含残膜紫色土土壤水分特征曲线及模型分析

蒋文君，汪时机，李贤，李达

(西南大学工程技术学院，重庆 400715)

紫色土主要是由紫红色页岩与砂岩分化形成的一种雏形土，具有高生产力，富含钾K、磷P、钙Ca与部分微量元素，具有良好的透水性，适宜多种农作物的生长，因此被广泛开垦.根据第2次全国土壤普查结果，中国共有紫色土2 198.8万hm2，其中大多数为耕地土壤，主要分布在四川(含重庆)、云南等16个省区市，其中四川(含重庆)有1 127.53万hm2.四川(含重庆)地区主要种植作物为水稻、玉米、小麦[1]，水稻覆膜种植与玉米覆膜技术在四川(含重庆)地区得到了大量推广，四川(含重庆)等地覆膜面积达到了98.58万hm2[2].但当前中国农膜回收技术及机制尚不完善，所生产农膜存在厚度、强度不达标等问题，造成了大量农膜无法回收，残留在土壤中[3].根据现有调查资料显示，四川(含重庆)地区土壤中残膜含量平均值达到了50 kg/hm2，随着覆膜年限的增加，土壤中残膜量还在继续增加[4].残膜会破坏土壤团聚体、阻断土壤孔隙连续性，进而影响土壤水分迁移[5].李仙岳等[6]发现，随着土壤中残膜量的增加，滴灌湿润峰在同一时间的迁移距离明显缩短，湿润体呈缩小趋势；王志超等[7]研究发现残膜会减小土壤入渗速率与蒸发速率；李元桥等[8]研究了点源供水条件下残膜对土壤水分运移的影响.但鲜见关于残膜影响紫色土水分迁移方面的研究.

土壤水分特征曲线反映了土体中孔隙水随吸力状态变化的规律，是评价土体持水性能的重要指标之一，也是进行土壤水分与溶质迁移模拟的重要参数之一.关于土壤水分特征曲线，国内外学者就砂砾[9]、生物炭[10-11]以及不同级配土壤[12]存在条件下的土壤水分特征曲线进行了大量研究，发现土壤水分特征曲线主要与土壤类型、土壤孔隙等有关，描述土壤水分特征曲线模型的普适度和精确性也依赖于土壤类型.因此，研究含残膜紫色土土壤水分特征曲线及模型适应性具有重要意义.

文中以重庆紫色土为研究对象，开展不同残膜量下土壤水分特征曲线试验.分析不同残膜量下的紫色土土壤水分特征曲线以及土壤孔隙变化规律，使用所得数据拟合分析确定不同处理模型拟合精度，揭示残膜对紫色土水分迁移的影响，以期为西南片区残膜对紫色土水、盐运移的影响提供一定的参考.

1 材料及方法

1.1 供试材料

此次试验用土取自重庆市北碚区缙云山水土保持基地.经室内物理性质基本试验测定，其粒径<0.002 mm的质量分数为2.36%，粒径介于0.002～0.050 mm的为17.11%，粒径介于0.050～2.000 mm的为72.93%，查美国农业部质地三角形图，供试紫色土质地为壤土砂.供试农膜厚为0.006 mm，处理后用于模拟田间残膜.

1.2 试验设计

已有研究表明，残膜量Qf与覆膜年限t之间存在Qf=5.546t+47.840(R2=0.871)关系[13]，根据该方程，设置5个残膜梯度.具体处理见表1，每个处理重复3次.

表1 试验处理

随着覆膜年限增加，农田中的残膜将逐渐碎片化[11].由于试验所用环刀体积较小，为了保持试验统一性并减少残膜尺寸对紫色土水分迁移的影响，将农膜制成1 cm2(1 cm×1 cm)的正方形备用.根据试验设计，将残膜与土壤均匀混合，按照1.5 g/cm3的容重制备成高度为20 mm，直径为61.8 mm的重塑土样.

