天涝池流域祁连圆柏林地土壤持水特征研究

赵志刚，蒙圆圆，王水献，许 翔

（兰州大学资源环境学院，兰州 730000）

土壤是森林生态系统的重要组成部分，是植被生长和发育的基础［1，2］。土壤持水性是土壤的基本物理性质，是反映土壤水源涵养能力、研究土壤水分运动规律以及揭示土壤-植物-大气水文过程的重要因素［3，4］，而土壤水分特征曲线（Soil Water Retention Curve，SWRC）是表征土壤持水能力的基本工具［5，6］。

目前常用的关于SWRC 的经验模型有Gardner［7］、van Genuchten［8］、Broods Corey［9］、Fredlund Xing［10］模型等。其中，Gardner模型在众多模型中由于形式简单、参数少、便于计算，因此实际应用比较广泛，并且有许多研究表明该模型的拟合效果能够满足实际需求，如陈印平等［11］研究发现，Gardner 模型可用于描述黄河三角洲农田防护林的土壤持水特征；孙迪等［12］研究认为，Gardner模型可以较好地反映长白山阔叶红松林不同深度的土壤含水量与土壤水势之间的数量关系等。van Genuchten模型是目前国内外描述SWRC 的最为普遍的模型，因为大量研究表明该模型对不同质地的土壤均有较好的适用性，安乐生等［13］基于非饱和土壤水力性质数据库（UNSODA）选取的256 个土样，系统性地验证了van Genuchten 模型对于SWRC 具有较好的拟合能力。对于Broods Corey 与Fredlund Xing 模型，王愿斌［14］、秦文静［15］等研究认为Broods Corey 模型适用于质地较粗的土壤，而辛琳等［16］研究发现Fredlund Xing 模型更适合描述黏土的土壤水分特征曲线。总之，关于上述4 种模型的应用研究虽然取得了显著成果［17-21］，但对地理位置和气候条件特殊、生态环境脆弱的高寒山区的应用相对较少，其适用性及有效性有待进一步深入探讨。

祁连山区是典型的高寒山区地段，祁连圆柏是该地段的优势树种，在响应气候变化、维持区域生态稳定、涵养水源等方面起着重要作用［22-25］。探究祁连圆柏林地的土壤持水特征，对于深入探讨高寒山区的土壤水运动、溶质运移、植物用水等过程具有重要意义。基于此，本文以祁连圆柏试验样地不同土层深度的土壤为研究对象，利用离心法获取各土层的实测土壤水分特征曲线，同时选用上述4 种经验模型，做非线性拟合分析［26-27］，确定适合该样地的最优拟合模型，进而分析各土层土壤的持水能力及其变化规律。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于祁连山黑河上游天涝池流域（图1），该流域是黑河一级支流寺大隆河的子流域，流域总面积12.8 km2，河流纵长6.0 km，海拔2 650～4 450 m。流域年均气温0.6～2 ℃，年均相对湿度60%，年降水量400～600 mm，且集中在5-9月份，属于典型的高寒半干旱、半湿润山地森林草原气候。流域内的植被类型丰富且具有垂直分异的空间分布特征，随海拔梯度的变化，自上而下依次为高山草甸（3 800～4 500 m）、灌木林（3 200～3 800 m）、乔木林（2 800～3 200 m）、干草原（2 650～2 800 m），其中乔木林主要有分布在阴坡的青海云杉和分布在阳坡的祁连圆柏。该区域的土壤类型主要有森林灰褐土、高山草甸土、山地栗钙土等［28，29］。

1.2 采样和测定

试验土样于2020年9月采集于天涝池流域25 m×25 m的祁连圆柏林样地（E99°56′，N38°26′）。在采集土样时，沿坡度自上而下选取3个剖面，在每个剖面利用环刀（容积为98.175 cm3）分别在距离土壤表层10、20、30、40、50、60 cm 深度处取原状土样，且每层取2 个重复样，最后封装编号带回实验室。选用烘干称重法测定土壤含水率、环刀法测定土壤容重，利用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定土壤的机械组成，并按照国际制土壤质地分类标准划分土质类型。采用日立CR21GⅢ型高速冷冻离心机测定土壤水分特征曲线，首先将饱和环刀装入离心管内并记录初始质量，设置转速依次为310、980、1 700、2 190、2 770、3 100、5 370、6 930、8 200 rpm，然后待达到各自离心时间后分别测定其离心管质量，最后将环刀放入恒温干燥箱中烘干称重，计算各土壤吸力所对应的土壤含水量并建立土壤水分特征曲线。

1.3 土壤水分特征曲线模型

本文根据现有的研究成果，选用Gardner、van Genuchten、Fredlund Xing、Broods Corey 四种模型进行拟合分析。模型表达式及参数含义如表1所示。

表1 4种土壤水分特征曲线模型汇总表Tab.1 Summary of four soil water characteristic curve models

1.4 数据处理

利用Matlab 8.5 自带的粒子群算法（particle swarm optimization，PSO）工具箱函数对实测水分特征数据进行拟合，得到各模型的最优参数值。在求解参数的基础上，计算模型模拟预测值，采用均方根误差（RMSE）、决定系数（R2）对拟合精度做综合评估，并利用Origin 2019b 将实测与拟合土壤水分特征曲线绘制到同一坐标系中。

