初始容重对土壤水分特征曲线的影响

张鹏飞， 贾小旭， 赵春雷， 邵明安,

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101；3.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100190）

土壤水分特征曲线反映了土壤水吸力与土壤体积含水率之间的定量关系，是土壤水文研究的重要指标［1］。土壤水分特征曲线与土壤孔隙状况密切相关，一切影响土壤孔隙状况和水分特性的因素都会对其产生影响［2］，包括土壤容重［3］、质地［4］、结构［5］等。由于土壤水分特征曲线影响因素复杂，目前尚未从理论上建立土壤含水量与土壤基质势之间的关系，通常利用Brooks-Corey 模型［6］、Campbell 模型［7］、van Genuchten 模型［8］等经验公式进行描述。其中，van Genuchten 模型因其适用多种类型土壤、模拟精度高而被广泛使用。

容重是土壤的基本物理性质之一，是土壤水分运动参数、土壤水分特征曲线的重要影响因素［3,9-12］。容重对土壤水分特征曲线的影响受到研究者的关注，如邵明安等［13］研究了填装土土壤水分特征曲线测量过程中质量含水量、吸力和容重三者间的定量关系，研究发现土壤持水特性是由土壤质量含水量、吸力和容重3 个变量共同确定的一个曲面。李卓等［14］利用模拟实验研究了容重对土壤水分蓄持能力影响，结果表明土壤的水分蓄持能力随容重的增加而减小。关于容重对土壤水分运动参数的影响，付晓莉等［15］研究了土壤水分特征曲线测定过程产生的容重变化对水分运动参数的影响，结果表明参数α随容重的增大而减小，可用幂函数表示；黑垆土和塿土的参数λ、n随容重的增加而增大，可用线性函数描述。吕殿青等［16］利用石蜡固定容积方法，研究了不同压实程度土壤的水分特征曲线，结果表明水分运动参数λ、α随容重的增大而减小，可分别用幂函数和线性关系表示。虽然，容重对土壤水分特征曲线、土壤水分运动参数的影响已有大量研究，但以往研究更加关注测定过程中容重变化对土壤水分特征曲线、土壤水分运动参数的影响，且土壤类型单一，缺乏不同初始容重和不同土壤类型处理下的对比实验研究。基于此，为探究初始容重对不同质地土壤水分特征曲线、水分运动参数的影响，本研究选取黑土、红壤和塿土3种土壤类型，每种土壤设定5个初始填装容重（1.0 g·cm-3、1.1 g·cm-3、1.2 g·cm-3、1.3 g·cm-3、1.4 g·cm-3），通过离心机测量不同初始容重处理的土壤水分特征曲线，对比不同处理间土壤水分特征曲线的差异，并利用van Genuchten模型对实测数据进行拟合，得到土壤水分运动参数，分析初始容重对不同处理土壤水分运动参数的影响。本研究可为明确初始容重对土壤水分特征曲线及其水分运动参数的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选取杨凌塿土、江西红壤、黑龙江黑土为实验供试土壤。3种土壤经自然风干后过2 mm筛，利用吸管法对颗粒组成进行测定分析，土壤质地分析采用国际制划分标准，3 种供试土壤的颗粒组成及质地类型见表1。

表1 3种供试土壤的颗粒组成和质地Tab.1 Particle composition and texture of three soils tested

1.2 研究方法

于2020年12月在中国科学院水利部水土保持研究所进行，首先将自然风干后的土样磨碎过2 mm筛，然后分别按照设定初始容重填装在体积为100 cm3的环刀中，为减小不同初始容重处理填装过程中的误差，土壤样品采用逐层填装的方法，每层土壤样品填装完成后对其表层进行人工打磨，以保证每层土壤之间自然衔接。填装完成后将环刀饱和24 h，测定其饱和含水量。利用高速冷冻离心机（CR21G）测定土壤水分特征曲线，测定时保持温度稳定在20 ℃，测定不同吸力下（1 kPa、10 kPa、20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa）土壤样品相应的体积含水量，对应的离心机转速分别为310 r·min-1、981 r·min-1、1387 r·min-1、1961 r·min-1、2402 r·min-1、2774 r·min-1、3101 r·min-1、4385 r·min-1、6202 r·min-1、7596 r·min-1、8771 r·min-1，其测定时间分别为10 min、26 min、36 min、45 min、51 min、55 min、58 min、68 min、77 min、83 min、87 min。实验设置3 个重复处理，土壤含水量取3个重复的平均值进行分析。

1.3 土壤水分特征曲线模型

利用RETC软件中的van Genuchten模型对离心机实测数据进行拟合，得到土壤水分运动参数［17］。van Genuchten模型［8,18］的具体数学表达式为：

式中：θ为土壤含水量（cm3·cm-3）；θr为残余含水量（cm3·cm-3）；θs为饱和含水量（cm3·cm-3）；h为压力水头（cm）；α、n、m为形状参数，其中m=1-1/n。

