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参数之一是水分特征曲线。水分特征曲线是研究土壤水运动的极其重要的资料,在各种土壤水分特征的研究中广泛采用。黄土高原是世界上水土流失最严重、生态环境最脆弱的地区之一,土壤水分是进行植被建设、恢复生态环境的主要限制因素。了解黄土高原土壤水分特征,对于研究深厚的" 黄土水库" 中水分的储存、保持、运动、供应、SPAC中的水分动态具有重要意义。文中选取陕西典型黄土塬 - 洛川黄土塬作为研究对象,对其 L5- S8层位土壤水分特征曲线进行实验测定,针对降水稀少的黄土层一年中的大部分时间处于土壤水分逐渐减少的状态,着重通过土壤脱湿过程曲线,分析黄土层和古土壤层的持水性能和供水性能的特征及差异,并对其差异原因进行了初步探讨,以期为研究黄土高原土壤水分运动和大气 - 土壤 - 植物系统水分循环提供理论依据。
1、 材料与研究方法
1. 1 研究区概况及剖面选择
洛川县地处陕西省中部,黄土高原南部,洛河的中游,位于东经 109°18'14″ ~109°45'47″,北纬 35°26'29″ ~ 36°04'12″之间。洛川为典型的黄土高原沟壑区,塬面开阔平坦,平均海拔 1100m,最高海拔 1136m,黄土层厚约 80 -140m。塬区黄土厚度大,地层齐全,是高原型黄土塬的典型。黄土地层覆盖在上新世三趾马红色粘土之上。塬体主要由更新世黄土构成,表面有极薄的全新世黄土。洛川气候属暖温带半湿润大陆性季风气候,早晚温差较大,年平均气温 9. 2℃,极端最低气温 -22℃,≥10℃积温为 3007℃。年日照2251h。年均降水量 623. 3mm,7 - 9 月占年均降水量的 60% ,降水的季节变化差异大。
研究剖面位于洛川县城西边凤栖镇工业园内通往沟底的边坡上,距洛川县城西约 1km(图 1) 。剖面出露清楚、地层连续完整、层位稳定。文中研究剖面为 L5- S8层。
1. 2 采样及实验方法
在 L5- S8层位的中上部和中下部用容积 2650. 7cm3的大环刀采取原状土,在每层的中上部和中下部分别采样 1 块,共采集样品 16 块。在 L5层位的两个样品分别标记为 L5- 1 和 L5- 2,其余层位的样品编号类推。在实验室对所采样品进行土壤水分特征曲线的测定。本实验采用负压式土壤湿度计(张力计)法,仪器采用中科院南京土壤研究所技术服务中心生产的真空表型负压计,测量范围为 0 - 85KPa,精度为 2. 5KPa。用负压计测定样品的脱湿过程,获得土壤含水量和吸力之间的关系。吸力值由真空表直接读数,土壤含水量采用烘干法测定,土壤干容重采用环刀法和烘干法进行测定。
2、 结果与分析
2. 1 实验模拟结果
L5- 1 - S8- 2 实验数据(图 2) 中散点所示。为描述土壤水分含量和吸力之间的关系,前人提出了很多数学模拟方程,Gardner 模型、Brooks - Corey 模型与 Van Genuchten 模型是最常用的土壤水分特征曲线模型。其中 Gardner 模型不能精确地描述饱和含水量附近的曲线变化趋势,对土壤水分变化过程的描述不完整,Brooks - Corey 模型存在着非连续性的问题,而 VanGenuchten 模型因为具有连续性,应用土壤含水量范围较广,适用土壤质地范围比较宽,被广泛采用。文中采用 Van Genu-chten 模型对实验结果进行拟合。Van Genuchten 模型的数学表达式为:
式中: θ 为体积含水量(cm3/ cm3) ,θr为滞留含水量(cm3/ cm3) ,θs为饱和含水量(cm3/ cm3) ,h 为土壤吸力(kpa) ,m、n、a 为拟合参数,且 m =1 -1/n。借助先进的 origin 8. 0 软件实现参数的求解和曲线拟合(图 2) ,拟合结果显示,样品 L5- 1 - S8- 2 的脱湿曲线拟合的 R2值都高达 0. 98 以上,说明洛川 L5- S8层土壤的水分特征曲线与 Van Genuchten 模型非常符合。
2. 2 洛川 L5- S8层位土壤脱湿曲线分析
