尿素浓度对土壤水分特征曲线及持水性的影响研究

董晓华，郭梁锋，马海波，姚着喜，刘旋旋(.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002； 2.水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉 430072)

0 引 言

土壤水分特征曲线表示含水量与基质吸力的关系曲线，是研究土壤水分和溶质运移的理论基础[1]，也是评价持水能力的简便方法。土壤水分特征曲线受到土壤类型[2]、结构[3]、温度[4,5]、盐分[6]等因素单独影响，或多种因素复合影响，从而改变其形态。由于没有很好理论推导方法获得含水率和基质势的关系，所以目前还是以物理试验与经验模型相结合的办法得到水分特征曲线[7]。在众多经典模型中VG模型由于自身的优越性被广泛应用到相关研究中。张力计法、压力膜仪、漏斗法[8]等都是常用的土壤水分特征曲线测量方法，在多种测量方法当中，离心机法[9]由于其在操作上简单、快速，而被广泛应用。

在农业施肥中尿素(CON2H4)占有的比重很大，然而不合理的尿素施肥造成的土壤污染现象日益严重[10]。目前，考虑温度、容重、结构、盐分等对水分特征曲线的影响研究已有许多，但是尿素浓度对水分特征曲线的影响的研究并不多见[11]。本文根据前人研究的成果，使用离心机法测量宜昌地区砂型土壤在不同尿素浓度情况下的水分特征曲线。通过将测量结果分别与Gardner和VG经典模型曲线拟合，分析随尿素浓度变化Van Genuchten模型参数的走势；并以此为根据研究尿素浓度对试样水分特征曲线、容水度、田间持水量、凋萎系数、全有效水的影响。为今后研究尿素浓度对农业施肥、节水灌溉和水土保持的影响奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土样是采自三峡大学校园的砂型土壤，采样时为了使试样更有代表性选取多个地形点，清除采样点处表面覆盖物并用环刀对深度为5～15 cm间的土壤进行取样，取样后将多个不同取样点的土样在洁净的塑料板上混合均匀，在实验室经过风干、磨碎并过2 mm标准筛网后保存在密封袋中。测得试样初始质量含水率为6%(g/g)，利用湿筛法和密度计法分析土壤的粒径组成，测得该供试土样的基本物理性质如表1所示。

表1 试样基本物理性质

1.2 试验方法

将尿素用研钵碾成粉末与供试土壤充分混合并搅拌均匀，配成含有尿素质量浓度分别为0%、1%、4%、7%的混合土壤，按1.4 g/cm3密度均匀压实填入离心机的环刀内，环刀内装土高度40 mm。为了排除整个试验过程中温度对试验结果造成的干扰，设置试样在吸湿和离心过程中的环境温度为20 ℃。将装有土样的环刀放入蒸馏水层中进行饱和处理24 h，为了防止在吸湿过程中由于吸水导致试样的膨胀，设置吸湿水层厚度为5 mm。待试样达到充分饱和状态之后，取出吸干环刀外部的水分并称重。然后用离心机在不同的转速下对样品进行脱湿处理，转速从小到大分别设置为500、1 000、1 500、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000 r/min。预定每个转速的时间为100 min，待每个转速完成之后将环刀取出，再用吸水性能较好的布或吸水纸吸干环刀表面的水分之后使用精度为0.01 g天平进行称重，使用分度值为50的游标卡尺测量每次离心后样品的高度。测量结束后，将环刀取出并放入恒温箱中105 ℃烘干24 h后称重。设定不同尿素浓度的土壤重复上述试验过程，即可得到不同尿素浓度下土壤试样的水分特征曲线重复样本。依据所测各试样不同转速下的土样质量、转速和离心半径，可推算出各离心速率下试样的基质吸力和质量含水率。

本试验得到的含水率为质量含水率，不考虑土壤密度的变化，即忽略在离心过程中由离心力所导致土壤压缩、体积变化对试验结果造成的误差，故在计算基质吸力时使用公式(1)：

(1)

式中：H为基质吸力，kPa；r0=8.95，是离心中心到环刀底部，cm；l0=5.3，是环刀的高度，cm ；h′为试样顶部到离心中心的距离，cm；n为转速，r/min。

