胡傳旺　王　輝　武　蕓　盧佳宇　劉　常

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 長沙 410128; 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 長沙 410128)

0　引言

土壤次生鹽漬化是土壤質(zhì)量狀況需要關(guān)注的重要問題之一。土壤次生鹽漬化越來越不容忽視，一方面，設(shè)施蔬菜土壤普遍存在肥料施用超量嚴(yán)重，施肥方法不當(dāng)，加之溫室中高溫少水的特殊環(huán)境，土壤鹽分顯著增加，土壤次生鹽漬化問題日益突出[1]；另一方面，隨著經(jīng)濟(jì)與建設(shè)的持續(xù)性發(fā)展，淡水資源逐漸缺乏，再生水替代淡水灌溉已經(jīng)成為新的發(fā)展方向。研究表明再生水灌溉會顯著增加土壤的電導(dǎo)率或全鹽量，隨著灌溉時間的增加，鹽分逐漸積累，最終必然會導(dǎo)致土壤鹽化[2]，鹽分會影響土壤水力性質(zhì)[3-4]。土壤鹽分的運動，主要受土壤水分運行規(guī)律和鹽分溶解度規(guī)律支配。因此，研究溶液鹽分與土壤水力性質(zhì)的關(guān)系具有重要的理論價值和實踐意義。

土壤水分特征曲線是土壤水分入滲、土壤侵蝕及溶質(zhì)遷移過程等研究中的重要資料[5-6]。由于不能根據(jù)土壤的基本性質(zhì)從理論上得出土壤水的基質(zhì)勢與土壤含水率的關(guān)系，為了分析應(yīng)用的方便，常用實測結(jié)果擬合出經(jīng)驗關(guān)系。目前，擬合土壤水分特征曲線的模型主要有：van Genuchten模型及其修正模型[7]，Brooks and Corey模型[8]、Log-Normal Distribution模型[9]、Dual-porosity模型[10]等，其中Brook and Corey模型和van Genuchten及其修正模型的應(yīng)用最為廣泛。眾多學(xué)者已在土壤水分特征曲線的研究方法[11-12]、影響因素[13-14]、模型擬合分析[15-17]等方面開展了較多研究，但對于鹽分條件下的模型適宜性及擬合優(yōu)度比較，國內(nèi)外文獻(xiàn)中報道較少。栗現(xiàn)文等[18]以淡水及礦化度分別為30、100、250 g/L的水樣對粉質(zhì)粘土進(jìn)行飽水處理，分析了高礦化度對土壤水分特征曲線的影響及擬合模型的適宜性。而關(guān)于鹽分對南方亞熱帶地區(qū)非鹽堿性的酸、粘土壤持水特性的影響及模型適用性的研究更為薄弱。為此，本文選擇最為常見的鈉鹽，來研究分析鹽分作用下粘性潮土、沙性潮土、紅壤、水稻土、紫色土等5種不同類型土壤的水分特征曲線的差異及比較各經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯ν寥浪痔卣髑€的擬合優(yōu)度，以期為改善南方亞熱帶地區(qū)土壤次生鹽漬化及進(jìn)一步研究亞熱帶地區(qū)低質(zhì)水灌溉及水、鹽運移提供一定科學(xué)參考。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國亞熱帶地區(qū)，研究區(qū)域范圍包括105°～114° E, 28°～30° N。研究區(qū)年平均降雨量1 000～2 000 mm，年平均氣溫16～18℃，均屬于典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，干濕季節(jié)明顯。地貌類型包括沖積平原(湖南岳陽市)、丘陵坡地(湖南長沙市)、西南山地(重慶永川區(qū)和巴南區(qū))，涵蓋了我國亞熱帶地區(qū)中、西部不同區(qū)域的代表性地貌類型和主要的地帶性與非地帶性土壤。