1.3 试验方法

试验仪器使用1500型压力膜仪.土壤水吸力由毛细吸力、吸附吸力及溶质吸力组成.渗透吸力与孔隙水的溶解盐浓度有关，基质吸力与水的表面张力所引起的毛细现象相关.本次试验所用水为无气蒸馏水，渗透吸力较小，主要考虑基质吸力.将土样放入蒸馏水中浸泡至恒重，取出控水5 min，称取初始质量.

压力设置12个档次，测定0，2，4，8，16，25，50，100，150，200，300，400 kPa压力下的含水率.先饱和陶土板，使用吸液管将板上多余的水分吸干，将各组饱和后的试样按照顺序排列在板上，将板固定于提取器中，连接好外流管，关闭提取器开始施加气压.定期称取试样质量，测量直径与高度，以判断是否达到平衡状态，紫色土膨胀率几乎为零，在低吸力范围内体积几乎不变，因此主要考虑排水.吸力平衡标准：根据称得质量算得排水量，当每24 h排水变化量ΔVw<0.1 mL即认为已经达到平衡.

1.4 土壤容水度

土壤水分特征曲线的斜率是每单位土壤水吸力的变化所导致的土壤含水率的变化，一般称为土壤容水度，容水度表征土壤持水能力，计算公式为

(1)

式中：θ为土壤体积含水率，%；S为土壤水吸力，kPa.

1.5 当量孔径

在非饱和土壤水分系统中，假定土壤水吸力S是由土壤中一定孔径的圆形毛细管作用的结果.土壤水吸力S与毛细孔半径r的关系为

(2)

式中：T为水的表面张力，室温下一般为7.2×10-4N/cm.

土壤水吸力S与毛管孔隙直径D的关系为

(3)

土壤中的毛管孔径的大小可以用来表示土壤水势或土壤水吸力的大小，但实际土壤中的孔径不均匀，形状不规则.为区别土壤真实孔径，将计算所得的孔径称为土壤该吸力下的当量孔径.

1.6 常用土壤水分特征曲线拟合模型

1)Van Genuchten模型及其修正模型[14](简称VG模型)为

(4)

式中：θs为土壤饱和体积含水率，%；θr为土壤残余体积含水率，%；h为土壤负压，m；α为进气值的倒数；m与n为不相关参数或m=1-1/n或m=1-2/n，是土壤孔隙尺寸分布参数，α，m，n均为影响土壤水分特征曲线形态的经验参数.

2)Brooks and Gorey模型(简称BC模型)为

(5)

式中：Se为饱和度；λ为土壤孔隙尺寸分布参数，影响土壤水分特征曲线的斜率；其余符号含义同式(4).

3)Dual-porosity模型(简称DP模型)为

Se=ω1[1+(α1h)n1]-m1+ω2[1+(α2h)n2]-m2，

(6)

式中：ω1，ω2分别为2个区域的权重因子；α1，α2，m1，m2，n1，n2为2个区域的经验参数，α1，α2为各自区域进气值的倒数，m1，m2，n1，n2为土壤孔隙尺寸分布参数，它们均为影响土壤水分特征曲线的经验参数.

1.7 数据处理与分析

运用Retention Curve(RETC)软件拟合土壤水分特征曲线，运用SPSS20.0分析相关性、显著性及检验拟合效果.

2 结果与分析

2.1 不同残膜量下的土壤水分特征曲线

为详细讨论不同残膜量对紫色土土壤水分特征曲线的影响，将100 kPa作为高吸力段与低吸力段的分界点[15].由图1土壤水分特征曲线可知，在低吸力段，主要排出大孔隙中的水，土壤对水的吸持能力较小，曲线陡峭且密集，随着吸力逐渐增大，在高吸力段，土壤中只有中小孔隙保留水分，土壤对水的吸持能力较大，曲线变得稀疏且平缓.图中LS1—LS5表示Qf分别为0，90，180，360，720 kg/hm2.当吸力为100 kPa时，处理LS5的含水率为处理LS1(无残膜)的90.91%，而当吸力达到400 kPa时，处理LS5的含水率为处理LS1(无残膜)的86.36%.可见，在同一吸力条件下，残膜量越多，土壤含水率越小.根据图1a所示，在低吸力段，各处理中随着残膜量增加，土壤水分特征曲线受残膜量的影响较小，特别是25 kPa以内，各处理在某些吸力条件下，含水率基本相同，随着残膜量增加仅存在微弱的减小趋势，差异不具有统计学意义(P>0.05).根据图1b所示，高吸力段，各处理土壤含水率差异具有统计学意义(P<0.05).

