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Simulation and analysis of soil water retention curves within and between hedgerows in Northern China farm system

北方地区植物篱系统土壤水分特征曲线模拟与分



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015299 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
何修道,党宏忠,王立,周泽福,吕文强.北方地区植物篱系统土壤水分特征曲线模拟与分析.草业学报,2016,25(7):4251.
HEXiuDao,DANGHongZhong,WANGLi,ZHOUZeFu,LVWenQiang.Simulationandanalysisofsoilwaterretentioncurveswithinandbe
tweenhedgerowsinNorthernChinafarmsystems.ActaPrataculturaeSinica,2016,25(7):4251.
北方地区植物篱系统土壤水分
特征曲线模拟与分析
何修道1,党宏忠2,王立1,周泽福2,吕文强1
(1.甘肃农业大学林学院,甘肃 兰州730070;2.中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京100091)
摘要:以北方风沙区、黄土区、黑土区的典型植物篱为研究对象,在测定植物篱系统带内、带间部位土壤质地、土壤
孔隙度、有机质含量、水稳性团聚体等指标的基础上,采用VanGenuchten模型模拟了不同地区植物篱土壤水分特
征曲线。结果表明,风沙区、黑土区植物篱带内土壤孔隙度、有机质、水稳性团聚体含量均比带间高,黄土区植物篱
带内土壤孔隙度、有机质、水稳性团聚体含量则比带间的低;各区域植物篱系统带内土壤含水率均比带间高,并且
土壤持水力(土壤含水率)随着土壤水吸力的增大而减弱,风沙区植物篱带内、带间土壤持水力最弱,黑土区植物篱
相应部位土壤持水力最高。说明植物篱具有改善土壤质地、结构,提高土壤含水率的作用,在治理坡面水土流失方
面具有重要意义。
关键词:植物篱;土壤水分特征曲线;VanGenuchten模型  
犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀犪狀犱犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳狊狅犻犾狑犪狋犲狉狉犲狋犲狀狋犻狅狀犮狌狉狏犲狊狑犻狋犺犻狀犪狀犱犫犲狋狑犲犲狀犺犲犱犵犲狉狅狑狊犻狀
犖狅狉狋犺犲狉狀犆犺犻狀犪犳犪狉犿狊狔狊狋犲犿狊
HEXiuDao1,DANGHongZhong2,WANGLi1,ZHOUZeFu2,LVWenQiang1
1.犆狅犾犾犲犵犲狅犳犉狅狉犲狊狋狉狔,犌犪狀狊狌犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730070,犆犺犻狀犪;2.犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犇犲狊犲狉狋犻犳犻犮犪狋犻狅狀犛狋狌犱犻犲狊,犆犺犻狀犲狊犲
犃犮犪犱犲犿狔狅犳犉狅狉犲狊狋狉狔,犅犲犻犼犻狀犵100091,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thisstudyaimedtosimulatesoilwaterretentioncurveswithinandbetweenhedgerowsoffarmsys
temsinnorthernChinabytheVanGenuchtenmodel.Typicalhedgerowsystemsinregionsofsandy,loessand
blacksoilswereselectedforstudy.Thesoiltexture,soilporosity,soilorganicmatterandsoilwaterstableag
gregateswithinandbetweenhedgerowsweremeasured.Itwasfoundthatthesoilporosity,soilorganicmatter
andsoilwaterstableaggregateswithinhedgerowsinsandyandblacksoilareaswerehigherthanthosefrombe
tweenhedgerows;butthisresultwasadverseinloessarea.Thesoilmoisturecontentwithinhedgerowswas
higherthanthatbetweenhedgerows.Thesoilwaterholdingcapacitieswithinandbetweenhedgerowswere
lowestinsandysoilsandhighestinblacksoils.Itwasconcludedthathedgerowscanimprovesoiltexture,
structureandsoilwaterretention,andmakeanimportantcontributiontocontrolofsheeterosiononsloping
land.
