筛分直径和容重影响条件下土壤水分运动参数变化特征研究

王欢

摘 要：本文采用Ku-pF非饱和导水率测定系统测定不同筛分直径、不同容重条件下土壤水分特征曲线，并在此基础上套用非线性最小二乘法函数Lsqcurvefit和Van Genuchten公式，在MATLAB软件中拟合实测数据，得到拟合曲线及土壤水分运动参数，并对其变化特征进行分析，以期揭示出土壤水分运动参数在不同筛分直径、不同容重条件下的变化特征。结果显示，在研究土壤水分运动参数的变化特征过程中，介质的筛分直径和容重均起着不可忽视的作用。因此在研究土壤水分运动机理和评价土壤水资源时，要科学适宜地选择土壤水分运动参数。

关键词：土壤;水分运动参数;筛分直径;容重

中图分类号：P641.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）19-0137-06

Abstract： In this paper， a Ku-pf unsaturated hydraulic conductivity measurement system was used to measure soil water characteristic curves under different screening diameters and bulk densities. On this basis， the nonlinear least square method functions lsqcurvefit and van were applied Genuchten formula was used to fit the measured data in MATLAB software， and the fitting curve and soil water movement parameters were obtained， and their change characteristics were analyzed in order to reveal the change characteristics of soil water movement parameters under different screening diameters and bulk densities.The results show that the sieving diameters and bulk densities of soil medium can not be ignored in the study of the change characteristics of soil water movement parameters. Therefore， when studying the mechanism of soil water movement and evaluating soil water resources， we should scientifically and appropriately select soil water movement parameters.

Keywords： soil;water movement parameter;sieving diameter;bulk density

土壤水是大气降水、地表水与地下水相互转化的纽带，在生态水文循环中起着不可忽视的作用。进一步研究土壤水分运动机理的理论基础和科学前提之一，必然是研究土壤水分运动参数的变化特征。影响土壤水分运动参数的因素众多，如介质特性、介质结构、介质筛分直径、介质容重、温度等。本文选取筛分直径和容重两个因素开展试验研究，分析土壤水分运动参数在其影响下的变化特征。本文的研究对土壤水资源评价模型中参数的选取具有重要参考价值，对优化农田灌溉方案具有重要指导意义[1-3]。

1 试验原理

1.1 水分特征曲线

土壤水的负压随土壤含水量的变化而变化，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系，是反映土壤水分保持和运动的特征曲线，其基本形状如图1所示。

从图1可以看出，负压[h]与含水量[θ]的关系曲线分为脱湿曲线和吸湿曲线，脱湿曲线和吸湿曲线是土壤脱湿（由湿变干）过程和土壤吸湿（由干变湿）过程测得的水分特征曲线。其中，[θs]表示饱和含水量;[θr]表示残余含水量。脱湿曲线：当负压逐渐增大时，含水量逐渐减小，[h-θ]曲线自[θs]开始上升，以[θ=θr]为渐近线。吸湿曲线：当负压达到一定值之后，再慢慢减小负压，含水量开始增加，直至[h]接近于0。此时的[h-θ]曲线并不与脱湿过程的[h-θ]曲线重合[4]。

1.2 水分运动参数模型

土壤水分特征曲线是表征土壤水分运动参数的主要参数指标。水分特征曲线的经验公式可根据有限的实测数据点估计完整的水分特征曲線，便于在各种计算机模型中使用，而且许多间接方法也是根据这些经验公式的参数与土壤基本性质之间的相关关系建立起来的。描述土壤水分运动参数的经验公式有：Brooks-Corey模型、Gardner模型、Van-Genuechten模型、Gardner-Russo模型、Mckee和Bumb模型、Frdlund和Xing模型、Broadbridge—White模型、Campbell模型、Williams模型、Burdine模型等。研究表明，Van Genuchten[5]模型要优于其他水分特征经验公式。

2 试验方案与方法

2.1 试验方案

本试验介质选取华北水利水电大学（龙子湖校区）河南省农业高效用水工程中心试验田，该介质为砂质壤土，含有一定量的农作物根系与砂砾块，取样位置如图2所示。

经称重计算可知，该试验田原状土样的自然容重为[γ]=1.4 g/cm3。为了研究自然容重状态下不同筛分直径对土壤水分运动参数的影响，本试验拟制取容重[γ]=1.4 g/cm3，筛分直径[D]分别为2、1、0.5、0.25mm的试验样品，利用Ku-pF非饱和导水率测定系统测定其土壤水分特征曲线，并在此基础上套用非线性最小二乘法函数Lsqcurvefit和Van Genuchten公式，在MATLAB软件中拟合实测数据，得到拟合曲线及土壤水分运动参数，并对其变化特征进行分析。

