楊逍宇

摘 要：土壤水分特征曲線可以表達(dá)能量與數(shù)量之間的關(guān)系，土壤水分運(yùn)動(dòng)、調(diào)節(jié)利用土壤水分和土壤改良方面具有十分重要的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。本文利用室內(nèi)離心機(jī)法獲得了荒漠綠洲河岸帶的包氣帶分層水分特征曲線數(shù)據(jù)，采用van Genuchten模型與Gardner模型各層土壤的水分特征曲線進(jìn)行擬合分析。結(jié)果表明：van Genuchten模型在各層不同類型的土壤的擬合中都有良好的表現(xiàn)，而Gardner模型表現(xiàn)較差，特別對(duì)于粘質(zhì)土壤。

關(guān)鍵詞：沙漠;土壤;水分特征曲線;經(jīng)驗(yàn)公式;擬合

中圖分類號(hào)：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）06-0203-03

0 引言

土壤水分特征曲線是土壤水基質(zhì)電位與土壤含水量相對(duì)應(yīng)變化之間的關(guān)系，其本質(zhì)是土壤水所含能量與數(shù)量之間的關(guān)系[1]。土壤的持水性能和排水性能可以通過(guò)土壤水分特征曲線反映出來(lái)，土壤水分特征曲線是研究土壤水分的保持和運(yùn)動(dòng)以及反映土壤水分基本特征的曲線，在土壤研究中有重要的實(shí)用價(jià)值[2]。土壤含水量和基質(zhì)勢(shì)可以通過(guò)土壤水分特征曲線進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換;土壤孔隙大小的分布也可以通過(guò)水分特征曲線反映;同時(shí)，土壤水分特征曲線也可以用來(lái)判斷土壤質(zhì)地狀況和土壤水分的分布狀況;此外，水分特征曲線是土壤水分運(yùn)動(dòng)方程模擬不可以缺少的重要參數(shù)[3]。因此，研究土壤水分特征曲線對(duì)土壤水分的運(yùn)動(dòng)、調(diào)節(jié)和改良具有極高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

獲取土壤水分特征曲線的方法包括多種方法，例如直接測(cè)定法和經(jīng)驗(yàn)公式法，其中直接測(cè)定法包括張力計(jì)法、離心機(jī)法和壓力膜法等。然而，土壤水分特征曲線的影響因素較為復(fù)雜，有必要從理論上分析土壤基質(zhì)勢(shì)與土壤含水量之間的關(guān)系，并推導(dǎo)出這種關(guān)系的表達(dá)式。因此，在直接觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一些經(jīng)驗(yàn)公式[4]，常見(jiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式有：Broods-Corey模型、Gardner模型、Van-Genuchten模型、Gardner-Russo模型、Mckee-Bumb模型、Frdlund-Xing模型等。

干旱區(qū)占我國(guó)國(guó)土面積的25%左右，干旱區(qū)包氣帶干燥，獲取土壤基質(zhì)勢(shì)非常困難，土壤水分特征曲線通常用于將土壤水分轉(zhuǎn)換為基質(zhì)勢(shì)。因此土壤水分特征曲線是研究包氣帶水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程的一個(gè)非常重要的參考因素。本文以荒漠土壤作為研究對(duì)象，通過(guò)離心機(jī)法獲取土壤切面土壤樣品的水分特征曲線，并選擇應(yīng)用比較廣泛的經(jīng)驗(yàn)公式van Genuchten模型和Gardner模型進(jìn)行擬合對(duì)比分析。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與測(cè)定試驗(yàn)

試驗(yàn)土樣采自我國(guó)西北內(nèi)陸河流域黑河流域下游的荒漠綠洲區(qū)，綠洲區(qū)河岸帶包氣帶厚度約為3.2m。根據(jù)土壤剖面的分層狀況，選取0-30cm、60-90cm、90-120cm、140-160cm、180-210cm、210-230cm為土樣采集土層，每層取2個(gè)重復(fù)土樣。如表1所示，研究區(qū)河岸帶包氣帶為砂質(zhì)土壤，并夾雜粘土層，其中埋深90-120cm和210-230cm土壤為粘土。本試驗(yàn)采用離心機(jī)法測(cè)定土壤水分特征曲線，離心機(jī)的型號(hào)為Hitachi CR21GIII。

