北京西山側(cè)柏林和刺槐林土壤水分研究

李 嬌，牛健植

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院／水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

土壤水分特征曲線是研究土壤水分運(yùn)移的重要參數(shù)，反映了土壤含水量與土壤基質(zhì)勢(shì)之間的關(guān)系［1］。近些年來，人們提出了許多能夠較好描述土壤水分特征曲線的模型，如 Gardner-Visser模型［2］、Brooks-Corey 模 型［3］、Van-Genuchten 模 型［4］、campbell模型［5］等。其中，Van-Genuchten模型因?yàn)檫m用土壤質(zhì)地范圍廣而得到了廣泛的應(yīng)用。在北京西山地區(qū)，Gardner冪模型對(duì)土壤水分特征曲線擬合精度也較高，與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合效果好，能夠較好表征土壤 水 分 特 征 曲 線 的 規(guī) 律［1，6－7］，其 表 達(dá) 成 為：θ＝AS－B，其中，θ為土壤體積含水量，S為土壤吸力，A、B為參數(shù)。A決定曲線高低，代表土壤持水能力的大小。B決定曲線的走向，代表含水量隨土壤水勢(shì)降低而減慢的速度快慢。

土壤水分有效性是指從田間持水量到永久凋萎點(diǎn)之間的土壤水分對(duì)植物有效性的程度［8］。目前，關(guān)于土壤水分有效性分析方法有以下幾種：（1）利用土壤田間持水量、凋萎系數(shù)等田間水分常數(shù)來描述林木根系吸水的難易程度［9］。（2）通過獲得土壤水分特征曲線，根據(jù)曲線斜率突變定性大致確定植物利用土壤水分難易程度的分界點(diǎn)［1］。（3）通過研究土壤水分和對(duì)應(yīng)樹種生理參數(shù)的定量關(guān)系，利用水分生理學(xué)原理得出以林木光合作用和水分利用效率為標(biāo)準(zhǔn)的林地土壤水分有效性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［10］。本文通過第二種方法確定土壤水分有效性的土壤吸力臨界點(diǎn)。

目前，國內(nèi)關(guān)于不同植被類型土壤水分狀況研究較多，尤其是在裸地或棄耕地在天然植被恢復(fù)過程中草本、灌木、喬木對(duì)于土壤物理化學(xué)性質(zhì)的改良作用［11－15］。而對(duì)不同樹種的近成熟人工林對(duì)土壤性質(zhì)的改良研究較少。本文以土壤水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，借助數(shù)學(xué)模型，以北京西山刺槐林和側(cè)柏林為例，分析其林下土壤的持水性、供水性及有效性，以此了解北京西山土壤特性，以及不同類型樹種對(duì)土壤性質(zhì)的改良作用。為適宜的土壤和降水條件下造林樹種的選擇以及植物生長過程中水分的調(diào)控提供理論依據(jù)［16］。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)地在北京市海淀區(qū)西山鷲峰林場，地理位置為東經(jīng)116°28′，北緯39°34′，實(shí)驗(yàn)地的平均坡度為15°～35°，水土流失情況較為嚴(yán)重。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫11.8℃，年降水量700mm，降水集中在7—8月，占全年降水量的70%?，F(xiàn)存植被主要是20世紀(jì)50—60年代建造的人工林，主要樹種有栓皮櫟（Quercus variabilis）、刺槐（R.pseudoacacia L）、刺柏（P.orientalis Linn.Franco）、油松（Pinus tabuliformis）等。土壤母質(zhì)為凝灰?guī)r、砂巖、石灰?guī)r和礫巖風(fēng)化的殘積、坡積物。試驗(yàn)地土壤容重為1.06～1.83g／cm3，土壤的總孔隙度為42%～61%。土壤質(zhì)地較粗，大孔隙較多、毛管力微弱［1］。

1.2 研究方法

在林齡相同的刺槐林和側(cè)柏林下各選一塊樣地，樣地海拔相同，均為半陽坡。在每個(gè)樣地中隨機(jī)挖取一個(gè)剖面，分0—20，20—40cm兩層進(jìn)行采樣。每次采樣重復(fù)兩次。通過離心實(shí)驗(yàn)測定土壤水分特征曲線。實(shí)驗(yàn)中所用儀器為落地式—高速冷凍離心機(jī)H-1400pF，實(shí)驗(yàn)用環(huán)刀為離心機(jī)配套的環(huán)刀，其內(nèi)直徑和高度均為5cm。

