含量用Yoder濕篩法測得[19]，土壤有機質用重鉻酸鉀法測得。

1.4 土壤水分特征曲線Van-Genuechten模型

土壤水分特征曲線有諸多經驗模型，如Van-Genuchten模型[20]、Brooks-Corey模型[21]、Fredlund-Xing模型[22]等。V-G模型參數意義明確，對于各種類型土壤均適用且擬合精度高，在世界范圍內應用廣泛，故本文選用V-G模型作為土壤水分特征曲線擬合模型。V-G模型形式為：

(1)

式中：Se為土壤水吸力值；h為壓力水頭；α為與進氣值有關的吸力值，對應于曲線的拐點；n為與孔徑分布有關的參數，對應于曲線的斜率，用于描述脫水速率；m=1-1/n，θr為殘余含水率；θs為飽和含水率。

2 結果與分析

2.1 不同質地土壤的土壤水分特征曲線分析

選擇砂土、砂質壤土、粉砂質壤土和黏土四種代表性土壤進行了試驗。在土壤有機質含量(G=2.36±0.05 g/kg)、結構(γ=1.36±0.001 2 g/cm3、大于0.025 mm水穩性團聚體含量為25.3%±1%，其中砂土為純細砂，團聚體含量為0)相差不大的基礎上，不同質地土壤實測低吸力階段土壤水分特征曲線如圖2所示。為了突出土壤水分特征曲線低吸力階段變化過程，將土壤水吸力取值10為底的對數(即PF值)。擬合所得V-G模型參數值如表1所示。

試驗結果表明：

(1)不同質地土壤隨著吸力的變化，含水率變化范圍相差較大。隨著吸力的增大(PF值從0.118 cm到3 cm)，黏土土壤含水率變化范圍為49.41%～38.87%，粉砂質壤土土壤含水率變化范圍為47.81%～24.89%，砂質壤土土壤含水率變化范圍43.83%～8%，砂土土壤含水率變化范圍為44.73%～6.98%。PF值小于1.5 cm時，質地越細，土壤飽和含水率越高。但由圖2、表1可以看出，砂土的飽和含水率較砂質壤土高。究其原因為砂土與砂質壤土黏粒含量相差不大，但試驗所供砂土黏粒和粉粒含量為0，土壤中大孔隙間連通性好，所能吸持的毛管水含量較砂質壤土多，故砂土土壤飽和含水率較砂質壤土高。當1.5 cm3.0 cm時，質地越細，土壤含水率越高。此時，土壤中大孔隙水分基本排完，隨著吸力的增大，水分只能保持在細小孔隙中。

圖2 不同質地土壤水分特征曲線

土壤質地V-G模型參數α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSE砂土0.018 25.4810.815 444.735.20.008 0砂質壤土0.011 58.7710.885 943.837.70.008 2粉砂質壤土0.015 12.3240.567 947.8115.20.003 1黏土0.009 051.0820.075 7949.4120.030.001 0

(2)不同質地土壤水分特征曲線變化過程相差較大。土壤黏粒含量越高，土壤中的細小孔隙越多，同一吸力條件下土壤的含水率越大。黏土土壤顆粒細，壘結起來之后形成的孔隙較小，孔徑分布較為均勻，故隨著吸力的增大含水率緩慢減小。對于粉砂質壤土而言，顆粒級配中黏粒含量(8.427%)遠小于黏土(45.142%)，而砂粒含量增多，壘結起來之后形成的孔隙較黏土小，故隨著吸力的增大，呈現出平緩、較大幅減小和緩慢減小的過程。對于砂土而言，絕大部分孔隙都比較大，當吸力達到一定值后，這些大孔隙中的水首先排空，土壤中僅有少量的水存留，故土壤水分特征曲線呈現為一定吸力一下平緩、陡直繼而平緩的過程。不同質地土壤呈現土壤水分特征曲線較大差異的主要原因是不同粒徑土壤顆粒壘結所形成的土壤孔隙大小、分布和連通性各不相同。

