全 文 ：收稿日期 : 2004205228
基金项目 : 教育部优秀青年教师资助项目、人事部留学回国人员科技择优项目重点类课题和国家“十五”西部攻关
专项 (2001BA901A34)及北京林业大学研究生院 2003 年度研究生培养基金项目联合资助
作者简介 : 张强 (1979 —) ,男 ,辽宁 ,硕士 ,主要研究方向 :土壤水 ,电话 :01062338103 cn zq98 @1631com3 责任作者 : 孙向阳(1965 —) ,男 ,山东 ,博士 ,教授 ,主要研究方向 :土壤生态 01062338103 xiangyang sun @sina1com
林业科学研究　2004 ,17 (增刊) :9～14
Forest Research
　　文章编号 :100121498 (2004)增刊20009206
毛乌素沙地土壤水分特征曲线和
入渗性能的研究
张　强1 , 孙向阳1 3 , 黄利江2 , 王　涵2 , 张广才2
(11 北京林业大学水土保持学院 ,教育部水土保持与荒漠化防治重点实验室 ,北京　100083 ;
21 宁夏林业研究所 , 宁夏 银川　750004)
摘要 :采用张力计法测定了毛乌素沙地低吸力段土壤水分特征曲线 ,并用θ = aψ- b 模型进行了拟合 ,
分析了各层次土壤的持水和供水能力。结果显示 :0～20 cm 的土壤持水能力最差 ,但供水能力最强 ,
40～60 cm的土壤持水能力最强 ,供水能力一般 ;当土壤吸力达到 0106～0108 MPa ,即土壤容积含水率
在 1 %～3 %时 ,比水容量就已达到了 10 - 1级 ,标志着土壤水分处于难效水阶段 ,植物利用比较困难 ;
在室内采用环刀法测定了沙地土壤水分的入渗率 ,结果显示 :有植被覆盖的试验区的初始入渗率、稳
定入渗率和累积入渗量都比无植被覆盖的对照区大 ,说明该地区植被对土壤水分的消耗影响显著。
关键词 :毛乌素沙地 ;土壤水分特征曲线 ;入渗率
中图分类号 :S15217 　　　文献标识码 :A
在干旱、半干旱地区 ,特别是在沙漠地区 ,土壤水分是植物生长的主要生态因子之一。在
土壤吸力小于 011 MPa 的低吸力段所吸持的水分主要受毛管力支配 ,运动能力强 ,有效程度
高 ,是土壤水分工作者研究的主要对象。而入渗是沙漠水分循环的重要环节 ,是地气系统界面
的重要现象 ,也是荒漠生境 SPAC系统水分运移的重要过程之一 (特别是短时降雨后) 。因此 ,
了解土壤在低吸力段条件下的持水和供水能力及地表水的入渗机制 ,对于干旱区植被恢复建
设及经营管理具有重要的指导意义。
1 　试验区自然概况
毛乌素沙地处于半干旱地区 ,气候为温带大陆性气候 ,年平均气温 614 ℃,年日照时数
2 900 h ,年太阳辐射 6 568 MJ·m - 2 ,年平均降水量 36018 mm ,分布不均 ,7 —9 月降水量占全年
降水量的 6915 % ,且多以暴雨形式在数日内降落 ,冬季降雪量小于年降水量的 2 % ,降水量年
变量达 250 mm ,干旱年份出现率为 2816 % ,年蒸发量 2 300 mm ,湿润度 013 ,平均风速 313 m·
s - 1 ,大风多出现在 4 —5 月间 ,以西北风为主 ,夏季盛行东南风。
试验地设在毛乌素沙地南缘 ,位于宁夏盐池县 (99°11′～99°21′E ,39°43′～39°47′N)灌木园
一块面积为 1 250 m2 的人工柠条 ( Caragana intermedia Kuang et H1C1Fu) 林内 ,柠条株、行距为
115 m ×2 m ,其下有覆盖度不同的油蒿 ( Artemisia ordosica Krasch1)群落。
2 　实验方法
211 　低吸力段土壤水分特征曲线
用自制铁桶 (高 20 cm ,直径 30 cm)取原状土 ,由桶底供水 ,使土样充分湿润至饱和 ,然后插
入张力计 ,并将 TDR 探头埋入相同深度处 ,平衡一昼夜后放置于通风处 ,让其蒸发脱水 ,每天
