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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(zhì)勢）之間的關(guān)系曲線，反映了土壤水能量與土壤水含量的函數(shù)關(guān)系，也是表示土壤基本水力特性的重要指標(biāo)。大孔隙是一個(gè)相對概念，一般認(rèn)為不論孔徑大小、形狀如何，只要能夠?qū)е滤趾腿苜|(zhì)優(yōu)先遷移的任何孔隙都可稱之為大孔隙。大量實(shí)驗(yàn)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(zhì)在土壤中的運(yùn)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(qū)東陽鎮(zhèn)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(zhì)土柱（擾動土）的土壤水分特征曲線，同時(shí)用VanGenuchten模型對所測得數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)以及田間持水量和凋萎系數(shù)等水分常數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)所用的土壤取自南京市棲霞區(qū)東陽鎮(zhèn)，取樣土層分別為0～20cm、20～40cm，根據(jù)國際土壤學(xué)會對土壤粒級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)地。每種土樣各做兩次，取平均值得到其機(jī)械組成，結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用離心機(jī)為日立CR21型高速冷凍離心機(jī)，轉(zhuǎn)子編號為60；所用環(huán)刀的內(nèi)直徑和高均為5cm。

    在田間用環(huán)刀取得原狀土樣，由于環(huán)刀只有5cm，故實(shí)際的取樣深度分別為7.5～12.5cm，27.5～32.5cm。將經(jīng)風(fēng)干的土樣過2mm的篩子后，按其容重均勻裝入環(huán)刀得到均質(zhì)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(zhì)量后放入離心機(jī)的離心盒中，轉(zhuǎn)速按500、1000、1500、2000、3000、4000、5000、6000rpm依次遞增，每個(gè)轉(zhuǎn)速離心100min后稱重，得到一系列土壤含水量與土壤水基質(zhì)勢相對應(yīng)的關(guān)系點(diǎn)。用數(shù)學(xué)軟件MatLab對得到的點(diǎn)用非線性擬合函數(shù)lsqcurvefit擬合得到VanGenuchten模型的參數(shù)，并最終得到土壤水分特征曲線的表達(dá)式。

    離心力計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；h'為環(huán)刀中土樣的長度（cm）；r0為基準(zhǔn)水面的旋轉(zhuǎn)半徑（cm），即離心機(jī)轉(zhuǎn)子中心到離心盒中土樣最遠(yuǎn)處的距離。

    描述土壤水分特征曲線的Van-Genuchten模型既連續(xù)又有連續(xù)斜率，得到的曲線光滑，對絕大多數(shù)土壤在相當(dāng)寬的水勢或含水量范圍內(nèi)具有普遍適用性，并可得到相對導(dǎo)水率的解析解，因而在土壤物理領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)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(shù)，其中a為尺度函數(shù)，與平均孔隙直徑成反比，a=1/hb，hb為進(jìn)氣吸力，m=1-1/n（n>1）。

    大孔隙土壤與均質(zhì)土壤水分特征曲線形狀的比較實(shí)驗(yàn)測得0～20cm、20～40cm土壤水的吸力與含水量的相關(guān)關(guān)系見表2，其對應(yīng)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(zhì)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(zhì)土小，這說明用離心機(jī)法測定土壤水分特征曲線的有效吸力范圍內(nèi)，原狀土壤持水性好，有較強(qiáng)的持水能力。造成這一現(xiàn)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(zhì)勢，土壤水優(yōu)先從土壤大孔隙通過，在吸力值大于100cmH2O時(shí)大孔隙中的水已排空，土壤中僅剩余細(xì)小孔隙中的水分存留，而細(xì)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(zhì)中析出的水分較均質(zhì)土少，表現(xiàn)在土壤水分特征曲線上就是曲線較為陡直。而均質(zhì)土破壞了原狀土的大孔隙和細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)，使中等孔隙發(fā)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(xiàn)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(shí)，原狀土的體積含水量均小于均質(zhì)土；而吸力大于919.98cmH2O時(shí)，原狀土的體積含水量大于均質(zhì)土。吸力小于408.44cmH2O時(shí)原狀土體積含水量小于均質(zhì)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(shí)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(zhì)土。吸力大于919.98cmH2O時(shí)，原狀土的體積含水量大于均質(zhì)土，這是因?yàn)樵谖Υ笥?19.98cmH2O時(shí)原狀土中的水分主要存在于細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)之中，細(xì)小孔隙由于毛管力作用，持水性較好，吸力增大時(shí)這部分水不易失去；而均質(zhì)土在破壞了原狀土大孔隙結(jié)構(gòu)的同時(shí)也破壞了原狀土的細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)，致使均質(zhì)土在吸力大于919.98cmH2O時(shí)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(zhì)土。