(3)不同質地土壤進氣值(α值)相差較大。砂土進氣值<粉砂質壤土<砂質壤土<黏土，且粗質地土壤進氣值的出現較細質地明顯，表現為土壤水分特征曲線斜率的迅速變化。當土壤吸力為零時，土壤處于飽和狀態，此時含水率為飽和含水率θs，若施加微小吸力，土壤中最大孔隙能夠抵抗所施加的吸力而繼續保持水分，表現為PF<1.5 cm時，土壤水分特征曲線基本保持水平。當吸力值大于進氣值時，土壤開始排水，含水率快速減小。一般而言，質地越細，土壤進氣值越大。而由圖2可以看出，砂質壤土進氣值較粉砂質壤土大，究其原因為土壤級配不合理所導致。由于粗質地的砂性土壤孔隙大小分布較為均一，故進氣值的出現較細質地土壤明顯。

2.2 不同結構的土壤水分特征曲線分析

土壤結構能夠反映土壤的密實程度和孔隙狀況。故本文以容重作為反映土壤密實程度的衡量指標，以大于0.025 mm的水穩性團聚體含量作為反映土壤孔隙狀況的指標。從而全方面的分析不同結構的土壤水分特征曲線。

2.2.1 容重對土壤水分特征曲線的影響分析

選擇粉砂質壤土不同容重土壤進行了試驗。在土壤有機質含量(G=3.10±0.07g/kg)、大于0.025 mm水穩性團聚體含量(33.21%±0.09%)相差不大的基礎上，不同容重實測低吸力階段土壤水分特征曲線如圖3所示。擬合所得V-G模型參數值如表2所示。

圖3 不同容重土壤水分特征曲線

土壤容重/(g·cm-3)V-G模型參數α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSEγ=1.1530.009 852.3110.567 348.817.50.003 6γ=1.5200.012 41.6450.392 141.618.30.008 0

試驗結果表明：

(1)同一質地不同容重土壤，飽和含水率θs相差較大。同一質地土壤，土壤級配較為相似，但容重越大，土壤大孔隙越少，中小孔隙越發達；容重越小，大孔隙越發達，連通性越好，所能吸持的毛管水越多，故同一質地土壤容重越小，飽和含水率θs越大。

(2)同一質地不同容重土壤，土壤水分特征曲線變化過程相似。由圖2可以看出，粉砂質壤土土壤水分特征曲線經歷了較為平穩階段、快速減少階段和穩定階段。供試土壤中，所有質地相同的原狀土壤，測得土壤水分特征曲線變化過程均一致。分析認為，土壤質地相同時，土壤內孔隙大小比例較為相似、分布較為相似、連通性較為相似。因此，盡管其他理化參數的不同會導致細微處有差別，但整體而言仍然呈現出變化過程具有一致性。

(3)隨著容重的增加，進氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n值減小)，比水容量增大，土壤的持水性能逐漸增強。究其原因，隨著土壤容重增加，大孔隙減小，中小孔隙增多，故吸持在大孔隙中的水分減少，中小孔隙中的水分增多，隨著水分的蒸發，大孔隙中的水分率先排干，中小孔隙越多，水分所受到的吸附力越大，排水難度越大，持水性能越好。

2.2.2 水穩性團聚體含量對土壤水分特征曲線的影響分析

選擇粉砂質壤土不同水穩性團聚體含量土壤進行了試驗。在土壤有機質含量(G=1.97±0.05 g/kg)、土壤容重(γ=1.40±0.02 g/cm3)相差不大的基礎上，不同水穩性團聚體含量實測低吸力階段土壤水分特征曲線如圖4所示。擬合所得V-G模型參數值如表3所示。

圖4 不同水穩性團聚體含量土壤水分特征曲線

土壤水穩性團聚體含量/%V-G模型參數α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSE16.90.002 932.2020.545 849.516.50.007 051.780.004 971.5520.355 752.620.70.001 9