犓犲狔狑狅狉犱狊:hedgerow;soilwaterretentioncurve;VanGenuchtenmodel
42-51
2016年7月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第25卷 第7期
Vol.25,No.7
收稿日期:20150610;改回日期:20150824
基金项目:“十二五”国家科技支撑计划课题“农田水土保持生物防护关键技术”(2011BAD31B020)资助。
作者简介:何修道(1988),男,甘肃张掖人,在读硕士。Email:xiudaohe@sina.com
通信作者Correspondingauthor.Email:hzdang@caf.ac.cn
土壤水分特征曲线是反映土壤水吸力(或土壤水基质势)随土壤含水量变化关系的曲线[1],被广泛用来模拟、
求解水分和溶质在非饱和土壤中运移的关键参数[2]。通过土壤水分曲线不仅能了解土壤的持水性、土壤水分的
有效性和土壤各级大小空隙的分布,还能求解出反映土壤水分运动特征的关键参数[3]。植物篱是我国北方治理
水土流失主要的植被配置模式[45],目前,国内从土壤物理性质、持水性和土壤入渗等角度对森林、农地等的土壤
水分特征曲线做了相对较多的研究[611],但缺少对植物篱种植模式下土壤的持水、保水性能的对比研究,特别是
缺乏针对植物篱不同部位土壤水分特征曲线的比较研究。本文针对宁夏黄土区、内蒙古风沙区、黑龙江黑土区的
典型植物篱带内、带间土壤粒径结构、孔隙度、团聚体、土壤水分物理性质进行采样、分析,并通过绘制土壤水分特
征曲线和求解关键水分参数,比较分析不同区域植物篱、植物篱不同部位土壤的持水保水性能的差异,研究结果
对于深入理解不同类型植物篱系统内部水文过程的差异,指导植物篱设计与经营管理具有重要的意义。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
本研究在蒙古高原风沙区、黄土高原丘陵区、东北黑土区3个区域选取样地进行调查取样。风沙区样地选择
在内蒙古敖汉旗和翁牛特旗,敖汉旗位于内蒙古自治区赤峰市东南部、科尔沁沙地南缘,平均海拔575m,年均气
温6℃,年均降水量390mm,无霜期145d,属于大陆性季风气候;翁牛特旗地处赤峰市中部、科尔沁沙地西缘,
年均气温5.8℃,年均降水量350mm,无霜期115d,属于典型的中温带半干旱大陆性气候。黄土区样地选择在
宁夏彭阳县,该县位于黄土高原丘陵区北部,属典型的温带半干旱大陆性季风气候,平均海拔1700m,年平均气
温7.4~8.5℃,年均降水量450mm,无霜期155d。黑土区样地选择在黑龙江省拜泉县,平均海拔240~280m,
年均气温1.2℃,年均降水量488.2mm左右,无霜期122d,属中温带大陆性季风气候。
1.2 材料和样地
于2014年6月8-21日期间对3个区域植物篱样地进行采样分析。风沙区选取的植物篱是:内蒙古敖汉旗
古鲁板蒿乡黄羊洼和翁牛特旗梧桐花镇西兴隆沟两地的具有代表性的柠条(犆犪狉犪犵犪狀犪犻狀狋犲狉犿犲犱犻犪)(两行一带)
+向日葵(犎犲犾犻犪狀狋犺狌狊犪狀狀狌狌狊)植物篱(S1)和柠条(两行一带)+长芒草(犛狋犻狆犪犫狌狀犵犲犪狀犪)(S2)、柠条(七行一带)
+芨芨草(犃犮犺狀犪狋犺犲狉狌犿狊狆犾犲狀犱犲狀狊)植物篱(S3),两地柠条种植年限分别为10和15年,平均株高1.8m;黄土区
选取的植物篱是:宁夏彭阳县大沟湾的柠条/山杏(犘狉狌狀狌狊犪狉犿犲狀犻犪犮犪var.犪狀狊狌)植物篱(S4)(带内为柠条、山杏
单行混交,带间为荒草地)、柠条/山杏+紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)植物篱(S5)(带内为柠条、山杏单行混交,带
间种植紫花苜蓿),柠条平均株高1.7m,山杏平均株高2m;老庄村的柠条/山桃(犘狉狌狀狌狊犱犪狏犻犱犻犪狀犪)+紫花苜蓿
植物篱(S6)(带内为柠条、山桃单行混交,带间为人工种植的紫花苜蓿),山桃平均株高2.3m,柠条、山杏、山桃种
植年限均为13年;黑土区选取的植物篱是:黑龙江拜泉县新生乡和拜泉镇的胡枝子(犔犲狊狆犲犱犲狕犪犫犻犮狅犾狅狉)+农作
物植物篱(S7)、蒿子(犃狉狋犲犿犻狊犻犪犪狀狀狌犪)+农作物植物篱(S8)和胡枝子/蒿子+农作物植物篱(S9)(带内为胡枝
