王衛(wèi)華 張志鵬

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500)

土壤是固、液、氣三相組成的松散顆粒集合體［1］，氣體與水分共同存在土壤孔隙中。土壤孔隙結(jié)構(gòu)的性質(zhì)包括結(jié)構(gòu)與數(shù)量、大小分布、幾何構(gòu)型、連續(xù)性、連通性、彎曲度等形態(tài)數(shù)量特征、孔隙的空間分布及孔隙間相互連通狀況，是土壤結(jié)構(gòu)最值得關(guān)注的方面［2-3］。上述性質(zhì)直接決定了土壤水分的供應(yīng)與保持、氣體交換與供氧能力［4］。土壤氣體傳輸主要依賴大孔隙，其數(shù)量與比例決定土壤通氣的能力［1］。土壤大孔隙的概念目前存在3種觀點［5-7］，由于研究者們的理解觀點不同，導(dǎo)致對大孔隙孔徑范圍劃分存在分歧，因此會根據(jù)實際研究需要劃分孔隙大?。?-10］?？紫哆B續(xù)性依靠孔隙通道的長度來反映，連通性是指孔隙間的連通狀況［2］。土壤孔隙結(jié)構(gòu)具有空間強變異性，土壤松散非固結(jié)性使得其研究存在諸多難點［3］。從早期的傳統(tǒng)方法，到土壤切片［11］、CT掃描［12-13］、核磁共振［14］等技術(shù)的普及，土壤孔隙研究逐漸傾向于直接、定量的研究［15］，目前研究重點在于模型方面，但這些模型均對土壤孔隙結(jié)構(gòu)進行過簡化，在實際應(yīng)用中均不能實現(xiàn)對土壤孔隙結(jié)構(gòu)的完全模擬。Ehler等［16］采用網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)和波茲曼模型對毛孔結(jié)構(gòu)進行研究，分析土壤水力特性與孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。Moldrup等［17-18］提出了將空氣傳導(dǎo)性、氣體擴散性和土壤水特征三者結(jié)合，評估土壤孔隙連通性的功能。此后，其他學(xué)者的研究評估了孔隙幾何空間與貢獻于水力傳導(dǎo)的土壤孔隙兩者的相互關(guān)系。Vervoort和Cattle［19］為研究毛孔空間幾何彎曲程度和水力傳導(dǎo)性的聯(lián)系，對原狀土土樣的毛孔進行了圖像分析。Tuli等［20］發(fā)現(xiàn)孔隙的大小分布對水力傳導(dǎo)性和氣體傳輸性函數(shù)關(guān)系的確定均起到關(guān)鍵作用。部分國內(nèi)學(xué)者利用量化指數(shù)［21-22］及多重分形［23］的方法對土壤孔隙率展開相關(guān)研究。綜上，前人應(yīng)用土壤水力傳導(dǎo)特征從宏觀的角度來描述孔隙幾何空間，提出了許多基于孔隙幾何參數(shù)構(gòu)建的特征分析模型［19-20，24］，但飽和導(dǎo)水率在田間土壤的變異性通常很大，且測量效率低下，往往需要更多的重復(fù)。原狀土導(dǎo)氣率高度依賴土壤孔隙結(jié)構(gòu)［25-27］，導(dǎo)氣率的獲取簡單、快速、高效，且對土壤結(jié)構(gòu)破壞?。?8-29］，利用土壤氣體傳輸速率分析土壤結(jié)構(gòu)、孔隙幾何分布成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點。關(guān)于分析原狀土與擾動土因土壤結(jié)構(gòu)改變造成孔隙幾何特征發(fā)生變化的試驗研究極少，故本研究分別測定了不同含水率、不同容重下的原狀土與擾動土的導(dǎo)氣率，基于此對土壤孔隙結(jié)構(gòu)及彎曲連通性展開討論，旨在為進一步揭示土壤氣體傳輸?shù)膬?nèi)在機制提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗材料與設(shè)計

