陕西洛川L1-S8黄土和古土壤水分特征研究

王长燕，卫旭东

(1.宝鸡文理学院 地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013；2.陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)



·环境科学·

陕西洛川L1-S8黄土和古土壤水分特征研究

王长燕1，2，卫旭东1

(1.宝鸡文理学院 地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013；2.陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)

分析陕西洛川L1-S8黄土和古土壤层水分特征,为研究黄土高原土壤水分运动及农业发展、生态建设提供依据。采用张力计法、环刀法等对洛川L1-S8黄土和古土壤层共16层32个原状土样进行水分特征曲线、田间持水量等的实验测定。用Van Genuchten模型对洛川L1-1-S8-2黄土和古土壤的水分特征曲线进行拟合，R2值达0.98以上,每个黄土层及其相邻下部的古土壤层的水分特征曲线相互交叉。洛川黄土层的土壤水分特征用Van Genuchten模型描述最适合;L1-L8黄土层的持水性在低吸力段强于相邻下部的S1-S8古土壤层,在较高吸力段弱于相邻下部的S1-S8古土壤层;总体上看洛川L1-S8黄土层的饱和含水量都比相邻下部的古土壤层高,稳定凋萎系数略低,最大有效水含量略高;L1-S5中黄土层的田间持水量比相邻下部的古土壤层高,L6-S8中黄土层的田间持水量比相邻下部的古土壤层略低。

陕西洛川;黄土和古土壤;水分特征曲线

本研究通过大量实验,对洛川黄土塬L1-S8层位土壤水分特征曲线进行测定,优选出描述黄土层水分特征曲线的最优模型,计算分析黄土各层饱和持水量、田间持水量、稳定凋萎湿度等水分常数,以期为研究黄土高原土壤水分运动及农业发展、生态环境建设提供参考。

1 研究区概况

洛川县位于陕西省的中部、黄土高原的南部,是黄土高原面积最大、土层最厚的塬区之一,也是目前世界上保存最完好的古原地貌之一。塬面平坦开阔,平均海拔约1100 m,塬区黄土地层完整齐全,厚度较大,是典型的高原型黄土塬。洛川黄土区气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候,昼夜温差较大,年平均气温9.2℃,年均降水量623.3mm,季节变化大,7～9月份占年降水量的60%,雨热同期。

本研究在洛川县城西边约1km处的沟坡上选择了一个典型剖面。剖面从L1至S8地层连续而完整,层位出露清楚。本剖面的现代耕作层之下是晚更新世马兰黄土(L1),全新世黄土L0和全新世古土壤S0已被侵蚀掉。

2 采样与实验方法

在L1-S8每个层位的中上部和中下部分别用大环刀(容积2650.7cm3)各采取一个原状土样,16个层位共采集样品32个。L1层位中上部样品标记为L1-1,中下部样品标记为L1-2,其余层位的样品编号依次类推。在实验室中对样品进行田间含水量、土壤水分特征曲线、容重的测定。田间持水量和容重采用环刀法进行测定,水分特征曲线(包括脱湿过程和吸湿过程)采用真空表型负压计法进行测定,吸力的测定范围为0～85kPa。

3 结果与分析

3.1 洛川L1-S8样品水分特征曲线拟合

前人已经提出了很多数学模拟方程来定量研究土壤的水分特征曲线[13-15]。其中最常用的土壤水分特征曲线模型有Gardner模型、Brooks-Corey模型和Van Genuchten模型,其表达式分别为:

Gardner模型:h=aθ-b，

在CSMR边坡岩体质量分类方法中，除坡高指标外，结构面倾向与边坡倾向间的差值等9个指标的取值已有相应的区间，为了与工程的实际保持基本一致，本文对上述9个指标的区间取值也参照上述区间，同时对于原分类方法中无上限或下限的阈值情况，本文根据实际工程情况进行适当选取。另外水电水利边坡工程地质勘察技术规程以边坡高度为分类依据，将边坡分为低边坡(h<10 m)，中边坡(10 m≤h<30 m)、高边坡(30 m≤h<100 m)、以及超高边坡(h≥100 m)。为了与本文中的等级划分相对应，本文将其分为低边坡、中边坡、中高边坡、高边坡以及超高边坡五个等级。最终各评价指标的等级划分如表1所示。

