土地整理工程对丘陵山区土壤持水特性的影响

钟茫等

摘要：通过测定土地整理前后Ⅰ区（由水田改成的旱地）、Ⅱ区（平缓旱地）和Ⅲ区（坡度较大区的旱地）土壤水分特征曲线，计算了比水容量，探讨了水分含量与土壤颗粒之间的关系。结果表明，①土地整理后，土壤水力参数残余含水量（θr）、饱和含水量（θs）、进气吸力的倒数（α）、孔隙大小分布指数（n）在不同质地间的大小排序略有差异，表现出θr基本不受地质影响，而θs、α和n则大致符合质地越粗值越大的规律；②土壤比水容量在低土壤水势段较高，随着土壤水势的增加水分含量明显降低直到基本不变；③在低压力段，土壤容重显著影响土壤的持水性，二者呈极显著正相关，0.020～0.050 mm沙粒和黏粒含量与土壤水分含量呈负相关，其他粒径土壤含量与土壤水分含量呈正相关，但相关性均不显著，田间持水性主要受土壤容重的影响；随着压力的增大土壤水分含量与粉粒含量的正相关性增强，与土壤容重的正相关性减弱。土地整理显著改变土壤的持水性能，影响程度的大小与土地整理工程的扰动程度密切相关。

关键词：土地整理工程；土壤持水特性；Van Genuchten模型

中图分类号：S15 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）06-1271-06

The Influence of Land Consolidation Project on Soil Water Holding Capacity

in the Hilly Area

ZHONG Mang，REN Zhen-jiang，LIU Juan，HUANG Jing-jing，WEI Chao-fu

（Key Laboratory of Southwest of cultivated Land Conservation， Ministry of Agriculture / College of Resources and Environment，

Southwest University， Chongqing 400716， China）

Abstract： Based on determing of soil water capacity curve inⅠ（reclaim paddy to dryland）， Ⅱ（traditional gentle dryland） and Ⅲ（traditional steep dryland）， fitted by Van Genuchten equation and calculated the water unit weight， the relationship between the moisture content and soil particle was studied. The results showed that after arrangement， Hydraulic parameter of soil θr、θs、α、n had slight differences in sorting of different soil texture. θr was not received by soil texture. The lighter soil texture was， the lighter θs、α and n value would be. The water capacity curve showed that the soil in low pressure section had high moisture content. With increasing of pressure， the moisture content decreased. The trend of pressure change would decrease until basically unchanged. It was the same as the trend of moisture content. Analysis of water holding capacity and physical property showed that in low pressure section， the relativity between particle and water unit weight was distinctively positive， and the relativity between 0.020～0.050 mm sand and cosmid was negative. Because of the water holding capacity influenced by water unit weight， the relativity between 0.020～0.250 mm sand and moisture content was not obviously. With the increasing of pressure， the positive correlation between the moisture content and particle enhances. The positive correlation between moisture content and water unit weight was weak. The land consolidation could obviously improve the soil ability of water holding capacity closely related with detail steps.

Key words： project of land consolidation； water holding capacity； Van Genuchten model

土壤水分运动是陆地水循环的重要组成部分[1]。随着数学物理模型的应用，土壤水分运动的研究逐步由定性向定量发展。土壤水文参数（包括土壤持水能力、饱和导水率、不饱和导水率）的研究有助于预测农田土壤墒情及大面积地下水环境等实际问题[2]。田间持水量、土壤水分特征曲线和比水容量是土壤持水性能的重要指标，其水力参数是研究土壤水分运动及循环的重要参数，在模拟土壤水分动态和预测区域水分分布上具有重要意义。土壤水存在于多孔介质的孔隙中[2]，其含量取决于土壤的比表面积和土壤的孔隙度[3]。因此，土壤结构、质地等土壤物理特性与土壤持水量和比水容量都密切相关；土壤水分特征曲线、扩散率参数与土壤性质关系密切[4]；且土壤饱和导水率与土壤通气孔隙度关系密切[5]。随土壤压实程度增加，土壤容重增加，孔隙度减少[6]，土壤的田间持水量减少，萎蔫系数提高，土壤的最大有效水含量明显减少[7]。

