不同钠质化程度土壤水分特征曲线及土体收缩特征

2021-11-09邢旭光

灌溉排水学报 2021年10期

常凯，邢旭光

（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

【研究意义】《国家节水行动方案》提出，需加强再生水、海水、雨水、矿井水和苦咸水等非常规水多元、梯级和安全利用[1]。微咸水灌溉在我国西北地区取得了成功实践[2-4]，逐渐成为灌溉用水选择，发展微咸水灌溉是我国今后节约灌溉用水的途径之一。同时微咸水灌溉下的土壤持水特征、田间地表收缩与膨胀、灌溉制度拟定呈现出不同的特点[5]，而研究合理的灌溉制度，开发高效的灌溉形式，需首先考虑土壤吸力、土壤结构特性和持水能力间的关系，即土壤水分特征曲线和土体收缩特征曲线。

【研究进展】土壤水分特征曲线是土壤吸力和土壤含水率间的关系曲线[6]，其对指导农业生产具有重要意义。土壤盐渍化是我国目前面临的主要土壤问题之一，而以钠质化现象最为突出[7]。谭霄等[8]测定了5 种盐离子影响下的土壤水分特征曲线，证明了盐分种类对土壤水分特征曲线的影响不明显；张少文等[9]研究发现在土壤含水率低于30%时盐分对水分特征曲线的影响较大；Gucci 等[10]研究发现Na+量的增加会导致土壤稳定性降低；Wang 等[11]研究发现钠质化极大地影响了土壤的水力特性。【切入点】对于钠质土壤水分特征曲线的研究越来越得到重视，但当前研究中较多以蒸馏水、较低质量浓度NaCl 溶液作为饱和水源。用离心机法测定土壤水分特征曲线时，随吸力增加土体发生收缩、体积质量增大[12]，土壤孔隙数量和结构发生变化，较多研究假定土壤在干湿过程中土壤体积恒定，将持水能力与土体收缩割裂开来，忽略了土体收缩对土体持水能力的影响，这在较大程度上不利于获取土壤水力参数。因此，在测定土壤水分特征曲线的过程中对土体干缩特征进行研究有重要意义。

【拟解决的关键问题】综上所述，本研究以不同浓度NaCl 溶液饱和土壤样本，测定不同钠质化程度下的土壤水分特征曲线，分析不同钠质化程度对当量孔径的影响，评价其持水能力；对土体失水过程中的收缩量进行定量分析，并基于干体积质量、线缩率、比体积-质量含水率对土壤收缩特征进行评价，并进一步通过土壤收缩特征值将土壤收缩曲线进行分段。本研究基于体积质量变化对土壤水分特征曲线进行校准，可望提高土壤水力参数估算，进一步为膨胀和非膨胀土壤水分运动数值模拟提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自陕西杨凌示范区西北农林科技大学试验田，经风干、过2 mm 筛后，采用激光粒度仪（Mastersizer-2000 型，英国）对土壤颗粒组成进行测定：粒径<0.002 mm、0.002～0.02 mm 和0.02～2 mm的土壤颗粒质量分数分别为17.28%、44.32%和38.40%，依据国际制质地三角形可知供试土壤类型为粉黏壤土。

根据实际，采用微咸水和咸水灌溉较为普遍[13]，配置质量浓度为3、10、20、30 g/L 的NaCl 溶液对土壤样品进行饱和处理，并以蒸馏水作为对照（CK）。

1.2 试验方法

根据农田土壤实际体积质量，将供试土壤按1.45 g/cm3的体积质量分层压实、刮毛后装入体积为100 cm3的环刀内。回填后的土壤样本浸泡在NaCl 溶液中，使溶液液面高度略低于环刀口高度，充分吸水饱和12 h，每个处理4 个重复，认为每组处理的土壤水矿化度与标准溶液质量浓度相同。

采用高速恒温冷冻离心机（CR21G Ⅱ型，日本）在9 ℃恒温下测定土壤水分特征曲线。设置离心机在稳定转速下分别经10、17、26、42、49、53、58、73、81、85 min 达到平衡，此时对应吸力分别为10、50、100、300、500、700、1 000、3 000、5 000、7 000 cm，平衡后取出环刀称质量，并用游标卡尺测量土体沉降量，试验完成后在105 ℃下恒温干燥至质量不变并称质量，得到吸力和含水率之间的关系，在MATLAB中编辑van Genuchten（VG）模型[14]计算其参数并用SPSS 分析钠质化程度对水分特征曲线的影响，用Excel 绘制土体收缩特征曲线并验证三直线模型拟合钠质化土壤收缩特征的精度。

