土壤盐碱化作为世界性的生态环境问题，已成为威胁干旱、半干旱地区灌溉农业可持续发展的严重问题之一^[1].随着农田土壤盐碱化问题的日益严重以及人们对农田水盐调控的日益重视，进行土壤水分运动及溶质运移规律的模拟预测显得越来越重要.土壤水分特征曲线等土壤水力学参数是模拟水分和溶质在土壤中运移的必需参数^[2]，对于计算土壤水分、盐分及养分的物质平衡、土壤水分有效性，以及预测土壤入渗率等非常重要^[3,4].直接测定土壤水力学参数费时、费力且较为昂贵，因此用间接方法来估计土壤水动力参数越来越受到人们的重视.描述土壤水分特征曲线的经验公式有很多，如Brooks-Corey模型(1964)、 Gardner模型(1970)、 Campbell模型(1974)、 van Genuchten模型(VG模型)(1980)等，在所有这些模型中，VG模型以其与实测数据曲线拟合程度较好而得到广泛应用^[5,6,7].国内外学者利用不同的方法对该模型的参数进行了求解并分析了参数的空间变异性^[8,9].

受土壤本身理化性质和外界因素干扰的影响，土壤水分特征参数在垂直和水平方向上也表现出一定的变异性^[10].以往的研究证实土壤孔隙、土壤质地、有机质及容重等对土壤水分特征曲线及饱和导水率有影响^[11,12,13]，但是，在盐碱化地区，高含盐量和pH值对水力学参数影响的研究目前还比较少.因此本文选取吉林西部土地盐碱化程度严重的大安地区作为研究区，对典型盐碱地与非盐碱地的土壤水力学参数进行了测定与求解，分析了van Genuchten模型各参数和饱和导水率的变化规律以及空间变异规律，并分析了各参数与影响因素的相关关系，旨在为今后进行盐碱地土壤水盐预报、土壤次生盐渍化的防治，以及节水灌溉提供数据支持.

2011年4月下旬作物种植前，选择不同土地利用类型以及不同盐碱化程度包括盐碱地、水稻田、旱田、草地等8个采样地.每一个采样地点土样剖面深1 m，按照0~20 cm，20~40 cm，40~60 cm，60~80 cm，80~100 cm的顺序依次采样.用GPS精确定位，记录经纬度，并记录下垫面条件.

将土样自然风干，剔除杂质，碾碎，过1 mm土筛，备用.用威尔科克斯法测定土壤田间持水量，用105 ℃烘干法测定土壤水分含量和容重.用pH计测pH值，然后使用烘干法测全盐量.采用比重计法进行土壤机械组成分析.用负压计测定典型盐碱土与非盐碱土的土壤水分特征曲线.

利用RETC软件对土壤水分特征曲线进行参数求解和曲线拟合分析，用MATLAB软件、SPSS17.0软件和Excel 2010软件进行数据分析、模型精度检验以及相关分析等.

van Genuchten模型是由美国学者van Genuchten于1980年提出的，其表达式为

参数求解效果的好坏，需要对得到的拟合方程的精度进行检验和评价.通常检验的指标有拟合优度( R₂)、均方根误差(RMSE)、平均差(ME). R₂和RMSE是衡量模拟或预测精确度的标准，ME用来衡量计算的偏差，其计算公式为

根据模型模拟的分析结果，得知模型计算的土壤含水量与实测值误差较小，模型的均方根误差在0.002 2~0.007 1之间，R₂在0.973 1~0.996 2之间，平均差在2.31×10^-18~1.47×10^-4之间，模型的拟合效果较好.由此可以说明，VG模型适于描述研究区土壤水分特征曲线.

根据RETC软件求得VG模型的参数( θ_s，θ_r，α，n )，利用SPSS软件对各参数进行统计分析(见表 1).在盐碱土剖面上，θ_s呈先增大后减小的趋势，α 呈先减小后增大的趋势，整体上，除60~80 cm土层外，n 随土壤深度逐渐增大.在非盐碱土剖面上，θ_s随土壤深度呈先增大后减小趋势，α 呈先减小后增大趋势，n 值呈先增大后减小趋势. θ_r变化不大.水平方向上，相同层位，盐碱土的 θ_s，n 均比非盐碱土的低；而 α 的变化较为复杂，表层土壤中，盐碱土和非盐碱土的 α 相同，在20~40 cm和60~80 cm土层，盐碱土的 α 小于非盐碱土，在40~60 cm和80~100 cm土层，盐碱土的 α 大于非盐碱土.盐碱土和非盐碱土的 θ_r接近.