    用離心機(jī)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(xì)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(zhì)土壤水分特征曲線參數(shù)的比較利用MatLab的非線性函數(shù)lsqcurvefit對所測得的點(diǎn)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示，殘差平方和是指實(shí)測值與擬合曲線上對應(yīng)值之差的平方和，值越小表示擬合的效果越好，其余參數(shù)意義同式（2）。對所測得的四種土樣的吸力與含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后的殘差平方和的數(shù)量級均為10-5，效果非常好。擬合數(shù)據(jù)還可以看出：原狀土的殘留含水量均大于均質(zhì)土；原狀土的飽和含水量均小于均質(zhì)土；原狀土的尺度函數(shù)a均小于均質(zhì)土。原狀土的殘留含水量均大于均質(zhì)土，這是因?yàn)樵瓲钔链嬖诩?xì)小孔隙，細(xì)小孔隙的持水性好，在較大的吸力下不易失水，而均質(zhì)土破壞了這些細(xì)小的孔隙，中等孔隙發(fā)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(zhì)土大。原狀土的尺度函數(shù)a均小于均質(zhì)土，是均質(zhì)土的1/6左右，即原狀土的平均孔隙直徑大于均質(zhì)土。這是因?yàn)樵瓲钔寥烙捎诟蓾窠惶孀饔?、凍融循環(huán)作用、土壤中可溶性物質(zhì)的溶解、植物生長、動物活動等因素存在較多的大孔隙結(jié)構(gòu)，因此其平均孔隙直徑較大；而均質(zhì)土破壞了原狀土的大孔隙結(jié)構(gòu)，使土壤的中等孔隙發(fā)育，因此其平均孔隙直徑減小，a增大。
   
把表3的參數(shù)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(shù)的影響田間持水量是指土壤中毛管懸著水達(dá)到最大時(shí)的土壤含水量。土壤含水量達(dá)到田間持水量時(shí)，土壤顆粒對水分子的最大吸力約為0.3個(gè)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(zhì)土，20～40cm原狀土、均質(zhì)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(zhì)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(zhì)土中等孔隙發(fā)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(nóng)田的耕作可以破壞不易持水的大孔隙的結(jié)構(gòu)，使中等孔隙發(fā)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(shù)是指土壤顆粒對水分子的吸力為15個(gè)大氣壓，即15495cmH2O時(shí)的土壤含水量，這時(shí)土壤中的水分不能為植物根系所吸收，會致使植物發(fā)生永久性凋萎。將代入式(3)、(4)、(5)、(6)可得0～20cm原狀土、均質(zhì)土，20～40cm原狀土、均質(zhì)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(shù)大于均質(zhì)土的凋萎系數(shù)，這是由于原狀土中存在較多的細(xì)小孔隙，而均質(zhì)土破壞了這些細(xì)小孔隙的緣故。

    這一結(jié)論說明，用均質(zhì)土所得的土壤水分特征曲線來設(shè)計(jì)和指導(dǎo)農(nóng)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(jié)約用水。本文用離心機(jī)法測定了0～20cm及20～40cm的原狀土和均質(zhì)土的水分特征曲線，并用VanGenuchten模型對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)以及田間持水量和凋萎系數(shù)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(zhì)土小，而在高吸力段較均質(zhì)土大，并使VanGenuchten模型的尺度函數(shù)較均質(zhì)土小。同時(shí)指出了含有大孔隙的原狀土田間持水量小于均質(zhì)土的田間持水量，而凋萎系數(shù)大于均質(zhì)土的凋萎系數(shù)。