不同植被下黏質(zhì)紅壤水分特征曲線研究

于元芬，郭明先，孟 飛，宋 婧，林麗蓉

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070)

土壤水分特征曲線是指土壤含水量隨土壤水吸力變化的關(guān)系曲線，已被廣泛應(yīng)用于土壤水分存儲(chǔ)、運(yùn)移和分布等方面的研究[1-5]。目前，獲取土壤水分特征曲線的方法有很多，如自然蒸發(fā)法、露點(diǎn)水勢(shì)儀法、沙箱法、壓力膜儀法和離心機(jī)法等，其中離心機(jī)法因有測(cè)量簡(jiǎn)便、省時(shí)、可測(cè)土壤水吸力范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多的人使用。在土壤水分特征曲線模型擬合方面，Van Genuchten模型(VG模型)應(yīng)用最廣[6-10]。

第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤在我國(guó)南方紅壤區(qū)分布很廣，是當(dāng)?shù)亟?jīng)果林和糧食生產(chǎn)的重要土壤資源。該區(qū)季節(jié)性干旱頻發(fā)[11,12]，嚴(yán)重阻礙了農(nóng)林生產(chǎn)。袁東海和陳明亮發(fā)現(xiàn)，第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅壤持水性較強(qiáng)[13]。姚賢良進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，黏質(zhì)紅壤的貯水庫(kù)容特別是貯有效水的庫(kù)容較低，因此土壤的有效水含量有限，這是導(dǎo)致紅壤地區(qū)伏旱秋旱的重要因素之一[14,15]。呂殿青等人研究得出，南方黏質(zhì)紅壤持水能力要高于北方塿土，但有效水范圍卻低于塿土[16]。胡傳旺等人發(fā)現(xiàn)，紅壤在非飽和狀態(tài)下能夠迅速吸收水分，有較高的持水性，但土體中能夠被植被利用吸收的水分較少[17]。前人對(duì)黏質(zhì)紅壤的持水性、貯水庫(kù)容、有效水等方面做了不少研究[18,19]， 但同時(shí)研究黏質(zhì)紅壤的貯水庫(kù)容(由不同孔隙構(gòu)成)、持水能力和供水能力(釋水特征)的甚少。而且土壤的水力性質(zhì)常常因土壤剖面層次和植被覆蓋等條件的不同而表現(xiàn)出較大的差異，進(jìn)而影響土壤的水力狀況，國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究相對(duì)較少[20,21]，在黏質(zhì)紅壤地區(qū)更是缺乏此類的綜合性研究。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于綜合研究了黏質(zhì)紅壤不同植被下的貯水庫(kù)容、持水能力和供水能力，并探討不同植被下、不同深度的土壤水力性質(zhì)差異。

本文結(jié)合VG模型，分析黏質(zhì)紅壤不同植被地塊不同深度的土壤水分特征曲線、比水容量曲線及土壤的各種孔隙度，研究黏質(zhì)紅壤的持水能力、釋水特性、孔隙特征及其相互聯(lián)系，尤其是不同地塊、不同深度之間的土壤水力性質(zhì)差異，對(duì)進(jìn)一步研究此類土壤的水分動(dòng)態(tài)分布及農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)中土壤水分利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 土樣采集和測(cè)試

供試土壤是由第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤，樣品采自湖北咸寧賀勝橋鎮(zhèn)的一個(gè)典型紅壤坡地(30°00′51″N,114°23′ 11″E)。坡地面積、坡長(zhǎng)和坡度分別為5 339 m2、119 m和4°。坡地上分布著當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的幾種植被類型，每種植被都有獨(dú)立的地塊，地塊是以小路和田埂為邊界，沿等高線方向延伸，順坡向方向排列。從坡上至坡下植被類型依次是杉樹(shù)(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)(包括10、7、5 a 3種樹(shù)齡)、茶樹(shù)(Camellia sinensis)(4 a樹(shù)齡)、紅葉石楠(Photiniaxfraseri)(7 a樹(shù)齡)、無(wú)患子(Sapindus)(5 a樹(shù)齡)、油菜(Brassica campestris L.)(種植期是每年的9月中旬至次年的5月中旬)和桂花樹(shù)(Osmanthus fragrans)(5 a樹(shù)齡)。