1.3 数值方法

将测量结果分别与Van Genuchten和Gardner经典模型拟合，通过拟合结果分析实验结果的准确性，进而剖析尿素浓度对模型各参数和容水度的影响。在众多曲线拟合的方法当中，最小二乘法拟合曲线是以给定值与取定函数所求值之间的误差平方和最小为目标函数，其目标函数见公式(2)。结合本文研究，从几何意义来讲就是寻找与试验实测值距离平方和最小的土壤水分特征曲线。

(2)

2 结果与分析

2.1 尿素浓度对试样水分特征曲线的影响

离心机法测量土壤水分特征曲线是根据在离心过程提供了与基质势相反的力，且基质势与含水率在数值上一一对应。在试样离心过程中，土壤中尿素浓度的不同，在相同的离心力作用下，相同试样对水分的持有能力也会发生变化。从图1分析不同素浓度试样的水分特征曲线，对于该试样情况下的砂型土壤，尿素的浓度越高，试样含水量等同的情况下相应的基质吸力越低，水势增加，持水能力降低。由此表明，尿素浓度变化作为对土壤水分特征曲线影响因素不能忽略，在同基质吸力的条件下，高浓度尿素试样的持水力较差。伴随试样尿素浓度的增大，水分特征曲线向左运动。1%、4%、7%浓度试样的水分特征曲线在0%的左边，且偏移幅度顺次增大。这是由于在试验处理过程中，尿素能够迅速溶于土壤水形成硝酸盐、铵盐等，尿素浓度越高溶于水后的盐分浓度越高，进而影响了试样原状孔隙结构。依据土壤孔隙水能量和当量孔径表达式(3)：

(3)

式中：H1为土壤最大毛细管上升高度，mm；σ为土壤表面张力系数，N/mm，温度相同条件下为定值；ρw为水的密度，g/cm3；g为重力加速度，m/s2；R为土壤的当量孔径，mm。

由式(3)可知，土壤水所有能量与孔径当量成反比。从图1可以看出，在0～50 kPa阶段，含有不同尿素浓度的土壤水分特征曲线形态变化不大，这是由于试样所能吸持的水量主要由大孔隙决定，所以，尽管土壤吸力变化很小，但含水率变化很大；随着基质吸力的逐渐增加在50～950 kPa阶段，含有不同尿素浓度的土壤水分特征曲线变化明显，这是由于在离心过程中试样的水分散失，尿素溶于水后形成的盐分浓度逐渐增加，填充了试样的大孔径，造成大孔径比例减少，试样中水分由大孔径保持的状态逐渐被越来越小孔径所替代，导致试样水分散失越来越慢，曲线倾斜度增大。

图1 试样土壤水分特征曲线

2.2 试样水分特征曲线拟合

VG模型不只适应多种基配组成的土壤，而且能与土壤自身的物理性质联系起来，且拟合效果较好，因此自提出以来被广泛使用，其式为(4)：

(4)

式中：θ为土壤含水率，g/g；θr为残余含水率，g/g；θs为饱和含水率，g/g；h为压力水头，cm；α为进气值的倒数；m、n为经验参数，其中m=1-1/n，0

对式(4)与测量结果拟合，得到α、n、θs和θr的值。对不同尿素浓度情况下土壤供试样品的水分特征曲线数据进行曲线拟合，所得各参数见表2，拟合效果如图1。VG模型虽属于经验模型但也包含一定的物理意义，因此在不同尿素浓度下通过曲线拟合得到的模型参数在一定程度上也反映出供试土样受尿素浓度影响的情况。经过分析4组测量结果与拟合数据相差的偏离度重均小于1.0×10-4，拟合效果良好。由表2可知，进气参数α、饱和含水率θs、残余含水率θr都随着尿素浓度增大而减小，试样空隙尺寸分布参数n随土壤尿素浓度的增大而增大。一般认为α=1/h，h土壤进气吸力，参数α随尿素浓度的升高而降低，证明随着尿素浓度的增加试样进气吸力值增加；形状参数n只描述曲线的形状，其拟合值随尿素浓度的升高而增大，但变化不明显；饱和含水率θs和残余含水率θr受尿素浓度的影响主要由于尿素浓度的变化影响土壤颗粒间空隙减小，使试样中水的运动能力减弱，持水能力降低。经过分析各试样VG模型α、n、θs、θr的值可知，形状参数n、饱和含水率θs和残余含水率θr的变异系数不超过10%，其变异程度很小；形状参数α在10%～100%变异性之间属于中等变异。