观察张力计读数变化和 TDR 测定土壤含水率[1 ] 。张力计读数即为土壤水吸力值 ,土壤水吸力
与基质势数值相等 ,符号相反 ,由此得出低吸力段土壤水分特征曲线。
212 　土壤入渗水量的测定
用大环刀 (高 20 cm ,直径 10 cm)取原状土 ,从上部加水至水层为 5 cm ,并立一根直尺以便
观察水层厚度 ,开始计时 ,定时观察水层下降高度 (根据大环刀面积换算出入渗水量) ,而后继
续加水至 5 cm 高 ,同时测量水温 ,待入渗稳定 (本试验大约在 80 min)后结束实验[2 ] 。
3 结果分析
311 　土壤水分特征曲线 (低吸力段 0～011 MPa)
　　土壤水分特征曲线是指土壤水的基质势或
土壤水吸力随土壤含水率变化的关系曲线 ,它
表示土壤水的能量和数量间的关系 ,是研究土
壤水分的保持和运动所用到的反映土壤持水特
性的曲线[3] 。实验采用如下方程进行拟合 :
表 1 　土壤低吸力段水分特征曲线方程及相关系数
土壤层次/ cm 水分特征曲线 相关系数 R
0～20 θ= 21563 ψ- 01812 01977
20～40 θ= 31712 ψ- 01696 01986
40～60 θ= 31944 ψ- 01711 01984
图 1 　低吸力段土壤水分特征曲线(脱水曲线)
θ = aψ- b (1)
式子中ψ为土壤水吸力 ,θ为土壤
容积含水量 , a、b 为系数。拟合结
果见表 1。
土壤水分特征曲线 (图 1) 的高
低反映了土壤持水能力的强弱 ,即
曲线越高 ,持水能力越强 ;曲线越
低 ,持水能力越弱。从图 1 可以看
出 :3 个土层中 40～60 cm 的土壤持
水能力最强 ,而土壤含水率随水势
降低的速度最慢 ;0～20 cm 的土壤
持水能力最弱 ,而土壤含水率随水
势降低的速度最快 ;20～40 cm 的土
壤介于二者之间 ,但更接近 40～60
01 林 　业 　科 　学 　研 　究 第 17 卷
cm 的土壤 ,说明与 40～60 cm 的土壤在物理性质方面较为相似。从图 1 还可以看出 ,在同一吸
力条件下 ,土壤各个层次所保持的土壤水分的数量是不同的 ,40～60 cm 的土壤保持的土壤水
分的数量最大 ,0～20 cm 的土壤保持的土壤水分的数量最少。土壤剖面观察可以清楚地看到
柠条和沙蒿的根系在 20～60 cm 的分布相对较多 ,这对其抗旱相当有利。但土壤水分数量的
多少并不一定代表土壤水分有效性的高低 ,还要借助土壤比水容量来加以衡量。
过去 ,人们根据实践经验 ,把土壤有效水的范围限定在“田间持水量”与“凋萎含水率”之
间 ,现在通常将 01033 MPa 作为一般壤质土有效水的上限 ,而砂质土则约为 0101 MPa。由图 1
可以看出 ,该沙地的田间持水量约为 110 g·kg - 1 ,远远小于甘肃几种旱地壤土的 232 g·kg - 1 (平
均值) ,但当土壤含水量处于田间持水量时 ,土壤水吸力降低 0101 MPa 后 ,沙地土壤可以释放
出接近 50 g·kg - 1的水量 ,而甘肃几种旱地壤土只释放出约 20 g·kg - 1的水量。由此看出 ,该沙
地土壤虽然持水能力较差 ,但在一定范围内的供水能力是很强的。
312 　比水容量
土壤水分特征曲线的斜率即比水容量。根据土壤含水量 (θ) 与基模势 (ψ) 的函数关系 ,进
行复合函数求导 ,得
C (θ) = dθ/ dψ (2)
式中 C (θ) 即为比水容量 ,单位为 mL·MPa - 1·g - 1 ,它标志着当土壤吸力发生变化时土壤能释
出或吸入的水量 ,它是与土壤水贮量和水分对植物有效程度有关的一个重要特性 ,可以作为土
壤抗旱性的指标[4～6 ] 。由于土壤水分特征曲线是非线形的 ,所以不同土壤吸力范围内的比水
容量也是不相等的。一般是在低吸力情况下 ,土壤释出的水量比较多 ,植物吸水的耗能量也较
少 ;在高吸力情况下 ,土壤释出的水量减少 ,植物吸收同样多的水量就要消耗比较多的能量。
