Kostiakov模型在遼西低山丘陵區土壤水分中的應用

王家智

（遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043）

水土保持

Kostiakov模型在遼西低山丘陵區土壤水分中的應用

王家智

（遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043）

土壤是林木生長、生存的關鍵，其在森林水分循環中起著至關重要的作用，森林土壤由于受到凋落物等特殊植物群的影響，具有獨特的水文特征，而土壤蓄水性能、抗侵蝕能力及滲透性等，是影響土壤水分的關鍵要素。

土壤；水分；滲透性；持水量

1 概述

遼西低山丘陵區位于遼寧省西部，地形起伏，多為山丘陵，年平均降雨量400mm，年蒸發量1700mm，屬于半干旱季風氣候。近年以來營造了大面積人工林，目前森林覆蓋率已超過30%，形成了以人工林75.8萬hm2為主，天然次生林12.9萬hm2為輔的森林景觀，樹種以油松、楊樹、刺槐為主。

2 土壤持水能力

從水土保持角度看，土壤非毛管孔隙度的大小反映了森林植被滯留水分發揮涵養水源和削減洪水的能力，而土壤毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于維持自身生長發育的能力，如表1。

表1 不同林地土壤持水能力

由表1可以看出，不同林地土壤毛管持水量在86.8～192.3mm之間。以華北落葉松純林地土壤的持水能力最強，為192.3mm；而農耕地的持水性最弱，為86.8mm，所有林地的持水能力均高于農耕地，由此可知，不同植被為了保證根系吸收好冠層蒸發所需水分而具有較高的持水性能。不同林地土壤自然含水率在5.96%～31.63%之間，以華北落葉松林地最高，楊樹純林地最低，其中沙棘純林地低于農耕地；飽和含水率在16.26%～55.08%之間，以荊條純林最高，只有楊樹純林低于農耕地，為16.27%，其他林地為農耕地的1.07～3.34倍，毛管持水率在15.76%～51.50%之間，以荊條純林地最高，只有楊樹林低于農耕地，為15.76%，其他林地為農耕地的1.05～3.18倍。

分析表明，土壤毛管持水率與自然含水率呈顯著線性正相關，相應的回歸方程：y=1.083x+7.642（R=0，537，n=11）；土壤飽和含水率與自然含水率呈顯著線性正相關，相應的回歸方程：y=1.135x+7.590（R=0，510，n=11），說明土壤自然含水率的大小與總孔隙度和毛管孔隙度密切相關。

3 土壤入滲特性

土壤的入滲特性直接影響水分在土壤中的運動狀況，而土壤表層的滲透速率更多地反映和決定著土壤的下滲能力，也是能否產生地表徑流的決定性條件。利用室內換刀法測定了10種林地土壤的滲透性和農耕地土壤滲透性，共得到10組有效數據，農耕地由于大孔隙的存在而產生了優先流，土壤水分運動不符合達西定律，故缺失該數據，不同林地土壤入滲特性如表2。

表2 不同林地土壤入滲特性

由表2可知，不同林地土壤初滲率介于0.25～26.32mm/min之間，以樟子松封禁純林地最大，華北落葉松純林地穩滲率最小，前者是后者近105倍，不同林地波動很大。土壤穩滲率是評價土壤涵養作用和抗侵蝕性能的重要指標。不同林地土壤穩滲率介于0.05～6.84mm/min之間，以樟子松封禁純林地最大，華北落葉松純林地穩滲率最小，前者是后者近137倍。不同林地初滲率與穩滲率大小順序一致，具體為樟子松封禁純林地＞荊條純林＞沙棘純林＞樟子松菊芋混交＞山杏荊條混交林＞楊樹純林＞棗樹林＞油松荊條混交林＞華北落葉松純林。

一般來說，土壤結構性越好則滲透性越好，其中土壤的孔隙狀況與突然的滲透性密切相關，特別是非毛管孔隙的數量。研究表明，非毛管孔隙度對土壤初滲率、穩滲率有重要影響，兩者間分別呈顯著線性相關，與容重、總孔隙度、毛管孔隙度相關性不顯著，這可能與土壤特性的空間變異有關。

