土壤水汽吸附曲线的模拟及其滞后效应

土壤水汽吸附曲线是描述给定环境条件下土壤平衡水含量与水活度之间关系的曲线。准确地模拟土壤水汽吸附曲线对于模拟一些土壤物理化学过程以及预测土壤基本性质非常有帮助。本研究选择了中国不同地区七种典型土壤，测定了它们的水汽吸附曲线和解吸曲线，并评价了GAB模型的模拟效果，提出一种新的量化绝对滞后效应的方法，分析了土壤理化性质与GAB模型各个参数、滞后效应的相关关系，并对土壤水汽吸附行为的影响因素以及水分子与土壤颗粒之间的作用机理进行了讨论。

GAB模型可以很好地模拟供试土样的水汽吸附曲线。GAB模型中参数M0代表土壤单层水汽吸附量，与土壤有机质含量表现出显著的正相关关系，这是因为有机质本身含有的亲水官能团（如羟基、酚类和羧基）可与水分子形成氢键而成为吸附中心，因此土壤有机质含量越高，其水分子吸附点位越多，水汽吸附能力也越强。另一方面，土壤黏粒由于其本身硅氧四面体与八面体片的同晶替代、羟基中氢的置换以及颗粒边缘的断裂键等而带负电，通过表面水合以及吸附在其表面的阳离子水合等方式吸附极性水分子。土壤中黏粒含量的高低也因此常被认为是影响土壤水汽吸附的一个重要因素。但相关性分析表明M0值与黏粒含量并未表现出显著的相关关系，可能的原因是土壤水汽吸附过程还与土壤黏土矿物类型有关。对于土壤水汽解吸过程，GAB模型拟合效果稍优于吸附过程。土壤理化性质与GAB模型拟合土壤水汽解吸过程参数M0的相关性和吸附过程参数M0表现出一致性。

供试土样在同一水活度下水汽解吸过程中的土壤水含量均高于吸附过程，表现出明显的滞后效应。本研究通过求算供试土样水汽吸附曲线滞后环的面积来量化其滞后效应，命名为滞后指数（AH）。相关性分析表明供试土样有机碳与AH表现出显著的正相关关系；AH与黏粒含量呈极显著的正相关关系（如图）。

有机碳和黏粒含量对滞后指数的影响

本研究的结果表明GAB模型可以很好地模拟七种供试土壤的水汽吸附过程。土壤单层吸附水含量和滞后指数与有机碳含量呈极显著的正相关关系，然而土壤单层吸附水含量和滞后指数与黏粒含量之间的相关性受土壤矿物类型的影响。影响土壤水汽吸附的因素主要包括黏粒含量、有机质含量和黏土矿物类型。