因此 ,水分对植物来说是不等效的。将试验区低吸力段水分特征曲线求导 ,所得各个层次的比
水容量见表 2。
表 2 　试验区不同层次土壤的比水容量 mL·MPa - 1·g - 1
土壤层次/
cm
土壤吸力/ MPa
0101 0102 0103 0104 0105 0106 0107 0108
0～20 3915 1113 5141 3122 2115 1154 1117 9117 ×10 - 1
20～40 1917 6113 3110 1191 1131 9165 ×10 - 1 7145 ×10 - 1 5195 ×10 - 1
40～60 2113 6159 3132 2104 1140 1103 7192 ×10 - 1 6132 ×10 - 1
　　由于植物根系吸水和表土蒸发毛管悬着水逐渐减少 ,较粗的毛管首先排空 ,使毛管中的水
分失去连续性 ,从而毛管水的运动中断 ,此时的土壤含水量 ,称为生长阻滞点。土壤含水量低
于此值 ,作物吸水困难 ,生长受到阻滞 ,其值约为田间持水量的 60 %～70 % ,可作为植物适宜
湿度的下限。由表 2 可以看出 :在低吸力段 ,土壤比水容量是随着吸力增大而逐渐降低的 ,说
明即使在最有效的田间持水量到生长阻滞点这一区间内 ,水分的有效程度也不相等。同时还
表明 ,假如植物以相同的吸力从不同土壤中吸取水分时 ,由于比水容量的差异 ,在该吸力下所
能取得的水量也不可能是相等的。庄季屏、吴文强等[7 ,8 ]认为各种土壤在低吸力段的比水容
量大致可分为 1 mL·MPa - 1·g - 1和 10 - 1 mL·MPa - 1·g - 1这两个数量级 ,当达到 10 - 1级时 ,基本上
标志水分已处于或大致相当于难效的生长阻滞点到凋萎湿度这一区间 ,由于其活动性低 ,植物
利用已较困难。由表 2 可见 ,当达到 10 - 1级时的土壤吸力分别为 :0～20 cm 为 0108 MPa ;20～
11增刊 张强等 :毛乌素沙地土壤水分特征曲线和入渗性能的研究
40 cm 为 0106 MPa ;40～60 cm 为 0107 MPa。说明当土壤吸力为 0106～0108 MPa 时 ,植物从土
壤中吸收的水分相当少了 ,可以认为此时植物已受到水分的严重制约 ,如果这种情况长时间延
续下去 ,植物就有可能因缺水而影响其生长、凋萎甚至死亡。
313 　土壤各层次垂直入渗率的模拟
在毛乌素沙地降雨量小 ,无地表径流现象 ,所有降水除经过地表和植物表面蒸发外 ,全部
迅速的入渗到地下。水分在垂直入渗时 ,其动力是基质势和重力势之和 ,对此常采用如下方程
拟合[9 ] :
Q/ A = I = Mt1/ 2 + Nt + D (3)
式中 Q/ A 和 I 为累积入渗量 , t 为时间 , M、N 、D 为系数 ;对 I 求导得水分入渗率 i :
i = 1/ 2 Mt - 1/ 2 + N (4)
　　将试验地和无植被沙地 (对照区)上 5 个层次的土壤入渗拟合结果见表 3 :
表 3 　土体各层次入渗拟合方程
地点 土壤层次/ cm 拟合方程 相关系数 R 入渗率 i 方程
0～20 I = 8151 t1/ 2 + 0188 t + 71232 01999 0 i = 4125 t - 1/ 2 + 0188
20～40 I = 6141 t1/ 2 + 1186 t + 231316 01999 0 i = 3121 t - 1/ 2 + 1186
试验区 40～60 I = 7132 t1/ 2 + 1197 t + 241288 01999 4 i = 3166 t - 1/ 2 + 1197
60～80 I = 10142 t1/ 2 + 2105 t + 151263 01999 6 i = 5121 t - 1/ 2 + 2105
80～100 I = 8160 t1/ 2 + 1166 t + 171782 01998 1 i = 4130 t - 1/ 2 + 1166