1.3 分析方法

1.3.1 土水曲线拟合

van Genuchten 模型（简称VG 模型）被广泛用于土壤水分特征曲线拟合，栗现文等[15]对高矿化度土壤水分特征曲线做了拟合适宜性研究，对比各模型发现VG 模型的拟合效果较稳定，故本文采用VG 模型拟合水分特征曲线，模型可表示为：

式中：θs为土壤饱和体积含水率（cm3/cm3）；θr为土壤残余体积含水率（cm3/cm3）；h为吸力（cm）；α为进气值的倒数；m与n为表征土壤空隙尺寸分布的参数，m＝1-1/n。

土壤水分特征曲线可以间接地反映土壤中孔隙大小的分布。若忽略孔隙的曲折，将土壤中的孔隙假定为各种孔径的圆柱形毛管，吸力h和毛管直径d的关系可以表示为：

式中：σ为水表面张力系数，在室温条件下一般取75×10-5N/cm，与9 ℃环境中表面张力系数相差极小，仍取此值；若吸力的单位用Pa、孔隙直径以mm 计，则孔隙直径d和吸力h的关系可以表示为d=300/h。

1.3.2 土体收缩计算

在持水特性测定过程中，土样主要发生垂直一维收缩。引入有效线缩率（re）来衡量土体的收缩变化规律，表达式为：

式中：Z为土面下降距离（cm）；Z0为土样初始高度（cm）。

为分析不同吸力下土壤收缩规律，拟采用对数函数对数据进行拟合，拟合公式为：

式中：h为吸力（cm）；a、b为拟合系数。

通过比体积（体积质量的倒数）和质量含水率间的关系来表述土壤体积的变化，将其函数图像定义为土壤收缩特征曲线，并用土壤收缩特征值m表征土壤体积的变化速率，即表达式为：

式中：V为土壤体积（cm3）；VW为水体积（cm3）；v为比体积（cm3/g）；U为质量含水率（g/g）。m为土壤收缩特征曲线上任一点的斜率，表征离心过程中某一时刻体积变化和质量含水率损失间的关系。

2 结果与分析

2.1 不同钠质化程度对土壤水分特征曲线的影响

表1 为VG 模型水分特征参数拟合结果，如表1所示，VG 模型的拟合效果较好。图1 为不同钠质化程度的土壤水分特征曲线，如图1 所示，各处理体积含水率和吸力间关系曲线形状相近，当吸力小于1 000 cm 时，各处理土样失水迅速，当吸力大于1 000 cm 时，各处理失水速度减慢。具体表现为吸力小于1 000 cm时，高钠盐处理（TDS-10、TDS-20、TDS-30 处理）迅速失水，当吸力为100 cm 时体积含水率较CK 差异达到最大，当吸力在100～1 000 cm 之间时，虽失水迅速，但各处理体积含水率与CK 差异减小；吸力在1 000 cm 左右时各处理体积含水率下降速度明显变慢，当吸力在1 000～4 000 cm 之间时，相同吸力条件下的体积含水率表现为TDS-30 处理

表1 VG 模型水分特征参数拟合结果Table 1 Fitting results of water characteristic parameters of VG model

图1 不同钠质化程度的土壤水分特征曲线Fig.1 Water characteristic curve of different sodium content

同孔隙的数量和分布也是造成土壤水分特征曲线差异的重要因素[16]。为探究不同钠质化程度下土体孔隙差异，可视土体孔隙为各种直径的圆形毛管。由公式（2），将吸力h换算为对应的当量孔径，可以得到当量孔径d分别是0.300 0、0.060 0、0.030 0、0.010 0、0.006 0、0.004 3、0.003 0、0.001 0、0.000 6、0.000 4 mm。基于各处理吸力-含水率关系可以得到对应的当量孔径-含水率关系，已知土壤孔隙由通气孔隙（d>0.030 0 mm）、毛管孔隙（0.003 mm

