毛烏素沙地土壤水分特征曲線和入滲性能的研究

1、林業(yè)科學(xué)研究Forest Research（增刊）：2004，17914文章編號(hào)：（2004）增刊-0009-061001-1498毛烏素沙地土壤水分特征曲線和入滲性能的研究張強(qiáng)1，孫向陽(yáng)1*，黃利江2，王2. 寧夏林業(yè)研究所，寧夏銀川涵2，張廣才2100083；（1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，教育部水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京750004）-b 摘要：采用張力計(jì)法測(cè)定了毛烏素沙地低吸力段土壤水分特征曲線，并用=a 模型進(jìn)行了擬合，分析了各層次土壤的持水和供水能力。結(jié)果顯示：但供水能力最強(qiáng)，020cm 的土壤持水能力最差，供水能力一般；當(dāng)土壤吸力達(dá)到0.060.08MPa ，即土壤容

2、積含水率4060cm 的土壤持水能力最強(qiáng)，在1%3%時(shí)，比水容量就已達(dá)到了10-1級(jí)，標(biāo)志著土壤水分處于難效水階段，植物利用比較困難；在室內(nèi)采用環(huán)刀法測(cè)定了沙地土壤水分的入滲率，結(jié)果顯示：有植被覆蓋的試驗(yàn)區(qū)的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和累積入滲量都比無(wú)植被覆蓋的對(duì)照區(qū)大，說(shuō)明該地區(qū)植被對(duì)土壤水分的消耗影響顯著。關(guān)鍵詞：毛烏素沙地；土壤水分特征曲線；入滲率中圖分類號(hào)：S152.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A在干旱、半干旱地區(qū)，特別是在沙漠地區(qū)，土壤水分是植物生長(zhǎng)的主要生態(tài)因子之一。在土壤吸力小于0.1MPa 的低吸力段所吸持的水分主要受毛管力支配，運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，有效程度高，是土壤水分工作者研究的主要對(duì)象。而入滲是沙

3、漠水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是地氣系統(tǒng)界面的重要現(xiàn)象，也是荒漠生境SPAC 系統(tǒng)水分運(yùn)移的重要過(guò)程之一（特別是短時(shí)降雨后）。因此，了解土壤在低吸力段條件下的持水和供水能力及地表水的入滲機(jī)制，對(duì)于干旱區(qū)植被恢復(fù)建設(shè)及經(jīng)營(yíng)管理具有重要的指導(dǎo)意義。1試驗(yàn)區(qū)自然概況毛烏素沙地處于半干旱地區(qū)，氣候?yàn)闇貛Т箨懶詺夂?，年平均氣?.4，年日照時(shí)數(shù)年太陽(yáng)輻射6568MJ 年平均降水量360.8mm ，分布不均，2900h ，m -2，79月降水量占全年降水量的69.5%，且多以暴雨形式在數(shù)日內(nèi)降落，冬季降雪量小于年降水量的2%，降水量年變量達(dá)250mm ，干旱年份出現(xiàn)率為28.6%，年蒸發(fā)量2300mm ，濕潤(rùn)度0

4、.3，平均風(fēng)速3.3m 大風(fēng)多出現(xiàn)在45月間，以西北風(fēng)為主，夏季盛行東南風(fēng)。s -1，收稿日期：2004-05-28基金項(xiàng)目：教育部?jī)?yōu)秀青年教師資助項(xiàng)目、人事部留學(xué)回國(guó)人員科技擇優(yōu)項(xiàng)目重點(diǎn)類課題和國(guó)家“十五”西部攻關(guān)專項(xiàng)（2001BA901A34）及北京林業(yè)大學(xué)研究生院2003年度研究生培養(yǎng)基金項(xiàng)目聯(lián)合資助（1965），男，山東，博士，教授，主要研究方向：土壤生態(tài)01062338103xiangyang sun *責(zé)任作者：孫向陽(yáng)10林業(yè)科學(xué)研究第17 卷試驗(yàn)地設(shè)在毛烏素沙地南緣，位于寧夏鹽池縣（99º11'99º21'E ，灌木園39º43

