王朗自然保護區(qū)不同地帶土壤的水分特征曲線研究

趙志江，葛靜茹，李建清，趙妍晰，康東偉，李俊清

(1.北京市順義區(qū)漢石橋濕地自然保護區(qū)管理辦公室，北京 101309；2.中國林業(yè)科學研究院濕地研究所，北京 100091； 3.保定學院，河北 保定 071027；4.溫州市林業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 溫州 325027； 5.國家林業(yè)局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院，北京 100010；6.北京林業(yè)大學 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083)

土壤水分是構(gòu)成土壤肥力的重要因素，通過調(diào)節(jié)氣候-土壤-植被系統(tǒng)的復雜動態(tài)來控制植被的時空分布格局[1，2]。土壤水分特征曲線是研究土壤水分運動必不可少的環(huán)節(jié)[3]，是表征水的基質(zhì)勢或水吸力隨土壤含水率而變化的關(guān)系曲線，是研究土壤水分保持和運移所用到的反映水分基本特性的曲線[4-5]，它受到土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙、溫度、植被情況、水分變化的過程等多種因素的影響[6-7]。通過對土壤水分特征曲線的研究，可以查得田間持水量和相應的有效水的范圍并判斷土壤質(zhì)地[8]。對不同的土壤水分的有效性和持水性進行系統(tǒng)研究，有助于通過林業(yè)措施最大限度的利用有限的天然資源，增加土壤水持久性，使地上的植物等能夠充分地利用水資源[9]。

土壤氣態(tài)水運移對植物水分供應也具有一定的作用，尤其在地表干土層，氣態(tài)水比液態(tài)水運移更為重要，研究土壤對氣態(tài)水的吸附(absorption)、解吸(desorption)特征曲線可以進一步完善土壤水分運移模型，對于深入了解水分在特定SPAC系統(tǒng)中的運動規(guī)律非常重要[10]。但是，干土的水勢(water potential)一直被業(yè)界研究人員認為是非常難測定的。1986年Campbell和Gee曾經(jīng)用鹽溶液來平衡土樣，并且反復測量直到水容量恒定為止，此種方法通常要幾周甚至幾個月，而且測出的水勢范圍非常小[11]。鑒于此，迫切需要更為便捷和精確的實驗技術(shù)來測定低土壤水勢的水分特征曲線。

由于受到1976年松潘-平武地震和2008年汶川地震的影響，王朗自然保護區(qū)內(nèi)存在大量的裸露滑坡與泥石流遺跡，迫切需要恢復植被。但由于地震遺跡坡度大、表層土壤質(zhì)地差，造成表層土壤保水性不好，在一定程度上阻礙并延緩了植被恢復進程。因此，本研究利用吸濕等溫曲線自動測繪儀-AquaSorp測試并分析不同地帶土壤的氣態(tài)水分運移規(guī)律，以期為大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)棲息地的植被恢復提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

四川王朗國家級自然保護區(qū)位于四川省西北部的平武縣境內(nèi)，地理范圍為103°50′-104°58′E，31°59′-33°02′N，面積32 297hm2，始建于1965年，是中國最早建立的以保護大熊貓為主的自然保護區(qū)之一。保護區(qū)屬丹巴-松潘半濕潤氣候，氣候垂直分布隨海拔從低到高呈現(xiàn)出暖溫帶、溫帶、寒溫帶、亞寒帶、永凍帶的帶譜類型。由于季風影響，該區(qū)形成干濕季節(jié)差異。干季為當年11月至次年4月，表現(xiàn)為日照強烈、降水少、氣候寒冷、空氣干燥的特點。濕季為5月至10月，氣候特征是降雨集中、多云霧、日照少、氣候暖濕。年均溫2.9℃，7月平均氣溫12.7℃，1月平均氣溫-6.1℃，最熱7月均溫24.2℃，極端高溫26.2℃，極端低溫-17.8℃，≥10℃的積溫1 056.5℃，年降水量859.9mm，降水日數(shù)195d，集中在5月至7月。由于1976年松潘-平武大地震和2008年汶川地震的影響，至今尚存有大量裸露或接近裸露的泥石流和滑坡遺跡，亟待進行植被恢復。

2 研究方法

2.1 土壤取樣

試驗取樣地點選在王朗自然保護區(qū)白沙溝一個較大的地震滑坡，該滑坡是1976年松潘-平武地震后的遺跡，地理坐標為104°2′55″E，32°53′1″N，海拔3 010m，在滑坡中上部平行于等高線設(shè)定1個10m寬的樣帶，一直延伸至滑坡旁邊的森林內(nèi)部，在此樣帶內(nèi)，分別選取滑坡地帶(A1)、滑坡與森林交界的過渡地帶(A2)、滑坡旁邊的森林地帶(A3)為土壤采樣點，除此之外，在大窩凼溝谷的原始森林內(nèi)選取一處代表性樣塊(A4)進行取土，作為對照。根據(jù)土壤自然狀況，每一個取樣地點分0-10cm和10-20cm兩層取樣。用環(huán)刀法采樣，同時用信封袋將土壤裝好，共采集8個土樣。

