滨海盐渍土土壤水分特征曲线测定及拟合模型的比较
2016-03-22蒋名亮陈小兵郭建青吴从稳卜凡敏长安大学环境科学与工程学院陕西西安7005中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室烟台海岸带研究所山东烟台6003烟台大学生命科学学院山东烟台6005山东省滨海盐碱地水土环境工程技术研究中心山东东营57500
蒋名亮，李 菲，陈小兵，郭建青，颜 坤，吴从稳,3，卜凡敏(. 长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 7005； . 中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室(烟台海岸带研究所)，山东 烟台 6003；3. 烟台大学生命科学学院，山东 烟台 6005；. 山东省滨海盐碱地水土环境工程技术研究中心，山东 东营 57500)
土壤水分特征曲线是土壤吸力与土壤含水率间的关系曲线，亦称土壤持水曲线。它能够表征土壤水的能量与数量的关系，曲线斜率的倒数即单位基质势的变化引起的含水量变化称为比水容重，土壤水分特征曲线和比水容重是应用数学物理方法定量分析土壤中的水分运动和溶质运移的重要参数[1]。常用的田间和实验室测定土壤水分特征曲线方法有压力膜法、负压计法、离心机法、沙性漏斗法、稳定土壤剖面法、平衡水汽压法等[2]。试验实测数据本身实用价值不高，对土壤的水分特征没有详细的揭示意义，需要对实测点进行曲线拟合，得到水分特征曲线，从而能够直观地反映土壤的性质和特点。现在主要的拟合模型有Brooks-Corey模型，van Genuchten模型[3]，Gardner 模型[4]，Campbell 模型和Fredlund 模型，其中应用最广泛的是Brooks-Corey模型和van Genuchten模型。
黄河三角洲是山东省重要的后备土地资源，其中近一半的土地为不同程度的盐渍化土[5]。该地区盐渍土按其成因分类属于滨海盐渍土，其土壤初期是由黄河携带的大量泥沙堆积而成，受海水的浸渍影响，含盐量非常高，脱离海水之后，由周期性积盐转为季节性脱盐[6]。盐分以及某些离子组成对土壤及土壤水的理化性质有很大的影响：盐度会降低土壤水势[1]；土壤含盐量的增加会使土壤的持水性能增加[7]；土壤钠质化将恶化土壤的结构性质，导致土壤结构分散[8]。为了研究盐分对土壤水分特征曲线的影响，栗现文、周金龙等将土体在不同矿化度水样中饱和，然后测定土壤的脱湿曲线，通过拟合对比，分析了不同矿化处理对土壤孔隙的影响，以及最佳拟合模型的选择[9]。在对土壤水分特征曲线的研究中土壤吸力一般指土壤基质势，而忽略土壤溶质势[1]，但滨海盐渍土含盐量高，忽略土壤溶质势显然是不合适的。本文以此为出发点，实测黄河三角洲滨海盐渍土不同土壤层位的水分-吸力数据，利用OriginPro 9.0绘图软件用户自定义函数功能依据Brooks-Corey、Gardner和van Genuchten 3种模型拟合各层土壤的水分特征曲线，并选择出最佳的拟合方案并得到相应的拟合参数，结合土壤水分特征曲线分析土壤理化性质，为滨海盐渍土水盐运移规律的研究与数值模拟提供可靠的参数，以求科学指导黄河三角洲地区盐渍土的改良和农业的发展。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
试验点位于山东省垦利县的中国科学院黄河三角洲滨海湿地生态实验站内(118°58′44.00″E，37°45′52.39″N)，海拔2 m。地处暖温带半湿润大陆性季风气候带，雨热同期，四季气候变化明显，年均气温13.1 ℃，年均蒸发量和降雨量分别为1 860.9、532.6 mm，蒸降比达到3.49。试验点处地下水水位埋深1 m左右，最深不超过2.3 m，雨期地表常积水，平均矿化度为27.55 g/L。试验站内地势低平，雨期涝害严重，土壤含盐量高，盐分以氯化钠为主，土地利用类型为试验田和荒地，试验田种植棉花、柽柳，荒地植被有芦苇、翅碱蓬、柽柳，实验采样点处为光板地，未生长任何植物。
1.2 试验设计
