应用一次出流法结合ＳＦＩＴ模型对土壤水力性质的研究陈效民Ｊ．Ｂｏｕｍａ（南京农业大学２１ ００１４）（荷兰Ｗａｇｅｎｉｎｇｅｎ农业大学）ＡＰＰＬＹＩＮＧＯＮＥ－ＳＴＥＰＯＵＴＦ ＬＯＷＭＥＴＨＯＤＩＮＣＯＭＢＩＮＡＴＩＯＮＷＩＴＨＳＦＩＴＭＯＤＥＬＦＯＲＳＴＵＤＹ ＩＮＧＨＹＤＲＡＵＬＩＣＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳＯＦＳＯＩＬＳＪ．Ｂｏｕｍａ；ＣｈｅｎＸｉ ａｏｍｉｎ（ＮａｎｊｉｎｇＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２１００９５） Ｊ．Ｂｏｕｍａ（ＷａｇｅｎｉｎｇｅｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｈ ｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）关键词一次出流法，水分特征，水力传导，ＳＦＩＴ模型在描述非饱 和区土壤水运动和元素迁移时需要各种土壤水力性质的参数资料，其中主要的为土壤非饱和导水率 和土壤持水特性。而且测定这些参数需花费大量的时间和精力，且在测定过程中还会受到测定时间 和空间变异的影响。本文主要介绍应用一次出流法结合ＳＦＩＴ模型来测定土壤水分特征曲线和水 力传导曲线，并用实测资料加以比较分析。一次出流法（Ｏｎｅ－ｓｔｅｐｏｕｔｆｌｏｗ）已经 广泛地用于测定土壤水的扩散率￣［１，２］．近年来又利用此法取得的水分特征和水力传导参数 ，进而得到这两种曲线￣［３］．Ｐａｒｋｅｒ等（１９８５）￣［４］用此法测得瞬时流，结合 ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ（１９８０）￣［４］假设的方程，从方程中得到有关参数建立了数学 模型。在此基础上Ｋｏｏｌ和Ｐａｒｋｅｒ（１９８７）￣［５］建立了数值水流ＳＦＩＴ模型， 它是利用实验室的方法求得必要的参数，只需在一定时间内测定原状土的累积出流量，通过模拟， 即可得到水力传导曲线和水分特征曲线。其与田间方法相比，更要省时和精确得多。一、基本原理 一次出流法是在饱和土壤样品上加一正压，在某一压力作用下，水从土壤样品底部流本文为作者在 荷兰Ｗａｇｅｎｉｎｇｅｎ农业大学学习时所做论文的一部分，曾得到该校土壤地质系Ｐ．Ｐｅｔ ｅｒｓ先生和Ｒ．Ｍ．ＶａｎＳｐａｒｏｅａ先生的大力帮助，在此一并致谢．出，并被收集于滴 定管中，同时记录所需的时间，即可得出随时间变化的出流量。为防止空气的影响，样品的底部放 一个１００ｋＰａ左右进气吸力值的多孔瓷板。土壤样品中的垂直水流的数值模型可用达西方程和 质量守恒定律相联系，形成Ｒｉ－ｃｈａｒｄ＇ｓ方程，Ｋｏｏｌ￣［６］描述如下：式中θ＿ｖ 为土壤容积含水量，ｔ为时间，ｘ为水流距离，Ｋ为导水卒，ｈ为负压水头。开始时的边界条件为 ：式中：ｘ＝０是指土壤水流在土样的顶部，ｘ＝Ｌ是指土壤水流已到达土样的底部，Ｌ是土样的 长度，ｔ是时间，ｈ是负压水头，ｈ．是开始的负压水头，ｈＬ是土样底部多孔陶瓷板上的负压水 头，ｈ＿ａ是施加到土样上部的负压水头。要解方程（１），需要有关土壤水力性质的资料，而累 积出流量Ｑ（ｔ）可以用下式计算：式中：Ｑ（ｔ）为累积出流量，Ａ为垂直水流方向的土样面积 ，Ｌ为土样长度，θ（ｘ，０）为开始时的含水量，θ（ｘ，０）是经ｔ时间后的含水量，ｄｘ为 水流距离。只要多孔瓷板饱和，就可求得饱和导水率。Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ（１９８０）假设了一 个最近似的水分特征和传导曲线方程。式中：Ｓｅ为相对饱和度，ｈ为负压水头，ａ和ｎ分别表示 与进气吸力值和孔隙大小分布呈反相关，决定曲线形状的参数。据报道￣［４］ａ的值变化于０． ００５－０．０５ｃｍ－１；而ｎ通常变化于１．