由表2 可知，钠质化程度与水力特性参数间相关性较弱，但客观上盐分的引入对土壤孔隙结构产生了影响，并使得土壤持水性出现变化，分析产生这种现象的原因可能是离心过程中土壤干缩开裂的影响相比于盐分对土壤整体物理特征的影响更加显著。

表2 相关分析结果Table 2 Correlation analysis results

2.2 不同钠质化程度对土壤收缩特性的影响

从图2 可以看出，对于4 种处理，低吸力段（0～1 000 cm）内曲线斜率较大，即土壤收缩较明显；高吸力段（1 000～7 000 cm）内曲线斜率逐渐减小，说明土壤仍在收缩，但收缩速率逐渐减慢。由此可知，钠质土失水收缩特征仍符合非盐土收缩特征，而Na+的引入在一定程度上抑制了收缩。

图2 不同钠质化程度的有效收缩特征曲线Fig.2 Effective contraction characteristic curve of different sodification degree

如表3 所示，对数模型可以很好表征土壤收缩规律。参数a代表相同压力下土壤收缩量随吸力的变化大小，发现土壤收缩量表现为TDS-30 处理＞TDS-10处理＞TDS-20 处理＞CK＞TDS-3 处理，即除TDS-3处理外，钠质土较CK 的收缩量普遍较大；b值表示近饱和时土壤胀缩的变化，发现所有处理均发生膨胀（b<0）。与前文一致，吸力在0～4 000 cm 时，相同吸力条件下各处理的体积含水率变化与土壤收缩量变化相反，说明钠盐对土壤孔隙的影响又作用于土壤收缩，即当供试土壤中引入钠盐时，土壤团聚体形态、孔隙占比发生变化，表现为高钠盐处理土壤通气孔隙增加、团聚体破坏不严重，且饱和状态下土壤较疏松，失水后迅速收缩，而TDS-3 处理失水收缩情况则相反。

土壤收缩导致土壤体积质量增加。随着吸力增加，各处理土壤体积质量呈逐渐增加趋势[19]。离心结束时，CK、TDS-3、TDS-10、TDS-20 处理和TDS-30 处理土壤体积质量分别增加约25.44%、23.28%、24.84%、24.36%和24.75%。在低吸力区，体积质量对吸力的变化较为敏感，如图3 所示，在低吸力区（0～1 000 cm）曲线较陡，由上可知此时土壤通气孔隙占比大，且孔隙间的连通性好，可以储存较多水分，当吸力增加时土壤迅速失水，并伴有收缩现象，土体体积质量迅速增加；随着吸力增加，土壤中大孔隙数量逐渐减少，土壤排水也逐渐由大孔隙排水向中小孔隙排水过渡，此时土壤发生收缩的潜力大大减小，因此土样虽存在被压缩现象，但收缩程度逐渐减弱[20]，体积质量增加幅度变小。

2.3 不同钠质化程度对土壤收缩特征曲线的影响

土壤收缩特征曲线常用来表征土壤失水过程中的体积变化。Mcgarry 等[21]用比体积（体积质量的倒数）和质量含水率之间的关系来衡量土壤体积变化。根据区段特点可将收缩特征曲线分为滞留段、正常段、结构段，各段直线的斜率为收缩特征值，相邻区段的交点为进气吸力点质量含水率θA和极限膨胀点质量含水率θB。吕殿青等[22]对三直线模型分段做出改进，由于自然界土壤不可能达到完全饱和状态，故在接近饱和时土壤收缩段称为“伪饱和段”，一般土壤收缩特征值小于1。将土壤收缩特征值小于1、含水率较高的与“伪饱和段”相接的收缩段称为“结构段”。将土壤收缩特征值较接近1 的与结构段相接的称为“正常段”，当土壤收缩特征值大于1 时将其称作“超正常段”。