室內(nèi)擾動土試驗開展于昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院土壤物理學(xué)實驗室，室外原狀土試驗開展于昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院智能控制型溫室東南側(cè)空曠摞荒處。2016年4月初開展試驗，試驗土樣經(jīng)自然風(fēng)干，碾磨過2 mm篩，使用馬爾文激光顆粒分析儀測定土壤質(zhì)地；采用國際制土壤質(zhì)地分類標準，威爾克斯法測定田間持水量［30］，結(jié)果如表1所示。

表1　土壤樣本顆粒組成及質(zhì)地分類Table 1　Particle composition of tested soil and soil texture

野外取土測定土壤容重，原狀土采樣位于土層15～25 cm處，在采樣區(qū)域內(nèi)隨機取樣，共計60個。為分析土壤含水率對導(dǎo)氣率的影響，選取容重為1.3 g cm-3左右的原狀土試樣12個，室內(nèi)試樣制備取過篩且干燥后的試驗土樣，按容重1.3 g cm-3裝入環(huán)刀內(nèi)制作擾動土樣本（盡可能接近1.3 g cm-3，最終以實際容重進行分析），共計12個；為分析土壤容重對導(dǎo)氣率的影響，選取土壤含水率為 200 g kg-1，不同容重水平（1.2、1.3、1.4、1.5 g cm-3）下的試樣進行導(dǎo)氣率分析，原狀土選擇容重接近初始設(shè)定水平的樣本，擾動土按照初始設(shè)定水平進行裝填，最終按實際容重計，每個處理設(shè)4個重復(fù)，共計32個樣本（其中原狀土16個，擾動土16個）。所有樣本采集完畢用0.01 mol L-1CaCl2溶液浸泡24 h，以穩(wěn)定毛孔結(jié)構(gòu)［20］，并抑制潮濕環(huán)境下真菌等微生物滋生。

1.2　測試方法

本研究采用PL-300型土壤空氣傳導(dǎo)性測量系統(tǒng)（德國Umwelt-Ger?te-Technik GmbH公司）測定土壤導(dǎo)氣率［31］，采用環(huán)刀測量室，測量儀器示意圖如圖1所示。

將供試土樣飽和，靜置至平衡，稱重、測導(dǎo)氣率；將試樣連同環(huán)刀放入35℃烘箱中約6 h［20，31］，取出后靜置，待其冷卻至室溫，稱重并計算 其含水率，測定此時的土壤導(dǎo)氣率。重復(fù)以上步驟，依次測定含水率不斷降低情況下的導(dǎo)氣率，直至土樣干燥；干燥法測容重。在測量過程中，土壤含水率不斷減小引起土樣輕微收縮，造成采樣環(huán)內(nèi)壁出現(xiàn)狹小的縫隙，導(dǎo)致漏氣。因而在每次烘箱養(yǎng)護后、測量前使用石蠟進行邊壁密封，防止氣體沿邊壁泄漏。為確保試驗精確性，每組4個樣本同時進行試驗，取其平均值。

圖1　測量儀器示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring instrument

1.3　理論公式

土壤水分特征曲線（Soil Water Characteristic Curve，SWC）能夠反映土壤孔隙分布特征，Mualem［33］提出利用SWC曲線（Campbell模型［32］）將彎曲連通系數(shù)作為固定值直接應(yīng)用于相對導(dǎo)氣率方程中分析氣體傳輸特征。Tuli等［20］指出通 過此種方法獲取的彎曲連通系數(shù)對應(yīng)的均方根誤差較小，并提出利用描述相對導(dǎo)氣率的方程確定孔隙彎曲連通程度的系數(shù)l值：

式中，km為相對導(dǎo)氣率；ka為導(dǎo)氣率；ksa為飽和導(dǎo)氣率；Sw為液相飽和度，l為孔隙彎曲連通性；hm為土壤基質(zhì)勢。

將式（1）變形積分，得：

式中，Sa為氣相飽和度，Sa=1-Sw；λ表示孔隙大小分布的指標，λ=1/b；其中，b為土壤水分特征曲線對數(shù)關(guān)系圖中斜率的絕對值。

式（2）兩邊取對數(shù)，可得：

孔隙彎曲度的概念由Bear［34］于1972年提出，其表達式為式（4），孔隙彎曲連通性越好，τ值越大。

1.4　數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理，使用SPSS19.0比較數(shù)據(jù)模塊單因素方差分析（ANOVA），其中P表示在相應(yīng)F值下的概率值，F(xiàn)-crit表示在相應(yīng)顯著水平下的F臨界值，通過P值判斷組間的差異性，當F≥F-crit時，有顯著差異。