经筛分可知，该试验田原状土样中，筛分直径[D]为0.5 mm的颗粒占比较大，为了研究相同筛分直径（[D]=0.5 mm）不同容重对土壤水分运动参数的影响，本试验拟制取筛分直径[D]为0.5 mm，容重分别为[γ]=1.3 g/cm3、[γ]=1.4 g/cm3、[γ]=1.5 g/cm3的试验样品，利用Ku-pF非饱和导水率测定系统测定其土壤水分特征曲线，并在此基础上套用非线性最小二乘法函数Lsqcurvefit和Van Genuchten公式，在MATLAB软件中拟合实测数据，得到拟合曲线及土壤水分运动参数，并对其变化特征进行分析。

为了揭示土壤水分运动参数在不同筛分直径、不同容重条件下的变化特征，本试验制订了两种试验方案：方案一，主要研究不同筛分直径相同容重对土壤水分运动参数的影响;方案二，主要研究不同容重相同筛分直径对土壤水分运动参数的影响。具体试验方案如表1所示。

2.2 试验方法

本试验利用Ku-pF非饱和导水率测定系统测定各个样品的土壤水分特征曲线，包括取样、制样、装样、数据处理等四个步骤。

2.2.1 取样。去除试验田表层耕植土（厚约2 cm），将1号环刀（直径Φ=7.5 cm，高[H]=6 cm）垂直压入试验田中，取出原状土样，经称重计算得容重[γ]=1.4 g/cm3;取若干扰动土备用。

2.2.2 制样。①将扰动土置于烘箱中（105 ℃）烘干24 h。②用筛孔直径分别为2、1、0.5、0.25 mm的筛网筛分烘干后的扰动土。③按试验方案设定的容重计算出需要装填入环刀中的烘干扰动土的重量，再加上事先已称重的底盘、滤纸、环刀的重量，计算出试验样品的总重量。④将试验样品置于电子天平上称重，以控制环刀中装填入的烘干扰动土的重量;方案一：将筛分直径[D]为2、1、0.5、0.25 mm的烘干扰动土按容重[γ]=1.4 g/cm3分别装填入2号、3号、4号、5号环刀;方案二：将筛分直径[D]为0.5 mm的烘干扰动土按容重为[γ]=1.3 g/cm3、[γ]=1.4 g/cm3、[γ]=1.5 g/cm3分别装填入6号、7号、8号环刀。⑤将试验样品至于蒸馏水中浸泡，直至饱和。

2.2.3 装样。将1—8号环刀加底上盖，并与张力计联接，放置于Ku-pF非饱和导水率测定系统的星型吊臂上，自动测定水分特征曲线。

2.2.4 数据处理。利用土壤水动力学等相关知识和MATLAB软件进行数据处理。

3 试验数据处理

3.1 原始数据输出

Ku-pF非饱和导水率测定系统可自动实时传输并记录试验数据。当试验结束时，只需人工读取并保存试验数据即可。

3.2 原始数据处理

利用土壤水动力学等相关知识对原始数据进行筛选处理，并绘制水分特征曲线。

3.3 数据拟合

3.3.1 模型选择。常用的描述土壤水分特征曲线的经验公式主要有Garder模型、Brooks-Corey模型、Campbell模型、Van Genuchten模型、Garder-Russo模型、Hutson-Cass模型等6种类型[6-9]。在已经建立的众多数学模型中，Van Genuchten模型因其线型与实测数据曲线拟合程度好而得到广泛应用[10-11]。

式中：[θ]为土壤体积含水量，cm3/cm3;[h]为压力水头，cm，饱和带为正值，非饱和带为负值，潜水面上为0;[θs]和[θr]分别为饱和含水量和残余含水量，cm3/cm3;[α]为毛细上升高度的倒数，即[α]越小，毛细上升高度越大，土壤持水性能越强，cm-1;[n]为经验拟合参数，无量纲;[m=1-1/n]，0<[m]<1。

3.3.2 数据拟合。套用非线性最小二乘法函数Lsqcurvefit和Van Genuchten公式，在MATLAB软件中拟合实测数据，得到拟合曲线及水分运动参数。

4 试验结果分析

4.1 土壤水分特征曲线分析

4.1.1 不同筛分直径。图3为不同筛分直径的负压-含水量曲线。

由图3可得出如下结论。

①不同筛分直径的试验介质在试验过程中，水分特征曲线形态变化一致，即负压随含水量的增加而减小，反之也成立。

②筛分直径[D]分别为2、1、0.5、0.25mm的试验样品的土壤最大含水量随着筛分直径的减小而增大。这是因为筛分直径越小，其细小孔隙越发育的缘故，与理论相符。

③原状土样在0～150 cm负压段，土壤含水量减小较缓慢;在150～400 cm负压段，土壤含水量减小的速率逐渐增大;在400～900 cm负压段，土壤含水量减小又趋于缓慢。由此说明，原状土样中，筛分直径居中的颗粒占比较大，而筛分直径较大或较小的颗粒占比较小。

