王朗自然保护区不同地带土壤的水分特征曲线研究

2018-12-27赵志江葛静茹李建清赵妍晰康东伟李俊清

西部林业科学 2018年6期

赵志江，葛静茹，李建清，赵妍晰，康东伟，李俊清

(1.北京市顺义区汉石桥湿地自然保护区管理办公室，北京 101309；2.中国林业科学研究院湿地研究所，北京 100091； 3.保定学院，河北保定 071027；4.温州市林业技术推广总站，浙江温州 325027； 5.国家林业局林产工业规划设计院，北京 100010；6.北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083)

土壤水分是构成土壤肥力的重要因素，通过调节气候-土壤-植被系统的复杂动态来控制植被的时空分布格局[1，2]。土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动必不可少的环节[3]，是表征水的基质势或水吸力随土壤含水率而变化的关系曲线，是研究土壤水分保持和运移所用到的反映水分基本特性的曲线[4-5]，它受到土壤质地、结构、孔隙、温度、植被情况、水分变化的过程等多种因素的影响[6-7]。通过对土壤水分特征曲线的研究，可以查得田间持水量和相应的有效水的范围并判断土壤质地[8]。对不同的土壤水分的有效性和持水性进行系统研究，有助于通过林业措施最大限度的利用有限的天然资源，增加土壤水持久性，使地上的植物等能够充分地利用水资源[9]。

土壤气态水运移对植物水分供应也具有一定的作用，尤其在地表干土层，气态水比液态水运移更为重要，研究土壤对气态水的吸附(absorption)、解吸(desorption)特征曲线可以进一步完善土壤水分运移模型，对于深入了解水分在特定SPAC系统中的运动规律非常重要[10]。但是，干土的水势(water potential)一直被业界研究人员认为是非常难测定的。1986年Campbell和Gee曾经用盐溶液来平衡土样，并且反复测量直到水容量恒定为止，此种方法通常要几周甚至几个月，而且测出的水势范围非常小[11]。鉴于此，迫切需要更为便捷和精确的实验技术来测定低土壤水势的水分特征曲线。

由于受到1976年松潘-平武地震和2008年汶川地震的影响，王朗自然保护区内存在大量的裸露滑坡与泥石流遗迹，迫切需要恢复植被。但由于地震遗迹坡度大、表层土壤质地差，造成表层土壤保水性不好，在一定程度上阻碍并延缓了植被恢复进程。因此，本研究利用吸湿等温曲线自动测绘仪-AquaSorp测试并分析不同地带土壤的气态水分运移规律，以期为大熊猫(Ailuropodamelanoleuca)栖息地的植被恢复提供基础数据。

1 研究区概况

四川王朗国家级自然保护区位于四川省西北部的平武县境内，地理范围为103°50′-104°58′E，31°59′-33°02′N，面积32 297hm2，始建于1965年，是中国最早建立的以保护大熊猫为主的自然保护区之一。保护区属丹巴-松潘半湿润气候，气候垂直分布随海拔从低到高呈现出暖温带、温带、寒温带、亚寒带、永冻带的带谱类型。由于季风影响，该区形成干湿季节差异。干季为当年11月至次年4月，表现为日照强烈、降水少、气候寒冷、空气干燥的特点。湿季为5月至10月，气候特征是降雨集中、多云雾、日照少、气候暖湿。年均温2.9℃，7月平均气温12.7℃，1月平均气温-6.1℃，最热7月均温24.2℃，极端高温26.2℃，极端低温-17.8℃，≥10℃的积温1 056.5℃，年降水量859.9mm，降水日数195d，集中在5月至7月。由于1976年松潘-平武大地震和2008年汶川地震的影响，至今尚存有大量裸露或接近裸露的泥石流和滑坡遗迹，亟待进行植被恢复。

