天澇池流域祁連圓柏林地土壤持水特征研究

趙志剛，蒙圓圓，王水獻，許 翔

（蘭州大學資源環境學院，蘭州 730000）

土壤是森林生態系統的重要組成部分，是植被生長和發育的基礎［1，2］。土壤持水性是土壤的基本物理性質，是反映土壤水源涵養能力、研究土壤水分運動規律以及揭示土壤-植物-大氣水文過程的重要因素［3，4］，而土壤水分特征曲線（Soil Water Retention Curve，SWRC）是表征土壤持水能力的基本工具［5，6］。

目前常用的關于SWRC 的經驗模型有Gardner［7］、van Genuchten［8］、Broods Corey［9］、Fredlund Xing［10］模型等。其中，Gardner模型在眾多模型中由于形式簡單、參數少、便于計算，因此實際應用比較廣泛，并且有許多研究表明該模型的擬合效果能夠滿足實際需求，如陳印平等［11］研究發現，Gardner 模型可用于描述黃河三角洲農田防護林的土壤持水特征；孫迪等［12］研究認為，Gardner模型可以較好地反映長白山闊葉紅松林不同深度的土壤含水量與土壤水勢之間的數量關系等。van Genuchten模型是目前國內外描述SWRC 的最為普遍的模型，因為大量研究表明該模型對不同質地的土壤均有較好的適用性，安樂生等［13］基于非飽和土壤水力性質數據庫（UNSODA）選取的256 個土樣，系統性地驗證了van Genuchten 模型對于SWRC 具有較好的擬合能力。對于Broods Corey 與Fredlund Xing 模型，王愿斌［14］、秦文靜［15］等研究認為Broods Corey 模型適用于質地較粗的土壤，而辛琳等［16］研究發現Fredlund Xing 模型更適合描述黏土的土壤水分特征曲線。總之，關于上述4 種模型的應用研究雖然取得了顯著成果［17-21］，但對地理位置和氣候條件特殊、生態環境脆弱的高寒山區的應用相對較少，其適用性及有效性有待進一步深入探討。

祁連山區是典型的高寒山區地段，祁連圓柏是該地段的優勢樹種，在響應氣候變化、維持區域生態穩定、涵養水源等方面起著重要作用［22-25］。探究祁連圓柏林地的土壤持水特征，對于深入探討高寒山區的土壤水運動、溶質運移、植物用水等過程具有重要意義?；诖?，本文以祁連圓柏試驗樣地不同土層深度的土壤為研究對象，利用離心法獲取各土層的實測土壤水分特征曲線，同時選用上述4 種經驗模型，做非線性擬合分析［26-27］，確定適合該樣地的最優擬合模型，進而分析各土層土壤的持水能力及其變化規律。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于祁連山黑河上游天澇池流域（圖1），該流域是黑河一級支流寺大隆河的子流域，流域總面積12.8 km2，河流縱長6.0 km，海拔2 650～4 450 m。流域年均氣溫0.6～2 ℃，年均相對濕度60%，年降水量400～600 mm，且集中在5-9月份，屬于典型的高寒半干旱、半濕潤山地森林草原氣候。流域內的植被類型豐富且具有垂直分異的空間分布特征，隨海拔梯度的變化，自上而下依次為高山草甸（3 800～4 500 m）、灌木林（3 200～3 800 m）、喬木林（2 800～3 200 m）、干草原（2 650～2 800 m），其中喬木林主要有分布在陰坡的青海云杉和分布在陽坡的祁連圓柏。該區域的土壤類型主要有森林灰褐土、高山草甸土、山地栗鈣土等［28，29］。

