土壤物理质量参数推算

一、理论推算

根据土壤水分特征曲线van Genuchten（1980）模型，当土壤水吸力值为1/α，土壤含水量可以称为进气吸力含水量，其表达式为

式中，wAE为进气吸力含水量（g·g-1）；wr为残余含水量（g·g-1）；ws为饱和持水量（g·g-1）。根据本书第二章的内容，wAE等于毛管持水量（wMC）。因此，根据式（7.3）可以得到m的计算公式：

式中，MCw为毛管持水量（g·g-1）；rw为残余含水量（g·g-1）；sw为饱和持水量（g·g-1）。土壤田间持水量与参数m的关系为式中，FCw为田间持水量（g·g-1）。

毛管持水量、田间持水量和饱和持水量可以很容易获得，残余含水量可以通过土壤质地进行估算。因此，m可以通过简单的土壤学试验进行快速推算，而n可由m计算获得。因此，S可以由毛管持水量、田间持水量、饱和持水量和残余含水量进行推算。

二、理论验证

使用两份原状土验证本节提出的理论。土壤基本物理性质见表7-1。土壤质地按美国制土壤质地分类进行划分。其中，1#土壤为砂质黏土，2#土壤为粉壤土。土壤容重分别为1.25和1.32 g·cm-3。

表7-1　两份土壤的基本物理性质

由毛管持水量推算获得的m和S列于表7-2，由田间持水量推算获得的m和S列于表7-3。由土壤水分特征曲线拟合方法获得的m和S也列于表7-2和表7-3。由毛管持水量方法推算的砂质黏土和粉壤土的S分别为0.036 2和0.030 6，由田间持水量方法推算的砂质黏土和粉壤土的S分别为0.039 3和0.033 7；采用土壤水分特征曲线拟合方法计算的砂质黏土和粉壤土的S分别为0.039 4和0.025 2。两种方法获得的m和S均与土壤水分特征曲线拟合方法计算的m和S非常接近，其S数值在进行定性分析土壤物理性质时无差异。因此，本节提出的理论是正确的、可行的。在生产实践中可以使用实测土壤饱和持水量和毛管持水量、估算残余含水量的方法来近似推算土壤物理质量参数S。

表7-2　毛管持水量方法与土壤水分特征曲线拟合方法获得的m和S

表7-3　田间持水量方法与土壤水分特征曲线拟合方法获得的m和S

三、影响S推算因素分析

参数m推算时使用的是估算的残余含水量，其可能对参数的推算结果产生影响，须对此进行分析。

土壤水分特征曲线参数sw =0.445 4 g·g-1，rw=0.032 1 g·g-1，α=0.016 7，n=1.209 5，m=0.173 2；毛管持水量为0.399 1 g·g-1；田间持水量为0.332 7 g·g-1。其S计算结果随残余含水量取值的变化情况见图7-1。

如图7-1（a）所示，使用土壤毛管持水量、饱和持水量和残余含水量进行计算时，残余含水量从0.00 g·g-1增加到0.14 g·g-1时，S从0.053 3降低到0.052 4；而当残余含水量从0.14 g·g-1增加到0.21 g·g-1时，S从0.052 4升高到0.053 3。这表明：当残余含水量变化接近20倍时，S的变化幅度仅为1.72%。因此，采用毛管持水量方法推算S时，残余含水量的影响很小。为了方便计算，可以将残余含水量近似取0.00 g·g-1。

如图7-1（b）所示，当使用土壤田间持水量、饱和持水量和残余含水量推算S时，残余含水量从0.00 g·g-1增加到0.10 g·g-1时，S从0.049 9升高到0.064 3，S的变化幅度为28.86%；而当残余含水量从0.10 g·g-1增加到0.20 g·g-1时，S从0.064 3增加到0.264 2，S的变化幅度为310.9%。这表明：使用田间持水量方法进行推算S时，残余含水量的取值对S的影响相对较大。因此，为了保证获得相对准确的S值，在使用该方法进行推算时，残余含水量的取值不要超过0.10 g·g-1。而土壤水分特征曲线van Genuchten（1980）模型残余含水量的取值很少超过0.10 g·g-1（Carse1 and Parrish，1988；Schaap and Leij，1998；Wösten et a1.，1999）。因此，残余含水量对田间持水量方法的影响不大。而在实际应用时，残余含水量的取值范围可选择在0.00～0.05 g·g-1之间。

图7-1　土壤物理质量参数（S）对残余含水量的敏感性分析