1.2 Van Genuchten模型Gardner模型

Van Genuchten模型：? ? ? ?（1）

式中，θ為體積含水率（cm3/cm3），θr為殘余含水率（cm3/cm3），θs為飽含水率（cm3/cm3）;h為土壤吸力（基質(zhì)勢(shì)的絕對(duì)值，cm）;α為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù);n，m為曲線形狀參數(shù)，其中，m=1-1/n。

Gardner模型：h=αθ-β? ? ? ? ?（2）

式中，θ是體積含水率（cm3/cm3），θs是飽和含水率（cm3/cm3）;h是土壤吸力（cm）;α，β為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 荒漠綠洲河岸帶土壤水分特征曲線的確定

使用離心機(jī)測(cè)量法，測(cè)定獲得了表1中各層土壤的水分特征曲線，如圖1和圖2所示。其中，0-30cm、60-90cm和140-160cm埋深的土壤為壤質(zhì)的砂土或細(xì)砂土，其水分特征曲線相對(duì)比較一致，飽和含水量在0.42-0.45之間，殘余含水量在0.02-0.05之間，大體屬于同一土壤結(jié)構(gòu)類型。

另外，埋深為90-120cm、180-210cm和210-230cm的土壤水分特征曲線與前述三種土壤樣品有明顯的不同。其中，90-120cm和210-230cm深度的土壤為粘土土壤結(jié)構(gòu)類型，二者土壤水分特征曲線線型一致，為上凸型。埋深為180-210cm的土壤為砂質(zhì)土壤，線型為下凹型，與圖1三種土壤一致，但是其殘余含水量為0.12，明顯較大于圖1三種土壤的殘余含水量。

2.2 Van Genuchten模型Gardner模型擬合結(jié)果的比較

在本文中，決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）被用作模型比較的指標(biāo)，對(duì)于RMSE和R2各層土壤水分特征曲線的擬合評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。對(duì)于各層土壤，van Genuchten模型的RMSE值均明顯小于Gardner模型，而van Genuchten模型的R2值均大于0.98，明顯高于Gardner模型。因此，對(duì)于荒漠綠洲河岸帶土壤，van Genuchten模型擬合水分特征曲線表現(xiàn)更好。

對(duì)于埋深0-30cm的土壤，Van Genuchten模型的RMSE為0.009，R2為0.985，而Gardner模型的RMSE為0.025，R2為0.905。由圖3可以看出，Van Genuchten模型比Gardner模型能更好地?cái)M合實(shí)測(cè)的水分特征曲線數(shù)據(jù)。

對(duì)于埋深140-160cm的土壤，Van Genuchten模型與Gardner模型的RMSE值分別為0.003和0.014，而R2值分別為0.999和0.981，表明這兩個(gè)模型對(duì)于該層土壤均有較好的擬合效果，如圖4所示。

從圖5可看出，對(duì)于深度為210-230cm的土壤，Van Genuchten模型能夠很好描述該層土壤水分特征，而Gardner模型則不能，其R2值小于0.8。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)野外采集土樣和室內(nèi)離心機(jī)方法，獲得西北內(nèi)陸河流域黑河下游荒漠河岸帶的土壤剖面水分特征曲線。根據(jù)土壤的深度和分層不同，水分特征曲線呈現(xiàn)出不同的曲線類型。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，對(duì)于砂質(zhì)土壤水分特征曲線呈下凹型，而對(duì)于粘質(zhì)土壤，水分特征曲線呈上凸型。根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，選擇van Genuchten模型與Gardner模型分別對(duì)各層土壤的水分特征曲線進(jìn)行擬合并分析，結(jié)果表明：與Gardner模型相比，van Genuchten模型對(duì)各層不同類型的土壤均有良好的擬合效果，而Gardner模型對(duì)粘質(zhì)土壤表現(xiàn)并不理想。

參考文獻(xiàn)

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