河北壩上地區(qū)不同植被類型土壤持水性能研究①

柳金昊，信忠保*，沈晗悅，劉山寶，閆騰飛

河北壩上地區(qū)不同植被類型土壤持水性能研究①

柳金昊1，信忠保1*，沈晗悅1，劉山寶1，閆騰飛2

(1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2 河北省張家口市張北縣林業(yè)局，河北張北 076450)

以河北壩上地區(qū)不同植被類型土壤為研究對象，使用離心機(jī)法測定不同土層深度不同吸力下的土壤含水率，利用Van Genuchten模型擬合土壤水分特征曲線，分析土壤水文特征。研究表明：①研究區(qū)土壤為砂土，土壤容重為1.59 g/cm3，土壤水分特征曲線呈現(xiàn)“迅速下降–緩慢下降–穩(wěn)定”的形態(tài)，不同植被類型土壤水分特征曲線相似；②農(nóng)地的持釋水能力最強(qiáng)，楊樹樣地的持水能力最差，檸條樣地的釋水能力最差，研究區(qū)內(nèi)非農(nóng)地的土壤凋萎系數(shù)平均為8.69%，隨著土層深度的增加，土壤的持水能力、釋水能力和凋萎系數(shù)都逐漸減小(0.05)。③壩上地區(qū)應(yīng)逐步減少高耗水喬木，建立起可持續(xù)發(fā)展的喬灌草防護(hù)體系。本研究可以為確定張北地區(qū)土壤凋萎系數(shù)和土壤干層，并合理選擇種植植被提供理論依據(jù)。

河北壩上；植被類型；土壤水分特征曲線；Van Genuchten模型；持水能力

自20世紀(jì)60年代以來，我國在河北西北部壩上地區(qū)先后營造了大量防護(hù)林，這些防護(hù)林在防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、保障京津冀生態(tài)安全等方面發(fā)揮重要作用[1]。近年來該地區(qū)防護(hù)林出現(xiàn)了明顯的衰退現(xiàn)象，林分防護(hù)功能顯著下降[2]。土壤水分是防護(hù)林生存的關(guān)鍵限制性因子，土壤缺水也是近年來防護(hù)林退化的重要原因。土壤水分特征曲線是表示土壤水吸力和土壤含水率之間關(guān)系的曲線，即表征土壤水的能量和數(shù)量之間的關(guān)系曲線[3]。土壤水分特征曲線是研究土壤中水分的運(yùn)移與滯留、土壤–植物體系的重要工具，是研究土壤水分過程的基礎(chǔ)性工具[4]。

國內(nèi)學(xué)者針對枯落物和土壤表層的水分效應(yīng)展開了很多研究[5-8]，但不同植被類型土壤水文特征研究還很少。防護(hù)林長期作用可以改變土壤的結(jié)構(gòu)，造成土壤水分動態(tài)的差異，而土壤水分動態(tài)的改變又會影響防護(hù)林的生長[9-10]。因此，在壩上地區(qū)研究不同植被利用類型下土壤水分特征曲線的差異，可為此區(qū)域探究土壤水分動態(tài)過程、機(jī)制和模型模擬提供關(guān)鍵參數(shù)，對防護(hù)林的營造和恢復(fù)具有重要意義。本試驗(yàn)利用土壤水分特征曲線的Van Genuchten 模型對河北壩上地區(qū)典型植被利用類型的土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，分析不同土壤利用類型土壤水分特征曲線的差異，探討壩上地區(qū)不同利用類型土壤的持水性能以及土壤水分的差異，為進(jìn)一步研究壩上地區(qū)防護(hù)林退化機(jī)制研究提供關(guān)鍵土壤水文參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

河北省西北部壩上張北縣位于內(nèi)蒙古高原南緣，地處農(nóng)牧交錯帶，海拔1 369 ～ 1 427 m，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年干燥少雨且降水多集中在夏季。多年平均氣溫3.2 ℃，最低氣溫–34.8 ℃，最高氣溫33.4 ℃。多年平均降水量392 mm。研究區(qū)內(nèi)自20世紀(jì)六七十年代就營造了大量防風(fēng)固沙、農(nóng)田防護(hù)用途的喬木和灌木。主要的喬木樹種有楊樹()、樟子松(L.)和榆樹(L.)，灌木主要有檸條()、丁香(L.)等。草本植物主要有羊草()、阿爾泰狗娃花()、黃花蒿()、冰草()、獨(dú)行菜()等。