我們?cè)诿總€(gè)地塊中心位置的20、40、60、90 cm深度采集土樣，每個(gè)深度重復(fù)3次。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室之后，分別用重鉻酸鉀容量法、吸管法、環(huán)刀法、離心機(jī)法測(cè)試有機(jī)質(zhì)、機(jī)械組成、干容重和水分特征曲線。用離心機(jī)法測(cè)土壤水分特征曲線的儀器是日立公司的CR21GⅢ型高速冷凍離心機(jī)(本文不考慮儀器實(shí)驗(yàn)誤差和精度對(duì)研究結(jié)果的影響)。先將環(huán)刀土樣用水飽和24 h，然后依次在5、10、20、30、50、100、500、1 000、1 500 kPa土壤水吸力下進(jìn)行離心脫水和稱重，脫水全部結(jié)束后將環(huán)刀土樣放入105～110℃的烘箱中烘干10～12 h至恒重、稱取重量，最后計(jì)算不同土壤水吸力下的土壤體積含水量。

測(cè)試結(jié)果顯示(圖1)，土壤的黏粒、粉粒、砂粒的平均含量分別為39.1%、55.5%、5.4%，土壤質(zhì)地類型按照美國(guó)農(nóng)部制分類方法確定為粉黏土和粉黏壤。土壤有機(jī)質(zhì)含量為5.1～24.6 g/kg3，干容重是1.4～1.6 g/cm3。

圖1 土壤理化性質(zhì)Fig.1 Soil physical and chemical properties

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

基于實(shí)測(cè)的土壤機(jī)械組成、干容重和水分特征曲線數(shù)據(jù)，用RETC6.02中的VG模型計(jì)算土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)(VG模型輸出參數(shù))，進(jìn)而得到土壤含水量隨土壤水吸力的變化曲線[9]。

土壤水分特征曲線VG模型：

(1)

由公式(1)得到土壤比水容量計(jì)算公式：

(2)

式中：θ為土壤體積含水量，cm3/cm3；θr為土壤殘余含水量，cm3/cm3；θs為土壤飽和含水量，cm3/cm3；α為土壤進(jìn)氣值hα的倒數(shù)，cm-1；h為土壤水吸力，cmH2O，1 cmH2O≈0.098 kPa；n和m為控制土壤水分特征曲線形狀的參數(shù)，其中m=1-1/n[22-24]；C(h)為土壤比水容量，cm3/(cm3·kPa)。

關(guān)于土壤殘余含水量，Van Genuchten[9](1980年)將其定義為土壤水吸力為1 500 kPa時(shí)的含水量，后來(lái)Van Genuchten等[25]人(1991年)又把它定義為土壤水分特征曲線斜率和滲透系數(shù)隨土壤水吸力增大開(kāi)始趨于0時(shí)候的含水量。RETC 6.02 的VG模型是采用上述第二種方法定義土壤殘余含水量，在計(jì)算過(guò)程中如果殘余含水量小于0.001時(shí)，相應(yīng)的擬合參數(shù)將自動(dòng)變成0[26]。本文考慮到1 500 kPa是大部分吸力測(cè)試儀測(cè)土壤水吸力的極限，也是萎蔫點(diǎn)，而且農(nóng)業(yè)應(yīng)用中一般只需模擬萎蔫點(diǎn)以上的土壤水分特征曲線，所以在具體分析時(shí)采用擬合曲線中土壤水吸力1 500 kPa對(duì)應(yīng)的土壤體積含水量作為土壤殘余含水量。

土壤不同孔徑的孔隙度可以通過(guò)水分特征曲線不同土壤水吸力范圍內(nèi)的含水量計(jì)算獲得，通氣孔隙度、速效孔隙度、遲效孔隙度、無(wú)效孔隙度分別對(duì)應(yīng)于<33、33 ～500、500～1 500及>1 500 kPa的土壤水吸力的土壤體積含水量[27]。土壤總孔隙度是根據(jù)干容重與比重的公式計(jì)算得到，即總孔隙度(%)=(1-干容重/2.65)×100。

