原状盐渍土不同盐分含量对土壤水分特征曲线的影响

2021-01-27栗现文陈俊英杨亚龙劳聪聪徐洋洋

节水灌溉 2021年1期

廖海，栗现文，陈俊英，杨亚龙，劳聪聪，徐洋洋

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100）

0 引言

土壤盐渍化是一个全球化生态环境问题[1]，它会使土壤退化[2]，会对作物生长产生不利的影响[3]，并且在干旱和半干旱地区土壤盐渍化问题变得越发严重[4]。联合国粮农组织的资料表明，全世界盐渍土地的总面积约为9.5 亿hm2，占地球陆地面积的7.26%，其中，我国盐渍土地的面积约为1.0 亿hm2，约占世界盐渍土地的十分之一[5]。因此，开展对盐渍土水力特性的研究具有重要的意义。

土壤水力特性决定着土壤的持水能力，而土壤水分特征曲线则是土壤水力特性的重要反映。土壤水分特征曲线是土壤水吸力或水分基质势与土壤含水率之间的关系曲线，它通常被用于评估土壤孔隙的大小和分布以及土壤水分的可利用性和持水性，它还被用来评估非饱和土壤的各种特性以及土壤水和溶质运移的模型[6-12]。许多研究者已经在土壤水分特征曲线的拟合[13，14]、添加剂对土壤持水性的影响[15，16]、土壤水分特征曲线的影响因素[17]的研究上取得重要进展。影响土壤水分特征曲线的因素有很多，包括：土壤盐分含量、质地和容重等。栗现文等[18]和郭全恩等[19]研究表明高含盐量会使得土壤持水性和孔隙体积减小。赵雅琼等[20]指出土壤粒径越小，土壤孔隙的结构就越密实，土壤中的中、小空隙增多连通性变差，但是土壤具有较高的进气值和良好的持水性，但李小刚等[21，22]研究指出随含盐量的增加土壤团聚体的稳定性和黏粒的分散性分别会显著降低和显著增加。李小刚[23]研究表明由于容重增大，土壤中的较大孔隙被压缩，从而导致大孔隙数量减少，饱和含水率降低。但是以上研究多以扰动盐渍土为研究对象，其质地、容重和盐分含量设置均一，没有考虑到大田下盐分、质地等在土壤中存在的空间变异性对土壤水分特征曲线的影响。现阶段关于原状盐渍土土-水曲线的研究很少，所以本文从考虑实际情况下盐分、质地等在土壤中存在的空间变异性角度出发，探究原状盐渍土盐分含量对土壤水分特征曲线的影响。

本文以河套灌区沙壕渠灌域的三块不同盐分梯度（YZ1、YZ2、YZ3）的试验区原状土壤为研究对象，测定并分析原状盐渍土不同盐分含量下的土壤水分特征曲线，对不同盐分含量梯度区土样的土壤水分特征曲线和参数进行拟合，并揭示3块不同盐分梯度区原状盐渍土土壤水分常数、持水能力、土壤当量孔隙参数等的差异。研究可为盐渍土的预防和改良提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河套灌区解放闸灌域沙壕渠灌域，如图1 所示。沙壕渠灌域面积约为5 333.36 hm2。其地理坐标为：东经107°05′～107°10′，北纬40°52′～41°00′，地形南窄北宽，地面较为平整且地势走向为南高北低，其海拔在1 034～1 037 m之间。沙壕渠灌域地属干旱半干旱气候区，年平均气温约为7 ℃，年均降雨量约为140 mm，年均蒸发量约为2 000 mm。沙壕渠灌域南北部盐渍化程度差异较大，南部盐渍化程度较轻，而北部盐渍化程度大。

1.2 样品采集

根据土壤的盐渍化程度，样点取样区为3个盐渍化梯度区域，分别为无盐渍化（含盐量为0.66g/kg）、轻度盐渍化（含盐量为4.36 g/kg）和重度盐渍化（含盐量为19.72 g/kg）本文中简称YZ1、YZ2、YZ3，每块研究区域约为16 hm2，按原沙壕渠监测区的三个盐分梯度分区进行取样。为了使取样具有代表性，每一盐分梯度区块随机取3 个样点，每个样点取3 个层位：20、40、60 cm。样品分二种：环刀样，铝盒样。除铝盒样外，环刀样品用原状土钻进行采样且样品数量都为27个。环刀样用于容重与土壤水分特征曲线的测定，铝盒样则用于颗分、水分与含盐量的测定。样品质地情况如表1所示，多数土壤样品的质地为壤质黏土和砂质壤土，较少土壤样品的质地为黏土。

