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    土壤水分特征曲線是描述土壤含水量與吸力（基質(zhì)勢(shì)）之間的關(guān)系曲線，反映了土壤水能量與土壤水含量的函數(shù)關(guān)系，也是表示土壤基本水力特性的重要指標(biāo)。大孔隙是一個(gè)相對(duì)概念，一般認(rèn)為不論孔徑大小、形狀如何，只要能夠?qū)е滤趾腿苜|(zhì)優(yōu)先遷移的任何孔隙都可稱之為大孔隙。大量實(shí)驗(yàn)及研究表明，大孔隙普遍存在于自然界的土壤中，雖然土壤大孔隙僅占土壤體積的0.1%～5%，卻在很大程度上影響著水分及溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移。因此，研究土壤水分特征曲線就不能不考慮大孔隙的影響。

    本文以南京市棲霞區(qū)東陽(yáng)鎮(zhèn)土壤為例，用土壤水分測(cè)定儀法分別測(cè)定了有大孔隙的原狀土柱和無(wú)大孔隙存在的均質(zhì)土柱（擾動(dòng)土）的土壤水分特征曲線，同時(shí)用VanGenuchten模型對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合；最后分析說(shuō)明了大孔隙對(duì)土壤水分特征曲線及其擬合參數(shù)以及田間持水量和凋萎系數(shù)等水分常數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)所用的土壤取自南京市棲霞區(qū)東陽(yáng)鎮(zhèn)，取樣土層分別為0～20cm、20～40cm，根據(jù)國(guó)際土壤學(xué)會(huì)對(duì)土壤粒級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，用吸管法測(cè)得土樣的粘粒（<0.002mm）、粉粒（0.002～0.02mm）、砂粒(0.02～2mm)的組成，并確定其土壤質(zhì)地。每種土樣各做兩次，取平均值得到其機(jī)械組成，結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用離心機(jī)為日立CR21型高速冷凍離心機(jī)，轉(zhuǎn)子編號(hào)為60；所用環(huán)刀的內(nèi)直徑和高均為5cm。

    在田間用環(huán)刀取得原狀土樣，由于環(huán)刀只有5cm，故實(shí)際的取樣深度分別為7.5～12.5cm，27.5～32.5cm。將經(jīng)風(fēng)干的土樣過(guò)2mm的篩子后，按其容重均勻裝入環(huán)刀得到均質(zhì)土樣。將得到的土樣在無(wú)氣水中飽和48h后取出，稱量其初始質(zhì)量后放入離心機(jī)的離心盒中，轉(zhuǎn)速按500、1000、1500、2000、3000、4000、5000、6000rpm依次遞增，每個(gè)轉(zhuǎn)速離心100min后稱重，得到一系列土壤含水量與土壤水基質(zhì)勢(shì)相對(duì)應(yīng)的關(guān)系點(diǎn)。用數(shù)學(xué)軟件MatLab對(duì)得到的點(diǎn)用非線性擬合函數(shù)lsqcurvefit擬合得到VanGenuchten模型的參數(shù)，并最終得到土壤水分特征曲線的表達(dá)式。

    離心力計(jì)算公式為：

h=1.118×10-5×n2×h'×(r0-h'/2)（1）式中：h為土壤水吸力（cmH2O）；n為離心機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；h'為環(huán)刀中土樣的長(zhǎng)度（cm）；r0為基準(zhǔn)水面的旋轉(zhuǎn)半徑（cm），即離心機(jī)轉(zhuǎn)子中心到離心盒中土樣最遠(yuǎn)處的距離。

    描述土壤水分特征曲線的Van-Genuchten模型既連續(xù)又有連續(xù)斜率，得到的曲線光滑，對(duì)絕大多數(shù)土壤在相當(dāng)寬的水勢(shì)或含水量范圍內(nèi)具有普遍適用性，并可得到相對(duì)導(dǎo)水率的解析解，因而在土壤物理領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用，其公式表示為：

    θ=θr+θs-θr[1+ahn]

    mh<0（2）式中：θ為體積含水量（cm3cm-3）；θr為殘留含水量（cm3cm-3）；θs為飽和含水量（cm3cm-3）；h為吸力(cmH2O)；a、n、m為擬合參數(shù)，其中a為尺度函數(shù)，與平均孔隙直徑成反比，a=1/hb，hb為進(jìn)氣吸力，m=1-1/n（n>1）。

