容重对黏壤土土壤水分特征曲线的影响

2018-11-01尹殿胜陈俊英柴红阳

节水灌溉 2018年10期

洪成，尹殿胜,2，陈俊英，柴红阳

(1.中水淮河规划设计研究有限公司，合肥 230601；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；3.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100)

0 引言

土壤水分特征曲线是土壤基质势(水吸力)与土壤含水量之间的关系曲线，该曲线反映了土壤水分能量和数量之间的关系，是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数，在生产实践中具有重要意义[1,2]。土壤水分特征曲线影响因素主要有土壤质地、土壤类型、土体颗粒的形状、大小，土壤容重等。因此研究不同容重黏壤土的土壤水分特征曲线，得到土壤渗透系数、土壤持水性等相关水力参数对研究黏壤土入渗、蒸发、土壤侵蚀及溶质运移具有重要意义[3-5]。国内外有很多关于土壤水分特征曲线的影响研究成果[6-9]。赵迪等研究生物炭对粉黏壤土水力参数的影响，得出生物炭可以提高土壤的有效含水率[10]。仵峰等研究小麦玉米秸秆掺土还田对土壤水分特征曲线的影响，研究表明土壤混掺秸秆可以提高土壤易利用水比例，提高土壤的保水性[11]。陈宇龙等研究了粒径对土壤持水性能的影响，得出土壤的进气值和残余基质吸力随粒径的增大而减小[12]。栗现文等研究了不同高矿化度土壤水条件下渗透系数的变化，得出中等大小孔隙的变化对非饱和水渗透系数影响较为显著[13]。伊盼盼等研究干密度对非饱和重塑粉土土壤水分特征曲线的影响，得出土壤进气值随密度增加而增加[14]。杨兵等研究黏壤土曲率系数、不均匀系数和平均粒径对渗透系数的影响，结果得出黏壤土的平均粒径对渗透系数影响较大，渗透系数与曲率系数呈正相关关系[15]。朱崇辉等进行了无黏性粗粒土的渗透试验研究，得出无黏性粗粒土渗透系数与其颗粒级配具有相关性[16]。通过以上研究说明，土壤的孔隙比影响土壤的渗透特性，而容重影响土壤的孔隙比，因此容重对黏壤土的渗透系数有很大影响，关于这方面的研究报道不多，因此有必要探讨容重对土壤水分特征曲线的影响。本文通过试验获取不同容重黏壤土脱湿过程土壤水分特征曲线和饱和导水率，利用 RETC软件选取通用模型拟合各组曲线，分析比较容重黏壤土的土壤渗透参数和土壤水分常数，为深入开展黏壤土入渗数值计算提供支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试土壤取淮河王家坝河漫滩和一级阶地，取样深度为0～30 cm，土样去除杂质，自然风干后，碾压过10目(2 mm)筛备用。采用激光粒度仪(马尔文，APA2000)对试验区土壤颗粒组成进行测定：黏粒(<0.002 mm)、砂粒(0.002～0.02)和砂粒(0.02～2 mm)的土壤颗粒质量分数分别为15.2%、63.3%和25.5%，根据国际质地三角形可知，供试土壤为黏壤土。试验设计4个容重，分别为1.25、1.30、1.35和1.40 g/cm3，每个容重重复3次。

1.2 土壤水分特征曲线测定的测定

采用压力膜法(DJ-WS15Bar)测定土壤水分特征曲线，首先测定土样的质量及初始含水率，试验前把土样和压力板置于薄层蒸馏水中12～24 h使土样达到充分饱和，再将土样放入压力室内加压，土壤受压之后，将有水从引水管中流出，直到水不再流出时，此时认为达到平衡，然后关闭进气阀，再打开压力室，分别对各个土样称重，称重后将土样放入压力腔室继续加压，施加的压力依次从低到高，重复以上步骤。这样每个压力等级下的土壤含水量可以计算出来，用各含水量和所对应施加的压力做出土壤水分特征曲线。饱和导水率通过变水头法测定。

1.3 土壤水分特征曲线拟合模型

土壤水分特征曲线有很多经验函数，但常用的模型是van Genuchten 模型(简称 VG模型)[17]：

(1)

式中：θ为土壤的体积含水率；θr为土壤残余体积含水率；θs为土壤饱和体积含水率；h为水吸力；λ为土壤孔隙尺寸的分布参数，与土-水曲线的斜率有关；α为进气值的倒数；m、n为影响土壤水分特征曲线形态的经验参数，m=1-1/n或m=1-2/n。

应用美国国家盐改中心(US Salinity Laboratory)提供的RETC软件中的土壤水分特征曲线模型，拟合实测的试验数据。对不同容重土壤的实测土壤水分特征曲线进行拟合，确定土壤水分特征曲线模型的参数，通过模型计算得出实测土壤水吸力对应的含水率和渗透系数在选择水分特征曲线模型时，也要选择不同的求解K的Mualem或Burdine模型，本文选择求解土壤非饱和导水率K的Mualem模型。