1.2　材料

1.2.1供試土壤

本試驗土壤為研究區(qū)域內(nèi)代表性的粘性潮土、沙性潮土、紅壤、紫色土以及水稻土, 分別取自湖南省岳陽市(112°43′42″ E, 29°17′55″ N)、湖南省岳陽市(112°43′47″ E, 29°18′05″ N)、湖南省長沙市(113°16′46″ E,28°32′49″ N)、重慶市永川區(qū)(105°53′59″ E, 29°23′39″ N)、重慶市巴南區(qū)(106°52′49″ E, 29°38′25″ N)等地，主要土地利用方式為旱地和水田。利用隨機(jī)、多點(10個點)法采集表層0～20 cm土樣，自然風(fēng)干，除去根、石塊等雜物，磨碎過2 mm篩，充分混勻后備用。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。其中土壤機(jī)械組成采用吸管法測定；土壤pH值采用酸度計法測定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱容量法測定；交換性鈣鎂含量采用原子吸收法測定；交換性鐵鋁含量采用光度法測定。

1.2.2供試水樣

試驗水樣為蒸餾水及其與NaCl顆粒配制成質(zhì)量濃度為5、10、15 g/L的溶液，其電導(dǎo)率分別為9.08、17.25、25.06 dS/m。

表1　供試土壤理化性質(zhì)Tab.1　Physicochemical properties of tested soils

1.3　水分特征曲線測定方法及擬合模型

1.3.1測定方法

試驗于2016年9月—2017年1月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤水動力實驗室進(jìn)行。采用美國SOIL MOISTURE公司生產(chǎn)的壓力膜儀測定土壤的水分特征曲線。將備好的土樣稱量并測定初始含水率，以1.20 g/cm3的干容重均勻裝入樣品環(huán)，所用樣品環(huán)內(nèi)徑為5 cm，高1 cm。然后將制備好的樣品環(huán)置于蒸餾水及鈉鹽溶液中歷時24 h使土樣充分飽和，飽和后置于壓力膜儀內(nèi)分別在3、6、10、20、30、70、160、400、700、1 100、1 500 kPa壓力下進(jìn)行脫水測試。每一個壓力下出水管不再流出液體時達(dá)到平衡(一般0～100 kPa時，1～2 d到達(dá)平衡；100～1 000 kPa時，3～4 d到達(dá)平衡；高于1 000 kPa時，5～6 d達(dá)到平衡)，此時打開壓力膜儀，稱取樣品的質(zhì)量，計算出此壓力下的土壤含水率，用各含水率與所對應(yīng)施加的壓力做出土壤水分特征曲線。

1.3.2擬合模型

van Genuchten模型及其修正模型(簡稱VG模型)

(1)

式中θs——土壤飽和體積含水率

θr——殘余土壤體積含水率

h——負(fù)壓，cm

α——進(jìn)氣值的倒數(shù)

m、n——土壤孔隙尺寸分布參數(shù)，不相關(guān)或m=1-1/n或m=1-2/n

α、m、n均是反映土壤水分特征曲線形態(tài)的經(jīng)驗參數(shù)。

Brooks and Corey模型(簡稱BC模型)

(2)

式中Se——飽和度θ——土壤體積含水率

λ——土壤孔隙尺寸分布參數(shù)，決定土壤水分特征曲線的斜率

Log-Normal Distribution模型(簡稱LND模型)

(3)

Dual Porosity模型(簡稱DP模型)

Se=w1[1+(α1h)n1]-m1+w2[1+(α2h)n2]-m2

(4)

式中w1、w2——2個區(qū)域的權(quán)重因子

α1、α2——各自區(qū)域進(jìn)氣值的倒數(shù)

m1、n1、m2、n2——土壤孔隙尺寸分布參數(shù)

