北京西山侧柏林和刺槐林土壤水分研究

李 娇，牛健植

（北京林业大学 水土保持学院／水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京100083）

土壤水分特征曲线是研究土壤水分运移的重要参数，反映了土壤含水量与土壤基质势之间的关系［1］。近些年来，人们提出了许多能够较好描述土壤水分特征曲线的模型，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模型因为适用土壤质地范围广而得到了广泛的应用。在北京西山地区，Gardner幂模型对土壤水分特征曲线拟合精度也较高，与实测数据拟合效果好，能够较好表征土壤 水 分 特 征 曲 线 的 规 律［1，6－7］，其 表 达 成 为：θ＝AS－B，其中，θ为土壤体积含水量，S为土壤吸力，A、B为参数。A决定曲线高低，代表土壤持水能力的大小。B决定曲线的走向，代表含水量随土壤水势降低而减慢的速度快慢。

土壤水分有效性是指从田间持水量到永久凋萎点之间的土壤水分对植物有效性的程度［8］。目前，关于土壤水分有效性分析方法有以下几种：（1）利用土壤田间持水量、凋萎系数等田间水分常数来描述林木根系吸水的难易程度［9］。（2）通过获得土壤水分特征曲线，根据曲线斜率突变定性大致确定植物利用土壤水分难易程度的分界点［1］。（3）通过研究土壤水分和对应树种生理参数的定量关系，利用水分生理学原理得出以林木光合作用和水分利用效率为标准的林地土壤水分有效性分级标准［10］。本文通过第二种方法确定土壤水分有效性的土壤吸力临界点。

目前，国内关于不同植被类型土壤水分状况研究较多，尤其是在裸地或弃耕地在天然植被恢复过程中草本、灌木、乔木对于土壤物理化学性质的改良作用［11－15］。而对不同树种的近成熟人工林对土壤性质的改良研究较少。本文以土壤水动力学为基础，借助数学模型，以北京西山刺槐林和侧柏林为例，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，以及不同类型树种对土壤性质的改良作用。为适宜的土壤和降水条件下造林树种的选择以及植物生长过程中水分的调控提供理论依据［16］。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

实验地在北京市海淀区西山鹫峰林场，地理位置为东经116°28′，北纬39°34′，实验地的平均坡度为15°～35°，水土流失情况较为严重。该区属于暖温带大陆性季风气候，年均温11.8℃，年降水量700mm，降水集中在7—8月，占全年降水量的70%。现存植被主要是20世纪50—60年代建造的人工林，主要树种有栓皮栎（Quercus variabilis）、刺槐（R.pseudoacacia L）、刺柏（P.orientalis Linn.Franco）、油松（Pinus tabuliformis）等。土壤母质为凝灰岩、砂岩、石灰岩和砾岩风化的残积、坡积物。试验地土壤容重为1.06～1.83g／cm3，土壤的总孔隙度为42%～61%。土壤质地较粗，大孔隙较多、毛管力微弱［1］。

1.2 研究方法

在林龄相同的刺槐林和侧柏林下各选一块样地，样地海拔相同，均为半阳坡。在每个样地中随机挖取一个剖面，分0—20，20—40cm两层进行采样。每次采样重复两次。通过离心实验测定土壤水分特征曲线。实验中所用仪器为落地式—高速冷冻离心机H-1400pF，实验用环刀为离心机配套的环刀，其内直径和高度均为5cm。

1.2.1 土壤水分特征曲线的测定 将采集的原状土样带回实验室，称重后将其放入清水中浸泡48h，使其达到饱和状态，取出每次称重。然后放入离心机内，从小到大依次设定10个不同的转速对土壤进行离心脱湿处理。10个转速分别为500，1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，4 000，5 000，6 000，7 000rpm。每次离心完成后进行称重，由此可得到在不同土壤吸力（由相应转速换算可得）条件下土壤的体积含水率，进而得到土壤水分特征曲线。

1.2.2 土壤比水容量计算 比水容量C是含水量对基质势的导数，即：

式中：θ——土壤体积含水量；S——土壤水吸力，S＝－Ψm。根据得出的土壤含水量与土壤吸力之间的幂关系，求导得到比水容量Cθ＝ABS－（B＋1）。

1.2.3 数据处理 数据前期用Excel 2007进行处理。后期通过Origin 8.5专业绘图软件得到相应的回归方程。将模拟幂函数求导得到比水容量计算式再带入Origin软件计算。