4 土壤入滲模型

入滲是指降水或灌溉水由地表進入土壤的過程，屬土壤水運動的一部分，并與地表產流、降雨后土壤水分再分配、農田水分最優調控、土壤侵蝕、養分隨水分的遷移、農業面源污染等問題密切相關。因此，研究不同林地土壤入滲速率隨時間的變化具有重要意義。不同林地土壤的入滲率開始都較大，隨著時間的推移，入滲速率逐漸減慢，當達到一定時間時趨于一定值。不同林地土壤達到穩滲所需時間不同。華北落葉松純林地和油松荊條混交林地土壤40min已達到穩滲，樟子松菊芋混交林地、沙棘純林地和楊樹純林地土壤達到穩滲的時間較快，分別為45，45，50min，而荊條純林、山杏荊條混交林和梨樹林地土壤達到穩滲的時間較長，分別為92，80，100min。

土壤入滲模型能夠表示入滲速率隨時間變化規律，從而對土壤入滲過程作出定性或定量的評價。Kostiakov提出了土壤入滲速率隨時間變化的經驗模型：

式中 f（t）為入滲速率；t為入滲時間；a，b為由實驗資料擬合的參數。

利用Kostiakov模型擬合了遼西低山丘陵區不同林地土壤水分入滲速率與時間變化的過程，并得到了相應的模型參數，如表3。

表3 不用林地土壤的入滲回歸方程

5 結語

（1）林地土壤容重、總孔隙度都以荊條純林地最小，結構性最好，楊樹純林地最大，結構性最差。

（2）不同林地0～40cm土層厚度蓄水容量在140.4～265.7mm之間，以生長茂密的荊條純林蓄水容量最大，而受到外界干擾強烈的楊樹純林地蓄水容量最小，為140.4mm，不同林地有效蓄容大小順序為農耕地＞樟子松封禁純林＞荊條純林＞沙棘純林＞樟子松菊芋混交＞山杏荊條混交林＞楊樹純林＞棗樹林＞梨樹林＞油松荊條混交林＞華北落葉松純林。

（3）不同林地土壤毛管持水量大小在86.8～192.3mm之間，以華北落葉松純林地土壤的持水能力最強，為192.3mm；而農耕地的持水性最差，為86.8mm，所有林地的持水能力均高于農耕地，不同林地土壤自然含水率的大小與總孔隙度和毛管孔隙度間呈顯著線性正相關。

［1］王志強，劉寶元，張巖.不同植被類型對厚層黃土剖面水分含量的影響［J］.地理學報，2008（7）.

［2］曹揚，趙忠，渠美，等.刺槐根系對深層土壤水分的影響［J］.應用生態學報，2006（5）.

［3］程積民，萬惠娥，王靜，等.半干旱區檸條生長與土壤水分消耗過程研究［J］.林業科學，2005（2）.

［4］李元壽，王根緒，丁永建，等.青藏高原高寒草甸區土壤水分的空間異質性［J］.水科學進展，2008（1）.

［5］張北贏，徐學選，李貴玉，等.土壤水分基礎理論及其應用研究進展［J］.中國水土保持科學，2007（2）.

Application of Kostiakov model in the soil moisture of hilly area in Western Liaoning

WANG Jia-zhi
（Shenyang Hydrology Bureau,Liaoning,Shenyang 110043,China）

Soil is the key to the growth and survival of trees.It plays an important role in forest water cycle.Because of the influence of some special plants such as litter， it has some unique characteristics， such as soil water storage， resistance to erosion and infiltration.

soil； water； permeability； water holding capacity

S275

B

1672-9900（2015）06-0035-03

2015-10-10

王家智（1974-），男（漢族），遼寧沈陽人，工程師，主要從事水文水資源評價及論證研究，（Tel）13940249301。