1.2.1 土壤水分特征曲線的測定 將采集的原狀土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，稱重后將其放入清水中浸泡48h，使其達(dá)到飽和狀態(tài)，取出每次稱重。然后放入離心機(jī)內(nèi)，從小到大依次設(shè)定10個(gè)不同的轉(zhuǎn)速對(duì)土壤進(jìn)行離心脫濕處理。10個(gè)轉(zhuǎn)速分別為500，1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，4 000，5 000，6 000，7 000rpm。每次離心完成后進(jìn)行稱重，由此可得到在不同土壤吸力（由相應(yīng)轉(zhuǎn)速換算可得）條件下土壤的體積含水率，進(jìn)而得到土壤水分特征曲線。

1.2.2 土壤比水容量計(jì)算 比水容量C是含水量對(duì)基質(zhì)勢(shì)的導(dǎo)數(shù)，即：

式中：θ——土壤體積含水量；S——土壤水吸力，S＝－Ψm。根據(jù)得出的土壤含水量與土壤吸力之間的冪關(guān)系，求導(dǎo)得到比水容量Cθ＝ABS－（B＋1）。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)前期用Excel 2007進(jìn)行處理。后期通過Origin 8.5專業(yè)繪圖軟件得到相應(yīng)的回歸方程。將模擬冪函數(shù)求導(dǎo)得到比水容量計(jì)算式再帶入Origin軟件計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分特征曲線分析

土壤的水勢(shì)和含水量有著密切的關(guān)系。在一定的環(huán)境條件下，土壤一定的含水量反映一定的能量狀態(tài)，或者在一定能量狀態(tài)下能保持一定的水量。

圖1中，4條曲線的形狀大致相同：在吸力＜0.1 MPa范圍內(nèi)，隨著吸力的增大，土壤水分含量急劇下降。在此階段，植物吸水耗能少；在0.1MPa之后再增大吸力，土壤水分減少的速率明顯減慢且逐漸趨于平緩。說明土壤在吸力＞0.1MPa之后，水分釋放困難，即植物吸收與之前相同的水量，但消耗的能量卻要多得多。所以，土壤水分有效度較低。土壤的易效水能夠放出較多水量，但范圍窄；難效水吸力范圍內(nèi)只能放出少量水，植物難以利用。因此植物利用土壤水較困難，水分運(yùn)動(dòng)速度和有效度降低。在低吸力范圍內(nèi)，土壤所能保持或釋放出的水量取決于較粗的孔隙分布。曲線在吸力＜0.1MPa范圍內(nèi)水分迅速減少，說明實(shí)驗(yàn)地土壤中顆粒間孔隙較粗，土壤質(zhì)地為砂土或砂壤土。

圖1 實(shí)驗(yàn)地土壤水分特征曲線

由表1可見，試驗(yàn)地土壤含水量與土壤水吸力的曲線擬合相關(guān)系數(shù)R2都大于0.9，說明Gardner和Visser提出的經(jīng)驗(yàn)方程θ＝AS–B對(duì)該地區(qū)土壤水分特征曲線的模擬效果很好。方程中參數(shù)A決定了曲線的高低，即持水能力大小，A值越大，持水能力越強(qiáng)；參數(shù)B決定曲線的走向，即土壤含水量隨土壤水勢(shì)降低而遞減的速度。擬合結(jié)果顯示，側(cè)柏林下A值分別大于相應(yīng)層次的刺槐林。另外，在刺槐林下，上層土壤A值大于下層，而在側(cè)柏林下，上層土壤A值小于下層。說明目前側(cè)柏林下土壤總體持水性要優(yōu)于刺槐林，即側(cè)柏林對(duì)土壤持水能力的改善效果要好于刺槐林。但是刺槐林和側(cè)柏林對(duì)土壤上層和下層的改良效果不一致。

