全 文 ：林业科学研究 2006, 19( 3): 301~ 306
Forest R esearch
文章编号: 10011498( 2006) 03030106
宁夏六盘山北侧 5种典型植被的土壤持水性能研究
窦建德 1, 王绪芳 2, 熊 伟3* , 王彦辉3, 于澎涛 3, 郭 浩 3
( 1宁夏回族自治区固原市原州区林业局,宁夏 固原 756000; 2宁夏回族自治区固原市六盘山国营林业局,宁夏 泾源 756401;
3中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京 100091)
摘要: 通过对土壤水分特征曲线和物理性质的测定, 分析了宁夏六盘山北侧 5种典型植被类型土壤的持水性能和供
水性能。结果表明: 用 Gardner等在 1970年提出的幂函数方程可以较好地反映土壤含水量与土壤水吸力之间的数
量关系; 不同植被类型土壤各层的土壤密度的大小排序为弃耕地 >山桃人工林 >天然长芒草 >华北落叶松人工林
>天然沙棘林, 总孔隙度恰恰相反;在土壤水的中吸力阶段 ( 0. 1~ 1. 5 MPa), 华北落叶松人工林地、天然长芒草地、
天然沙棘林地、山桃人工林地和弃耕地土壤各层的含水量分别为 169. 7~ 239. 3、160. 3~ 236. 1、140. 9~ 224. 5、119.
9~ 198. 1、113. 5~ 176. 4 g kg- 1, 说明各种植被类型土壤的持水性能依次减弱; 不同植被类型土壤的供水性能随着
土壤吸力的增加而呈递减趋势, 说明通过植树种草可改善土壤结构、降低土壤密度和增加土壤总孔隙度等物理性质
而对其持水性能和供水性能产生积极作用。
关键词: 宁夏六盘山;土壤水分特征曲线;土壤持水性; 土壤物理特性
中图分类号: S152 7 文献标识码: A
收稿日期: 20051122
基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目 ( 2002CB111501 )、国家自然科学基金重点项目 ( 30230290)、国家林业局引进国际先进技术
项目 ( 2003443 )和国家林业局森林生态环境重点实验室共同资助
作者简介: 窦建德 ( 1966 ) ,男,宁夏固原人,林业工程师
* 通讯作者: 博士,助研, Em ai:l xw ca@f 163. com
Study on SoilCapacities ofW aterretention on TypicalVegetations
in the North Side of L iupanM ountains in N ingxia
DOU J iande1, WANG Xufang2, X IONG Wei3* , WANG Yanhui3, YU Pengtao3, GUOH ao3
( 1. The Forestry Adm in istrst ion of Yuanzhou D is trict, Guyuan 756000, N ingxia, Ch ina;
2. L iupanshan Forestry Bu reau of Guyuan C ity in N ingxia Au tonom ous Reg ion, Jingyuan 756401, N ingx ia, Ch ina;
3. R esearch Inst itute of Forest E cology, Environm en t and Protection, CAF, Beijing 100091, Ch ina)
Abstract: The capacity of waterretention and supply for plants o f the so ils on five typical vegetations w ere analyzed by
m easuring the so ilwater characterist ic curves and phys ical propert ies in the north s ide of L iupanM ountains, N ingx ia. T he
results showed that the relationship betw een soilm oisture and soil suction could be success fully expressed by the pow er
function proposed by Gardner et a.l ( 1970). T he soil dens ity in different layers on five vegetations were ranged from high
to low va lues as follow: abandoned land, Prunus dav idiana plantation, Stipa bungcana community, Larix princip iruppre
chtii plantation andH ippophae rhamnoides comm unity. How ever, the order of total so il capillary porosity of the five vegeta
t ions was just contrary. From 0. 1 to 1. 5MPa in so il suct ion, soilw ater content ofLarix p rincip irupprechtii plantat ion, Sti
pa bungcana community, H ippophae rhamnoides commun ity, P runus dav idiana plantat ion and abandoned land w ere ranged
in 169. 7~ 239. 3 g kg- 1, 160. 3~ 236. 1 g kg- 1, 140. 9~ 224. 5 g kg- 1, 119. 9~ 198. 1 g kg- 1 and 113. 5~ 176. 4
g kg- 1 respectively, itmeant that the soil capacity ofwaterretention of the five vegetations decreased in order. T he order
of soil capacity o fwatersupply for the five vegetation types was the sam e as so il capacity of w aterretent ion, and it de
林 业 科 学 研 究 第 19卷
creased w ith increasing o f soil suct ion. The results could be explained by the pos itive effect of soil phys ical propert ies ( .i
e. so il dens ity and total capillary poros ity et a.l ) caused by planting trees and grass on the so il capacit ies ofwaterretention
and supply.