試驗(yàn)選取楊樹、樟子松、檸條和草地4種典型植被類型，每種植被類型下選擇兩個樣地，并以農(nóng)田為對照(圖1)。使用離心機(jī)配套的環(huán)刀取樣，用來測量繪制土壤水分特征曲線。取樣深度為7.5、22.5、37.5和52.5 cm，對應(yīng)土壤層次為0 ～ 15、15 ～ 30、30 ～ 45和45 ～ 60 cm。在取樣深度用100 cm3環(huán)刀取土并用塑封袋取一袋擾動土，環(huán)刀土用來測容重，擾動土用于測土壤質(zhì)地。利用烘干法測定土壤容重。采用Mastersize 2000激光粒度儀對取回的擾動土粒徑組成進(jìn)行測定。

1.2 土壤水分特征曲線的測定

將離心機(jī)配套的環(huán)刀帶回實(shí)驗(yàn)室浸泡48 h，確保環(huán)刀內(nèi)樣達(dá)到飽和狀態(tài)。然后將環(huán)刀放到H-1400PF 土壤離心機(jī)的轉(zhuǎn)子中，設(shè)置轉(zhuǎn)速分別為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000 r/min，離心120 min。所有轉(zhuǎn)速離心結(jié)束后，將土樣放入烘箱中烘干至恒重稱重。采用Van Genuchten 模型對土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合[11]，公式為：

式中：為體積含水率(cm3/cm3)；r 為殘留含水率(cm3/cm3)；s為飽和含水率(cm3/cm3)；為土壤水吸力(Pa)；為土壤進(jìn)氣值的倒數(shù)；為與土壤水分特征曲線的形狀有關(guān)的參數(shù)，其中，= 1–1/。

1.3 比水容重

比水容重是土壤水分特征曲線的斜率，即單位水吸力變化引起含水量的變化值。比水容重是衡量土壤供水性能的重要指標(biāo)[12]。由Van Genuchten 模型可得，比水容重的公式為：

式中各指標(biāo)意義同公式(1)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 和SPSS 20.0 軟件用于數(shù)據(jù)處理分析，Origin 2017 用于繪制土壤水分特征曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤性質(zhì)

研究區(qū)不同植被類型下土壤均屬于砂土，主要由砂粒和粉粒組成，砂粒最多，占比80.84%，黏粒很少，最大占比僅為1.76%(表1)。從不同植被類型來看，農(nóng)地中的砂粒含量最少，在75% 左右，檸條、草地、楊樹樣地的砂粒含量依次增加，樟子松樣地的砂粒含量最多，最高達(dá)到92.04%，黏粒含量則正好相反。從不同土層來看，砂粒含量隨著土層深度的增加而不斷增加，黏粒含量隨土層深度增加而減少。研究區(qū)土壤容重較大，平均為1.59 g/cm3。隨著土層深度增加，土壤容重小幅上升。在所有土地利用類型中，農(nóng)地因農(nóng)業(yè)耕作土壤容重最低(1.41 g/cm3)，檸條樣地土壤板結(jié)較嚴(yán)重，土壤容重較大(1.67 g/cm3)。

表1 不同植被類型土壤粒徑組成

注：表中小寫字母不同表示同一植被類型不同土層深度之間差異顯著(<0.05)，大寫字母不同表示同一土層深度不同植被類型之間差異顯著(<0.05)，數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 土壤水分特征曲線

為了能更好地定量分析土壤水分特征曲線，利用Van Genuchten模型來擬合各植被類型0 ～ 15、15 ～ 30、30 ～ 45、45 ～ 60 cm土層的土壤水分特征曲線，得出Van Genuchten模型的各項(xiàng)參數(shù)(表2)。結(jié)果表明：所有的土壤水分特征曲線擬合效果均很好，2均在0.97以上。

