黃土丘陵區小流域典型造林整地工程土壤水分特征曲線模擬

于 洋,衛 偉,陳利頂,馮天驕,4,楊 磊,陳 蝶,4

1 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京 100048 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 3 水利部水土保持生態工程技術研究中心,北京 100048 4 中國科學院大學,北京 100049

水分是影響干旱半干旱生態系統植被恢復和生態建設的主要因素。在黃土高原半干旱小流域,為了實現有限水資源的高效利用,工程措施廣泛應用于植被建設,工程措施的開展也被認為是流域減流減沙的主要手段[1- 3]。工程措施一方面通過改變徑流路徑,實現地表徑流就地攔蓄,另一方面,通過改變微地形減少土壤蒸發面積,有效保持土壤水分[4]。由于土壤中的水分并不能被植物全部利用,植被生長能夠直接利用的部分為有效水,當土壤基質勢高于植物體內基質勢時,水分從土壤進入植物體,反之水分保留于土壤中,植物無法利用。水分特征曲線是用于描述不同基質勢下土壤能夠保留水分含量的曲線。水土保持工程措施的主要功能就是充分利用有限的水分以維系植被生長,那么在利用工程措施進行植被恢復的背景下,工程措施是否能提高植被對有效水分的利用？采用配對樣地實驗的辦法,通過分析土壤水分特征曲線,對工程措施下植被有效水的體積質量與相同植被類型的自然坡面進行對比,是評價工程措施改良立地環境的有效途徑。

水分特征曲線能夠描述土壤水分能量和數量之間的關系,其可以用于研究土壤水分有效性和供水體積質量的大小,對研究土壤水的滯留與運移有重要作用。當前,描述土壤水分特征曲線的經驗公式較多,比如Brooks-Corey模型(1964)、Gardner模型(1970)、Campbell模型(1974)以及van Genuchten模型(1980)等[5-6];人們基于不同模型在諸多生態系統開展了土壤水動力學的相關研究,并通過對模型的參數進行求解來分析參數的空間變異性[7-12]。受土壤自身理化性質的變化以及外界因素的影響,土壤有效水分也會發生改變。在黃土高原,人們對不同土壤質地以及不同土地利用方式下的土壤水力學特性進行了報道,揭示了影響水分特性變異的主要因素[13-14]。工程措施改變了坡面原始下墊面結構,在改變徑流路徑的同時影響顆粒物的搬運和堆積,但圍繞工程措施與植被長時間耦合條件下的土壤水分特征曲線模擬以及工程措施如何提高土壤有效水分,相關研究較少。基于此,本研究通過實測水分特征曲線,并與經驗模型相結合進行水分特征曲線模擬,以探討不同水土保持工程措施對土壤有效水分的影響,并為評價工程措施在植被恢復過程中的保持水土功能提供依據。

1 研究區概況

研究區地處甘肅定西龍灘流域(104°27′—104°31′ E,35°43′—35°46′ N),流域面積16.1 km2,海拔1840—2260 m,多年平均降水量386.3 mm,屬于典型半干旱黃土丘陵區,降水量季節分配不均,春季降水較為稀少,主要集中在7—9月份。流域年均氣溫為6.8 ℃,平均無霜期152 d,潛在蒸發量為1649.0 mm,年均相對濕度72%。流域土壤類型為黃綿土,土質均一。流域內主要土地利用類型包括撂荒地、灌木林地、喬木林地、農地、人工草地。同時分布著零星的天然草地。流域內的人工植被以檸條(Caraganakorshinskii)、側柏(Platycladusorientalis)、山杏(Prunusarmeniaca)、油松(Pinustabulaeformis)、紫花苜蓿(Medicagosativa)為主,天然植被則以多年生草本為主,主要種類包括賴草(Leymussecalinus)、長芒草(Stipabungeana)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。自20世紀50年代起,流域內開展了大面積植被恢復工程,取得了較好的生態效益。水平溝、水平階、魚鱗坑、反坡臺等水土保持工程措施廣泛應用于植被建設,其中魚鱗坑、反坡臺兩類工程措施的應用已有四十逾年的歷史,采用水平溝、水平階兩類工程措施進行植被恢復的時間也有二十年以上,并采用人工植被檸條、側柏、油松、山杏與不同工程措施相結合進行植被恢復,形成了人工植被與工程措施相結合的建設體系。

2 研究方法

2.1 試驗地基本特征

于2015年生長季(5月—10月),以流域內開展植被恢復時間最長的油松魚鱗坑和油松反坡臺為研究對象(1972年始建),同時以油松自然坡面樣地為對照,采用微創式零干擾小區搭建技術布設油松魚鱗坑和油松反坡臺監測小區(圖1),搭建完畢后進行土壤樣品的采集,并采用每木檢尺對植被進行調查,記錄不同植被的樹高、胸徑和冠幅,試驗地基本特征見表1。