    大孔隙土壤與均質(zhì)土壤水分特征曲線形狀的比較實(shí)驗(yàn)測(cè)得0～20cm、20～40cm土壤水的吸力與含水量的相關(guān)關(guān)系見表2，其對(duì)應(yīng)的土壤水分特征曲線見圖1、圖2。從圖中可以看出：原狀土的水分特征曲線較均質(zhì)土陡直，也就是隨著吸力的增大，原狀土體積含水量的減小量較均質(zhì)土小，這說(shuō)明用離心機(jī)法測(cè)定土壤水分特征曲線的有效吸力范圍內(nèi)，原狀土壤持水性好，有較強(qiáng)的持水能力。造成這一現(xiàn)象的原因是由于原狀土中存在大小不一的大孔隙，土壤大孔隙具有較小的基質(zhì)勢(shì)，土壤水優(yōu)先從土壤大孔隙通過(guò)，在吸力值大于100cmH2O時(shí)大孔隙中的水已排空，土壤中僅剩余細(xì)小孔隙中的水分存留，而細(xì)小孔隙對(duì)土壤水具有較大的吸力，故增加相同的吸力從土壤基質(zhì)中析出的水分較均質(zhì)土少，表現(xiàn)在土壤水分特征曲線上就是曲線較為陡直。而均質(zhì)土破壞了原狀土的大孔隙和細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)，使中等孔隙發(fā)育并且分布較為均勻，故隨著吸力的增加土壤含水量逐漸減小，表現(xiàn)在土壤水分特征曲線上就是曲線較為平緩。從表2及圖1、圖2中還可以看出，吸力小于408.44cmH2O時(shí)，原狀土的體積含水量均小于均質(zhì)土；而吸力大于919.98cmH2O時(shí)，原狀土的體積含水量大于均質(zhì)土。吸力小于408.44cmH2O時(shí)原狀土體積含水量小于均質(zhì)土，這是由于土壤大孔隙中的水主要為重力水，在大孔隙連通的情況下，這部分水在土樣從無(wú)氣水中取出的瞬間就會(huì)因重力作用而失去；即使大孔隙不連通，大孔隙中的水分在壓力為408.44～919.98cmH2O時(shí)也已全部失去，故土壤水分特征曲線上低吸力段原狀土的體積含水量小于均質(zhì)土。吸力大于919.98cmH2O時(shí)，原狀土的體積含水量大于均質(zhì)土，這是因?yàn)樵谖Υ笥?19.98cmH2O時(shí)原狀土中的水分主要存在于細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)之中，細(xì)小孔隙由于毛管力作用，持水性較好，吸力增大時(shí)這部分水不易失去；而均質(zhì)土在破壞了原狀土大孔隙結(jié)構(gòu)的同時(shí)也破壞了原狀土的細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)，致使均質(zhì)土在吸力大于919.98cmH2O時(shí)持水性能較差，故土壤水分特征曲線的高吸力段上，原狀土的體積含水量大于均質(zhì)土。

    用離心機(jī)法測(cè)土壤水分特征曲線的吸力范圍為100～15849cmH2O，觀測(cè)不到大孔隙中的水分失去的過(guò)程，要想詳細(xì)地描述土壤大孔隙失水過(guò)程中土壤水分特征曲線的變化趨勢(shì)，可以使用土柱法，土柱法測(cè)定吸力的范圍為0～100cmH2O，具體可參考日本土壤物理性測(cè)定委員會(huì)編的《土壤物理性測(cè)定法》一書。大孔隙土壤與均質(zhì)土壤水分特征曲線參數(shù)的比較利用MatLab的非線性函數(shù)lsqcurvefit對(duì)所測(cè)得的點(diǎn)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示，殘差平方和是指實(shí)測(cè)值與擬合曲線上對(duì)應(yīng)值之差的平方和，值越小表示擬合的效果越好，其余參數(shù)意義同式（2）。對(duì)所測(cè)得的四種土樣的吸力與含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后的殘差平方和的數(shù)量級(jí)均為10-5，效果非常好。擬合數(shù)據(jù)還可以看出：原狀土的殘留含水量均大于均質(zhì)土；原狀土的飽和含水量均小于均質(zhì)土；原狀土的尺度函數(shù)a均小于均質(zhì)土。原狀土的殘留含水量均大于均質(zhì)土，這是因?yàn)樵瓲钔链嬖诩?xì)小孔隙，細(xì)小孔隙的持水性好，在較大的吸力下不易失水，而均質(zhì)土破壞了這些細(xì)小的孔隙，中等孔隙發(fā)育，故在較大的壓力下不易持水，因此原狀土的殘留含水量較均質(zhì)土大。原狀土的尺度函數(shù)a均小于均質(zhì)土，是均質(zhì)土的1/6左右，即原狀土的平均孔隙直徑大于均質(zhì)土。這是因?yàn)樵瓲钔寥烙捎诟蓾窠惶孀饔?、凍融循環(huán)作用、土壤中可溶性物質(zhì)的溶解、植物生長(zhǎng)、動(dòng)物活動(dòng)等因素存在較多的大孔隙結(jié)構(gòu)，因此其平均孔隙直徑較大；而均質(zhì)土破壞了原狀土的大孔隙結(jié)構(gòu)，使土壤的中等孔隙發(fā)育，因此其平均孔隙直徑減小，a增大。
   