子、蒿子单行混交,带间为农作物),胡枝子种植年限为11年,平均株高1.5m。各样地基本情况见表1。
1.2.1 土样采集  在每块试验样地内,用200cm3 环刀分别采集各植物篱带内、带间0~20cm层原状土壤
(采样前除去表层枯落物),装入塑封袋内并编号,带内、带间每次取样重复3次,每块样地共采样6个,3个区域
共采集土样72个,带回室内化验。
1.2.2 土壤容重、孔隙度、田间持水量、水稳性团聚体、有机质的测定  每块样地中选取6个土样在中国林业
科学研究院土壤化验室进行基本物理性质的测定,土壤容重(g/cm3)、土壤毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)、
土壤总孔隙度(%)、田间持水量(%)等指标用环刀法(200cm3)测定[3]。水稳性团聚体采用水稳性团聚体分析仪
(TTF100型)通过湿筛法测定[12],主要步骤为:根据干筛后的各级团聚体的含量,把干筛分取的风干样品按比例
配成50g,然后将土样放入由5,2,1,0.5,0.25mm筛组成的套筛上,为防止土壤团聚体因突然遇水而崩裂,提高
团聚体的水稳性,应在放入水桶前采取常压慢速的湿润方法进行预处理,然后放入已加水的水桶中,上下震荡30
min后,将留在各级筛上的团聚体进行筛洗入铝盒,并放在电热板上烘干,称其烘干后重量,计算各级水稳性团聚
体含量[1213]。土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定[14]。
34第25卷第7期 草业学报2016年
表1 样地基本情况
犜犪犫犾犲1 犅犪狊犻犮犻狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀狅犳狆犾狅狋狊
区域
Area
地区
Region
植物篱
模式
Modelof
hedgerow
带高
Height
ofband
(m)
带宽
Width
ofband
(m)
带间距
Distance
between
bands(m)
经纬度
Longitudeand
latitude
海拔
Elevation
(m)
坡度
Slop
(°)
坡向
Aspect
风沙区
Sandy
area
黄羊洼Huangyangwa S1 1.8 3.5 40 N42°42′24.36″,E119°48′36.00″ 476 10 东East
西兴隆沟Xixinglonggou S2 1.8 3.5 5 N42°45′39.00″,E119°19′49.98″ 679 10 南South
四房子Sifangzi S3 1.9 20.0 50 N43°4′29.04″,E118°53′28.62″ 696 12 西 West
黄土区
Loess
area
大沟湾Dagouwan S4 1.7 1.8 4 N35°49′40.91″,E106°35′10.19″ 1735 18 东北Northeast
S5 1.9 2.0 4 N35°49′25.63″,E106°34′50.66″ 1731 18 北North
老庄Laozhuang S6 1.7 1.7 8 N35°55′21.99″,E106°41′29.22″ 1685 17 西 West
黑土区
Blacksoil
area
新生乡-徐尧屯Xinsh
engtownXuyao
S7 1.6 2.6 28 N47°23′56.64″,E126°14′14.34″ 287 15 西 West
S8 1.5 1.5 15 N47°23′57.42″,E126°14′12.84″ 280 16 西 West
拜泉镇-大厢房Baiquan
townDaxiangfang
S9 1.6 4.0 42 N47°39′35.32″,E126°3′55.02″ 274 12 东北Northeast
1.2.3 土壤粒径测定和土壤水分特征曲线模拟  各级土壤粒径百分含量用美国产马尔文 MS2000型激光粒
度仪进行测定,并按照美国制土壤质地分类系统进行划分[15]。采用经典的 VanGenuchten模型[VG模型(式
1)]模拟土壤水分特征曲线[1517]。模拟过程采用USSL(美国盐改中心)开发的RETC程序完成,即将土壤的颗粒
