北京西山側柏林和刺槐林土壤水分研究

李 嬌，牛健植

（北京林業大學 水土保持學院／水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083）

土壤水分特征曲線是研究土壤水分運移的重要參數，反映了土壤含水量與土壤基質勢之間的關系［1］。近些年來，人們提出了許多能夠較好描述土壤水分特征曲線的模型，如 Gardner-Visser模型［2］、Brooks-Corey 模 型［3］、Van-Genuchten 模 型［4］、campbell模型［5］等。其中，Van-Genuchten模型因為適用土壤質地范圍廣而得到了廣泛的應用。在北京西山地區，Gardner冪模型對土壤水分特征曲線擬合精度也較高，與實測數據擬合效果好，能夠較好表征土壤 水 分 特 征 曲 線 的 規 律［1，6－7］，其 表 達 成 為：θ＝AS－B，其中，θ為土壤體積含水量，S為土壤吸力，A、B為參數。A決定曲線高低，代表土壤持水能力的大小。B決定曲線的走向，代表含水量隨土壤水勢降低而減慢的速度快慢。

土壤水分有效性是指從田間持水量到永久凋萎點之間的土壤水分對植物有效性的程度［8］。目前，關于土壤水分有效性分析方法有以下幾種：（1）利用土壤田間持水量、凋萎系數等田間水分常數來描述林木根系吸水的難易程度［9］。（2）通過獲得土壤水分特征曲線，根據曲線斜率突變定性大致確定植物利用土壤水分難易程度的分界點［1］。（3）通過研究土壤水分和對應樹種生理參數的定量關系，利用水分生理學原理得出以林木光合作用和水分利用效率為標準的林地土壤水分有效性分級標準［10］。本文通過第二種方法確定土壤水分有效性的土壤吸力臨界點。

目前，國內關于不同植被類型土壤水分狀況研究較多，尤其是在裸地或棄耕地在天然植被恢復過程中草本、灌木、喬木對于土壤物理化學性質的改良作用［11－15］。而對不同樹種的近成熟人工林對土壤性質的改良研究較少。本文以土壤水動力學為基礎，借助數學模型，以北京西山刺槐林和側柏林為例，分析其林下土壤的持水性、供水性及有效性，以此了解北京西山土壤特性，以及不同類型樹種對土壤性質的改良作用。為適宜的土壤和降水條件下造林樹種的選擇以及植物生長過程中水分的調控提供理論依據［16］。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

實驗地在北京市海淀區西山鷲峰林場，地理位置為東經116°28′，北緯39°34′，實驗地的平均坡度為15°～35°，水土流失情況較為嚴重。該區屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年均溫11.8℃，年降水量700mm，降水集中在7—8月，占全年降水量的70%。現存植被主要是20世紀50—60年代建造的人工林，主要樹種有栓皮櫟（Quercus variabilis）、刺槐（R.pseudoacacia L）、刺柏（P.orientalis Linn.Franco）、油松（Pinus tabuliformis）等。土壤母質為凝灰巖、砂巖、石灰巖和礫巖風化的殘積、坡積物。試驗地土壤容重為1.06～1.83g／cm3，土壤的總孔隙度為42%～61%。土壤質地較粗，大孔隙較多、毛管力微弱［1］。

1.2 研究方法

在林齡相同的刺槐林和側柏林下各選一塊樣地，樣地海拔相同，均為半陽坡。在每個樣地中隨機挖取一個剖面，分0—20，20—40cm兩層進行采樣。每次采樣重復兩次。通過離心實驗測定土壤水分特征曲線。實驗中所用儀器為落地式—高速冷凍離心機H-1400pF，實驗用環刀為離心機配套的環刀，其內直徑和高度均為5cm。

1.2.1 土壤水分特征曲線的測定 將采集的原狀土樣帶回實驗室，稱重后將其放入清水中浸泡48h，使其達到飽和狀態，取出每次稱重。然后放入離心機內，從小到大依次設定10個不同的轉速對土壤進行離心脫濕處理。10個轉速分別為500，1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，4 000，5 000，6 000，7 000rpm。每次離心完成后進行稱重，由此可得到在不同土壤吸力（由相應轉速換算可得）條件下土壤的體積含水率，進而得到土壤水分特征曲線。

1.2.2 土壤比水容量計算 比水容量C是含水量對基質勢的導數，即：

式中：θ——土壤體積含水量；S——土壤水吸力，S＝－Ψm。根據得出的土壤含水量與土壤吸力之間的冪關系，求導得到比水容量Cθ＝ABS－（B＋1）。

1.2.3 數據處理 數據前期用Excel 2007進行處理。后期通過Origin 8.5專業繪圖軟件得到相應的回歸方程。將模擬冪函數求導得到比水容量計算式再帶入Origin軟件計算。