1.2 采樣和測定

試驗土樣于2020年9月采集于天澇池流域25 m×25 m的祁連圓柏林樣地（E99°56′，N38°26′）。在采集土樣時，沿坡度自上而下選取3個剖面，在每個剖面利用環刀（容積為98.175 cm3）分別在距離土壤表層10、20、30、40、50、60 cm 深度處取原狀土樣，且每層取2 個重復樣，最后封裝編號帶回實驗室。選用烘干稱重法測定土壤含水率、環刀法測定土壤容重，利用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定土壤的機械組成，并按照國際制土壤質地分類標準劃分土質類型。采用日立CR21GⅢ型高速冷凍離心機測定土壤水分特征曲線，首先將飽和環刀裝入離心管內并記錄初始質量，設置轉速依次為310、980、1 700、2 190、2 770、3 100、5 370、6 930、8 200 rpm，然后待達到各自離心時間后分別測定其離心管質量，最后將環刀放入恒溫干燥箱中烘干稱重，計算各土壤吸力所對應的土壤含水量并建立土壤水分特征曲線。

1.3 土壤水分特征曲線模型

本文根據現有的研究成果，選用Gardner、van Genuchten、Fredlund Xing、Broods Corey 四種模型進行擬合分析。模型表達式及參數含義如表1所示。

表1 4種土壤水分特征曲線模型匯總表Tab.1 Summary of four soil water characteristic curve models

1.4 數據處理

利用Matlab 8.5 自帶的粒子群算法（particle swarm optimization，PSO）工具箱函數對實測水分特征數據進行擬合，得到各模型的最優參數值。在求解參數的基礎上，計算模型模擬預測值，采用均方根誤差（RMSE）、決定系數（R2）對擬合精度做綜合評估，并利用Origin 2019b 將實測與擬合土壤水分特征曲線繪制到同一坐標系中。

2 結果與分析

2.1 樣地土壤物理特征

由統計分析可得，試驗樣地所選3 個剖面的土壤物理性質變異程度屬于弱變異（CV＜15%），因此，本文以各剖面土壤物理指標均值作為試驗樣地土壤的基本物理參數。由表2可知，樣地土壤飽和含水率在50.62%～69.31%之間，土壤容重在0.76～1.14 g/cm3之間。土壤表層10 cm 內由于草根密度大并含有大量腐殖質，因此飽和含水率最高（69.31%）、土壤容重最小（0.76 g/cm3）。從10～60 cm土層，土壤的機械組成發生明顯變化，砂粒含量從37.40% 減少到17.32%，黏粒含量從19.22% 增加到33.01%，而粉粒含量變化不大（SD=3.85%）。此外，土壤容重與飽和含水率、砂粒含量極其顯著負相關（r=-0.94，P＜0.01），而與黏粒含量呈明顯的正相關關系（r=0.83，P＜0.05）。

表2 試驗樣地土壤的基本物理性質Tab.2 Basic physical properties of soil in test plot

2.2 實測土壤水分特征曲線

根據實驗所設定的吸力值與植物有效水范圍（0.01～1.5 MPa），本文以“生長阻滯濕度”（0.1 MPa，1 019.72 cm）為界［30］將土壤水吸力劃分為兩個吸力段即吸力水頭值＜1 000 cm 為低吸力段，吸力水頭值＞1 000 cm 為高吸力段，并且分別計算了低吸力段與高吸力段土壤含水率的變化量即土壤失水率（表3）。從實測土壤水分特征曲線（圖2）可見，各土層土壤含水率隨土壤水吸力變化的總體趨勢均表現為：在低吸力段，土壤含水率急劇下降，曲線比較陡直；在高吸力段，土壤含水率變化小，曲線趨于平緩。其中0～10 cm 土層由于土壤粒徑大、質地粗、大孔隙數量相對較多且基質勢小，因此當土壤水吸力較小時，土壤水優先從大孔隙流出，從而導致土壤失水率較高、土壤水分特征曲線較陡。而在10～60 cm 土層之間，隨著土壤水吸力以及土壤深度的增加，砂粒含量減少、黏粒含量增加，土壤小孔隙數目增多，土壤顆粒表面吸附作用增強，從而導致水分運移速率降低、土壤失水率減小，水分特征曲線趨于平緩。

