水分特征是土壤最重要的特征之一,衡量土壤水分特征的基本參數之一是水分特征曲線。水分特征曲線是研究土壤水運動的極其重要的資料,在各種土壤水分特征的研究中廣泛采用。黃土高原是世界上水土流失最嚴重、生態環境最脆弱的地區之一,土壤水分是進行植被建設、恢復生態環境的主要限制因素。了解黃土高原土壤水分特征,對于研究深厚的" 黃土水庫" 中水分的儲存、保持、運動、供應、SPAC中的水分動態具有重要意義。文中選取陜西典型黃土塬 - 洛川黃土塬作為研究對象,對其 L5- S8層位土壤水分特征曲線進行實驗測定,針對降水稀少的黃土層一年中的大部分時間處于土壤水分逐漸減少的狀態,著重通過土壤脫濕過程曲線,分析黃土層和古土壤層的持水性能和供水性能的特征及差異,并對其差異原因進行了初步探討,以期為研究黃土高原土壤水分運動和大氣 - 土壤 - 植物系統水分循環提供理論依據。
1、 材料與研究方法
1. 1 研究區概況及剖面選擇
洛川縣地處陜西省中部,黃土高原南部,洛河的中游,位于東經 109°18'14″ ~109°45'47″,北緯 35°26'29″ ~ 36°04'12″之間。洛川為典型的黃土高原溝壑區,塬面開闊平坦,平均海拔 1100m,最高海拔 1136m,黃土層厚約 80 -140m。塬區黃土厚度大,地層齊全,是高原型黃土塬的典型。黃土地層覆蓋在上新世三趾馬紅色粘土之上。塬體主要由更新世黃土構成,表面有極薄的全新世黃土。洛川氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,早晚溫差較大,年平均氣溫 9. 2℃,極端最低氣溫 -22℃,≥10℃積溫為 3007℃。年日照2251h。年均降水量 623. 3mm,7 - 9 月占年均降水量的 60% ,降水的季節變化差異大。
研究剖面位于洛川縣城西邊鳳棲鎮工業園內通往溝底的邊坡上,距洛川縣城西約 1km\\(圖 1\\) 。剖面出露清楚、地層連續完整、層位穩定。文中研究剖面為 L5- S8層。
1. 2 采樣及實驗方法
在 L5- S8層位的中上部和中下部用容積 2650. 7cm3的大環刀采取原狀土,在每層的中上部和中下部分別采樣 1 塊,共采集樣品 16 塊。在 L5層位的兩個樣品分別標記為 L5- 1 和 L5- 2,其余層位的樣品編號類推。在實驗室對所采樣品進行土壤水分特征曲線的測定。本實驗采用負壓式土壤濕度計\\(張力計\\)法,儀器采用中科院南京土壤研究所技術服務中心生產的真空表型負壓計,測量范圍為 0 - 85KPa,精度為 2. 5KPa。用負壓計測定樣品的脫濕過程,獲得土壤含水量和吸力之間的關系。吸力值由真空表直接讀數,土壤含水量采用烘干法測定,土壤干容重采用環刀法和烘干法進行測定。
2、 結果與分析
2. 1 實驗模擬結果
L5- 1 - S8- 2 實驗數據\\(圖 2\\) 中散點所示。為描述土壤水分含量和吸力之間的關系,前人提出了很多數學模擬方程,Gardner 模型、Brooks - Corey 模型與 Van Genuchten 模型是最常用的土壤水分特征曲線模型。其中 Gardner 模型不能精確地描述飽和含水量附近的曲線變化趨勢,對土壤水分變化過程的描述不完整,Brooks - Corey 模型存在著非連續性的問題,而 VanGenuchten 模型因為具有連續性,應用土壤含水量范圍較廣,適用土壤質地范圍比較寬,被廣泛采用。文中采用 Van Genu-chten 模型對實驗結果進行擬合。Van Genuchten 模型的數學表達式為:
式中: θ 為體積含水量\\(cm3/ cm3\\) ,θr為滯留含水量\\(cm3/ cm3\\) ,θs為飽和含水量\\(cm3/ cm3\\) ,h 為土壤吸力\\(kpa\\) ,m、n、a 為擬合參數,且 m =1 -1/n。借助先進的 origin 8. 0 軟件實現參數的求解和曲線擬合\\(圖 2\\) ,擬合結果顯示,樣品 L5- 1 - S8- 2 的脫濕曲線擬合的 R2值都高達 0. 98 以上,說明洛川 L5- S8層土壤的水分特征曲線與 Van Genuchten 模型非常符合。
2. 2 洛川 L5- S8層位土壤脫濕曲線分析