2 结果与分析

2.1 样地土壤物理特征

由统计分析可得，试验样地所选3 个剖面的土壤物理性质变异程度属于弱变异（CV＜15%），因此，本文以各剖面土壤物理指标均值作为试验样地土壤的基本物理参数。由表2可知，样地土壤饱和含水率在50.62%～69.31%之间，土壤容重在0.76～1.14 g/cm3之间。土壤表层10 cm 内由于草根密度大并含有大量腐殖质，因此饱和含水率最高（69.31%）、土壤容重最小（0.76 g/cm3）。从10～60 cm土层，土壤的机械组成发生明显变化，砂粒含量从37.40% 减少到17.32%，黏粒含量从19.22% 增加到33.01%，而粉粒含量变化不大（SD=3.85%）。此外，土壤容重与饱和含水率、砂粒含量极其显著负相关（r=-0.94，P＜0.01），而与黏粒含量呈明显的正相关关系（r=0.83，P＜0.05）。

表2 试验样地土壤的基本物理性质Tab.2 Basic physical properties of soil in test plot

2.2 实测土壤水分特征曲线

根据实验所设定的吸力值与植物有效水范围（0.01～1.5 MPa），本文以“生长阻滞湿度”（0.1 MPa，1 019.72 cm）为界［30］将土壤水吸力划分为两个吸力段即吸力水头值＜1 000 cm 为低吸力段，吸力水头值＞1 000 cm 为高吸力段，并且分别计算了低吸力段与高吸力段土壤含水率的变化量即土壤失水率（表3）。从实测土壤水分特征曲线（图2）可见，各土层土壤含水率随土壤水吸力变化的总体趋势均表现为：在低吸力段，土壤含水率急剧下降，曲线比较陡直；在高吸力段，土壤含水率变化小，曲线趋于平缓。其中0～10 cm 土层由于土壤粒径大、质地粗、大孔隙数量相对较多且基质势小，因此当土壤水吸力较小时，土壤水优先从大孔隙流出，从而导致土壤失水率较高、土壤水分特征曲线较陡。而在10～60 cm 土层之间，随着土壤水吸力以及土壤深度的增加，砂粒含量减少、黏粒含量增加，土壤小孔隙数目增多，土壤颗粒表面吸附作用增强，从而导致水分运移速率降低、土壤失水率减小，水分特征曲线趋于平缓。

从各土层的土壤失水率（表3）可见，不同土层在各吸力段的失水率不同，从土壤表层到50 cm 土层范围内，低吸力段失水率从29.61%减少到20.73%，高吸力段失水率由7.98%增加到11.07%，累积土壤失水率从37.59%减少到31.80%。其中0～10 cm 与40～50 cm 土层差异最为显著，低吸力段失水率相差10%，高吸段的失水率相差3%，累积土壤失水率相差6%。此外，随着土壤深度的增加，低吸力段的土壤失水率与累积土壤失水率变化趋势相同，呈正相关关系，而与高吸力段的失水率变化趋势相反，呈负相关关系。

表3 各土层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线拟合

为评价上述4种经验模型的拟合效果以及确定适合祁连圆柏试验样地的最优拟合模型，本文利用Matlab 程序包中的粒子群算法对不同土层深度的实测土壤含水率进行非线性拟合。从各模型的拟合评价指标（表4）可见，G、BC、FX、VG 4 种模型在0～60 cm 土层的均方根误差（RMSE）均值分别为0.020 2、0.021 7、0.007 2、0.007 3（SD=0.50%，0.54%，0.34%，0.32%），决定系数（R2）均值分别为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 土层的拟合效果比较接近，R2均在0.98 以上，而在40～50 cm 土层的拟合效果差异显著，其中BC 模型的拟合效果最差，R2为0.903 4，RMSE为0.031 4，VG 模型的拟合效果最好，R2为0.998 4，RMSE为0.004 3。对于其他土层，VG与FX模型的R2值始终高于BC与G模型，RMSE值始终小于BC与G模型。

表4 各模型拟合评价指标值Tab.4 Fitting evaluation index values of each model

2.4 土壤物理特性与模型参数的相关性分析

利用Spass22.0 统计软件中的Spearman 秩相关系数［31］分析土壤容重、机械组成与FX 和VG 模型参数的相关性（表5）。从表5可见，土壤容重、黏粒百分比与FX 模型中的参数a、b均呈显著正相关，与参数c呈显著负相关，砂粒百分比与参数a、b均呈显著负相关，与参数c呈显著正相关，而粉粒百分比与FX 模型中各参数的相关性较差。对于VG模型，黏粒百分比与参数a呈显著负相关，容重与参数a呈正相关但未达到显著性水平，粉粒与参数n、m呈负相关，而砂粒与各参数的相关性较差。

表5 土壤物理参数与优选模型参数的Spearman秩相关系数Tab.5 Spearman rank correlation coefficients of soil physical parameters and parameters of optimized model

