沂蒙山區(qū)小圣堂小流域不同類型果園土壤水分特性的研究

(延邊大學 吉林 延吉 133000)

沂蒙山區(qū)小圣堂小流域不同類型果園土壤水分特性的研究

劉文紅

(延邊大學吉林延吉133000)

本文以沂蒙山小圣堂地區(qū)兩塊杏園的棕壤和褐土為研究對象，利用實驗室HYPROP測定系統(tǒng)來測得棕壤和褐土的土壤水分特征曲線和非飽和導水率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)棕壤原狀土持水能力低于擾動土，導水能力都高于擾動土；褐土原狀土持水能力和導水能力都低于原狀土?？傮w而言褐土持水性能高于棕壤，導水性能低于棕壤，兩種土壤在管理時要采取不同的灌水措施。

褐土；棕壤；果園；土壤水分特征曲線；非飽和導水率

一、前言

(一)研究背景

沂蒙山區(qū)山地丘陵區(qū)果園種植面積較大，是當?shù)鼐用裰饕?jīng)濟收入之一，研究該區(qū)兩種典型成土母質(zhì)土壤的土壤水分特性，探討其持水性及供水性，可以為該區(qū)果園進行合理的灌溉和土壤水分管理制度提供科學依據(jù)。

(二)研究進展

1.土壤水分物理特征

土壤水分物理特性主要有土壤容重、土壤孔隙度、顆粒組成、水分特征曲線、飽和導水率、非飽和導水率和擴散率等。土壤水分特征曲線是描述土壤含水量與土壤基質(zhì)勢之間函數(shù)關(guān)系的曲線，它能反映土壤保持水分的情況，又稱為土壤持水曲線，是模擬水分和溶質(zhì)在非飽和土壤中運移的關(guān)鍵參數(shù)之一。其中壓力膜法的測定曲線與土壤實際的特征曲線相似度較高，但其測定時間較長，而離心機法具有較短的測定周期，但離心過程中容重也隨壓力而改變會影響測定精度[1]。張力計法雖然測定范圍比較窄僅在0～0.08MPa之間，但可以對原狀土壤進行測定。土壤水分特征曲線可通過一些經(jīng)驗公式進行擬合，其中比較常用的有：Brooks-Corey模型[2]和Van-Genuechten模型[3]等，后者廣泛適用于各種類型土壤。

非飽和導水率是指單位勢梯度作用下，單位時間單位面積土壤通過的水量。它是土壤含水量的函數(shù)，隨著土壤含水量的增加而增加；也是土壤吸力的函數(shù)，隨著土壤吸力的增加而減小。因此，非飽和土壤導水率是土壤水分運動特征參數(shù)，也是水分和溶質(zhì)運移模擬的重要關(guān)鍵參數(shù)之一。非飽和導水率的直接測定法常用的有瞬時剖面法和垂直下滲通量法，兩種方法都利用達西定律推導不同含水率條件下非飽和導水率土壤物理。Fujimaki和Inoue[4]提出了一種確定低壓力下土壤導水率的瞬態(tài)蒸發(fā)法。它是根據(jù)累計蒸發(fā)量和最終含水量剖面獲得土壤的導水率。其優(yōu)點是可以同時測定土壤的持水特征曲線和土壤導水率，并且從近飽和到近風干的整個含水量范圍內(nèi)都適用。Hyprop導水率測定系統(tǒng)即是按照此方法設(shè)計的測定儀器。

間接推求土壤導水參數(shù)的方法有三種[5]。一是根據(jù)土壤的質(zhì)地、機械組成、容重和有機質(zhì)含量等,建立理想的物理模型，推求土壤非飽和導水率；二是根據(jù)水分特征曲線擬合模型推求導水參數(shù)，具有代表性的模型主要有Mualem模型[6]、van Genuchten模型[7]、Brooks-Corey模型[8]等；三是根據(jù)土壤水分再分布過程推求土壤的導水參數(shù)[9]。

2.影響土壤水分特征的因素

影響土壤水分特征的因素有很多，包括土地利用、土壤結(jié)構(gòu)、土壤類型(質(zhì)地)、土壤容重[10]。土壤質(zhì)地對于土壤特征曲線影響最大，顆粒越細，曲線斜率越大[11]。而土壤容重和結(jié)構(gòu)主要影響在于土壤的含水量接近于飽和段時，團聚體含量越多，容重越小，團聚體含量多時，曲線呈指數(shù)型，團聚體含量少時，曲線則稱“S”型[12]。土壤大孔隙雖然僅占土壤體積的0.1%～5%[13]，卻在很大程度上影響土壤水分特征曲線及非飽和導水率耕作方式影響土壤飽和導水率進而影響土壤非飽和導水率[14]。