级中砂粒、粉粒、黏粒的百分含量以及土壤容重等主要土壤物理性质数据输入该程序,该程序就可以实现土壤转
换函数的建立,直接输出VanCenuchten模型中的各个参数,操作简便,准确性高[15]。
θ(犺)=
θ狉+ θ犛
-θ狉
[1+(犪|犺|)狀]犿
,犺<0
θ犛,犺>


烆 0
(1)
式中,θ(犺)为体积含水率(cm3/cm3);θ犛 为饱和含水率(cm3/cm3);θ狉 为残留含水率(cm3/cm3);犺为压力水头
(cmH2O);犪、犿、狀(狀>1)为曲线性状参数;犿=1-1/狀。
1.3 数据处理及分析
利用EXCEL2013、SPSS20.0和Origin9.0软件进行数据分析与作图。
2 结果与分析
2.1 各区域植物篱系统土壤物理性质分析
按照美国制土壤质地分类系统,将土壤粒径组成大小分为砂粒(粒径0.05~2.00mm)、粉粒(粒径0.002~
0.050mm)、黏粒(粒径<0.02mm)3级。风沙区、黄土区、黑土区植物篱带内砂粒、粉粒、黏粒含量与带间的含
量相比差异不显著(犘>0.05)。对比分析表明:对于风沙区植物篱,土壤粉粒、黏粒含量带内分别是带间的1.3
和1.1倍,砂粒含量带间是带内的1.1倍(表2),带间土壤的粗骨化与带间粉黏粒的聚集都与所处的风沙环境相
一致;对于黄土区植物篱,土壤粉粒、黏粒含量带内分别比带间高1.6%和5.8%,土壤砂粒含量带内比带间低
10.1%,反映了带间的侵蚀与带内的淤积过程;对于黑土区植物篱,土壤粉粒含量带内比带间高3.4%,土壤砂
粒、黏粒含量带内比带间分别低8.4%和11.2%,带内土壤结构更趋于改善。整体来说,风沙区植物篱系统砂粒
平均含量(67.72%)分别是黄土区的3.9倍(17.54%)和黑土区的5倍(13.57%),而粉粒平均含量(27.67%)仅
占黄土区37.4%(73.98%)和黑土区的37.6%(73.58%),黏粒平均含量(4.61%)占黄土区的54.4%(8.48%)
和黑土区的35.9%(12.85%),为3个区域中最低。就各区域植物篱粉粒、黏粒含量而言,土壤粉粒、黏粒含量带
内均高于带间,体现出植物篱结构对坡面侵蚀的拦截与细颗粒物质的聚集效应。
44 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.7
对所测得的土壤砂粒、粉粒、黏粒含量数值(表2)根据美国制土壤质地分类系统并利用Origin软件绘制土壤
质地三角图(图1),可以看出黄土区、黑土区植物篱带内、带间土壤均属于偏粉性的粉壤土,而风沙区植物篱土壤
属于砂质土壤。
表2 各区域植物篱不同部位表层土壤(0~20犮犿)质地及粒径
犜犪犫犾犲2 犛狅犻犾狋犲狓狋狌狉犲犪狀犱狆犪狉狋犻犮犾犲狊犻狕犲狅犳狊狅犻犾狊狌狉犳犪犮犲(0-20犮犿)犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆狅狊犻狋犻狅狀狅犳犺犲犱犵犲狉狅狑犻狀狊狋狌犱狔犪狉犲犪
区域
Area
部位
Position
土壤质地
Soiltexture
砂粒Sand
(0.05~2mm)
(%)
粉粒Silt
(0.002~0.05mm)
(%)
黏粒Clay
(<0.002mm)
(%)
容重
Bulkdensity
(g/cm3)
风沙区Sandyarea 带内Inband 砂壤土Sandyloam 63.69 31.50 4.81 1.00
带间Interband 砂壤土Sandyloam 71.75 23.84 4.41 1.21
黄土区Loessarea 带内Inband 粉壤土Siltloam 16.70 74.58 8.72 0.99
带间Interband 粉壤土Siltloam 18.38 73.38 8.24 1.07
黑土区Blacksoilarea 带内Inband 粉壤土Siltloam 13.02 74.81 12.17 1.05
带间Interband 粉壤土Siltloam 14.12 72.35 13.53 1.19
  分别对风沙区、黄土区、黑土区植物篱带内、带
图1 土壤质地三角图
犉犻犵.1 犜狉犻犪狀犵犾犲犮犺犪狉狋狅犳狊狅犻犾狋犲狓狋狌狉犲
 
间部位非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度进行
方差分析,结果表明,风沙区、黄土区不同部位间非
毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度差异不显著
(犘>0.05);黑土区植物篱各部位非毛管孔隙度之
间差异不显著(犘>0.05),毛管孔隙度和总孔隙度
在不同部位差异显著(犘<0.05),带内比带间分别
高8.87%,10.52%。带内、带间的土壤毛管孔隙
度、非毛管孔隙度、总孔隙度表现出与粒径结构相
一致的变化趋势,除黄土区的植物篱带内与带间基
本接近外,风沙区、黑土区的植物篱,其土壤毛管孔
隙度、非毛管孔隙度带内均高于带间。就植物篱带
内、带间整体来说,风沙区总孔隙度(65.88%,带
内、带间平均值)是黄土区的1.3倍(49.99%),黑
土区的1.4倍(47.88%),为3个区域最高(表3),
风沙土其本身就是沙多土少,质地疏松,随着土壤
质地趋于粗骨化,土壤总孔隙度也相应增大。
2.2 各区域植物篱系统土壤有机质分析
土壤有机质能反映土壤肥力状况,是土地生产力的决定性因素。根据全国土壤普查暂行技术规程中的土壤
有机质分级(6级)指标[18](图2),黑土区植物篱带内、带间土壤有机质的含量分别属于Ⅰ级和Ⅱ级水平,二者之
间差异较大,带内有机质含量极丰富;黄土区植物篱带内、带间土壤有机质含量,分别属于Ⅳ级和Ⅲ级水平,无显
著性差异(犘>0.05);风沙区植物篱带内、带间土壤有机质含量都属于Ⅳ级水平,两部位有机质含量差异不显著
(犘>0.05)。风沙区的植物篱,土壤有机质含量带内比带间高13.7%;黄土区植物篱土壤有机质含量带间比带内
高16%,这主要是由于人工种植苜蓿,一方面苜蓿根系对土壤起到了改良作用,人工种植苜蓿增加了地表覆盖
度,归还土壤枯落物的量相应增加,从而提高了带间土壤有机质的含量,另一方面,由于黄土区植物篱系统主要分
布在退耕坡地,坡度较陡(平均坡度18°),降水冲刷坡面,使坡上部植物篱带内枯落物被冲刷到带间,增加了枯落
物来源,从而使带间有机质含量增加;黑土区植物篱系统有机质含量带内比带间高61.5%,且差异显著,这主要
54第25卷第7期 草业学报2016年
是由于带间种植农作物,人为作用减少了归还土壤的
枯落物的量,而植物篱系统受到人为因素的影响相对
较少,所以枯落物归还量相比带间要高很多,有机质含
量则相应增加。
2.3 各区域植物篱系统土壤水稳性团聚体分析
水稳性团聚体是表征土壤肥力和土壤结构、反映
土壤通透性、稳定性和抗侵蚀能力的重要指标,对3个
区域不同植物篱不同部位土壤水稳性团聚体各级含量
进行对比分析,结果表明,风沙区、黑土区植物篱带内、
带间团聚体粒径>5mm的水稳性团聚体含量有显著
差异(犘<0.05),0.25~5.00mm范围内水稳性团聚
体含量差异不显著(犘>0.05);黄土区各部位团聚体
粒径在0.25~0.50mm范围内的水稳性团聚体含量
之间差异显著(犘<0.05),水稳性团聚体粒径>0.5
mm的部位,无显著差异(犘>0.05)。随着土壤有机
质含量的增加,水稳性团聚体的含量也增加(表4),对
表3 各区域植物篱不同部位表层土壤(0~20犮犿)孔隙度
犜犪犫犾犲3 犛狅犻犾狆狅狉狅狊犻狋狔犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆狅狊犻狋犻狅狀
狅犳犺犲犱犵犲狉狅狑犻狀狊狋狌犱狔犪狉犲犪
区域
Area
部位
Position
非毛管孔隙度
Noncapilary
porosity
(%)
毛管空隙度
Capilary
porosity
(%)
总孔隙度
Total
porosity
(%)
风沙区
Sandyarea
带内Inband 5.31 66.02 71.33
带间Interband 5.12 54.31 60.43
黄土区
Loessarea
带内Inband 4.37 45.37 49.74
带间Interband 4.46 45.77 50.23
黑土区Black
soilregion
带内Inband 6.51 46.64a 53.14a
带间Interband 4.85 37.77b 42.62b
 同列不同小写字母表示差异显著(犘<0.05)。下同。Differentlet
tersinthesamecolumnwassignificantdifferencesat犘<0.05.The
samebelow.