2 结果与分析

2.1 土壤水分特征曲线分析

土壤的水势和含水量有着密切的关系。在一定的环境条件下，土壤一定的含水量反映一定的能量状态，或者在一定能量状态下能保持一定的水量。

图1中，4条曲线的形状大致相同：在吸力＜0.1 MPa范围内，随着吸力的增大，土壤水分含量急剧下降。在此阶段，植物吸水耗能少；在0.1MPa之后再增大吸力，土壤水分减少的速率明显减慢且逐渐趋于平缓。说明土壤在吸力＞0.1MPa之后，水分释放困难，即植物吸收与之前相同的水量，但消耗的能量却要多得多。所以，土壤水分有效度较低。土壤的易效水能够放出较多水量，但范围窄；难效水吸力范围内只能放出少量水，植物难以利用。因此植物利用土壤水较困难，水分运动速度和有效度降低。在低吸力范围内，土壤所能保持或释放出的水量取决于较粗的孔隙分布。曲线在吸力＜0.1MPa范围内水分迅速减少，说明实验地土壤中颗粒间孔隙较粗，土壤质地为砂土或砂壤土。

图1 实验地土壤水分特征曲线

由表1可见，试验地土壤含水量与土壤水吸力的曲线拟合相关系数R2都大于0.9，说明Gardner和Visser提出的经验方程θ＝AS–B对该地区土壤水分特征曲线的模拟效果很好。方程中参数A决定了曲线的高低，即持水能力大小，A值越大，持水能力越强；参数B决定曲线的走向，即土壤含水量随土壤水势降低而递减的速度。拟合结果显示，侧柏林下A值分别大于相应层次的刺槐林。另外，在刺槐林下，上层土壤A值大于下层，而在侧柏林下，上层土壤A值小于下层。说明目前侧柏林下土壤总体持水性要优于刺槐林，即侧柏林对土壤持水能力的改善效果要好于刺槐林。但是刺槐林和侧柏林对土壤上层和下层的改良效果不一致。

表1 试验地土壤含水量与土壤水吸力关系

2.2 土壤的供水性质比较

土壤的供水性是指在一定条件下土壤对植物生理需水的供给能力，常以有效水和有效度衡量。土壤水分特征曲线的斜率dθ／dS成为比水容量，表示单位土水势（或吸力）变化时单位质量土壤可释放出或可吸入的水量。它能说明土壤水分的有效性和供水容量的大小。在曲线上，同样的含水量差值对应的土壤水势差值却不相同。这就造成了植物在吸收一定水量时需要消耗的能量不同。因此，比水容量是说明土壤水分有效程度的一个重要参数。

表2 试验地土壤的比水容量

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。从表2可知，刺槐林和侧柏林AB值略有差异。刺槐林两个土层深度的土壤AB值都大于侧柏林，同一林种下表层土壤AB值大于底层。由此可见，刺槐林的供水性能较侧柏好，即植物分别在刺槐林下和侧柏林下土壤吸收一定量的水分，前者耗能较少，后者较多。在干旱胁迫的环境条件下，与侧柏林下相比，植物在刺槐林下更容易存活。同时，两树种林带下，都是表层土壤持水性相对好。分析其原因可能是表层土壤中有机质较多，相对于土壤颗粒，有机质的持水性更好，并在植物需要时将水分释放，易于供给植物。根据比水容量定义可知，当比水容量达到10－2数量级时，植物所能吸收的水量就显著减少，水分运动和有效度也显著降低，此时植物利用水分困难，植物正常生长受到影响。同时，在表2中，侧柏林比水容量在0.3MPa时达到10－2数量级，刺槐在0.3MPa时比水容量为0.1，接近10－2，按照比水容量变化趋势可以认为其临界点也是0.3MPa。所以，易效水和难效水吸力界点为0.3MPa。

3 结论与建议

（1）北京鹫峰地区土壤水分和水吸力之间的幂关系显著，Gardner幂模型θ＝AS–B具有很好的模拟效果，决定系数较高；同时发现Van-Genuchten模型的拟合效果也较好，但相关系数稍低。

（2）关于土壤持水性，总体来说西山土壤质地较粗，因此土壤的易效水范围较窄，难效水吸力范围相对宽。土壤含水量在较低范围时，植物吸收利用困难。但是不同树种间存在一定差异，侧柏林下土壤总体持水性要优于刺槐林，侧柏林对土壤持水能力的改善效果要好于刺槐林。且刺槐和侧柏对土壤的改良在空间垂直方向上也有差异性。原因可能是刺槐和侧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，刺槐和侧柏林下土壤供水性能都是随着土壤吸力的增加而呈递减趋势。刺槐林的供水性好于侧柏林，这与李笑吟等［18］在晋西得出的土壤水分有效性研究中刺槐供水性质优于侧柏相一致［18］；同时表层土供水性好于下层，但是在黄土区底层土供水性质要好于表层。这说明土壤质地对于土壤供水性具有决定性作用，而且植物对于其供水性质有一定的改良效果。本研究试验地中，土壤易效水与难效水吸力界点都为0.3MPa左右。

本文通过土壤水分特征曲线，说明了在不同林种和土层深度下土壤持水性、供水性方面有差异也有共性。如果考虑土壤物理性质，其影响情况还需进一步探讨。

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