在水稻土中，土壤田间持水量和有效水含量均与土壤容重呈极显著的线性负相关，有效水与土壤黏粒含量也呈显著的线性负相关[8]；而土壤的田间持水量和有效水含量与土壤有机质、结构系数、团聚度呈极显著的线性正相关，萎蔫系数与土壤质地也呈显著的线性正相关[9]。土壤中含有一定量的有机物质可以提高土壤的持水能力[10，11]。由于土壤吸附作用和孔隙的复杂性，目前尚未有合适的理论公式来表达土壤水吸力和含水量的关系。许多学者构建了不同的持水模型，Gardner模型是描述土壤水分特征最为普遍的模型，其参数在一定程度上反映了样区土壤水分的变化规律。王风等[12]认为Gardner提出的基质吸力（S）与土壤含水量（θ）的经验公式θ=αS–b适合中国大部分地区，但考虑到滞留含水量，该方程参数的物理意义不明确，因此仅用来描述土壤水分随基质吸力变化而变化的特点。Van Genuchten模型[13]是最常用的描述土壤水分特征曲线的模型，其参数物理意义明确，被广泛应用于土壤水分特征曲线的模拟，土壤扩散率、非饱和导水率的推求。利用分形几何理论，可在水分特征曲线与土壤结构分维之间建立一定的函数关系，揭示Calnpbell经验公式与土壤孔隙结构之间的内在联系[14，15]。因此，土壤持水模型参数不仅与黏粒密切相关，而且也与土壤容重、有机质[16]等密切相关。

本研究探讨了土地整理工程前后土壤的持水特性[17]，并将其与样区基础物理性质之间的相关性进行了探讨。

1 材料与方法

1.1 土壤样品的采集

在土地整理前后分别进行一次采样。采样区位于重庆市合川区小沔镇，地处渠江南岸，介于东经106°30′15″—106°31′29″，北纬30°07′31″—30°08′21″。土壤以灰棕紫泥土为主，主要由侏罗系上沙溪庙组泥岩、沙岩发育形成，灌溉水田多为灰棕紫色水稻土。研究根据地形及土地利用类型将采样区分为3个区域，分别为由水田改成的旱地（Ⅰ）、平缓旱地（Ⅱ）、坡度较大区的旱地（Ⅲ）。采样前，根据采样区已有地理坐标生成20 m×20 m的网格，每个点以网格节点为中心，半径2 m，取5个点的混合土样，取样深度0～20 cm；采样时，借助GPS，坐标系为WGS-84坐标，共设计采样点25个（图1）。

1.2 测定方法

选定的指标分别有田间持水量、土壤水分特性曲线和比水容重。采用压力膜仪测定土壤持水特性，并以0.3×105 Pa吸力下土地整理前后的含水量作为田间持水量。具体操作为：利用压力膜仪测定土壤持水特性。湿土样被放在压力膜仪中，外加一已知的压力，此压力可以使低压下保持在土壤中的任何水分被压出土壤。通过在几个不同的压力下分析样品，则可确定土壤含水量与压力之间的关系。研究采用的是利用德国生产的1500型15 bar压力膜仪，分别测定0.1×105、0.3×105、0.5×105、1.0×105、3.0×105、10.0×105、15.0×105 Pa压力下的土壤含水量和比水容量。

2 结果与分析

2.1 土地整理工程对田间持水量的影响

土壤持水能力是一个非常重要的农业水文指标，至今仍用田间持水量来表示。田间持水量不是一个真正的常数，但田间持水量是土壤抵抗重力作用而保留下来的含水量，它去除了蒸发、地下水和下部土壤干层的影响，作为评价土壤持水能力的一个指标，仍有其相对平衡和定量的意义，至今尚没有一个更好的指标可以替代它。田间持水量通常由测定某一基质势时的含水量作为近似值。研究测定了0.3×105 Pa压力下土地整理前后的含水量作为田间持水量，具体结果见表1。由表1可知，土地整理前Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3区田间持水量平均值分别为0.263、0.302、0.231 cm3/cm3，Ⅱ区>Ⅰ区>Ⅲ区，且Ⅱ区明显高于Ⅲ区；土地整理后Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3区田间持水量平均值分别0.262、0.287、0.250 cm3/cm3，Ⅱ区>Ⅰ区>Ⅲ区，但Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区之间差异缩小。土地整理后与整理前相比，Ⅰ区平均田间持水量几乎没有变化；Ⅱ区平均田间持水量减少0.015 cm3/cm3，降幅为4.97%；Ⅲ区平均田间持水量增加0.019 cm3/cm3，增幅为8.23%。

2.2 土地整理工程对土壤水分特征曲线的影响

土壤水分特征曲线是土壤持水性能的重要指标，是土壤水的基质势或土壤水吸力随土壤含水率而变化的关系曲线。其表征土壤水的能量与数量之间的关系，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性的曲线。土壤水分特征曲线能较准确地反映土壤孔隙的大小及其分布、土壤的持水性及水分的有效性。

