魏翠蘭 高偉達(dá) 李錄久 黃 峰 李保國(guó)

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193； 2.農(nóng)業(yè)部華北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；3.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，合肥 230031)

不同初始條件對(duì)砂姜黑土收縮特征的影響

魏翠蘭1,2高偉達(dá)1,2李錄久3黃 峰1,2李保國(guó)1,2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193； 2.農(nóng)業(yè)部華北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；3.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，合肥 230031)

利用離心機(jī)法，分別測(cè)定了初始容重為1.10、1.22、1.31 g/cm3，初始含水率為49.34%、43.55%、36.03%、31.93%和25.51%以及砂姜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、4%、6%、8%、10%和12%的砂姜黑土樣品在不同吸力下的土壤體積含水率及收縮特征。結(jié)果表明：在考慮土壤收縮變形的情況下，相比VG模型，Gregory模型可以更好地?cái)M合砂姜黑土的水分特征，砂姜黑土含水率隨著土樣初始容重及初始含水率增加而增加，隨著砂姜含量增加而降低。收縮過(guò)程中，在不同初始容重處理下，初始容重增加，土壤的線(xiàn)縮率減小，土壤收縮后容重增加比例下降；且初始容重增加顯著提高了土壤結(jié)構(gòu)收縮段孔隙收縮比例，降低了線(xiàn)性收縮段孔隙收縮比例。在不同初始含水率處理下，初始含水率越高，土壤線(xiàn)縮率及收縮后的容重越大；當(dāng)初始含水率為36.03%時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)收縮段孔隙收縮比例最高，線(xiàn)性收縮段孔隙收縮比例較低。在不同砂姜含量處理下，砂姜含量的提高減小了線(xiàn)縮率及土壤收縮后的容重，增加了土壤總孔隙比。因此，對(duì)于砂姜黑土而言，在一定范圍內(nèi)，提高土壤容重以及降低土壤含水率可以減少土壤收縮；而在砂姜含量較高的情況下，主要應(yīng)防止由于大孔隙存在而引起的水分流失。

砂姜黑土； 容重； 含水率； 砂姜含量； 收縮特征

引言

土壤收縮是土壤水分流失過(guò)程中土壤體積減小的一種現(xiàn)象，它影響了土壤中許多重要過(guò)程。如土壤收縮開(kāi)裂時(shí)，土壤強(qiáng)度增大[1]，加大了土壤水力傳導(dǎo)度，可能導(dǎo)致優(yōu)先流，降低土壤持水性，增加田間土壤的水分和養(yǎng)分流失，增加地下水污染風(fēng)險(xiǎn)[2-6]；其次，土壤收縮開(kāi)裂影響土壤表面水分蒸發(fā)、地表徑流產(chǎn)生等過(guò)程[7-8]；另外，土壤收縮可能破壞作物根系，影響其對(duì)水分的吸收[9]；再者，土壤收縮也改變了容重等土壤結(jié)構(gòu)特征[10]。

土壤收縮是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受多種其他土壤因素的影響。OMIDI等[11]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，蒙脫石含量高的土壤收縮最大，其次為含伊利石較高的土壤；CHERTKOV[12]認(rèn)為土壤粘粒含量越高，土壤收縮越強(qiáng)；PENG等[13]認(rèn)為土壤收縮能力與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)；馮欣等[14]認(rèn)為土壤的收縮性與土壤的蒸發(fā)速率相關(guān)；除此以外，ZHANG等[15]認(rèn)為土壤收縮與土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；邢旭光等[16]研究結(jié)果也表明土壤徑向、軸向以及體積收縮都隨著土壤容重的增加而減??；BIRLE等[17]認(rèn)為土壤收縮不但與土壤容重相關(guān)，土壤初始含水率也對(duì)土壤收縮產(chǎn)生影響；楊晶等[18]和李保雄等[19]的試驗(yàn)也表明土壤含水率影響了土壤的壓縮系數(shù)以及抗剪強(qiáng)度。同時(shí)，有研究認(rèn)為沙粒對(duì)于水分的吸附較弱，且骨架較為穩(wěn)定，因此沙粒含量較高的土壤收縮受到抑制[20]。