2 结果与分析

2.1 容重对黏壤土水分特征曲线的影响

图1为试验测得的不同容重黏壤土的水分特征曲线。由图1可知，在吸力为0时，即土壤处于饱和状态，此时土壤为饱和含水率，其值随容重增大而减小，主要是因为饱和含水率时土壤的孔隙被水充满，土壤容重越小，其孔隙越多，则饱和含水率也越高；在低吸力(小于1 000 cm)段，含水率随容重增大而增大，各容重土壤水分特征曲线平缓，说明随吸力增加，土壤含水率迅速降低，主要是因为在此吸力范围内土壤从大孔隙进行排水，而容重大的大孔隙少于容重小的，因此其含水率就高。当吸力大于1 000 cm时，土壤水分特征曲线陡直，说明含水率随容重及吸力变化微小，这是因为在高吸力范围内只有很小的孔隙能保留水分，而土体对其吸持力较大，因此这一阶段的水吸力变化较大而土壤含水率变化不大。

图1 不同容重黏壤土水分特征曲线Fig.1 Soil water characteristic curves of different bulk density clay loam

2.2 容重对饱和导水率的影响

土壤饱和导水率是土壤被水饱和时，单位水势梯度下、单位时间内通过单位面积的水量，是土壤重要的物理性质之一，它是计算土壤剖面中水的通量和设计灌溉、排水系统工程的一个重要土壤参数，也是水文模型中的重要参数[1]。土壤质地、容重、孔隙分布以及有机质含量等因素均会影响其饱和导水率。图2是实测的不同容重黏壤土的饱和导水率变化图。从图2可以看出，不同容重黏壤土的饱和导水率实测值差异显著，与容重呈负线性相关，相关系数为0.963 5。随着容重增加，相同体积内土粒的体积增加，土壤的孔隙减小，水流的运动减小，因此饱和导水率减小。

图2 不同容重黏壤土饱和导水率变化趋势Fig.2 Variation trend of saturated hydraulic conductivity for different bulk density clay loam

2.3 不同容重砂土土-水曲线VG模型拟合参数

利用RETC软件的VG模型拟合的土壤水分特征曲线参数如表1所列。从表1可以看出，VG模型拟合的4个参数与容重均呈显著相关，饱和含水率θs和参数n值与容重的呈显著负相关，残余含水率θr和参数a值与容重呈负相关。低容重的土壤孔隙比容重大的多，因此其饱和含水率θs也高，土壤的进气值就大，因此对应的进气值的倒数a值就大。残余含水率代表了土内所残留的孔隙水是以相互隔绝的半月形悬着水形式存在，因此容重大的砂土对应的残余含水率θs就小。而参数n值与土壤的孔径分布有关，容重不同孔径不同，因此参数n值也就不同。

表1 VG模型土壤水分特征曲线参数Tab.1 Soil moisture characteristic curve parameters of VG model

2.4 容重对黏壤土水分常数的影响

根据拟合得到的VG模型基本参数值，计算出各处理相应的田间持水率、凋萎系数和有效含水率(见表2)。饱和含水率是实测的，田间持水率是吸力为0.2×105Pa时的含水率，凋萎系数是吸力为15×105Pa时的含水率，有效含水率是田间持水率与凋萎系数之差。从表2中可以看出黏壤土的田间持水率和有效含水率随容重增加而增大，说明容重增加可以增加作物吸收土壤水分的能力，对作物生长有利。

表2 黏壤土水分常数(体积分数) cm3/cm3

2.5 容重对黏壤土非饱和导水率的影响

非饱和导水率是指单位势梯度作用下，单位时间单位面积土壤通过的水量[1]，它是土壤含水率和土壤吸力的函数，随着土壤含水量的增加而增加，随着土壤吸力的增加而减小。因此，非饱和土壤导水率是土壤水分动态特征参数。用RECT软件拟合的不同容重黏壤土的非饱和导水率见图3。从图3可以看出不同容重的黏壤土非饱和导水率变化差异很明显，非饱和导水率随含水率而增加。在含水率小于0.4 cm3/cm3以内，非饱和导水率曲线呈平直状，说明非饱和导水率变化不大，此时的非饱和导水率非常小。当含水率大于0.4 cm3/cm3时，非饱和导水率曲线呈陡直状，非饱和导水率变化很大，非饱和导水率相同时，含水率随容重的增加而减小，因为此时土壤含水率高，土壤由大孔隙排水，而容重高的孔隙小，因此在含水率小的情况下就可以和容重低的有相同的渗透速度。