5、9;39º47'N ）一塊面積為1250m 2的人工檸條（Caragana intermedia Kuang et H. C. Fu ）林內(nèi)，檸條株、行距為其下有覆蓋度不同的油蒿（Artemisia ordosica Krasch. ）群落。1.5m ×2m ，22.1實(shí)驗(yàn)方法低吸力段土壤水分特征曲線用自制鐵桶（高20cm ，直徑30cm ）取原狀土，由桶底供水，使土樣充分濕潤(rùn)至飽和，然后插入張力計(jì)，并將TDR 探頭埋入相同深度處，平衡一晝夜后放置于通風(fēng)處，讓其蒸發(fā)脫水，每天1觀察張力計(jì)讀數(shù)變化和TDR 測(cè)定土壤含水率。張力計(jì)讀數(shù)即為土壤水吸力值，土壤水吸力與基質(zhì)勢(shì)

6、數(shù)值相等，符號(hào)相反，由此得出低吸力段土壤水分特征曲線。2.2土壤入滲水量的測(cè)定用大環(huán)刀（高20cm ，直徑10cm ）取原狀土，從上部加水至水層為5cm ，并立一根直尺以便觀察水層厚度，開(kāi)始計(jì)時(shí)，定時(shí)觀察水層下降高度（根據(jù)大環(huán)刀面積換算出入滲水量），而后繼2。續(xù)加水至5cm 高，同時(shí)測(cè)量水溫，待入滲穩(wěn)定（本試驗(yàn)大約在80min ）后結(jié)束實(shí)驗(yàn)3結(jié)果分析3.1土壤水分特征曲線（低吸力段00.1MPa ）土壤水分特征曲線是指土壤水的基質(zhì)勢(shì)或表1土壤低吸力段水分特征曲線方程及相關(guān)系數(shù)土壤層次/cm02020404060水分特征曲線土壤水吸力隨土壤含水率變化的關(guān)系曲線，它表示土壤水的能量和數(shù)量間的關(guān)系，

7、是研究土壤水分的保持和運(yùn)動(dòng)所用到的反映土壤持水特性的曲線。實(shí)驗(yàn)采用如下方程進(jìn)行擬合：-b （1）=a 式子中為土壤水吸力，為土壤3=2.563=3.712=3.944-0.812-0.696-0.711容積含水量，a 、b 為系數(shù)。擬合結(jié)果見(jiàn)表1。土壤水分特征曲線（圖1）的高低反映了土壤持水能力的強(qiáng)弱，即曲線越高，持水能力越強(qiáng)；曲線越低，持水能力越弱。從圖1可以看出：3個(gè)土層中4060cm 的土壤持水能力最強(qiáng)，而土壤含水率隨水勢(shì)降低的速度最慢；020cm 的土壤持水能力最弱，而土壤含水率隨水勢(shì)降低的速度最快；2040cm 的土壤介于二者之間，但更接近4060圖1低吸力段土壤水分特征曲線（脫水曲

8、線）增刊張強(qiáng)等：毛烏素沙地土壤水分特征曲線和入滲性能的研究11說(shuō)明與4060cm 的土壤在物理性質(zhì)方面較為相似。從圖1還可以看出，在同一吸c(diǎn)m 的土壤，力條件下，土壤各個(gè)層次所保持的土壤水分的數(shù)量是不同的，4060cm 的土壤保持的土壤水分的數(shù)量最大，020cm 的土壤保持的土壤水分的數(shù)量最少。土壤剖面觀察可以清楚地看到檸條和沙蒿的根系在2060cm 的分布相對(duì)較多，這對(duì)其抗旱相當(dāng)有利。但土壤水分?jǐn)?shù)量的多少并不一定代表土壤水分有效性的高低，還要借助土壤比水容量來(lái)加以衡量。過(guò)去，人們根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，把土壤有效水的范圍限定在“田間持水量”與“凋萎含水率”之間，現(xiàn)在通常將0.033MPa 作為一般壤質(zhì)