3 讨 论

3.1 土壤水分特征曲线拟合评价及模型优选

本文在探讨祁连圆柏样地各土层土壤水分特征曲线时，选用了4 种经验模型（G、BC、FX、VG）来拟合实测土壤含水率，由表4、图3可知，4 种模型的决定系数均在0.90 以上，整体拟合效果较好，但随着土壤水吸力的增大，各模型拟合值与实测值的差异性更加显著，拟合效果逐渐变差，因此上述4种模型仅适用于描述毛管水流运动，无法模拟以及预测全吸力范围内的土壤水运动［32］。此外，研究发现G 模型在低吸力段的拟合效果要优于高吸力段，但丁新原［33］等认为G 模型在高吸力段的拟合效果更好，可能的原因是研究的土壤类型差异显著，或者是土壤水分特征曲线的测定方法不同进而导致结果不同。

根据土壤质地分类可知（表2），试验土壤主要包括黏壤土、粉砂壤土、粉砂质黏壤土以及粉砂质黏土。其中BC 与G 模型对黏壤土与粉砂壤土的拟合效果要优于粉砂质黏土，说明BC与G 模型对于中粗质地土壤具有更好的适用性，这与石文豪［34］、刘建立［35］等的研究结果一致。FX 和VG 模型对4 种土壤的拟合决定系数均高达0.98 以上，说明FX 和VG 模型均适用于描述黏土与壤土类土壤水分特征曲线。

总体而言，BC 模型的RMSE值高于其他模型，且R2值小于其他模型，而FX 与VG 模型的各评价指标相差甚微。根据各评价指标的评价标准即RMSE值越小、R2越接近于1，拟合效果越好，可得BC模型的拟合效果最差，G模型次之，FX和VG模型的拟合效果最好，因此FX 和VG 模型均可作为祁连园柏样地的优选模型。另外，本文虽然探讨了上述4种经验模型的适用性，但对于其他模型在该区域的适用性有待进一步研究。

3.2 不同深度土壤的持水能力

土壤的持水性一般有两种表示方法［36］，一种是用饱和含水量、田间持水量、非毛管孔隙度等形态指标表示，另一种是用表征吸力与含水量关系的水分特征曲线表示。本文选择了后者来探讨土壤的持水能力而没有系统的探讨形态指标与土壤持水性的关系，主要是由于在测定饱和含水率、容重等指标过程中存在水量损失、土壤质量损失等问题，导致各指标与实际情况存在偏差，因此不宜用来于描述土壤的持水性。而对于土壤水分特征曲线的测定，本文选用离心法来测定，虽然该方法简单迅速，但仍有不足之处［37，38］，如离心过程中，由于离心力的作用，使土样颗粒间相互挤压，导致土壤孔隙结构发生改变，在一定程度上改变了土壤的持水性，因此还需将室内实验结果与田间测量结果作比较［39］，才能进一步确定实验结果的准确性。

土壤水分特征曲线的高低能够反映土壤的持水能力，即曲线越高，持水能力越强［40］。本文根据实测土壤水分特征曲线（图2）及土壤失水率（表3）可知，累积土壤失水率与土壤水分特征曲线的高低呈负相关关系，即累积土壤失水率越低，水分特征曲线越高，则土壤的持水能力越强，具体表现为40～50 cm＞50～60 cm＞30～40 cm＞20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm。同时，4 种模型在高吸力段的拟合曲线（图3）与实测曲线的变化规律相同，即随着土壤水吸力的增大，40～50 cm 土层仍具有释放较多水分的潜力，而0～10 cm 土层失水较少且逐渐趋于稳定，因此拟合水分特征曲线的高低也可用来表征土壤的持水能力。此外，整个0～30 cm 土层在低吸力段的失水率相对较高，但由于表层蒸发以及渗透损失大，水分容易散失掉，不利于植被的吸收利用，而30～60 cm 土层在低吸力下的保水能力强，在高吸力下又能释放较多的水分，表明该土层抗旱性强，在干旱环境下能够为植被提供较多的水分，因此，30～60 cm 土层是祁连圆柏样地的主要水源涵养层，且这一结论与车克钧等人［41］的研究结果一致。

4 结 论

（1）4 种土壤水分特征曲线模型（G、BC、FX、VG）的决定系数均值依次为0.969 6、0.948 8、0.995 3、0.995 7，其中FX 和VG模型的决定系数最高且十分接近，因此，FX 和VG 模型均可作为祁连圆柏样地的优选模型。但通过分析土壤物理参数与模型参数的相关性可知，FX模型参数与土壤物理参数的相关性要优于VG模型，表明FX模型参数的物理意义更加明确。

（2）根据实测与拟合土壤水分特征曲线可知，祁连圆柏样地不同土层深度的土壤持水能力存在显著差异，持水能力从强到弱依次为：40～50 cm＞50～60 cm＞30～40 cm＞20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm，其中30～60 cm 土层的持水性与有效性整体上优于0～30 cm土层，因此，该土层是祁连圆柏样地的主要水源涵养层，对于植被抗旱具有重要作用。□