图2 各区域植物篱不同部位有机质含量
犉犻犵.2 犗狉犵犪狀犻犮犿犪狋狋犲狉犮狅狀狋犲狀狋狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狆犪狉狋狊狅犳犺犲犱犵犲狉狅狑犻狀狊狋狌犱狔犪狉犲犪 
于风沙区、黑土区的植物篱,水稳性团聚体总量带内分
别是带间的2.3和1.1倍,而土壤有机质具有胶结土
壤颗粒的作用,正是由于有机质的胶结作用,凝聚了较
多细小的土壤颗粒,增加了土壤水稳性团聚体的含量,
这也说明植物篱对拦截带内较细小的土壤颗粒有积聚
作用,进一步说明,植物篱对保持水土,改善土壤物理
结构起到了积极的作用;黄土区植物篱的水稳性团聚
体含量带间比带内增加14.2%,是由于该区域为山坡
退耕地,受到人为干扰影响小,地表覆盖度增大,增加
了土壤有机质胶结来源,没有耕作影响,增加了胶结过
程,从而使植物篱带间团聚体含量增加。但是由于两
条植物篱带的拦截作用,将土壤有机质拦截于带间,增
加了带间有机质含量,从侧面说明植物篱系统具有固持拦截水土,改善土壤结构的作用,植物篱系统不同部位土
壤有机质含量增加,增加了土壤的胶结过程。
表4 各区域植物篱不同部位表层土壤(0~20犮犿)水稳性团聚体含量
犜犪犫犾犲4 犆狅狀狋犲狀狋狅犳狑犪狋犲狉狊狋犪犫犾犲犪犵犵狉犲犵犪狋犲狊狅犳狊狅犻犾狊狌狉犳犪犮犲(0-20犮犿)犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆狅狊犻狋犻狅狀狅犳犺犲犱犵犲狉狅狑犻狀狊狋狌犱狔犪狉犲犪
区域
Area
部位
Position
各级水稳性团聚体含量分布Distributionofwaterstableaggregates(%)
>5mm 2~5mm 1~2mm 0.5~1.0mm0.25~0.50mm
总量
Total(%)
风沙区Sandyarea 带内Inband 1.49a 1.46 0.92 0.93 0.71 5.50
带间Interband 0.00b 0.81 0.48 0.55 0.49 2.34
黄土区Loessarea 带内Inband 2.11 3.92 6.02 7.36 2.61a 22.02
带间Interband 2.18 3.59 5.11 9.67 4.60b 25.14
黑土区Blacksoilarea 带内Inband 6.94a 6.90 6.24 10.80 4.97 35.87
带间Interband 1.30b 3.24 5.69 14.88 7.99 33.11
64 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.7
2.4 各区域土壤水分特征曲线比较分析
风沙区、黄土区、黑土区植物篱带内、带间土壤水分含量差异不显著(犘>0.05)。对各区域植物篱带内、带间
土壤水分特征曲线的模拟发现(图3),土壤含水率随着土壤水吸力的增加,呈现出快速下降-缓慢下降-基本平
稳的变化趋势。在低、中吸力范围内(<15000cm),3区域植物篱带内、带间土壤体积含水率随着土壤水吸力的
增大,含水率快速下降,其中风沙区土壤含水率θ下降最快,这是由于在该阶段土壤保持水分主要取决于土壤结
构较粗的孔隙分布,是毛管力起主要作用;在中高吸力范围(>15000cm),含水率下降相比低吸力阶段要慢。随
着土壤水吸力的进一步增大,土壤含水率下降并逐渐趋于平缓,主要是由土壤颗粒表面的吸附能力决定,因此黏
粒含量增加,土壤保持水分的能力则越大,含水率也越大。从图3中看出,在同一水吸力下,3区域植物篱土壤含
水率带内均高于带间,尤其是风沙区植物篱含水率带内明显比带间高,一方面是因为土壤黏粒含量带内比带间
高,增加了土壤颗粒的吸水能力;另一方面是由于有机质含量带内明显高于带间,增大了土壤水稳性团聚体的含
量,提高了带内的保水性能。
图3 植物篱带内、带间土壤水分特征曲线
犉犻犵.3 犛狅犻犾狑犪狋犲狉狉犲狋犲狀狋犻狅狀犮狌狉狏犲狅犳犺犲犱犵犲狉狅狑犻狀犻狀犫犪狀犱犪狀犱犻狀狋犲狉犫犪狀犱 
  具有相同土壤质地的黄土区和黑土区,植物篱带
内和带间土壤含水率在相同水吸力条件下,黑土区土
壤含水率要高于黄土区(图3),这是因为在相同土壤
质地的情况下,黑土区植物篱带内、带间有机质含量、
土壤粉粒和黏粒总量高于黄土区(分别高3.68%和
4.26%),增强了土壤蓄水持水的能力,这是导致两区
域植物篱带内、带间相同吸力条件下土壤含水量具有
差异性的主要因素。从图中还发现,当土壤水吸力>
1000cm水柱时,黄土区植物篱带间含水率比黑土区
