不同鈉質(zhì)化程度土壤水分特征曲線及土體收縮特征

常 凱，邢旭光

（西北農(nóng)林科技大學 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌712100）

0 引 言

【研究意義】《國家節(jié)水行動方案》提出，需加強再生水、海水、雨水、礦井水和苦咸水等非常規(guī)水多元、梯級和安全利用[1]。微咸水灌溉在我國西北地區(qū)取得了成功實踐[2-4]，逐漸成為灌溉用水選擇，發(fā)展微咸水灌溉是我國今后節(jié)約灌溉用水的途徑之一。同時微咸水灌溉下的土壤持水特征、田間地表收縮與膨脹、灌溉制度擬定呈現(xiàn)出不同的特點[5]，而研究合理的灌溉制度，開發(fā)高效的灌溉形式，需首先考慮土壤吸力、土壤結(jié)構(gòu)特性和持水能力間的關(guān)系，即土壤水分特征曲線和土體收縮特征曲線。

【研究進展】土壤水分特征曲線是土壤吸力和土壤含水率間的關(guān)系曲線[6]，其對指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。土壤鹽漬化是我國目前面臨的主要土壤問題之一，而以鈉質(zhì)化現(xiàn)象最為突出[7]。譚霄等[8]測定了5 種鹽離子影響下的土壤水分特征曲線，證明了鹽分種類對土壤水分特征曲線的影響不明顯；張少文等[9]研究發(fā)現(xiàn)在土壤含水率低于30%時鹽分對水分特征曲線的影響較大；Gucci 等[10]研究發(fā)現(xiàn)Na+量的增加會導致土壤穩(wěn)定性降低；Wang 等[11]研究發(fā)現(xiàn)鈉質(zhì)化極大地影響了土壤的水力特性。【切入點】對于鈉質(zhì)土壤水分特征曲線的研究越來越得到重視，但當前研究中較多以蒸餾水、較低質(zhì)量濃度NaCl 溶液作為飽和水源。用離心機法測定土壤水分特征曲線時，隨吸力增加土體發(fā)生收縮、體積質(zhì)量增大[12]，土壤孔隙數(shù)量和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，較多研究假定土壤在干濕過程中土壤體積恒定，將持水能力與土體收縮割裂開來，忽略了土體收縮對土體持水能力的影響，這在較大程度上不利于獲取土壤水力參數(shù)。因此，在測定土壤水分特征曲線的過程中對土體干縮特征進行研究有重要意義。

【擬解決的關(guān)鍵問題】綜上所述，本研究以不同濃度NaCl 溶液飽和土壤樣本，測定不同鈉質(zhì)化程度下的土壤水分特征曲線，分析不同鈉質(zhì)化程度對當量孔徑的影響，評價其持水能力；對土體失水過程中的收縮量進行定量分析，并基于干體積質(zhì)量、線縮率、比體積-質(zhì)量含水率對土壤收縮特征進行評價，并進一步通過土壤收縮特征值將土壤收縮曲線進行分段。本研究基于體積質(zhì)量變化對土壤水分特征曲線進行校準，可望提高土壤水力參數(shù)估算，進一步為膨脹和非膨脹土壤水分運動數(shù)值模擬提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自陜西楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學試驗田，經(jīng)風干、過2 mm 篩后，采用激光粒度儀（Mastersizer-2000 型，英國）對土壤顆粒組成進行測定：粒徑<0.002 mm、0.002～0.02 mm 和0.02～2 mm的土壤顆粒質(zhì)量分數(shù)分別為17.28%、44.32%和38.40%，依據(jù)國際制質(zhì)地三角形可知供試土壤類型為粉黏壤土。

根據(jù)實際，采用微咸水和咸水灌溉較為普遍[13]，配置質(zhì)量濃度為3、10、20、30 g/L 的NaCl 溶液對土壤樣品進行飽和處理，并以蒸餾水作為對照（CK）。

1.2 試驗方法

根據(jù)農(nóng)田土壤實際體積質(zhì)量，將供試土壤按1.45 g/cm3的體積質(zhì)量分層壓實、刮毛后裝入體積為100 cm3的環(huán)刀內(nèi)。回填后的土壤樣本浸泡在NaCl 溶液中，使溶液液面高度略低于環(huán)刀口高度，充分吸水飽和12 h，每個處理4 個重復，認為每組處理的土壤水礦化度與標準溶液質(zhì)量濃度相同。