從各土層的土壤失水率（表3）可見，不同土層在各吸力段的失水率不同，從土壤表層到50 cm 土層范圍內，低吸力段失水率從29.61%減少到20.73%，高吸力段失水率由7.98%增加到11.07%，累積土壤失水率從37.59%減少到31.80%。其中0～10 cm 與40～50 cm 土層差異最為顯著，低吸力段失水率相差10%，高吸段的失水率相差3%，累積土壤失水率相差6%。此外，隨著土壤深度的增加，低吸力段的土壤失水率與累積土壤失水率變化趨勢相同，呈正相關關系，而與高吸力段的失水率變化趨勢相反，呈負相關關系。

表3 各土層不同吸力段的土壤失水率Tab.3 Soil water loss rate of different suction sections in each soil layer

2.3 不同深度的土壤水分特征曲線擬合

為評價上述4種經驗模型的擬合效果以及確定適合祁連圓柏試驗樣地的最優擬合模型，本文利用Matlab 程序包中的粒子群算法對不同土層深度的實測土壤含水率進行非線性擬合。從各模型的擬合評價指標（表4）可見，G、BC、FX、VG 4 種模型在0～60 cm 土層的均方根誤差（RMSE）均值分別為0.020 2、0.021 7、0.007 2、0.007 3（SD=0.50%，0.54%，0.34%，0.32%），決定系數（R2）均值分別為0.969 7、0.948 8、0.995 3、0.995 7（SD=2.34%，3.43%，0.55%，0.42%）。各模型在20～30 cm 土層的擬合效果比較接近，R2均在0.98 以上，而在40～50 cm 土層的擬合效果差異顯著，其中BC 模型的擬合效果最差，R2為0.903 4，RMSE為0.031 4，VG 模型的擬合效果最好，R2為0.998 4，RMSE為0.004 3。對于其他土層，VG與FX模型的R2值始終高于BC與G模型，RMSE值始終小于BC與G模型。

表4 各模型擬合評價指標值Tab.4 Fitting evaluation index values of each model

2.4 土壤物理特性與模型參數的相關性分析

利用Spass22.0 統計軟件中的Spearman 秩相關系數［31］分析土壤容重、機械組成與FX 和VG 模型參數的相關性（表5）。從表5可見，土壤容重、黏粒百分比與FX 模型中的參數a、b均呈顯著正相關，與參數c呈顯著負相關，砂粒百分比與參數a、b均呈顯著負相關，與參數c呈顯著正相關，而粉粒百分比與FX 模型中各參數的相關性較差。對于VG模型，黏粒百分比與參數a呈顯著負相關，容重與參數a呈正相關但未達到顯著性水平，粉粒與參數n、m呈負相關，而砂粒與各參數的相關性較差。

表5 土壤物理參數與優選模型參數的Spearman秩相關系數Tab.5 Spearman rank correlation coefficients of soil physical parameters and parameters of optimized model

3 討 論

3.1 土壤水分特征曲線擬合評價及模型優選

本文在探討祁連圓柏樣地各土層土壤水分特征曲線時，選用了4 種經驗模型（G、BC、FX、VG）來擬合實測土壤含水率，由表4、圖3可知，4 種模型的決定系數均在0.90 以上，整體擬合效果較好，但隨著土壤水吸力的增大，各模型擬合值與實測值的差異性更加顯著，擬合效果逐漸變差，因此上述4種模型僅適用于描述毛管水流運動，無法模擬以及預測全吸力范圍內的土壤水運動［32］。此外，研究發現G 模型在低吸力段的擬合效果要優于高吸力段，但丁新原［33］等認為G 模型在高吸力段的擬合效果更好，可能的原因是研究的土壤類型差異顯著，或者是土壤水分特征曲線的測定方法不同進而導致結果不同。

根據土壤質地分類可知（表2），試驗土壤主要包括黏壤土、粉砂壤土、粉砂質黏壤土以及粉砂質黏土。其中BC 與G 模型對黏壤土與粉砂壤土的擬合效果要優于粉砂質黏土，說明BC與G 模型對于中粗質地土壤具有更好的適用性，這與石文豪［34］、劉建立［35］等的研究結果一致。FX 和VG 模型對4 種土壤的擬合決定系數均高達0.98 以上，說明FX 和VG 模型均適用于描述黏土與壤土類土壤水分特征曲線。