K ey words: LiupanM ountains o fN ingx ia; so ilw ater characterist ic curve; so ilw ater reten tion; so il physical charac
ters
土壤水分是决定黄土高原地区植被恢复与重建
的关键生态因子,因此土壤水分研究历来受到重视。
土壤水分特征曲线是表述土壤水分特征的基本方
法,它表示了土壤水分能量和水分数量之间的基本
关系, 常用于研究土壤水分的保持和运动 [ 1]。目前
国内已有大量的天然或人工植被下土壤水分特征的
研究 [ 2~ 6] , 但对具有相同气候条件的某一地域内共
存的不同植被类型下土壤水分特征的研究相对较
少。本文从土壤水分特征曲线等物理性质的测定入
手,在居于半湿润半干旱过渡带的六盘山北侧,测定
分析了 5种典型植被下的土壤持水性能和供水性
能,以便为揭示该区不同植被类型条件的土壤水文
效应提供数量依据。
1 试验地自然概况
六盘山位于我国黄土高原的西部地区, 行政
上属于宁夏回族自治区南部的固原市境内。本
试验区位于六盘山北侧固原市原洲区 ( 106!09∀
~ 106!30∀E, 35!15∀~ 35!41∀N )林业局的赵千户
林场, 属典型温带大陆性气候。年平均气温 6 ~ 7
# , 年日照时数 2 534 h, 年降水量 428 mm, 且多
集 中 于 7 9 月 份, ∃ 10 # 积 温 2 100 ~
3 200 # 。赵千户林场地处黄土高原土石山区,
海拔 1 800~ 2 200m,土壤类型为山地灰褐土, 土
层平均厚度为 80~ 100 cm。
该林场从 20世纪 80年代进行了大面积的植树
种草,随着我国西部生态环境建设和退耕还林还草
工程的实施, 不仅加大了造林工作的力度,而且加强
了管护,实行了封山育林,目前林分生长良好,郁闭
度较高, 境内主要人工植被有华北落叶松 ( Larix
princip irupprechtiiM ayr. )林和山桃 (P runus david i
ana Franch. )林; 天然植被有斑块状分布的沙棘
(H ippophae rhamnoides L. )、虎榛子 (Ostryopsis david
iana D ecne. )等天然灌丛; 草地以天然长芒草 ( S tipa
bungeana T rin. )、铁杆蒿 (Artem isa vestita Ledeb. var.