α1、m1、n1、α2、m2、n2是2個區(qū)域的經(jīng)驗參數(shù)。

美國國家鹽改中心提供的RETC軟件[19]中包含了不同土壤水分特征曲線模型，用以擬合實測試驗數(shù)據(jù)，分析或預(yù)測非飽和土壤的水力性質(zhì)。軟件在選擇水分特征曲線模型時，需要選擇不同的求解土壤非飽和導(dǎo)水率的Mualem[20]或Burdine[21]模型。與Mualem模型對應(yīng)的有VG模型(m與n不相關(guān)或m=1-1/n)、BC模型、DP模型及LND模型；與Burdine模型對應(yīng)的有VG模型(m與n不相關(guān)或m=1-2/n)及BC模型。因此，描述土壤水力參數(shù)的模型組合共有8種，對應(yīng)簡寫為：VG-M(m,n)、VG-B(m,n)、VG-M(m, 1/n)、VG-B(m, 2/n)、BC-M、BC-B、LND-M、DP-M。

1.4　數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2003、SPSS 21進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，利用Origin 8.5繪制相應(yīng)的圖，應(yīng)用RETC軟件擬合模型參數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1　鈉鹽濃度處理下土壤持水性差異

圖1為不同濃度鈉鹽處理下亞熱帶土壤水分特征曲線。由圖1可知，不同土壤類型及鈉鹽溶液組合條件下，各土壤持水性在鈉鹽溶液處理下均增加，但增加程度存在差異。CHAUDHARIS等[22]將土壤基質(zhì)勢吸力33～1 500 kPa之間所吸持的水分定義為有效含水率，即能夠被作物吸收和利用的水分，土壤基質(zhì)勢吸力為1 500 kPa時所對應(yīng)的含水率稱為殘留水，即凋萎系數(shù)，該部分水很難被作物所利用，以下從土壤有效含水率和凋萎系數(shù)來對比分析各土壤在不同鈉鹽濃度下持水性的差異。

對于堿性潮土而言，粘性潮土(圖1a)和沙性潮土(圖1b)水分特征曲線整體變化趨勢相似，二者在低吸力階段，各處理下持水能力差異較小。高吸力階段，隨著鈉鹽質(zhì)量濃度的增大，粘性潮土持水能力增強(qiáng)，5、10、15 g/L處理下，土壤凋萎系數(shù)較蒸餾水處理依次提高14.4%、24.6%、45.6%；沙性潮土持水性也有提高，但質(zhì)量濃度(5、10、15 g/L)差異對其影響不大，凋萎系數(shù)分別提高19.6%、20.0%、22.5%。隨著鈉鹽質(zhì)量濃度的升高，粘性潮土水分特征曲線逐漸變陡，說明有效含水率隨鈉鹽質(zhì)量濃度升高而逐漸減小，較對照組依次減小14.7%、15.8%、40.8%。沙性潮土在各處理下有效含水率依次為11.8%、8.8%、8.8%、8.2%。鈉鹽溶液作用下，土壤的擴(kuò)散雙電子層向粘粒表面壓縮，土壤顆粒之間的排斥力降低，溶液質(zhì)量濃度對土壤的影響主要表現(xiàn)為粘粒的絮凝作用，這樣有助于形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤孔隙增多，使得土壤持水能力增強(qiáng)。另一方面，土壤脫濕過程中，土壤由大孔隙排水轉(zhuǎn)換為小孔隙排水，孔隙表面的水分僅能靠蒸發(fā)散失，鹽分在土壤中積累，土壤孔隙中大孔隙逐漸變小，中等孔隙變?yōu)樾】紫?，?xì)小孔隙變得更小或被封堵，土壤持水能力大大增強(qiáng)，因此高吸力段土壤的持水性增加較大。隨著鈉鹽質(zhì)量濃度的增加，土壤中的Na+數(shù)量也相應(yīng)增加，引起土壤顆粒的膨脹和分散，被分散的粘粒會引起土壤孔隙的堵塞，亦會改變孔隙大小分配。沙性潮土所含的粘粒較少，因此鈉鹽溶液質(zhì)量濃度增大后，其受鈉鹽膨脹和分散作用較弱，土壤持水能力增幅較小。