砂姜黑土是淮北平原主要土壤類(lèi)型之一，砂姜層是砂姜黑土的基本發(fā)育層[21-22]，砂姜層的存在對(duì)作物根系生長(zhǎng)造成阻礙，對(duì)水分運(yùn)行造成影響；除此之外，砂姜黑土質(zhì)地粘重，土壤收縮開(kāi)裂特征明顯，在干濕交替情況下，土壤表層容重變化大，影響了砂姜黑土質(zhì)量[23-24]。目前為止，有關(guān)砂姜黑土土壤收縮及水分性質(zhì)影響因素的相關(guān)報(bào)道還很少，尤其砂姜作為砂姜黑土特有屬性，對(duì)砂姜黑土收縮及持水性的影響并不清楚。因此，本文以砂姜黑土為研究對(duì)象，定量分析不同初始容重、初始含水率及砂姜含量下土壤水分及收縮特征，以期為砂姜黑土及其他類(lèi)型土壤的收縮開(kāi)裂研究奠定基礎(chǔ)并提供借鑒，為砂姜黑土水分運(yùn)移及田間管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試砂姜黑土樣品采自安徽省阜陽(yáng)市臨泉縣單橋鎮(zhèn)(115°17′ E, N32°59′ N，海拔高度為37 m)砂姜黑土改良試驗(yàn)點(diǎn)農(nóng)田。田間取0～10 cm表層土樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干后過(guò)2 mm篩備用。土壤顆粒組成采用沉降法測(cè)定，其中粒徑小于0.002 mm的粘粒含量為39.75%，0.002～0.02 mm的粉粒含量為40.26%，0.02～2 mm的砂粒含量為20.36%；砂姜黑土土粒密度采用比重計(jì)法測(cè)定，為2.69 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間多組實(shí)測(cè)結(jié)果表明砂姜黑土田間容重為1.03～1.44 g/cm3，且多數(shù)在1.10～1.30 g/cm3范圍內(nèi)，砂姜含量范圍為0.3%～14.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，為了探討容重和砂姜含量對(duì)砂姜黑土收縮特征的影響，本文設(shè)置初始容重為1.10、1.22、1.31 g/cm3，分別記作B1、B2和B3；砂姜質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為0、4%、6%、8%、10%和12%，分別記作SJ1、SJ2、SJ3、SJ4、SJ5和SJ6；另外，由于砂姜黑土農(nóng)田表層含水率隨季節(jié)變化較大，因此設(shè)置不同初始質(zhì)量含水率，為49.34%、43.55%、36.03%、31.93%和25.51%，分別記作W1、W2、W3、W4和W5。試驗(yàn)中每個(gè)處理設(shè)定3組重復(fù)，每個(gè)處理取其均值作為計(jì)算結(jié)果。

1.3 試驗(yàn)方法

土樣制備后利用高速冷凍離心機(jī)(GⅢ系列，R11D2型，日本)測(cè)定不同吸力下土壤含水率和收縮特征，設(shè)定離心機(jī)轉(zhuǎn)速分別為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000、9 000、10 000、11 000 r/min，離心時(shí)間為60 min，測(cè)定過(guò)程在4℃的恒溫下進(jìn)行。樣品在離心前及每次離心后都用百分之一天平稱(chēng)量以獲得質(zhì)量含水率，同時(shí)利用游標(biāo)卡尺測(cè)定土樣高度變化以計(jì)算土樣體積，繼而計(jì)算土壤體積含水率及容重。試樣結(jié)束后，土樣在105℃干燥箱中干燥24 h，再次測(cè)定土樣高度和質(zhì)量。

1.4 分析方法

1.4.1土壤吸力計(jì)算

考慮到土壤在離心失水過(guò)程中體積變小對(duì)土壤吸力產(chǎn)生的影響，采用尚熳廷等[25]提出的吸力計(jì)算改進(jìn)公式計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下的土壤吸力，即

H=1.397 5×10-6f2(r1-l-h′)(3r1+l+h′)

(1)

式中H——土壤吸力，cmf——轉(zhuǎn)速，r/min

r1——離心機(jī)轉(zhuǎn)子中心到土樣底端距離，cm

l——離心機(jī)轉(zhuǎn)子中心到離心盒頂端的距離，cm

h′——離心盒頂端到土樣表面的距離，cm

1.4.2砂姜黑土水分特征曲線(xiàn)