图 2 中的脱湿曲线反映土壤水分从饱和状态逐渐减少的过程,对应降水或灌溉之后土壤水分的变化情况。从图中可以看出,L5- 1 - S8- 2 的含水量都随吸力增大而减小。除 L7- 1、L7- 2 和 S7- 1、S7- 2的含水量的减小幅度相近外,L5- 1 - L8- 2 含水量的减小幅度都大于相邻下部的 S5- 1 - S8- 2,说明 L7- 1、L7- 2 和 S7- 1、S7- 2 的水分流失相近,而 L5- 1 - L8- 2 样品水分流失比相邻下部 S5- 1 - S8- 2 样品快。L7- 1、L7- 2、S7- 1、S7- 2 的脱湿曲线基本重合,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 的脱湿曲线都分别相交,在小于交叉点吸力范围内,同一吸力条件下 L5- 1 - L8- 2 的水分含量高于相邻下部的 S5- 1 - S8- 2,在大于交叉点吸力范围内,同一吸力条件下 L5- 1 - L8- 2 的水分含量低于 S5- 1 - S8- 2。
2. 3 洛川 L5- S8层位土壤比水容量曲线分析
比水容量(C(θ)) 表示单位吸力变化时单位质量土壤可供给(脱湿过程) 的水量,是评价土壤水分有效性、供水性和耐旱性的重要指标[13],用土壤水分特征曲线的斜率表示。文中将 Van Genuchten 模型转换为以体积含水率为因变量、基质势为自变量的方程:
图 3 反映的是脱湿过程的比水容量变化状况,从图中可以看出,除 L5- 1 和 L5- 2 的比水容量值随吸力值的增加先略增大后呈递减趋势外,其他样品的比水容量值都随吸力值的增加呈递减趋势。除 L7- 1、L7- 2 和 S7- 1、S7- 2 的比水容量减小幅度相近外,其他黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 比水容量的减小幅度都大于相邻下部的古土壤层样品 S5- 1 - S8- 2。同一吸力条件下,除 L7- 1、L7- 2 和 S7- 1、S7- 2 的比水容量值相近外,其他黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 的比水容量值都高于相邻下部的古土壤层样品 S5- 1 -S8- 2。在低吸力段,黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 和古土壤层样品 S5- 1 - S8- 2 的供水性能差异较大,随着吸力值增加,二者的差异逐渐减小。
3、 讨论
3. 1 洛川 L5- S8黄土和古土壤持水性能的差异
土壤的持水性是指土壤吸持水分的能力,表现为水分特征曲线上不同吸力条件下的含水量多少。同一吸力条件下,含水量越高,表明土壤持水性越强,反之说明土壤持水性较弱。
前述 L5- 1 - S8- 2 水分特征曲线的变化可以反映出,在 0 ~ 85KPa 吸力段,L5- 1 - S8- 2 的持水性能均随吸力值的增大而减小。除 L7- 1、L7- 2 和 S7- 1、S7- 2 的持水性能递减幅度相近外,其他黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 的持水性能递减幅度都大于相邻下部的古土壤层样品 S5- 1 - S8- 2。黄土层样品 L5- 1- L8- 2 与相邻下部的古土壤层样品 S5- 1 - S8- 2 的持水性能强弱发生变化,在小于交叉点吸力范围内,黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 的持水性能强于相邻下部的古土壤层样品 S5- 1 - S8- 2,在大于交叉点吸力范围内,黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 的持水性弱于相邻下部的古土壤层样品 S5- 1 - S8- 2。其中第 7 层黄土样品和第 7 层古土壤样品的持水性能在 0 -85KPa 范围内强弱差别不大。
3. 2 洛川 L5- S8黄土和古土壤供水性能的差异