Van Genuchten模型:

其中θ为体积含水量(cm3/cm3),θs为饱和含水量(cm3/cm3),θr为滞留含水量(cm3/cm3),h为土壤吸力(kPa),hd为土壤进气吸力(kPa),m，n，a，b为拟合参数,m=1-1/n。

目前已有多种方法对水分特征模型参数进行求解[16-19],origin软件可以快捷地实现复杂模型的参数求解,且准确度较高,本文借助最新origin 8.0软件来进行参数的求解和曲线的拟合。结果显示Gardner模型和Brooks-Corey模型对样品L1-1-S8-2的脱湿曲线拟合的R2值都比较低,Van Genuchten模型拟合的R2值较高,L1-1-S8-2中,脱湿过程拟合的R2值在0.9846～0.9989之间,吸湿过程拟合的R2值在0.9843～0.9987之间,说明洛川L1-S8层土壤的水分特征曲线用Van Genuchten模型来描述比较合适。Van Genuchten模型的拟合曲线如图1、图2所示。

图1 L1-1-S8-2脱湿曲线图Fig.1 Dehumidifying curves of L1-1-S8-2

图2 L1-1-S8-2吸湿曲线图Fig.2 Moisture-absorbed curves of L1-1-S8-2

3.2 洛川L1-S8土壤持水性分析

将各样品的土壤水分特征曲线进行比较,同一吸力条件下,土壤含水量较高,反映土壤持水性较强,反之说明土壤持水性较弱。用脱湿过程曲线来分析土壤的持水性变化,从图1中可以看出,除第4，7层黄土和古土壤样品外,L1-1-L8-2的脱湿曲线与相应S1-1-S8-2的脱湿曲线在低吸力段(20～40kPa)都出现交叉,在小于交叉点吸力范围内,同一吸力条件下L1-1-L8-2的水分含量高于S1-1-S8-2,说明在此范围内L1-L8黄土层的持水性强于S1-S8古土壤层;在大于交叉点吸力范围内,同一吸力条件下L1-1-L8-2的水分含量低于S1-1-S8-2,说明在此范围内L1-L8黄土层的持水性弱于S1-S8古土壤层。第4层黄土的持水曲线在0～85kPa范围内始终在第4层古土壤的持水曲线之上,说明第4层黄土的持水性在0～85kPa范围内始终大于第4层古土壤层;第7层黄土和古土壤的持水曲线在0～85kPa范围内基本重合,反映第7层黄土和古土壤的持水性能强弱基本相同。

容重和持水量之间存在一定的关系[20-21]。将各样品的容重值和持水量结合起来分析发现,在0～5kPa 范围内L1-1-S8-2样品的持水量与容重具有较好的反相关关系,在高吸力段绝大多数样品的持水量与容重具有正相关关系,但L4-2，S5-2样品的持水量与容重却具有反相关关系,这说明在吸力值很小时(0～5kPa)土壤的持水性受容重的影响很大,在吸力值较大时土壤的持水性除了受容重的影响外,还可能受到其他因素如粘粒含量、有机质含量等因素的影响[22-23]。

3.3 洛川L1-S8土壤水分常数分析

饱和含水量、田间持水量、稳定凋萎系数是研究土壤水分运动和利用最重要的3个水分常数,本研究将各层样品的3个水分常数分别进行计算,来分析各层黄土和古土壤的水分性质。

饱和含水量反映土壤的最大容水能力。计算结果显示,饱和容水量最大的层位是第1，4层黄土层,平均值分别为46.46%，43.3%,饱和容水量最小的层位是第5层古土壤层,平均值仅为28.78%;从黄土层和古土壤层比较来看,黄土层样品的饱和含水量都比相邻上部和下部的古土壤层样品大。

田间持水量是土壤有效水的上界,本剖面中田间持水量较高的层位是第7层古土壤层和第4层黄土层,分别为23.45%和23.38%,田间持水量较低的层位是第3层古土壤层、第1层古土壤层、第5层古土壤层,数值略低于20%;通过黄土层和古土壤层的比较,L1-S5中黄土层的田间持水量比相邻下部的古土壤层高,L6-S8中黄土层的田间持水量比相邻下部的古土壤层略低,数值低约1%,推测可能是由于重力压实作用使得土层中的大孔隙减少,而且重力压实作用对黄土的影响比古土壤层更明显。

