天津滨海地区3种典型土壤水分物理特性
2022-09-21
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第39卷第4期 2011年7月 河海大学学报(自然科学版) Journal of Hohai University(Natural Sciences) V01.39 No.4 Ju1.2011 IX)I:10.3876/j.issn.1000—1980.2011.04.014 天津滨海地区3种典型土壤水分物理特性 杨 红 ,邵孝侯 ,张 林 ,蔡 飞 ,翟亚明 ,王振宇2,黄明勇2 (1.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室,江苏南京2.天津泰达园林建设有限公司,天津300457) 210098; 摘要:采用压力膜仪法测定滨海地区盐渍土、吹填土和种植土3种典型土壤水分特征曲线,并用 VG模型进行参数求解与曲线拟合.结果表明:VG模型能够较好地拟合天津滨海地区3种典型土壤 的水分特征曲线,残差平方和较小.低吸力阶段,吹填土含水量最高,下降速度最快;高吸力阶段,吹 填土的含水量介于盐渍土和种植土之间.心土层(20~40 cm)、底土层(40—60 em)以及吹填土的土 壤含水量高但有效性低. 关键词:盐渍土;吹填土;土壤水分特征曲线;VG模型 中图分类号:S152.7 文献标志码:A 文章编号:1000—1980(2011)4-0431—05 随着城市建设的迅猛发展和人们生活质量的不断提高,我国东部沿海地区存在的经济发展、人口增长与 耕地减少的矛盾日益突出.天津滨海地区所在的华北平原与长江以北的苏北平原存在的大量盐碱地,对城市 生态建设、经济可持续发展以及农业种植有很大的制约.同时,滨海盐碱地作为一种重要的土地后备资源,如 何治理改良和合理利用一直受到当地政府和社会的高度关注….目前国内外对土壤水分特征曲线的研究主 要集中于耕地和林地,对滨海盐碱地区土壤水分特征曲线研究相对较少,而盐渍土、吹填土以及种植土又是 天津滨海地区最具代表性的3种土壤,广泛分布于该区域.本试验利用VG模型对天津滨海地区盐渍土、吹 填土、种植土进行参数求解与曲线拟合,旨在探索不同土壤类型、不同土层深度土壤水分特征曲线的差异,分 析不同类型土壤的含水状况与水分有效性,为天津滨海地区盐碱地改良与利用提供参考与依据. 1材料与方法 1.1研究区概况 天津滨海新区地处华北平原北部,位于山东半岛与辽东半岛交汇处,海河流域的下游(北纬39。1 48 ,东 经ll7o40 48”),拥有海岸线153 km,陆域面积2270km2,海域面积3000km2.该区气候属暖温带大陆性季风气 候,四季分明,无霜期为234d,年平均气温在12 ̄C左右.该地区的年均降雨量为622.0InlTl,年最大降雨量为 l 083.3 inln,年最小降雨量为278.4n3in,年蒸发量在1 538~2508rain之间,全年蒸发量和降水量之比为3:1.盐 渍化土壤面积为1 959km2,约占滨海新区总面积的86.3%.强烈的蒸发使地下水不断沿毛细管上升,土壤水 分大量散失,这是导致土壤逐年处于积盐过程的重要原因. 1.2供试土样与测定 供试土壤为天津滨海地区3种典型土壤,盐渍土采自开发区l3大街,吹填土采自保税港海岸,种植土采 白天津生态城.按其自然剖面分层状况,用环刀(体积为100 cm3)对0~20 cnl,20~40 cnl和40—60 cm土层取 样,每层土壤取3个重复样,3种土壤基本性质如表1所示. 土壤水分曲线采用压力膜仪法测定,设定的压力等级有l0个,分别为0,3,10,30,50,100,300,500,1 000, 1 500kPa.将所取土样放人烘箱,在105—110℃的温度下烘至恒质量,计算得出在饱和至凋萎各个压力等级下 的土壤含水量,用各含水量和所对应的施加压力绘制得出土壤吸力与含水量的关系曲线. 收稿臼期:2010—08—02 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划(2007BAD67B03);水利部公益性行业(农业)科研专项(200903001-05) 作者简介:杨红(1986一),女,四川遂宁人,硕士研究生,主要从事农业节水灌溉与水肥耦合研究.E-mail:yanghongxxsic2(105@163.toni 432 河海大学学报(自然科学版) 表1供试土壤的基本性质 Table 1 Basic properties of tsted soiel samples 第39卷 1.3拟合模型与拟合方法 VG模型由美国学者van Genuchten J于1980年提出,因拟合效果 较好,得到国内外的普遍应用[3-6j.其表 达式为 (^)={【 r + (1+f臼 一臼 ah f ) h<0 r h≥0 式中: ——体积含水量,( m /cm ; /!——压力水头,cm;臼 ——土壤饱和含 水量,c /cIll3;0r——土壤残余含水量, c m /c1Tl3;a,n——经验拟合参数(或曲线线性参数);m=1—1/n 2结果与分析 2.1土壤吸力与含水量 用压力膜仪对3种供试土样的脱湿曲线进行测定,测定结果如表2所示. 