把表3的參數(shù)代入式（2）就可得到4種土樣的土壤水分特征曲線。

    2.3大孔隙對(duì)田間持水量和凋萎系數(shù)的影響田間持水量是指土壤中毛管懸著水達(dá)到最大時(shí)的土壤含水量。土壤含水量達(dá)到田間持水量時(shí)，土壤顆粒對(duì)水分子的最大吸力約為0.3個(gè)大氣壓，即309.9cmH2O，將h=309.9代入式(3)、(4)、(5)、(6)可得0～20cm原狀土、均質(zhì)土，20～40cm原狀土、均質(zhì)土的田間持水量分別為0.3509、0.3834、0.3588、0.3936，由此可以看出原狀土的田間持水量小于均質(zhì)土的田間持水量。這是由于原狀土中存在大孔隙，土壤大孔隙持水性能較差，在較小的吸力下大孔隙中的水就容易失去；而均質(zhì)土中等孔隙發(fā)育，并且分布較為均勻，故在低吸力段持水性較好。由此可以看出，農(nóng)田的耕作可以破壞不易持水的大孔隙的結(jié)構(gòu)，使中等孔隙發(fā)育，從而有更利于土壤對(duì)水的保持，為作物生長(zhǎng)提供必須的水分。

    凋萎系數(shù)是指土壤顆粒對(duì)水分子的吸力為15個(gè)大氣壓，即15495cmH2O時(shí)的土壤含水量，這時(shí)土壤中的水分不能為植物根系所吸收，會(huì)致使植物發(fā)生永久性凋萎。將代入式(3)、(4)、(5)、(6)可得0～20cm原狀土、均質(zhì)土，20～40cm原狀土、均質(zhì)土的田間持水量分別為0.2319、0.2157、0.2477、0.2035，可以看出原狀土的凋萎系數(shù)大于均質(zhì)土的凋萎系數(shù)，這是由于原狀土中存在較多的細(xì)小孔隙，而均質(zhì)土破壞了這些細(xì)小孔隙的緣故。

    這一結(jié)論說(shuō)明，用均質(zhì)土所得的土壤水分特征曲線來(lái)設(shè)計(jì)和指導(dǎo)農(nóng)田灌溉，需要對(duì)曲線修正，使灌溉制度既能滿足作物需水又能最大限度地節(jié)約用水。本文用離心機(jī)法測(cè)定了0～20cm及20～40cm的原狀土和均質(zhì)土的水分特征曲線，并用VanGenuchten模型對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過(guò)對(duì)比分析了原狀土中大孔隙對(duì)水分特征曲線及其參數(shù)以及田間持水量和凋萎系數(shù)的影響。指出了土壤大孔隙雖然只占土壤總體積的很少一部分，但對(duì)土壤水分特征曲線的低吸力段和高吸力段都有很大的影響，它使原狀土在低吸力段含水量較均質(zhì)土小，而在高吸力段較均質(zhì)土大，并使VanGenuchten模型的尺度函數(shù)較均質(zhì)土小。同時(shí)指出了含有大孔隙的原狀土田間持水量小于均質(zhì)土的田間持水量，而凋萎系數(shù)大于均質(zhì)土的凋萎系數(shù)。