表1 試驗地基本特征

圖1 魚鱗坑、反坡臺及對照樣地示意圖Fig.1 Diagram of fish scale pits, adversely graded tableland and control site

2.2 土壤水分特征曲線測定

野外樣品采樣通過剖面法進行,分別在油松魚鱗坑和油松反坡臺坡面小區挖2 m長、1.5 m寬、1 m深的剖面,按0—20、20—40、40—60和60—80 cm 分層取樣,每層重復3次。采用沙箱法和壓力膜法測定土壤水分特征曲線,其中沙箱測定范圍為0—80 cm水柱,將裝有土樣的環刀放置砂箱中,測完基質勢為-80 cm時將環刀取出。然后將環刀土置于壓力板上,進行24 h飽和后放入壓力鍋中由低壓到高壓依次進行脫水測試,每次加壓后至水不再流出時即達到平衡。平衡后取出土樣,迅速稱重,再將土樣重新裝入壓力室內。重復上述過程,直至最后一個壓力,取出土樣后用烘干法測其土壤含水量,通過計算得到土壤體積含水量與土壤基質勢的關系[15]。

2.3 水分特征曲線模型選取

Brook-Corey模型、Gardner模型和van Genuchten模型是國內外學者較常使用且擬合較好的土壤水分特征曲線模型,3種模型均可通過多元非線性回歸的方式求解參數值。模型的表現形式如下：

Gardner:

h=aθ-b

2.4 數據處理

土壤飽和導水率采用RETC軟件通過實測機械組成及土壤容重計算而得。采用SAS9.2對不同工程措施下土壤水分特征曲線模型進行非參數求解,采用混合線性模型分析不同工程措施土壤機械組成與飽和導水率。相關數據采用平均值±標準差(Mean±SD)的方式來表示,同一深度不同工程措施之間顯著性采用最小顯著差數法(LSD)進行檢驗(顯著性水平P< 0.05),繪圖采用Sigmaplot12.5完成。

3 結果與分析

3.1 土壤機械組成

油松魚鱗坑、油松反坡臺及對照樣地土壤機械組成變化見表2,由表可知,不同工程措施土壤機械組成之間差異顯著(P<0.05),且不同深度表現不同。具體來說,在0—20 cm,油松反坡臺土壤粘粒(11.58%)、粉粒含量(73.48%)顯著高于油松魚鱗坑(9.73%、68.45%)以及坡面對照(9.71%、67.99%),但油松魚鱗坑與對照樣地之間粘粒含量之間差異不顯著(P>0.05),同時,兩者粉粒含量顯著高于坡面對照(P<0.05)。20—40 cm,魚鱗坑(71.61%)和反坡臺(71.73%)粘粒含量顯著高于對照(68.60%),同時,粉粒含量兩者均顯著高于對照(P<0.05),但兩者之間無顯著差異(P>0.05)。40—60 cm,魚鱗坑(72.52%)和反坡臺(70.54%)之間粉粒含量無顯著差異(P>0.05),但兩者顯著高于對照(67.29%)。粘粒含量反坡臺(10.26%)顯著高于魚鱗坑(9.95%),同時兩者均顯著高于對照(9.76%)。

表2 不同工程措施土壤粒徑分布

不同小寫字母表示統一工程措施不同深度之間差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示同一深度不同工程措施之間差異顯著(P<0.05),數值表現為平均值±標準差

3.2 飽和導水率

油松魚鱗坑、油松反坡臺和坡面對照之間土壤飽和導水率差異顯著(P<0.05),不同深度表現不同(圖2)。具體來說,0—20 cm魚鱗坑和反坡臺飽和導水率無顯著差異(P>0.05),但兩者均顯著高于坡面對照(P<0.05),這也與 20—40 cm相同。油松魚鱗坑在 40—80 cm 與對照之間飽和導水率不顯著(P>0.05),60—80 cm 三者之間飽和導水率無顯著差異(P>0.05)。

圖2 不同工程措施土壤飽和導水率 Fig.2 Soil saturated hydraulic conductivity of different engineering measures 不同小寫字母表示同一深度不同工程措施之間差異顯著,P<0.05

3.3 土壤水分特征曲線模擬

分別g使用三種土壤水分特征曲線模型對油松不同工程措施土壤水分特征曲線進行參數擬合,得到每個模型參數的模擬值以及判別系數(表3),根據不同模型的擬合結果,可知不同工程措施不同深度,各模型擬合結果并不一致。由表3可知,對于油松魚鱗坑來說,van Genuchten模型在0—20、20—40 cm和40—60 cm深度的模擬精度較好,判別系數分別為0.950、0.927和0.898,Gardner模型對60—80 cm深度的模擬精度高于其他兩組模型,對油松反坡臺來說,Gardner模型對40—60 cm的模擬精度高于其他兩組模型,除40—60 cm外,van Genuchten模型的模擬精度均高于0.900。由此可知,3種模型均能夠很好的擬合不同工程措施土壤水分特征曲線。此外,通過對不同工程措施實測值與模型模擬的擬合結果進行比較(圖3、圖4和圖5),具體反映在曲線上可表現為低吸力條件下曲線比較陡直,在中高吸力段區間內的曲線漸趨平緩。與坡面對照相比,魚鱗坑和反坡臺表現出較好的保水功能。

表3 土壤水分特征曲線參數擬合

圖3 油松反坡臺不同深度土壤水分特征曲線模擬Fig.3 Soil water retention curve of different depth of adversely graded tableland- Pinus tabulaeformis

圖4 油松魚鱗坑不同深度土壤水分特征曲線模擬Fig.4 Soil water retention curve of different depth of fish-scale pits- Pinus tabulaeformis

圖5 對照樣地不同深度土壤水分特征曲線模擬Fig.5 Soil water retention curve of different depth of control plot

3.4 土壤有效水

采用田間持水量、有效水含量等指標來表征不同工程措施措施的土壤持水能力,反坡臺、魚鱗坑與自然坡面水分有效性常數見表4。由表可知,魚鱗坑、反坡臺的土壤水分常數較低,0—20 cm,魚鱗坑(0.136 cm3/cm3)、反坡臺(0.135 cm3/cm3)土壤有效水含量均高于對照(0.106 cm3/cm3)。結合不同深度(0—80 cm)兩類工程措施土壤有效水含量,較之對照(0.118 cm3/cm3),魚鱗坑(0.138 cm3/cm3)和反坡臺(0.129 cm3/cm3)平均有效水分分別提高15%和9%。

表4 不同工程措施土壤有效水含量

4 討論

人們通常使用模型根據土壤機械組成、土壤容重等性質分層填充的重塑土進行測定和推導,反映去除影響土壤性質因素后的土壤水力學特征[16]。土壤質地、容重以及土壤結構是影響水分特征曲線的主要因素,其中土壤質地對水分特征曲線的影響最為明顯,魚鱗坑、反坡臺等工程措施重塑下墊面微地形,改變了徑流路徑,影響了土壤顆粒的分離、搬運和沉積過程,工程措施開展后,在與植被長期作用下對土壤表面積及土壤孔隙產生影響,改變了土壤質地,從而影響水分特征曲線[17-18]。由于土壤含水量主要是指土壤中水分含量的總體值,而真正能夠被植物所吸收利用的水量以及其利用水分的難以程度取決于有效水分含量,植物對土壤水分利用的有效程度取決于土水勢的高低,而不能單從含水量角度進行分析。所以在評價工程措施涵養水源的生態效益時,不僅僅需要關注土壤水分的變化,更需關注工程措施開展后土壤有效水分的變化。

圖6 油松魚鱗坑、油松反坡臺與對照樣地土壤機械組成Fig.6 Soil texture distribution of fish-scale pits- Pinus tabulaeformis, adversely graded tableland- Pinus tabulaeformis and cotrol site

圖7 油松魚鱗坑與油松反坡臺工程措施示意圖 Fig.7 Schematic diagram of the of fish scale pits- Pinus tabulaeformis and adversely graded tableland- Pinus tabulaeformis