2　結(jié) 果

2.1　土壤含水率對導(dǎo)氣率的影響

含水率與容重是影響導(dǎo)氣率的主成分因子［35］，同時這兩者亦是影響土壤 孔隙含量與孔隙結(jié)構(gòu)的主要因素，因而本研究中先分析含水率、容重對導(dǎo)氣率的影響，進而展開基于土壤導(dǎo)氣率對土壤結(jié)構(gòu)與孔隙彎曲連通性的討論。

為了得到土壤含水率對導(dǎo)氣率的影響，選取容重為1.3 g cm-3的原狀土與擾動土樣本導(dǎo)氣率實測數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2知，導(dǎo)氣率隨含水率的增加而顯著減小，且 在含水率較低的情況下，導(dǎo)氣率對含水率的變化較為敏感，標準差浮動范圍較大。同一容重條件下，原狀土導(dǎo)氣率較擾動土導(dǎo)氣率數(shù)值高，歸因于土壤大孔隙的存在。水與空氣一起占據(jù)了土壤孔隙，較小孔隙部分被水優(yōu)先占據(jù)，較大孔隙則被空氣優(yōu)先占據(jù)［1］，故土壤含水率的增加會造成孔隙度的減少，進一步降低土壤氣體傳輸能力。

圖2　導(dǎo)氣率與含水率的關(guān)系Fig. 2 Relationship between air permeability values and water contents

2.2　土壤容重對導(dǎo)氣率的影響

土壤空氣更替通過相互連接的充氣孔隙實現(xiàn)[1]，土壤孔隙的大小、數(shù)量及結(jié)構(gòu)共同確定了其通氣性能。為分析土壤容重對導(dǎo)氣率的影響，選取不同容重水平下土壤含水率為20%的原狀土與擾動土試樣進行分析。如圖3所示，土壤容重越大，其密實程度越高，孔隙結(jié)構(gòu)受到壓縮，孔隙度降低，導(dǎo)致土壤通氣性能減弱，導(dǎo)氣率下降。

由圖3得，原狀土與擾動土的導(dǎo)氣率隨容重的增加而減小，當原狀土容重為1.32、1.44、1.52 g cm-3時，導(dǎo)氣率分別為1.17 g cm-3時的55%、33%、29%；擾動土容重為1.32、1.43、1.51 g cm-3時，導(dǎo)氣率分別為1.2 g cm-3時的35%、17%、9%。

圖3　導(dǎo)氣率與容重的關(guān)系Fig. 3 Relationship between air permeability values and bulk densities

擬合導(dǎo)氣率與容重之間的關(guān)系趨勢線，原狀土與擾動土樣本均符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，如式（5）所示；原狀土導(dǎo)氣率數(shù)值略高于擾動土，且原狀土導(dǎo)氣率隨容重增加而變化的曲線較擾動土平緩。擾動土的土壤孔隙結(jié)構(gòu)受到較大程度的影響，其導(dǎo)氣率較原狀土均有不同程度的下降，歸因于擾動土在處理過程中破壞了原有土壤結(jié)構(gòu)，特別是對氣體傳輸起關(guān)鍵作用的大孔隙。這與Tu li等［20］、王衛(wèi)華等［31］關(guān)于原狀土和擾動土與含水率關(guān)系的研究結(jié)果一致。

