Kostiakov模型在遼西低山丘陵區(qū)土壤水分中的應(yīng)用

王家智

（遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

水土保持

Kostiakov模型在遼西低山丘陵區(qū)土壤水分中的應(yīng)用

王家智

（遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

土壤是林木生長(zhǎng)、生存的關(guān)鍵，其在森林水分循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用，森林土壤由于受到凋落物等特殊植物群的影響，具有獨(dú)特的水文特征，而土壤蓄水性能、抗侵蝕能力及滲透性等，是影響土壤水分的關(guān)鍵要素。

土壤；水分；滲透性；持水量

1 概述

遼西低山丘陵區(qū)位于遼寧省西部，地形起伏，多為山丘陵，年平均降雨量400mm，年蒸發(fā)量1700mm，屬于半干旱季風(fēng)氣候。近年以來(lái)營(yíng)造了大面積人工林，目前森林覆蓋率已超過(guò)30%，形成了以人工林75.8萬(wàn)hm2為主，天然次生林12.9萬(wàn)hm2為輔的森林景觀，樹(shù)種以油松、楊樹(shù)、刺槐為主。

2 土壤持水能力

從水土保持角度看，土壤非毛管孔隙度的大小反映了森林植被滯留水分發(fā)揮涵養(yǎng)水源和削減洪水的能力，而土壤毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于維持自身生長(zhǎng)發(fā)育的能力，如表1。

表1 不同林地土壤持水能力

由表1可以看出，不同林地土壤毛管持水量在86.8～192.3mm之間。以華北落葉松純林地土壤的持水能力最強(qiáng)，為192.3mm；而農(nóng)耕地的持水性最弱，為86.8mm，所有林地的持水能力均高于農(nóng)耕地，由此可知，不同植被為了保證根系吸收好冠層蒸發(fā)所需水分而具有較高的持水性能。不同林地土壤自然含水率在5.96%～31.63%之間，以華北落葉松林地最高，楊樹(shù)純林地最低，其中沙棘純林地低于農(nóng)耕地；飽和含水率在16.26%～55.08%之間，以荊條純林最高，只有楊樹(shù)純林低于農(nóng)耕地，為16.27%，其他林地為農(nóng)耕地的1.07～3.34倍，毛管持水率在15.76%～51.50%之間，以荊條純林地最高，只有楊樹(shù)林低于農(nóng)耕地，為15.76%，其他林地為農(nóng)耕地的1.05～3.18倍。

分析表明，土壤毛管持水率與自然含水率呈顯著線性正相關(guān)，相應(yīng)的回歸方程：y=1.083x+7.642（R=0，537，n=11）；土壤飽和含水率與自然含水率呈顯著線性正相關(guān)，相應(yīng)的回歸方程：y=1.135x+7.590（R=0，510，n=11），說(shuō)明土壤自然含水率的大小與總孔隙度和毛管孔隙度密切相關(guān)。

3 土壤入滲特性

土壤的入滲特性直接影響水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)狀況，而土壤表層的滲透速率更多地反映和決定著土壤的下滲能力，也是能否產(chǎn)生地表徑流的決定性條件。利用室內(nèi)換刀法測(cè)定了10種林地土壤的滲透性和農(nóng)耕地土壤滲透性，共得到10組有效數(shù)據(jù)，農(nóng)耕地由于大孔隙的存在而產(chǎn)生了優(yōu)先流，土壤水分運(yùn)動(dòng)不符合達(dá)西定律，故缺失該數(shù)據(jù)，不同林地土壤入滲特性如表2。

表2 不同林地土壤入滲特性

由表2可知，不同林地土壤初滲率介于0.25～26.32mm/min之間，以樟子松封禁純林地最大，華北落葉松純林地穩(wěn)滲率最小，前者是后者近105倍，不同林地波動(dòng)很大。土壤穩(wěn)滲率是評(píng)價(jià)土壤涵養(yǎng)作用和抗侵蝕性能的重要指標(biāo)。不同林地土壤穩(wěn)滲率介于0.05～6.84mm/min之間，以樟子松封禁純林地最大，華北落葉松純林地穩(wěn)滲率最小，前者是后者近137倍。不同林地初滲率與穩(wěn)滲率大小順序一致，具體為樟子松封禁純林地＞荊條純林＞沙棘純林＞樟子松菊芋混交＞山杏荊條混交林＞楊樹(shù)純林＞棗樹(shù)林＞油松荊條混交林＞華北落葉松純林。

一般來(lái)說(shuō)，土壤結(jié)構(gòu)性越好則滲透性越好，其中土壤的孔隙狀況與突然的滲透性密切相關(guān)，特別是非毛管孔隙的數(shù)量。研究表明，非毛管孔隙度對(duì)土壤初滲率、穩(wěn)滲率有重要影響，兩者間分別呈顯著線性相關(guān)，與容重、總孔隙度、毛管孔隙度相關(guān)性不顯著，這可能與土壤特性的空間變異有關(guān)。

