冲洪积平原土壤低吸力阶段水分特征曲线影响因素研究

秦文静，樊贵盛

(太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

0 引 言

土壤水分特征曲线是表示土壤水吸力随含水率变化的曲线，用于表征土壤水能量与数量之间的相互关系，是土壤水分运动研究中最基本、最重要的参数之一。土壤水分特征曲线一般分为低吸力段(吸力<100 kPa)、中吸力段(100 kPa <吸力<1 500 kPa)和高吸力段(吸力>1 500 kPa)三段[1]。低吸力段所吸持的水分主要是受毛管力的作用，运移速度快，作物有效利用程度高，占土壤有效含水量的比例大(50%～75%)，对作物正常生长起到关键的作用，对于农田水分管理有十分重要的意义[2-4]。近年来诸多学者对不同地域、不同气候条件、不同植被类型的土壤水分特征曲线[5-8]进行研究。Yang Fei, Zhang Gan-Lin[9]等研究了有机质对高山草地土壤持水性能的影响，认为有机质通过对土壤结构与容重的改变从而影响了土壤持水性能；Ma Kuo-Chen, Lin Yong-Jun, Tan Yih-Chi[10]研究了含盐量对土壤水分特征曲线的影响，认为含盐量影响了土壤进气值从而影响了土壤水分特征曲线；姚娇转、刘廷玺等[11]对科尔沁沙地土壤水分特征曲线进行研究并建立了传递函数。这些研究结果都推进了土壤水分特征曲线研究的发展，但前人的研究对象均为扰动土壤全阶段土壤水分特征曲线，且研究方法均为扰动土在实验室内控制单一因素，而对对植物吸收利用更有意义的低吸力阶段原状土壤的研究十分匮乏。

本文试图以冲洪积平原原状水成土为对象，基于对其低吸力阶段土壤水分特征曲线的测定数据，进行Van-Genuchten模型拟合，揭示土壤质地、结构和有机质含量对冲洪积平原原状水成土土壤低吸力阶段水分特征曲线的影响，为土壤水分特征曲线科学表征提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省祁县汾河灌区，研究区域范围包括E110°31.409′～112°14.467′，N36°40.224′～37°19.300′，海拔747～755 m，属温带大陆性气候，年平均降水量448.1 mm，年平均气温9.9 ℃，年平均日照时数2 675 h，无霜期171.2 d。地貌类型为冲洪积平原。在试验样地选取3个有代表性的剖面：汾河灌区昌源河河滩、西山湖南、西山湖北。取样点相邻间距超过300 m。取样时按自然发生层分布在不同深度土层进行，昌源河取样点取土深度达到3 m，西山湖南与西山湖北由于地下水埋深小于2.5 m，故取土深度为2 m。

1.2 土壤条件

试验土壤取自全部为野外实际原状土，土壤母质为汾河冲洪积物，土壤类型为潮土。于春耕前进行取土，土壤质地包含砂土、砂质壤土、粉砂质壤土和黏土，土壤容重变化范围为1.153～1.617 g/cm3，初始含水量变化范围为0.06～0.49，有机质变化范围为0.1～6.91 g/kg，含盐量变化范围为0.09～0.93 g/kg，团聚体含量变化范围为0～53.1%，试验土壤基本包涵了冲洪积平原水成土的基本情况，代表性强。

1.3 试验仪器及测定方法

1.3.1 土壤水分特征曲线测定

在各层次土壤中用体积为250 cm3的环刀取原状土(每层3个)，用于土壤水分特征曲线的测量。本文选用德国UMS公司HYPROP仪[12-15]进行土壤水分特征曲线的测量。HYPROP仪基于Schindler[16]提出的在自然蒸发条件下，在空间上，土壤吸力和和土壤含水率在土壤剖面上符合线性变化，在时间上，土壤吸力和环刀样重量符合线性变化，并且在测量时间间隔较短、选用插值合适的情况下，拟合结果可靠[17]，拟合精度小于0.01。HYPROP仪每隔100 s自动测量一次吸力值，每隔8h称重。试验所用HYPROP仪包括10个HYPROP传感器组件(用于测量土壤吸力及温度)和1个天平(精度为0.01 g)，传感器组件通过tensionLINK连接到电脑，实现数据的连续采集。试验仪器如图1所示。