從土壤水分特征曲線可以看出，不同土壤類型下土壤的水分特征曲線形態(tài)較為接近，隨著土壤水吸力的增加，各土層的土壤含水量均表現(xiàn)出先迅速下降，再緩慢下降，最后穩(wěn)定的變化過程。在含水量迅速變化階段，草地、楊樹樣地的土壤水分特征曲線較為陡峭，農(nóng)地的土壤水分特征曲線較為平緩。在穩(wěn)定階段不同土地利用類型土壤水分特征曲線的高低則反映土壤的持釋水能力。

2.3 土壤持水能力

土壤持水能力體現(xiàn)了土壤蓄積和保持水分的能力，是土壤水分動態(tài)過程的重要指標(biāo)之一[13]。土壤水分特征曲線在圖中的高低反映的是相同土壤水壓力時各土層的持水能力(圖2)。0 ～ 100 kPa 壓力時，不同植被類型的土壤水分特征曲線差別不大，都隨著壓力增大持水量迅速下降。100 kPa 壓力后，不同植被類型的土壤水分特征曲線逐漸分離且穩(wěn)定，不同植被覆蓋類型的水分特征曲線存在明顯差異。農(nóng)地的土壤水分特征曲線均高于其他植被類型，而楊樹土壤水分特征曲線均低于其他植被類型。檸條、樟子松、草地的土壤水分特征曲線的高低關(guān)系則隨土壤層次的變化產(chǎn)生變化。在相同水壓力下，農(nóng)地樣地土壤的持水能力最大，楊樹樣地土壤的持水能力最小，檸條、樟子松、草地土壤持水能力的相對大小與土壤深度有關(guān)。

從不同植被類型來看，隨著土壤深度增加，土壤持水能力呈下降趨勢(圖3)。0 ～ 15 cm 土層土壤在各吸力下的持水能力最大，45 ～ 60 cm 土層最低，15 ～ 45 cm 土層持水能力各植被類型間存在差別。檸條、草地、楊樹的不同土層的持水能力差異不大，農(nóng)地和樟子松不同土層的持水能力差異大。農(nóng)地因農(nóng)耕作業(yè)改善了表層土壤結(jié)構(gòu)，持水能力也發(fā)生了較大變化。研究區(qū)內(nèi)樟子松樣地表層15 cm 堆積了大量的枯枝落葉，使表層的土壤結(jié)構(gòu)得到改良，持水能力大大提高。

2.4 比水容重

不同植被類型的土壤比水容重隨著土壤水壓力增加而呈顯著下降趨勢，范圍為10–7～ 10–1(表 3)。隨著土層深度的增加，土壤的比水容重也逐漸減小。土壤水壓力達(dá)1 500 kPa 后，比水容重的數(shù)值已經(jīng)達(dá)到10–5以下，植物很難從土壤中吸收水分。

表2 土壤水分特征曲線Van Genuchten模型擬合參數(shù)

圖2 不同植被覆蓋類型的土壤水分特征曲線

圖3 不同土層深度的土壤水分特征曲線

表3 不同植被覆蓋類型的土壤比水容量

土壤比水容重能夠說明土壤水的有效性和釋水能力的強(qiáng)弱，是土壤的耐旱性指標(biāo)，也是反映土壤供給地表植被生長和發(fā)育所需水分的重要指標(biāo)[14]。100 kPa 時楊樹、農(nóng)地、樟子松和草地樣地的比水容重?cái)?shù)量級為10–3，檸條的比水容重?cái)?shù)量級為10–4。楊樹樣地和農(nóng)地樣地的釋水能力最好，其次是樟子松樣地和草地樣地，最差的是檸條樣地。隨著土層深度的增加，釋水能力也逐漸減小。0 ～ 15 cm 土層的土壤釋水能力最好，45 ～ 60 cm 土層的土壤釋水能力最差，中間土層的釋水能力大小與樣地類型有關(guān)。

2.5 凋萎系數(shù)

萎蔫系數(shù)為土壤有效水的下限，土壤含水量小于萎蔫系數(shù)時，植被難以從土壤中獲得水分，致使植被萎焉。通常把土壤水分特征曲線中1 500 kPa 壓力時對應(yīng)的含水量作為凋萎系數(shù)[15]。不同植被類型凋萎系數(shù)平均為10.56%(表4)。楊樹凋萎系數(shù)最低，只有4.74%，除農(nóng)地外，其他植被類型凋萎系數(shù)在10% 上下。整體來看，隨著土壤深度增加，凋萎系數(shù)呈下降趨勢(<0.05)。