１至约３．５；ｍ为无量纲的经验参数，ｍ值被 定为。一般砂土和ｎ的值较高，而细质地的土壤其值较低￣［６］。在负压水头（ｈ）的作用下， Ｓｅ用下列方程式求得：式中：Ｓｅ为相对饱和度，θ为土壤含水量，θｓ为饱和含水量（θ在ｈ ＝０时）；θｒ是残余含水量，一般认为是凋萎系数时的值。１９８７年Ｋｏｏｌ和Ｐａｒｋｅｒ 修正了由Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ提出的参数模型，用滞后作用和进气吸力值来表示持水曲线，则Ｋ（ θ）可用下式表示：式中：Ｋ（θ）为非饱和导水率；Ｋｓ为饱和导水率；Ｓｅ为相对饱和度；Ｙ 是一个无量纲，取决于土壤质地的适应性参数；ｍ为无量纲的经验参数。在模拟水流的过程中需要 估计的参数，可用测定和计算出流量或利用测定θ（ｘ，ｔ），ｈ（ｘ，ｔ）所得的资料，再用最 小二乘法来选取￣［５］．二、材料与方法（一）供试土壤土壤采自西班牙南部马拉加（Ｍａｌａ ｇａ）省的两个不同地形部位。一是山前平原土壤，这种土壤土层较厚，排水能力极强，色红黑至 黄红，质地为粉砂粘土（国际制），含大量碳酸钙新生体，棱柱伏结构，按ＦＡＯ分类￣［１］， 属钙质淋溶土（Ｃａｌｃｉｃｌｎｖｉｓｏｌｓ）．二是湖积物土壤，这种土壤土层也较厚，表层 颜色为棕至棕黑色，质地为重粘土，中等亚棱形块状结构，含有大量的碳酸钙，按ＦＡＯ分类为钙 质始成土（ＣａｌｃａｒｉｃＣａ－ｍｂｉｓｏｌｓ）。（二）方法１．试验装置（图１）：两大 主要部分，（１）压力及压力调节装置；（２）安置样品及测定装置。２．根据试验要求，采用两 套压力计控制整个系统的压力。在０一１０ｋＰａ范围，采用水头压力计控制５１０ｋＰａ一６８ ｋＰａ范围，用水银压力计控制。每一套压力计均有自己的调节阀。土壤样品是用３００ｃｍ￣３ 大容重圈采的原状土用小刀小心地削去容重圈两端多余的土壤１）。土样与多孔瓷板一起放在水中 浸泡２天，使土样充分饱和。在安装土样前，必须将多孔瓷板及放置饱和土样的腔室清洗干净，以 防砂粒引起试验过程中发生泄漏。安装好土样后，可通过多孔瓷板下面的溢流装置加水，并排除系 统中的气泡。１）这一步非常重要，因它关系到与多孔瓷板的接触好坏，以致直接会影响到测定的 结果。试验开始，第一阶段用水头压力计控制，分别加１ｋＰａ、４ｋＰａ、８ｋＰａ压力，同时 记录在每种压力下，滴定管中随时间变化的出流量，直至无出流量为一个过程结束。第二阶段加６ ８ｋＰａ压力，用水银压力计控制，也同时记录随时间变化的出流水量。这两个过程的目的是为了 测定土壤的孔隙分布状况和低压条件下的水分特征数据。在以上过程结束后，将样品移出压力装置 ，在１０５℃时烘干，称重后计算出土壤容重和饱和含水量。干样品分成若干个小样本，经饱和后 放在压力膜仪中分别测１．２４×１０￣２ｋＰａ和１．５５×１０￣３ｋＰａ时的特征曲线的最 后两个点。３．饱和导水率用结壳法测得￣［６］。将上述所得的一次出流、水分特征、饱和导水 率、饱和含水量数据和经过逐步调整后所得的ａ，ｎ，θ，Ｙ等参数输入ＳＦＩＴ模型进行模拟。 两种土壤采用的参数见表１。三、结果与讨论１．从一次出流曲线（图２、３）来看，测量值基本 落在模拟曲线上，方法１与测量值基本相符，方法１和２的曲线近似重合，方法３曲线略差一点。 比较而言，山前平原土壤在某一压力下随时间变化的出流水量与模拟出流水量的符合程度更好一些 ，其原因是受湖积物土壤粘粒含量较高影响而致。２．模拟的水分特征曲线与测量值也有很好相符 性（图４、５）。两种土壤模拟结果都比较理想。３．水力传导曲线（图６、７）模拟结果表明， 湖积物土壤比山前平原土壤略好一些。因为山前平原土壤有较多的大孔隙，这些孔隙影响了在低压 条件下的水力传导度。在模拟曲线上可直接查得非饱和导水率。４．研究表明，一次出流法与ＳＦ ＩＴ模型相结合能适合于决定土壤水分特征曲线，但对有大孔隙的土壤的水力传导曲线有一定的偏 差。