9、土有效水的上限，而砂質(zhì)土則約為0.01MPa 。由圖11可以看出，該沙地的田間持水量約為110g 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于甘肅幾種旱地壤土的232g kg -1，kg -（平沙地土壤可以釋放均值），但當(dāng)土壤含水量處于田間持水量時(shí)，土壤水吸力降低0.01MPa 后，出接近50g 而甘肅幾種旱地壤土只釋放出約20g kg -1的水量。由此看出，該沙kg -1的水量，地土壤雖然持水能力較差，但在一定范圍內(nèi)的供水能力是很強(qiáng)的。3.2比水容量土壤水分特征曲線的斜率即比水容量。根據(jù)土壤含水量（與基模勢(shì)（）的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)）行復(fù)合函數(shù)求導(dǎo)，得（2）C ）=d /d 式中C （即為比水容量，單位為mL MPa -1g -1，它

10、標(biāo)志著當(dāng)土壤吸力發(fā)生變化時(shí)土壤能釋）出或吸入的水量，它是與土壤水貯量和水分對(duì)植物有效程度有關(guān)的一個(gè)重要特性，可以作為土46壤抗旱性的指標(biāo)。由于土壤水分特征曲線是非線形的，所以不同土壤吸力范圍內(nèi)的比水容量也是不相等的。一般是在低吸力情況下，土壤釋出的水量比較多，植物吸水的耗能量也較少；在高吸力情況下，土壤釋出的水量減少，植物吸收同樣多的水量就要消耗比較多的能量。因此，水分對(duì)植物來(lái)說(shuō)是不等效的。將試驗(yàn)區(qū)低吸力段水分特征曲線求導(dǎo)，所得各個(gè)層次的比水容量見(jiàn)表2。表2土壤層次/cm 02020404060試驗(yàn)區(qū)不同層次土壤的比水容量土壤吸力/MPa1.03mL MPa -1g -1由于植物根系吸水和表土

11、蒸發(fā)毛管懸著水逐漸減少，較粗的毛管首先排空，使毛管中的水分失去連續(xù)性，從而毛管水的運(yùn)動(dòng)中斷，此時(shí)的土壤含水量，稱為生長(zhǎng)阻滯點(diǎn)。土壤含水量低于此值，作物吸水困難，生長(zhǎng)受到阻滯，其值約為田間持水量的60%70%，可作為植物適宜濕度的下限。由表2可以看出：在低吸力段，土壤比水容量是隨著吸力增大而逐漸降低的，說(shuō)明即使在最有效的田間持水量到生長(zhǎng)阻滯點(diǎn)這一區(qū)間內(nèi)，水分的有效程度也不相等。同時(shí)還表明，假如植物以相同的吸力從不同土壤中吸取水分時(shí)，由于比水容量的差異，在該吸力下所7，8能取得的水量也不可能是相等的。莊季屏、吳文強(qiáng)等認(rèn)為各種土壤在低吸力段的比水容量大致可分為1mL 當(dāng)達(dá)到10-1級(jí)時(shí)，基本上MPa

12、 -1g -1和10-1mL MPa -1g -1這兩個(gè)數(shù)量級(jí)，標(biāo)志水分已處于或大致相當(dāng)于難效的生長(zhǎng)阻滯點(diǎn)到凋萎濕度這一區(qū)間，由于其活動(dòng)性低，植物利用已較困難。由表2可見(jiàn)，當(dāng)達(dá)到10-1級(jí)時(shí)的土壤吸力分別為：020cm 為0.08MPa ；2012林業(yè)科學(xué)研究第17卷植物從土40cm 為0.06MPa ；4060cm 為0.07MPa 。說(shuō)明當(dāng)土壤吸力為0.060.08MPa 時(shí)，壤中吸收的水分相當(dāng)少了，可以認(rèn)為此時(shí)植物已受到水分的嚴(yán)重制約，如果這種情況長(zhǎng)時(shí)間延續(xù)下去，植物就有可能因缺水而影響其生長(zhǎng)、凋萎甚至死亡。3.3土壤各層次垂直入滲率的模擬在毛烏素沙地降雨量小，無(wú)地表徑流現(xiàn)象，所有降水除

