荒漠土壤的水分特征曲线测定及拟合比较

杨逍宇

摘 要：土壤水分特征曲线可以表达能量与数量之间的关系，土壤水分运动、调节利用土壤水分和土壤改良方面具有十分重要的理论价值和应用价值。本文利用室内离心机法获得了荒漠绿洲河岸带的包气带分层水分特征曲线数据，采用van Genuchten模型与Gardner模型各层土壤的水分特征曲线进行拟合分析。结果表明：van Genuchten模型在各层不同类型的土壤的拟合中都有良好的表现，而Gardner模型表现较差，特别对于粘质土壤。

关键词：沙漠;土壤;水分特征曲线;经验公式;拟合

中图分类号：S152.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0203-03

0 引言

土壤水分特征曲线是土壤水基质电位与土壤含水量相对应变化之间的关系，其本质是土壤水所含能量与数量之间的关系[1]。土壤的持水性能和排水性能可以通过土壤水分特征曲线反映出来，土壤水分特征曲线是研究土壤水分的保持和运动以及反映土壤水分基本特征的曲线，在土壤研究中有重要的实用价值[2]。土壤含水量和基质势可以通过土壤水分特征曲线进行相互转换;土壤孔隙大小的分布也可以通过水分特征曲线反映;同时，土壤水分特征曲线也可以用来判断土壤质地状况和土壤水分的分布状况;此外，水分特征曲线是土壤水分运动方程模拟不可以缺少的重要参数[3]。因此，研究土壤水分特征曲线对土壤水分的运动、调节和改良具有极高的研究价值和应用价值。

获取土壤水分特征曲线的方法包括多种方法，例如直接测定法和经验公式法，其中直接测定法包括张力计法、离心机法和压力膜法等。然而，土壤水分特征曲线的影响因素较为复杂，有必要从理论上分析土壤基质势与土壤含水量之间的关系，并推导出这种关系的表达式。因此，在直接观测数据的基础上，提出了一些经验公式[4]，常见的经验公式有：Broods-Corey模型、Gardner模型、Van-Genuchten模型、Gardner-Russo模型、Mckee-Bumb模型、Frdlund-Xing模型等。

干旱区占我国国土面积的25%左右，干旱区包气带干燥，获取土壤基质势非常困难，土壤水分特征曲线通常用于将土壤水分转换为基质势。因此土壤水分特征曲线是研究包气带水分运动过程的一个非常重要的参考因素。本文以荒漠土壤作为研究对象，通过离心机法获取土壤切面土壤样品的水分特征曲线，并选择应用比较广泛的经验公式van Genuchten模型和Gardner模型进行拟合对比分析。

1 材料与方法

1.1 土样采集与测定试验

试验土样采自我国西北内陆河流域黑河流域下游的荒漠绿洲区，绿洲区河岸带包气带厚度约为3.2m。根据土壤剖面的分层状况，选取0-30cm、60-90cm、90-120cm、140-160cm、180-210cm、210-230cm为土样采集土层，每层取2个重复土样。如表1所示，研究区河岸带包气带为砂质土壤，并夾杂粘土层，其中埋深90-120cm和210-230cm土壤为粘土。本试验采用离心机法测定土壤水分特征曲线，离心机的型号为Hitachi CR21GIII。

1.2 Van Genuchten模型Gardner模型

Van Genuchten模型：       （1）

式中，θ为体积含水率（cm3/cm3），θr为残余含水率（cm3/cm3），θs为饱含水率（cm3/cm3）;h为土壤吸力（基质势的绝对值，cm）;α为与进气值有关的参数;n，m为曲线形状参数，其中，m=1-1/n。

Gardner模型：h=αθ-β         （2）

式中，θ是体积含水率（cm3/cm3），θs是饱和含水率（cm3/cm3）;h是土壤吸力（cm）;α，β为拟合参数。

2 结果

2.1 荒漠绿洲河岸带土壤水分特征曲线的确定

使用离心机测量法，测定获得了表1中各层土壤的水分特征曲线，如图1和图2所示。其中，0-30cm、60-90cm和140-160cm埋深的土壤为壤质的砂土或细砂土，其水分特征曲线相对比较一致，饱和含水量在0.42-0.45之间，残余含水量在0.02-0.05之间，大体属于同一土壤结构类型。

另外，埋深为90-120cm、180-210cm和210-230cm的土壤水分特征曲线与前述三种土壤样品有明显的不同。其中，90-120cm和210-230cm深度的土壤为粘土土壤结构类型，二者土壤水分特征曲线线型一致，为上凸型。埋深为180-210cm的土壤为砂质土壤，线型为下凹型，与图1三种土壤一致，但是其残余含水量为0.12，明显较大于图1三种土壤的残余含水量。

2.2 Van Genuchten模型Gardner模型拟合结果的比较

在本文中，决定系数（R2）和均方根误差（RMSE）被用作模型比较的指标，对于RMSE和R2各层土壤水分特征曲线的拟合评价指标如表2所示。对于各层土壤，van Genuchten模型的RMSE值均明显小于Gardner模型，而van Genuchten模型的R2值均大于0.98，明显高于Gardner模型。因此，对于荒漠绿洲河岸带土壤，van Genuchten模型拟合水分特征曲线表现更好。

对于埋深0-30cm的土壤，Van Genuchten模型的RMSE为0.009，R2为0.985，而Gardner模型的RMSE为0.025，R2为0.905。由图3可以看出，Van Genuchten模型比Gardner模型能更好地拟合实测的水分特征曲线数据。

对于埋深140-160cm的土壤，Van Genuchten模型与Gardner模型的RMSE值分别为0.003和0.014，而R2值分别为0.999和0.981，表明这两个模型对于该层土壤均有较好的拟合效果，如图4所示。

从图5可看出，对于深度为210-230cm的土壤，Van Genuchten模型能够很好描述该层土壤水分特征，而Gardner模型则不能，其R2值小于0.8。

3 结语

通过野外采集土样和室内离心机方法，获得西北内陆河流域黑河下游荒漠河岸带的土壤剖面水分特征曲线。根据土壤的深度和分层不同，水分特征曲线呈现出不同的曲线类型。在半对数坐标中，对于砂质土壤水分特征曲线呈下凹型，而对于粘质土壤，水分特征曲线呈上凸型。根据实测的数据，选择van Genuchten模型与Gardner模型分别对各层土壤的水分特征曲线进行拟合并分析，结果表明：与Gardner模型相比，van Genuchten模型对各层不同类型的土壤均有良好的拟合效果，而Gardner模型对粘质土壤表现并不理想。

参考文献

[1] 黄晓波，高冰可.土壤水分特征曲线研究综述[J].农技服务，2016，33（04）：22-23+27.

[2] 李浩然，樊贵盛.土壤水分特征曲线Gardner模型参数预报模型研究[J/OL].人民黄河：1-5[2019-01-29].

[3] 辛琳，郝新生，崔清亮.土壤水分特征曲线的4种经验公式拟合研究[J].山西农业科学，2018，46（02）：256-259.

[4] 唐凯.几种典型土壤水分特征曲线模型分析[J].农业与技术，2017，37（03）：34-35.