虽然所用的模型参数能够决定水分特征曲线和水力传导曲线，但最好经过多次试验，对某一种 土壤固定必要的参数，这样可获得更理想的结果。５．在试验中，土壤样品与环刀底部的陶土板之 间要保持最好的接触，特别是对于有膨胀收缩的土壤，应引起注意，不然地话，由于胀缩会影响接 触面积，导致出流量减少或趋于无出流量。６．ＳＦＩＴ模型在解释一次出流法资料上是一种很好 的方法，此模型可有效地利用一次出流提供的参数，模拟出水分特征和水力传导曲线，得出非饱和 导水率。一次出流法由于用大环刀采集原状土，因此所得的资料能很好地代表田间实际状况，所以 ，一次出流法结合ＳＦＩＴ模型在研究土壤水力性质上是一种可靠、实用的方法。参考文献｜｜１ ．Ｄｏｅｒｉｎｇ，Ｅ．Ｊ．，１９６５：Ｓｏｉｌ－ｗａｔｅｒｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙｂｙｔ ｈｅｏｎｅ－ｓｔｅｐｍｅｔｈｏｄ，ＳｏｉｌＳｃｉ．９９：３２２一３２６．２．Ｖａｌｉａ ｎｔｚａｓ．Ｊ．Ｄ．１９８９：Ａｓｉｍｐｌｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｉｅｓｆｒｏｍｏｎｅ－ｓｔｅｐｏｕｔｆｌｏｗｅｘ ｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ＳｏｉｌＳｃｉ．Ｓｏｃ．ｏｆＡｍ．Ｊ．５３：３４２一３４９．３．Ｐ ａｒｋｅｒ．Ｊ．Ｇ．Ｊ．Ｂ．Ｋｏｏｌ，ａｎｄＭ．Ｔｈ．ｖａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ．１９８ ５：Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｓｏｉｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｏｐｅｒ－ｔｉｃｓｆｒｏｍｏｎ ｅ－ｓｔｅｐｏｕｔｆｌｏｗｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｂｙｐａｒａｍｅｔｃｒｅｓｔｉｍａｔｉ ｏｎ：１１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｉｅｓ．ｓｏｉｌＳｃｉ．Ｓｏｃ．ｏｆＡｍ． Ｊ，４９：１３５４一１３５９．４．ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ，Ｍ．Ｔｈ．，１９８０：Ａｃ ｌｏｓｅｄ－ｆｏｒｍｅｑｕａｔｉｏｎｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｓｏｉｌｓ．ＳｏｉｌＳｃｉ．Ｓｏｃ． Ａｍ．Ｊ．４４：８９２．８９２一９８．５．Ｋｏｏｌ．Ｊ．Ｂ，ａｎｄＪ．Ｃ，Ｐａｒｋｅｒ ．，１９８７：Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇｓｏｉｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｒｏｍｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｏｗｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ：ＳＦＩＴｕｓｅ＇ｓｇｕｉｄｅ．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＰａｌｏＡｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ．４．Ｋｏｏｌ，Ｊ．Ｂ．，Ｊ．Ｃ，Ｐａｒｋｅｒ，ａｎｄＭ．Ｔｈ．ｖａｎＧｅｎ
More abstracts about the 应用一次出流法结合SFIT模型对土壤水力性质的研究