對于酸性土壤紅壤、紫色土、水稻土而言，三者在鈉鹽處理下土壤持水能力均增加，但各土壤具有一定差異。紅壤在各處理下持水性增加，15 g/L處理在中低吸力段(小于100 kPa)含水率小于10 g/L處理，而高吸力段15 g/L處理下土壤含水率大于10 g/L處理(圖1c)，分析認(rèn)為，紅壤所具有的粘粒含量較多，15 g/L處理下鈉離子使土壤粘粒發(fā)生膨脹和分散作用，對土壤的破壞作用較強(qiáng)，土壤大孔隙減少，小孔隙增多，因而高吸力段，其持水能力高于10 g/L處理。圖1d所示鈉鹽處理使紫色土持水性增加，各濃度下土壤凋萎系數(shù)分別為0.190、0.211、0.227、0.247，質(zhì)量濃度越高，持水能力越強(qiáng)。圖1e所示水稻土在鈉鹽處理下土壤持水能力增大，低吸力段(小于10 kPa)土壤持水能力差異較小，隨吸力(進(jìn)氣值)的增加(大于10 kPa)，土壤持水能力差異變大，持水能力由大到小依次為10、15、5、0 g/L處理，說明鈉鹽質(zhì)量濃度為10 g/L時對水稻土孔隙的影響程度最大。鈉鹽會使紅壤有效含水率減少，10 g/L處理有效含水率減少最多，為31.5%。紫色土在各處理下的有效含水率分別為10.2%、9.3%、13.2%、14.8%，10、15 g/L處理下土壤有效含水率較蒸餾水分別增加30.2%、45.7%?？赡苁亲仙琳沉：陀袡C(jī)質(zhì)含量多，土壤受鈉鹽濃度的絮凝作用較強(qiáng)，使得土壤大孔隙增加。水稻土由于本身所具有的有效孔隙較多，因而在各處理下有效含水率較多，分別為12.1%、12.1%、15.6%、15.4%。

圖1　不同濃度鈉鹽處理土壤水分特征曲線Fig.1　Soil water characteristic curves with different concentrations of sodium salt solution

2.2　鈉鹽濃度處理下土壤當(dāng)量孔徑分布

為了進(jìn)一步分析土壤水溶液質(zhì)量濃度對水分特征曲線的影響，試驗測得各土壤在各處理條件下的水分特征曲線如圖1所示。若將土壤中的孔隙設(shè)想為各種孔徑的圓形毛管，那么土壤水吸力s和毛管直徑d的關(guān)系可表示為

s=4τ/d

(5)

式中τ——水的表面張力系數(shù)，室溫條件下一般取7.5×10-4N/cm

若吸力s的單位為Pa，當(dāng)量孔徑d以毫米計，則當(dāng)量孔徑d與吸力s的關(guān)系可以用d=300/s表示。濃度對當(dāng)量孔徑的影響可以忽略[18]。將土壤水吸力單位換算為Pa，根據(jù)式(5)計算出當(dāng)量孔徑，就可以反映不同處理土壤中孔隙的分布。若土壤含水率θ1對應(yīng)的當(dāng)量孔徑為d1，含水率θ2對應(yīng)的當(dāng)量孔徑為d2，則土壤中孔徑在d2與d1之間的孔隙所占體積與孔隙總體積之比為(θ1-θ2)/θs(其中θ1>θ2)。因此，可根據(jù)各處理土壤孔隙分布狀況，分析不同處理土壤水分特征曲線的變化。