13、經(jīng)過(guò)地表和植物表面蒸發(fā)外，全部迅速的入滲到地下。水分在垂直入滲時(shí)，其動(dòng)力是基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)之和，對(duì)此常采用如下方程9擬合：Q /A =I =Mt 1/2+Nt +D 式中Q /A 和I 為累積入滲量，對(duì)I 求導(dǎo)得水分入滲率i ：t 為時(shí)間，M 、N 、D 為系數(shù)；i =1/2Mt -1/2+N將試驗(yàn)地和無(wú)植被沙地（對(duì)照區(qū)）上5個(gè)層次的土壤入滲擬合結(jié)果見(jiàn)表3：表3地點(diǎn)土壤層次/cm0202040試驗(yàn)區(qū)40606080801000202040對(duì)照區(qū)4060608080100（3）（4）土體各層次入滲擬合方程入滲率i 方程i =4.25t -1/2+0.88i =3.21t -1/2+1.86i =3

14、.66t -1/2+1.97i =5.21t -1/2+2.05i =4.30t -1/2+1.66i =1.64t -1/2+1.14i =1.32t -1/2+1.20i =1.97t -1/2+1.35i =3.69t -1/2+1.01i =3.79t -1/2+1.16擬合方程I =8.51t 1/2+0.88t +7.232I =6.41t 1/2+1.86t +23.316I =7.32t 1/2+1.97t +24.288I =10.42t 1/2+2.05t +15.263I =8.60t 1/2+1.66t +17.782I =3.27t 1/2+1.14t +10.381

15、I =2.65t 1/2+1.20t +7.447I =3.97t 1/2+1.35t +14.384I =7.38t 1/2+1.01t +14.084I =7.57t 1/2+1.16t +9.711降水透過(guò)地面向下滲入土壤中的過(guò)程叫入滲。在降雨開(kāi)始時(shí)，土壤前期含水量小，加之表土疏松，裂隙，孔隙大，水力坡降大，下滲強(qiáng)度很大，此時(shí)的入滲速率稱為初始入滲率。當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)，隨著土壤水分不斷增加，土壤結(jié)構(gòu)的破壞和膠體的膨脹，土壤濕潤(rùn)厚度的增加而使水力坡降減小，下滲強(qiáng)度則逐漸減少，而在土壤水分達(dá)飽和后，下滲強(qiáng)度則降至接近不變的常數(shù)，此時(shí)的入滲速率稱為穩(wěn)定入滲率。在某一時(shí)段內(nèi)，通過(guò)單位土壤表面所滲入的

16、總水量（cm 3稱為累積入滲量。入滲率（i ）隨時(shí)間而降低的現(xiàn)象是普遍存在的，開(kāi)始時(shí)入滲速率較cm -2）快，隨著時(shí)間推移而逐漸變慢，當(dāng)土體被水分充分飽和后，入滲率將趨于一個(gè)穩(wěn)定的入滲速率，10這一穩(wěn)定入滲速率接近于土壤的飽和導(dǎo)水率。從表3看出：相關(guān)系數(shù)較大，模擬效果較好；除020cm 土層外，試驗(yàn)區(qū)各個(gè)土層的穩(wěn)定入滲率均比對(duì)照區(qū)的穩(wěn)定入滲率大；在相同時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤的累積入滲量比對(duì)照區(qū)的大。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)區(qū)內(nèi)有比較大的根系和土壤動(dòng)物的孔道，這些孔道直接導(dǎo)致了穩(wěn)定入滲率和累積入滲量的增大。從表3還看出：試驗(yàn)區(qū)表層土壤的穩(wěn)定入滲率最小，僅為0.88，這是因?yàn)橥寥辣韺佑兴劳龌蛐律奶\類生物覆蓋，