如表4 所示，各区段拟合结果的R2均在0.95 以上，表明三直线模型可以较好表征比体积和质量含水率的关系。

如图4 所示，对比各处理土壤收缩特征曲线发现：各处理较CK 收缩特征值存在明显差异；钠质土样超正常段、结构段、伪饱和段的收缩特征值的均值分别为1.17、0.72、0.16，伪饱和段收缩变化最小，各处理结构段和伪饱和段的a值均小于1，而各处理在超正常段的a值均大于1，说明引入钠盐对各处理土壤的失水收缩存在影响。失水过程中三直线模型依次经历了伪饱和段、结构段和超正常段，已由水分特征曲线得出当量孔径和体积含水率的关系，依据土体体积质量对质量含水率进行校准，可知在伪饱和段主要为通气孔隙失水，同理在结构段中，主要为毛管孔隙和通气孔隙失水，此时土壤体积变化小于水分体积变化，表现为收缩特征值m＜1，分段折线较缓；但在超正常段中，毛管孔隙和通气孔隙失水接近完成，无效孔隙中的水难以排出，土壤体积变化大于水分体积变化，表现为收缩特征值m＞1，分段折线较陡。出现这种现象的原因可能是伪饱和段和结构段失水迅速，同时空气侵入，土壤结构在此离心环境中较不稳定，失水收缩；超正常段空气阻塞无效孔隙，失水困难，土壤结构在此离心环境中较稳定，但失水孔隙仍发生收缩。钠盐的引入对土体的收缩过程产生影响，较CK 有效线缩率偏小，体积质量也偏小，表现出不同收缩特性。

图4 不同钠质化程度的比体积-质量含水率关系Fig.4 Specific volume weight moisture content relationship diagram of different sodification degree

3 讨论

我国盐碱地面积大、分布广泛、盐碱地类型各异[23]，致使针对某一地区的研究也很难代表该地区土壤理化性质现状。先前的研究已经陆续证明了盐分种类和质量浓度对土壤理化性质的影响[24-26]，而较多研究模拟了实际状况下盐化土含盐种类和比例，忽视了各离子间也会相互作用，虽解释了出现某现象的原因，却没有从离子角度出发阐述盐离子影响土壤持水性机理。本试验引入单一阳离子而非多种离子，使盐分对土壤作用成为主要研究对象，得到的结果可以较好说明钠质化程度之于土壤水分特征曲线的关系。

盐化土壤理化性质的研究是我国改良盐碱地、发展微咸水灌溉的重要课题。得益于对土壤水数量和能量的良好表征，土壤水分特征曲线一直是研究盐化土壤物理性质的重要工具。离心法因其快速便捷的优点成了测定土壤水分特征曲线的优先选择，但离心机以离心力替代重力场中吸力合理与否受到了广泛质疑[16]，尤其离心过程导致土壤体积质量明显增加。在本试验中，这种影响干扰了钠质土土壤结构变化，较难得出钠盐对土壤持水性的影响，表现为离心结束时CK、TDS-3、TDS-10、TDS-20 处理和TDS-30 处理体积含水率分别约为22.8、23.9、22.4、22.6 cm3/cm3和22.4 cm3/cm3，差异较小。由于土壤脱湿过程和吸湿过程存在差异，且在自然界中土壤总是在吸水、失水过程中转换，这使得土壤孔隙占比也随之发生变化，本试验得到的土壤水分特征曲线与现实状况存在一定差距，而对吸湿、脱湿反复下钠质土水分特征曲线的研究还亟待进行。

如图4 所示，本试验说明了钠质土失水收缩过程同样符合非盐土失水特征。将土壤失水过程与前文孔隙占比对土壤水分特征曲线影响的结论相对照，可知θA所在质量含水率对应的当量孔径为0.003 mm，对应无效孔隙和毛管孔隙交界，θB对应的当量孔径为0.060 mm，对应通气孔隙，说明钠质土进气压力点受无效孔隙、通气孔隙和毛管孔隙占比的影响。同时研究[21]表明数据点的多少和离散程度对拟合结果有显著影响。本研究中，若将数据点（0.25，0.68）归于伪饱和段，则得到表4 结果；若将该数据点归于结构段，发现拟合程度仍较好，结构段和伪饱和段的R2分别为0.996 7 和0.985 0，但其极限膨胀点质量含水率θB发生了显著变化，对判别土壤水分状况、指导农业生产产生重要影响。三直线模型以其较高的拟合精度和物理意义的表达被广泛采用，但其对数据点的筛选和拟合区段的划分仍需要继续研究。