4 土壤入滲模型

入滲是指降水或灌溉水由地表進(jìn)入土壤的過(guò)程，屬土壤水運(yùn)動(dòng)的一部分，并與地表產(chǎn)流、降雨后土壤水分再分配、農(nóng)田水分最優(yōu)調(diào)控、土壤侵蝕、養(yǎng)分隨水分的遷移、農(nóng)業(yè)面源污染等問(wèn)題密切相關(guān)。因此，研究不同林地土壤入滲速率隨時(shí)間的變化具有重要意義。不同林地土壤的入滲率開(kāi)始都較大，隨著時(shí)間的推移，入滲速率逐漸減慢，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間時(shí)趨于一定值。不同林地土壤達(dá)到穩(wěn)滲所需時(shí)間不同。華北落葉松純林地和油松荊條混交林地土壤40min已達(dá)到穩(wěn)滲，樟子松菊芋混交林地、沙棘純林地和楊樹(shù)純林地土壤達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間較快，分別為45，45，50min，而荊條純林、山杏荊條混交林和梨樹(shù)林地土壤達(dá)到穩(wěn)滲的時(shí)間較長(zhǎng)，分別為92，80，100min。

土壤入滲模型能夠表示入滲速率隨時(shí)間變化規(guī)律，從而對(duì)土壤入滲過(guò)程作出定性或定量的評(píng)價(jià)。Kostiakov提出了土壤入滲速率隨時(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

式中 f（t）為入滲速率；t為入滲時(shí)間；a，b為由實(shí)驗(yàn)資料擬合的參數(shù)。

利用Kostiakov模型擬合了遼西低山丘陵區(qū)不同林地土壤水分入滲速率與時(shí)間變化的過(guò)程，并得到了相應(yīng)的模型參數(shù)，如表3。

表3 不用林地土壤的入滲回歸方程

5 結(jié)語(yǔ)

（1）林地土壤容重、總孔隙度都以荊條純林地最小，結(jié)構(gòu)性最好，楊樹(shù)純林地最大，結(jié)構(gòu)性最差。

（2）不同林地0～40cm土層厚度蓄水容量在140.4～265.7mm之間，以生長(zhǎng)茂密的荊條純林蓄水容量最大，而受到外界干擾強(qiáng)烈的楊樹(shù)純林地蓄水容量最小，為140.4mm，不同林地有效蓄容大小順序?yàn)檗r(nóng)耕地＞樟子松封禁純林＞荊條純林＞沙棘純林＞樟子松菊芋混交＞山杏荊條混交林＞楊樹(shù)純林＞棗樹(shù)林＞梨樹(shù)林＞油松荊條混交林＞華北落葉松純林。

（3）不同林地土壤毛管持水量大小在86.8～192.3mm之間，以華北落葉松純林地土壤的持水能力最強(qiáng)，為192.3mm；而農(nóng)耕地的持水性最差，為86.8mm，所有林地的持水能力均高于農(nóng)耕地，不同林地土壤自然含水率的大小與總孔隙度和毛管孔隙度間呈顯著線性正相關(guān)。

［1］王志強(qiáng)，劉寶元，張巖.不同植被類型對(duì)厚層黃土剖面水分含量的影響［J］.地理學(xué)報(bào)，2008（7）.

［2］曹揚(yáng)，趙忠，渠美，等.刺槐根系對(duì)深層土壤水分的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006（5）.

［3］程積民，萬(wàn)惠娥，王靜，等.半干旱區(qū)檸條生長(zhǎng)與土壤水分消耗過(guò)程研究［J］.林業(yè)科學(xué)，2005（2）.

［4］李元壽，王根緒，丁永建，等.青藏高原高寒草甸區(qū)土壤水分的空間異質(zhì)性［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2008（1）.

［5］張北贏，徐學(xué)選，李貴玉，等.土壤水分基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2007（2）.

Application of Kostiakov model in the soil moisture of hilly area in Western Liaoning

WANG Jia-zhi
（Shenyang Hydrology Bureau,Liaoning,Shenyang 110043,China）

Soil is the key to the growth and survival of trees.It plays an important role in forest water cycle.Because of the influence of some special plants such as litter， it has some unique characteristics， such as soil water storage， resistance to erosion and infiltration.

soil； water； permeability； water holding capacity

S275

B

1672-9900（2015）06-0035-03

2015-10-10

王家智（1974-），男（漢族），遼寧沈陽(yáng)人，工程師，主要從事水文水資源評(píng)價(jià)及論證研究，（Tel）13940249301。