表4 不同植被利用類型的凋萎系數(shù)

3 討論

3.1 土壤性質(zhì)對土壤水分特征曲線的影響

研究區(qū)不同植被類型下土壤均為砂土，砂粒含量高，土壤容重大。已有研究表明，土壤性質(zhì)對水分特征曲線形狀有顯著的影響[16]。一般情況下，容重越小，砂粒含量越高，土壤的大孔隙就越多，其比表面就越小，對水的吸持能力也就越弱[17]。當(dāng)水吸力比較小時，土壤主要利用大孔隙儲水排水。隨著水吸力的升高，水分可以比較容易地從土壤的大孔隙中排除，土壤水分快速下降，所以此時的土壤水分特征曲線比較陡直。隨著水吸力的增加，大孔隙的水逐漸被排空，只有很小孔隙可以保留水分，小孔隙保持水分的能力強(qiáng)，水分不易被排除。因此隨著水吸力的上升，土壤水分特征曲線趨于平緩[18]。研究區(qū)內(nèi)草地、楊樹樣地的土壤水分特征曲線較為陡峭的原因是因?yàn)樵摰貐^(qū)的土壤結(jié)構(gòu)松散，保持水分的能力極差，水分極容易排走，當(dāng)水吸力增加時，孔隙中的水分又會很快排空，土壤的含水量會急劇地下降使曲線變得陡直。而農(nóng)地的曲線形態(tài)較為平緩則反映了農(nóng)民追求經(jīng)濟(jì)利益對土壤的改良作用。

3.2 不同植被類型對土壤持水能力和釋水能力的影響

研究區(qū)砂土土質(zhì)通常顆粒較粗，加上壩上地區(qū)降水稀少、風(fēng)沙活動頻繁，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育不佳，導(dǎo)致其持水能力和釋水能力較差[19]。人工植被的長期作用可以改變土壤物理性質(zhì)，可以影響土壤的持水能力和釋水能力[20-21]。農(nóng)民為了獲得最大經(jīng)濟(jì)效益，逐步改良農(nóng)地的土壤結(jié)構(gòu)，使得農(nóng)地的持水能力和釋水能力都好于其他樣地[22]。楊樹對水分和養(yǎng)分的需求更大，土壤中的水分不能滿足楊樹的生長發(fā)育，養(yǎng)分的消耗也大于累積，使得土壤養(yǎng)分含量逐漸減少，土壤顆粒變粗，土壤結(jié)構(gòu)變差，土壤的大孔隙變得更多，更有利于排水而不利于持水，使得楊樹土壤的持水能力變差，釋水能力變得更強(qiáng)。

3.3 土壤持釋水能力的深度傳遞和土壤干層的確定

整體而言，隨著土層深度的增加，土壤的持水能力和釋水能力都逐漸減小。0 ～ 15 cm 土層，土壤因枯枝落葉和根系輸入而含有較為豐富的腐殖質(zhì)，黏粒含量高，土壤結(jié)構(gòu)較好，因此持水能力和釋水能力都比較好[23]；隨著土層深度的增加，砂粒的比例逐漸增加，容重增加，有機(jī)質(zhì)的含量減少，土壤結(jié)構(gòu)越來越差，持水能力和釋水能力都降低。

研究區(qū)凋萎系數(shù)的平均值為10.56%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.19%，考慮到農(nóng)地受人為影響比較大，假如排除農(nóng)地以后，研究區(qū)內(nèi)的凋萎系數(shù)的平均值為8.69%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.19%，除草地以外，隨著深度的增加，凋萎系數(shù)越來越小。通常把凋萎系數(shù)作為土壤干層評判的關(guān)鍵參數(shù)[24]。本研究采用離心機(jī)法取得不同植被各土層凋萎系數(shù)，可為下一步開展季節(jié)性干層對防護(hù)林脅迫提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)支持。