原狀土與擾動土在導水率與導氣率方面有著差異，不論是導水率和導氣率，原狀土都比擾動土大[16]，導水率隨含水率的增加而減少，說明土壤結(jié)構(gòu)及孔隙特征對水和氣的傳輸有巨大影響。擾動土與原狀土的變化趨勢雖然相同，但是曲線不重合，說明擾動土和原狀土的孔隙連接性和彎曲程度不同。擾動土是相對于原狀土而言的[16]。根據(jù)馬愛生等對黃土高原地區(qū)幾種土壤的水分狀況與能量水平研究表明，在土壤含水量相同的條件下，有原狀土的水勢大于擾動土。

(三)研究意義

土壤水分特性的測定受土壤質(zhì)地、土地利用類型、耕作方式等因素影響，直接測定方法費時費力，而且土壤水分特征曲線和導水率一般是分別測定或者是通過土壤水分特征曲線推求非飽和導水率，因此本文利用Hyprop系統(tǒng)同時測定果園土壤水分特征曲線和非飽和導水率，提高研究效率，并且為該區(qū)果園管理提供依據(jù)。

二、研究方法

(一)研究區(qū)概況

沂蒙山區(qū)屬北方土石山區(qū)，水土流失狀況嚴重，且中、強度侵蝕面積比例較大。該地區(qū)屬于溫帶季風氣候，年降水量700～900mm，夏季(6～9月)降雨占全年降水量的70%～75%，降雨方式多為暴雨，冬春季降水少、土壤水分虧缺嚴重。該區(qū)成土母巖主要包括花崗巖、片麻巖等酸性巖石和石灰?guī)r等碳酸類巖石，兩類巖石分布地區(qū)多是砂石山和青石山(山東省土壤肥料工作站)。在此自然環(huán)境條件下，對不同成土母質(zhì)土壤水分研究就顯得必不可少。

(二)土樣采集與處理

本研究區(qū)在地處沂蒙山區(qū)的山東省臨沂市平邑縣天寶山國家林場小圣堂小流域，選取花崗巖和兩種成土母質(zhì)的樣地，屬梯田，分布于小路兩側(cè)，一側(cè)為褐土杏園，一側(cè)棕壤杏園。利用環(huán)刀取土法取0～5cm土，分別取樣在兩個以上，用于原狀土樣和擾動土樣實驗。

土樣處理分為兩部分，棕壤、褐土的原狀土處理和擾動土處理。首先是對采集的土樣進行烘干，放在烘箱里達到二十四個小時，將土樣中殘留的多余水分完全烘干。對于原狀土的處理就是保持土壤原狀，將其裝入容量250ml的環(huán)刀中吸水達到飽和等待測量。而對于擾動土，則需要烘干后過>2mm篩，并測定砂礫質(zhì)量，獲得>2mm砂礫含量棕壤為25%、褐土為16%，將<2mm土壤樣品按照原狀土容重裝入250ml的環(huán)刀中，并吸水達到飽和等待測量。

原狀土容重，由原狀土環(huán)刀烘干法測定，環(huán)刀體積為250cm3，在105℃烘箱內(nèi)烘干24h至恒重。然后按照以下公式計算土壤容重：

ρb=ms/v

(2-1)

ρb是土壤容重(g/cm3)，ms是干土質(zhì)量(g)，v是環(huán)刀體積(cm3)。

棕壤和褐土容重分別為1.6g/cm3、1.3g/cm3。

(三)土壤水分特征曲線和非飽和導水率的測定

1.Hyprop非飽和導水率測定系統(tǒng)

Hyprop是用于在自然條件下測量原裝土樣的土壤水分特征曲線和非飽和導水率。其原理是利用飽和-蒸發(fā)原理，運用兩個不同深度的微型張力計和精確稱重系統(tǒng)測定土壤水分特征曲線和土壤的非飽和導水率。Hyprop是一種土壤測定系統(tǒng)，它適合于各種各樣的土壤類型，能夠同時得到非飽和導水率和pF曲線，通過得到大量數(shù)據(jù)推導出導水率方程。系統(tǒng)軟件自動測量、記錄土壤水勢參數(shù)、并且繪制參數(shù)曲線、提供原始數(shù)據(jù)，稱重時自動識別樣品質(zhì)量。