incana M att.f )和凤毛菊 ( Saussurea amara ( L. )
DC. )等为优势种组成的草甸植被群落为主。
2 研究方法
2. 1 标准地设置
2002年 9月选择生长良好的华北落叶松人工
林、山桃人工林、天然沙棘林、天然长芒草群落和弃
耕地进行研究,设置 5块标准地, 乔木林标准地面积
为 20 m % 20 m, 灌木、草本和弃耕地面积为 5 m %
5 m, 植被生长情况见表 1。
表 1 5种典型植被的生长情况
植被类型 坡向 坡位 年龄 / a 平均高 /m 胸径 (地径 ) / cm 密度 / (株 hm - 2 ) 郁闭度 (盖度 )
华北落叶松人工林 北偏东 15! 中上部 18 5. 8 7. 4 2 800 0. 6
山桃人工林 南偏西 55! 中下部 8 1. 6 11. 6 2 500 0. 5
天然沙棘林 北偏东 35! 中上部 18 2. 2 ( 4. 5) 3 000 0. 8
天然长芒草群落 南偏西 75! 近坡顶 4 0. 45 ( 0. 8)
弃耕地 南偏西 75! 近坡顶 3
2. 2 土壤物理性质及特征曲线测定
在 5个标准地内各挖 1个土壤剖面, 根据土壤
发育状况、颜色和质地等判断土壤发生层, 进行自然
分层 (表 2) ,每层用 100 cm 3环刀取原状土样, 土壤
密度用环刀法测定, 3个重复, 比重用比重瓶法测
定,土壤水分特征曲线用离心机法测定 [ 7]。
土壤水分特征曲线采用 Gardner等在 1970提出
的方程 ( 1)模拟。
= aS-b ( 1)
式 ( 1)中: 为土壤含水量, S为土壤吸力, a和 b均
为参数。
比水容量 (C) 由土壤水分特征曲线方程 ( 1)求
302
第 3期 窦建德等: 宁夏六盘山北侧 5种典型植被的土壤持水性能研究
一阶导数计算,即
C = d
d = - ddS = abS
- ( b+ 1 )
( 2)
式 ( 2)中: 为土壤含水量, 为土壤基质势, S为土
壤吸力, a和 b均为参数。
3 结果与分析
3. 1 土壤水分物理性质
从表 2可知,同一植被类型的土壤密度由上至
下依次增加,而总孔隙度和毛管孔隙度基本上依次
减小;不同植被类型相应层次土壤密度由大到小的
顺序大致表现为弃耕地 >山桃人工林 >天然长芒草
>华北落叶松人工林 > 天然沙棘林, 而总孔隙度恰
恰相反; 对毛管孔隙度和非毛管孔隙度来说,虽然天
然长芒草、华北落叶松人工林和天然沙棘林等 3种
植被类型的土壤没有一致的排序规律, 但对应值却
显然大于弃耕地和山桃人工林地, 说明天然沙棘林
地、华北落叶松人工林地和天然长芒草地的土壤结
构相对较好, 山桃人工林和弃耕地较差。
表 2 5种植被类型不同土层深度的土壤水分物理性质
植被类型 土层深度 /
cm
土壤密度 /
( g cm - 3 )
土壤孔隙度 / %
总孔隙度 毛管孔隙度 非毛管孔隙度
天然长芒草地
华北落叶松
人工林地
天然沙棘林地
山桃人工林地
弃耕地
0~ 20 1. 084 55. 90 40. 35 15. 55
20~ 40 1. 134 53. 87 51. 70 2. 17
40~ 90 1. 259 49. 75 26. 88 22. 87
0~ 30 1. 024 58. 56 42. 62 15. 93
30~ 60 1. 137 54. 66 39. 39 15. 27
60~ 90 1. 237 51. 00 36. 77 14. 24
0~ 40 1. 048 53. 86 52. 73 1. 13
40~ 90 0. 967 60. 41 33. 81 26. 61
90~ 120 1. 318 47. 38 36. 77 10. 61
0~ 30 1. 138 54. 10 45. 00 9. 10
30~ 70 1. 334 45. 32 36. 77 8. 56
70~ 90 1. 369 44. 18 35. 71 8. 47
0~ 20 1. 282 47. 68 45. 16 2. 52
20~ 60 1. 498 40. 40 29. 87 10. 53
60~ 100 1. 529 39. 30 30. 67 8. 63
3. 2 土壤水分特征曲线与持水性能
土壤水分特征曲线反映了土壤水吸力与土壤含
水量之间的关系, 通过它可以了解土壤的持水性能
和供水性能,对于研究土壤水分的贮存、保持、运动、