1.4 数据处理方法

采用Excel 对数据进行统计分析，SPSS 25.0 对不同处理土壤水分运动参数（θr、θs、α、n）进行单因素方差分析，明确3 种土壤不同初始容重处理之间水分运动参数的差异性，然后利用Pearson相关分析对3种土壤类型下初始容重与土壤水分运动参数的相关性进行分析，进一步明确土壤水力参数与初始容重的线性关系，采用Origin2021b软件进行图像化处理。选取均方根误差（RMSE）和决定系数（R2）作为土壤含水率实测值与van Genuchten 模型预测值之间差异性的评价指标。RMSE［19］表达式为：

式中：Xi为体积含水率实测值；Yi为模型拟合值；N为用于模型拟合的样本个数。

2 结果与分析

2.1 van Genuchten 模型对3 种土壤水分特征曲线拟合效果评价

通过RETC 软件对离心机实测数据进行拟合，得到van Genuchten模型拟合参数R2，将实测值和拟合值代入公式（2）求得模型拟合效果评价指标均方根误差RMSE，具体结果见表2。其中，拟合参数R2越接近于1，均方根误差RMSE 越接近于0，van Ge-nuchten模型拟合效果越好［19］。

表2 黑土、红壤和塿土不同初始容重处理拟合参数R2和评价指标RMSETab.2 Fitting parameters R2and evaluation index RMSE of black soil,red soil and loess soil with different initial bulk density treatments

由表2 可知，3 种土壤不同初始容重处理van Genuchten模型拟合参数R2均高于0.99，且求得的模型拟合效果评价指标均方根误差RMSE 均低于0.01，结果表明拟合值与实测值之间的误差较小，van Genuchten模型拟合效果较好，可用于黑土、红壤和塿土不同初始容重处理土壤含水量实测值的拟合。

2.2 初始容重对3种不同质地土壤水分特征曲线的影响

对比3种土壤的水分特征曲面（图1）发现，在近饱和段（S＜100 kPa），3 种土壤的水分特征曲面表现为相似的变化趋势，即相同土壤水吸力下随着初始容重的增加土壤体积含水率逐渐增加。而在高吸力段（S＞100 kPa），3 种土壤的水分特征曲面表现为不同的变化趋势。对于黑土而言，随着初始容重的增加土壤水分特征曲面平缓上升（图1a），红壤的水分特征曲面在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3的过程中呈下降趋势（图1b），而塿土的水分特征曲面在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3时上升的更加陡直（图1c）。

2.3 初始容重对3种不同质地土壤水分运动参数的影响

由图1可知，3种土壤的水分特征曲面随着初始容重变化的趋势有所不同，表明土壤质地、初始容重对土壤水分特征曲线存在一定的影响，进而导致不同处理土壤水分运动参数存在差异［20］。4个水分运动参数中，3种土壤的水分运动参数α、θs与初始容重均表现为显著的负相关关系（P＜0.01）（图2），即随着初始容重的增加，水分运动参数α（图3a）、θs（图3b）逐渐降低，其中黑土水分运动参数α在不同初始容重间差异显著（P＜0.05），相较于其他2 个水分运动参数，α、θs受初始容重的影响较大。除初始容重1.4 g·cm-3处理外，相同初始容重下塿土的水分运动参数θr显著低于黑土和红壤（图3c），其中，黑土和塿土的水分运动参数θr与初始容重无显著关系，而红壤的水分运动参数θr与初始容重表现为显著的负相关关系（P＜0.01），且随着初始容重的增加，θr的减小幅度较大，高达10%。这表明相较于黑土和塿土，红壤的水分运动参数θr受初始容重的影响较大。黑土初始容重与土壤水分运动参数n表现为显著的正相关关系（P＜0.01），而红壤和塿土初始容重与土壤水分运动参数n呈负相关关系，但关系不显著（P＞0.01），这表明相较于红壤和塿土，黑土的水分运动参数n受初始容重的影响较大，但3 种土壤不同初始容重处理水分运动参数n的变化幅度较小，都维持在0.1左右（图3d）。

图1 黑土（a）、红壤（b）和塿土（c）的水分特征曲面Fig.1 Moisture characteristic surfaces of black soil(a),red soil(b)and loess soil(c)

图2 黑土、红壤和塿土初始容重与土壤水分运动参数相关系数分布特征Fig.2 Distribution characteristics of correlation coefficient between initial bulk density of black soil,red soil and loess soil and soil water movement parameters

图3 黑土、红壤和塿土不同初始容重处理的水分运动参数α（a）、θs（b）、θr（c）和n（d）特征Fig.3 Characteristics of water movement parameters α(a)、θs(b)、θr(c)and n(d)in black soil,red soil and loess soil under different bulk densities