采用高速恒溫冷凍離心機（CR21G Ⅱ型，日本）在9 ℃恒溫下測定土壤水分特征曲線。設(shè)置離心機在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下分別經(jīng)10、17、26、42、49、53、58、73、81、85 min 達到平衡，此時對應吸力分別為10、50、100、300、500、700、1 000、3 000、5 000、7 000 cm，平衡后取出環(huán)刀稱質(zhì)量，并用游標卡尺測量土體沉降量，試驗完成后在105 ℃下恒溫干燥至質(zhì)量不變并稱質(zhì)量，得到吸力和含水率之間的關(guān)系，在MATLAB中編輯van Genuchten（VG）模型[14]計算其參數(shù)并用SPSS 分析鈉質(zhì)化程度對水分特征曲線的影響，用Excel 繪制土體收縮特征曲線并驗證三直線模型擬合鈉質(zhì)化土壤收縮特征的精度。

1.3 分析方法

1.3.1 土水曲線擬合

van Genuchten 模型（簡稱VG 模型）被廣泛用于土壤水分特征曲線擬合，栗現(xiàn)文等[15]對高礦化度土壤水分特征曲線做了擬合適宜性研究，對比各模型發(fā)現(xiàn)VG 模型的擬合效果較穩(wěn)定，故本文采用VG 模型擬合水分特征曲線，模型可表示為：

式中：θs為土壤飽和體積含水率（cm3/cm3）；θr為土壤殘余體積含水率（cm3/cm3）；h為吸力（cm）；α為進氣值的倒數(shù)；m與n為表征土壤空隙尺寸分布的參數(shù)，m＝1-1/n。

土壤水分特征曲線可以間接地反映土壤中孔隙大小的分布。若忽略孔隙的曲折，將土壤中的孔隙假定為各種孔徑的圓柱形毛管，吸力h和毛管直徑d的關(guān)系可以表示為：

式中：σ為水表面張力系數(shù)，在室溫條件下一般取75×10-5N/cm，與9 ℃環(huán)境中表面張力系數(shù)相差極小，仍取此值；若吸力的單位用Pa、孔隙直徑以mm 計，則孔隙直徑d和吸力h的關(guān)系可以表示為d=300/h。

1.3.2 土體收縮計算

在持水特性測定過程中，土樣主要發(fā)生垂直一維收縮。引入有效線縮率（re）來衡量土體的收縮變化規(guī)律，表達式為：

式中：Z為土面下降距離（cm）；Z0為土樣初始高度（cm）。

為分析不同吸力下土壤收縮規(guī)律，擬采用對數(shù)函數(shù)對數(shù)據(jù)進行擬合，擬合公式為：

式中：h為吸力（cm）；a、b為擬合系數(shù)。

通過比體積（體積質(zhì)量的倒數(shù)）和質(zhì)量含水率間的關(guān)系來表述土壤體積的變化，將其函數(shù)圖像定義為土壤收縮特征曲線，并用土壤收縮特征值m表征土壤體積的變化速率，即表達式為：

式中：V為土壤體積（cm3）；VW為水體積（cm3）；v為比體積（cm3/g）；U為質(zhì)量含水率（g/g）。m為土壤收縮特征曲線上任一點的斜率，表征離心過程中某一時刻體積變化和質(zhì)量含水率損失間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鈉質(zhì)化程度對土壤水分特征曲線的影響

表1 為VG 模型水分特征參數(shù)擬合結(jié)果，如表1所示，VG 模型的擬合效果較好。圖1 為不同鈉質(zhì)化程度的土壤水分特征曲線，如圖1 所示，各處理體積含水率和吸力間關(guān)系曲線形狀相近，當吸力小于1 000 cm 時，各處理土樣失水迅速，當吸力大于1 000 cm 時，各處理失水速度減慢。具體表現(xiàn)為吸力小于1 000 cm時，高鈉鹽處理（TDS-10、TDS-20、TDS-30 處理）迅速失水，當吸力為100 cm 時體積含水率較CK 差異達到最大，當吸力在100～1 000 cm 之間時，雖失水迅速，但各處理體積含水率與CK 差異減小；吸力在1 000 cm 左右時各處理體積含水率下降速度明顯變慢，當吸力在1 000～4 000 cm 之間時，相同吸力條件下的體積含水率表現(xiàn)為TDS-30 處理