2.2 測定儀器及測定流程

2.2.1 測定儀器

采用AquaSorp土壤水分特征曲線快速測定儀進行測試，該儀器是當前國際上研究土壤水分特征曲線中采用最新測試方法而誕生的儀器，由軟硬件兩部分組成，硬件主要包括AquaSorp主機、干燥管、信息指示中心、樣品室、樣品杯、儲水室等；軟件主要使用SorpTrac來啟動、收集和分析測試數(shù)據(jù)。

AquaSorp利用等溫動態(tài)露點技術(shù)(DDI)，即利用水活度(Water Activity，AW)和重量分析法創(chuàng)建等溫曲線。水活度是指物質(zhì)中水的蒸汽壓與該溫度下純水的飽和蒸汽壓的比值。在吸濕與干燥過程中測量水活度和水分含量，既不控制水分含量也不控制水活度。水分含量通過高精度的磁力天平測得，水活度利用DECAGON冷鏡露點傳感器測得。

AquaSorp所測曲線水勢范圍約為-500MPa到-5MPa，植物幾乎不能利用該水勢范圍內(nèi)的水分。該曲線反映了土壤對氣態(tài)水的吸附與解吸過程中存在的規(guī)律，對應于土壤包氣帶中的水汽運移過程(非飽和流)和干土層中氣態(tài)水的運移過程。該水勢范圍的研究對于更好地了解SPAC中土壤水汽擴散、水汽凝結(jié)、表土層水分蒸發(fā)以及夜潮現(xiàn)象和凍后聚墑現(xiàn)象都有重大意義[10]。

夏季來照相館的多是學生或新入職的工人。畢業(yè)留念，合個影；拍張登記相，交給工作單位。高志明叫到下一位顧客的單子時，與她目光交會的那一剎那，他在心里喊出了這姑娘的名字。

2.2.2 測定流程

(1)樣杯和土樣準備

在土壤水分特征曲線測定之前，用純凈水將樣杯徹底洗凈后烘干至恒重，用精密天平進行稱重，并標好所對應的土樣。測量結(jié)果如表1所示。測試土樣無需特殊處理，自然風干后，各取少量以覆蓋杯底為宜。

(2)參數(shù)設(shè)置

溫度設(shè)置 王朗自然保護區(qū)最熱7月均溫為24.2℃，且極端高溫26.2℃，溫度越高，空氣相對干燥，土壤氣態(tài)水運移過程更容易受到影響，因此，試驗使用的是默認溫度25℃，在此溫度下考察不同地帶土壤對于氣態(tài)水的吸附和解吸過程。

水活度閾值設(shè)置 水活度閾值取決于想要研究的水活度范圍，根據(jù)吸濕過程中是否會產(chǎn)生相變來設(shè)置水活度閾值。試驗設(shè)置等溫曲線的最高上限是0.95，最低是0.03。

泵速設(shè)置 泵速為泵入樣品室的空氣速度。試驗采用默認設(shè)置300mL/min。較快的泵流速可以使等溫曲線進行得很快，但是會導致少量的點分布位置發(fā)生輕微的偏移。

(3)土壤烘干并稱重

測試結(jié)束之后，將盛有土樣的樣杯取出，放入烘箱烘干24h，以便土壤中的水分可以完全解吸。從而更準確地計算出土壤的含水量。烘干之后，土樣和樣杯重量見表1。

表1 測試之前與測試之后樣杯重量

注：測試之后樣杯重量為烘干后樣杯與土樣的總重量。

2.3 土壤水分特征曲線

3 結(jié)果與分析

3.1 各樣地不同深度的土壤水分特征曲線

根據(jù)公式(1)換算，可得滑坡(A1)、滑坡與森林交界的過渡地帶(A2)、滑坡旁邊的森林(A3)、對照樣地(A4)分別在0-10cm和10-20cm土層的土壤水分特征曲線(圖1-圖4)。

圖1 A1樣地的土壤水分特征曲線圖

圖2 A2樣地的土壤水分特征曲線圖

圖3 A3樣地的土壤水分特征曲線圖

圖4 A4樣地的土壤水分特征曲線圖

從圖1-圖4可以看出，所有土樣都表現(xiàn)出如下特征：在相同水勢的情況下，通常脫水比吸水情況下土壤所含吸附水量高。一般在曲線斜率較大的區(qū)域內(nèi)，土壤吸附氣態(tài)水的能力較強，當水勢稍有增大時，土壤吸附水量增加較多。和許多其他孔性固體吸附劑一樣，在一定的相對水氣壓范圍內(nèi)，土壤對水氣的吸附等溫線大多和解吸(脫附)等溫線發(fā)生分離，也就是吸附滯后現(xiàn)象[10,14-15]。造成這種現(xiàn)象的原因較多，主要原因可能是：(1)被脫水干土土粒的表面吸附有空氣，它妨礙后來吸水時對水分子的吸附；(2)烘干土壤的過程會引起土粒表面某種不可逆的變化，這種變化可降低土壤的吸附能力；(3)毛管凝聚作用[10,14-15]。吸附曲線和解吸曲線分離部分構(gòu)成的環(huán)稱為吸附-解吸滯后圈[16]。

