第３９卷第６期 三峡大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．６ ２０１７年１２月 Ｊ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｄｅｃ．２Ｏ１７ ＤＯＩ：１０．１３３９３／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ．１６７２—９４８Ｘ．２０１７．０６．０１２ 碳酸钙含量对砂型土壤水分特征曲线的影响研究 李国翔 刘 冀 董晓华 唐慧雅 谭雪松。 （１．三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌４４３００２；２．武汉大学水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉 ４３００７２；３．宜昌晟泰水电实业有限责任公司，湖北远安４４４２００） 摘要：本文使用高速冷冻离心机对含量为０ 、ｌｏ％、３Ｏ 、５Ｏ 碳酸钙的砂型土试样进行了水分特 征曲线测试，并测定了混合试样的容重、孔隙度、饱和导水率和田间持水量．由于土壤颗粒微观结构 是影响土壤持水能力的主要因素之一，为了进一步分析试验结果，用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观测 混合试样的微观结构，最后对试验结果用ＶＧ（Ｖａｎ Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ）模型进行拟合．结果表明：随着土壤 中碳酸钙含量的增加，土壤水分特征曲线左移，即在相同土壤吸力下，土壤含水率下降，土壤容重 增大，孔隙度减小，饱和导水率减小，田问持水量减小，土壤持水能力降低．扫描电子显微镜观察表 明，土壤中碳酸钙含量增加后，碳酸钙与土粒聚集形成团粒结构，小孔隙减少，大孔隙增多，导致土 壤在相同吸力下，持水能力减弱，通气能力增强，这应该是导致岩溶土水土保持能力弱的原因之一． 关键词：碳酸钙； 土壤水分特征曲线； 扫描电子显微观察； 持水能力； 拟合 中图分类号：Ｓ１５２．７：ＴＵ４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－９４８Ｘ（２０１７）０６－００５７—０７ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃａｌｃｉｕｍ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｏｎ Ｗａｔｅｒ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｓａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｌｉ Ｇｕｏｘｉａｎｇ Ｌｉｕ Ｊｉ ・ Ｄｏｎｇ Ｘｉａｏｈｕａ ・ Ｔａｎｇ Ｈｕｉｙａ Ｔａｎ Ｘｕｅｓｏｎｇ。 （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖ．，Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３００２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖ．，Ｗｕｈａｎ ４３００７２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｙｉｃｈａｎｇ Ｓｈｅｎｇｔａｉ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙｕａｎ＇ａｎ ４４４２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ Ｏｆ ｃａｌｃｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｋａｒｓｔ ｓｏｉ１，ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓａｎｄｙ ｓｏｉ１ ｗｉｔｈ ｃａｌｃｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ０ ，１ ０ ，３Ｏ ， ５Ｏ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ—ａｄｄｉｎｇ ａｎｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｄｏｎｅ ｕ— ｓｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｐｏｒｏｓｉｔｙ，ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉＳ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ－ｈｏｌｄｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｕｒｔｈｅｒ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｍｉｘｅｄ ｓａｍｐｌｅｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｆｉｔｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＶＧ（Ｖａｎ Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ）ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｒｅｖｅａｌ ｔｈａｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｃａｌｃｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌ。ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｃｕｒｖｅ ｓｈｉｆｔｓ ｔｏ ｔｈｅ １ｅｆｔ．Ｔｈｕｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｏｉｌ ｓｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎ— ｔｅｎｔ ｄｅｃｌｉｎｅｓ，ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｖｏｌｕｍｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ；ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ；ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ；ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｃａｕｓｉｎｇ ａ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｗａｔｅｒ—ｈｏｌｄｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｒｅｖｅａｌ ｔｈａｔ：Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃａｌｃｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌ，ｔｈｅ ｃａｌｃｉｕｍ ｃａｒ— ｂｏｎａｔｅ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｇｒａｎｕｌｅｓ ｆｏｒｍｅｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｌｌｅｔｓ ｃａｕｓｉｎｇ ａ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｐｏｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｕｓ ｉｎ— ｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｉｎ ａ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｃａｐａｃｉ．ｔｙ ａｎｄ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｃａｐａｃ一 收稿日期：２０ｌ７一Ｏ７—２９ 基金项目：国家自然科学基金（４０７０１０２４） 通信作者：董晓华（１９７２一），男，教授，博士，主要从事水文水资源研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｈｄｏｎｇ＠ｃｔｇｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ５８ 三峡大学学报（自然科学版） ２０１７年１２月 ｉｔｙ．Ｔｈｉｓ ｍｉｇｈｔ ｂｅ ｒｅｓｐｏｎｓｉｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｅａｋ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｋａｒｓｔ ｓｏｉｌ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃａｌｃｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ； ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ； ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｅ（ＳＥＭ）ｏｂｓｅｒ ，ｖａｔｉｏｎｅ； ｗａｔｅｒ—ｈｏｌｄｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ； ｆｉｔｔｉｎｇ 近年来，岩溶地区土地石漠化问题越来越严重， 受到普遍关注．因此，研究岩溶地区影响土壤持水能 力的因素，探索其影响机理，并根据研究结果采取合 理措施提高土壤持水能力具有重要意义．土壤水分特 征曲线ｌ１］（ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ，ＳＷＣＣ）是 用来表征非饱和土壤的基质吸力与含水率的关系曲 线，可以用来反映土壤的持水能力 ２］．研究某一因素 对土壤水分特征曲线的变化影响，可以很直观、准确 的获得该因素对土壤持水能力的影响规律． 国内外关于岩溶地区土壤持水能力的研究有很 多．例如胡阳＿３ 等通过野外取样和室内物理实验，研 究了广西岩溶山区荒地、林地、草地、灌丛４种不同植 被覆盖下的土壤水分特征曲线，结果表明影响研究区 土壤水分特征曲线的主导因素是非毛管孑Ｌ隙度．苏 杨【 等描述了土壤持水能力与土壤结构、容重、土壤 总孑Ｌ隙度等土壤因素的相关性，并总结了３种土壤持 水能力的分析方法，其中水分特征曲线法，表征相关 性更为直接．Ｋｈａｔｔａｂ［＝５］研究了用石灰处理过的三种 不同状态的膨胀土的土壤水分特征曲线，分析得出土 壤持水能力受土壤压实密度和有机质含量的影响． 大部分关于影响岩溶地区土壤持水能力因素的 研究，都是从宏观角度去观测分析的，比如土地利用 变化、植株生物作用等对其影响，很少有从土壤的微 观结构角度去研究该问题的．而土壤的持水能力实际 上受土壤结构、土壤粘粒、土壤总孔隙度等因素的显 著影响．因此，本文使用离心机和扫描电子显微镜 （ＳＥＭ）测量了不同碳酸钙含量的土壤的ＳＷＣＣ曲线 和微观结构，从宏观和微观两个角度分别分析了碳酸 钙对岩溶土壤持水能力的影响机理． １试验材料与方法 １．１试验材料 本研究所用的仪器有：高速冷冻离心机、扫描电 子显微镜（ＳＥＭ）、电子天平、环刀、土壤渗析仪、游标 卡尺及烘干箱．试验所用离心机为ＧＩ 一２２Ｍ高速冷冻 离心机，其温度控制范围为一２０￣４０ ｏＣ，精度为±１℃； 最高转速为１０ ０００ ｒｐｍ；最大容量为ｌ Ｏ（］ｍＬ×４．试验 所用土壤为采自三峡大学校园的砂型土壤，土壤中不 含碳酸钙，采样点为非岩溶地区，可用于空白对照．取 样时选取多个取样点，按照随机、等量和多点混合的 原则进行采样，去除取样点处的表层杂物挖取深度为 ｏ～３ｏ ｅｍ间的土壤，取样后将多个不同取样点的样 品充分混合带回实验室自然风干，并使用密度计法分 析土壤的粒径级配，大块土体碾碎后过２ ｍｍ筛备用． 试验所用碳酸钙粉末，其碳酸钙含量为９９．９ ．平均 粒径为１～３ ｍ．