表1 VG 模型水分特征參數(shù)擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of water characteristic parameters of VG model

圖1 不同鈉質(zhì)化程度的土壤水分特征曲線Fig.1 Water characteristic curve of different sodium content

同孔隙的數(shù)量和分布也是造成土壤水分特征曲線差異的重要因素[16]。為探究不同鈉質(zhì)化程度下土體孔隙差異，可視土體孔隙為各種直徑的圓形毛管。由公式（2），將吸力h換算為對應的當量孔徑，可以得到當量孔徑d分別是0.300 0、0.060 0、0.030 0、0.010 0、0.006 0、0.004 3、0.003 0、0.001 0、0.000 6、0.000 4 mm。基于各處理吸力-含水率關(guān)系可以得到對應的當量孔徑-含水率關(guān)系，已知土壤孔隙由通氣孔隙（d>0.030 0 mm）、毛管孔隙（0.003 mm

由表2 可知，鈉質(zhì)化程度與水力特性參數(shù)間相關(guān)性較弱，但客觀上鹽分的引入對土壤孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，并使得土壤持水性出現(xiàn)變化，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是離心過程中土壤干縮開裂的影響相比于鹽分對土壤整體物理特征的影響更加顯著。

表2 相關(guān)分析結(jié)果Table 2 Correlation analysis results

2.2 不同鈉質(zhì)化程度對土壤收縮特性的影響

從圖2 可以看出，對于4 種處理，低吸力段（0～1 000 cm）內(nèi)曲線斜率較大，即土壤收縮較明顯；高吸力段（1 000～7 000 cm）內(nèi)曲線斜率逐漸減小，說明土壤仍在收縮，但收縮速率逐漸減慢。由此可知，鈉質(zhì)土失水收縮特征仍符合非鹽土收縮特征，而Na+的引入在一定程度上抑制了收縮。

圖2 不同鈉質(zhì)化程度的有效收縮特征曲線Fig.2 Effective contraction characteristic curve of different sodification degree

如表3 所示，對數(shù)模型可以很好表征土壤收縮規(guī)律。參數(shù)a代表相同壓力下土壤收縮量隨吸力的變化大小，發(fā)現(xiàn)土壤收縮量表現(xiàn)為TDS-30 處理＞TDS-10處理＞TDS-20 處理＞CK＞TDS-3 處理，即除TDS-3處理外，鈉質(zhì)土較CK 的收縮量普遍較大；b值表示近飽和時土壤脹縮的變化，發(fā)現(xiàn)所有處理均發(fā)生膨脹（b<0）。與前文一致，吸力在0～4 000 cm 時，相同吸力條件下各處理的體積含水率變化與土壤收縮量變化相反，說明鈉鹽對土壤孔隙的影響又作用于土壤收縮，即當供試土壤中引入鈉鹽時，土壤團聚體形態(tài)、孔隙占比發(fā)生變化，表現(xiàn)為高鈉鹽處理土壤通氣孔隙增加、團聚體破壞不嚴重，且飽和狀態(tài)下土壤較疏松，失水后迅速收縮，而TDS-3 處理失水收縮情況則相反。

土壤收縮導致土壤體積質(zhì)量增加。隨著吸力增加，各處理土壤體積質(zhì)量呈逐漸增加趨勢[19]。離心結(jié)束時，CK、TDS-3、TDS-10、TDS-20 處理和TDS-30 處理土壤體積質(zhì)量分別增加約25.44%、23.28%、24.84%、24.36%和24.75%。在低吸力區(qū)，體積質(zhì)量對吸力的變化較為敏感，如圖3 所示，在低吸力區(qū)（0～1 000 cm）曲線較陡，由上可知此時土壤通氣孔隙占比大，且孔隙間的連通性好，可以儲存較多水分，當吸力增加時土壤迅速失水，并伴有收縮現(xiàn)象，土體體積質(zhì)量迅速增加；隨著吸力增加，土壤中大孔隙數(shù)量逐漸減少，土壤排水也逐漸由大孔隙排水向中小孔隙排水過渡，此時土壤發(fā)生收縮的潛力大大減小，因此土樣雖存在被壓縮現(xiàn)象，但收縮程度逐漸減弱[20]，體積質(zhì)量增加幅度變小。