表 1

Table 1

表 1( Table 1)

表 1 剖面土壤水分特征曲线参数统计结果 Table 1 Statistical results of SWCC parameters for saline and non-saline soils 参数 土壤深 度/cm 盐碱土 非盐碱土 极小值 极大值 均值 标准差 变异系 数/% 极小值 极大值 均值 标准差 变异系 数/% θ s 0~20 0.340 3 0.465 5 0.405 1 0.044 8 11.06 0.405 4 0.477 6 0.435 3 0.037 6 8.65 20~40 0.382 1 0.500 8 0.437 3 0.045 7 10.46 0.440 2 0.501 7 0.460 7 0.035 5 7.71 40~60 0.373 6 0.480 2 0.424 8 0.041 9 9.85 0.465 8 0.496 0 0.479 2 0.015 4 3.21 60~80 0.348 2 0.454 9 0.391 2 0.042 3 10.82 0.436 9 0.465 7 0.453 2 0.014 8 3.26 80~100 0.367 2 0.434 3 0.401 1 0.025 6 6.39 0.410 4 0.457 1 0.440 6 0.026 2 5.94 α 0~20 0.017 3 0.033 6 0.021 7 0.006 8 31.62 0.017 6 0.025 0 0.021 6 0.003 7 17.30 20~40 0.016 4 0.021 0 0.018 1 0.001 9 10.60 0.016 5 0.023 1 0.019 4 0.003 4 17.38 40~60 0.016 8 0.026 6 0.021 4 0.003 8 17.80 0.017 9 0.020 0 0.018 8 0.001 1 5.75 60~80 0.017 1 0.027 1 0.022 5 0.003 8 16.80 0.020 7 0.029 8 0.023 8 0.005 2 21.69 80~100 0.016 8 0.075 0 0.031 0 0.024 9 80.37 0.021 0 0.025 3 0.022 6 0.002 4 10.53 n 0~20 1.290 6 1.382 9 1.317 4 0.037 2 2.82 1.359 3 1.434 1 1.407 8 0.042 1 2.99 20~40 1.224 6 1.417 9 1.348 2 0.072 9 5.41 1.392 9 1.446 8 1.415 9 0.027 8 1.96 40~60 1.339 6 1.429 5 1.383 7 0.041 4 2.99 1.420 1 1.429 1 1.424 2 0.004 5 0.32 60~80 1.232 3 1.404 0 1.319 8 0.077 5 5.87 1.423 9 1.513 7 1.457 1 0.049 3 3.38 80~100 1.270 4 1.890 0 1.416 6 0.266 7 18.82 1.433 7 1.445 4 1.438 3 0.006 3 0.44 θ r 0~20 0.049 2 0.095 6 0.072 6 0.017 5 24.06 0.058 9 0.075 5 0.066 6 0.008 4 12.54 20~40 0.065 2 0.086 9 0.078 9 0.008 2 10.39 0.062 7 0.090 7 0.074 9 0.014 3 19.12 40~60 0.056 3 0.081 7 0.067 3 0.009 9 14.76 0.068 9 0.076 3 0.072 8 0.003 7 5.10 60~80 0.056 4 0.077 5 0.064 1 0.008 1 12.64 0.056 5 0.066 7 0.063 2 0.005 8 9.18 80~100 0.057 1 0.084 0 0.071 9 0.011 3 15.69 0.058 7 0.066 7 0.063 8 0.004 4 6.91

表 1 剖面土壤水分特征曲线参数统计结果 Table 1 Statistical results of SWCC parameters for saline and non-saline soils

由表 1可见，在盐碱土剖面上，除80~100 cm土层 n 的标准差较大外，其他参数在各土层的标准差均较小，说明80~100 cm土层 n 值的差异较大.在非盐碱土剖面上，各土层各参数差异较小.

