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    土壤水分特征曲線是描述土壤含水量與吸力（基質勢）之間的關系曲線，反映了土壤水能量與土壤水含量的函數關系，也是表示土壤基本水力特性的重要指標。大孔隙是一個相對概念，一般認為不論孔徑大小、形狀如何，只要能夠導致水分和溶質優先遷移的任何孔隙都可稱之為大孔隙。大量實驗及研究表明，大孔隙普遍存在于自然界的土壤中，雖然土壤大孔隙僅占土壤體積的0.1%～5%，卻在很大程度上影響著水分及溶質在土壤中的運移。因此，研究土壤水分特征曲線就不能不考慮大孔隙的影響。

    本文以南京市棲霞區東陽鎮土壤為例，用土壤水分測定儀法分別測定了有大孔隙的原狀土柱和無大孔隙存在的均質土柱（擾動土）的土壤水分特征曲線，同時用VanGenuchten模型對所測得數據進行擬合；最后分析說明了大孔隙對土壤水分特征曲線及其擬合參數以及田間持水量和凋萎系數等水分常數的影響。實驗所用的土壤取自南京市棲霞區東陽鎮，取樣土層分別為0～20cm、20～40cm，根據國際土壤學會對土壤粒級的劃分標準，用吸管法測得土樣的粘粒（<0.002mm）、粉粒（0.002～0.02mm）、砂粒(0.02～2mm)的組成，并確定其土壤質地。每種土樣各做兩次，取平均值得到其機械組成，結果如表1所示。實驗所用離心機為日立CR21型高速冷凍離心機，轉子編號為60；所用環刀的內直徑和高均為5cm。

    在田間用環刀取得原狀土樣，由于環刀只有5cm，故實際的取樣深度分別為7.5～12.5cm，27.5～32.5cm。將經風干的土樣過2mm的篩子后，按其容重均勻裝入環刀得到均質土樣。將得到的土樣在無氣水中飽和48h后取出，稱量其初始質量后放入離心機的離心盒中，轉速按500、1000、1500、2000、3000、4000、5000、6000rpm依次遞增，每個轉速離心100min后稱重，得到一系列土壤含水量與土壤水基質勢相對應的關系點。用數學軟件MatLab對得到的點用非線性擬合函數lsqcurvefit擬合得到VanGenuchten模型的參數，并最終得到土壤水分特征曲線的表達式。

    離心力計算公式為：

h=1.118×10-5×n2×h'×(r0-h'/2)（1）式中：h為土壤水吸力（cmH2O）；n為離心機轉速（rpm）；h'為環刀中土樣的長度（cm）；r0為基準水面的旋轉半徑（cm），即離心機轉子中心到離心盒中土樣最遠處的距離。

    描述土壤水分特征曲線的Van-Genuchten模型既連續又有連續斜率，得到的曲線光滑，對絕大多數土壤在相當寬的水勢或含水量范圍內具有普遍適用性，并可得到相對導水率的解析解，因而在土壤物理領域得到了最為廣泛的應用，其公式表示為：

    θ=θr+θs-θr[1+ahn]

    mh<0（2）式中：θ為體積含水量（cm3cm-3）；θr為殘留含水量（cm3cm-3）；θs為飽和含水量（cm3cm-3）；h為吸力(cmH2O)；a、n、m為擬合參數，其中a為尺度函數，與平均孔隙直徑成反比，a=1/hb，hb為進氣吸力，m=1-1/n（n>1）。

    大孔隙土壤與均質土壤水分特征曲線形狀的比較實驗測得0～20cm、20～40cm土壤水的吸力與含水量的相關關系見表2，其對應的土壤水分特征曲線見圖1、圖2。從圖中可以看出：原狀土的水分特征曲線較均質土陡直，也就是隨著吸力的增大，原狀土體積含水量的減小量較均質土小，這說明用離心機法測定土壤水分特征曲線的有效吸力范圍內，原狀土壤持水性好，有較強的持水能力。造成這一現象的原因是由于原狀土中存在大小不一的大孔隙，土壤大孔隙具有較小的基質勢，土壤水優先從土壤大孔隙通過，在吸力值大于100cmH2O時大孔隙中的水已排空，土壤中僅剩余細小孔隙中的水分存留，而細小孔隙對土壤水具有較大的吸力，故增加相同的吸力從土壤基質中析出的水分較均質土少，表現在土壤水分特征曲線上就是曲線較為陡直。而均質土破壞了原狀土的大孔隙和細小孔隙結構，使中等孔隙發育并且分布較為均勻，故隨著吸力的增加土壤含水量逐漸減小，表現在土壤水分特征曲線上就是曲線較為平緩。從表2及圖1、圖2中還可以看出，吸力小于408.44cmH2O時，原狀土的體積含水量均小于均質土；而吸力大于919.98cmH2O時，原狀土的體積含水量大于均質土。吸力小于408.44cmH2O時原狀土體積含水量小于均質土，這是由于土壤大孔隙中的水主要為重力水，在大孔隙連通的情況下，這部分水在土樣從無氣水中取出的瞬間就會因重力作用而失去；即使大孔隙不連通，大孔隙中的水分在壓力為408.44～919.98cmH2O時也已全部失去，故土壤水分特征曲線上低吸力段原狀土的體積含水量小于均質土。吸力大于919.98cmH2O時，原狀土的體積含水量大于均質土，這是因為在吸力大于919.98cmH2O時原狀土中的水分主要存在于細小孔隙結構之中，細小孔隙由于毛管力作用，持水性較好，吸力增大時這部分水不易失去；而均質土在破壞了原狀土大孔隙結構的同時也破壞了原狀土的細小孔隙結構，致使均質土在吸力大于919.98cmH2O時持水性能較差，故土壤水分特征曲線的高吸力段上，原狀土的體積含水量大于均質土。