2.3 不同鈉質(zhì)化程度對土壤收縮特征曲線的影響

土壤收縮特征曲線常用來表征土壤失水過程中的體積變化。Mcgarry 等[21]用比體積（體積質(zhì)量的倒數(shù)）和質(zhì)量含水率之間的關(guān)系來衡量土壤體積變化。根據(jù)區(qū)段特點可將收縮特征曲線分為滯留段、正常段、結(jié)構(gòu)段，各段直線的斜率為收縮特征值，相鄰區(qū)段的交點為進氣吸力點質(zhì)量含水率θA和極限膨脹點質(zhì)量含水率θB。呂殿青等[22]對三直線模型分段做出改進，由于自然界土壤不可能達到完全飽和狀態(tài)，故在接近飽和時土壤收縮段稱為“偽飽和段”，一般土壤收縮特征值小于1。將土壤收縮特征值小于1、含水率較高的與“偽飽和段”相接的收縮段稱為“結(jié)構(gòu)段”。將土壤收縮特征值較接近1 的與結(jié)構(gòu)段相接的稱為“正常段”，當土壤收縮特征值大于1 時將其稱作“超正常段”。

如表4 所示，各區(qū)段擬合結(jié)果的R2均在0.95 以上，表明三直線模型可以較好表征比體積和質(zhì)量含水率的關(guān)系。

如圖4 所示，對比各處理土壤收縮特征曲線發(fā)現(xiàn)：各處理較CK 收縮特征值存在明顯差異；鈉質(zhì)土樣超正常段、結(jié)構(gòu)段、偽飽和段的收縮特征值的均值分別為1.17、0.72、0.16，偽飽和段收縮變化最小，各處理結(jié)構(gòu)段和偽飽和段的a值均小于1，而各處理在超正常段的a值均大于1，說明引入鈉鹽對各處理土壤的失水收縮存在影響。失水過程中三直線模型依次經(jīng)歷了偽飽和段、結(jié)構(gòu)段和超正常段，已由水分特征曲線得出當量孔徑和體積含水率的關(guān)系，依據(jù)土體體積質(zhì)量對質(zhì)量含水率進行校準，可知在偽飽和段主要為通氣孔隙失水，同理在結(jié)構(gòu)段中，主要為毛管孔隙和通氣孔隙失水，此時土壤體積變化小于水分體積變化，表現(xiàn)為收縮特征值m＜1，分段折線較緩；但在超正常段中，毛管孔隙和通氣孔隙失水接近完成，無效孔隙中的水難以排出，土壤體積變化大于水分體積變化，表現(xiàn)為收縮特征值m＞1，分段折線較陡。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是偽飽和段和結(jié)構(gòu)段失水迅速，同時空氣侵入，土壤結(jié)構(gòu)在此離心環(huán)境中較不穩(wěn)定，失水收縮；超正常段空氣阻塞無效孔隙，失水困難，土壤結(jié)構(gòu)在此離心環(huán)境中較穩(wěn)定，但失水孔隙仍發(fā)生收縮。鈉鹽的引入對土體的收縮過程產(chǎn)生影響，較CK 有效線縮率偏小，體積質(zhì)量也偏小，表現(xiàn)出不同收縮特性。

圖4 不同鈉質(zhì)化程度的比體積-質(zhì)量含水率關(guān)系Fig.4 Specific volume weight moisture content relationship diagram of different sodification degree