本试验通过混合碳酸钙与砂型土壤 来模拟岩溶地区的含钙土壤，混合土壤试样的基本物 理性质见表２．所用土壤和碳酸钙粉末粒径分析见 表１． 表１样品粒径级配 各粒径含量／％ 样品 黏粒 粉粒 砂粒 （＜ｉｏ．００２ ｍｍ）（０．００２～０．０５ ｍｍ）（０．０５～ｌ ｍｍ） １．２试验方法 １．２．１ 土壤水分特征曲线测定 离心机样品盒体积为１００ ｍＩ ，盒中环刀高度为 ５．３ ｃｍ，装样时控制样品在环刀中的高度为４ ｃｍ，测 定出试样总质量为１１０ ｇ．由于目前我国土壤的碳酸 钙含量大约在０～５０ 之间ｌ６］，碳酸钙含量随土层深 度的增加而增加，其中浅层土壤的碳酸钙含量为０～ １Ｏ ，中部土壤的碳酸钙含量为ｌ０ ～３０ ，深层土 壤的碳酸钙含量为３０ 以上，按照不同土层碳酸钙 含量的分界点，试验之前将碳酸钙粉末按１Ｏ 、 ３Ｏ 、５０ ３种不同质量百分比含量与砂型土壤充分 均匀混合．每种含量的混合试样均设置两组，两组所 测得的数据取平均值．将填装好的样品放人薄纯水层 中进行饱和处理３ ｄ，饱和水层厚５ ｍｍ．待样品达到 充分饱和状态之后，取出环刀擦干外部的水分并称 重、记录．此外设置一个空白对照组，不掺和碳酸钙的 １１０ ｇ纯砂型土壤，也在同样的条件下饱和３ ｄ并称 重、记录． 试样培养完成后，使用高速冷冻离心机，设置 ２５℃（常温），并从小到大设置１１个不同转速，分别为 ５００ １ ０００ １ ５００ ２ ０００、３ ０００ ４ ０００ ５ ０００ ６ ０００、 ７ ０００、８ ０００、９ ０００ ｒｐｍ．根据尚熳廷＿７ 的研究，离心时 间设置为１００ ｍｉｎ，每次旋转完后从离心机中将环刀 取出，用滤纸吸干环刀表面的水分后称重，并用游标 卡尺多点多次测量试样表面至环刀口的高度，取平均 值，记录离心后样品的体积．由于离心机内外存在温 第３９卷第６期 李国翔，等碳酸钙含量对砂型土壤水分特征曲线的影响研究 ５９ 差，因此每次离心之前需将试样放人离心槽内平稳温 度２Ｏ ｍｉｎ．待离心试验在１１个转速下完全结束后对 试样进行烘干称重、记录．根据所测试样质量变化数 据、离心机的转速和试样表面至环刀口的高度可计算 出不同转速下所对应的试样的吸力、质量含水率和离 心半径，画出每组试样的土壤水分特征曲线． １．２．２ 容重、饱和导水率及田间持水量测定 不同碳酸钙含量的土壤干容重（），，ｇ／ｃｍ。）用环 刀烘干法『８］测量．将０ 、１０ 、３０ 、５０ ４种不同碳 酸钙质量百分比含量的土壤分别装入到４个体积相 同的环刀中，编号并放入烘干箱中烘干至恒重，烘干 后称量并计算出混合试样的干质量，再除以环刀体积 即可得混合试样的干容重ｙ．混合试样的孔隙度 （Ｐ， ）利用公式（１）换算得到． Ｐ一（１一号）×ｌｏｏｎ ㈩其中体积质量Ｄ取２．６５ ｇ／ｃｍ。． 混合试样的饱和导水率（Ｋ ，ｃｍ／ｓ）用土壤渗析 仪测定．土壤渗析仪使用定水头入渗原理测定Ｋ ，首 先将４种不同碳酸钙含量的混合试样按其测定的容 重分别装入到４个规格相同的人渗筒中，试样均装入 到入渗筒０刻度线处，以确保装入试样体积相同；然 后将人渗筒放人纯水中饱和试样１２ ｈ以上，连接渗 析仪的供水马氏瓶，测定饱和试样在单位水势梯度作 用下，单位时间ｔ通过垂直于水流方向的单位面积试 样的水流通量Ｑ；最后根据达西定律可计算出饱和导 水率Ｋ。，计算公式为： Ｋ ｓ一 其中，Ｌ为试样在入渗筒中的厚度，均为１１．５ ｃｍ；ｈ 为定水头高度（ｃｍ）；Ｓ为人渗筒截面面积，均为 １９．６３５ ｃｍ ． 混合试样的田间持水量（ＦＣ，％）用环刀饱和 法 测定．在测定试样容重后，将装满试样土壤的环 刀放入５ ｍｍ深的纯水中１２ ｈ，取出用滤纸包好环刀 底面放在干沙上８小时后称重并记录，根据公式（３） 可求得ＦＣ： ＦＣ一（— 一１）×１００ （３） ）， Ｖ 其中，ｍ为试样最大吸水后总质量（ｇ）；Ｖ为环刀体 积，９９．９４ ｃｍ。． １．２．３扫描电镜观测 使用扫描电镜观察土壤试样，以便确定试样的宏 观水分特性曲线与其微观形态之间的关系．试验过程 为，先将导电胶或双面胶纸粘结在扫描电镜的样品座 上，再取干燥的试样少量，将其均匀地撒在导电胶或 双面胶纸上面，用洗耳球吹去未粘住的试样，然后镀 上一层导电膜，最后用扫描电镜观察其微观形态． １．３土壤吸力的计算方法 把重力场的样品放到离心力场中，是用离心机法 测定土壤水分特征曲线的原理．在重力场中，Ｈ高度 的水体受到重力加速度ｇ作用．在离心场中，ｇ的作 用由离心加速度１＂０９。代替（ｒ为运转半径，∞为角速 度）．