土壤水分特征曲线(研究)综述

土壤水分特征曲线（研究）综述
卢常磊（学号：1001064113）
（系别：农学系专业：种子科学与工程班级：一班）
前言：土壤水的基质势（或土壤水吸力）随土壤含水量而变化，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。

该曲线反映了土壤水分能量和数量之间的关系，是研究土壤水动力学性质比不可少的重要参数，在生产实践中具有重要意义。

几十年来，人们投入了大量的精力来发展确定该曲线的方法，这些方法归纳起来可分为两大类：一类是直接测定法，另一类是间接推算法（或参数估计法）。

这些方法各有优缺点，而在生产实践中有的方法几乎没有实际应用价值。

基于这一点，本文针对这些方法以及近年来发展的新方法进行了比较和综述。

关键词：土壤水分特征曲线 van Genuchten模型
1.土壤水分特征曲线
1.1概念土壤水的基质势（或
土壤水吸力）随土壤含水量的变化而
变化，其关系曲线称为土壤水分特征
曲线，英文名称为soil water
characteristic curve。

在实际中人
们也使用土壤持水曲线或土壤pF曲
线。

一般，该曲线以土壤含水量Q（以
体积百分数表示）为横坐标，以土壤
水吸力 S（以大气压表示）为纵坐标。

如右图是一不同质地土壤水分特征曲线图。

1.2意义土壤水分对植物的有效程度最终决定于土水势的高低，而不是自身的含水量。

如果测得土壤的含水量，可根据土壤水分土特征曲线查得基质势值，从而可判断该土壤含水量对植物的有效程度。

1.3应用土壤水分特征曲线主要有以下几方面的应用［1］：①进行基质势和含水量的相互换算。

根据土壤水分特征曲线可将土壤湿度换算成土壤基质势，依据基质势可判断土壤水分对作物的有效度。

也可将基质势换算成含水量，根据土壤水分特征曲线可查得田间持水量、凋萎湿度和相应的有效水范围。

②表示比
水容重。

土壤水分特征曲线斜率的倒数，即单位基质势变化所引起含水量的变化，称之为比水容重，是衡量土壤水分对植物的有效性和反映土壤持水性能的一个重要重要指标。

③可以间接反映土壤孔隙的分布。

④可以判断土壤质地状况和土壤水分在吸力段的分布状况。

2.测定方法
2.1直接测定法几十年来人们投入了大量的精力来发展确定土壤水分特征曲线的方法。

其中一类就是直接测定法，即通让过实验方法直接测定土壤水分特征曲线。

直接法中有许多实验室和田间方法。

例如从土壤水基质势的测定方法来分就有负压计法、砂性漏斗法、张力力计法、测定土壤含水率剖面法等。

其中张力计法相对简单且便于操作，在室内和田间都得到了广泛应用［2］。

但综合来说，这些方法的特点是在概念上相对清晰，但费时、费力、费资金。

在测定范围上也有较大的限制，不能获取整个含水率范围内的土壤水分特征曲线，在田间测定水分特征曲线时还存在较大的不确定性。

［3］
2.2参数估计法由干直接法在实际应用中存在诸多问题，特别是在区域尺度上进行实际问题研究时，这类方法多数是不可行的，甚至是不可能的，因此许多土壤物理学家尝试着用数学表达（经验公式）来描述水分特征曲线，通过估计表达式中的参数来确定土壤水分特征曲线。

这种方法称为参数估计法（或间接推求法）。

目前比较常用的经验公式有Brooks-Corey(1964)模型、Gardner(1970)模型、van Genuchten(1980)模型和Gardner-Russo(1988)模型。

徐绍辉等对此4个模型的话应性进行了分析，认为van Genuchten模型无论是对粗质地土壤，还是较粘质地的土壤，其拟合效果均较好；夏卫生等通过对国内外土壤水动力学参数研究结果进行分析也得出，该样型不仅拟合效果较好，并能和土壤的机械组成和容重等联系起来，从土壤本身特性上找到其含义。

因此，在所有描述土壤水分特征曲线的众多样型中，van Genuchten模型以其线型与实测数据曲线拟合程度好而得到广泛应用。

［4］
3.对van Genuchten模型的研究及新进展
由于van Genuchten模型得到了广泛的应用，许多科学工作者都对其进行了进一步的研究并发展了一些用以确定van Genuchten模型的方法。