3 討論

我國鹽堿地面積大、分布廣泛、鹽堿地類型各異[23]，致使針對某一地區(qū)的研究也很難代表該地區(qū)土壤理化性質(zhì)現(xiàn)狀。先前的研究已經(jīng)陸續(xù)證明了鹽分種類和質(zhì)量濃度對土壤理化性質(zhì)的影響[24-26]，而較多研究模擬了實際狀況下鹽化土含鹽種類和比例，忽視了各離子間也會相互作用，雖解釋了出現(xiàn)某現(xiàn)象的原因，卻沒有從離子角度出發(fā)闡述鹽離子影響土壤持水性機理。本試驗引入單一陽離子而非多種離子，使鹽分對土壤作用成為主要研究對象，得到的結(jié)果可以較好說明鈉質(zhì)化程度之于土壤水分特征曲線的關(guān)系。

鹽化土壤理化性質(zhì)的研究是我國改良鹽堿地、發(fā)展微咸水灌溉的重要課題。得益于對土壤水數(shù)量和能量的良好表征，土壤水分特征曲線一直是研究鹽化土壤物理性質(zhì)的重要工具。離心法因其快速便捷的優(yōu)點成了測定土壤水分特征曲線的優(yōu)先選擇，但離心機以離心力替代重力場中吸力合理與否受到了廣泛質(zhì)疑[16]，尤其離心過程導致土壤體積質(zhì)量明顯增加。在本試驗中，這種影響干擾了鈉質(zhì)土土壤結(jié)構(gòu)變化，較難得出鈉鹽對土壤持水性的影響，表現(xiàn)為離心結(jié)束時CK、TDS-3、TDS-10、TDS-20 處理和TDS-30 處理體積含水率分別約為22.8、23.9、22.4、22.6 cm3/cm3和22.4 cm3/cm3，差異較小。由于土壤脫濕過程和吸濕過程存在差異，且在自然界中土壤總是在吸水、失水過程中轉(zhuǎn)換，這使得土壤孔隙占比也隨之發(fā)生變化，本試驗得到的土壤水分特征曲線與現(xiàn)實狀況存在一定差距，而對吸濕、脫濕反復下鈉質(zhì)土水分特征曲線的研究還亟待進行。

如圖4 所示，本試驗說明了鈉質(zhì)土失水收縮過程同樣符合非鹽土失水特征。將土壤失水過程與前文孔隙占比對土壤水分特征曲線影響的結(jié)論相對照，可知θA所在質(zhì)量含水率對應的當量孔徑為0.003 mm，對應無效孔隙和毛管孔隙交界，θB對應的當量孔徑為0.060 mm，對應通氣孔隙，說明鈉質(zhì)土進氣壓力點受無效孔隙、通氣孔隙和毛管孔隙占比的影響。同時研究[21]表明數(shù)據(jù)點的多少和離散程度對擬合結(jié)果有顯著影響。本研究中，若將數(shù)據(jù)點（0.25，0.68）歸于偽飽和段，則得到表4 結(jié)果；若將該數(shù)據(jù)點歸于結(jié)構(gòu)段，發(fā)現(xiàn)擬合程度仍較好，結(jié)構(gòu)段和偽飽和段的R2分別為0.996 7 和0.985 0，但其極限膨脹點質(zhì)量含水率θB發(fā)生了顯著變化，對判別土壤水分狀況、指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響。三直線模型以其較高的擬合精度和物理意義的表達被廣泛采用，但其對數(shù)據(jù)點的篩選和擬合區(qū)段的劃分仍需要繼續(xù)研究。

4 結(jié)論

1）Na+的引入對該地區(qū)粉壤土持水性產(chǎn)生影響，在離心過程中毛管孔隙和非毛管孔隙的數(shù)量和分布發(fā)生變化，導致低鈉鹽處理通氣孔隙數(shù)量減少，持水性增強，高鈉鹽處理通氣孔隙數(shù)量增加，失水迅速、持水性減弱。

2）各處理土體有效線縮率隨吸力增加而增大，有效線縮率增加速率隨吸力增加而變緩，且有效線縮率、吸力間呈對數(shù)關(guān)系；鈉質(zhì)土軸向收縮應變小于CK，可有效降低土壤收縮程度。

3）三直線模型擬合鈉質(zhì)土土壤收縮特征精度較高，離心環(huán)境中Na+的引入對進氣吸力點質(zhì)量含水率θA和極限膨脹點質(zhì)量含水率θB的確定沒有顯著影響。