2 研究方法

2.1 土壤取样

试验取样地点选在王朗自然保护区白沙沟一个较大的地震滑坡，该滑坡是1976年松潘-平武地震后的遗迹，地理坐标为104°2′55″E，32°53′1″N，海拔3 010m，在滑坡中上部平行于等高线设定1个10m宽的样带，一直延伸至滑坡旁边的森林内部，在此样带内，分别选取滑坡地带(A1)、滑坡与森林交界的过渡地带(A2)、滑坡旁边的森林地带(A3)为土壤采样点，除此之外，在大窝凼沟谷的原始森林内选取一处代表性样块(A4)进行取土，作为对照。根据土壤自然状况，每一个取样地点分0-10cm和10-20cm两层取样。用环刀法采样，同时用信封袋将土壤装好，共采集8个土样。

2.2 测定仪器及测定流程

2.2.1 测定仪器

采用AquaSorp土壤水分特征曲线快速测定仪进行测试，该仪器是当前国际上研究土壤水分特征曲线中采用最新测试方法而诞生的仪器，由软硬件两部分组成，硬件主要包括AquaSorp主机、干燥管、信息指示中心、样品室、样品杯、储水室等；软件主要使用SorpTrac来启动、收集和分析测试数据。

AquaSorp利用等温动态露点技术(DDI)，即利用水活度(Water Activity，AW)和重量分析法创建等温曲线。水活度是指物质中水的蒸汽压与该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值。在吸湿与干燥过程中测量水活度和水分含量，既不控制水分含量也不控制水活度。水分含量通过高精度的磁力天平测得，水活度利用DECAGON冷镜露点传感器测得。

AquaSorp所测曲线水势范围约为-500MPa到-5MPa，植物几乎不能利用该水势范围内的水分。该曲线反映了土壤对气态水的吸附与解吸过程中存在的规律，对应于土壤包气带中的水汽运移过程(非饱和流)和干土层中气态水的运移过程。该水势范围的研究对于更好地了解SPAC中土壤水汽扩散、水汽凝结、表土层水分蒸发以及夜潮现象和冻后聚墒现象都有重大意义[10]。

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2.2.2 测定流程

(1)样杯和土样准备

在土壤水分特征曲线测定之前，用纯净水将样杯彻底洗净后烘干至恒重，用精密天平进行称重，并标好所对应的土样。测量结果如表1所示。测试土样无需特殊处理，自然风干后，各取少量以覆盖杯底为宜。

(2)参数设置

温度设置王朗自然保护区最热7月均温为24.2℃，且极端高温26.2℃，温度越高，空气相对干燥，土壤气态水运移过程更容易受到影响，因此，试验使用的是默认温度25℃，在此温度下考察不同地带土壤对于气态水的吸附和解吸过程。

水活度阈值设置水活度阈值取决于想要研究的水活度范围，根据吸湿过程中是否会产生相变来设置水活度阈值。试验设置等温曲线的最高上限是0.95，最低是0.03。

泵速设置泵速为泵入样品室的空气速度。试验采用默认设置300mL/min。较快的泵流速可以使等温曲线进行得很快，但是会导致少量的点分布位置发生轻微的偏移。

(3)土壤烘干并称重

测试结束之后，将盛有土样的样杯取出，放入烘箱烘干24h，以便土壤中的水分可以完全解吸。从而更准确地计算出土壤的含水量。烘干之后，土样和样杯重量见表1。

表1 测试之前与测试之后样杯重量

注：测试之后样杯重量为烘干后样杯与土样的总重量。

2.3 土壤水分特征曲线

3 结果与分析

3.1 各样地不同深度的土壤水分特征曲线

根据公式(1)换算，可得滑坡(A1)、滑坡与森林交界的过渡地带(A2)、滑坡旁边的森林(A3)、对照样地(A4)分别在0-10cm和10-20cm土层的土壤水分特征曲线(图1-图4)。

图1 A1样地的土壤水分特征曲线图

图2 A2样地的土壤水分特征曲线图

图3 A3样地的土壤水分特征曲线图

图4 A4样地的土壤水分特征曲线图

从图1-图4可以看出，所有土样都表现出如下特征：在相同水势的情况下，通常脱水比吸水情况下土壤所含吸附水量高。一般在曲线斜率较大的区域内，土壤吸附气态水的能力较强，当水势稍有增大时，土壤吸附水量增加较多。和许多其他孔性固体吸附剂一样，在一定的相对水气压范围内，土壤对水气的吸附等温线大多和解吸(脱附)等温线发生分离，也就是吸附滞后现象[10,14-15]。造成这种现象的原因较多，主要原因可能是：(1)被脱水干土土粒的表面吸附有空气，它妨碍后来吸水时对水分子的吸附；(2)烘干土壤的过程会引起土粒表面某种不可逆的变化，这种变化可降低土壤的吸附能力；(3)毛管凝聚作用[10,14-15]。吸附曲线和解吸曲线分离部分构成的环称为吸附-解吸滞后圈[16]。