植物篱带间低,土壤水吸力<1000cm水柱时则相反,
这可能是由于黄土区植物篱带间毛管孔隙度比黑土区
的高(表3),土壤水吸力小于毛管持水力所致。对风
沙区、黄土区、黑土区土壤水分特征曲线的模拟分析说
明,植物篱系统带内具有更高的持水性能,这对低土壤
水吸力(<1000cm)保证植物水分吸收至关重要,这
种差异的形成与带内灌木良好的根系发育对土壤结构
的改良直接相关,也与植物篱拦截促进微小土壤颗粒
表5 各区域植物篱不同部位表层土壤(0~20犮犿)
田间持水量、凋萎系数
犜犪犫犾犲5 犉犻犲犾犱犮犪狆犪犮犻狋狔犪狀犱狑犻犾狋犻狀犵犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狅犳狊狅犻犾
狊狌狉犳犪犮犲(0-20犮犿)犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆狅狊犻狋犻狅狀狅犳
犺犲犱犵犲狉狅狑犻狀狊狋狌犱狔犪狉犲犪
区域
Area
部位
Position
凋萎系数
模拟值
Simulatedvalue
ofwilting
coefficient
(%)
田间持水
量模拟值
Simulated
valueoffield
capacity
(%)
田间持水
量实测值
Measured
field
capacity
(%)
风沙区
Sandyarea
带内Inband 8.0 23.6 18.78
带间Interband 5.9 16.6 15.23
黄土
Loessarea
带内Inband 8.5 36.3 23.14
带间Interband 8.0 34.1 21.54
黑土区Black
soilarea
带内Inband 9.1 35.6 29.48
带间Interband 8.7 32.4 19.05
74第25卷第7期 草业学报2016年
聚集效应是一致的。土壤中黏粒、粉粒含量的增加使得带内表层土壤孔隙分布更均匀,随着土壤水吸力的升高,
土壤含水率下降趋于缓慢直至稳定。
利用土壤水分特征曲线VG模型分别模拟出风沙区、黄土区、黑土区植物篱带内、带间表层土壤的凋萎系数
(土水势:15000cm 水柱)和田间持水量(土水势:330cm水柱),并与田间持水量实测值比较(表5)。结果表明各
区域植物篱的土壤凋萎系数、田间持水量带内均高于带间,但模拟的参数值与实测值的绝对值有较大的差异。
2.5 土壤水分特征曲线参数分析
图4 各区域植物篱带内、带间土壤饱和导水率
(犓犛)、饱和含水率(θ犛)
犉犻犵.4 犛犪狋狌狉犪狋犲犱狊狅犻犾犺狔犱狉犪狌犾犻犮犮狅狀犱狌犮狋犻狏犻狋狔(犓犛)犪狀犱
狊犪狋狌狉犪狋犲犱狊狅犻犾犿狅犻狊狋狌狉犲犮狅狀狋犲狀狋(θ犛)狅犳犺犲犱犵犲狉狅狑
犻狀犻狀犫犪狀犱犪狀犱犻狀狋犲狉犫犪狀犱狅犳狊狋狌犱狔犪狉犲犪
 
在VG模型中参数θ犛 为饱和含水率,是土壤水吸
力为零时的土壤含水量;犓犛 是土壤饱和导水率,表示
土壤孔隙介质透水性能的综合比例系数。在本研究中
利用通用的RETC程序,并借助神经网络方法预测模
块计算出θ犛 和犓犛(图4),比较发现风沙区、黄土区、黑
土区3个区域的植物篱饱和含水率与饱和导水率带内
均比带间高,带内饱和含水率分别比带间高3.8%,
3.1%,4.2%,带内饱和导水率分别比带间高85.73,
38.33,54.66cm/d,风沙区带内饱和导水率最高,这
与他们具有较低容重(表2)和较高的非毛管孔隙度一
致(表3)。而带间土壤容重大,非毛管孔隙欠发达,犓犛
相对较低,可见土壤结构和土壤质地对土壤饱和导水
率具有很明显的影响。黄土区植物篱带间种植苜蓿,
带间表层土壤有机质含量相对带内略高,非毛管孔隙
度差异不显著(犘>0.05),而且带内表层土壤容重要
低于带间(表2),因此黄土区植物篱带内饱和导水率
要高于带间;通过对3个区域植物篱饱和含水率和饱
和导水率的分析不难发现,饱和导水率大的土壤,其水
分入渗能力强,也说明植物篱能很好地保持土壤水分,
起到了拦蓄地表水分,涵养土壤水分的作用。
3 结论与讨论
不同区域植物篱系统均具有明显的土壤质地分异,表现在风沙区、黄土区、黑土区的植物篱系统粉粒、黏粒带
内总量与带间相比,分别提高8.06%,1.68%和1.10%,砂粒含量则相应降低,说明植物篱系统具有促使土壤中
砂粒向粉粒、黏粒转化的作用,使土壤粒径趋于细化,能有效改善土壤质地结构,增加土壤中有机质、孔隙度与水
稳性团聚体含量。土壤持水能力与土壤中黏粒、粉粒、砂粒含量有关,黏粒能改善土壤结构,增加土壤贮存水分的