圖 2 中的脫濕曲線反映土壤水分從飽和狀態逐漸減少的過程,對應降水或灌溉之后土壤水分的變化情況。從圖中可以看出,L5- 1 - S8- 2 的含水量都隨吸力增大而減小。除 L7- 1、L7- 2 和 S7- 1、S7- 2的含水量的減小幅度相近外,L5- 1 - L8- 2 含水量的減小幅度都大于相鄰下部的 S5- 1 - S8- 2,說明 L7- 1、L7- 2 和 S7- 1、S7- 2 的水分流失相近,而 L5- 1 - L8- 2 樣品水分流失比相鄰下部 S5- 1 - S8- 2 樣品快。L7- 1、L7- 2、S7- 1、S7- 2 的脫濕曲線基本重合,而 L5- 1、L5- 2 和 S5- 1、S5- 2,L6- 1、L6- 2 和S6- 1、S6- 2,L8- 1、L8- 2 和 S8- 1、S8- 2 的脫濕曲線都分別相交,在小于交叉點吸力范圍內,同一吸力條件下 L5- 1 - L8- 2 的水分含量高于相鄰下部的 S5- 1 - S8- 2,在大于交叉點吸力范圍內,同一吸力條件下 L5- 1 - L8- 2 的水分含量低于 S5- 1 - S8- 2。
2. 3 洛川 L5- S8層位土壤比水容量曲線分析
比水容量\\(C\\(θ\\)\\) 表示單位吸力變化時單位質量土壤可供給\\(脫濕過程\\) 的水量,是評價土壤水分有效性、供水性和耐旱性的重要指標[13],用土壤水分特征曲線的斜率表示。文中將 Van Genuchten 模型轉換為以體積含水率為因變量、基質勢為自變量的方程:
圖 3 反映的是脫濕過程的比水容量變化狀況,從圖中可以看出,除 L5- 1 和 L5- 2 的比水容量值隨吸力值的增加先略增大后呈遞減趨勢外,其他樣品的比水容量值都隨吸力值的增加呈遞減趨勢。除 L7- 1、L7- 2 和 S7- 1、S7- 2 的比水容量減小幅度相近外,其他黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 比水容量的減小幅度都大于相鄰下部的古土壤層樣品 S5- 1 - S8- 2。同一吸力條件下,除 L7- 1、L7- 2 和 S7- 1、S7- 2 的比水容量值相近外,其他黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 的比水容量值都高于相鄰下部的古土壤層樣品 S5- 1 -S8- 2。在低吸力段,黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 和古土壤層樣品 S5- 1 - S8- 2 的供水性能差異較大,隨著吸力值增加,二者的差異逐漸減小。
3、 討論
3. 1 洛川 L5- S8黃土和古土壤持水性能的差異
土壤的持水性是指土壤吸持水分的能力,表現為水分特征曲線上不同吸力條件下的含水量多少。同一吸力條件下,含水量越高,表明土壤持水性越強,反之說明土壤持水性較弱。
前述 L5- 1 - S8- 2 水分特征曲線的變化可以反映出,在 0 ~ 85KPa 吸力段,L5- 1 - S8- 2 的持水性能均隨吸力值的增大而減小。除 L7- 1、L7- 2 和 S7- 1、S7- 2 的持水性能遞減幅度相近外,其他黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 的持水性能遞減幅度都大于相鄰下部的古土壤層樣品 S5- 1 - S8- 2。黃土層樣品 L5- 1- L8- 2 與相鄰下部的古土壤層樣品 S5- 1 - S8- 2 的持水性能強弱發生變化,在小于交叉點吸力范圍內,黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 的持水性能強于相鄰下部的古土壤層樣品 S5- 1 - S8- 2,在大于交叉點吸力范圍內,黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 的持水性弱于相鄰下部的古土壤層樣品 S5- 1 - S8- 2。其中第 7 層黃土樣品和第 7 層古土壤樣品的持水性能在 0 -85KPa 范圍內強弱差別不大。
3. 2 洛川 L5- S8黃土和古土壤供水性能的差異