對魚鱗坑、反坡臺土壤水分特征曲線測定結果表明,水分特征曲線在低吸力段比較陡直,而在中吸力段和高吸力段區間內逐漸平緩。這主要是由于在低吸力階段的土壤水勢范圍,土壤釋放水分過程取決于土壤結構較粗的孔隙分布。因水吸力較小,脫水過程主要靠毛管力起作用。在高吸力段區間時,水吸力較大,主要是土壤顆粒表面吸附力起作用。通過對不同工程措施土壤機械組成的分析可知(表2),研究區內機械組成主要分布在粉砂粒徑中(2—2000 μm),較之粉粒,砂粒所占比重也較小,粘粒含量最低,僅在10%上下,所以坡面分布的主要為粉砂質壤土,而非黃土母質發育較為普遍的砂質壤土。較之對照,工程措施改變了土壤質地,魚鱗坑與反坡臺長期作用提高了土壤粉粒含量(圖6)。黃土土質通常顆粒較粗且發育緩慢,很難形成好的土壤結構和顆粒組成,導致其持水能力和保水能力較差,工程措施能夠加速土壤顆粒細化,改善土壤質地,從而改善土壤持水能力,在魚鱗坑、反坡臺等工程措施長期作用下,土壤有效水分得到了提高。結合對土壤飽和導水率的計算結果,0—20 cm油松魚鱗坑和油松反坡臺飽和導水率與自然坡面之間差異顯著(P<0.05),但兩者間無顯著差異(P>0.05),由此可見,工程措施對土壤環境的改良主要體現在對表層的影響。通過計算水分有效性常數,結果顯示工程措施能夠提高土壤有效水分,魚鱗坑和反坡臺有效水分較之對照分別提高15%和9%,對表層土壤水分有效性的改善更為顯著。魚鱗坑、反坡臺均能夠減緩坡度,改變上方來水路徑,削減徑流沖刷力并促使降水就地入滲,雖然兩者均能提高土壤有效水分,但因兩種工程措施自身結構差異,致使研究區內魚鱗坑和反坡臺對有效水分提高程度不同(圖7)。與此同時,對魚鱗坑和反坡臺土壤有效水分測定結果顯示,兩種工程措施的土壤有效水分較低,主要由于研究區土壤孔隙較大,粒間孔隙粗,毛管力微弱,施加較小的吸力,大孔隙中的水分就被排出;而保持在小孔隙中的水分只有在較大吸力下才能被排出,這也是研究區土壤持水量較低的內在原因。

利用水分特征曲線既能進行土壤水吸力與土壤含水率之間的換算,也能夠間接反映土壤孔隙大小的分布,有利于在應用物理、數學方法對水分運動進行定量分析時提供有關參數。選擇Brooks-Corey、Gardner及van Genuchten模型對土壤水分特征曲線的實測值和模擬值進行擬合的結果顯示,不同工程措施的水分特征曲線在不同的深度形狀和趨勢基本一致,van Genuchten對0—20 cm 擬和結果的決定系數均在0.95以上,高于其他兩種模型。Brooks-Corey模型形式較Gardner模型復雜,參數較多,需考慮飽和含水率、殘余含水率和進氣吸力對水分特征曲線的影響,Gardner模型參數較少,形式簡單,運算和求解較為方便。三種模型也被廣泛的應用于土壤水分特征曲線的擬合研究中[19-22]。van Genuchten模型是最常用的描述土壤水分特征曲線的模型,該模型適用的土壤質地范圍和土壤含水量范圍均較為廣泛,是推求土壤水分運動參數的常用模型。總體來看,van Genuchten模型擬合精度變化較小,但參數較多。相關學者基于不同水吸力下的土壤含水量和RETC主要涉及的4種模型,分別確定了van Genuchten為最優的土壤水分特征曲線擬合模型[23- 24]。從運算角度看,三種模型均可適用于長期開展水土保持工程措施后土壤水分特征曲線的模擬。采用非線性擬合求解參數的結果表明,van Genuchten模型的決定系數較高。

水分特征曲線是研究水分入滲、蒸發等生態水文過程的關鍵,對于探究土壤水分的貯存、保持、供應以及土壤-植物-大氣連續體中的水分動態具有重要意義。土壤是工程措施與植被影響的直接環境,兩者共同影響土壤屬性[25],水分是開展植被恢復的主要因子,所以通過實測土壤水分特征曲線并定量分析土壤有效水分的變化,能夠為評價不同工程措施保持水土的生態服務功能提供依據。當前,工程措施被廣泛應用于植被建設中,通過重塑下墊面微地形,并在與植被長期作用下改變了土壤質地(圖6),土壤質地是影響水分特征曲線的關鍵因素之一。較之對照,魚鱗坑和反坡臺顯著提高了土壤粘粒和粉粒含量,兩者土壤有效水分分別提高15%和9%,研究區內工程措施的開展對生態恢復具有積極作用。

5 結論

1)黃土半干旱小流域,魚鱗坑和反坡臺兩種工程措施長期作用改變了土壤機械組成,反坡臺(10.63%)、魚鱗坑(9.78%)粘粒含量顯著高于對照樣地(9.66%),粉粒含量反坡臺(71.42%)與魚鱗坑(70.74%)顯著高于對照樣地(67.85%)。

2)工程措施有效提高土壤飽和導水率,與對照樣地相比,魚鱗坑和反坡臺表現出較好的保水功能。魚鱗坑、反坡臺均能夠提高土壤有效水分,魚鱗坑和反坡臺有效水分較之對照分別提高15%和9%,且兩種工程措施對表層土壤有效水分改善更加顯著。

3)采用Brooks-Corey、Gardner及van Genuchten模型對不同深度土壤水分特征曲線實測值和模擬值進行擬合,兩種工程措施的水分特征曲線不同深度形狀和趨勢基本一致,非線性擬合求解參數的結果表明van Genuchten模型決定系數較高。