随着吸力的不同，容水度Cθ也相应发生改变.根据图1所示，在低吸力段，除个别点外，处理LS2，LS3，LS4，LS5的容水度Cθ明显小于处理LS1；在高吸力段，各曲线在形态上是大体平行的，不同处理容水度Cθ相近，局部差异表现为不同残膜量对土壤结构的影响规律不同.

图1 不同处理土壤水分特征曲线

2.2 不同残膜量对土壤当量孔径的影响

当土壤进气值达到某一数值后饱和土体开始排水，在低吸力段主要排出大孔隙中的水，在高吸力段主要排中小孔隙中的水.根据图1进行计算，低吸力段对应的大孔隙当量孔径为0.002 88～0.144 00 mm；高吸力段对应的中小孔隙当量孔径为0.000 72～0.002 88 mm.设土壤水吸力为S1,S2(S1

表2 不同处理当量孔径体积占比

2.3 土壤水分特征曲线拟合模型对比分析

利用RETC软件拟合土壤水分特征曲线.当选择拟合模型时，还应选择不同的Mualem或Burdine模型求解K(土壤非饱和导水率).与Mualem模型匹配的模型有VG模型(m与n为不相关参数或m=1-1/n)、BC模型及DP模型；与Burdine模型匹配的模型有VG模型(m与n为不相关参数或m=1-2/n)及BC模型.因此，有7种模型描述土壤水力参数，分别缩写为VGM(m，n),VGM(m，1/n),BCM,DPM,VGB(m，n),VGB(m，2/n),BCB.

对比RETC软件拟合土壤水分特征曲线所得计算值与实测值，所得统计特征数见表3.各处理对应P值均小于0.01，拟合效果较好，通过比较讨论各模型其他拟合统计特征值，得出各处理最优拟合模型：

表3 不同处理各模型拟合统计特征值

1)VGM(m，1/n)模型拟合相关系数R最高，残差平方和RSS最小，F值最大，拟合效果最佳；VGB(m，n)模型拟合相关系数R最低，残差平方和RSS最大，F值最小，拟合效果最差.

2)使用VGM(m，1/n)模型拟合，处理LS1的拟合程度均高于处理LS2,LS3,LS4,LS5.原因可能是残膜堵塞土壤孔隙，对土壤孔隙尺寸分布参数的影响较大，但在测量过程中测得的数据点较少，导致所得土壤孔径分布参数不准确.

3)各处理最佳拟合模型的非饱和导水率模型均为Mualem模型.BC模型与Mualem模型、Burdine模型结合在不同处理的拟合结果上没有差异.

Van Genuethen曾对Mualem模型及Burdine模型进行比较，多数情况下Mualem模型对试验数据的拟合效果优于Burdine模型.与其他模型相比，Van Genuchten模型适用土壤质地范围比较广，就笼统分类而言文中所提到的所有模型均为唯象(Phenomenological)模型，从机理上还没有理想的数学模型来描述土壤水分特征曲线.

2.4 不同残膜量对土壤水分特征曲线参数的影响

选用VGM(m,1/n)模型拟合含残膜紫色土土壤水分特征曲线，拟合参数如表4所示.土中一旦存在残膜，随着残膜量增加，饱和含水率θs有下降的趋势.进气值倒数α随着残膜量增加存在微弱减小的趋势.形状参数n随着残膜量的增加逐渐增大.