總體而言，BC 模型的RMSE值高于其他模型，且R2值小于其他模型，而FX 與VG 模型的各評價指標相差甚微。根據各評價指標的評價標準即RMSE值越小、R2越接近于1，擬合效果越好，可得BC模型的擬合效果最差，G模型次之，FX和VG模型的擬合效果最好，因此FX 和VG 模型均可作為祁連園柏樣地的優選模型。另外，本文雖然探討了上述4種經驗模型的適用性，但對于其他模型在該區域的適用性有待進一步研究。

3.2 不同深度土壤的持水能力

土壤的持水性一般有兩種表示方法［36］，一種是用飽和含水量、田間持水量、非毛管孔隙度等形態指標表示，另一種是用表征吸力與含水量關系的水分特征曲線表示。本文選擇了后者來探討土壤的持水能力而沒有系統的探討形態指標與土壤持水性的關系，主要是由于在測定飽和含水率、容重等指標過程中存在水量損失、土壤質量損失等問題，導致各指標與實際情況存在偏差，因此不宜用來于描述土壤的持水性。而對于土壤水分特征曲線的測定，本文選用離心法來測定，雖然該方法簡單迅速，但仍有不足之處［37，38］，如離心過程中，由于離心力的作用，使土樣顆粒間相互擠壓，導致土壤孔隙結構發生改變，在一定程度上改變了土壤的持水性，因此還需將室內實驗結果與田間測量結果作比較［39］，才能進一步確定實驗結果的準確性。

土壤水分特征曲線的高低能夠反映土壤的持水能力，即曲線越高，持水能力越強［40］。本文根據實測土壤水分特征曲線（圖2）及土壤失水率（表3）可知，累積土壤失水率與土壤水分特征曲線的高低呈負相關關系，即累積土壤失水率越低，水分特征曲線越高，則土壤的持水能力越強，具體表現為40～50 cm＞50～60 cm＞30～40 cm＞20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm。同時，4 種模型在高吸力段的擬合曲線（圖3）與實測曲線的變化規律相同，即隨著土壤水吸力的增大，40～50 cm 土層仍具有釋放較多水分的潛力，而0～10 cm 土層失水較少且逐漸趨于穩定，因此擬合水分特征曲線的高低也可用來表征土壤的持水能力。此外，整個0～30 cm 土層在低吸力段的失水率相對較高，但由于表層蒸發以及滲透損失大，水分容易散失掉，不利于植被的吸收利用，而30～60 cm 土層在低吸力下的保水能力強，在高吸力下又能釋放較多的水分，表明該土層抗旱性強，在干旱環境下能夠為植被提供較多的水分，因此，30～60 cm 土層是祁連圓柏樣地的主要水源涵養層，且這一結論與車克鈞等人［41］的研究結果一致。

4 結 論

（1）4 種土壤水分特征曲線模型（G、BC、FX、VG）的決定系數均值依次為0.969 6、0.948 8、0.995 3、0.995 7，其中FX 和VG模型的決定系數最高且十分接近，因此，FX 和VG 模型均可作為祁連圓柏樣地的優選模型。但通過分析土壤物理參數與模型參數的相關性可知，FX模型參數與土壤物理參數的相關性要優于VG模型，表明FX模型參數的物理意義更加明確。

（2）根據實測與擬合土壤水分特征曲線可知，祁連圓柏樣地不同土層深度的土壤持水能力存在顯著差異，持水能力從強到弱依次為：40～50 cm＞50～60 cm＞30～40 cm＞20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm，其中30～60 cm 土層的持水性與有效性整體上優于0～30 cm土層，因此，該土層是祁連圓柏樣地的主要水源涵養層，對于植被抗旱具有重要作用?！?/p>