VAN GENUCHTEN[26]在1980年提出的水分特征曲線(xiàn)模型(簡(jiǎn)稱(chēng)VG模型)可以很好地?cái)M合不同類(lèi)型土壤在吸力下的水分變化，而GREGORY等[27]在2010年提出的土壤水分特征曲線(xiàn)模型(簡(jiǎn)稱(chēng)Gregory模型)則考慮了土壤收縮后的孔隙度變化，因此本文對(duì)2個(gè)模型的擬合含水率與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，選擇模擬效果較好的模型對(duì)砂姜黑土不同初始條件的水分特征進(jìn)行擬合分析。

(1)VG模型

VG模型表達(dá)式為

(2)

式中θm——土壤飽和含水率，cm3/cm3

θr——土壤殘余含水率，cm3/cm3

θ——土壤含水率，cm3/cm3

α、n——擬合參數(shù)

(2)Gregory模型

Gregory模型表達(dá)式為

(3)

其中

(4)

式中Sm——土壤最大飽和度，cm3/cm3

Sr——土壤殘余飽和度，cm3/cm3

S——土壤飽和度，cm3/cm3

ε——土壤孔隙度，cm3/cm3

b、n′——擬合參數(shù)

m——土壤質(zhì)量，g

v——土壤體積，cm3

ρs——土粒密度，g/cm3

1.4.3砂姜黑土線(xiàn)縮率計(jì)算

利用線(xiàn)縮率公式[28]，計(jì)算不同初始條件下砂姜黑土樣品在離心失水時(shí)土樣軸向的收縮特征

(5)

式中δsl——土壤線(xiàn)縮率,%

zi——不同吸力下土樣高度收縮量，cm

h——土樣初始高度，cm

1.4.4砂姜黑土收縮特征曲線(xiàn)

土壤收縮特征曲線(xiàn)定義為土壤孔隙隨土壤濕度的變化情況，本文采用PENG等[29]在2005年提出的收縮曲線(xiàn)模型進(jìn)行擬合，其表達(dá)式為

(6)

式中e——土壤孔隙比，cm3/cm3

es——土壤飽和點(diǎn)孔隙比，cm3/cm3

er——土壤殘余孔隙比，cm3/cm3

?——土壤濕度比，cm3/cm3

χ、p、q——擬合參數(shù)

另外，計(jì)算土壤收縮曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)收縮段、線(xiàn)性收縮段、殘余收縮段以及零收縮段的孔隙收縮比例[29]為

(7)

(8)

(9)

(10)

式中ew——土壤結(jié)構(gòu)收縮段終點(diǎn)孔隙比，cm3/cm3

ep——土壤線(xiàn)性收縮段終點(diǎn)孔隙比，cm3/cm3

ez——土壤殘余收縮段終點(diǎn)孔隙比，cm3/cm3

ess——土壤結(jié)構(gòu)收縮段孔隙收縮比例,%

eps——土壤線(xiàn)性收縮段孔隙收縮比例,%

ers——土壤殘余收縮段孔隙收縮比例,%

ezs——土壤零收縮段孔隙收縮比例,%

1.4.5土壤吸力與容重的關(guān)系擬合

土壤在收縮時(shí)，體積減小，土壤容重也發(fā)生變化，本研究選用呂殿青等[30]提出的容重與吸力之間的關(guān)系式，擬合不同初始條件下土壤容重的變化趨勢(shì)，即

(11)

式中ρbs——土壤飽和時(shí)容重，g/cm3

ρb——土壤容重，g/cm3

A′、β′——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 砂姜黑土水分特征曲線(xiàn)擬合

圖1 土壤擬合含水率和實(shí)測(cè)含水率的相關(guān)性Fig.1 Relationship between measured and modeled soil volume water contents

