劉貫群,孫蓓蓓,朱良超,王 娟

(中國海洋大學(xué)1.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院;2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實驗室,山東青島266100)

土壤水分特征曲線定義為土壤水的基質(zhì)勢或土壤水吸力隨含水量變化的關(guān)系曲線,反映土壤水在非飽和狀態(tài)下土壤水和土壤固體之間相互作用的關(guān)系以及保持土壤水的土壤顆粒的表面吸附力和土壤孔隙的毛管力對土壤水的作用。非飽和土壤中的水由吸著水和毛細(xì)管水組成,這2部分水的數(shù)量是影響土壤物理、力學(xué)性質(zhì)的重要因素[1-2]。

在研究土壤水分入滲、蒸發(fā)、土壤侵蝕及溶質(zhì)運(yùn)移過程中,土壤水分特征曲線是推求各種水分運(yùn)動參數(shù)的重要手段。它是分析土壤水運(yùn)動的最基本資料之一,也是獲取其他土壤水動力參數(shù)及土壤水分常數(shù)的基礎(chǔ)[3]。隨著農(nóng)田生態(tài)環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重以及農(nóng)田水肥聯(lián)合調(diào)控管理不斷受到重視,尤其是對于生態(tài)環(huán)境非常脆弱的我國西北干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)灌區(qū),利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行土壤水分運(yùn)動及溶質(zhì)運(yùn)移的預(yù)測顯得越來越重要[4]。魏長義等利用土壤機(jī)械組成和容重推斷東北干旱農(nóng)業(yè)區(qū)淋溶褐土的水力參數(shù),得出土壤含水量、土壤導(dǎo)水率計算值與測定值的相對誤差均隨著水勢的降低而減小,土壤含水量的相對誤差較土壤導(dǎo)水率低[5]。馮杰等研究了大孔隙土壤水土性質(zhì),說明土壤的孔隙結(jié)構(gòu)能夠影響水分特征曲線形狀和擬合參數(shù)[6]。

常用的擬合土壤水分特征曲線經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀蠦 roods-Co rey模型、van Genuchten模型、Gardner模型和Gardner-Russo模型等。其中van Genuchten模型是最廣泛采用的描述土壤水分特征曲線方程的模型。van Genuchten模型適用土壤質(zhì)地范圍比較寬,符合吸濕過程中土壤吸力變化特點(diǎn)。該模型得到的曲線光滑且具有連續(xù)斜率,線型與實測數(shù)據(jù)曲線相似度高,參數(shù)意義明確;對絕大多數(shù)土壤在相當(dāng)寬的水勢或含水量范圍內(nèi)具有普遍適用性,并可得到相對導(dǎo)水率的解析解。盧小惠等對欒城粉質(zhì)黏土土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合,認(rèn)為原狀土效果最好的模型是原始van Genuchten模型;而擾動土為修正的van Genuchten模型[7]。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測定

本試驗所用土壤樣品取自內(nèi)蒙古孿井灌區(qū),該地區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善盟南部,是極其干旱的沙漠邊緣,其西部緊連騰格里沙漠,屬于典型的大陸性干旱氣候,降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈。灌區(qū)包氣帶巖性下部為第三系砂巖、含礫砂巖,局部為砂質(zhì)泥巖;上部為第四系黏類土、砂類土與砂礫石組成的雙層結(jié)構(gòu)[8]。灌區(qū)灌溉面積為7.64 km2,1994年底灌區(qū)正式引水灌溉。灌區(qū)建成后,主要采用漫灌方式種植小麥、谷物、經(jīng)濟(jì)作物等。

根據(jù)耕作灌溉年限和土壤性質(zhì)的不同,選取該地區(qū)具有代表性的3個采樣點(diǎn)K1,K2,K3(見圖1)。在田間用環(huán)刀取得不同深度的原狀土樣。采用環(huán)刀截面面積41 cm2,體積為250 cm3。土壤水勢和重量測量采用ku-p F Apparatus DT 04-01非飽和導(dǎo)水率儀(德國UGT公司),裝置圖如圖2所示。

1.2 實驗方法

目前用于室內(nèi)測定土壤水分特征曲線的方法主要有張力計法、壓力膜法和離心機(jī)法等,本研究采用的非飽和導(dǎo)水率儀法是自動連續(xù)化的張力計法。