在滑坡地帶(A1)所取土樣，0-10cm土層的土壤和10-20cm土層的土壤吸附和解吸曲線的斜率變化相差不大(圖1)，因此，2個土層的土壤的吸附和解吸能力相差不大。并且2個土層的土壤都是隨著水分的增多，土壤水勢越高，土壤的吸水力越大[17]。

在滑坡與森林交界過渡地帶(A2)所取土樣，0-10cm土層的土壤在-100MPa-0MPa水勢下，土壤的吸附曲線和解析斜率都較大(圖2)，土壤含水量急劇上升和下降，可能是由于在吸附過程中，當相對水氣壓稍有增大時，土壤吸附水量增加較多。而在解吸過程中，可能是由于水勢較大時，吸力較小，因此含水量急速下降。在相同水勢范圍下，0-10cm土層的土壤含水量比10-20cm土層的土壤含水量高很多。這應與土壤的組成隨土壤深度變化規(guī)律有關(guān)，在0-10cm土層，由于土壤富含腐殖質(zhì)，保水能力比較強；在10-20cm土層，該范圍內(nèi)的土壤質(zhì)地為粗沙，保水能力較小[18]。此外，在-100MPa-0MPa水勢下，0-10cm土層的土壤和10-20cm土層的土壤吸附曲線的斜率變化相差很大，因此，2個土層的土壤的吸附能力相差也應該較大。

在滑坡旁邊的森林地帶(A3)所取土樣，在相同水勢的情況下，10-20cm土層的土壤較0-10cm土層的土壤含水量較高(圖3)?？赡苁怯捎谏謨?nèi)的植被較多，植物根系的吸附作用使土壤持水能力增強，因此較深層土壤的含水量較高。

在對照樣地(A4)所取土樣，0-10cm土壤層次和10-20cm土壤層次的土壤水分特征曲線變化都相對平緩，土壤的水勢較高，且水勢變化范圍較為一致(圖4)。

3.2 不同土樣間土壤水分特征曲線的比較

0-10cm土層的土壤，在相同的水勢范圍內(nèi)，滑坡樣地(A1)的土樣的水分含水量最少，明顯低于其他3個樣地，曲線位置在最下面(圖5)。各個樣地土壤含水量的平均值比較結(jié)果是：滑坡旁邊的森林(A3)>對照樣地(A4)>滑坡與森林交界的過渡地帶(A2)>滑坡地帶(A1)。在森林樣地因為有大量的植物，對土壤水分的保持能力大大增強，故在森林樣地(A3)中所取得的土樣的含水量最高且變化小，土壤水分特征變化曲線是平緩下降的。在滑坡與森林交界的過渡地帶(A2)，可能是由于植被較少，水分極容易排走，保持的水分很少，到達一定的水勢的時候，孔隙中的水分又會很快排空，土壤的含水量會急劇的下降，所以曲線坡度比較陡?；碌貛?A1)的土壤可能是由于結(jié)構(gòu)松散，抗剪強度和抗風化能力都較差，持水能力低，供水能力不強，因此有效水含量最少，曲線變化比較平緩。

圖5 A5樣地的土壤水分特征曲線圖

10-20cm土層的土壤，在相同水勢范圍內(nèi)，森林樣地(A3)的土樣的總含水量最多，土壤含水量明顯高于其他3個樣地，但滑坡與森林交界的過渡地帶的土樣(A2)的含水量低于滑坡地帶(A1)的土樣的含水量，曲線位于最下方(圖6)。各個樣地土壤含水量的平均值比較結(jié)果是：滑坡旁邊的森林(A3)>對照樣地(A4)>滑坡地帶(A1)>滑坡與森林交界的過渡地帶(A2)。在本土層中，滑坡與森林交界的過渡地帶(A2)的含水量比滑坡地帶(A1)的含水量低，可能是由于過渡地帶的土壤的質(zhì)地偏砂質(zhì)，一般砂質(zhì)土壤孔隙比較大，持水能力比較差。在同一吸力值下，干土壤密度越大的土壤，相應的含水率一般也要大些[14]。

圖6 A6樣地的土壤水分特征曲線圖

4 結(jié)論

(1)相同立地條件下不同土層的土壤水分特征曲線差異明顯。在相同水勢的情況下，滑坡地帶(A1)和森林地帶(A3)的都是0-10cm土層的土壤含水量高于10-20cm土層的含水量，而在過渡地帶(A2)和對照樣地(A4)卻相反，可能是由于土壤的組成不同，故其表現(xiàn)規(guī)律也不同。

(2)不同立地條件相同土層的土壤水分特征曲線差異亦明顯。在相同水勢的情況下，森林地帶(A3)的含水量最高，持水能力最強。

(3)森林地帶(A3)的持水能力最好，滑坡地帶(A1)的持水最差。這種差異可能是由于土壤的組成成分或者植被有效水含量不同造成的。