砂姜黑土脫水過(guò)程中，土壤收縮變形，體積發(fā)生變化，計(jì)算土壤體積含水率所對(duì)應(yīng)的體積也在一直發(fā)生變化。VG模型和Gregory模型擬合體積含水率與實(shí)測(cè)值相關(guān)性(圖1)表明：VG模型和Gregory模型在土壤體積變化的情況下對(duì)土壤水分特征曲線(xiàn)擬合效果都較好，決定系數(shù)R2大于0.99(圖1)；但是相比VG模型，利用Gregory模型擬合曲線(xiàn)所得到的均方根誤差(RMSE)更小。在不同初始容重處理下，VG模型RMSE范圍為0.009～0.015 cm3/cm3，Gregory模型RMSE范圍為0.007～0.015 cm3/cm3；在不同初始含水率處理下，VG模型RMSE范圍為0.005～0.015 cm3/cm3，Gregory模型為0.005～0.014 cm3/cm3；在不同砂姜含量處理下，VG模型RMSE范圍為0.019～0.023 cm3/cm3，Gregory模型為0.005～0.011 cm3/cm3。

從圖1中也可以看出，利用Gregory模型擬合獲得的土壤體積含水量和實(shí)測(cè)值相關(guān)性更加貼近1∶1線(xiàn)，因此，利用Gregory模型相比于VG模型能夠更好地?cái)M合土壤在收縮狀態(tài)下的水分特征。

2.2 初始條件對(duì)砂姜黑土水分特征的影響

根據(jù)2.1節(jié)的分析，本文選用Gregory模型對(duì)土壤水分特征曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，表1為擬合參數(shù)。其中參數(shù)b反映土壤在失水過(guò)程中相對(duì)于最初狀態(tài)時(shí)的變形程度，其值越大，土壤變形越大，破壞程度越高[27]。從表1可以看出，隨著土壤初始容重的增加，b值下降，土壤破壞程度減小；初始含水率對(duì)土壤破壞程度沒(méi)有明顯的影響，初始含水率為W5時(shí)，b值最大，土壤破壞最大；初始含水率為W3時(shí)，土壤的破壞程度最??；相比SJ1處理，在添加砂姜以后，b值都有所降低。

圖2為不同初始條件下土壤水分特征曲線(xiàn)(土壤含水率由模型中土壤飽和度轉(zhuǎn)化獲得)。從圖2可以看出，土壤體積含水率均隨著土壤吸力增加而降低。在土壤吸力較小時(shí)，土壤含水率下降速率隨著吸力增加變化顯著，在高吸力階段，土壤含水率下降較為緩慢。

由圖2a可知，對(duì)于不同初始容重的土樣，土壤含水率由小到大始終表現(xiàn)為B1、B2、B3；當(dāng)土壤容重為B2和B3時(shí)，土壤含水率在低吸力段下降較快，當(dāng)土壤吸力大于1 000 cm以后，土壤含水率下降緩慢；當(dāng)土壤容重為B1時(shí)，土壤含水率下降速率大于其他2個(gè)處理。在最大土壤吸力處，B1處理的土壤含水率為24.25%，與該值相比，B2及B3處理下土壤含水率分別提高了10.30%和27.19%。由此可見(jiàn)，在一定范圍內(nèi)，增加土壤容重提高了土壤的持水性，該試驗(yàn)結(jié)果與呂殿青等[31]的試驗(yàn)結(jié)果是一致的，其認(rèn)為在容重增加時(shí)，有效飽和度增加，BIRLE等[17]的試驗(yàn)也有相同的結(jié)論。

表1 不同初始條件下土壤水分特征曲線(xiàn)擬合參數(shù)Tab.1 Fitted parameters of soil water characteristic curves under different initial conditions

在不同初始含水率處理下，在低吸力階段，初始土壤含水率越高，土壤含水率下降越快(圖2b)，BIRLE等[17]也表明土壤含水率對(duì)持水性影響較大。W1、W2、W3、W4及W5處理整個(gè)過(guò)程中土壤含水率下降比例分別為54.32%、49.53%、49.79%、58.07%以及59.01%，在初始含水率為W2和W3時(shí)，土壤水分損失較小。

相同吸力下，土壤中砂姜含量越高，土壤含水率越低(圖2c)，相比SJ1處理，SJ2、SJ3、SJ4、SJ5以及SJ6處理的最終含水率分別降低了5.55%、7.92%、16.85%、18.66%以及25.97%。宋日權(quán)等[32]的試驗(yàn)表明，土壤在摻砂之后土壤含水率降低，也有研究認(rèn)為土壤礫石含量的增加加快了土壤水分的移動(dòng)，減弱了土壤有效水分的儲(chǔ)存[33-34]，與本文結(jié)果有相似之處。這主要是由于砂姜占據(jù)了土壤中的一部分體積，且減少了土壤顆粒之間的連接，進(jìn)而減少了土壤中中小孔隙的形成，增加了土壤中大孔隙的產(chǎn)生，從而加快了水分的流失。