17、產(chǎn)生了結(jié)皮現(xiàn)象，這些結(jié)皮很大程度上阻礙了水分的入滲。試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)各層土壤水分入滲率和時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2a 、試b 。圖2a 、b 對(duì)比可見(jiàn)：驗(yàn)區(qū)各個(gè)層次土壤的初始入滲速率都比對(duì)照區(qū)的高。這是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)內(nèi)土壤含水率比較低的增刊張強(qiáng)等： 毛烏素沙地土壤水分特征曲線和入滲性能的研究1311緣故，張萬(wàn)儒等也做出過(guò)相同的結(jié)論。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤的平均容積含水率為而對(duì)照區(qū)內(nèi)土壤的平均容積含水率為7.26%，這可能是由于對(duì)照區(qū)沒(méi)有植被消耗土壤4.17%，水分及地表的干沙層對(duì)土壤蒸發(fā)起到了一定的阻礙作用造成的。此外，試驗(yàn)地上存在的根系孔道和蟲孔也是導(dǎo)致初始入滲率加大的原因之一。按照蔣由表3可知，除0

18、20cm 外，試驗(yàn)區(qū)的穩(wěn)定入滲率在1.662.05mm min -1之間，12對(duì)黃土高原土壤入滲率的劃分，本地區(qū)屬于高入滲速率區(qū)。由模擬方程可以算出試驗(yàn)定生區(qū)各層前30min 的累積入滲量分別為80.333、與陳麗114.330、123.559、133.720、114.800mm ，13華在晉西黃土地區(qū)水土保持林地的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，本地區(qū)入滲性能較好。由圖2a 可知：試驗(yàn)區(qū)的入滲速率在前10min 隨時(shí)間而降低的幅度比較大，10min 之后變化則相當(dāng)平緩。周擇14對(duì)不同林地所做的相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明：從而再次表明了本地區(qū)福30min 后進(jìn)入緩慢入滲階段，具有良好的入滲性能，即使有較大的降雨量也不會(huì)發(fā)生地

19、表徑流，雨水會(huì)迅速入滲補(bǔ)充到地下水。圖2a 試驗(yàn)區(qū)各層入滲率和時(shí)間的關(guān)系曲線圖2b 對(duì)照區(qū)各層入滲率和時(shí)間的關(guān)系曲線4討論（1）土壤水分特征曲線通常僅能反映持水量的多寡，如果結(jié)合低吸力段的水容量進(jìn)行研究，就能較正確地評(píng)價(jià)土壤的持水性能和水分的有效程度；本地區(qū)持水能力弱，但供水能力強(qiáng)，土壤吸力在0.060.08MPa 時(shí)是植物能否有效利用水分抵抗旱情的關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)測(cè)定，試驗(yàn)區(qū)（人工檸條林）的土壤入滲性能要優(yōu)于對(duì)照區(qū)（無(wú)植被覆蓋沙地）的，（2）前10min 為迅速入滲階段，以后為緩慢入滲階段。當(dāng)降雨量足夠大時(shí)，雨水可迅速下滲補(bǔ)給到地下水。（3）鑒于本地區(qū)特點(diǎn)，造林時(shí)應(yīng)選擇抗旱能力強(qiáng)的樹(shù)種，如檸條；

20、由于土壤含水量平均值較15小，僅為4.17%，所以植苗造林時(shí)密度不宜過(guò)大，適當(dāng)增加草本植物的覆蓋度。參考文獻(xiàn)：1李小剛，楊治，謝恩波. 甘肅幾種旱地土壤低吸力段持水性能的初步研究J （4）：. 土壤通報(bào)，1994，251551572中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤物理研究室. 土壤物理性質(zhì)測(cè)定法M 科學(xué)出版社，. 北京：1978：14114814 林 業(yè) 科 學(xué) 研 究 第 17 卷 3徐良富， 李洪建， 劉太維 . 晉西北磚窯溝流域幾種主要土壤的持水特性 J土壤通報(bào)，1994，（5）199 200 . 25 ： 4張景略， 苗付山 . 黃泛平原不同質(zhì)地土壤的持水特性 J土壤學(xué)報(bào)， . 1985，

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24、g2 （1 . Beijing Forestry University， Beijing 100083， China；2 . Ningxia Forestry Institute， Yinchuan 750004， Ningxia， China） Abstract： soil water characteristic curves and infiltration capability of Maowusu sandy soil were studied in The Yanchi County， Ningxia Hui Autonomous Region， as to provide a scientific basis for vegetation recovery and so soil water management . The soil water characteristic curves of Maowusu sandy soil were measured with tensometers and then simulated with the model = a - b