贮存孔隙,比表面积增大,吸附能力越强,则保持水分能力越强[19];粉粒可以有效地结合渗透进土壤的水分,使其
转化为结合水而存在[20],因此,粉粒含量的增加也能增大土壤保持水分的能力;砂粒含量也能影响土壤持水能
力,土壤持水能力随砂粒含量增加而递减[21],所以土壤中砂粒、粉粒、黏粒质量分数都不同程度影响土壤入渗和
持水能力。
土壤有机质含量能反应土壤的肥力状况。通过研究发现,风沙区、黄土区植物篱系统不同部位有机质含量差
异不明显(犘>0.05),黑土区植物篱系统带内、带间有机质含量有显著差异(犘<0.05)。其中,风沙区与黑土区植
物篱系统带内有机质含量要比带间高,而且有研究已证明植物篱能增加土壤有机质含量[22],这主要是由于带内
植物枯落物增加了地表有机质来源;而黄土区植物篱带间有机质含量比带内要高,一方面是由于在植物篱带间人
工种植了苜蓿,其根瘤菌和大量的须根给土壤留下的腐殖质可增加土壤有机质[23],另一方面,黄土区植物篱主要
分布在退耕坡地,坡度较陡(平均坡度18°),降水冲刷坡面,使坡上部植物篱带内枯落物被冲刷到带间,增加了枯
84 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.7
落物来源,从而使带间有机质含量增加。有研究发现土壤有机质含量与土壤总孔隙度、水稳性团聚体含量显著相
关[2426],此次试验结果也表明,各区域植物篱系统不同部位间有机质含量与相应部位总孔隙度、水稳性团聚体总
量呈显著正相关。
在土壤质地、孔隙度、有机质、水稳性团聚体等因素的综合影响下,风沙区、黄土区、黑土区植物篱的土壤水分
含量带内始终比带间要高(图3),在同一土壤水吸力下,土壤水分含量带内高于带间,并且在同一水吸力下,风沙
区土壤含水率最小,黑土区最大,黄土区居中。因此,植物篱通过增加土壤表层有机质、孔隙度和水稳性团聚体含
量,改善土壤质地与结构,进而提高土壤含水率。通过以上分析可以看出,有机质含量高的部位,其水稳性团聚体
含量与孔隙度相应地提高,这符合有机质含量增加能提高土壤水稳性团聚体含量与土壤孔隙度的结果[2728]。而
水稳性团聚体含量增加有利于土壤保持水分,提高土壤的抗蚀能力,因此通过植物篱技术可以提高地表土壤有机
质含量,改善地表土壤结构,增加地表水分,可以达到有效调控土壤水分的目的。
在饱和状态下,容重较低、非毛管孔隙更发达的植物篱带内具有更高的饱和导水率。根据现有研究结果,风
沙区、黄土区、黑土区田间持水量、凋萎系数均不同,风沙区田间持水量一般不超过20%[29],土壤凋萎系数
1.5%~8.0%[2930]之间;黄土区不超过24%[31],土壤凋萎系数小于9.42%[32];黑土区田间持水量、凋萎系数分别
小于27% ,10.6%[3334],本研究通过土壤水吸力模拟得出黄土区、风沙区、黑土区田间持水量分别在34.1%~
36.3%,16.6%~23.6%,32.4%~35.6%内变化,同实测值相比,具有较大差异(表5)。研究发现影响田间持水
量的因素与土壤黏粒含量、有机质含量和土壤团聚体有关[35],说明计算不同质地与结构的土壤水分参数需同时
考虑这三方面的因素,不能就一个因素简单计算,需采用更加合理科学的方法计算土壤水分参数。
通过以上分析发现,土壤结构和质地及物理性质是影响土壤水分特征曲线变化的主要因素,在同一地区,相
同质地不同容重的土壤,同一水吸力条件下,土壤紧实、容重大的土壤含水率低,粉粒、黏粒、有机质含量高,孔隙
度大、质地疏松的土壤含水率高,水稳性团聚体含量高,则土壤抗蚀性强。在这些因素的综合影响下各区域植物
篱不同部位土壤持水能力呈现出不同变化趋势。各区域植物篱不同部位土壤水分特征曲线低、中吸力阶段,植物
篱带内、带间土壤含水率随着水吸力递增,下降趋势由快趋于缓慢,其中带内含水率下降速率要明显低于带间,说
明植物篱带内保持水分能力要强于带间,带间持水能力较差,尤其是风沙区表现最为明显,在相同水吸力下,带内
含水率明显要高于带间;在高吸力阶段,随着水吸力的增加,土壤含水率下降基本平稳,维持在相对稳定的阶段,
而带内含水率高于带间的状况维持不变。因此,通过对北方地区植物篱土壤水分特征曲线模拟与分析,结果表明
植物篱种植模式在改善土壤质地、结构的基础上,提高了土壤的持水能力,起到了保持水土的作用,在坡面治理水
土流失方面具有指导意义。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
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15第25卷第7期 草业学报2016年