利用環(huán)刀采原狀樣,將樣品充分飽和后,測量時將土壤樣品放置在樣品容器中,將底部密封,上表面暴露于空氣中,以便于水分蒸發(fā)。使用Ku非飽和導(dǎo)水率測定系統(tǒng)(見圖2)可以同時測量10個土壤樣品。樣品容器被放置在具有星型吊臂的系統(tǒng)上,設(shè)置樣品的測量時間間隔是10 min。運(yùn)行了1個周期的土壤樣品轉(zhuǎn)至天平上方時將得到1次稱重,以確定水分的變化量。每個樣品容器配備2個張力計(間隔3 cm)用于測量土壤樣品的頂部和底部不同的水勢變化情況。土壤樣品在插入張力計后的體積為245 cm3。當(dāng)上層張力計讀數(shù)在75～89 kPa之間時,停止測量。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取不同時間的土壤水勢和土樣重量數(shù)據(jù)[9]。

圖1 孿井灌區(qū)采樣點(diǎn)Fig.1 Sampling points in Luanjing

圖2 Ku-p F非飽和導(dǎo)水率儀Fig.2 Ku-p F Apparatus

2 擬合模型與軟件

van Genuchten模型是最廣泛采用的描述土壤水分特征曲線方程的模型。在本次試驗中,采用該模型和其修正模型來擬合實際的水分運(yùn)動。

2.1 van Genuchten模型

van Genuchten以M ualem為基礎(chǔ)得出的水分特征曲線的方程式為[10]:

式中:θ(h)為土壤含水量;h為壓力水頭,cm;θr為土壤殘余含水率;θs為土壤飽和含水率;α和n為經(jīng)驗擬合參數(shù)(或曲線形狀參數(shù));m=1-1/n。

修正的van Genuchten模型[11]方程式為:

式中:符號與原Van Genuchten模型一致,但m=1-2/n。

2.2 RETC軟件擬合土壤水分特征曲線

RETC軟件由Simunek和van Genuchten開發(fā),可用于分析非飽和土壤水分和水力傳導(dǎo)特性。該軟件操作簡單,計算精度高,適用性廣[5,12]。該軟件運(yùn)用Broods-Corey模型和van Genuchten模型來擬合土壤水分特征曲線[11]。

運(yùn)行RETC軟件擬合時,選擇Van Genuchten(m=1-1/n)或者Van Genuchten(m=1-2/n);把實測數(shù)據(jù)輸入到Retention Curve Data進(jìn)行運(yùn)算,得到擬合曲線和θs,θr,α,n等參數(shù)。

3 土壤水力參數(shù)及模型分析驗證

3.1 土壤機(jī)械組成測定與水力參數(shù)

在采樣點(diǎn)按土壤類型采取樣品并測定其機(jī)械組成,K1,K2采樣深度均為0.2 m,在K3點(diǎn)采樣深度分別為0.2,1.6,2.5和3.2 m(見表1)。

通過Ku-p F非飽和導(dǎo)水率儀采集各土壤樣品水勢和重量數(shù)據(jù),從土壤負(fù)壓值為0升至75～89 kPa,θs,θr實測的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以繪出實測數(shù)據(jù)的土壤水分特征曲線。

該儀器的優(yōu)勢在于能夠在固定的時間間隔內(nèi)自動連續(xù)讀取水勢和含水量變化數(shù)據(jù),最小的時間間隔為10 min。從土壤水分充分飽和狀態(tài)開始,到達(dá)到殘余含水量為止,測量數(shù)據(jù)可以形成近乎連續(xù)的土壤水分特征曲線。

由于土壤黏性不同,運(yùn)行天數(shù)不同,因此每個土壤樣品的每隔10 min測定的步數(shù)約為450～1100。利用非飽和導(dǎo)水率儀能夠得到近乎連續(xù)的曲線,真實反映土樣的脫水過程。從圖3中可以看出,不同土壤類型,水分特征曲線的形狀不同。

表1 土壤樣品的顆粒分析結(jié)果Table 1 Size analysisof soil samp les/%

表層的砂壤(見圖3a)飽和含水量相對偏低,負(fù)壓0～300 cm區(qū)間含水量下降速度快,曲線斜率高。粉砂(見圖3b)飽和含水量高,負(fù)壓在0～200 cm區(qū)間曲線梯度大,迅速接近殘余含水量;200～800 cm含水量保持穩(wěn)定。砂礫石(見圖3c)>2 mm的砂礫比重高,易脫水,且曲線在0～800 cm整個區(qū)間下降均勻平緩。黏壤(見圖3d)殘余含水量最大,黏結(jié)力強(qiáng),不易脫水;水分特征曲線近似為一直線。分析K3點(diǎn)不同深度土壤樣品數(shù)據(jù),可以建立van Genuchten模型的土壤水分特征曲線方程。