土壤的供水性能通过脱湿过程的比水容量曲线来反映。同一吸力下比水容量值越高,反映土壤的供水性能越强。前述 L5- 1 - S8- 2 比水容量曲线的变化可以反映出,在 0 ~ 85KPa 吸力段,L5- 1 - S8- 2 的供水性能总体都随吸力值的增加而减弱,除第 7 层黄土样品 L7- 1、L7- 2 和第 7 层古土壤样品 S7- 1、S7- 2 的供水性能相近外,其他黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 的供水性能都比相邻下部的古土壤层样品 S5- 1- S8- 2 的供水性能强。从供水性能的变化幅度看,除第 7 层黄土样品 L7- 1、L7- 2 和第 7 层古土壤样品S7- 1、S7- 2 供水性能的变化幅度相近外,其他黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 供水性能的变化幅度大于相邻下部的古土壤层样品 S5- 1 - S8- 2。在低吸力段,黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 和古土壤层样品 S5- 1 - S8- 2 的供水性能差异较大,随着吸力值增加,二者的差异逐渐减小。
3. 3 洛川 L5- S8黄土和古土壤土水特征差异的原因分析
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响土壤持水性的重要因素。孔隙性质与土壤质地及颗粒组成有密切关系,众多研究表明,黄土的粒度组成明显比古土壤粗,粗粉粒的含量比古土壤多,细粉粒和粘粒含量比古土壤少,这使得黄土层中大孔隙的数量较多,小孔隙数量较少,而古土壤中大孔隙的数量较少,小孔隙数量较多。在较低吸力时,水分大部分存在于大孔隙中,含大孔隙较多的黄土层中的持水量高,而且单位吸力变化引起的含水量变化大,比水容量值高,供水性强。随着吸力值增大,大孔隙中的水分逐渐排出,此时土壤中水分含量的多少取决于小孔隙的数量,所以随着吸力值增大,含小孔隙数量较多的古土壤层的持水量会逐渐高于含小孔隙较少的黄土层,单位吸力变化引起的含水量变化即比水容量值会逐渐接近并大于黄土层。除了孔隙特性外,粘粒含量的差异也是黄土层和古土壤层持水性差异的一个原因。粘粒对水分具有吸附作用,所以含粘粒较多的 S5、S6、S8古土壤层的持水性在较高吸力时强于 L5、L6、L8黄土层。
可见,洛川 L5- S8黄土和古土壤的持水性、供水性等土水性质都与土层中孔隙性质及粘粒含量有关。
众多研究表明,黄土是第四纪风尘堆积后在相对冷干的气候条件下形成的灰黄色古土壤,和在相对温湿的气候条件下发育的红褐色古土壤一样,都经历了成壤作用,所以其孔隙特性和粘粒含量与成壤作用密切相关。影响土壤发育的主要因素是气候和植被,而植被的发育受气候条件的影响,所以影响成壤作用的根本原因仍然是气候。综上所述,洛川 L5- S8黄土和古土壤的土水性质的特点和差异的主要直接原因是土壤的孔隙特性及粘粒含量等土壤性质的不同,根本原因是土壤发育过程中冷干和温湿的气候变化。
4、 结论
(1) 洛川 L5- 1 - S8- 2 黄土和古土壤的水分特征曲线与 Van Genuchten 模型非常符合,R2值都高达0. 98 以上,说明用 Van Genuchten 模型来描述 L5- 1 - S8- 2 土壤水分数量和能量之间的关系是比较准确的。
(2) 在 0 ~85KPa 吸力段,L5- 1 - S8- 2 的持水性均随吸力值的增大而减小。黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 与相邻下部的古土壤层 S5- 1 - S8- 2 的脱湿曲线出现交叉,在小于交叉点吸力范围内,L5- 1 - L8-2 的持水性强于相邻下部的 S5- 1 - S8- 2,在大于交叉点吸力范围内,L5- 1 - L8- 2 的持水性弱于相邻下部的 S5- 1 - S8- 2。
(3) 洛川 L5- 1 - S8- 2 的供水性能总体都随吸力值的增加而减弱,黄土层样品 L5- 1 - L8- 2 的供水性能比相邻下部的古土壤层 S5- 1 - S8- 2 强。
(4) 洛川 L5- S8黄土和古土壤水分特征差异的直接原因是孔隙大小分配及粘粒含量多少,根本原因是土壤发育过程中冷干和温湿的气候变化。