④原状土样的土壤最大含水量仅达到0.39 cm3/cm3，由此说明，颗粒大小不一的原状土样较筛分直径均匀的土壤介质的持水性能差。

⑤原状土样的水分特征曲线形态与扰动土样的水分特征曲线形态不同。可见，原状土样中存在的农作物根系和砾石等杂质对水分特征曲线形态起着不可忽视的影响作用。

⑥筛分直径[D]=1 mm试验介质的水分特征曲线与筛分直径[D]=2 mm试验介质的水分特征曲线几乎平行，而且筛分直径[D]=1 mm试验介质的水分特征曲线始终位于筛分直径[D]=2 mm试验介质的水分特征曲线上方。由此说明，负压一定时，含水量随着试验介质筛分直径的减小而增大;含水量一定时，负压也随着试验介质筛分直径的减小而增大，与理论相符。

⑦在0～100 cm負压段，当负压一定时，筛分直径不同，含水量也不同，变化规律为：（[D]=0.25 mm）>（[D]=0.5 mm）>（[D]=1 mm）>（[D]=2 mm）;当含水量一定时，筛分直径不同，负压也不同，变化规律为：（[D]=0.25 mm）>（[D]=0.5 mm）>（[D]=1 mm）>（[D]=2 mm）。

4.2.2.2 不同容重。图6为筛分直径[D]=0.5 mm不同容重试验介质的拟合负压-含水量曲线。

由图6可以看出，当拟合负压控制在5 000 cm时，图中显示出的土壤最小含水量随着容重的减小而逐渐减小;当负压为0时，图中显示出的土壤最大含水量随着容重的增大而逐渐增大。这与表4中残余含水量[θr]和饱和含水量[θs]这两个拟合参数的变化规律大体一致。

5 结论

本试验利用Ku-pF非饱和导水率测定系统测定不同筛分直径、不同容重条件下水分特征曲线，并在此基础上套用非线性最小二乘法函数Lsqcurvefit和Van Genuchten公式，在MATLAB软件中拟合实测数据，得到拟合曲线及土壤水分运动参数，并对其变化特征进行分析，得到以下主要结论。

5.1 土壤水分特征曲线

第一，不同筛分直径。对于不同筛分直径的试验介质，负压与含水量密切相关，即负压随含水量增加而减小，反之也成立;水分特征曲线的形态变化基本一致，但在不同筛分直径条件下，发生相应的变化;负压一定时，含水量随着试验介质筛分直径的减小而增大，含水量一定时，负压也随着试验介质筛分直径的减小而增大;随着筛分直径的减小，试验介质的蓄水性能逐渐增强;筛分直径越均匀，试验介质的蓄水性能越强;原状土样的颗粒组成和原始结构对水分特征曲线形态起着不可忽视的影响作用;筛分直径越小，土壤含水量受负压的影响作用越明显。

第二，不同容重。对于筛分直径[D]=0.5 mm不同容重的试验介质，负压与含水量密切相关，即负压随含水量增加而减小，反之也成立;水分特征曲线的形态变化基本一致，但在不同容重条件下，发生相应的变化;当负压一定时，筛分直径[D]=0.5 mm不同容重的试验样品的含水量随着容重的增大而增大，当含水量一定时，筛分直径[D]=0.5 mm不同容重的试验样品的负压也随着容重的增大而增大;试验介质的蓄水性能随容重增大而逐渐增强（这是因为试验介质容重越大，即试验介质越密实，细小孔隙越发育）;容重影响土壤水分特征曲线的形态;容重影响残余含水量与饱和含水量的数值;容重越大（大于自然容重[γ]=1.4 g/cm3），土壤含水量受负压的影响作用越明显。

5.2 土壤水分运动参数

第一，不同筛分直径。饱和含水量[θs]随着筛分直径的减小而逐渐增大;残余含水量[θr]、饱和渗透系数[Ks]、[α]、[n]大体上随着筛分直径的减小而逐渐减小。

第二，不同容重。饱和含水量[θs]、饱和渗透系数[Ks]、[n]大体上随着容重的增大而逐渐增大;残余含水量[θr]、[α]随着容重的增大而逐渐减小。

第三，筛分直径和容重均对土壤水分运动参数有一定影响。在相应条件下，土壤水分运动参数的变化特征基本上符合土壤水动力学相关理论。

通过本试验可知，介质的筛分直径和容重均对土壤水分运动参数起着不可忽视的作用，因此，在研究土壤水分运动机理和评价土壤水資源时，要科学适宜地选择土壤水分运动参数。

参考文献：

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