試驗結果表明：

(1)同一質地不同水穩性團聚體含量土壤，飽和含水率θs相差較大。同一質地土壤，土壤級配較為相似，但水穩性團聚體含量約低，大孔隙越少，中小孔隙越發達；土壤水穩性團聚體含量越高，土壤大孔隙越多，連通性越好，且穩定性越強，所能吸持的毛管水越多，故同一質地土壤水穩性團聚體含量越高，飽和含水率θs越大。

(2)同一質地且有機質含量相差不大的土壤，隨著土壤水穩性團聚體含量的增加，進氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n減小)，即同一吸力條件下，土壤水穩性團聚體含量越高，含水率越大，土壤持水性越強。分析認為，同一質地的土壤，砂粒、粉粒、黏粒含量相差不大，砂粒構成土壤“大骨架”，粉粒填充其中的一部分孔隙，黏粒填充更小的孔隙，當水穩性團聚體含量大時，土壤結構較好，保水能力增強。

2.3 不同有機質含量土壤水分特征曲線分析

選擇粉砂質壤土不同土壤有機質含量土壤進行了試驗。在容重(γ=1.37±0.02 g/cm3)、大于0.025 mm水穩性團聚體含量(51.71%±0.09%)，相差不大的基礎上，不同有機質含量土壤實測低吸力階段土壤水分特征曲線如圖5所示。擬合所得V-G模型參數值如表4所示。

圖5 不同有機質含量土壤水分特征曲線

有機質含量/(g·kg-1)V-G模型參數α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSEG=1.9730.004 971.5520.355 752.620.70.001 9G=4.6860.009 282.0820.519 749.819.20.002 9

試驗結果表明：

(1)同一質地不同有機質含量土壤，飽和含水率θs相差較大。同一質地土壤，土壤級配較為相似，但土壤有機質含量的增加使得土壤結構與膠體狀況都發生了變化，土壤孔隙度增加、吸附作用增強，有利于土壤水分的保持，從而使得含水率增加。

(2)同一質地且有機質含量相差不大的土壤，隨著土壤水穩性團聚體含量的增加，進氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n減小)，即同一吸力條件下，土壤水穩性團聚體含量越高，含水率越大，土壤持水性越強。分析認為，同一質地的土壤，砂粒、粉粒、黏粒含量相差不大，砂粒構成土壤“大骨架”，粉粒填充其中的一部分孔隙，黏粒填充更小的孔隙，當水穩性團聚體含量大時，土壤結構較好，保水能力增強。

(3)同一質地的土壤，在同一吸力條件下，隨著土壤有機質含量的增加，土壤水分特征曲線向右平移，即同一吸力條件下，有機質含量越高，含水率越大。

3 結 語

(1)土壤質地、結構、有機質含量對土壤水分特征曲線均有較為顯著的影響。不同質地土壤隨著吸力的變化，含水率變化范圍相差較大，且變化過程相差較大；同一質地土壤，土壤水分特征曲線變化過程一致，隨著容重的增加，進氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n值減小)，比水容量增大，土壤的持水性能逐漸增強；同一質地土壤，隨著土壤水穩性團聚體含量的增加，進氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n減小)，土壤持水性越強；同一質地且有機質含量相差不大的土壤，隨著土壤水穩性團聚體含量的增加，進氣值增大(α值增大)，土壤水分特征曲線斜率減小(n減小)，土壤持水性越強。

(2)土壤內孔隙的大小、分布和連通性時覺得土壤水分特征曲線差異較大的根本原因。土壤質地、結構、有機質含量的不同導致土壤內部孔隙的大小、分布和連通性不同，從而導致土壤水分特征曲線的差異。

(3)土壤級配對土壤內部孔隙的影響不可忽視，合理的級配能夠很大程度的提高土壤的保水性能。土壤由粒徑較大的砂粒含量組成“骨架”，形成諸多大孔隙，粉粒填充其中，黏粒填充到更小的孔隙中，會出現大孔隙基本完全填充和大孔隙不能完全填充的情況。當級配合理的情況下，大孔隙被黏粒、粉粒含量基本完全填充，細小孔隙發育，土粒對水分的吸持作用較強，表現為同一吸力條件下，土壤含水率高，持水性好。