供应及土壤 植物 大气连续体中水流等的机理和
状况都有重要意义 [ 8]。为定量研究土壤的水分特征
曲线, 前人提出了很多的模拟方程 [ 9~ 11]。姚其华
等 [ 8]认为与其它模型相比, Gardner的幂函数方程具
有待定参数较少的优点, 在实际应用中更为方便。
本研究采用 G ardner的方程 ( 1)来描述土壤水吸力
与土壤含水量之间的关系, 方程中 a值决定曲线高
低,表示持水能力大小, a值越大说明土壤持水力能
力越强; b值决定曲线走向,表示土壤含水量随基质
势降低而递减的快慢 [ 1]。
表 3列出了各种植被类型下的土壤水分特征方
程及拟合参数,其变化走势见图 1。由表 3看出,各
方程决定系数极高, 说明上述模型较好的描述了 5
种土壤水分的特征关系。参数 a值也随着植被类型
的不同, 呈现出有规律的变化, 其中华北落叶松人
工林、天然长芒草、天然沙棘林、山桃人工林和弃耕
地土壤表层的 a值分别为 29. 562、26. 705、23. 638、
22926和 20. 201,说明各植被类型土壤表层的持水
力依次减弱; 虽然各类型植被中、下层土壤的 a值无
明显地排序, 但可看出林、灌、草地的 a值显然高于
弃耕地,说明植被对于土壤持水性能的改善具有显
著作用。对同一植被类型的土壤来说, 土壤表层的
a值均大于土壤中、下层, 说明土壤表层的持水能力
要优于中、下层土壤。
303
林 业 科 学 研 究 第 19卷
表 3 5种植被类型的土壤水分特征方程
植被类型 土层深度 / cm a b 回归方程 决定系数 (R 2 )
华北落叶松
人工林地
天然长芒草地
天然沙棘林地
山桃人工林地
弃耕地
0~ 30 29. 562 0. 127 3 = 29. 562 S- 0. 127 3 0. 993 1
30~ 60 21. 850 0. 129 0 = 21. 850 S- 0. 129 0 0. 987 2
60~ 90 20. 028 0. 088 7 = 20. 028 S- 0. 088 7 0. 986 9
0~ 20 26. 705 0. 137 3 = 26. 705 S- 0. 137 3 0. 993 3
20~ 40 20. 135 0. 100 1 = 20. 135 S- 0. 100 1 0. 977 1
40~ 90 23. 638 0. 140 3 = 23. 638 S- 0. 140 3 0. 985 8
0~ 40 23. 638 0. 140 3 = 23. 638 S- 0. 140 3 0. 985 8
40~ 90 19. 028 0. 140 5 = 19. 028 S- 0. 140 5 0. 989 4
90~ 120 21. 331 0. 152 1 = 21. 331 S- 0. 152 1 0. 991 4
0~ 30 22. 926 0. 144 6 = 22. 926 S- 0. 144 6 0. 986 1
30~ 70 16. 719 0. 197 7 = 16. 719 S- 0. 197 7 0. 987 6
0~ 20 20. 201 0. 139 1 = 20. 201 S- 0. 139 1 0. 993 5
20~ 60 15. 127 0. 161 4 = 15. 127 S- 0. 161 4 0. 991 1
图 1 5种植被类型土壤的水分特征曲线
304
第 3期 窦建德等: 宁夏六盘山北侧 5种典型植被的土壤持水性能研究
为进一步了解各种植被土壤的持水性能, 列出
了土壤不同吸力段的土壤含水量 (表 4)。在低吸力
阶段 ( 0. 01~ 0. 06 MPa), 天然长芒草地、天然沙棘
林地和华北落叶松人工林地土壤的含水量差别不明
显,山桃人工林略低, 其值为 218. 1 ~ 283. 0 g
kg
- 1
; 弃耕地最小, 其值为 192. 0 ~ 244. 4 g kg- 1。
在中吸力阶段 ( 0. 1~ 1. 5MPa) ,华北落叶松人工林
地的土壤含水量最高 ( 169. 7~ 239. 3 g kg- 1 ) , 天
然长芒草地次之 ( 160. 3 ~ 236. 1 g kg- 1 ), 天然沙
棘林地再次 ( 140. 9 ~ 224. 5 g kg- 1 ), 山桃人工林
地较低 ( 119. 9~ 198. 1 g kg- 1 ), 弃耕地最低 ( 113.