圖2 不同初始條件下土壤水分特征曲線(xiàn)Fig.2 Soil water characteristic curves under different initial conditions

2.3 初始條件對(duì)砂姜黑土收縮特征的影響

2.3.1初始條件對(duì)線(xiàn)縮率的影響

圖3是不同初始條件下土壤線(xiàn)縮率隨著土壤吸力的變化，可以看出，土壤線(xiàn)縮率隨著土壤吸力增加而增加，且當(dāng)土壤吸力小于2 000 cm時(shí)，土壤線(xiàn)縮率變化較快，在吸力超過(guò)2 000 cm后，表現(xiàn)較為平緩。

圖3 不同初始條件下土壤線(xiàn)縮率Fig.3 Soil linear shrinkage ratio under different initial conditions

從圖3a可以看出，土壤線(xiàn)縮率隨著土壤初始容重的減小而增加。容重為B1時(shí)，其線(xiàn)縮率最大值為0.337，初始容重為B2和B3時(shí)，線(xiàn)縮率最大值分別下降了9.76%和15.59%，這與邢旭光等[16]的結(jié)果是一致的。主要是因?yàn)樵谖^小時(shí)，土壤排出水分主要來(lái)自土壤中大孔隙，而大孔隙中水分的排出易引起土壤收縮。當(dāng)土壤初始容重減小時(shí)，土壤中大孔隙的數(shù)量增加，從而引起了土壤更大的收縮幅度。

隨著土壤初始含水率增加，土壤線(xiàn)縮率增加(圖3b)，W1、W2、W3、W4及W5處理下的線(xiàn)縮率分別為0.337、0.337、0.298、0.269以及0.239。線(xiàn)縮率的減小一方面是由于在相同吸力下，含水率較高的土樣排出的水量增加，增加了土壤收縮的可能性；另外一方面，楊晶等[18]基于黃土做的力學(xué)相關(guān)試驗(yàn)表明，隨著含水率的增加，土壤的壓縮系數(shù)增大；再者，有試驗(yàn)研究表明含水率的提高會(huì)降低土壤的抗剪強(qiáng)度[19, 35]，影響土壤的土力學(xué)性質(zhì)，這對(duì)土壤收縮可能也會(huì)造成一定影響。

從圖3c可以看出，隨著砂姜含量的增加，土壤線(xiàn)縮率最終都稍微有所減小。但是在土壤低吸力階段，土壤的線(xiàn)縮率隨著砂姜含量的增加而增加，這主要是由于砂姜含量增加加快了土壤在低吸力階段的排水，而大孔隙的排水會(huì)導(dǎo)致土壤收縮，從而進(jìn)一步說(shuō)明了砂姜黑土中砂姜的存在不利于土壤水分保持。

2.3.2初始條件對(duì)收縮特征曲線(xiàn)的影響

表2為利用式(6)擬合土壤收縮特征曲線(xiàn)所得參數(shù)，其中χ、p、q是無(wú)量綱的擬合參數(shù)，但是與曲線(xiàn)形狀相關(guān)。從表2可以看出，利用PENG等[29]的方程可以較好地?cái)M合不同處理下土壤的收縮曲線(xiàn)，決定系數(shù)都達(dá)到了0.9以上。

表2 不同初始條件下收縮特征曲線(xiàn)擬合參數(shù)Tab.2 Fitted parameters of soil shrinkage characteristic curve under different initial conditions

土壤收縮分為結(jié)構(gòu)收縮、線(xiàn)性收縮、殘余收縮以及零收縮4個(gè)階段，在零收縮段和殘余收縮段，土壤體積收縮量小于土壤中水分的損失量；在線(xiàn)性收縮段，土壤體積收縮量幾乎等于土壤中水分的減少量，線(xiàn)性收縮段比例高也表明土壤結(jié)構(gòu)較差；在結(jié)構(gòu)收縮階段，土壤失水較大，但是帶來(lái)的土壤形變較小，結(jié)構(gòu)收縮階段比例增加則說(shuō)明土壤結(jié)構(gòu)較好。