表2 试样水分特征曲线方程拟合参数

2.3 尿素浓度对试样持水性能的评价

容水度C是单位基质吸力变化所引发含水率的变化的反映，可以说明持水能力大小。可由Gardner模型θ=Ah-B的一阶导数来表示，其一阶导数为式(5)：

(5)

式中：C为容水度，kPa g/g；θ为含水率，g/g；H为土壤基质吸力，kPa；A为100 kPa吸力时土壤含水量，g/g；B表示曲线随吸力增加而下降的快慢程度。

容水度是用来衡量土壤持水性能的一个指标，因此利用容水度对土壤的持水性能进行定性的分析是一种比较常见的手段。100 kPa基质吸力时的容水度可以定量分析持水能力的大小[12]。对上述公式(5)与实测的结果进行拟合，得到不同尿素浓度下的参数A、B。由A、B进而得到C与土壤吸力之间的关系见图2。试样容水度随吸力的增加而减小，曲线随吸力的增大逐渐趋于平缓。试样容水度拟合公式和100 kPa基质吸力时试样的容水度值见表3。

图2 试样基质吸力与容水度变化关系

表3 土壤容水度拟合公式

由此可知不同尿素浓度的土壤在100 kPa时的容水度随浓度的升高依次降低，试样的持水能力随尿素浓度的增加逐步降低。试样容水度随基质吸力增大而减小是由于：试样在离心脱水过程中尿素逐渐的析出占据了土壤空隙，使得小孔径数量增加，试样土壤与水分的相互作用增强，排出相同水量所需的离心力逐渐增加。总体来说，相同试样条件下， 随尿素浓度的增大试样的持水能力减弱。

全有效水是介于土壤凋萎系数和田间持水量之间且能被植物所利用的土壤水。对于相同结构性质的土壤，田间持水量和凋萎系数为定值，因此可以从植物用水方面来反映土壤持水能力的大小。因此，研究不同尿素浓度条件下土壤田间持水量和凋萎系数，不仅对农业用水以及指导农业施肥有重要意义，同时对满足植物需水和节约用水的有机协调有重要意义。一般认为，30 kPa基质吸时土壤水的含量为田间持水量；1 500 kPa基质吸力时土壤水含量为凋萎系数。将30和1 500 kPa大气压时的土壤吸力值分别代入水分特征曲线得到0%、1%、4%、7%尿素浓度试样的田间持水量和凋萎系数，其二者的差值表示该试样的有效水范围，结果见图3。

图3 试样水分常数及全有效水范围

由图3可以看出：随试样尿素浓度的增加全有效水范围、凋萎系数、田间持水量梯级减小。这种变化是由于试样中的尿素浓度过高填充了土壤的空隙，使保持试样有效水的孔隙量减少。结果说明，试样中尿素浓度越高其田间持水量和凋萎系数越低，植物在该试样条件下所吸收的有效水量降低。

3 结 语

本文使用离心机测量了含0%、1%、4%、7%尿素浓度土壤的土壤水分特征曲线，并将结果与VG和Gardner经典模型拟合，通过拟合结果讨论了尿素质量浓度对该试验条件下模型参数的影响，进而分析尿素质量浓度对持水性指标的影响。结果证明：尿素浓度对水分特征曲线有显著的影响，且随着尿素浓度的增加水分特征曲线向左运动明显，持水能力减弱；VG经典模型参数n随尿素浓度的增大而减小，参数θs和α随尿素的增大而增大；随着尿素浓度的增大而减小，全有效水范围、田间持水量、容水度和凋萎系梯级减小，持水能力减弱。

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