采用HYPROP仪测定土壤水分特征曲线，主要步骤为：①将所取原状土逆向饱和48 h；②将张力计安装到传感器底座上，并将各传感器组件和天平与计算机连接；③将土样置于底座上，开始测量，测量过程中每隔8h称重一次；④实时观察土壤水势数据，当水势达到峰值(一般为-880 cm)并垂直下降，水势最终趋于水平(0 cm左右)时测量完成；⑤测量结束后将土样在105 ℃下烘干8～12 h，称得干土重。试验过程保证在恒温条件下进行，且无外来风干扰。

1.3.2 土壤理化参数测定

在环刀取样处附近取适量散土，用于测量其他理化参数[18]。土壤机械组成用激光粒度分析仪测定，土壤含水率用烘干法(105 ℃)测定，土壤容重用环刀法测定，大于0.025 mm土壤水稳性团聚体含量用Yoder湿筛法测得[19]，土壤有机质用重铬酸钾法测得。

1.4 土壤水分特征曲线Van-Genuechten模型

土壤水分特征曲线有诸多经验模型，如Van-Genuchten模型[20]、Brooks-Corey模型[21]、Fredlund-Xing模型[22]等。V-G模型参数意义明确，对于各种类型土壤均适用且拟合精度高，在世界范围内应用广泛，故本文选用V-G模型作为土壤水分特征曲线拟合模型。V-G模型形式为：

(1)

式中：Se为土壤水吸力值；h为压力水头；α为与进气值有关的吸力值，对应于曲线的拐点；n为与孔径分布有关的参数，对应于曲线的斜率，用于描述脱水速率；m=1-1/n，θr为残余含水率；θs为饱和含水率。

2 结果与分析

2.1 不同质地土壤的土壤水分特征曲线分析

选择砂土、砂质壤土、粉砂质壤土和黏土四种代表性土壤进行了试验。在土壤有机质含量(G=2.36±0.05 g/kg)、结构(γ=1.36±0.001 2 g/cm3、大于0.025 mm水稳性团聚体含量为25.3%±1%，其中砂土为纯细砂，团聚体含量为0)相差不大的基础上，不同质地土壤实测低吸力阶段土壤水分特征曲线如图2所示。为了突出土壤水分特征曲线低吸力阶段变化过程，将土壤水吸力取值10为底的对数(即PF值)。拟合所得V-G模型参数值如表1所示。

试验结果表明：

(1)不同质地土壤随着吸力的变化，含水率变化范围相差较大。随着吸力的增大(PF值从0.118 cm到3 cm)，黏土土壤含水率变化范围为49.41%～38.87%，粉砂质壤土土壤含水率变化范围为47.81%～24.89%，砂质壤土土壤含水率变化范围43.83%～8%，砂土土壤含水率变化范围为44.73%～6.98%。PF值小于1.5 cm时，质地越细，土壤饱和含水率越高。但由图2、表1可以看出，砂土的饱和含水率较砂质壤土高。究其原因为砂土与砂质壤土黏粒含量相差不大，但试验所供砂土黏粒和粉粒含量为0，土壤中大孔隙间连通性好，所能吸持的毛管水含量较砂质壤土多，故砂土土壤饱和含水率较砂质壤土高。当1.5 cm3.0 cm时，质地越细，土壤含水率越高。此时，土壤中大孔隙水分基本排完，随着吸力的增大，水分只能保持在细小孔隙中。

图2 不同质地土壤水分特征曲线

土壤质地V-G模型参数α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSE砂土0.018 25.4810.815 444.735.20.008 0砂质壤土0.011 58.7710.885 943.837.70.008 2粉砂质壤土0.015 12.3240.567 947.8115.20.003 1黏土0.009 051.0820.075 7949.4120.030.001 0

(2)不同质地土壤水分特征曲线变化过程相差较大。土壤黏粒含量越高，土壤中的细小孔隙越多，同一吸力条件下土壤的含水率越大。黏土土壤颗粒细，垒结起来之后形成的孔隙较小，孔径分布较为均匀，故随着吸力的增大含水率缓慢减小。对于粉砂质壤土而言，颗粒级配中黏粒含量(8.427%)远小于黏土(45.142%)，而砂粒含量增多，垒结起来之后形成的孔隙较黏土小，故随着吸力的增大，呈现出平缓、较大幅减小和缓慢减小的过程。对于砂土而言，绝大部分孔隙都比较大，当吸力达到一定值后，这些大孔隙中的水首先排空，土壤中仅有少量的水存留，故土壤水分特征曲线呈现为一定吸力一下平缓、陡直继而平缓的过程。不同质地土壤呈现土壤水分特征曲线较大差异的主要原因是不同粒径土壤颗粒垒结所形成的土壤孔隙大小、分布和连通性各不相同。