表3是不同收縮段孔隙收縮比例及終點(diǎn)處的孔隙比值。從表3可以看出，初始容重為B1、B2及B3的土樣其總孔隙比分別下降了58.16%、56.25%及56.08%，其中土壤結(jié)構(gòu)收縮段孔隙收縮比例為13.97%、32.14%以及33.22%，線(xiàn)性收縮段的比例分別為66.98%、57.33%以及56.27%，B2和B3處理顯著提高了結(jié)構(gòu)收縮段的孔隙收縮比例，降低了線(xiàn)性收縮段的孔隙收縮比例。由此可見(jiàn)，在一定的范圍內(nèi)，增加砂姜黑土土壤容重，可以增加土壤孔隙度，減小土壤的收縮，有利于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

在不同初始含水率條件下，土壤收縮后總孔隙比分別下降了59.79%、58.16%、55.57%、46.54%及40.76%，其中結(jié)構(gòu)收縮段孔隙比比例分別為6.64%、13.97%、24.20%、20.14%及11.78%，線(xiàn)性收縮段孔隙比比例分別為66.79%、66.99%、67.77%、69.92%及73.97%。土壤含水率在較高或較低時(shí)，都不利于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，土壤含水率為W3時(shí)，結(jié)構(gòu)收縮段孔隙收縮比例最高，且線(xiàn)性收縮段比例較低，表明在該含水率下土壤結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

在不同砂姜含量條件下，土壤收縮后總孔隙比分別下降了59.78%、57.08%、56.81%、56.91%、55.64%及52.86%，與SJ1相比，SJ2、SJ3、SJ4、SJ5及SJ6處理下，土壤結(jié)構(gòu)收縮段孔隙比比例顯著提高，分別增加了12.08%、6.97%、4.57%、7.43%、8.23%，這主要與砂姜不易引起土壤收縮有關(guān)。在相同的孔隙比時(shí)，土壤含水率降低。

表3 土壤收縮特征曲線(xiàn)各段(結(jié)構(gòu)收縮段、線(xiàn)性收縮段、殘余收縮段及零收縮段)終點(diǎn)孔隙比及孔隙收縮比例Tab.3 Void ratioand its decreased percentage of end-points of defined zones (structural, proportional, residual shrinkage and zero zones)

注：不同字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.4 初始條件對(duì)砂姜黑土容重的影響

土壤收縮使得土壤體積減小，土壤容重也不斷發(fā)生變化，利用呂殿青等[30]提出的容重與吸力的關(guān)系方程，擬合不同初始條件下土壤容重隨土壤吸力的變化，結(jié)果表明決定系數(shù)達(dá)到了0.99以上。不同初始條件下土壤容重都隨著吸力的增加而增加。

從圖4a可以看出，初始容重越大，收縮后最終容重越大。當(dāng)土壤初始容重為B1時(shí)，收縮后土壤容重增加了50.79%，初始容重為B2及B3時(shí)，容重分別增加43.63%和39.73%，也有研究發(fā)現(xiàn)初始容重范圍為1.2～1.7 g/cm3不同土壤在收縮后容重增量為0.46～0.19 g/cm3[36]，與本文研究結(jié)果一致。而土壤容重的變化趨勢(shì)也進(jìn)一步表明，在一定范圍內(nèi)，土壤初始容重的增加減少了土壤的收縮與壓實(shí)。

初始含水率對(duì)容重的影響與線(xiàn)縮率一致，初始含水率越高，土壤最終收縮后的容重越大，且土壤容重在低吸力階段增加最快，當(dāng)土壤吸力大于1 000 cm時(shí)，土壤容重增長(zhǎng)緩慢(圖4b)。與開(kāi)始時(shí)的容重相比，在W1、W2、W3、W4和W5的初始含水率處理下，土壤容重分別增加了50.79%、50.79%、43.75%、37.87%以及32.35%，容重的增加表明含水率較高時(shí)，土壤易收縮變緊實(shí)。