根据相关研究，变异系数CV < 10% 为弱变异性；10% < CV < 100% 为中等变异性；CV > 100%为强变异性.盐碱土剖面中 θ_s在0~20 cm，20~40 cm和60~80 cm土层属于中等变异性(10%~100%)，在40~60 cm和80~100 cm土层属于弱变异强度； α 值属于中等强度变异；参数 n 属于弱-中等变异强度； θ_r属于中等变异强度.在非盐碱土剖面的各层土壤中，θ_s属于弱变异强度； α 为弱-中等变异程度； n 属于弱变异强度； θ_r在0~40 cm土层属于中等变异强度，在40~100 cm土层属于轻度变异.

根据采样点土壤类型的不同(盐碱土和非盐碱土)，对整个剖面(0~100 cm)土壤水分特征曲线的各参数进行统计分析，结果见表 2.比较可见，盐碱土 θ_r，α 的均值比非盐碱土稍大，而 θ_s与 n 的均值则比非盐碱土小.利用 t 检验对各参数在剖面上的平均值进行显著性检验，结果显示，盐碱土与非盐碱土剖面 θ_s与 n 的均值间存在显著性差异( P < 0.05)，θ_r和 α 的均值无显著性差异( P > 0.05).盐碱土剖面各参数的标准差比非盐碱土大;两剖面 θ_s和 n 均属于弱变异强度，θ_r和 α 均属于中等变异强度.盐碱土各参数的变异系数均大于非盐碱土，其中盐碱土的 θ_r，θ_s和 n 值的变异系数略高于非盐碱土.这些说明盐碱土各参数的空间变异性比非盐碱土大.

表 2

Table 2

表 2( Table 2)

表 2 0~100 cm剖面土壤水分特征曲线参数 分布规律统计 Table 2 Statistical results of SWCC parameters distribution within 0-100 cm profile soils 参数 土壤类型 极小值 极大值 均值 标准差 变异系 数/% θ r 盐碱土 0.049 0.096 0.071 0.012 16.50 非盐碱土 0.057 0.091 0.068 0.009 12.53 θ s 盐碱土 0.340 0.501 0.412 0.041 9.94 非盐碱土 0.405 0.502 0.454 0.028 6.25 α 盐碱土 0.016 0.075 0.023 0.012 50.77 非盐碱土 0.016 0.030 0.021 0.004 16.48 n 盐碱土 1.225 1.890 1.357 0.126 9.25 非盐碱土 1.359 1.514 1.429 0.032 2.26

表 2 0~100 cm剖面土壤水分特征曲线参数 分布规律统计 Table 2 Statistical results of SWCC parameters distribution within 0-100 cm profile soils

盐碱土和非盐碱土剖面各层土壤 K_s的变化特征见图 1. 盐碱土和非盐碱土 K_s随土壤深度的变化规律不一致,非盐碱土60~80 cm土层 K_s最大，20~40 cm K_s最小；盐碱土40~60 cm土层 K_s最大，而60~80 cm K_s最小.根据双 t 检验结果，在0.05显著性水平下，盐碱土与非盐碱土剖面的 K_s均值间存在显著性差异( P < 0.05).相同土层非盐碱土的 K_s值均明显高于盐碱土，图 1中显示60~80 cm土层的差异最大，20~40 cm土层的差异最小.整个盐碱土剖面的导水性，特别是其表层土壤以及60~80 cm土层的导水性较差，而非盐碱土剖面各土层的导水性相对较好.盐碱土剖面变异系数在47.72%~157.21%之间，80~100 cm土层变异系数达到157.21%，属于强变异性；非盐碱土变异系数在8.13%~85.04%之间，40~60 cm土层变异系数为8.13%，属于弱变异强度，其他土层均属于中等强度变异.这主要是因为非盐碱土容重较小，常年耕种，土壤中含有大量作物根系、有机质，土壤大空隙较多；盐碱土颗粒较细，大孔隙少，无作物种植，土壤有机质含量少，使得非盐碱土饱和导水率较大，而盐碱土的饱和导水率较小.