根據(jù)有效含水率的基質(zhì)勢吸力區(qū)間為33～1 500 kPa，對應(yīng)的當(dāng)量孔徑區(qū)間為0.000 2～0.009 mm，為了便于分析，將當(dāng)量孔徑0.009 mm以上的孔隙稱為大孔隙，其中所含的水能夠在重力作用下排走；當(dāng)量孔徑區(qū)間為0.000 2～0.009 mm的孔隙稱為有效孔隙，其中的水分能夠被植物所利用；當(dāng)量孔徑小于0.000 2 mm的孔隙稱為微小孔隙，其孔隙中所含的水分難以被植物利用。由圖2可知，除沙性潮土外其余土壤在NaCl溶液處理下土壤的大孔隙含量(當(dāng)量孔徑大于0.009 mm)均小于0 g/L處理，且隨著鹽濃度的增加，大孔隙所占的比例逐漸減小，溶液質(zhì)量濃度升至15 g/L時，粘性潮土、紅壤、紫色土、水稻土大孔隙所占比例較0 g/L處理分別降低14%、17%、12%、12%，沙性潮土有微小增加，提高4%。而各處理下土的微小孔隙(當(dāng)量孔徑小于0.000 2 mm)均隨處理液質(zhì)量濃度增加而增加。說明鹽溶液會使土壤大孔隙含量減少，微小孔隙含量增加，土壤持水性增強(qiáng)。其中粘性潮土、沙性潮土、紅壤的有效孔隙(當(dāng)量孔徑0.000 2～0.009 mm)含量在鹽溶液作用下有所減小，紫色土和水稻土則在較高質(zhì)量濃度溶液(大于10 g/L)作用下有效孔隙含量增加。說明鹽溶液會降低粘性潮土、沙性潮土、紅壤有效含水率，提升紫色土和水稻土有效含水率。

圖2　各處理土壤當(dāng)量孔徑分布比例Fig.2　Equivalent diameter distributions of soil pore under different treatments

2.3　土壤當(dāng)量孔徑分布與鹽濃度及土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

為了更準(zhǔn)確了解各處理下當(dāng)量孔徑分布比例與處理液質(zhì)量濃度及土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)程度，利用SPSS統(tǒng)計軟件對其進(jìn)行相關(guān)分析。由表2可知，土壤大孔隙(當(dāng)量孔徑大于0.009 mm)含量與溶液質(zhì)量濃度、粉粒含量、pH值、交換性鈣含量、交換性鎂含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與粘粒含量、交換性鐵含量、交換性鋁含量呈顯著正相關(guān)，其中與交換性鈣含量、交換性鎂含量的相關(guān)程度最高；微小孔隙與溶液濃度、粉粒含量、pH值、交換性鎂含量呈極顯著正相關(guān)，與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)；有效孔隙僅與砂粒含量呈顯著正相關(guān)與交換性鐵含量極顯著負(fù)相關(guān)、與交換性鋁含量顯著負(fù)相關(guān)；土壤孔隙與有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性不顯著。說明土壤水分特征曲線不僅與土壤物理特性有關(guān)，同時也受土壤的化學(xué)物質(zhì)所影響，在NaCl溶液處理下粘粒膨脹、離子交換等作用產(chǎn)生，改變土壤孔隙分布，影響土壤持水性。

2.4　鈉鹽濃度處理下最優(yōu)土壤水分特征曲線模型擬合

應(yīng)用RETC軟件中的不同模型對各實測土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，確定各質(zhì)量濃度下土壤水分特征曲線模型參數(shù)，并通過模型計算出實測土壤水吸力所對應(yīng)的含水率，與實測值對比，各處理不同模型均具有良好的顯著性(P<0.01)，其中大部分模型擬合結(jié)果的決定系數(shù)R2均高于0.95，殘差平方和(SSQ)均小于0.005，F(xiàn)值均大于200，因此，其擬合模型均能較好地擬合實測數(shù)據(jù)。鈉鹽質(zhì)量濃度處理下各土壤水分特征曲線的模型擬合效果存在差異，分析可得其最優(yōu)擬合模型：①粘性潮土在0 g/L處理下，LND-M模型對應(yīng)的決定系數(shù)最大、殘差平方和最小、F值最大，故擬合效果最優(yōu)；在5、10、15 g/L處理下，DP-M模型擬合效果最優(yōu)。粘性潮土在各處理下，VG-B(m,n)模型對其擬合效果均最差。②沙性潮土在各處理下，BC-M與BC-B模型擬合效果最優(yōu)，其相關(guān)系數(shù)最大、殘差平方和最小、F值最大；二者對各處理土壤水分特征曲線擬合無明顯差異，VG-B(m,n)模型擬合效果最差。③紅壤在0、5、10 g/L處理下，BC-M與BC-B模型擬合效果最優(yōu)，其相關(guān)系數(shù)最大、殘差平方和最小、F值最大，在15 g/L處理下，DP-M模型擬合效果最優(yōu)；在各溶液處理下LND-M模型擬合效果最差。④紫色土和水稻土在0、5 g/L處理下，BC-M與BC-B模型擬合效果最優(yōu)，在10、15 g/L處理下，DP-M模型擬合效果最優(yōu)；各處理下VG-B(m,n)模型擬合效果均最差。各土壤水分特征曲線最優(yōu)擬合模型的擬合參數(shù)見表3。