隨著砂姜含量的增加，土壤收縮后容重反而較低(圖4c)，而這主要是因?yàn)樯敖旧聿痪哂惺湛s性，且砂姜密度低于土壤顆粒密度，因此相同質(zhì)量的砂姜和土壤，容重反而下降。

圖4 不同初始條件下土壤容重隨土壤吸力的變化Fig.4 Changes of soil bulk density with soil suction under different initial conditions

3 結(jié)論

(1)在考慮土壤收縮的情況下，VG模型和Gregory模型都能很好地?cái)M合土壤水分特征曲線(xiàn)，但Gregory模型的RMSE更小。

(2)相比容重為1.10 g/cm3處理，砂姜黑土初始容重為1.22、1.31 g/cm3時(shí)，土壤持水性增強(qiáng)；同時(shí)，初始容重增加后，土壤線(xiàn)縮率、總孔隙比下降比例及收縮后容重增加比例都降低；另外，初始容重增加顯著提高了土壤結(jié)構(gòu)收縮段比例。由此可見(jiàn)，對(duì)于砂姜黑土而言，表層土壤容重在一定范圍內(nèi)的緊實(shí)可以提高其保水性并減弱土壤收縮。

(3)砂姜黑土初始含水率為49.34%時(shí)，土壤水分流失最快，不利于水分保持。隨著初始含水率增加，土壤收縮性增強(qiáng)，土壤總孔隙比下降比例增高，由于收縮引起的土壤容重變化增大。當(dāng)含水率為36.03%時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)收縮段比例最高，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(4)砂姜黑土中砂姜含量越高，土壤持水性越弱。但是，相比不添加砂姜的處理，砂姜黑土中添加不同比例的砂姜以后，土壤線(xiàn)縮率及收縮后的容重都減小，總孔隙比增加。

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EffectsofInitialConditionsonSoilShrinkageCharacteristicofShajiangBlackSoil

WEI Cuilan1,2GAO Weida1,2LI Lujiu3HUANG Feng1,2LI Baoguo1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China2.KeyLaboratoryofArableLandConservationinNorthChina,MinistryofAgriculture,Beijing100193,China3.InstituteofSoilandFertilizer,AnhuiAcademyofAgriculturalSciences,Hefei230031,China)

Shajiang black soil is one of the major soil types with low and medium productivity in Huaibei Plain, a sub plain of Huang-Huai-Hai Plain (HHH) of China.Certrifuge method was used to investigate the effects of different initial conditions on its shrinkage characteristics during drying process.The results showed that soil water characteristic curve (SWCC) was fitted better by Gregory model than the VG model when the shrinkage characteristic was considered.When the initial density (ρb) were 1.10 g/cm3, 1.22 g/cm3and 1.32 g/cm3(B1, B2 and B3), respectively, soil water retention capacity at the same water suction was improved as the initialρbwas increased, linear shrinkage ratio was increased as the initialρbwas decreased.The finalρbupon shrinkage was positively correlated with the initialρb.The increased initial bulk density increased void ratio in soil structure shrinking phase, while decreased void ratio in linear shrinking phase.When the initial water content were 49.34%, 43.55%, 36.03%, 31.93% and 25.51% (W1, W1, W3, W4 and W5), respectively, the higher the initial water content was, the faster the water lost, and the linear shrinkage ratio was increased.The void ratio in the structure shrinkage phase was the highest when water content was 36.03%.When the Shajiang contents were 0, 4%, 6%, 8%, 10% and 12% (SJ1, SJ2, SJ3, SJ4, SJ5 and SJ6) respectively, Shajiang content had little effect on linear shrinkage ratio and bulk density after shrinkage, and with the increase of Shajiang content, soil water content under the same soil suction was decreased.Soil void ratio was increased as Shajiang content was increased, but the soil moisture ratio was decreased under the same void ratio.

Shajiang black soil; bulk density; water content; Shajiang content; shrinkage characteristics

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.028

S152

A

1000-1298(2017)10-0229-08

2017-02-24

2017-03-21

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD05B00)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300804-3)

魏翠蘭(1989—)，女，博士生，主要從事土壤變化及其過(guò)程定量化研究，E-mail：weicuilan1989@cau.edu.cn

李保國(guó)(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤與水資源、作物模型及應(yīng)用研究，E-mail：libg@cau.edu.cn