表1 土壤样品的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of soil samples

1.3 电导率和土壤水分特征曲线的测定

将27 个铝盒样在105 ℃下烘干后进行充分研磨，采用土水比1：5 的方法配置土壤溶液，并用电导率仪（雷磁DDS-307 A 型，上海佑科仪器分公司）测定土壤溶液的电导率值（EC1：5，μS/cm）。

将27 个环刀样置于清水中至饱和，用高速恒温冷冻离心机（日本，日立，CR21GⅡ型）测定环刀样品脱湿过程的土壤水分特征曲线，土壤水分特征曲线的拟合采用van Genuchten-Mualem 模型：

式中：θ(h)、θs和θr分别为土壤体积含水率、饱和含水率和残余含水率，cm3/cm3；h 为压力水头（负压），cm；α 为进气值的倒数，cm-1；m、n 为形状参数，m=1-1/n。本研究中，模型参数由RETC软件确定。

1.4 当量孔径的测量

将土壤中的各种孔隙的孔径假设为圆形毛管，土壤水吸力S（Pa）和毛管直径d（mm）的关系可表示为[24]：

若土壤含水率θ1、θ2（cm3/cm3）对应的当量孔径分别为d1、d2，则d2与d1之间的孔隙所占体积与孔隙总体积之比为(θ1-θ2)/θs(其中θ1＞θ2)。

1.5 数据分析

为评价van Genuchten 模型对各条件下土-水曲线的拟合情况，用RMSE、R2、IME 和IRMSE 作为van Genuchten 模型拟合原状盐渍土不同盐分含量的土壤水分特征曲线的评价指标。如果IME 和IRMSE 的值接近于零，则估计的准确度将增加，IME可以取正值和负值，但IRMSE只能取正值。

式中：np为用于拟合模型的参数个数；θm，θp，θmean分别为含水率实测值、模型拟合值、含水率实测值的平均值；h为基质吸力，kPa；pm和pp分别为含水率实测值和含水率实测值总体算数平均值；N为含水率实测值个数。

2 结果与分析

2.1 原状盐渍土土壤水分特征曲线

图2 为YZ1、YZ2、YZ3 地块不同深度电导率图，由图2可知，整个60 cm 土层范围内电导率值随地块盐渍化程度增大而增大，其中YZ1、YZ3 土壤20、40 cm 深度电导率值差异不大，但60 cm 电导率值增大；YZ2 土壤40cm 深度电导率值较20、60 cm 电导率值增大。图3 为试验测得的原状土不同盐分含量不同土壤深度的土壤水分特征曲线，由图3可知，随着吸力增加，盐渍化程度为YZ1、YZ2、YZ3 的土壤含水率值均减小。

由图2、图3（a）和表1 知，YZ1 地块20 cm 处土-水曲线较40 cm 明显右移，两处质地相同、容重相近，但其盐分含量显著增加，表明随盐分含量的增加，土壤持水性增强。60 cm处的土-水曲线相较于20cm 明显右移，两处容重相近，但其质地不同且60 cm 处盐分含量显著增加，即在盐分和质地的影响下土壤持水性增强。由图2、图3（b）和表1 知，YZ2 地块40 cm处土-水曲线相较于60 cm明显右移，60 cm处的土-水曲线相较于20 cm 明显右移，三处质地相同，但其盐分含量和容重不同，其中盐分含量大小关系为40 cm＞60 cm＞20 cm，容重大小关系为20 cm＞60 cm＞40 cm，即盐分含量相较于容重对土壤持水性的影响更大，盐分含量越高土壤持水性越大。由图2、图3（c）和表1 知，YZ3 地块20 cm 处土-水曲线较60 cm明显右移，两处容重相近，但质地不同且20 cm 处盐分含量显著减少即过大的盐分含量会减小土壤持水性；YZ3 地块40 cm处土-水曲线较20 cm 明显右移，两处容重、质地和盐分含量都不相同即在三者的影响下40 cm处的持水性大于20 cm。