在计算土壤吸力时，需把离心场的势能换算成重 力场内的毛管水势ｐｇＨ，并以水头高度Ｈ表示土壤 吸力ｌ１ ，见公式（４）． ｐｇＨ—ｌ０（ｒ０一÷）ｈｃ厶 ｏ （４） 对公式（４）进一步整理得： …Ｈ＝＝＝（ｒ。一÷）— －一 ｈ 式中，ｌ０为水的密度，ｌＤ一１．０ ｇ／ｃｍ。；，ｚ为转速（ｒ／ ｍｉｎ）；ｒ。为转子中心到离心盒底的距离，ｒ。一８９．５ ｍｌＴｌ；ｈ为中心土样的高度． 公式（５）计算时没有考虑离心过程中中心土样高 度 ｌ— 的变化， 会使计算的土壤吸力值偏小．为获得更 ｌ 准确的ＳＷＣＣ曲线，就必须考虑离心过程中中心土 ｌ ８ 样高度ｈ的变化对吸力的影响．Ｘ ｚ。为离心盒（去盖后） 【 高度，ｚ。一５．Ｏ ３ ｃｍ；ｈ 为离心盒（去盖后）顶端到土样表 面的距离．， ｒ ０ 将其代入式（４）可得修正公式（６）： — Ｈ一１．１１８×１０ （ｒｆＪ一 ）ｈｎ 一 、，一２ （ ｎ ５ ２¨ ８、 （一 ） ｚ㈣ １．４ ＶＧ模型参数测量与拟合方法 ＶＧ（Ｖａｎ Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ）模型在１９８０年被初次提 出，由于其不仅能够表征整个压力水头范围内的水分 特征数据，而且该公式能适用于大多数土壤质地类 型，因此在国内外得到了广泛的应用，其具体表达形 式为公式（７）： 臼一 其中 一１～ ，０＜ ＜１ （７） 式中， 为质量含水率（ｇ／ｇ）；０ 为饱和质量含水率 （ｇ／ｇ），饱和含水率０ 是土壤吸力等于０时的含水 率，即土壤水分特征曲线与横坐标的交点值， 的数 值可以通过测量得到，见表２；０ 为残余质量含水率 （ｇ／ｇ），残余含水率０ 是水分特征曲线导数等于０时 ６０ 峡大学学报（自然科学版） ２Ｏ１７年１２月 的土壤含水率，即ｄＯ／ｄｈ一０时的土壤含水率，臼 的 数值可以通过测量得到，见表２．ｈ为水的负压或土壤 吸力（ｃｍ）；ａ、 、ｍ为表示土壤水分特征曲线形状的 为输入，输出４个参数的模拟值及拟合曲线． ２结果与分析 ２．１不同碳酸钙含量对土水特征曲线的影响 使用离心机测得的含不同碳酸钙含量的土壤水 分特征曲线如图１所示．从图１可见，随着土壤中碳 参数，其中ａ是土壤进气吸力的相关参数，一般认为 ａ一１／ ，ｈ ｛为土壤进气吸力 ． ＶＧ模型虽然只是经验模型，但其中的４个参数 都具有较强的物理意义．其中的饱和质量含水率０ 可用物理实验测量，本文所用的方法为，首先烘干试 酸钙含量的增加，水分特征曲线显著向左移动，即土 壤含水率下降，持水能力降低．说明碳酸钙含量的增 加显著降低土壤的持水能力． １ ４００ ｌ ２ＯＯ ｌ ００Ｏ ８ＯＯ 样至恒重，称量并记录其质量 ，然后使试样充分饱 和至恒重，称量并记录其质量ｍ ，（ｍ。一ｍ ）／ｍ 即 为试样的饱和质量含水率．残余质量含水率 一般取 凋萎点处的含水率，即用凋萎系数作为试样的残余含 水率．本文用Ｄａｈｉｙａ等推荐的压力膜仪法ｌ１。 测定０ 的值，在施加１．５ ＭＰａ压强下对应的含水率即为凋萎 含水率．０ 和 的值也可以使用公式（７）对实测数据 ６００ ４０Ｏ 拟合得到．ＶＧ模型中的ａ、 、 为表示土壤水分特征 曲线形状的参数，没有办法实测，只能通过对实测数 据的曲线拟合得到． ＶＧ模型是一个非线性函数，本文使用Ｍａｔｌａｂ ２０Ｏ ０ Ｕ ｕ ｌ Ｕ ｌ， ｕ Ｚ ｕ ｂ ｕｊ ｕｊ ｕ ４ 质量含水率／（ｇ・ｇ ） 的具有最小二乘意义的非线性拟合函数ｌｓｑｃｕｒｖｅｆｉｔ 进行曲线拟合．曲线拟合函数首先调用ＶＧ模型的目 标函数，然后设置４个参数的初始值及初始值的上下 图ｌ 试样水分特征曲线实测与模拟情况 在试验测定的土壤含水率和基质吸力数据点的 基础上，使用ＶＧ模型对ＳＷＣＣ曲线进行拟合，结果 边界值，最后将土壤吸力和质量含水率的实测数据作 如图１所示．拟合所得的各参数值见表２． 表２ 试样物理性质及ＶＧ模型参数拟合情况 从图１拟合的结果看，实测数据与拟合曲线吻合 度较高，实测和计算质量含水率的残差平方和范数也 较小，均小于０．０００ １，误差值很小，说明试验结果可信 土壤中碳酸钙含量的增加而减小，表明土壤进气吸力 在增大，也即试样的通气性增加，而持水能力减小．形 状参数 的大小决定着土壤水分特征曲线的坡度，坡 度高．由表２可见，由ＶＧ模型确定的参数０ 和 与 实测值也都较吻合．本文根据ＶＧ模型拟合的 取值 范围为０．０４３～Ｏ．