(3)不同质地土壤进气值(α值)相差较大。砂土进气值<粉砂质壤土<砂质壤土<黏土，且粗质地土壤进气值的出现较细质地明显，表现为土壤水分特征曲线斜率的迅速变化。当土壤吸力为零时，土壤处于饱和状态，此时含水率为饱和含水率θs，若施加微小吸力，土壤中最大孔隙能够抵抗所施加的吸力而继续保持水分，表现为PF<1.5 cm时，土壤水分特征曲线基本保持水平。当吸力值大于进气值时，土壤开始排水，含水率快速减小。一般而言，质地越细，土壤进气值越大。而由图2可以看出，砂质壤土进气值较粉砂质壤土大，究其原因为土壤级配不合理所导致。由于粗质地的砂性土壤孔隙大小分布较为均一，故进气值的出现较细质地土壤明显。

2.2 不同结构的土壤水分特征曲线分析

土壤结构能够反映土壤的密实程度和孔隙状况。故本文以容重作为反映土壤密实程度的衡量指标，以大于0.025 mm的水稳性团聚体含量作为反映土壤孔隙状况的指标。从而全方面的分析不同结构的土壤水分特征曲线。

2.2.1 容重对土壤水分特征曲线的影响分析

选择粉砂质壤土不同容重土壤进行了试验。在土壤有机质含量(G=3.10±0.07g/kg)、大于0.025 mm水稳性团聚体含量(33.21%±0.09%)相差不大的基础上，不同容重实测低吸力阶段土壤水分特征曲线如图3所示。拟合所得V-G模型参数值如表2所示。

图3 不同容重土壤水分特征曲线

土壤容重/(g·cm-3)V-G模型参数α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSEγ=1.1530.009 852.3110.567 348.817.50.003 6γ=1.5200.012 41.6450.392 141.618.30.008 0

试验结果表明：

(1)同一质地不同容重土壤，饱和含水率θs相差较大。同一质地土壤，土壤级配较为相似，但容重越大，土壤大孔隙越少，中小孔隙越发达；容重越小，大孔隙越发达，连通性越好，所能吸持的毛管水越多，故同一质地土壤容重越小，饱和含水率θs越大。

(2)同一质地不同容重土壤，土壤水分特征曲线变化过程相似。由图2可以看出，粉砂质壤土土壤水分特征曲线经历了较为平稳阶段、快速减少阶段和稳定阶段。供试土壤中，所有质地相同的原状土壤，测得土壤水分特征曲线变化过程均一致。分析认为，土壤质地相同时，土壤内孔隙大小比例较为相似、分布较为相似、连通性较为相似。因此，尽管其他理化参数的不同会导致细微处有差别，但整体而言仍然呈现出变化过程具有一致性。

(3)随着容重的增加，进气值增大(α值增大)，土壤水分特征曲线斜率减小(n值减小)，比水容量增大，土壤的持水性能逐渐增强。究其原因，随着土壤容重增加，大孔隙减小，中小孔隙增多，故吸持在大孔隙中的水分减少，中小孔隙中的水分增多，随着水分的蒸发，大孔隙中的水分率先排干，中小孔隙越多，水分所受到的吸附力越大，排水难度越大，持水性能越好。

2.2.2 水稳性团聚体含量对土壤水分特征曲线的影响分析

选择粉砂质壤土不同水稳性团聚体含量土壤进行了试验。在土壤有机质含量(G=1.97±0.05 g/kg)、土壤容重(γ=1.40±0.02 g/cm3)相差不大的基础上，不同水稳性团聚体含量实测低吸力阶段土壤水分特征曲线如图4所示。拟合所得V-G模型参数值如表3所示。

图4 不同水稳性团聚体含量土壤水分特征曲线

土壤水稳性团聚体含量/%V-G模型参数α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSE16.90.002 932.2020.545 849.516.50.007 051.780.004 971.5520.355 752.620.70.001 9