由图2、图3（d）～图3（f）和表1 知，在只考虑质地、盐分和容重因素影响下，YZ1、YZ2、YZ3地块的土-水曲线规律为：YZ2、YZ3 地块分别较YZ1 地块呈明显的右移和左移即持水性分别增大和减小。由图2、图3（d）和表1 知，YZ2 地块20 cm 处土-水曲线较YZ1 地块20 cm 右移，两处质地相同，但其盐分含量和容重均大于YZ1 地块20 cm，即在盐分和容重影响下土壤持水性增强；YZ3 地块20 cm 处土-水曲线较YZ1地块20 cm 左移，两处容重相近，但质地不同且盐分含量相差过大，即在盐分和质地因素影响下土壤持水性减小。由图2、图3（e）和表1 知，YZ2 地块40 cm 处土-水曲线较YZ1 地块40 cm 右移，两处质地相同、容重相近，但其盐分含量显著增加，表明随盐分含量的增加，土壤持水性增强；YZ3 地块40 cm 处土-水曲线较YZ1 地块40 cm 左移，两处质地相近，但容重和盐分含量不同，容重和盐分含量大小关系为YZ3-40＞YZ1-40 即在盐分、质地和容重因素影响下，过大的盐分含量会减小土壤的持水性且对土壤持水性的影响占据主导作用。由图2、图3（f）和表1 知，YZ2 地块60 cm 处土-水曲线较YZ1地块60 cm 右移，但YZ3地块60 cm 处土-水曲线较YZ1地块60 cm 左移，三处质地和容重相近，但盐分含量相差显著，即轻度盐渍化对应的盐分含量增加土壤持水性，而重度盐渍化下土壤持水性减小。综上，原状盐渍土土壤水分特征曲线主要受盐分含量的影响，与无盐渍化土壤相比，轻度盐渍化下的含盐量增大土壤持水性，重度盐渍化下土壤持水性减小。

2.2 原状盐渍土不同盐分含量对VG模型参数的影响

依据US Salinity Laboratory（美国盐改中心）开发的RETC软件中的van Genuchten-Mualem 模型计算原状盐渍土土-水曲线模型参数，其结果如表2 所示。由表2 知模型拟合参数随盐渍化程度的增大而改变。整个60cm 土层残余含水率随盐渍化程度的增大变化较小，饱和含水率随盐渍化程度的增大而逐渐增大，但当盐渍化程度为重度时饱和含水率值小于无盐渍化土壤。饱和含水率和残余含水率的差值越大意味着该质地类型的土壤持水性越强[25]，研究表明YZ2 土壤相较于YZ1 土壤40、60 cm 处的饱和含水率和残余含水率的差值分别增大了5.5%、15.6% 即土壤持水性增大。参数α 数值上为进气值倒数，它反映土壤初始排水时的难易程度，易排水时α 值大，由表2 知，整体上参数α 随盐渍化的增加而减小。参数n 反映土壤水分特征曲线的倾斜程度，当n 大时，曲线较陡[26]，由表2 可知，n 值随盐渍化程度的增大先减小后增大。

表2 各处理不同含盐量的土壤水分特征曲线拟合参数Tab.2 Soil hydraulic properties under different treatments

2.3 基于VG 模型各处理不同土壤深度的含水率的耦合模拟

由表3 可知，由评价参数RMSE、IME、IRMSE 和R2的数值知，整体上VG 模型对于YZ1、YZ2 和YZ3 地块60 cm 土层土壤土水-曲线拟合较好，但对于YZ2 地块整个60 cm 土层土壤土水-曲线拟合精度（随土壤深度的增加R2分别为0.74、0.82、0.93）没有YZ1 和YZ3 地块土壤土水-曲线拟合结果好，图4对此结果显示出良好的一致性。

表3 各处理不同含盐量的土-水曲线的拟合评价Tab.3 The results of the estimation of the SWCC by different treatments

2.4 不同盐分含量对原状盐渍土当量孔径分布的影响

土壤孔隙决定着土壤的通透性和持水性，也表征着土壤团聚状况。由公式（2）分别计算出原状盐渍土不同条件下的当量孔径。土壤当量孔径可分为：极微孔隙（＜0.3 μm）、微孔隙（≥0.3～5 μm）、小孔隙（≥5～30 μm）、中等孔隙（≥30～75 μm）、大孔隙（≥75～100 μm）、土壤空隙（≥100 μm）6个孔径段[27]。累积当量孔径分布结果如图5所示。

由图5 知，各级孔径比例随土壤盐渍化程度的增加而改变。YZ1土壤不同土壤深度当量孔径分布并无明显差异，极微孔隙占孔隙比例最大。YZ2土壤不同土壤深度当量孔径分布存在差异，即土壤20 cm 处当量孔径分布与无盐渍化土壤不同土壤深度当量孔径分布相近，但随土壤深度的增加极微孔隙和微孔隙占总孔隙的比例分别增加11.75%和19.25%，即土壤持水性增强。但只有当量孔径为0.000 2～0.009 mm 的孔隙才为有效孔隙，其中的水分才能够被植物所利用[24]即YZ2土壤虽然持水性增强了但有效孔隙并没有增加。YZ3土壤随土壤深度增加极微孔隙和微孔隙占总孔隙的的比例较YZ1 土壤与之对应的比例分别减小28.08%、40.61%和21.64%，这说明YZ3 土壤持水性减小，但有效孔隙增加。