在滑坡地带(A1)所取土样，0-10cm土层的土壤和10-20cm土层的土壤吸附和解吸曲线的斜率变化相差不大(图1)，因此，2个土层的土壤的吸附和解吸能力相差不大。并且2个土层的土壤都是随着水分的增多，土壤水势越高，土壤的吸水力越大[17]。

在滑坡与森林交界过渡地带(A2)所取土样，0-10cm土层的土壤在-100MPa-0MPa水势下，土壤的吸附曲线和解析斜率都较大(图2)，土壤含水量急剧上升和下降，可能是由于在吸附过程中，当相对水气压稍有增大时，土壤吸附水量增加较多。而在解吸过程中，可能是由于水势较大时，吸力较小，因此含水量急速下降。在相同水势范围下，0-10cm土层的土壤含水量比10-20cm土层的土壤含水量高很多。这应与土壤的组成随土壤深度变化规律有关，在0-10cm土层，由于土壤富含腐殖质，保水能力比较强；在10-20cm土层，该范围内的土壤质地为粗沙，保水能力较小[18]。此外，在-100MPa-0MPa水势下，0-10cm土层的土壤和10-20cm土层的土壤吸附曲线的斜率变化相差很大，因此，2个土层的土壤的吸附能力相差也应该较大。

在滑坡旁边的森林地带(A3)所取土样，在相同水势的情况下，10-20cm土层的土壤较0-10cm土层的土壤含水量较高(图3)。可能是由于森林内的植被较多，植物根系的吸附作用使土壤持水能力增强，因此较深层土壤的含水量较高。

在对照样地(A4)所取土样，0-10cm土壤层次和10-20cm土壤层次的土壤水分特征曲线变化都相对平缓，土壤的水势较高，且水势变化范围较为一致(图4)。

3.2 不同土样间土壤水分特征曲线的比较

0-10cm土层的土壤，在相同的水势范围内，滑坡样地(A1)的土样的水分含水量最少，明显低于其他3个样地，曲线位置在最下面(图5)。各个样地土壤含水量的平均值比较结果是：滑坡旁边的森林(A3)>对照样地(A4)>滑坡与森林交界的过渡地带(A2)>滑坡地带(A1)。在森林样地因为有大量的植物，对土壤水分的保持能力大大增强，故在森林样地(A3)中所取得的土样的含水量最高且变化小，土壤水分特征变化曲线是平缓下降的。在滑坡与森林交界的过渡地带(A2)，可能是由于植被较少，水分极容易排走，保持的水分很少，到达一定的水势的时候，孔隙中的水分又会很快排空，土壤的含水量会急剧的下降，所以曲线坡度比较陡。滑坡地带(A1)的土壤可能是由于结构松散，抗剪强度和抗风化能力都较差，持水能力低，供水能力不强，因此有效水含量最少，曲线变化比较平缓。

图5 A5样地的土壤水分特征曲线图

10-20cm土层的土壤，在相同水势范围内，森林样地(A3)的土样的总含水量最多，土壤含水量明显高于其他3个样地，但滑坡与森林交界的过渡地带的土样(A2)的含水量低于滑坡地带(A1)的土样的含水量，曲线位于最下方(图6)。各个样地土壤含水量的平均值比较结果是：滑坡旁边的森林(A3)>对照样地(A4)>滑坡地带(A1)>滑坡与森林交界的过渡地带(A2)。在本土层中，滑坡与森林交界的过渡地带(A2)的含水量比滑坡地带(A1)的含水量低，可能是由于过渡地带的土壤的质地偏砂质，一般砂质土壤孔隙比较大，持水能力比较差。在同一吸力值下，干土壤密度越大的土壤，相应的含水率一般也要大些[14]。