０５６ ４，而实测该土样的残余含水率 为０．０３８～０．０５１，两者比较接近．由ＶＧ模型拟合的 取值范围为０．２９１ ８～０．４１１ ９，而实测试样的饱和 度也即曲线的变化速率．由表２可见， 值取值范围 为１．１９３ ２～ｌ＿６５３ ９，随着土壤中碳酸钙含量的增加， ”值在增大，表明试样水分特征曲线的坡度在增加， 碳酸钙含量对土壤水分特征曲线的影响更显著． ２．２碳酸钙含量对试样田间持水量及饱和导水率的 影响 含水率为０．３０～０．４０，两者也比较接近．说明ＶＧ模型 也适用于岩溶地区土壤水分特征曲线的拟合，随着土 壤中碳酸钙含量的增加，土壤饱和含水率的实测值和 拟合值都降低，残余含水率的实测值和拟合值都增 通过物理实验测定的混合试样的容重、孔隙度、 饱和导水率以及田间持水量见表３．每种碳酸钙含量 的试样设置３组，对每种混合试样重复３次测定上述 ４个基本物理量，每个物理量的３组数据最后取平均 值． 加．由ＶＧ模型拟合的ａ值取值范围为０．０２２ ４～ ０．８１１ ２，参数ａ是土壤进气吸力的相关参数，ａ值随 ６２ 三峡大学学报（自然科学版） ２０１７年１２月 土壤的持水能力是许多因素综合作用的结果．在 石灰性土壤中，碳酸钙含量是影响土壤持水性及孔性 的一个重要的因素 ．具体来说，在纯砂型土壤中添 加碳酸钙后，由于钙离子与土壤胶体都具有较强的吸 附能力，钙离子呈阳性，土壤颗粒呈阴性．碳酸钙将土 壤中粉粒与粘粒等胶结在一起，与土粒聚集形成稳定 的团粒结构，使土壤的小孔隙减少，大孑Ｌ隙增多，总孔 隙度降低，这是团粒结构的一大特点口 ．土壤通过小 孔隙的毛管引力保持水分，大孔隙则有利于土壤通 气． 在扫描电子显微镜视场中，随着土壤中碳酸钙含 量的增加，混合土样中的团粒结构增多，则土壤的小 孑Ｌ隙逐渐减少，大孔隙逐渐增多，导致土壤持水能力 减弱，通气能力增强．含１０ 碳酸钙的土样，其团粒结 构较少，持水能力相对较强，将其与Ａ然界中约１０ 碳酸钙含量的岩溶土（如图８所示）对比，在８００倍扫 描电子显微镜下观察，发现土样中都含有很多碎小颗 粒，结构大致相同，最大的差异在于混合土样的碎小 颗粒表面呈褶皱状，而自然界中岩溶土样的碎小颗粒 表面呈蜂窝状．后者表面呈蜂窝状是碳酸盐岩溶蚀风 化的结果．这说明土壤中碳酸钙的来源，不仅仅是母 岩或矿物风化、风尘携人等物理钙积过程口 ，还有土一 岩界面发生岩溶反应，碳酸盐岩不断溶蚀淀积在土壤 中的化学钙积过程．在本研究中，向砂型土壤里掺加 碳酸钙没有考虑复杂的化学溶蚀淀积过程，所以实验 结果只能初步说明物理钙积过程对土壤水分特征曲 线的影响． ３ 结 论 本研究使用离心机和扫描电子显微镜（ＳＥＭ）测 量了不同碳酸钙含量的土壤的ＳｗＣＣ曲线和微观结 构，并对ＶＧ模型中的参数进行了拟合，还通过物理 实验测定了不同碳酸钙含量的土壤的容重、孔隙度、 田间持水量以及饱和导水率４个物理量，从宏观和微 观两个角度分别分析了碳酸钙对岩溶土壤持水能力 的影响效果．试验结果表明碳酸钙对土壤水分特征曲 线、容重、孔隙度、田间持水量以及饱和导水率都有很 显著的影响，进而影响着土壤的持水性能． 具体而言，随着土壤中碳酸钙含量的增加，土样 的容重在逐渐增大，孔隙度、田间持水量、饱和导水率 逐渐减小，并且在相同土壤吸力下，土壤含水率也在 下降，持水能力降低．在高倍扫描电子显微镜下观察， 发现随着土壤中碳酸钙含量的增加，混合土样中的团 粒结构增多，土样的小孑Ｌ隙逐渐减少，大孔隙逐渐增 多． ＶＧ模型作为土壤水分特征曲线的经验模型，能 广泛适用于大多数土壤情况．本文对试验土样水分特 征曲线采用ＶＧ模型进行拟合，发现其拟合结果较 好，说明ＶＧ模型也适用于岩溶地区土壤水分特征曲 线的拟合．由于本研究没有考虑碳酸钙复杂的溶蚀淀 积过程，试验结果只用于说明物理钙积过程对土壤水 分特征曲线的影响，而土壤中碳酸钙的成因是多种方 式共同产生的结果，所以在本文研究的基础上，还需 进一步研究碳酸钙在土壤颗粒上的化学沉淀过程对 土壤水分特征曲线的影响． 参考文献： ［１］卢应发，陈高峰，罗先启，等．土一水特征曲线及其相关性 研究［Ｊ］．岩土力学，２００８（９）：２４８ｔ一２４８６． ［２］Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ ＭＴＶ．Ａ Ｃｌｏｓｅｄ－ｆｏｒｍ Ｅｑｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｓｏｉｌｓ［Ｊ￣．Ｓｏｉｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｅａ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９８０，４４（４４）：８９２— ８９８． ［３］胡 阳，邓艳，蒋忠诚，等．广西岩溶区不同植被类型土 壤水分特征及影响因素［Ｊ］．水土保持通报，２０１５（５）：２２— ２７。３３． ［４］苏杨，朱健，王平，等．土壤持水能力研究进展［Ｊ］． 中国农学通报，２０１３（１４）：１４０—１４５． ［５］Ｋｈａｔｔａｂ Ｓ，Ａｌ—Ｔａｉｅ Ｉ ，Ｋｈａｔｔａｂ Ｓ．Ｓｏｉｌ—Ｗａｔｅｒ Ｃｈａｒａｃｔｅｒ— ｉｓｔｉｃ Ｃｕｒｖｅｓ（ＳＷＣＣ）ｆｏｒ Ｌｉｍｅ Ｔｒｅａｔｅｄ Ｅｘｐａｎｓｉｖｅ Ｓｏｉｌ ｆｒｏｍ Ｍｏｓｕｌ Ｃｉｔｙ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ， ２Ｏ１４（１４７）：１６７１一ｌ６８２． ［６３全国土壤普查办公室．中国土壤［Ｍ］．北京：中国农业出 版社，１９９８． ［７］ 尚熳廷，冯 杰，刘佩贵，等．ＳＷＣＣ测定时吸力计算公式 与最佳离心时间的探讨［Ｊ］．河海大学学报：自然科学版， ２００９（１）：１２—１５． ［８］王庆礼，代力民，许广山．简易森林土壤容重测定方法 ［Ｊ］．生态学杂志，１９９６（３）：６８～６９． ［９］覃淼，翟禄新，周正朝．桂北地区土地利用类型对土壤 饱和导水率和持水能力的影响研究［Ｊ］．水土保持研究， ２０１５（３）：２８—３２，３９． ［１０］李玉山．测定土壤水势的离心机法［Ｊ］．土壤，１９８１（４）： １４３—１４６． ［１１］彭建平，邵爱军．基于Ｍａｔｌａｂ方法确定ＶＧ模型参数［Ｊ］． 水文地质工程地质，２００６（６）：２５—２８． ［１２］Ｉ．Ｓ．Ｄａｈｉｙａ，孙耀邦，冯延茹，等．根据土壤饱和含水率测 定其田间持水量、凋萎点和有效持水量的统计方程［Ｊ］． 土壤学进展，１９９０（６）：４７—４９． ［１３］吕 刚，吴祥云．土壤人渗特性影响因素研究综述［Ｊ］．中 国农学通报，２００８（７）：４９４—４９９． 第３９卷第６期 李国翔，等碳酸钙含量对砂型土壤水分特征曲线的影响研究 ６３ ［１４３杨欣坤，王宇，赵兰坡，等．土壤水动力学参数及其影响 ｓｅａｒｃｈ，１９８８，１１（１）：１９—２６． 因素研究进展ｌ－Ｊ］．中国农学通报，２ｏ１４（３）：３８—４３． ［１７－１艾海舰．土壤持水性及孔性的影响因素浅析ＥＪ］．干旱地 ［１５］张同娟，王益权，刘 军，等．黄土地区影响土壤膨胀性的 区农业研究，２００２，２０（３）：７５—７９． 因子分析［Ｊ］．西北农林科技大学学报：自然科学版， ［１８］赵丽兵．黄土丘陵区土壤碳酸钙淀积过程及土壤二氧化 ２００７，３５（６）：１８５—１８９． 碳的研究［Ｄ］．太原：山西大学，２００３． ［１６］Ａ１一Ａｎｉ Ａ Ｎ，Ｄｕｄａｓ Ｍ Ｊ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｃａｌｃｉｕｍ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ ［责任编辑周文凯］ ｏｎ Ｍｅａｎ Ｗｅｉｇｈｔ Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ＳｏｉｌＥＪ］．Ｓｏｉｌ ８Ｌ Ｔｉｌｌａｇｅ Ｒｅ— ～…～…～………～…………一……一一…一…一……一…一…一………一…一…一…一…… ＿ ｉ ＾ ｉ 土木水电论坛栏目征文 ｛ ： ； ｉ 《三峡大学学报（自然科学版）》是科技部中国科技论文统计源期刊和俄罗斯《文摘杂６ ｉ志》、美国《化学文摘》、英国《ＩＮＳＰＥＣ））收录期刊，并已加入《中国学术期刊（光盘版）》和“中÷ ｛国期刊网”，在水利电力行业有一定的影响力和知名度。本刊自２００４年开设了“水电论坛”ｉ ｝栏目（现更名为“土木水电论坛”），主要刊载反映国内外土木水电建设中的最新科研成果和ｉ ｉ Ｚ－程应用的论文。欢迎土木水电工程科研和建设单位的广大作者踊跃投稿，我们将以最大ｉ ｉ的热情和最快的速度为您服务。对您所投的“土木水电”类论文，属省、部级以上基金资助ｌ ｉ的，我刊将免收版面费，且稿酬从优！ ； ｌ＿ 一～～ 一 一 …一一～………………………………………。……………………一；