3.4 防護(hù)林的規(guī)劃調(diào)整和研究展望

壩上地區(qū)在進(jìn)行防護(hù)林建設(shè)時，由于經(jīng)驗(yàn)不足等原因，出現(xiàn)了種植密度大、管理不當(dāng)?shù)葐栴}[25]。同時張北壩上地區(qū)土壤質(zhì)地差、持釋水能力差，土壤中持有的水不能滿足過密防護(hù)林的生理需求是防護(hù)林衰退的重要原因之一[26]。也有研究當(dāng)種植喬木過密時，樹冠遮陰作用和喬木耗水影響地表植物和土壤微生物的生長發(fā)育，進(jìn)一步加劇土壤結(jié)構(gòu)的惡化[27]。因此，在壩上地區(qū)防護(hù)林營造時，應(yīng)減少楊樹等耗水量高的高大喬木樹種，增加需水量低灌木或者草本，構(gòu)建喬灌草立體防護(hù)生態(tài)體系，以達(dá)到防護(hù)林建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

同時在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，使用離心機(jī)法測定土壤水分特征曲線時會使被測土柱壓縮，破壞原狀土土壤結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生誤差。測定土壤水分特征曲線還有壓力膜法、張力計(jì)法等方法[28-29]。在本研究中，受試驗(yàn)條件和時間的限制，離心機(jī)法測得的結(jié)果沒有和其他測定方法測得的結(jié)果進(jìn)行比較。未來的研究中可以進(jìn)一步比較幾種方法的準(zhǔn)確性和差異性。同時在今后可以嘗試建立張北地區(qū)土壤質(zhì)地、容重、深度等和土壤水分特征曲線參數(shù)的傳遞關(guān)系，尋找一種更簡單的獲得深層土壤水分特征曲線的方法，尋找張北地區(qū)干層位置變化規(guī)律，為進(jìn)一步解釋防護(hù)林衰退提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)內(nèi)為砂土，容重為1.59 g/cm3，隨著土層深度的增加，砂粒含量增加，容重變大。不同土地利用類型的土壤水分特征曲線形態(tài)相似。

2)農(nóng)地的持水能力和釋水能力最強(qiáng)，楊樹樣地的持水能力最差，檸條樣地的釋水能力最差。非農(nóng)地的土壤凋萎系數(shù)平均為8.69%。隨著土壤深度的增加，不同植被類型下土壤持水能力、釋水能力以及凋萎系數(shù)都呈下降趨勢。

3)在張北地區(qū)應(yīng)逐步調(diào)整減少楊樹等耗水量高的高大喬木樹種，增加需水量低灌木或者草本，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的喬灌草立體防護(hù)生態(tài)體系。

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Water Holding Capacities Under Different Vegetation Types in Bashang Area of Hebei Province

LIU Jinhao1, XIN Zhongbao1*,SHEN Hanyue1,LIU Shanbao1,YAN Tengfei2

(1 College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2 Forestry Bureau of Zhangbei County, Zhangbei, Hebei 076450, China)

In this paper, different vegetation types in Bashang area were selected, soil moisture under different suction in different soil layers were measured by a high-speed centrifuge, and water characteristic curves fitted using Van Gennuchten model in order to analysis water retention characteristics.The results showed that soils in the study area are sandy with the bulk density of 1.59 g/cm3.Soil water characteristic curves were similar under different vegetation types, all in the shape of “rapid decline - slow decline - stability”.Farmland has the strongest water holding supply capacities.Water holding capacity was the lowest under Populus, and water supply capacity was the lowest under.Average soil wilting coefficient of non-farm land was 8.69%.As depth increased, soil water holding and supply capacities and wilting coefficient decreased.In Bashang area, high water consumption trees should be gradually reduced and sustainable system of trees, shrubs and grasses should be established.The above results can provide theoretical basis for determining soil wilting coefficient and soil dry layer and selecting vegetation reasonably in Zhangbei area.

Bashang; Vegetation types; Soil water retention curve; Van Gennuchten; Water holding capacity

S152.7

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.04.022

柳金昊, 信忠保, 沈晗悅, 等.河北壩上地區(qū)不同植被類型土壤持水性能研究.土壤, 2021, 53(4): 833–840.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2017ZY02)資助。

(xinzhongbao@126.com)

柳金昊(1998—)，男，山東淄博人，碩士研究生，主要從事水土保持研究。E-mail: hawkey_liu@126.com