2.土壤特征曲線和非飽和導水率擬合公式

土壤水分特征曲線采用Van Genuchten的土壤水分特征曲線模型方程進行模擬：

(2-2)

θ=θsh>ha

(2-3)

式中：θ為土壤體積含水率(cm3/cm3)；θs為土壤飽和含水率(cm3/cm3)；θr為土壤殘積含水率(cm3/cm3)；h為土壤基質(zhì)勢(cm水柱)；α、n、m都為土壤水分特征曲線形狀系數(shù)(或經(jīng)驗擬合參數(shù))；ha為土壤進氣吸力(cm水柱)；m=1-1/n。

土壤非飽和導水率：根據(jù)Van Genuchten-Mualem模型進行推導，含水量和非飽和導水率的關(guān)系如下：

K(θ)=S1/2[1-(1-S1/m)m]2·Ks(m=1-1/m,0

(2-4)

式中：K(θ)為非飽和導水率(mm/min)；KS為飽和導水率(mm/min)；S為有效飽和度，在不考慮水分滯留作用的影響，可表達為：

(2-5)

式中：θ為土壤體積含水率(cm3/cm3)；θs為土壤飽和含水率(cm3/cm3)；θr為土壤殘積含水率(cm3/cm3)。

三、結(jié)果分析

(一)土壤水分特征曲線的分析

1.棕壤的水分特征曲線

棕壤擾動土和原狀土的土壤水分特征曲線見圖1、圖2，從圖中看出棕壤原狀土和擾動土的土壤水分特征曲線利用VG-M模型擬合較好。VG-M模型參數(shù)見表1，從表1可以看出棕壤原狀土土壤飽和含水量為0.314cm3/cm3,殘余含水量為0.042cm3/cm3，棕壤擾動土飽和含水量為0.422cm3/cm3，殘余含水量為0.092cm3/cm3，擾動土高于原狀土，當原狀土與擾動土土壤水勢相同時，原狀土的含水量小于擾動土。由此可得出，棕壤的擾動土相對于原狀土持水能力更強，這與擾動土進行了過篩，去除了>2mm砂礫有關(guān)。

表1 土壤水分特征曲線及非飽和導水率VG-M模型擬合結(jié)果

圖1棕壤原狀土土壤水分特征曲線 圖2 棕壤擾動土土壤水分特征曲線

2.褐土的水分特征曲線

褐土擾動土和原狀土的土壤水分特征曲線見圖3、圖4，從圖中看出褐土原狀土和擾動土的土壤水分特征曲線利用VG-M模型擬合效果也較好。VG-M模型參數(shù)見表1，從表1可以看出褐土原狀土土壤飽和含水量為0.497cm3/cm3,殘余含水量0.096cm3/cm3,褐土擾動土飽和含水量為0.528cm3/cm3，殘余含水量為0.115cm3/cm3，與棕壤一致擾動土高于原狀土，當原狀土與擾動土土壤水勢相同時，原狀土的含水量小于擾動土。由此可得出，褐土的擾動土相對于原狀土持水能力也較強。

圖3 褐土原狀土土壤水分特征曲線 圖4 褐土擾動土土壤水分特征曲線

3.棕壤和褐土的水分特征曲線異同

根據(jù)表1和圖1、圖2、圖3、圖4，比較棕壤和褐土土壤水分特征曲線的差異，發(fā)現(xiàn)褐土擾動土和原狀土的飽和含水量都高于棕壤，殘余含水量也高于棕壤，相同土壤水勢條件下土壤含水量褐土高于棕壤，因此褐土的持水性能較棕壤高。

四、結(jié)論

(1)棕壤原狀土土壤飽和含水量高于擾動土、殘余含水量低于擾動土；褐土原狀土土壤飽和含水量高于擾動土、殘余含水量低于擾動土；不管是原狀土還是擾動土，褐土飽和含水量都高于棕壤，說明褐土的持水性能好于棕壤。棕壤原狀土壤持水能力方面要低于褐土，導水能力方面高于褐土，對于果園的管理要因地制宜，棕壤需要通過土壤改良增加其持水性能，褐土要疏松土壤，提高其導水性能。

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劉文紅，女，漢族，山東，研究生，延邊大學，人文地理學。