3.2 2種模型分析驗證及最優(yōu)確定

擬合模型的優(yōu)劣在于模擬值與實測值之間差異的大小及分散程度,可以綜合分析比較標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)和顯著性檢驗F值、t值等統(tǒng)計指標(biāo)確定。相關(guān)系數(shù)是表征數(shù)據(jù)之間線性相關(guān)的密切程度。

運(yùn)行RETC,可以計算2種土壤水分特征曲線模型的計算值和實測值之間的標(biāo)準(zhǔn)差、加權(quán)平方和、相關(guān)系數(shù)及t值等(見表2)。

RETC結(jié)果輸出Graph of Soil Hydraulic Properties中得到2種模型實測數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合特征曲線的吻合程度,見圖4(以K3-1,K3-2為例)。從圖中可以看出,van Genuchten模型相對于修正模型其擬合曲線的結(jié)果與實測值擬合程度更好。van Genuchten修正模型在負(fù)壓值逐漸升高(≥40 kPa)后,其擬合體積含水率結(jié)果低于實測含水率值。用樣本相關(guān)系數(shù)判斷數(shù)據(jù)之間線性相關(guān)性,r越大,說明數(shù)據(jù)間線性相關(guān)性越好。van Genuchten模型相關(guān)性優(yōu)于其修正模型相關(guān)性。在van Genuchten模型中θs,θr,α等參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差較低,t值較高;而在修正模型中,n的標(biāo)準(zhǔn)差低,t值高。比較平方和(加權(quán)、未加權(quán)),van Genuchten模型較其修正模型值小。結(jié)果說明,在孿井地區(qū)van Genuchten模型更適應(yīng)于擬合實際的土壤特征曲線。

圖3 K3不同深度土壤樣品實測數(shù)據(jù)的土壤水分特征曲線Fig.3 Soil water characteristic curves of different depth of K3 soil samp les

表2 K3采樣點(diǎn)2種土壤水分特征曲線模型統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis of two kind of soil SWCC models

圖4 van Genuchten模型及修正模型擬合圖Fig.4 van Genuchten model and revised model simulation

3.3 相同深度砂壤土水力參數(shù)

比較不同采樣點(diǎn)相同深度砂壤土土壤樣品的水力參數(shù)(見表3),可以看出各點(diǎn)的飽和含水量和參數(shù)α值相近,分別為0.354±0.006,0.014±0.001范圍內(nèi)。而殘余含水率和參數(shù)n差異相對較大。

比較孿井地區(qū)不同的典型地層砂壤土水分特征曲線(見圖5),整個脫水過程的走勢相似。其砂壤土各水力參數(shù)相近。這說明模擬所求參數(shù)能夠代表整個孿井地區(qū)砂壤土水力性質(zhì)。分析其原因,3個采樣點(diǎn)0.2 m深度處土壤組成、性質(zhì)類型相似,而土樣實際結(jié)構(gòu)不同。對于孿井地區(qū)土壤,存在差異的原因是野外原狀土樣土壤結(jié)構(gòu)不同。有研究表明,含有大孔隙的原狀土田間持水量小于均質(zhì)土的田間持水量[6]。土壤的殘余含水量θr與黏粒(<0.002 mm)的比重呈正相關(guān)性,黏粒比重越高,θr越大(見表3)。在孿井地區(qū)黏粒含量是影響殘余含水量的重要因素。

4 結(jié)論

(1)利用非飽和導(dǎo)水率儀能夠提供較高精度的推求田間土壤水分特征曲線參數(shù)的簡便方法。Van Genuchten模型比其修正模型能夠更好的獲得有效的水力參數(shù),為土壤水分運(yùn)動及溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬提供符合實際水文地質(zhì)條件的基本參數(shù),為孿井地區(qū)土壤鹽堿化和土壤溶質(zhì)運(yùn)移研究服務(wù)。

(2)孿井地區(qū)不同地層結(jié)構(gòu)、不同耕作年限的表層砂壤土水力參數(shù)相近,這說明試驗所求參數(shù)對孿井地區(qū)的土壤具有廣泛適用性。研究結(jié)果表明可以通過對典型地層典型土壤類型的分析來模擬整個孿井地區(qū)土壤水力性質(zhì)。

(3)通過對相同采樣點(diǎn)不同類型土壤以及不同采樣點(diǎn)砂壤土土壤水分特征曲線的比較,飽和含水量相同,殘余含水量θr不同。黏粒比重越高,θr越大。

圖5 不同采樣點(diǎn)0.2 m深度砂壤的土壤水分特征曲線圖Fig.5 Sand loam of 0.2 m dep th samp le points SWCC

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