賈俊超, 張興昌

(1.陜西省生物農(nóng)業(yè)研究所, 西安 710043; 2.陜西省酶工程技術(shù)研究中心，西安 710043)

層狀土體在自然界中較為常見(jiàn)，層狀土由于界面毛管障礙作用，會(huì)降低土壤水分向下的運(yùn)動(dòng)，使得界面以上土層的含水量增加[1-2]。在干旱半干旱區(qū)，水分匱乏嚴(yán)重制約著植被的生長(zhǎng)[3]。而層狀土由于界面阻水作用，可以增加土體含水量，降低有害物質(zhì)污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)，因此在礦區(qū)復(fù)墾中廣泛應(yīng)用層狀土作為表層回填重構(gòu)土[4-5]。

目前，關(guān)于層狀土持水性的研究已有諸多報(bào)道，層狀土中細(xì)質(zhì)土、夾層深度、土體厚度均會(huì)影響土體中的水分運(yùn)動(dòng)[6]。Yang[7]和kale[8]等通過(guò)對(duì)層狀土的入滲試驗(yàn)表明，人滲速率受細(xì)質(zhì)土影響最大。張建豐等[9]研究了不同質(zhì)地夾層的入滲特征，認(rèn)為夾層厚度對(duì)土體穩(wěn)滲率影響很大；Leconte等[10]發(fā)現(xiàn)上層土體的厚度對(duì)入滲過(guò)程起到了重要的影響；任利東等[2]研究了不同厚度的層狀土對(duì)持水性的影響，結(jié)果表明層狀土體的分層厚度與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。Hachum等[11]研究了層狀土積水條件下的穩(wěn)定入滲率，發(fā)現(xiàn)各分層入滲率的調(diào)和平均數(shù)約等于土柱整體的入滲率。另外，對(duì)上粗下細(xì)的土體持水性研究，表明低滲透率的細(xì)質(zhì)土抑制了土體的水分運(yùn)動(dòng)速率，同時(shí)提高了土壤持水能力[12-14]；為了更詳細(xì)地分析層狀土的入滲過(guò)程和持水特性，一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚15-17]被開(kāi)發(fā)出來(lái)模擬降雨條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并用Richard方程數(shù)值解模擬做了很好的驗(yàn)證。Huang等[5]通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)層狀土體的蒸發(fā)性能研究，認(rèn)為不論是粗質(zhì)地覆蓋細(xì)質(zhì)地還是細(xì)質(zhì)地覆蓋粗質(zhì)地層狀土體的水分蒸發(fā)都主要來(lái)源于粗質(zhì)地土層。以上研究都是從入滲、蒸發(fā)和水分再分布的角度來(lái)探討層狀土的持水性。

土壤水分特征曲線的兩個(gè)坐標(biāo)分別代表土壤水的能量和數(shù)量，通過(guò)該曲線擬合方程既可以用于土壤水吸力和土壤含水量之間的相互轉(zhuǎn)換，也可以應(yīng)用于研究土壤持水能力和水分有效性[18]，其主要受土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、容重和溫度的影響[6]。目前，描述土壤水分特征曲線的成熟模型主要有van Genuchten(VG)模型[19]、Brooks-Corey(BC)模型[20]、Dual Porosity(DP)[21]模型及Log normal distribution(LND)模型[22]。上述模型都是以均質(zhì)土體為前提,對(duì)于非均質(zhì)土體來(lái)說(shuō)，相關(guān)學(xué)者已研究了不同形式下的土壤水分特征曲線模型，例如土石混合結(jié)構(gòu)[23]、膨脹性砂巖[24]及重構(gòu)土[25]等，得到了一些相對(duì)應(yīng)的水分特征曲線模型參數(shù)。層狀土體為非均質(zhì)土體結(jié)構(gòu)，土體尺度和分層界面都會(huì)影響其持水性，因此，用土壤水分特征曲線來(lái)研究層狀土體的持水性還未見(jiàn)報(bào)道，本文用高速離心機(jī)法測(cè)定同一土體尺度下，不同層狀結(jié)構(gòu)土體在不同水吸力下的含水量，并分析水分的能量與數(shù)量關(guān)系，以期揭示不同層狀結(jié)構(gòu)土體的持水能力，為礦區(qū)土地復(fù)墾過(guò)程中表土重構(gòu)提供一些理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

表1 供試土壤物理性質(zhì) %

各處理示意圖見(jiàn)圖1，本試驗(yàn)共9個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，其中J1—J5為均質(zhì)土處理(J1是純風(fēng)沙土，J2，J3和J4分別是風(fēng)沙土和土1∶2，1∶1，2∶1均質(zhì)混合，J5是純土)，F(xiàn)1—F4為分層處理。裝土前在環(huán)刀(高5 cm、體積100 cm3)底部鋪上定性濾紙，防止土壤漏出，分層填裝時(shí)把界面處打毛盡量保持土壤孔隙的連續(xù)性，風(fēng)沙土和土填裝后的容重見(jiàn)表1。將裝土的環(huán)刀放入水槽中，水深與環(huán)刀高度相平，保持48 h后，通過(guò)設(shè)定離心機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間，依次用稱重法計(jì)算水吸力在1，10，20，40，60，80，100，200，400，600 kpa時(shí)的質(zhì)量含水量。