2.3　孔隙對導(dǎo)氣率的影響

圖4為實測導(dǎo)氣率與含氣量之間的關(guān)系，含氣量由樣本充水孔隙（含水率）與樣本總孔隙度計算而來（此處不考慮死孔穴的存在，認為孔隙均連通且被填充，非水即氣［30］）。在土樣飽和時，此時氣相連續(xù)性為零，則無法測量土壤導(dǎo)氣率，視導(dǎo)氣率數(shù)值為零，再次證明大孔隙對于氣體傳輸?shù)闹匾?。假設(shè)原狀土與擾動 土導(dǎo)氣率曲線間隔距離由較擾動土樣本增加的孔隙連通性而造成［30］，從圖4中可以看出，原狀土樣本導(dǎo)氣率與含氣量之間的關(guān)系線條傾斜程度遠大于擾動土，經(jīng)顯著性分析得F=6.366 942，P=0.020 202，F(xiàn)-crit=4.351 244，表明原狀土樣本孔隙彎曲連通性隨氣相飽和度增 加而增加的程度較擾動土樣本顯著。

圖4　原狀土、擾動土實測導(dǎo)氣率與含氣量的關(guān)系Fig. 4 Relationship between measured permeability and air contents for undisturbed and disturbed soil samples

上述分析可知，從導(dǎo)氣率的絕對數(shù)值來看，擾動土明顯小于原狀土，主要歸因于土壤結(jié)構(gòu)的損壞，孔隙性狀發(fā)生變動，導(dǎo)致大孔隙數(shù)量銳減。為了比較不同試樣間導(dǎo)氣率與含氣量間的關(guān)系，為此采用相對概念進行分析，引入氣相飽和度反映土壤孔隙狀況，建立原狀土、擾動土相對導(dǎo)氣率與氣相飽和度之間的關(guān)系，如圖5所示。量化的相對導(dǎo)氣率數(shù)值與原狀土、擾動土導(dǎo)氣率實測數(shù)據(jù)具有相同的變化趨勢，采用相對導(dǎo)氣率剔除了由液相占據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)的影響。在樣本接近飽和的情況下，氣相孔隙連通度很低，致使氣體傳輸速率維持在較低水平，在失水條件下，氣相飽和度增高，土壤大孔隙結(jié)構(gòu)貫通，氣體傳輸速率顯著增加，但氣體傳輸?shù)呐R界值（土壤干燥條件下的最大導(dǎo)氣率數(shù)值）仍舊不明確。原狀土與擾動土相對導(dǎo)氣率與氣相飽和度的關(guān)系曲線變化趨勢基本相同，但不重合，證明即便在飽和度一樣的條件下，兩者的孔隙彎曲連通程度仍然有區(qū)別。

圖5 原狀土、擾動土相對導(dǎo)氣率與氣相飽和度的關(guān)系Fig. 5 Relationship between relative permeability and air saturation for undisturbed and disturbed soil samples

圖4、圖5所示原狀土與擾動土導(dǎo)氣率的差異皆歸因于土壤結(jié)構(gòu)與大孔隙性狀的改變，此觀點由Blackwell等［36］于1990年首次提出。因此，建立氣體模型必須考慮土壤樣本間的孔隙結(jié)構(gòu)變化［19］，通過比較兩者的相對導(dǎo)氣率曲線來擬合孔隙彎曲連通系數(shù)是可以實現(xiàn)的。取原狀土與擾動土樣本導(dǎo)氣率實測數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)Schaap和Leij［37］的建議，對彎曲連通系數(shù)進行修正，而非使用常數(shù)0.5作為彎曲連通系數(shù)的固定值。

首先建立對數(shù)關(guān)系的土壤水分特征曲線，如圖6所示。擬合線性關(guān)系趨勢線，獲得斜率的絕對值，即式（2）中的b值。以容重1.3 g cm-3的樣本為例，按照式（3）步驟可得供試土樣原狀土與擾動土孔隙彎曲連通系數(shù)l分別為0.654、0.848（圖7）。同理計算可得其他容重供試樣本的l值，進行描述性統(tǒng)計分析，結(jié)果列于表2。

2.4　孔隙彎曲連通性

圖6　對數(shù)關(guān)系的土壤水分特征曲線Fig. 6 Soil water characteristic curves in log-log relationship for undisturbed and disturbed soil samples