    用離心機法測土壤水分特征曲線的吸力范圍為100～15849cmH2O，觀測不到大孔隙中的水分失去的過程，要想詳細地描述土壤大孔隙失水過程中土壤水分特征曲線的變化趨勢，可以使用土柱法，土柱法測定吸力的范圍為0～100cmH2O，具體可參考日本土壤物理性測定委員會編的《土壤物理性測定法》一書。大孔隙土壤與均質土壤水分特征曲線參數的比較利用MatLab的非線性函數lsqcurvefit對所測得的點進行擬合，結果如表3所示，殘差平方和是指實測值與擬合曲線上對應值之差的平方和，值越小表示擬合的效果越好，其余參數意義同式（2）。對所測得的四種土樣的吸力與含水量數據進行擬合后的殘差平方和的數量級均為10-5，效果非常好。擬合數據還可以看出：原狀土的殘留含水量均大于均質土；原狀土的飽和含水量均小于均質土；原狀土的尺度函數a均小于均質土。原狀土的殘留含水量均大于均質土，這是因為原狀土存在細小孔隙，細小孔隙的持水性好，在較大的吸力下不易失水，而均質土破壞了這些細小的孔隙，中等孔隙發育，故在較大的壓力下不易持水，因此原狀土的殘留含水量較均質土大。原狀土的尺度函數a均小于均質土，是均質土的1/6左右，即原狀土的平均孔隙直徑大于均質土。這是因為原狀土壤由于干濕交替作用、凍融循環作用、土壤中可溶性物質的溶解、植物生長、動物活動等因素存在較多的大孔隙結構，因此其平均孔隙直徑較大；而均質土破壞了原狀土的大孔隙結構，使土壤的中等孔隙發育，因此其平均孔隙直徑減小，a增大。
   
把表3的參數代入式（2）就可得到4種土樣的土壤水分特征曲線。

    2.3大孔隙對田間持水量和凋萎系數的影響田間持水量是指土壤中毛管懸著水達到最大時的土壤含水量。土壤含水量達到田間持水量時，土壤顆粒對水分子的最大吸力約為0.3個大氣壓，即309.9cmH2O，將h=309.9代入式(3)、(4)、(5)、(6)可得0～20cm原狀土、均質土，20～40cm原狀土、均質土的田間持水量分別為0.3509、0.3834、0.3588、0.3936，由此可以看出原狀土的田間持水量小于均質土的田間持水量。這是由于原狀土中存在大孔隙，土壤大孔隙持水性能較差，在較小的吸力下大孔隙中的水就容易失去；而均質土中等孔隙發育，并且分布較為均勻，故在低吸力段持水性較好。由此可以看出，農田的耕作可以破壞不易持水的大孔隙的結構，使中等孔隙發育，從而有更利于土壤對水的保持，為作物生長提供必須的水分。

    凋萎系數是指土壤顆粒對水分子的吸力為15個大氣壓，即15495cmH2O時的土壤含水量，這時土壤中的水分不能為植物根系所吸收，會致使植物發生永久性凋萎。將代入式(3)、(4)、(5)、(6)可得0～20cm原狀土、均質土，20～40cm原狀土、均質土的田間持水量分別為0.2319、0.2157、0.2477、0.2035，可以看出原狀土的凋萎系數大于均質土的凋萎系數，這是由于原狀土中存在較多的細小孔隙，而均質土破壞了這些細小孔隙的緣故。

    這一結論說明，用均質土所得的土壤水分特征曲線來設計和指導農田灌溉，需要對曲線修正，使灌溉制度既能滿足作物需水又能最大限度地節約用水。本文用離心機法測定了0～20cm及20～40cm的原狀土和均質土的水分特征曲線，并用VanGenuchten模型對所測得的數據進行擬合，通過對比分析了原狀土中大孔隙對水分特征曲線及其參數以及田間持水量和凋萎系數的影響。指出了土壤大孔隙雖然只占土壤總體積的很少一部分，但對土壤水分特征曲線的低吸力段和高吸力段都有很大的影響，它使原狀土在低吸力段含水量較均質土小，而在高吸力段較均質土大，并使VanGenuchten模型的尺度函數較均質土小。同時指出了含有大孔隙的原狀土田間持水量小于均質土的田間持水量，而凋萎系數大于均質土的凋萎系數。