3 讨论

土壤水分特征曲线的影响因素众多，其中包括土壤质地、总孔隙度和容重等［21］，本研究探讨了初始容重、质地对土壤水分特征曲线及其水分运动参数的影响。本研究发现，土壤质地和初始容重对土壤水分特征曲线的影响主要集中在较高的土壤水吸力段。其中，红壤的水分特征曲面在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3的过程中呈下降趋势，这是因为红壤中黏粒含量较高，且砂粒含量较低，相同初始容重下相比黑土、塿土有更多的小孔隙，在高容重处理中，较高的离心力使这些小孔隙中的水被排出，导致土壤含水率呈下降趋势。相比之下，塿土的水分特征曲面在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3的过程中上升的更加陡直。这是因为塿土中黏粒含量较其他2 种土壤低，土壤大孔隙数量较多，而张丽娜［22］基于CT扫描技术的矿区不同容重土壤水力特性的预测研究发现，土壤压实容易改变土壤孔隙形态，其大孔隙数量随着容重的增加而减小，压实过程中对大孔隙的破坏程度较高，若压实程度过大，将导致土壤大孔隙消失。本研究中，离心力使得土壤发生收缩，产生压实效应。因此，塿土中大孔隙数量逐渐减小，增加了小孔隙数量，进而增加了塿土的持水能力［23］。

初始容重对土壤饱和含水量参数θs和水分运动参数α影响较大，且3种土壤均表现为显著的负相关关系。这是由于饱和含水量θs与土壤孔隙度密切相关［24］，而初始容重对土壤孔隙度存在影响，汪言在等［25］通过对北方农牧交错带表层土壤孔隙度特征及其影响因素研究发现，土壤孔隙度与田间持水量存在正相关关系，而容重与土壤孔隙度存在负相关关系。因此，本研究中，土壤饱和含水量参数θs随着初始容重的增加逐渐减小。而水分运动参数α与土壤进气值的倒数密切相关［15］，导致随着初始容重的增加，土壤进气值逐渐增加，水分运动参数α逐渐减小。而土壤水分运动参数θr、n与初始容重的关系在3 种土壤间有所不同。相较于黑土和塿土而言，红壤的水分运动参数θr与初始容重表现为显著的负相关关系，且红壤水分运动参数θr在初始容重为1.0 g·cm-3、1.4 g·cm-3时，分别达到最大值和最小值，与其他初始容重处理具有显著差异（P＜0.05），减小幅度达10%，受初始容重影响较大。这是因为红壤中黏粒含量较黑土和塿土高，随着初始容重的增加，土壤小孔隙数量逐渐增加，一般认为，水分运动参数θr对应的土壤水吸力为1500 kPa［15］，该吸力下，土壤小孔隙中的水逐渐被排出，导致水分运动参数θr随初始容重增加逐渐降低，且变化幅度较大。

此外，实验过程中发现，离心机测量过程中较高的离心力使得土壤会发生一定程度的收缩，导致初始容重发生变化，这与孙中峰等［26］对晋西黄土区坡面林地土壤持水性能研究结果一致。在本研究中，这一现象导致塿土的水分特征曲面在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3时上升的更加陡直，这与吕殿青等［16］采用石蜡固定容积的方法测量土壤水分特征曲线的结果存在差异。因此，今后的研究需要定量分析离心机测量过程中土壤收缩对水分特征曲线及其水分运动参数的影响。例如，结合测量过程中土壤收缩较小的压力膜仪测量方法［27］，对比离心机、压力膜仪测量所得土壤水分特征曲线及其水分运动参数的差异性，进一步明确离心机测量过程中土壤收缩对水分特征曲线及其水分运动参数的影响。

4 结论

通过研究土壤初始容重、质地对水分特征曲线及其水分运动参数的影响，得到主要结论如下：

（1）van Genuchten模型对不同处理水分特征曲线拟合效果较好，可用于黑土、红壤和塿土不同初始容重处理水分特征曲线的拟合。

（2）土壤质地和初始容重对水分特征曲线的影响主要集中在较高的水吸力段。在近饱和段，相同水吸力下3种土壤的水分特征曲线均表现为随着初始容重的增加，体积含水量逐渐增加；而在高吸力段，较大离心力使得3 种土壤水分特征曲线随初始容重变化趋势存在差异，在初始容重由1.3 g·cm-3增加到1.4 g·cm-3的过程中，红壤由于其黏粒含量较高，水分特征曲面呈下降趋势，而砂粒含量较高的塿土的水分特征曲面变的更加陡直。

（3）3 种土壤的水分运动参数α、θs与初始容重均表现为显著的负相关关系，受初始容重的影响较大；而水分运动参数θr、n与初始容重的相关性受土壤质地的影响，导致3 种不同土壤质地间水分运动参数θr、n与初始容重的关系存在差异。