2 結(jié)果與分析

2.1 VG模型輸出參數(shù)

用VG模型擬合每個(gè)地塊不同深度的土壤水分特征曲線，決定系數(shù)R2在0.981 4～0.999 4之間，說(shuō)明擬合效果很好。如表1所示，不同地塊不同層次的θr、θs差異較大。大杉樹(shù)、中杉樹(shù)、小杉樹(shù)、茶樹(shù)、紅葉石楠、無(wú)患子、油菜、桂花樹(shù)8個(gè)地塊的θr值分別在0.252 3～0.278 1、0.154 4～0.260 9、0.220 8～0.263 8、0.287 1～0.307 2、0.190 7～0.278 6、0.193 7～0.305 4、0.196 7～0.270 7、0.184 8～0.206 7 cm3/cm3范圍內(nèi)，總體上，中杉樹(shù)、紅葉石楠、桂花樹(shù)地塊的θr較小，大杉樹(shù)、小杉樹(shù)、茶樹(shù)地塊的θr較大，土層之間差異較大的是中杉樹(shù)、紅葉石楠、無(wú)患子、油菜地塊。大杉樹(shù)、中杉樹(shù)、小杉樹(shù)、茶樹(shù)、紅葉石楠、無(wú)患子、油菜、桂花樹(shù)8個(gè)地塊的θs分別在0.420 3～0.428 6、0.366 1～0.420 6、0.388 4～0.434 3、0.415 5～0.433 2、0.361 3～0.426 4、0.387 3～0.466 4、0.377 2～0.426 8、0.371 3～0.410 4 cm3/cm3范圍內(nèi)，總體上，中杉樹(shù)、紅葉石楠、桂花樹(shù)地塊的θs較小，大杉樹(shù)、茶樹(shù)、無(wú)患子地塊的θs較大，土層之間差異較大是中杉樹(shù)、紅葉石楠、無(wú)患子地塊。α在0.000 2～0.003 7 cm-1之間，n值的范圍在1.111 4～1.298 0之間。n值越大則土壤水分特征曲線越陡，土壤含水量隨土壤水吸力增加變化越快，反之越慢。相對(duì)而言，桂花樹(shù)地塊的n值最大，其次是無(wú)患子地塊，這兩個(gè)地塊不同層次的n值都達(dá)到了1.210 0以上，說(shuō)明它們的土壤水吸力發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的土壤含水量的變化也會(huì)更大一些。

表1 不同地塊的VG模型輸出參數(shù)Tab.1 Output parameters of the VG model for different plots

2.2 土壤的持水特性

土壤水分特征曲線的形狀特征反映了土壤的持水特性?？傮w上，不同地塊的土壤水分特征曲線的形狀相似(圖2)。在土壤水吸力低于500 kPa時(shí)，水分特征曲線的形狀最陡，說(shuō)明低吸力段的土壤持水能力隨土壤水吸力增大而下降的速度最快；而當(dāng)土壤水吸力高于500 kPa時(shí)，水分特征曲線變化趨于平緩，表明土壤水吸力增大沒(méi)有引起土壤持水能力較大變化。不同地塊當(dāng)中，大杉樹(shù)、小杉樹(shù)、茶樹(shù)3個(gè)地塊的水分特征曲線都在0.220 8 cm3/cm3以上的土壤含水量范圍內(nèi)，因此持水能力整體更好。在大杉樹(shù)、茶樹(shù)和桂花樹(shù)3個(gè)地塊，不同深度之間的水分特征曲線偏移很小(說(shuō)明持水能力差異很小)，而其他4種地塊的水分特征曲線各自在不同深度上都有較大的偏移(表明持水能力差異較大)。其中，中杉樹(shù)、紅葉石楠、無(wú)患子地塊各深度的持水能力表現(xiàn)為60和90 cm>40和20 cm，油菜地塊各深度的持水能力表現(xiàn)為90 cm>60 cm>40 cm>20 cm。土壤持水量隨土壤水吸力增加而降低，這一過(guò)程與土壤的釋水特性密切相關(guān)。

圖2 不同地塊的水分特征曲線Fig.2 Water characteristic curves of different plots

2.3 土壤的釋水特性

土壤的釋水特性可以通過(guò)土壤比水容量曲線特征來(lái)反映。后者是指單位土壤水吸力變化所引起的土壤含水量變化，與土壤水分特征曲線擬合方程的斜率對(duì)應(yīng)，其值越大表明釋水能力越大，即土壤供水能力越大[12-13]。如圖3所示，大杉樹(shù)、中杉樹(shù)、小杉樹(shù)、紅葉石楠四個(gè)地塊在0～33 kPa的土壤水吸力段內(nèi)，比水容量都隨土壤水吸力增加而迅速增加，最大能達(dá)到1.37×10-4cm3/(cm3·kPa)，在這個(gè)吸力段內(nèi)釋出的水是重力水；當(dāng)土壤水吸力從33 kPa 增大到500 kPa時(shí)，比水容量迅速下降，即土壤的速效水迅速釋出；而當(dāng)土壤水吸力>500 kPa時(shí)，比水容量隨土壤水吸力變化而變化的幅度則非常小，說(shuō)明該階段土壤孔隙中的水分主要是遲效水緩慢釋出。不同深度土壤比水容量差異較大的地塊是小杉樹(shù)、大杉樹(shù)、桂花樹(shù)、紅葉石楠地塊，其次是無(wú)患子、油菜、中杉樹(shù)、茶樹(shù)地塊。以上說(shuō)明，黏質(zhì)紅壤的釋水過(guò)程主要出現(xiàn)在低吸力范圍內(nèi)，且部分地塊不同深度之間的比水容量有較大的差異。