表1 試驗(yàn)地土壤含水量與土壤水吸力關(guān)系

2.2 土壤的供水性質(zhì)比較

土壤的供水性是指在一定條件下土壤對(duì)植物生理需水的供給能力，常以有效水和有效度衡量。土壤水分特征曲線的斜率dθ／dS成為比水容量，表示單位土水勢(shì)（或吸力）變化時(shí)單位質(zhì)量土壤可釋放出或可吸入的水量。它能說明土壤水分的有效性和供水容量的大小。在曲線上，同樣的含水量差值對(duì)應(yīng)的土壤水勢(shì)差值卻不相同。這就造成了植物在吸收一定水量時(shí)需要消耗的能量不同。因此，比水容量是說明土壤水分有效程度的一個(gè)重要參數(shù)。

表2 試驗(yàn)地土壤的比水容量

比水容量即Cθ＝ABS－（B＋1），其中，AB 值越大，表明土壤的供水性或耐旱性越好。從表2可知，刺槐林和側(cè)柏林AB值略有差異。刺槐林兩個(gè)土層深度的土壤AB值都大于側(cè)柏林，同一林種下表層土壤AB值大于底層。由此可見，刺槐林的供水性能較側(cè)柏好，即植物分別在刺槐林下和側(cè)柏林下土壤吸收一定量的水分，前者耗能較少，后者較多。在干旱脅迫的環(huán)境條件下，與側(cè)柏林下相比，植物在刺槐林下更容易存活。同時(shí)，兩樹種林帶下，都是表層土壤持水性相對(duì)好。分析其原因可能是表層土壤中有機(jī)質(zhì)較多，相對(duì)于土壤顆粒，有機(jī)質(zhì)的持水性更好，并在植物需要時(shí)將水分釋放，易于供給植物。根據(jù)比水容量定義可知，當(dāng)比水容量達(dá)到10－2數(shù)量級(jí)時(shí)，植物所能吸收的水量就顯著減少，水分運(yùn)動(dòng)和有效度也顯著降低，此時(shí)植物利用水分困難，植物正常生長受到影響。同時(shí)，在表2中，側(cè)柏林比水容量在0.3MPa時(shí)達(dá)到10－2數(shù)量級(jí)，刺槐在0.3MPa時(shí)比水容量為0.1，接近10－2，按照比水容量變化趨勢(shì)可以認(rèn)為其臨界點(diǎn)也是0.3MPa。所以，易效水和難效水吸力界點(diǎn)為0.3MPa。

3 結(jié)論與建議

（1）北京鷲峰地區(qū)土壤水分和水吸力之間的冪關(guān)系顯著，Gardner冪模型θ＝AS–B具有很好的模擬效果，決定系數(shù)較高；同時(shí)發(fā)現(xiàn)Van-Genuchten模型的擬合效果也較好，但相關(guān)系數(shù)稍低。

（2）關(guān)于土壤持水性，總體來說西山土壤質(zhì)地較粗，因此土壤的易效水范圍較窄，難效水吸力范圍相對(duì)寬。土壤含水量在較低范圍時(shí)，植物吸收利用困難。但是不同樹種間存在一定差異，側(cè)柏林下土壤總體持水性要優(yōu)于刺槐林，側(cè)柏林對(duì)土壤持水能力的改善效果要好于刺槐林。且刺槐和側(cè)柏對(duì)土壤的改良在空間垂直方向上也有差異性。原因可能是刺槐和側(cè)柏有效根重密度在土壤中垂直分布不一致所致［17］。

（3）就供水性而言，刺槐和側(cè)柏林下土壤供水性能都是隨著土壤吸力的增加而呈遞減趨勢(shì)。刺槐林的供水性好于側(cè)柏林，這與李笑吟等［18］在晉西得出的土壤水分有效性研究中刺槐供水性質(zhì)優(yōu)于側(cè)柏相一致［18］；同時(shí)表層土供水性好于下層，但是在黃土區(qū)底層土供水性質(zhì)要好于表層。這說明土壤質(zhì)地對(duì)于土壤供水性具有決定性作用，而且植物對(duì)于其供水性質(zhì)有一定的改良效果。本研究試驗(yàn)地中，土壤易效水與難效水吸力界點(diǎn)都為0.3MPa左右。

本文通過土壤水分特征曲線，說明了在不同林種和土層深度下土壤持水性、供水性方面有差異也有共性。如果考慮土壤物理性質(zhì)，其影響情況還需進(jìn)一步探討。

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