圖1 處理示意圖

1.2 數(shù)據(jù)處理

本文采用Excel 2007做數(shù)據(jù)分析，Sigmaplot 12.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤持水性

圖2為不同均質(zhì)和層狀土體處理下土壤持水性的實(shí)測(cè)值和擬合曲線?？梢钥闯?，不論均質(zhì)或?qū)訝钔?，擬合曲線在高水吸力階段表現(xiàn)陡直，而在低水吸力階段變得平緩，這種趨勢(shì)在風(fēng)沙土中表現(xiàn)最為顯著。這是因?yàn)椴煌笮】紫兜乃畬?duì)應(yīng)不同的吸力區(qū)域，在低吸力區(qū)土壤含水量流失來(lái)自大孔隙，且減小幅度較大，持水性曲線相對(duì)平緩；在高吸力區(qū)域，土壤含水量流失來(lái)自小孔隙中，土壤含水量的減小緩慢，所以持水性曲線變化幅度較大[26]。

圖2 不同處理土壤水吸力和含水量之間的關(guān)系曲線

對(duì)于均質(zhì)土J1—J5，曲線逐漸向右移動(dòng)，在相同水吸力條件下，隨著土數(shù)量的增加，含水量逐漸增大，這主要是由于土中的黏粒含量高，土體中細(xì)小孔隙數(shù)量和比表面積增大，進(jìn)而增強(qiáng)了對(duì)水分的吸附能力[24]。對(duì)于層狀土F1—F4，曲線移動(dòng)趨勢(shì)和均質(zhì)土相似。同一土壤水吸力下，相同配比材料層狀土的含水量要大于均勻混合的含水量，這主要是因?yàn)樵趯訝钔林?，分層界面存在毛管障礙[6,12]，可能阻礙了水分的穿透，導(dǎo)致水分含量增加。由以上分析可知，在相同材料配比下，無(wú)論粗夾細(xì)、上粗下細(xì)、上細(xì)下粗或細(xì)夾粗層狀土較均質(zhì)土有更好的持水性。另外，在相同水吸力下，均質(zhì)土處理的土壤含水量由大到小依次為J5>J4>J3>J2>J1，層狀土含水量依次為F4>F3>F2>F1，由以上結(jié)果可知細(xì)質(zhì)地土壤的含量和土層結(jié)構(gòu)都會(huì)影響土壤持水量。通過(guò)對(duì)比均質(zhì)土和層狀土相同水吸力下含水量,其大小依次為J5>F4>J4>F3>F2>J3>F1>J2>J1,對(duì)比均質(zhì)土和層狀土含水量在相同吸力下的大小可知,細(xì)質(zhì)地土壤含量對(duì)土體持水性的影響要大于土體結(jié)構(gòu)。

表2對(duì)比分析了相同土壤材料配比下，10～100 kPa土壤水吸力之間均質(zhì)和層狀土的含水量的差值。由表2可知，層狀土含水量高于相同材料配比下均質(zhì)土的含水量，其中土壤含水量F1比J2的高0.025 cm3/cm3，F(xiàn)2比J3高0.012 cm3/cm3，F(xiàn)3比J3高0.014 cm3/cm3，F(xiàn)4比J4高0.010 cm3/cm3。對(duì)比表2各含水量差值的標(biāo)準(zhǔn)差，可以得出含水量差值在各個(gè)水吸力下相近。對(duì)比細(xì)質(zhì)地土壤含量和土壤結(jié)構(gòu)對(duì)含水量差值大小的影響，可以得出含水量差值主要受土壤結(jié)構(gòu)的影響，含水量差值并不隨著細(xì)質(zhì)地土壤含量的增加而增加。由以上結(jié)果可以得出，在相同材料配比下，層狀土的含水量要高于均質(zhì)土，且不同的層狀結(jié)構(gòu)含水量增加程度不同，其中粗夾細(xì)結(jié)構(gòu)的持水性最強(qiáng)。眾所周知，土壤水分是干旱半干旱區(qū)植被恢復(fù)的主要限制因子，因此在礦區(qū)表層土回填過(guò)程中，推薦采用層狀土體作為表層土的重構(gòu)模式，尤其是粗夾細(xì)層狀土體對(duì)持水量的增加最為顯著。

表2 相同土壤材料配比下層狀土與均質(zhì)土的含水量差值 cm3/cm3

2.2 常用模型評(píng)價(jià)分析及參數(shù)估計(jì)