以下是对此方面研究的综合概述：
邵明安等［5］～［6］基于一维土壤水分运动的Richards方程提出了推求土壤van Genuchten模型和Brooks模型参数的简单入渗法；王金生等［7］将最小二乘法和非线性单纯形法相结合拟合了van Genuchten模型参数；徐绍辉等［8］也借助最小二乖法并结合Picard迭代法拟合了砂质粘壤土的van Genuchten模型参数；李春友等［9］也利用单纯形调优法拟合van Genuchten模型的参数；魏义长等［10］运用Matlab编程软件对辽西琳溶褐土van Genuchten模型的参数进行了推导估算。

尽管上述方法均得到了较好的拟合结果，但这些方法要么借助干土柱入渗试验，要么其算法需要编程，或者需要专用软件，存在耗时、费力和利用效率低等问题。

Matlab软件虽然功能强大，但其工作界面对我国科学工作者来说较难适应，而且要求非常专业的数学知识和较高的外语水平，算法需要编程，这在一定程度上限制了在国内土壤物理领域的应用范围。

针对这一点，刘贤赵等［11］运用DPS 数据处理系统求解van Genuchten模型中的4个参数，不需要复杂的运算符号和繁琐的数学推导，具有操作简单、求解快速、可读性强的忧点，真正使复杂数学问题实现了“所想即所见，所见即所得”。

从使用效果上讲，其工效和通用性有明显的提高。

从而为土壤学工作者提供了一条运用数值计算方法的新途径。

但由于van Genuchten模型参数较多，对此，宋孝玉等［12］在试验的基础上建立了土壤水分特征曲线的单一参数模型，该模型预测的土壤水分特征曲线与实测土壤水分特征曲线比较接近，且该模型参数少，结构简单，可进一步推广应用。

4.间接推求法的新进展
今年，夏达忠等［13］发表了《基于土壤物理特性的土壤水分特征曲线推求法》。

这种方法解决了分布式水文模型在进行流域水文模拟的过程中难以取得土壤水运动参数的空间分布的问题。

该法可以广泛应用到实际流域的分布式水文循环模拟计算中。

通过采集相应的土壤粒径级配资料和上壤容宣资料，就可以求解相应的流域范围内的土壤水分特征曲线和饱和导水率等土壤水分运动参数的流域室间分布，尤其对研究分布式的流域水文模型的计算单元内的参数确定提供了可靠的计算方法。

【参考文献】
［1］李开元,李玉三.土壤水分特征曲线的意义及应用［J］,陕西农业科学,1991,(4):47-48 ［2］来剑斌,王全九.土壤水分特征曲线模型比较分析［J］, 水土保持学报,2003,17(1):137-140 ［3］唐亚莉,董文明,赵晶晶.优化算法确定土壤水分特征曲线的分析［J］,新疆大学学报,2006,23(2):240-243
［4］王小华,贾克力,刘景辉.Van-Genuchten模型在土壤水分特征曲线拟合分析中的应用［J］，干旱地区农业研究,2009,27(2):179-183
［5］邵明安,王全九.推求土壤水分运动参数的简单入渗法Ι,理论分析［J］.土壤学报,2000,37（1）:9-16
［6］邵明安,王全九.推求土壤水分运动参数的简单入渗法Ⅱ,理论分析［J］,土壤学报,2000,37(2):1-8
［7］王金生,杨志峰.陈家军.包气带土壤水分滞留特征研究［J］,水利学报,2000,1(2):1-6 ［8］徐绍辉,张家宝.求土壤水力特征的一种迭代法［J］,土壤学报,2000,37(3):271-274 ［9］李春友,任理,李保国,利用优化法算van Genuchten方程参数［J］,水利学进展,2001,12(4):473-478
［10］魏义长,刘作新,康玲玲.土壤持水曲线van Genuchten模型求参的Matlab实现［J］,土壤学报,2004,41(3):380-386
［11］刘贤赵,李嘉竹,张振华,土壤持水曲线van Genuchten模型求参的一种新方法［J］,土壤学报,2007,41(6):135-138
［12］宋孝玉,李亚娟,李怀有.土壤水分特征曲线单一参数模型的建立及应用［J］,农业工程学报,2008,24(12):12-15
［13］夏达忠,张行南,贾淑彬. 基于土壤物理特性的土壤水分特征曲线推求法［J］,实验室研究与探索.2010,29(10):18-20。