2.5 不同盐分含量对原状盐渍土土壤水分常数的影响

由公式（1）和（2）分别计算出原状盐渍土不同条件下的田间持水率、重力水、有效水、易利用水、易利用水比例、凋萎系数及无效水[6]，结果如表4所示。

由表4 可以看出，整体上YZ2 土壤60 cm 土层的田间持水率、易利用水和易利用水比例较YZ1土壤有所增大，其中40、60 cm土层的田间持水率分别增大32.6%、28.8%。与YZ1土壤相比，YZ3土壤整个60 cm土层的田间持水率、易利用水和易利用水比例都有所减小，随土层深度的增加田间持水率分别减小34.4%、34.1%和6.5%。整体上，YZ3土壤整个60 cm土层的凋萎系数小于YZ2、YZ1土壤，但YZ3土壤重力水含量大于YZ2、YZ1土壤。其结果可由图4分析的结果解释，即YZ2土壤极微孔隙和微孔隙增加，持水性增强，田间持水率随之变大，YZ3土壤则与其相反。

3 讨论

研究从考虑实际情况下盐分、质地等在土壤中存在的空间变异性角度出发探究原状盐渍土盐分含量对土壤水分特征曲线的影响。研究表明YZ2、YZ1 和YZ3 地块土壤的持水性、田间持水率、孔隙之间的差异主要与土壤质地和盐分含量有关。结果表明，YZ2 地块与YZ1 地块相比土壤的持水性增大，这与Feng 等[28]研究结果一致即随含盐量的增加土壤持水能力增大，但YZ3 地块土壤的持水性减小，其原因在于虽然土壤黏粒含量越多比表面积就越大，携带的电荷量也越多，这就能吸引更多的水分子，土壤的持水能力就会得到提高[29]，但是随盐化程度的增加，黏粒的分散率增加，团聚体稳定性降低引起土壤结构的变化[21,30]，即重度盐渍化下黏粒对土壤持续水性作用减小，过大的含盐量会减小土壤的持水性。随地块盐渍化程度的增加，团聚体稳定性降低引起土壤结构的变化，土壤整个60 cm土层各大小孔隙比例随之改变（图5）。结果表明，YZ2、YZ3地块与YZ1地块相比，YZ2地块小于5 μm的孔隙比例增加，土壤持水性增大，而YZ3 地块大于等于5 μm 孔隙比例增加导致土壤持水性减小，即孔隙大小比例随盐分含量变化，土壤持水性随之改变，这与郭全恩等[19]的结果一致。由于盐分含量、黏粒含量对土壤持水性、孔隙的影响，田间持水率的大小也随地块盐渍化程度的改变而变化。由图6 知，电导率值、黏粒含量、容重与田间持水率相关性依次减小，由主成分分析各因数权重可知电导率、黏粒含量和砂粒含量贡献率较大，但三者权重值接近即盐分含量对田间持水率的影响占主导作用。

在本研究中VG 模型参数n、α 的值主要受土壤盐分含量、黏粒含量的影响。结果表明，参数α随盐渍化的增加呈对数减小，n值随盐渍化程度的增大减小后又增大。随土壤黏粒含量的增加，土壤质地就越细，土壤持水性就越强，土壤开始排水时就需要较大的进气压力值，而参数α作为进气值的倒数其值减小；随土壤黏粒含量的增加，土壤持水性就会增强并且在含水率变化相同的条件下吸力值变化小，土-水曲线走势放缓，所以参数n的值减小。随着盐分含量的增加，土壤盐分中的离子与带电颗粒结合吸附在土壤表面，使得土壤持水能力增加，初始排水的难度加大，进气值增大，参数α值减小；随着土壤盐分含量的增大，土壤表面积增大并且土壤胶体状况得到改善，土壤持水性就会增强，造成土-水曲线右移且坡度变缓[31]，因此参数n 值减小。但当盐分含量达到重度盐渍化时，参数n 值增大（表2），说明盐分含量增大到一定程度时，其对参数n的影响为负。

研究结果比室内非原状盐渍土盐分含量对土壤水分特征曲线的影响的实验结果更具有真实性。但各条件下不同孔隙的比例是基于孔隙简化后由经验公式得到，其真实性还有待验证。今后可通过CT 和电镜扫描等手段研究原状盐渍土盐分含量对孔隙结构的影响。此外，本文得出原状盐渍土盐分含量对土壤持水性、田间持水率和VG 模型参数n 的影响，但不明确盐分含量对他们影响的拐点值。所以在今后的研究中可以从以上两个方面开展进一步的研究。