Van Genuchten模型与实测数据相似程度好，在接近饱和时拟合效果更好，且参数具有明确的物理意义[18]，因此被广泛用来模拟水分特征曲线。在RETC软件中拟合Van Genuchten模型方程参数（以15.0×105 Pa压力下的实测土壤含水量作为方程中的残余含水量），该软件通过对实测值的多次迭代拟合出水分特征曲线，具有较高的准确性，其中土壤饱和导水率的实测值受时间和空间的影响很大，拟合值则难以如实反映土壤的饱和导水率，因此研究主要考虑残余含水量（θr）、饱和含水量（θs）、进气吸力的倒数（α）、孔隙大小分布指数（n）4个水力参数[15]。土地整理前和整理后的水力参数θr、θs、α、n见表2。

由表2可知，土地整理前Ⅰ区θr为0.000 0～0.000 7 cm3/cm3，θs为0.283 9～0.579 8 cm3/cm3，α为0.002 1～0.158 2 cm，n为1.021 1～1.174 0；Ⅱ区θr为0.000 4～0.146 8 cm3/cm3，θs为0.381 5～0.576 5 cm3/cm3，α为0.001 2～0.016 3 cm，n为1.101 2～1.303 8；Ⅲ区θr为0.000 0～0.001 0 cm3/cm3，θs为0.288 9～0.488 0 cm3/cm3，α为0.002 7～0.031 4 cm，n为1.095 6～1.315 0。各水力参数均在合理的范围内，但不同区域类型各参数平均值差异较大，θr在不同区域的变化幅度为Ⅱ区>Ⅲ区>Ⅰ区，差异明显；θs在不同区域的变化幅度为Ⅰ区>Ⅲ区>Ⅱ区；α在不同区域间的变化幅度为Ⅰ区>Ⅲ区>Ⅱ区；n在不同区域的变化幅度为Ⅲ区>Ⅱ区>Ⅰ区。因此进行土地整理前参数n大致符合质地越粗值越大的规律，θs、α、θr变化规律不明显。

土地整理后Ⅰ区θr为0.000 0～0.000 9 cm3/cm3，θs为0.291 8～0.497 1 cm3/cm3，α为0.001 9～0.075 7 cm，n为1.100 4～1.210 2；Ⅱ区θr为0.000 2～0.000 4 cm3/cm3，θs为0.290 3～0.504 8 cm3/cm3，α为0.000 0～0.337 5 cm，n为1.013 2～1.123 1；Ⅲ区θr为0.000 0～0.000 9 cm3/cm3，θs为0.301 4～0.636 0 cm3/cm3，α为0.000 4～0.345 0 cm，n为1.009 8～1.202 2。各水力参数均在合理的范围内，不同区域类型各参数平均值差异较大，θr在不同区域的变化幅度为Ⅰ区=Ⅲ区>Ⅱ区，但是差异很小，可以忽略；θs在不同区域的变化幅度为Ⅲ区>Ⅱ区>Ⅰ区；α在不同区域的变化幅度为Ⅲ区>Ⅱ区>Ⅰ区；n在不同区域的变化幅度为Ⅲ区>Ⅱ区>Ⅰ区。土地整理后参数θr无较大变化，而θs、α和n则大致符合质地越粗值越大的规律。进行土地整理后的参数变化规律与王改改[16]、来剑斌等[19]的研究规律大致相同。

对土地整理前后各参数进行对比发现，Ⅰ区θr的变化区间基本没有变化，土地整理对θr影响不大；整理前θs、α和n的变化区间明显大于整理后，整理后θs和α更加趋于集中，说明整理后由水田改成的旱地土壤之间持水特性差异缩小。Ⅱ区θr的变化区间基本没有变化，θs的变化区间增大，α的变化区间明显增大，n的变化区间减小，说明整理后平缓的传统旱地土壤之间持水特性差异仍较大。Ⅲ区θr的变化区间减小但是不明显，θs的变化区间增大，α的变化区间增大，n的变化区间减小，说明整理后坡度较大的传统旱地土壤之间持水特性差异依然较大。各水力参数均在合理的范围内。

2.3 土地整理工程对土壤比水容量的影响

土壤比水容量反映的是单位水势变化时，土壤吸入或释放的水量，在数值上等于土壤水分特征曲线的斜率，它对于评价土壤水分的有效性具有重要的意义。根据实测的土壤水分特征曲线可分别求得不同水势段土壤的比水容量。土地整理前后各采样点不同水势段的比水容量见表3，由表3可知，土壤比水容量随土壤水势的变化与是否进行土地整理无关，当土壤水势由-0.1×105～-0.3×105 Pa降至 -1.0×105～-3.0×105 Pa时，土壤比水容量由10-1个数量级下降至10-2个数量级，土壤水势降至

