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两种不同土壤的水分特征曲线剖析

2014/7/16 11:23:54??????点击:

    土壤水分特征曲线是描述土壤含水量与吸力(基质势)之间的关系曲线,反映了土壤水能量与土壤水含量的函数关系,也是暗示土壤根本水力特性的重要指标。大孔隙是一个相对概念,一般认为不论孔径大小、形状如何,只要能够导致水分和溶质优先迁移的任何孔隙都可称之为大孔隙。大量实验及科研表明,大孔隙遍及存在于自然界的土壤中,虽然土壤大孔隙仅占土壤体积的0.1%~5%,却在很大程度上影响着水分及溶质在土壤中的运移。因此,科研土壤水分特征曲线就不能不考虑大孔隙的影响。

    本文以南京市栖霞区东阳镇土壤为例,用土壤水分测定仪法分别测定了有大孔隙的原状土柱和无大孔隙存在的均质土柱(扰动土)的土壤水分特征曲线,同时用VanGenuchten模型对所测得数据实行拟合;最后剖析说明了大孔隙对土壤水分特征曲线及其拟合参数以及田间持水量和凋萎系数等水分常数的影响。实验所用的土壤取自南京市栖霞区东阳镇,取样土层分别为0~20cm、20~40cm,按照国际土壤学会对土壤粒级的划分准则,用吸管法测得土样的粘粒(<0.002mm)、粉粒(0.002~0.02mm)、砂粒(0.02~2mm)的组成,并确定其土壤质地。每种土样各做两次,取平均值得到其机械组成,结果如表1所示。实验所用离心机为日立CR21型高速冷冻离心机,转子编号为60;所用环刀的内直径和高均为5cm。

    在田间用环刀取得原状土样,由于环刀只有5cm,故实际的取样深度分别为7.5~12.5cm,27.5~32.5cm。将经风干的土样过2mm的筛子后,按其容重均匀装入环刀得到均质土样。将得到的土样在无气水中饱和48h后取出,称量其初始质量后放入离心机的离心盒中,转速按500、1000、1500、2000、3000、4000、5000、6000rpm依次递增,每个转速离心100min后称重,得到一系列土壤含水量与土壤水基质势相对应的关系点。用数学AppMatLab对得到的点用非线性拟合函数lsqcurvefit拟合得到VanGenuchten模型的参数,并最终得到土壤水分特征曲线的表达式。

    离心力计算公式为:

h=1.118×10-5×n2×h'×(r0-h'/2)(1)式中:h为土壤水吸力(cmH2O);n为离心机转速(rpm);h'为环刀中土样的长度(cm);r0为基准水面的旋转半径(cm),即离心机转子中心到离心盒中土样最远处的距离。


    描述土壤水分特征曲线的Van-Genuchten模型既连续又有连续斜率,得到的曲线光滑,对绝大多数土壤在相当宽的水势或含水量范围内具有遍及适用性,并可得到相对导水率的解析解,因而在土壤物理领域得到了最为广泛的应用,其公式暗示为:

    θ=θr+θs-θr[1+ahn]

    mh<0(2)式中:θ为体积含水量(cm3cm-3);θr为残留含水量(cm3cm-3);θs为饱和含水量(cm3cm-3);h为吸力(cmH2O);a、n、m为拟合参数,其中a为尺度函数,与平均孔隙直径成反比,a=1/hb,hb为进气吸力,m=1-1/n(n>1)。

 

    大孔隙土壤与均质土壤水分特征曲线形状的比较实验测得0~20cm、20~40cm土壤水的吸力与含水量的相干关系见表2,其对应的土壤水分特征曲线见图1、图2。从图中可以看出:原状土的水分特征曲线较均质土陡直,也就是随着吸力的增大,原状土体积含水量的减小量较均质土小,这说明用离心机法测定土壤水分特征曲线的有用吸力范围内,原状土壤持水性好,有较强的持水能力。造成这一现象的原因是由于原状土中存在大小不一的大孔隙,土壤大孔隙具有较小的基质势,土壤水优先从土壤大孔隙经过,在吸力值大于100cmH2O时大孔隙中的水已排空,土壤中仅剩余细小孔隙中的水分存留,而细小孔隙对土壤水具有较大的吸力,故增补相同的吸力从土壤基质中析出的水分较均质土少,表现在土壤水分特征曲线上就是曲线较为陡直。而均质土破坏了原状土的大孔隙和细小孔隙结构,使中等孔隙发育并且分布较为均匀,故随着吸力的增补土壤含水量逐渐减小,表现在土壤水分特征曲线上就是曲线较为平缓。从表2及图1、图2中还可以看出,吸力小于408.44cmH2O时,原状土的体积含水量均小于均质土;而吸力大于919.98cmH2O时,原状土的体积含水量大于均质土。吸力小于408.44cmH2O时原状土体积含水量小于均质土,这是由于土壤大孔隙中的水首要为重力水,在大孔隙连通的情况下,这局部水在土样从无气水中取出的瞬间就会因重力作用而失去;即使大孔隙不连通,大孔隙中的水分在压力为408.44~919.98cmH2O时也已全部失去,故土壤水分特征曲线上低吸力段原状土的体积含水量小于均质土。吸力大于919.98cmH2O时,原状土的体积含水量大于均质土,这是因为在吸力大于919.98cmH2O时原状土中的水分首要存在于细小孔隙结构之中,细小孔隙由于毛管力作用,持水性较好,吸力增大时这局部水不易失去;而均质土在破坏了原状土大孔隙结构的同时也破坏了原状土的细小孔隙结构,致使均质土在吸力大于919.98cmH2O时持水性能较差,故土壤水分特征曲线的高吸力段上,原状土的体积含水量大于均质土。