本次试验在实验站光板荒地挖一个1 m深的剖面，按0～20,20～40,40～60,60～80,80～100 cm人为将剖面分为5层，每层都取少量的土样做理化性质分析；用60 cm3的环刀取这5层的原状土做压力膜试验测定土壤的水分特征曲线，每一层都取3个环刀样做平行；使用小铝盒取这5层的土壤测定其土壤含水率，也设定3个重复；用100 cm3的环刀取每层的原状土测定土壤的干密度。每个环刀铝盒都分别做好编号。
1.3 试验方法
(1)土壤密度测定。将现场采集的大环刀样和铝盒土样按照国标NY/T 1121. 4-2006土壤检测第四部分土壤密度测定的操作步骤测定土壤水分和土壤密度。
(2)土壤盐分、质地分析。将各层取好的土壤风干然后磨碎过20目的土壤筛，按照5∶1的水土比制备土壤浸提液，使用DDSJ-308A电导率仪测量土壤含盐量；使用Marlvern Mastersizer 2000F激光粒度仪湿法进样测定土壤颗粒直径及其粒径分布，根据卡庆斯基土壤分类标准对每层土壤的质地进行分类。
(3)土壤水分特征曲线测定。土壤水分特征曲线使用1500F1型1.5 MPa压力膜仪测定，结果为持水曲线的脱湿过程。将原状的环刀土样饱和后置于1500F1型1.5 MPa压力膜仪内已完全湿润的陶瓷压力板上,分别设置不同压力值:0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa，每一压力平衡后(出水口48 h不再出水即认定平衡),取出土样用电子天平(d=0.01 g)立即称重,而后放入压力膜仪继续进行下一级压力测量。完成最后一级压力取出土样称重，然后烘干,测定干土质量并计算最后一级压力下的土壤含水率，然后根据每一级压力损失的水分推出对应压力的土壤含水率。取3个平行样的平均值作为测量值。
2 结果与分析
2.1 土壤理化性质分析
表1为该土壤剖面不同机械分层下土壤的物理化学性质的分析结果。从表1中可以看出，按卡庆斯基分类标准，该剖面0～20 cm为沙壤土，中间20～60 cm两分层为松沙土，底下60～100 cm两层为轻壤土。土壤密度从上到下依次减小，表层土壤密度最高，达到了1.53 g/cm3；80～100 cm层最低，为1.34 g/cm3。受到蒸发作用的影响，越近土壤表层土壤含水率越低，而盐分却因表聚作用而越高，但80～100 cm含盐量却又升高了，那是由于该层位土壤受到了浅埋深高盐地下水的影响。整个剖面含盐量均近于或大于0.4%，按照我国土壤盐化分级指标土壤盐分分级指标的划分标准[10]已达到强度盐渍化土的标准，而表层0.821 5%的含盐量更是达到了盐土的范畴。
表1 剖面不同土层土壤的物理化学性质Tab.1 Edaphic physical and chemical properties of different soil layers of the section
2.2 水分特征曲线测定结果与模型的比较选定
常用于拟合水分特征曲线土壤水分-吸力实测数据且精度较高的经验模型主要有van Genuchten 模型(1980年)，Gardner 模型(1970年)和 Brooks-Corey模型(1964年)，3种模型的表达式分别为：
Brooks-Corey模型(下文以BC模型表示)表达式为：
(1)
当h≥0时，θ=θs
式中：θ为体积含水率；θr为残留含水率；θs为饱和含水率；hd为空气进入土壤孔隙中所必须达到的基质吸力值，即进气压力；h为土壤吸力，一般情况下h<0，当土壤水饱和时h=0；λ为经验参数，能够反映土壤孔隙的分布特征。
Gardner 模型形式如下：
|h|=αθ-bh<0
(2)
根据试验条件调整该模型的自变量和因变量，将上式写成反函数模式：
θ=A|h|-Bh<0
(3)
式中：A，B为拟合参数。
van Genuchten 模型(下文以VG模型表示)表达形式：
(4)
h≥0时，θ=θs
式中：α，n和m为土壤孔隙尺寸分布参数[9]，一般取m=1-1/n或1-2/n，均为经验参数；其他符号含义同上。
采用OriginPro 9.0软件对表 2的压力膜试验实测数据根据这3个模型进行自定义函数拟合绘图及参数计算。图 1为剖面5层土壤压力膜试验实测点和模型拟合的曲线，表 3为3个拟合模型相应的参数计算结果。