-10.0×105～-15.0×105 Pa时，土壤比水容量由10-2个数量级下降至10-3个数量级，土壤比水容量明显下降，土壤的释水量明显变小，土壤此时虽属于有效水范围，但土壤的释水量却很小。

2.4 土地整理后土壤水分含量与主要物理性质的相关性

将样区土壤不同粒级的颗粒组成、容重作为影响因素，分别与不同压力下的土壤水分含量进行相关性分析，通过对不同压力下土壤的水分含量与土壤的质地、容重等的相关性分析研究高压力段和低压力段影响土壤水分的主要因素，结果见表4。由表4可知，当0.3×105 Pa压力下的土壤水分含量作为田间持水量，15.0×105 Pa压力下的则为田间凋萎含水量，可知0.3×105 Pa压力下，土壤水分含量与土壤粒径为0.020～0.050 mm和<0.002 mm颗粒含量呈负相关，与土壤容重呈极显著正相关，与其他粒径含量呈正相关，但相关性均不显著，说明田间持水性主要受土壤容重的影响；15.0×105 Pa压力下，土壤水分含量与土壤容重和粉粒含量呈显著正相关，与土壤粒径为0.020～0.250 mm和<0.002 mm颗粒含量呈负相关，但相关性均不显著。随着压力的增大土壤水分含量与粉粒含量的正相关性增强，与土壤容重的正相关性减弱。

3 结论

田间持水量、土壤水分特征曲线和比水容量是土壤持水性能的重要指标，其水力参数是研究土壤水分运动及循环的重要参数，在模拟土壤水分动态和预测区域水分分布上具有重要意义。针对土地整理区不同地势特征的土壤，运用Van Genuchten模型拟合土壤持水特性，取得以下结论。

1）土地整理前后，Ⅰ区θr的变化区间基本没有变化，土地整理对θr影响不大；整理前θs、α和n的变化区间明显大于整理后，整理后θs和α更加趋于集中，说明整理后由水田改成的旱地土壤之间持水特性差异缩小。Ⅱ区θr的变化区间基本没有变化，θs的变化区间增大，α的变化区间明显增大，n的变化区间减小，说明整理后平缓的传统旱地土壤之间持水特性差异仍较大。Ⅲ区θr的变化区间减小但是不明显，θs的变化区间增大，α的变化区间增大，n的变化区间减小，说明整理后坡度较大的传统旱地土壤之间持水特性差异依然较大。各水力参数均在合理的范围内。

2）土地整理后，土壤水力参数θr、θs、α、n在不同质地间的大小排序略有差异，基本表现出θr基本不受地质影响，而θs、α和n则大致符合质地越粗值越大的规律，与在黄土高原发现的规律基本相同[19]，因为黏质土壤中细孔隙较多，表面能较大，故能吸持较多的水分，在任何压力下土壤中均含有较多的水分，沙质土壤中大孔隙较多，水分容易排走，保持的水分较少。黏土中，孔隙分布比较均匀，因此当吸力增加时，含水量的减少比较缓慢，曲线坡度比较缓和；沙质土中，绝大部分孔隙容量集中在很小孔径范围的孔隙内，一旦达到一定吸力，这些孔隙中的水分很快被排空，土壤含水量急剧下降。

3）土壤的比水容量影响着土壤的持水能力。从样区土壤的比水容量来看，低压力段土壤比水容量较高，随着压力增加比水容量逐渐减小，压力越大减小趋势越不明显。土水势为-0.10×105～-0.3×105 Pa时的土壤比水容量大，释水量大；当土水势处于-10.0×105～-15×105 Pa时，土壤比水容量明显变小，此时虽属于有效水范围，但土壤的释水量却很小，这是该土水势范围内干旱的原因。

4）土壤质地、容重影响着土壤的持水性能已经被广泛报道。本研究中发现在低压力段土壤容重显著影响土壤的持水性，二者呈极显著正相关，0.020～0.050 mm沙粒和黏粒含量对土壤持水呈负效应，其他粒径土壤含量对土壤水分的相关性不显著，主要是因为田间持水性主要受土壤容重的影响；随着压力的增大土壤水分含量与粉粒含量的正相关性增强，与土壤容重的正相关性减弱。这是因为在低压力下，水分的保持主要依赖于土壤结构和孔径分布，受到土壤容重和孔隙度等的强烈影响，而在高压力条件下，土壤水分的保持则主要是依赖土壤粉粒的吸附作用。说明粉粒能够提高土壤持水能力，但若粉粒含量过高，萎蔫系数也会相应提高，进而降低土壤中的有效水含量。因此质地中的粉粒含量对土壤的持水能力有较大的影响。

参考文献：

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[19] 来剑斌，王全九.土壤水分特征曲线模型比较分析[J].水土保持学报，2003，17（1）：137-140.