圖3 不同地塊的土壤比水容量曲線Fig.3 Soil specific water capacity curve of different plots

2.4 土壤的孔隙特性

土壤中的水分均存儲(chǔ)在孔隙當(dāng)中，因此土壤孔隙的類型及數(shù)量對(duì)土壤的水分狀況影響很大[28]。如圖4所示，黏質(zhì)紅壤的總孔隙度在40.4%～47.0%范圍內(nèi)，其中毛管孔隙度(速效孔隙度、遲效孔隙度及無(wú)效孔隙度之和)雖然高達(dá)39.2%，但是有效孔隙度(速效孔隙度和遲效孔隙度之和)僅為15.0%左右，因此土壤水分有效性整體較差。毛管孔隙度平均值從大到小的順序依次是茶樹(shù)地塊>大杉樹(shù)地塊>無(wú)患子地塊>小杉樹(shù)地塊>油菜地塊>桂花樹(shù)地塊>中杉樹(shù)地塊>紅葉石楠地塊，表明茶樹(shù)和大杉樹(shù)地塊的持水能力最強(qiáng)，而紅葉石楠、中杉樹(shù)地塊的持水能力相對(duì)最弱。有效孔隙度平均值從大到小的順序依次是桂花樹(shù)地塊>油菜地塊>中杉樹(shù)地塊和無(wú)患子地塊>大杉樹(shù)地塊>小杉樹(shù)地塊>紅葉石楠地塊>茶樹(shù)地塊，表明桂花樹(shù)地塊有效水的含量最高，而茶樹(shù)地塊有效水的含量最低。通氣孔隙度顯示，中杉樹(shù)和紅葉石楠地塊的排水能力最好，而茶樹(shù)地塊的排水能力最差。整體上，通氣孔隙度表現(xiàn)為20和40 cm>60和90 cm，所以表層土壤相較于深層土壤有更好的排水能力；而毛管孔隙度較大值主要出現(xiàn)在60和90 cm深度，這和土壤水分特征曲線是一致的，即深層土壤的毛管孔隙度較大，相應(yīng)的持水能力也較強(qiáng)。

圖4 不同地塊不同深度的土壤孔隙度分布Fig.4 Distribution of soil porosities at different depths in different plots

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)紅壤坡地的水分特征曲線、比水容量曲線以及不同孔隙性質(zhì)的研究，得到以下結(jié)果：①VG模型擬合黏質(zhì)紅壤水分特征曲線的效果較好，決定系數(shù)R2在0.981 4～0.999 4之間，因此該模型可以用于黏質(zhì)土壤水分特征曲線的研究；②黏質(zhì)紅壤持水能力的變化主要出現(xiàn)在低于500 kPa的土壤水吸力范圍內(nèi)，由土壤水吸力增加而引起的土壤釋水過(guò)程也主要出現(xiàn)在低吸力范圍內(nèi)(0～500 kPa)，其中0～33、33～500 kPa土壤水吸力段內(nèi)釋出的水分分別是重力水和速效水。試驗(yàn)坡地黏質(zhì)紅壤的總孔隙度是40.4%～47.0%，其中毛管孔隙度約為39.2%，而有效孔隙度僅為15.0%左右，因此土壤水分有效性整體較差。在后續(xù)的研究中，可以針對(duì)黏質(zhì)紅壤水分有效性的利用進(jìn)行深入研究，提出合理的措施來(lái)提高紅壤的水分有效性；③茶樹(shù)、大杉樹(shù)和小杉樹(shù)3個(gè)地塊的持水能力最好，大多數(shù)地塊的表層土壤比深層土壤有更好的排水能力，但深層土壤的持水能力高于表層土壤。以上說(shuō)明紅壤坡地的持水能力、釋水特性及水分有效性會(huì)因?yàn)橹脖活愋?、土層深度等不同而表現(xiàn)出較大差異，因此在分析紅壤坡地水分動(dòng)態(tài)分布規(guī)律時(shí)要考慮這些情況。