表4 拟合参数值

3 讨 论

一定残膜量范围内，随着残膜量增加，紫色土持水能力降低，原因在于残膜表面光滑度高，随着土壤水吸力的增大，垂直分布于土壤中的残膜与土壤界面之间产生优势流，使得土壤持水能力下降.这与李元桥等[8]在研究残膜影响土壤水分迁移时所得结论相同.容水度Cθ(即土壤水分特征曲线斜率的负数)与土壤水的蓄积以及土壤水对植物的有效性有关，容水度越大土壤持水能力越好.供水能力越强，有效水分越多，作物可吸收水分越多[16].当土壤中存在残膜时，减小土壤容水度，导致土壤有效水分变少，影响作物吸水.根据表2，随着残膜量增多，土壤大孔隙比例增多，中小孔隙比例略微下降.当饱和土体受到吸力作用，大孔隙极易失水，残膜使得土壤大孔隙体积占比增多，土壤优势流更加明显，土壤含水率下降更快，持水能力明显减弱.用VGM(m,1/n)模型拟合含残膜紫色土土壤水分特征曲线，在含残膜各处理中，随着残膜量增多，饱和含水率θs有下降趋势，原因在于残膜会占据土壤孔隙，使得土壤孔隙在一定程度上减少.进气值倒数α随着残膜量增加存在微弱减小的趋势，说明残膜降低紫色土持水能力，因为进气值倒数越小，进气值越大，从土壤中排出的水越多，土壤的体积含水率则越小，这与不同残膜量下对比紫色土土壤水分特征曲线所得结论一致.

不同残膜量对砂土的土壤水分特征曲线影响并不具有统计学意义(P>0.05)，但对粉砂壤土的土壤水分特征曲线影响具有统计学意义(P<0.05)，所以残膜对大孔隙含量较少的土壤的持水能力将产生较大影响[17].随着土壤中残膜量的增加，紫色土在高吸力段的土壤含水率差异大于砂土，差异具有统计学意义(P<0.05)，但并不如粉砂壤土的差异大，紫色土大孔隙比例的增加量比粉砂壤土大孔隙比例的增加量少，比砂土大孔隙比例的增加量多[17].分析其原因在于本试验所用紫色土为壤土砂，与粉砂壤土相比，其黏粒(粒径<0.002 mm)含量较少，与砂土相比，其粉粒(粒径0.002～0.050 mm)含量较多，砂粒(粒径0.050～2.000 mm)含量较少，导致在相同容重下紫色土的大孔隙含量比粉砂壤土多，比砂土少，残膜对紫色土持水特性造成的影响比砂土大，比粉砂壤土小.

4 结 论

1)随着残膜量增多，土壤持水能力降低.相同土壤水吸力下，含残膜处理的土壤含水率均低于纯土处理，在高吸力段差异更加明显.含残膜处理的土壤容水度小于纯土处理，供水能力下降，土壤有限水分减少.在土壤水吸力400 kPa时，残膜量720 kg/hm2处理(LS5)的土壤含水率为无残膜处理(LS1)的86.36%.

2)低吸力段，土壤当量孔径介于0.002 88～0.144 00 mm；高吸力段，土壤当量孔径介于0.000 72～0.002 88 mm.随着残膜量增加，低吸力段(主要排大孔隙土壤水)的当量孔径体积占比增大，而高吸力段(主要排中小孔隙土壤水)当量孔径体积占比减小.在低吸力段，720 kg/hm2残膜含量处理(LS5)比无残膜处理(LS1)当量孔径占比增大近 16%.

3)利用RETC软件拟合含残膜紫色土土壤水分特征曲线，经过模型拟合度分析得到，VGM(m，1/n)模型对含残膜紫色土拟合效果最好.

4)各处理最优模型的非饱和导水率模式均为Mualem模型，BC模型与Mualem模型、Burdine模型结合对不同残膜量的紫色土土壤水分特征曲线拟合效果不存在差异.