从表2可以看出,随着土壤吸力的增大,不同土壤类型不同土层的含水量呈不断下降趋势,其中10~30 kPa和100~300 kPa之间下降幅度最大,500~1 000 kPa和1 000~1 500 kPa之间下降幅度最小.这与钟兆站 等_7 J研究结果相似.因为在低吸力阶段,土壤所能保持或释放出来的水量取决于较粗孔隙的分布,施加较小 压力,大孔隙中的水即可排出,当大孔隙的水排完后需要施加更大的压力才能排出小孔隙中的水,所以高吸 力阶段增加与低吸力阶段相同的压力,土壤含水量的变化较小. 表2供试土壤不同土壤吸力下体积含水量 Table 2 Volumetric water content of tested soil samples at diferent soil suctions 沣:r为土壤吸力 通过同一土层不同土壤类型含水量的比较可以看出,在低吸力阶段,吹填土的土壤含水量最高,种植土 次之,盐渍土较低.吹填土是通过水力吹填而成的一种特殊的人造土,天津滨海新区的吹填土主要吹填物料 为浅海淤泥土,黏粒成分达到47.6%以上l8j.黏粒属于次生矿物,颗粒细小表面吸湿性强,各黏粒间缝隙很 小毛管作用显著,而且黏粒表面积大吸附水量多,因此,黏粒含量越高,土壤含水量越高.对比同一土壤类型 同土层可以看出,土深为20~40 cm的含水量最高,40—60 cm次之,0~20cm最低,基本符合表土层含水量 <底十层含水量<心土层含水量的规律 J.对比不同吸力条件下土壤含水量可知:在低吸力阶段,特别是在 30kPa之前吹填土下降剧烈程度比其他土壤大,这是因为吹填土中含有大量的超孔隙水,所以很小的压力就 可以使其含水量发生较大的变化;在高吸力阶段,吹填土的含水量却介于盐渍土和种植土之间,原因是随着 吹填土超孔隙水的排空,土壤密度和有机质含量等决定了土壤含水量的变化. 2.2 VG模型拟合效果 利用软件Matlab编写程序及调用函数lsqcurvefit拟合出VG模型参数 , , ,n以及残差平方和,结果 如表3所示.土壤水分特征曲线如图1所示. 第4期 杨红,等天津滨海地区3种典型土壤水分物理特性 表3 VG模型拟合参数 433 Table 3 Fitting parameters of VG model ・0-20 ClI'I实测 ・20-40cm实测 -40~60cm实测…一0-20cm拟合…-20-40cm拟合一4O~60cm拟合 0.5 f 昌 g J. 0_4 0.3 J- g g 皿 如 钆 0_2 投0.1 世 l 壤吸77/(1o Pa1 (a)盐渍土 土壤吸力/(10 Pa) } 壤吸力/0o Pa) (b)吹填 { (C)种植土 图1土壤水分特征曲线 Fig.1 Soil moisture characteristic curve 在VG模型中参数 为残余含水量,是水分特征曲线导数为0(即dO/dh=0)时的土壤含水量.从表3中 看出3种供试土壤参数 的范围分别为0.1045~0.1189,0.091 6~0.1062和0.0336~0.071 8,种植土最低, 盐渍土最高,心土层最高,表土层最低.参数 为饱和含水量,也是负压等于0时的含水量.从表3看出吹填 土的范围是0.5088~0.5528,明显高于种植土0.4182~0.4428和盐渍土0.3674~0.4105,且在实际应用中, 0 与土壤饱和含水量比较接近,表2中0 与表1中0kPa时的土壤含水量基本一致.参数a一般认为是进气 值h的倒数,即O/=1/h,不同质地的土壤进气值不同,一般重质黏性土壤进气值较大,轻质土或结构良好的 土壤进气值较小,或没有明显的进气值.由表2看出盐渍土参数a范围是0.0268—0.0393,而吹填土和种植 土的范围分别是0.0154 0.0205和0.0184~0.0240.由此计算3种土的进气值范围是25.44~37.31,48.78 64.94,41.67~54.35.参数n的大小决定着土壤水分特征曲线的坡度,当n大时,曲线较缓,反之曲线 较陡[10]. 盐渍土团粒含量少,土壤密度大,故 应该较大,a应该较小l_1 .其主要原因是该区域盐渍土的土壤母 ~质是潮土中的沙质,其发育而成的土壤由于粒间空隙大、土壤通气良好,所以具有排水快、保水保肥性差等特 点.吹填土和盐渍土质地较黏,种植土勤于翻耕且有机质含量高、团粒结构好,所以种植土的n值较大.另 外,利用VG模型模拟的残差平方和较小,拟合曲线和实测数据吻合较好(图1),证明VG模型能够较好地模 拟滨海地区土壤吸力与含水量之间的关系. 2.3土壤水分有效性 土壤水分有效性是指土壤水能否被植物吸收利用及其被利用的难易程度,要研究土壤水分的有效性,应 根据作物对水分的吸收量大小、难易程度等进行土壤水分分类.土壤含水一般分为重力水、有效水和无效水, 有效水又包括易有效水(又称速效水)和难有效水(又称迟效水).其中重力水含水量=饱和含水量(0 Pa时的 土壤含水量)一田问持水量,全有效水含水量=田问持水量一凋萎系数(1 500kPa时的土壤含水量),易有效 水含水量=田问持水量一毛管断裂持水量(田问持水量的65%左右),难有效水含水量=毛管断裂持水量一 凋萎系数,无效水指凋萎系数以下的水l_l 1 . 