试验结果表明：

(1)同一质地不同水稳性团聚体含量土壤，饱和含水率θs相差较大。同一质地土壤，土壤级配较为相似，但水稳性团聚体含量约低，大孔隙越少，中小孔隙越发达；土壤水稳性团聚体含量越高，土壤大孔隙越多，连通性越好，且稳定性越强，所能吸持的毛管水越多，故同一质地土壤水稳性团聚体含量越高，饱和含水率θs越大。

(2)同一质地且有机质含量相差不大的土壤，随着土壤水稳性团聚体含量的增加，进气值增大(α值增大)，土壤水分特征曲线斜率减小(n减小)，即同一吸力条件下，土壤水稳性团聚体含量越高，含水率越大，土壤持水性越强。分析认为，同一质地的土壤，砂粒、粉粒、黏粒含量相差不大，砂粒构成土壤“大骨架”，粉粒填充其中的一部分孔隙，黏粒填充更小的孔隙，当水稳性团聚体含量大时，土壤结构较好，保水能力增强。

2.3 不同有机质含量土壤水分特征曲线分析

选择粉砂质壤土不同土壤有机质含量土壤进行了试验。在容重(γ=1.37±0.02 g/cm3)、大于0.025 mm水稳性团聚体含量(51.71%±0.09%)，相差不大的基础上，不同有机质含量土壤实测低吸力阶段土壤水分特征曲线如图5所示。拟合所得V-G模型参数值如表4所示。

图5 不同有机质含量土壤水分特征曲线

有机质含量/(g·kg-1)V-G模型参数α(cm-1)nmθs/%θr/%RMSEG=1.9730.004 971.5520.355 752.620.70.001 9G=4.6860.009 282.0820.519 749.819.20.002 9

试验结果表明：

(1)同一质地不同有机质含量土壤，饱和含水率θs相差较大。同一质地土壤，土壤级配较为相似，但土壤有机质含量的增加使得土壤结构与胶体状况都发生了变化，土壤孔隙度增加、吸附作用增强，有利于土壤水分的保持，从而使得含水率增加。

(2)同一质地且有机质含量相差不大的土壤，随着土壤水稳性团聚体含量的增加，进气值增大(α值增大)，土壤水分特征曲线斜率减小(n减小)，即同一吸力条件下，土壤水稳性团聚体含量越高，含水率越大，土壤持水性越强。分析认为，同一质地的土壤，砂粒、粉粒、黏粒含量相差不大，砂粒构成土壤“大骨架”，粉粒填充其中的一部分孔隙，黏粒填充更小的孔隙，当水稳性团聚体含量大时，土壤结构较好，保水能力增强。

(3)同一质地的土壤，在同一吸力条件下，随着土壤有机质含量的增加，土壤水分特征曲线向右平移，即同一吸力条件下，有机质含量越高，含水率越大。

3 结 语

(1)土壤质地、结构、有机质含量对土壤水分特征曲线均有较为显著的影响。不同质地土壤随着吸力的变化，含水率变化范围相差较大，且变化过程相差较大；同一质地土壤，土壤水分特征曲线变化过程一致，随着容重的增加，进气值增大(α值增大)，土壤水分特征曲线斜率减小(n值减小)，比水容量增大，土壤的持水性能逐渐增强；同一质地土壤，随着土壤水稳性团聚体含量的增加，进气值增大(α值增大)，土壤水分特征曲线斜率减小(n减小)，土壤持水性越强；同一质地且有机质含量相差不大的土壤，随着土壤水稳性团聚体含量的增加，进气值增大(α值增大)，土壤水分特征曲线斜率减小(n减小)，土壤持水性越强。

(2)土壤内孔隙的大小、分布和连通性时觉得土壤水分特征曲线差异较大的根本原因。土壤质地、结构、有机质含量的不同导致土壤内部孔隙的大小、分布和连通性不同，从而导致土壤水分特征曲线的差异。

(3)土壤级配对土壤内部孔隙的影响不可忽视，合理的级配能够很大程度的提高土壤的保水性能。土壤由粒径较大的砂粒含量组成“骨架”，形成诸多大孔隙，粉粒填充其中，黏粒填充到更小的孔隙中，会出现大孔隙基本完全填充和大孔隙不能完全填充的情况。当级配合理的情况下，大孔隙被黏粒、粉粒含量基本完全填充，细小孔隙发育，土粒对水分的吸持作用较强，表现为同一吸力条件下，土壤含水率高，持水性好。