表2　當(dāng)量孔徑分布比例統(tǒng)計分析Tab.2　Statistical analysis of equivalent diameter distributions of soil pore

注：*和 ** 表示在P<0.05和P<0.01水平下顯著。

不同處理最優(yōu)模型擬合效果見圖3。Mualem或Burdine模型結(jié)合的BC模型對不同質(zhì)量濃度處理土壤水分特征曲線擬合無明顯差異，對于單個處理中存在最優(yōu)模型為BC-M和BC-B模型的，圖3中選擇BC-M模型擬合。對比各模型，BC模型在0、5 g/L處理下對亞熱帶沙性潮土、紅壤、紫色土、水稻土的擬合效果較穩(wěn)定，而15 g/L處理下則DP-M模型對亞熱帶土壤擬合效果最優(yōu)，與栗現(xiàn)文等[18]研究存在一定差異。VG-B(m,n)模型在粘性潮土、沙性潮土、紫色土、水稻土中擬合效果最差，紅壤中LMD-M模型擬合效果最差。就籠統(tǒng)分類而言，文中所述模型均為唯象模型，目前尚無圓滿的數(shù)學(xué)模型可以從機(jī)理上全面描述土壤水分特征曲線[23]，故不同模型對各處理的適用性，從機(jī)理上解釋也就較為困難。

表3　各處理土壤水分特征曲線最優(yōu)模型的擬合參數(shù)Tab.3　Fitting parameters of optimal model of soil water characteristic curve under different treatments

圖3　不同處理最優(yōu)土壤水分特征曲線模型擬合效果Fig.3　Optimal model fitting effects of soil water characteristic curve under different treatments

3　結(jié)論

(1)鈉鹽溶液會提高各土壤的持水性，高質(zhì)量濃度鈉鹽(10、15 g/L)使紫色土和水稻土有效含水率增加，二者在各處理下分別最大提高45.7%、28.9%，減少粘性潮土、沙性潮土、紅壤有效含水率，分別最大減少40.8%、30.5%、31.5%，粘粒含量高的土壤受鈉鹽的影響較大。

(2)土壤持水特性變化與土壤物理化學(xué)特性關(guān)系密切。土壤水分特征曲線不僅與土壤物理特性有關(guān)，同時也受土壤的化學(xué)物質(zhì)所影響，在鹽溶液處理下粘粒膨脹、離子交換等作用產(chǎn)生，引起土壤孔隙大小分布發(fā)生改變，使土壤持水性產(chǎn)生差異。

(3)通過對土壤水分特征曲線模型擬合值與實測值進(jìn)行線性回歸，分析其擬合統(tǒng)計特征值(決定系數(shù)R2、殘差平方和SSQ、F值、P值)，確定了各土壤不同處理的最優(yōu)擬合模型：粘性潮土蒸餾水處理下最優(yōu)模型為LND-M模型，5、10、15 g/L處理的最優(yōu)模型為DP-M 模型；沙性潮土在各處理下以BC-M模型和BC-B模型為最優(yōu)；紅壤0、5、10 g/L處理最優(yōu)模型為BC-M模型和BC-B模型，15 g/L處理為DP-M模型；紫色土和水稻土0、5 g/L處理最優(yōu)模型為BC-M模型和BC-B模型，10、15 g/L處理最優(yōu)模型為DP-M模型。

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