 

    用离心机法测土壤水分特征曲线的吸力范围为100~15849cmH2O,观测不到大孔隙中的水分失去的过程,要想详细地描述土壤大孔隙失水过程中土壤水分特征曲线的变化趋势,可以使用土柱法,土柱法测定吸力的范围为0~100cmH2O,具体可参考日本土壤物理性测定委员会编的《土壤物理性测定法》一书。大孔隙土壤与均质土壤水分特征曲线参数的比较利用MatLab的非线性函数lsqcurvefit对所测得的点实行拟合,结果如表3所示,残差平方和是指实测值与拟合曲线上对应值之差的平方和,值越小暗示拟合的效果越好,其余参数意义同式(2)。对所测得的四种土样的吸力与含水量数据实行拟合后的残差平方和的数量级均为10-5,效果非常好。拟合数据还可以看出:原状土的残留含水量均大于均质土;原状土的饱和含水量均小于均质土;原状土的尺度函数a均小于均质土。原状土的残留含水量均大于均质土,这是因为原状土存在细小孔隙,细小孔隙的持水性好,在较大的吸力下不易失水,而均质土破坏了这些细小的孔隙,中等孔隙发育,故在较大的压力下不易持水,因此原状土的残留含水量较均质土大。原状土的尺度函数a均小于均质土,是均质土的1/6左右,即原状土的平均孔隙直径大于均质土。这是因为原状土壤由于干湿交替作用、冻融循环作用、土壤中可溶性物质的溶解、植物生长、动物行动等因素存在较多的大孔隙结构,因此其平均孔隙直径较大;而均质土破坏了原状土的大孔隙结构,使土壤的中等孔隙发育,因此其平均孔隙直径减小,a增大。
   
把表3的参数代入式(2)就可得到4种土样的土壤水分特征曲线。


    2.3大孔隙对田间持水量和凋萎系数的影响田间持水量是指土壤中毛管悬着水达到最大时的土壤含水量。土壤含水量达到田间持水量时,土壤颗粒对水分子的最大吸力约为0.3个大气压,即309.9cmH2O,将h=309.9代入式(3)、(4)、(5)、(6)可得0~20cm原状土、均质土,20~40cm原状土、均质土的田间持水量分别为0.3509、0.3834、0.3588、0.3936,由此可以看出原状土的田间持水量小于均质土的田间持水量。这是由于原状土中存在大孔隙,土壤大孔隙持水性能较差,在较小的吸力下大孔隙中的水就容易失去;而均质土中等孔隙发育,并且分布较为均匀,故在低吸力段持水性较好。由此可以看出,农田的耕作可以破坏不易持水的大孔隙的结构,使中等孔隙发育,从而有更利于土壤对水的保持,为作物生长提供必须的水分。

    凋萎系数是指土壤颗粒对水分子的吸力为15个大气压,即15495cmH2O时的土壤含水量,这时土壤中的水分不能为植物根系所吸取,会致使植物产生永久性凋萎。将代入式(3)、(4)、(5)、(6)可得0~20cm原状土、均质土,20~40cm原状土、均质土的田间持水量分别为0.2319、0.2157、0.2477、0.2035,可以看出原状土的凋萎系数大于均质土的凋萎系数,这是由于原状土中存在较多的细小孔隙,而均质土破坏了这些细小孔隙的缘故。

    这一结论说明,用均质土所得的土壤水分特征曲线来设计和引导农田灌溉,需要对曲线修正,使灌溉准则既能满足作物需水又能最大限度地节约用水。本文用离心机法测定了0~20cm及20~40cm的原状土和均质土的水分特征曲线,并用VanGenuchten模型对所测得的数据实行拟合,经过对比剖析了原状土中大孔隙对水分特征曲线及其参数以及田间持水量和凋萎系数的影响。指出了土壤大孔隙虽然只占土壤总体积的很少一局部,但对土壤水分特征曲线的低吸力段和高吸力段都有很大的影响,它使原状土在低吸力段含水量较均质土小,而在高吸力段较均质土大,并使VanGenuchten模型的尺度函数较均质土小。同时指出了含有大孔隙的原状土田间持水量小于均质土的田间持水量,而凋萎系数大于均质土的凋萎系数。

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