5~ 176. 4 g kg- 1 )。总体上, 不同植被类型土壤持
水性能由高到低的次序为:华北落叶松人工林地、天
然长芒草地、天然沙棘林地、山桃人工林地和弃耕
地。
表 4 在不同吸力段 5种植被类型的土壤含水量 g kg- 1
植被类型 低吸力段 / MPa
0. 01 0. 03 0. 04 0. 06
中吸力段 / MPa
0. 1 0. 2 0. 4 0. 6 1. 0 1. 5
天然长芒草地 305. 6 285. 7 267. 5 252. 4 236. 1 221. 0 203. 4 189. 3 172. 0 160. 3
天然沙棘林地 301. 2 278. 8 259. 3 244. 6 224. 5 205. 7 185. 3 169. 8 153. 7 140. 9
华北落叶松人工林地 304. 0 283. 2 268. 5 255. 8 239. 3 225. 0 207. 6 194. 0 180. 4 169. 7
山桃人工林地 283. 0 254. 0 232. 9 218. 1 198. 1 185. 7 162. 4 150. 5 132. 4 119. 9
弃耕地 244. 4 220. 1 204. 0 192. 0 176. 4 163. 5 148. 2 138. 3 123. 5 113. 5
3. 3 土壤比水容量与其供水性能
土壤水分特征曲线的斜率称为比水容量, 它表
示单位吸力变化时单位质量土壤可释放或储存的水
量,是评价土壤水分有效性、供水性和耐旱性的重要
指标。由于在同一吸力下, 土壤比水容量主要随 ab
值而增大,所以 ab值越大, 说明其释水或供水性能
越好 [ 12, 13]。
从表 5看出:随着土壤水吸力的增加, 不同植被
类型土壤的比水容量逐渐降低, 说明土壤的供水性
能随着土壤吸力的增加而呈递减趋势。在不同土壤
吸力阶段, C值的变化幅度不同,在 0. 01~ 0. 4MPa
内,比水容量减小的幅度较大, 其数量级从 10- 1 &
10
- 2 & 10- 3发生变化, 说明土壤释出的水量比较多,
土壤的供水性能较好; 而在 0. 4~ 1. 5M Pa时, 土壤
水吸力的数值保持在 10- 3数量级范围内, 说明随着
土壤水吸力的增大,土壤释出的水量比较少,土壤的
供水性能相应减弱。几种植被类型的土壤表层 C
值虽无明显排列顺序,但华北落叶松人工林地、天然
长芒草地和天然沙棘林地 C值显然大于山桃人工
林和弃耕地。
对 ab值的大小比较表明,各植被类型同一土壤
层次 ab值的大小顺序与 a值排序相同,说明各类植
被土壤的供水性能为: 华北落叶松人工林 > 天然长
芒草 >天然沙棘林 >山桃人工林 >弃耕地。同一植
被类型的土壤 ab值表层均大于下层,说明土壤表层
供水能力大于下层。
4 结论
( 1)不同植被类型各层次土壤密度的大小排序
为弃耕地 >山桃人工林 >天然长芒草 >华北落叶松
人工林 >天然沙棘林, 总孔隙度恰恰相反,说明天然
长芒草、华北落叶松人工林和天然沙棘林的土壤水
分物理性质要好于其它 2种类型。
( 2)不同植被类型土壤表层的持水力大小顺序
为华北落叶松人工林 >天然长芒草 >天然沙棘林 >
山桃人工林 >弃耕地; 同一植被类型土壤的持水力
随土层深度的加深而减小。
( 3)各种植被类型土壤的供水性能随着土壤吸
力的增加而呈递减趋势; 不同植被类型土壤的供水
性能排序为: 华北落叶松人工林 > 天然长芒草 > 天
然沙棘林 >山桃人工林 > 弃耕地; 同一植被类型土
壤表层的供水性能比下层的好。
( 4)华北落叶松人工林、天然长芒草和天然沙
棘林的土壤持水性能和供水性能均明显优于弃耕
地,土壤总孔隙度均比弃耕地的大,而土壤密度却均
比弃耕地的小, 这说明通过植树种草可改善土壤结
构、降低土壤密度和增加土壤总孔隙度等物理性质
而对其持水供水性能可产生积极作用。
305
林 业 科 学 研 究 第 19卷
表 5 不同植被类型不同吸力条件的土壤比水容量 (C ) mL 10- 1MPa- 1 g- 1
植被类型 土层深度 /
cm
a b值 土壤水吸力 /M Pa
0. 01 0. 03 0. 04 0. 06 01 02
天然长芒草地
天然沙棘林地
华北落叶松
人工林地
山桃人工林地
弃耕地
0~ 20 3667 5030 % 10- 1 1442% 10- 1 1040% 10- 1 6555 % 10- 2 3667% 10- 2 1667 % 10- 2
20~ 40 2016 2538 % 10- 1 7579% 10- 2 5523% 10- 2 3535 % 10- 2 2016% 10- 2 9402 % 10- 3