應(yīng)用RETC[27]軟件結(jié)合VG，BC和LND模型對(duì)其水分特征曲線進(jìn)行求參，得到不同土體結(jié)構(gòu)處理各模型下的決定系數(shù)和均方根誤差比較分析見(jiàn)表3。結(jié)果表明：層狀和均質(zhì)土壤水分特征曲線VG和BC模型都有較高的擬合精度，各處理的RMSE均小于0.009 8 cm3/cm3，決定系數(shù)R2均大于0.991 3?；赗2和RMSE對(duì)比分析VG，BC和LND模型擬合精度，可知LND模型的模擬效果相對(duì)較差，決定系數(shù)R2最小為0.954 2。對(duì)比均質(zhì)和層狀土體水分特征曲線的擬合精度的差異，可以看出層狀土體和均質(zhì)土體相近，并沒(méi)有因?yàn)閷訝钔馏w中界面存在而降低水分特征曲線的擬合精度。結(jié)合表2我們可知層狀土體在各個(gè)吸力階段增加的含水量值大小相近，是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，這也可以說(shuō)明層狀土體含水量隨著水吸力的變化是相對(duì)穩(wěn)定的值，因此均質(zhì)土的水分特征曲線模型也可以較好的模擬層狀土體。綜上所述，RETC可以用來(lái)擬合層狀和均質(zhì)土的土壤水分特征曲線，盡管其模擬效果因不同模型、土壤質(zhì)地和層狀結(jié)構(gòu)的不同存在差異，層狀土體的擬合精度并沒(méi)有因?yàn)榻缑娴拇嬖陲@著降低擬合精度。另外，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)VG模型模擬層狀土水吸力和含水量之間的關(guān)系曲線擬合效果最好。

表3 不同處理各模型擬合誤差比較

VG模型模擬的各土體結(jié)構(gòu)土壤水分?jǐn)?shù)量和能量的關(guān)系曲線參數(shù)見(jiàn)表4。對(duì)于土壤殘余含水量(θr)來(lái)說(shuō)，相同材料配比下，層狀土(F1—F4)的殘余含水量比均質(zhì)土(J1—J4)的大，這是因?yàn)閷訝钔两缑嫣幍拿苷系K阻礙了水分的溢出，從而使殘余含水量增大[28]。飽和含水量(θs)是土體中能夠保持的最大含水量，它代表著土體中氣相和液相所能占得最大體積，對(duì)于均質(zhì)土(J1—J5)來(lái)說(shuō)，土含量的增加與飽和含水量的變化正相關(guān)，這是由于土質(zhì)地較細(xì)、容重小、土壤總孔隙度大。α是模型中的一個(gè)形狀參數(shù)，其值大小可以表示土壤中水分釋放的速度[26]。α值既是模型的形狀參數(shù)，也可以表示土壤進(jìn)氣吸力的倒數(shù)[24]。新構(gòu)土體的α值與土壤質(zhì)地之間沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系，胡振琪等[29]采集晉陜蒙能源區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)表層重構(gòu)土，并測(cè)定其土壤水分特征曲線，結(jié)果表明黏壤土和粉壤土的殘余含水量和飽和含水量相差較大，而形狀參數(shù)α值很接近；攝曉燕等[24]研究了風(fēng)沙土和砒砂巖的復(fù)配土的土壤水分特征曲線，結(jié)果表明α值與砒砂巖含量呈正相關(guān)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在均質(zhì)土中土含量與α值呈正相關(guān)，說(shuō)明土壤釋水速度加快。相同材料配比下均質(zhì)土的α值要大于層狀土，而F2的α值要大于J3，表明在層狀土中水分從粗質(zhì)地層向外滲出時(shí)，釋水速度變快[28]。

表4 VG模型對(duì)各處理的擬合參數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 相同材料配比下，層狀土的保水能力要高于均質(zhì)土，且粗夾細(xì)層狀土有更強(qiáng)的持水能力。相同外加吸力的情況下，質(zhì)地較細(xì)土壤含量對(duì)土壤持水性的影響要大于土體結(jié)構(gòu)。

(2) VG模型模擬的復(fù)配土體土壤水分?jǐn)?shù)量和能量關(guān)系曲線準(zhǔn)確度較高，層狀結(jié)構(gòu)中界面的存在并沒(méi)有降低水分特征曲線的擬合精度，相同材料配比下層狀土的飽和含水量和殘余含水量都較均質(zhì)土增大。

層狀土較均質(zhì)土有更強(qiáng)的保水特性，其中粗夾細(xì)層狀結(jié)構(gòu)的持水能力最強(qiáng)。以上研究結(jié)果可為干旱半干旱露天礦區(qū)表層土回填和植被恢復(fù)提供理論基礎(chǔ)。