从表3可以看到使用3种模型对剖面上每一层土壤实测数据的水分特征曲线进行拟合的决定系数R2都达到了0.9以上， 且VG模型拟合结果较好，精度都大于0.976 7，明显高于BC模型和Gardner模型，除了20～40 cm土层，Gardner模型的拟合精度都稍微高于BC模型，但二者差距甚微。
结合表1中各层土壤的粒径组成可以发现，土壤中物理性砂粒含量越高，Gardner模型和BC模型的拟合精度就越低(0～20，20～60 cm土层)，说明这两种拟合模型不适用与具有大孔隙的土壤的水分特征曲线拟合；而VG模型在拟合整个土壤剖面不同类型土壤时拟合精度无特别规律，而且拟合度都很高。
参数拟合方面，BC、Gardner、VG模型拟合的经验参数A、B、hd、λ、n、m都是随着物理性沙粒含量的增高而增加的，α则相反。对于同为轻壤土的60～80和80～100 cm层，粒径组成相近，容重也非常接近，但是BC、Gardner模型对水分特征曲线曲线的拟合精度相差较大，这是因为80～100 cm土壤大颗粒多于60～80 cm土壤[粒径分析表明按国际制土壤分类前者粉粒(2～20 μm)38.52%，沙粒(>20 μm)60.93%；而后者粉粒51.41 %，沙粒48.34 %]，从而使土壤大直径的孔隙较多，从而使BC、Gardner模型拟合60～80 cm层精度明显大于80～100 cm层，虽然前者VG模型的拟合精度也大于后者，但相对于BC、Gardner模型，VG模型精度为0.981 6已远远高于前者。
综上，在进行土壤水分特征曲线曲线的拟合上VG模型具有更广的适用性。本次压力膜试验采用VG模型对实测数据拟合的曲线与参数计算作为拟合结果。
表2 剖面各层土壤吸力-水分关系测定结果Tab.2 Analysis results of the relationship between soil suction and moisture of each soil layer of the section
2.3 VG模型模拟结果分析与讨论
图2为剖面五层土壤实测数据点的总图和相应的VG模型拟合结果，结合表2的实测数据和表3的参数拟合结果，可以计算出各层土壤的田间持水率和土壤的凋萎系数，这些参数对农田灌溉计划有重要的应用价值。田间持水率为毛管力约为10 132.5～30 397.5 Pa时的含水率[1]，各层田间持水率分别(取30 397.5 Pa)为38.86%、42.38%、39.09%、35.31%和45.57%，各层土壤凋萎系数(约为1 519 kPa时的土壤含水率)为20.65%、16.83%、5.93%、5.45%和27.21%。结合表1可以看到对于相同类型的土壤，含盐量对其凋萎系数影响很大，含盐量越高土壤凋萎系数越大。模型参数α、n、m为土壤尺寸参数，是进行土壤水盐运移规律及模拟研究的重要参数；n决定持水曲线的坡度，n越大坡度越小，反之依然[11]。从表3可以看到5层土壤的参数α和n分别为0.001 9、0.001 6、0.001 3、0.001 7、0.000 5和1.207 5、2.561 1，4.306 7、1.974 6、1.253 6，结合图2可以发现n值的大小正符合曲线坡度的反比关系。
图1 剖面各层土壤不同拟合模型下的水分特征曲线拟合Fig.1 Each layer soil' moisture characteristics curse under different fitting models of the section
表3 剖面各层土壤实测点不同模型拟合下的参数表Tab.3 Measured data' parameter list of different fitting models of each soil layer of the section
图2 剖面各层土壤压力膜实测结果分布点及VG模型拟合曲线Fig.2 Each layer soil's data measured by pressure film and their VG-Model fitting curse of the section