稳定凋萎系数是土壤有效水的下界,一般以1 500 kPa吸力对应的土壤含水量来确定[24]。洛川L1-S8剖面中稳定凋萎系数最大的层位是第5，6层古土壤层,平均值分别为17.99%，17.08%,稳定凋萎系数最小的层位是第3层黄土层,平均值仅为4.66%;通过对比,除第7层黄土层的稳定凋萎系数比第7层古土壤层略高外(差值仅为0.22%),其他黄土层样品的稳定凋萎系数都比相邻下部的古土壤层样品小。稳定凋萎系数反映植物利用水分的下限,土壤水分含量低于稳定凋萎系数时,植物将会永久死亡。由此可见,在各层土壤水分含量相同的情况下,黄土层的植物生长良好时,古土壤层的植物可能已经枯死。

处于田间持水量和稳定凋萎系数之间的是有效水,是植物生长利用的主要部分。洛川L1-S8剖面中有效水含量较大的层位是第3，4，7层黄土层和第7层古土壤层,平均值分别为17.81%，16.17%，16.59%，17.75%,有效水含量较小的层位是第5，1，2，3，4，6层古土壤层,各层平均值都小于7%；通过对比,除第7层黄土层的有效水含量比第7层古土壤层略低外(差值仅为1.16%),其他黄土层样品的有效水含量都比相邻下部的古土壤层样品高。

4 结 论

通过以上分析,可以得出如下结论:

1)洛川L1-1-S8-2黄土和古土壤的水分特征适合用Van Genuchten模型来描述。

2)L1-1-L8-2的脱湿曲线与相应S1-1-S8-2脱湿曲线在约20～40kPa出现交叉,在小于交叉点范围内,L1-L8黄土层的持水性强于S1-S8古土壤层;在大于交叉点范围内,L1-L8黄土层的持水性弱于S1-S8古土壤层。在低吸力段黄土层和古土壤层的持水量主要受容重的影响,容重越大,持水量越小。

3)洛川L1-S8黄土层的饱和含水量都高于相邻下部的古土壤层;L1-S5中黄土层的田间持水量比相邻下部的古土壤层高,L6-S8中黄土层的田间持水量比相邻下部的古土壤层略低;除第7层黄土层的稳定凋萎系数比第7层古土壤层略高,最大有效水含量略低外,其他黄土层的稳定凋萎系数都比相邻下部的古土壤层略低,最大有效水含量略高。

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(编 辑 徐象平)

The characteristics of soil moisture of L1-S8in Luochuan, Shaanxi

WANG Changyan1,2， WEI Xudong1

(1.College of Geography and Environment, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China；2.Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province, Baoji 721013, China)

The paper analyzed the characteristics of soil moisture of L1-S8in Luochuan of China, in order to supply reference for research on water moisture movement, agriculture development and ecological construction. The 32 samples were undisturbed soil samples taken by big cutting-ring. The soil-water characteristic curves were obtained by tensiometer with measuring range of 0～85kPa, and the field capacities of samples were determined with the cutting-ring method. The results showed that the R2values of soil-water characteristic curves of L1-1-S8-2 fitted with Van Genuchten model are all above 0.98. The soil-water characteristic curves of each loess sample and that of adjacent and lower paleosol sample cross. Van Genuchten model is the best to describe the soil-water characteristics of loess and paleosol in Luochuan. The water-preserved properties of L1-L8are stronger in lower suction range and weaker in high suction range than that of adjacent and lower S1-S8. Compared with paleosol layers, the saturation moisture content of loess layers are greater, wilting moisture are lower, and the maximum effective water content are greater. Compared with adjacent and lower paleosol layers, the field capacities of L1-L5are greater, and those of L6-L8are lower.

Luochuan of Shaanxi; loess and paleosol; water characteristic curve

2015-11-04

陕西省教育厅重点实验室基金资助项目(2010JS072，2009JS071，2013JS011)；国家自然科学基金资助项目 (40672108，41371497，41171423)；宝鸡文理学院重点基金资助项目(ZK1054，ZK15052)

王长燕，女，山东招远人，博士，从事环境演变和土壤水研究。

P641.131，S152.7+2

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-05-024