土壤的供水性能通過脫濕過程的比水容量曲線來反映。同一吸力下比水容量值越高,反映土壤的供水性能越強。前述 L5- 1 - S8- 2 比水容量曲線的變化可以反映出,在 0 ~ 85KPa 吸力段,L5- 1 - S8- 2 的供水性能總體都隨吸力值的增加而減弱,除第 7 層黃土樣品 L7- 1、L7- 2 和第 7 層古土壤樣品 S7- 1、S7- 2 的供水性能相近外,其他黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 的供水性能都比相鄰下部的古土壤層樣品 S5- 1- S8- 2 的供水性能強。從供水性能的變化幅度看,除第 7 層黃土樣品 L7- 1、L7- 2 和第 7 層古土壤樣品S7- 1、S7- 2 供水性能的變化幅度相近外,其他黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 供水性能的變化幅度大于相鄰下部的古土壤層樣品 S5- 1 - S8- 2。在低吸力段,黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 和古土壤層樣品 S5- 1 - S8- 2 的供水性能差異較大,隨著吸力值增加,二者的差異逐漸減小。
3. 3 洛川 L5- S8黃土和古土壤土水特征差異的原因分析
土壤水分存在于土壤孔隙之中,土壤孔隙大小分配的比例是影響土壤持水性的重要因素?？紫缎再|與土壤質地及顆粒組成有密切關系,眾多研究表明,黃土的粒度組成明顯比古土壤粗,粗粉粒的含量比古土壤多,細粉粒和粘粒含量比古土壤少,這使得黃土層中大孔隙的數量較多,小孔隙數量較少,而古土壤中大孔隙的數量較少,小孔隙數量較多。在較低吸力時,水分大部分存在于大孔隙中,含大孔隙較多的黃土層中的持水量高,而且單位吸力變化引起的含水量變化大,比水容量值高,供水性強。隨著吸力值增大,大孔隙中的水分逐漸排出,此時土壤中水分含量的多少取決于小孔隙的數量,所以隨著吸力值增大,含小孔隙數量較多的古土壤層的持水量會逐漸高于含小孔隙較少的黃土層,單位吸力變化引起的含水量變化即比水容量值會逐漸接近并大于黃土層。除了孔隙特性外,粘粒含量的差異也是黃土層和古土壤層持水性差異的一個原因。粘粒對水分具有吸附作用,所以含粘粒較多的 S5、S6、S8古土壤層的持水性在較高吸力時強于 L5、L6、L8黃土層。
可見,洛川 L5- S8黃土和古土壤的持水性、供水性等土水性質都與土層中孔隙性質及粘粒含量有關。
眾多研究表明,黃土是第四紀風塵堆積后在相對冷干的氣候條件下形成的灰黃色古土壤,和在相對溫濕的氣候條件下發育的紅褐色古土壤一樣,都經歷了成壤作用,所以其孔隙特性和粘粒含量與成壤作用密切相關。影響土壤發育的主要因素是氣候和植被,而植被的發育受氣候條件的影響,所以影響成壤作用的根本原因仍然是氣候。綜上所述,洛川 L5- S8黃土和古土壤的土水性質的特點和差異的主要直接原因是土壤的孔隙特性及粘粒含量等土壤性質的不同,根本原因是土壤發育過程中冷干和溫濕的氣候變化。
4、 結論
\\(1\\) 洛川 L5- 1 - S8- 2 黃土和古土壤的水分特征曲線與 Van Genuchten 模型非常符合,R2值都高達0. 98 以上,說明用 Van Genuchten 模型來描述 L5- 1 - S8- 2 土壤水分數量和能量之間的關系是比較準確的。
\\(2\\) 在 0 ~85KPa 吸力段,L5- 1 - S8- 2 的持水性均隨吸力值的增大而減小。黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 與相鄰下部的古土壤層 S5- 1 - S8- 2 的脫濕曲線出現交叉,在小于交叉點吸力范圍內,L5- 1 - L8-2 的持水性強于相鄰下部的 S5- 1 - S8- 2,在大于交叉點吸力范圍內,L5- 1 - L8- 2 的持水性弱于相鄰下部的 S5- 1 - S8- 2。
\\(3\\) 洛川 L5- 1 - S8- 2 的供水性能總體都隨吸力值的增加而減弱,黃土層樣品 L5- 1 - L8- 2 的供水性能比相鄰下部的古土壤層 S5- 1 - S8- 2 強。
\\(4\\) 洛川 L5- S8黃土和古土壤水分特征差異的直接原因是孔隙大小分配及粘粒含量多少,根本原因是土壤發育過程中冷干和溫濕的氣候變化。