圖7　lnSa的關(guān)系圖Fig. 7 The relationship between lnA and lnSa

表2　孔隙彎曲連通系數(shù)描述性統(tǒng)計Table 2　Descriptive statistics of soil pore tortuosity-connectivity parameters

根據(jù)供試土樣實測含水率推算氣相飽和度，結(jié)合Tuli等［20］的推算經(jīng)驗，令孔隙彎曲連通系數(shù)l＝0，0.5，1，…8，代入式（4）中，計算并繪制孔隙彎曲度τ與氣相飽和度Sa關(guān)系圖的基礎(chǔ)構(gòu)架，如圖8所示。將表2中供試土樣原狀土與擾動土孔隙連通系數(shù)l的最大值、最小值代入式（4），經(jīng)計算分別得到原狀土與擾動土的孔隙彎曲度τ值，即圖8中的陰影部分的上下輪廓線，該陰影部分表示供試土樣原狀土與擾動土l的范圍（非常數(shù)0.5），即相應(yīng)氣相飽和度下孔隙彎曲度τ值的取值區(qū)間。

圖8　原狀土與擾動土孔隙彎曲程度與氣相飽和度的關(guān)系Fig. 8 Relationship between tortuosity and air saturation for undisturbed and disturbed soil samples

擬合結(jié)果呈現(xiàn)：原狀土與擾動土的彎曲連通系數(shù)值不同。擾動土的l值大于原狀土的l值，但其導(dǎo)氣率數(shù)值遠小于原狀土的。如圖8結(jié)果表明，l值代表氣體傳輸時的孔隙彎曲連通效果，陰影部分呈現(xiàn)出擾動土與原狀土樣本孔隙彎曲度τ變化范圍的差異；對于原狀土與擾動土的τ值是不一致的，歸結(jié)于大孔隙與土壤結(jié)構(gòu)的作用導(dǎo)致原狀土在高含水率下失去水分時的τ值突降，使得孔隙連通性顯著提高，從而氣體傳輸速率高。原狀土導(dǎo)氣率依賴于大孔隙的存在，擾動土導(dǎo)氣率不僅依賴于孔隙連通的程度，還取決于孔隙彎曲程度，孔隙尺寸的分布亦是重要的影響因素，尤其是在接近飽和的高含水率情況下。此研究結(jié)論與Tuli等［20］研究結(jié)果一致（其指出在含水率接近飽和時，經(jīng)過土壤大孔隙排水并達到氣相飽和度閾值后建立氣相連接），因此l值可作為土壤導(dǎo)氣閾值的參考指標。

盡管彎曲連通系數(shù)作為擬合參數(shù)，與土壤物理基本性質(zhì)等無特殊關(guān)系，但擾動影響土壤孔隙幾何特性，在氣體傳輸過程中，土壤顆粒及土壤孔隙的排列嚴重影響孔隙彎曲連通參數(shù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對氣體傳輸進行描述時，必須嚴格區(qū)分原狀土與擾動土樣本，充分考慮兩者在孔隙分布上的差異［20，31］。

3　結(jié) 論

原狀土樣本孔隙彎曲連通性隨氣相飽和度增加而增加的程度較擾動土樣本顯著；原狀土與擾動土相對導(dǎo)氣率與飽和度的關(guān)系曲線變化趨勢基本一致，但并不重合，說明即使在飽和度相同的情況下，兩者的孔隙彎曲連通程度仍然不同；原狀土導(dǎo)氣率主要依賴于大孔隙的存在，但擾動土導(dǎo)氣率不僅依賴于孔隙連通的程度，還取決于孔隙彎曲度；原狀土與擾動土彎曲連通系數(shù)的取值亦有較大差別；在高含水率條件下還應(yīng)考慮孔隙尺寸分布對導(dǎo)氣率的影響。在對土壤氣體傳輸與孔隙結(jié)構(gòu)進行相關(guān)研究并應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的過程中，除分析土壤物理基本參數(shù)以外，還應(yīng)就原狀土與擾動土不同的彎曲連通系數(shù)加以區(qū)分與討論。

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