改进的土壤压实模型.doc

一种改进的土壤压实模型及试验研究( 付晓莉1,2 ， 邵明安1,2? （1西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 杨凌 712100； 2中国科学院水利部水土保持研究所， 杨凌 712100） 摘要 土壤压实现象普遍存在于农业生态系统中。土壤的压实效应不但会给农业生产带来不良的影响，还可能增加地表径流的产生，从而加快地表水的污染。 为了更好地研究压实土壤中的水分、溶质运移以及压实效应对生产、生态环境的影响，该文在原有土壤压实模型的基础上提出了一种两参数改进模型，并以4种原状土壤为例，用离心机法对改进模型进行验证。结果表明：改进模型能够较好地模拟土壤的压实过程，且拟合效果好于L模型；虽然改进模型的物理意义和模型精度与Assouline的三参数模型相当，但是参数少、形式简单是改进模型的优势。同时，改进模型的提出对研究土壤水分特征曲线测定过程中的容重变化特性具有重要的参考价值。 关键词 压实；模型；原状土 中图分类号 S152 文献标识码 A 0 引言 土壤在一定的压力下会发生板结。尤其是在现代高度发展的农业生态系统中，由于种植规模的扩大以及机械化生产的发展[1～2]，土壤板结现象变得越来越普遍。土壤板结不但会使农业生产减产[3～7]，还可能影响城市土壤的综合质量[8]。因此，对土壤压实现象的研究在农业生产和生态环境建设中意义重大。现有的大多数模型都是用压力与容重间的关系曲线来定性地描述土壤的压实效应。McNabb等[9～10]研究了Bailey等（1986）提出的两参数模型在不同的初始容重和初始含水量下的应用情况。Fritton [11]认为Bailey等（1986）提出的三参数模型和Assouline等[12](1997)提出的两参数模型对于曲线形状变化较大的情况不太适用，因此他提出了以压力加1（+1）为自变量的幂函数模型，该模型虽然克服了不太适用曲线形状变化较大情况的缺点，但是Fritton模型的假设条件是土壤最大的压实容重等于土壤的颗粒比重，显然这一假设在自然条件下是很难达到的。而且仅以压力为自变量的模型就可以适用整个压力范围，所以将压力加1作为自变量理由不太充分。基于以上问题，Assouline[13] 在2002年对他本人在1997年提出的模型进行了修改，在原有模型的基础上又加了一个参数形成了三参数模型。这种三参数模型中的最大容重是通过拟合而获得的，并且对于所研究的几种土壤而言，拟合出的最大容重均小于土壤的颗粒比重。但是模型的参数较多，而且形式复杂。吕殿青等[14]（2003）在研究的过程中以整个土壤含水量范围内土壤收缩特征近似线性关系这一假设为理论基础，并结合Brooks-Corey的土壤水分特征曲线模型，提出了类似Brooks-Corey模式的幂函数形式的土壤压实模型。压力为零时的不适用性和前提假设的局限性是该模型的不足之处。Baumgartl等[15]（2004）对土壤压实模型作了进一步的研究，即从内力和外力两个方面研究了土壤体积的变化特性，并以van Genuchten土壤水分特征曲线模型为基础，提出了表征土壤孔隙度随压力变化的经验模型，但是模型参数较多且比较复杂。综上所述，现有的土壤压实模型或者在理论上存在着一定的缺陷或者参数较多、形式复杂。因此，为了更好地研究压实土壤中的水分、溶质运移以及压实效应对生产、生态环境的影响，发展一种无论在理论上还是在形式上均具优势的土壤压实模型至关重要。基于此，本文以吕殿青等（2003）提出的模型为基础，发展一种新的土壤压实模型，并以4种原状土壤为例，对新提出的模型进行验证，以期为研究土壤压实过程提供一种新的方法。 1 土壤压实模型 土壤压实模型是用来描述土壤在一定压力作用下容重的变化情况。与以前一些学者相比，Assouline 等 (2002)提出的土壤压实模型无论是在物理意义上还是在适用范围上都具有明显的优势。并且通过压力膜法的测定过程验证了该模型的合理性。Assouline模型的表达式为 （1） 式中-土壤容重，Mg m-3；-土壤可以被压实的最大容重，Mg m-3；-MPa；-拟合参数；-压力为零时的容重，Mg m-3；-压力，MPa。 虽然Assouline等（2002）模型的物理意义明确，但参数多、形式复杂。吕殿青等（2003）提出的土壤压实幂函数模型不但形式简单，还具有一定的理论基础，其数学表达式为 （2） 式中-土壤容重，Mg m-3；-饱和容重，Mg m-3；-土壤的颗粒比重，Mg m-3；-土壤水吸力（MPa，离