从图2根据曲线形状可以将水分特征曲线分为2组： 20～40、40～60 cm为一组，这两层土壤均为松砂土，土壤含水率在0.2 MPa压力前随压力的增加急剧减小，之后相对平缓，这是因为土壤中物理性沙粒含量很高，存在大量的大孔隙水，这部分水在较小的压力下就很容易被疏干，当压力达到0.2 MPa时，大孔隙水基本已经流失，存在于小空隙内的水才慢慢释出，此时脱水较为困难，曲线就非常平缓，从图2中可以看20～40 cm土层的残留含水率16.64%明显高于40～60 cm的残留含水率5.93%，换言之前者土壤保水性高于后者，其原因有二，第一前者物理性黏粒高于后者，第二前者含盐量高于后者，其中的盐分能够使使土体中等大小土壤孔隙(0.012 mm
3 结 论
(1)van Genuchten模型对该试验点土壤水分特征曲线的拟合效果好于Brooks-Corey模型和Gardner模型，且拟合效果与土壤结构没有很大的相关性；Brooks-Corey模型和Gardner模型的拟合效果接近，对该试验点拟合效果不稳定，土壤粒径结构有这两种模型的拟合有很大的影响，且这两种拟合模型不适用于沙性土壤的拟合。
(2)使用模型拟合的土壤水分特征曲线能够容易地获取土壤某些特殊点的水分-吸力数据，试验点土壤剖面各层土壤的田间持水率分别为39.82%、43.94%、39.51%、37.37%和45.90%，凋萎系数则为20.65%、16.83%、5.93%、5.45%和27.21%。
(3)从van Genuchten模型拟合的结果可以看出不同质地的土壤具有不同的水分特征曲线形状，而同一质地的土壤具有相似的形状；土壤颗粒和土壤盐分对土壤的水分特征曲线有很大的影响，黏重土壤和高盐土壤具有很强的持水能力。
本文试验使用的压力膜仪不能测定土壤水分特征曲线的吸湿过程，所以文中的研究都是就土壤脱湿曲线来讨论的；黄河三角洲是黄河携带大量泥沙在渤海凹陷处沉积形成的冲积平原，对该地区多个位置的粒径分析表明土壤的含沙量都比较高，所以文中结论对该地区土壤持水曲线的研究具有一定的借鉴意义；文中提到的盐分以及土壤含沙量对土壤持水性的研究由于试验数据较少，未能进行更系统的研究，因此盐分、土壤粒径双重影响下的土壤水分特征曲线是之后亟需研究的内容。
□
[1] 雷志栋. 土壤水动力学[M]. 北京：清华大学出版社, 1988.
[2] 李永涛, 王文科, 梁煦枫,等. 砂性漏斗法测定土壤水分特征曲线[J]. 地下水, 2006,(5).
[3] Van Genuchten M T. Closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1980,44(5).
[4] Gardner W, Hillel D, BenyaminI Y. Post-irrigation movement of soil water: 1. Redistribution[J]. Water Resources Research, 1970,6(3).
[5] 孙运朋, 陈小兵, 张振华,等. 滨海棉田土壤盐分时空分布特征研究[J]. 土壤学报, 2013,(5).
[6] 王遵亲. 中国盐渍土[M]. 北京：科学出版社，1993.
[7] Yongjun F, Jingsong Y, Jiuhua Z. Correlation between soil water retention capability and soil salt content[J]. Pedosphere, 2000,(3).
[8] 李小刚, 曹 靖, 李凤民. 盐化及钠质化对土壤物理性质的影响[J]. 土壤通报, 2004,(1).
[9] 栗现文, 周金龙, 靳孟贵,等. 高矿化度土壤水分特征曲线及拟合模型适宜性[J]. 农业工程学报, 2012,(13).
[10] 张蔚榛. 盐渍化土壤的冲洗改良与排水[EB/OL]. 中国水科技网, 2004.
[11] 朱蔚利, 肖自幸, 牛健植,等. 两种模型对土壤水分特征曲线拟合的比较分析[J]. 湖南农业科学, 2011,(17).