434 河海大学学报(自然科学版) 表4供试土壤水分分类 Table 4 Classiicatifon of soil moisture for tested soil samples 第39卷 表4中,同一土壤类型中的心土层>20~40 cm和底土层>40~60 cm的无效水含量都高于表 土层0~20cm,与表2中3种土壤的各层含水量 恰好相反,说明3种供试土壤心土层和底土层的 土壤含水量虽高但有效性低,不易被植物利用.从 不同土壤类型来分析,吹填土重力水含量为 17.52%,显著高于种植土16.42%和盐渍土 11.o4%.而种植土无效水含量则是6.18%,显著 低于盐渍土14.74%和吹填土11.65%,说明吹填 土的饱和水含量虽然高但利用效率不高.因此,可 以通过深耕、农田覆盖耕作、有机肥深施等农业措 施,减小心土层和底土层的土壤密度,增大其孔隙 度,从而增加心土层和底土层的土壤水分对植物吸收利用的有效性.对于吹填土,可采取强夯法等物理方法 和添加外加剂等化学方法,降低土壤中的含水量,改善土壤的团粒结构,提高土壤水分利用率. 3 结 论 a.利用VG模型拟合天津滨海地区盐渍土、吹填土、种植土3种具有代表性的土壤水分曲线,残差平方 和较小,拟合曲线和实测数据吻合较好,证明VG模型能够较好地模拟天津滨海地区土壤吸力与含水量之间 的关系. b.低吸力阶段,吹填土泥浆含量高,且有超孔隙水存在,故含水量最高,下降速度最快;高吸力阶段,吹 填土密度比盐渍土大,但土壤结构和有机质含量不如种植土,故此时吹填土的含水量介于盐渍土和种植土之 问. c.心土层、底土层以及吹填土的土壤含水量高但有效性低.心土层和底土层的主要影响因素是土壤密 度和孔隙度,而吹填土是土壤质地.因此,可以通过深耕、农田覆盖耕作、有机肥深施等农业措施,减小土壤密 度,增大孔隙度,从而增加心土层和底土层土壤水分有效性.同时,可采取强夯法等物理方法和添加外加剂等 化学方法,降低土壤中的水含量,改善土壤的团粒结构,提高吹填土水分利用率. 参考文献: [1]李建华,刘仲齐.天津滨海地区可持续发展的生态建设策略[J].天津农业科学,2008,14(6):卜5.(LI Jian-hua,LIU Zhong-qi. 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Moisture—physical characteristics of three types of soils in Tianjin Binhai area YANG Hong ,SHAO Xiao—hou ,ZHANG Lin ,CAI Fei , ZHAI Ya・IIling ,WANG Zhen- ,HUANG Ming-yong2 (1.Key Laboratory ofEficifent Irrigation—Drainage and Agricultural Water and Soil Environment in Southern China,Ministry ofEducatoin,Hohai University,Nanifng 210098,China; 2.Tianjin TEDA Landscape Architecture Limited Company,Tianjing 300457,Chia)n Abstract:The moisture characteristics of three typical soils,saline soil,dredger矗ll soil and planting soil,were measured with the pressure membrne metahod in the Tianjin Binhai area.The parameters were calculated and the fitting curves were obtained using he VG mode.Tthe results show hatt the VG model call ift the moisture characteristic curve of the three tpiycal soils wih a stmaller residual sum of squares.At low suctions,dredger fill soil has the inaximunl water content and the fstaest rate of decline;at hi【gh suctions,the water content of dredger fill is between those of the saline soil and plntaing soil.Although there is high soil water content in the subsoil layer at a depth of20cm to 40cm,in the bottom layer at a depth of 40 cm to 60 cm.and dredger 6ll,the water availability and utilization rate are lower. Key words:saline soil;dredger fill;soil moisture characteristic curve;VG model