图 1( Figure 1)

Fig. 1

图 1 盐碱地和非盐碱地各土层饱和导水率均 值分布图 Fig. 1 Saturated hydraulic conductivity distribution in different soil depth for saline and non- saline soils

土壤水力学参数的影响因素较多，本文在综合考虑土壤全盐量和pH值的基础上，分析了土壤质地和全盐量以及pH值对土壤水动力学参数的影响.土壤水力学参数与土壤机械组成、容重、全盐量以及pH值之间的Pearson相关系数见表 3.

表 3

Table 3

表 3( Table 3)

表 3 土壤水动力学参数与影响因素的Pearson相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficients of soil hydraulic parameters and influence factors 指标 盐碱土 非盐碱土 θ r θ s α n K s θ r θ s α n K s 机械组成 砂粒 -0.881 ** -0.316 0.479 * 0.390 0.444 * -0.961 ** -0.355 0.903 ** 0.865 ** 0.637 * 粉粒 0.879 ** 0.334 -0.527 ** -0.404 * -0.463 * 0.963 ** 0.362 -0.882 ** -0.849 ** -0.619 * 黏粒 0.875 ** 0.307 -0.458 * -0.382 -0.434 * 0.949 ** 0.336 -0.938 ** -0.893 ** -0.669 ** 容重 -0.520 ** -0.961 ** 0.341 -0.279 -0.429 * -0.206 -0.329 0.079 -0.028 -0.171 全盐量 0.235 0.216 -0.144 -0.083 -0.044 -0.175 -0.352 0.150 -0.121 -0.046 pH值 -0.279 -0.224 0.045 -0.105 -0.032 0.145 -0.394 -0.067 -0.251 -0.503 **,在0 .01 水平(双侧)上显著相关;*, 在 0.05 水平(双侧)上显著相关.

表 3 土壤水动力学参数与影响因素的Pearson相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficients of soil hydraulic parameters and influence factors

由相关关系的分析可见，土壤机械组成对土壤各水力学参数的影响较大，θ_r，θ_s及 α 均与黏粒含量呈正相关关系.这是因为土壤质地越细，土壤的黏粒含量越高，土壤颗粒表面积越大，小孔隙越多，同一基质吸力下土壤含水量越高.在不同全盐量和pH值条件下，各因素的影响程度不同，特别是容重，在全盐量较高时，对各参数有较为明显的影响，而在全盐量和pH值较低的非盐碱地中，与各参数的相关系数均较低.其他各因素与参数之间的相关系数，在盐碱土和非盐碱土中也存在较大差异.非盐碱土中，θ_r，α ，n ，K_s与砂粒、粉粒、黏粒含量的相关系数均明显高于盐碱土.这主要是因为研究区的盐碱土主要为碳酸盐型盐渍土，土壤中交换性钠含量较高，土壤颗粒遇水后分散性强，致使土壤黏粒含量较高，而土壤黏粒具有较强的吸水作用，使得土壤渗透性减弱，持水性增强.这也说明，土壤盐分和pH值对土壤的机械组成有一定的影响，从而间接对土壤水力学参数产生了影响.

1) 盐碱土的 θ_s，n 和 K_s均比非盐碱土低，表层土壤二者的 α 值相同，20~40 cm和60~80 cm土层盐碱土的 α 值较非盐碱土小，40~60 cm和80~100 cm土层盐碱土的 α 值较非盐碱土大，θ_r二者接近； t 检验结果显示，盐碱土与非盐碱土剖面土壤 θ_s，n ，K_s的均值间存在显著性差异( P < 0.05)，θ_r和 α 的均值无显著性差异( P > 0.05).

2) 在相同土层深度，盐碱土各层土壤水力学参数变异系数均大于非盐碱土；盐碱土 K_s属于中等-强变异程度，非盐碱土属于弱-中等变异程度；其他参数均属于弱-中等变异强度.

3) Pearson相关分析结果显示，在不同全盐量和pH值条件下，土壤机械组成、容重对土壤水力学参数的影响程度不同，说明土壤盐分和pH值间接对土壤水力学参数产生了影响.