2）土地整理后，土壤水力参数θr、θs、α、n在不同质地间的大小排序略有差异，基本表现出θr基本不受地质影响，而θs、α和n则大致符合质地越粗值越大的规律，与在黄土高原发现的规律基本相同[19]，因为黏质土壤中细孔隙较多，表面能较大，故能吸持较多的水分，在任何压力下土壤中均含有较多的水分，沙质土壤中大孔隙较多，水分容易排走，保持的水分较少。黏土中，孔隙分布比较均匀，因此当吸力增加时，含水量的减少比较缓慢，曲线坡度比较缓和；沙质土中，绝大部分孔隙容量集中在很小孔径范围的孔隙内，一旦达到一定吸力，这些孔隙中的水分很快被排空，土壤含水量急剧下降。

3）土壤的比水容量影响着土壤的持水能力。从样区土壤的比水容量来看，低压力段土壤比水容量较高，随着压力增加比水容量逐渐减小，压力越大减小趋势越不明显。土水势为-0.10×105～-0.3×105 Pa时的土壤比水容量大，释水量大；当土水势处于-10.0×105～-15×105 Pa时，土壤比水容量明显变小，此时虽属于有效水范围，但土壤的释水量却很小，这是该土水势范围内干旱的原因。

4）土壤质地、容重影响着土壤的持水性能已经被广泛报道。本研究中发现在低压力段土壤容重显著影响土壤的持水性，二者呈极显著正相关，0.020～0.050 mm沙粒和黏粒含量对土壤持水呈负效应，其他粒径土壤含量对土壤水分的相关性不显著，主要是因为田间持水性主要受土壤容重的影响；随着压力的增大土壤水分含量与粉粒含量的正相关性增强，与土壤容重的正相关性减弱。这是因为在低压力下，水分的保持主要依赖于土壤结构和孔径分布，受到土壤容重和孔隙度等的强烈影响，而在高压力条件下，土壤水分的保持则主要是依赖土壤粉粒的吸附作用。说明粉粒能够提高土壤持水能力，但若粉粒含量过高，萎蔫系数也会相应提高，进而降低土壤中的有效水含量。因此质地中的粉粒含量对土壤的持水能力有较大的影响。

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2）土地整理后，土壤水力参数θr、θs、α、n在不同质地间的大小排序略有差异，基本表现出θr基本不受地质影响，而θs、α和n则大致符合质地越粗值越大的规律，与在黄土高原发现的规律基本相同[19]，因为黏质土壤中细孔隙较多，表面能较大，故能吸持较多的水分，在任何压力下土壤中均含有较多的水分，沙质土壤中大孔隙较多，水分容易排走，保持的水分较少。黏土中，孔隙分布比较均匀，因此当吸力增加时，含水量的减少比较缓慢，曲线坡度比较缓和；沙质土中，绝大部分孔隙容量集中在很小孔径范围的孔隙内，一旦达到一定吸力，这些孔隙中的水分很快被排空，土壤含水量急剧下降。

3）土壤的比水容量影响着土壤的持水能力。从样区土壤的比水容量来看，低压力段土壤比水容量较高，随着压力增加比水容量逐渐减小，压力越大减小趋势越不明显。土水势为-0.10×105～-0.3×105 Pa时的土壤比水容量大，释水量大；当土水势处于-10.0×105～-15×105 Pa时，土壤比水容量明显变小，此时虽属于有效水范围，但土壤的释水量却很小，这是该土水势范围内干旱的原因。

4）土壤质地、容重影响着土壤的持水性能已经被广泛报道。本研究中发现在低压力段土壤容重显著影响土壤的持水性，二者呈极显著正相关，0.020～0.050 mm沙粒和黏粒含量对土壤持水呈负效应，其他粒径土壤含量对土壤水分的相关性不显著，主要是因为田间持水性主要受土壤容重的影响；随着压力的增大土壤水分含量与粉粒含量的正相关性增强，与土壤容重的正相关性减弱。这是因为在低压力下，水分的保持主要依赖于土壤结构和孔径分布，受到土壤容重和孔隙度等的强烈影响，而在高压力条件下，土壤水分的保持则主要是依赖土壤粉粒的吸附作用。说明粉粒能够提高土壤持水能力，但若粉粒含量过高，萎蔫系数也会相应提高，进而降低土壤中的有效水含量。因此质地中的粉粒含量对土壤的持水能力有较大的影响。

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