40~ 90 3316 4581 % 10- 1 1309% 10- 1 9428% 10- 2 5938 % 10- 2 3316% 10- 2 1505 % 10- 2
0~ 40 3316 4581 % 10- 1 1309% 10- 1 9428% 10- 2 5938 % 10- 2 3316% 10- 2 1505 % 10- 2
40~ 90 2673 3695 % 10- 1 1055% 10- 1 7602% 10- 2 4787 % 10- 2 2673% 10- 2 1213 % 10- 2
90~ 120 3244 4605 % 10- 1 1299% 10- 1 9324% 10- 2 5844 % 10- 2 3244% 10- 2 1460 % 10- 2
0~ 30 3763 5045 % 10- 1 1462% 10- 1 1057% 10- 1 6693 % 10- 2 3763% 10- 2 1723 % 10- 2
30~ 60 2819 3794 % 10- 1 1097% 10- 1 7931% 10- 2 5018 % 10- 2 2819% 10- 2 1289 % 10- 2
60~ 90 1776 2179 % 10- 1 6589% 10- 2 4817% 10- 2 3098 % 10- 2 1776% 10- 2 1353 % 10- 2
0~ 30 3315 4625 % 10- 1 1315% 10- 1 9462% 10- 2 5949 % 10- 2 3315% 10- 2 1499 % 10- 2
30~ 70 3305 5211 % 10- 1 1398% 10- 1 9904% 10- 2 6094 % 10- 2 3305% 10- 2 1441 % 10- 2
0~ 20 2810 3871 % 10- 1 1107% 10- 1 7980% 10- 2 5028 % 10- 2 2810% 10- 2 1276 % 10- 2
20~ 60 2441 3540 % 10- 1 9884% 10- 2 7077% 10- 2 4419 % 10- 2 2441% 10- 2 1092 % 10- 2
植被类型 土层深度 /
cm
a b值 土壤水吸力 /M Pa
04 06 10 15 20
天然长芒草地
天然沙棘林地
华北落叶松
人工林地
山桃人工林地
弃耕地
0~ 20 3667 7578 % 10- 3 4778% 10- 3 2673% 10- 3 1685 % 10- 3 1215% 10- 3
20~ 40 2016 4386 % 10- 3 2808% 10- 3 1601% 10- 3 1025 % 10- 3 7467% 10- 4
40~ 90 3316 6826 % 10- 3 4299% 10- 3 2401% 10- 3 1512 % 10- 3 1089% 10- 3
0~ 40 3316 6826 % 10- 3 4299% 10- 3 2401% 10- 3 1512 % 10- 3 1089% 10- 3
40~ 90 2673 5501 % 10- 3 3464% 10- 3 1935% 10- 3 1218 % 10- 3 8775% 10- 4
90~ 120 3244 6569 % 10- 3 4117% 10- 3 2286% 10- 3 1433 % 10- 3 1029% 10- 3
0~ 30 3763 7886 % 10- 3 4993% 10- 3 2807% 10- 3 1777 % 10- 3 1285% 10- 3
30~ 60 2819 5893 % 10- 3 3728% 10- 3 2094% 10- 3 1325 % 10- 3 9576% 10- 4
60~ 90 1776 3927 % 10- 3 2526% 10- 3 1448% 10- 3 9314 % 10- 4 6810% 10- 4
0~ 30 3315 6782 % 10- 3 4264% 10- 3 2376% 10- 3 1494 % 10- 3 1075% 10- 3
30~ 70 3305 6282 % 10- 3 3866% 10- 3 2097% 10- 3 1290 % 10- 3 9141% 10- 4
0~ 20 2810 5793 % 10- 3 3650% 10- 3 2040% 10- 3 1285 % 10- 3 9262% 10- 4
20~ 60 2441 4880 % 10- 3 3047% 10- 3 1684% 10- 3 1051 % 10- 3 7527% 10- 4
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