2 結果與分析

2.1 土壤水分特征曲線分析

土壤的水勢和含水量有著密切的關系。在一定的環境條件下，土壤一定的含水量反映一定的能量狀態，或者在一定能量狀態下能保持一定的水量。

圖1中，4條曲線的形狀大致相同：在吸力＜0.1 MPa范圍內，隨著吸力的增大，土壤水分含量急劇下降。在此階段，植物吸水耗能少；在0.1MPa之后再增大吸力，土壤水分減少的速率明顯減慢且逐漸趨于平緩。說明土壤在吸力＞0.1MPa之后，水分釋放困難，即植物吸收與之前相同的水量，但消耗的能量卻要多得多。所以，土壤水分有效度較低。土壤的易效水能夠放出較多水量，但范圍窄；難效水吸力范圍內只能放出少量水，植物難以利用。因此植物利用土壤水較困難，水分運動速度和有效度降低。在低吸力范圍內，土壤所能保持或釋放出的水量取決于較粗的孔隙分布。曲線在吸力＜0.1MPa范圍內水分迅速減少，說明實驗地土壤中顆粒間孔隙較粗，土壤質地為砂土或砂壤土。

圖1 實驗地土壤水分特征曲線

由表1可見，試驗地土壤含水量與土壤水吸力的曲線擬合相關系數R2都大于0.9，說明Gardner和Visser提出的經驗方程θ＝AS–B對該地區土壤水分特征曲線的模擬效果很好。方程中參數A決定了曲線的高低，即持水能力大小，A值越大，持水能力越強；參數B決定曲線的走向，即土壤含水量隨土壤水勢降低而遞減的速度。擬合結果顯示，側柏林下A值分別大于相應層次的刺槐林。另外，在刺槐林下，上層土壤A值大于下層，而在側柏林下，上層土壤A值小于下層。說明目前側柏林下土壤總體持水性要優于刺槐林，即側柏林對土壤持水能力的改善效果要好于刺槐林。但是刺槐林和側柏林對土壤上層和下層的改良效果不一致。

表1 試驗地土壤含水量與土壤水吸力關系

2.2 土壤的供水性質比較

土壤的供水性是指在一定條件下土壤對植物生理需水的供給能力，常以有效水和有效度衡量。土壤水分特征曲線的斜率dθ／dS成為比水容量，表示單位土水勢（或吸力）變化時單位質量土壤可釋放出或可吸入的水量。它能說明土壤水分的有效性和供水容量的大小。在曲線上，同樣的含水量差值對應的土壤水勢差值卻不相同。這就造成了植物在吸收一定水量時需要消耗的能量不同。因此，比水容量是說明土壤水分有效程度的一個重要參數。

表2 試驗地土壤的比水容量

比水容量即Cθ＝ABS－（B＋1），其中，AB 值越大，表明土壤的供水性或耐旱性越好。從表2可知，刺槐林和側柏林AB值略有差異。刺槐林兩個土層深度的土壤AB值都大于側柏林，同一林種下表層土壤AB值大于底層。由此可見，刺槐林的供水性能較側柏好，即植物分別在刺槐林下和側柏林下土壤吸收一定量的水分，前者耗能較少，后者較多。在干旱脅迫的環境條件下，與側柏林下相比，植物在刺槐林下更容易存活。同時，兩樹種林帶下，都是表層土壤持水性相對好。分析其原因可能是表層土壤中有機質較多，相對于土壤顆粒，有機質的持水性更好，并在植物需要時將水分釋放，易于供給植物。根據比水容量定義可知，當比水容量達到10－2數量級時，植物所能吸收的水量就顯著減少，水分運動和有效度也顯著降低，此時植物利用水分困難，植物正常生長受到影響。同時，在表2中，側柏林比水容量在0.3MPa時達到10－2數量級，刺槐在0.3MPa時比水容量為0.1，接近10－2，按照比水容量變化趨勢可以認為其臨界點也是0.3MPa。所以，易效水和難效水吸力界點為0.3MPa。

3 結論與建議

（1）北京鷲峰地區土壤水分和水吸力之間的冪關系顯著，Gardner冪模型θ＝AS–B具有很好的模擬效果，決定系數較高；同時發現Van-Genuchten模型的擬合效果也較好，但相關系數稍低。

（2）關于土壤持水性，總體來說西山土壤質地較粗，因此土壤的易效水范圍較窄，難效水吸力范圍相對寬。土壤含水量在較低范圍時，植物吸收利用困難。但是不同樹種間存在一定差異，側柏林下土壤總體持水性要優于刺槐林，側柏林對土壤持水能力的改善效果要好于刺槐林。且刺槐和側柏對土壤的改良在空間垂直方向上也有差異性。原因可能是刺槐和側柏有效根重密度在土壤中垂直分布不一致所致［17］。

（3）就供水性而言，刺槐和側柏林下土壤供水性能都是隨著土壤吸力的增加而呈遞減趨勢。刺槐林的供水性好于側柏林，這與李笑吟等［18］在晉西得出的土壤水分有效性研究中刺槐供水性質優于側柏相一致［18］；同時表層土供水性好于下層，但是在黃土區底層土供水性質要好于表層。這說明土壤質地對于土壤供水性具有決定性作用，而且植物對于其供水性質有一定的改良效果。本研究試驗地中，土壤易效水與難效水吸力界點都為0.3MPa左右。

本文通過土壤水分特征曲線，說明了在不同林種和土層深度下土壤持水性、供水性方面有差異也有共性。如果考慮土壤物理性質，其影響情況還需進一步探討。

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