0～20 I = 3127 t1/ 2 + 1114 t + 101381 01999 2 i = 1164 t - 1/ 2 + 1114
20～40 I = 2165 t1/ 2 + 1120 t + 71447 01999 0 i = 1132 t - 1/ 2 + 1120
对照区 40～60 I = 3197 t1/ 2 + 1135 t + 141384 01999 0 i = 1197 t - 1/ 2 + 1135
60～80 I = 7138 t1/ 2 + 1101 t + 141084 01999 1 i = 3169 t - 1/ 2 + 1101
80～100 I = 7157 t1/ 2 + 1116 t + 91711 01999 7 i = 3179 t - 1/ 2 + 1116
　　降水透过地面向下渗入土壤中的过程叫入渗。在降雨开始时 ,土壤前期含水量小 ,加之表
土疏松 ,裂隙 ,孔隙大 ,水力坡降大 ,下渗强度很大 ,此时的入渗速率称为初始入渗率。当降雨
持续时 ,随着土壤水分不断增加 ,土壤结构的破坏和胶体的膨胀 ,土壤湿润厚度的增加而使水
力坡降减小 ,下渗强度则逐渐减少 ,而在土壤水分达饱和后 ,下渗强度则降至接近不变的常数 ,
此时的入渗速率称为稳定入渗率。在某一时段内 ,通过单位土壤表面所渗入的总水量 (cm3·
cm - 2)称为累积入渗量。入渗率 ( i) 随时间而降低的现象是普遍存在的 ,开始时入渗速率较
快 ,随着时间推移而逐渐变慢 ,当土体被水分充分饱和后 ,入渗率将趋于一个稳定的入渗速率 ,
这一稳定入渗速率接近于土壤的饱和导水率[10 ] 。从表 3 看出 :相关系数较大 ,模拟效果较好 ;
除 0～20 cm 土层外 ,试验区各个土层的稳定入渗率均比对照区的稳定入渗率大 ;在相同时间
内试验区内土壤的累积入渗量比对照区的大。这是因为在试验区内有比较大的根系和土壤动
物的孔道 ,这些孔道直接导致了稳定入渗率和累积入渗量的增大。从表 3 还看出 :试验区表层
土壤的稳定入渗率最小 ,仅为 0188 ,这是因为土壤表层有死亡或新生的藓类生物覆盖 ,产生了
结皮现象 ,这些结皮很大程度上阻碍了水分的入渗。
试验区与对照区各层土壤水分入渗率和时间的关系曲线见图 2a、b。图 2a、b 对比可见 :试
验区各个层次土壤的初始入渗速率都比对照区的高。这是因为试验区内土壤含水率比较低的
21 林 　业 　科 　学 　研 　究 第 17 卷
缘故 ,张万儒等[11 ]也做出过相同的结论。经实验测得 :试验区内土壤的平均容积含水率为
4117 % ,而对照区内土壤的平均容积含水率为 7126 % ,这可能是由于对照区没有植被消耗土壤
水分及地表的干沙层对土壤蒸发起到了一定的阻碍作用造成的。此外 ,试验地上存在的根系
孔道和虫孔也是导致初始入渗率加大的原因之一。
由表 3 可知 ,除 0～20 cm 外 ,试验区的稳定入渗率在 1166～2105 mm·min - 1之间 ,按照蒋
定生[12 ]对黄土高原土壤入渗率的划分 ,本地区属于高入渗速率区。由模拟方程可以算出试验
区各层前 30 min 的累积入渗量分别为 801333、1141330、1231559、1331720、1141800 mm ,与陈丽
华[13 ]在晋西黄土地区水土保持林地的实验结果比较 ,本地区入渗性能较好。由图 2a 可知 :试
验区的入渗速率在前 10 min 随时间而降低的幅度比较大 ,10 min 之后变化则相当平缓。周择
福[14 ]对不同林地所做的相关实验表明 :30 min 后进入缓慢入渗阶段 ,从而再次表明了本地区
具有良好的入渗性能 ,即使有较大的降雨量也不会发生地表径流 ,雨水会迅速入渗补充到地
下水。
图 2b 　对照区各层入渗率和时间的关系曲线图 2a 　试验区各层入渗率和时间的关系曲线
4 　讨论
(1)土壤水分特征曲线通常仅能反映持水量的多寡 ,如果结合低吸力段的水容量进行研
究 ,就能较正确地评价土壤的持水性能和水分的有效程度 ;本地区持水能力弱 ,但供水能力强 ,
土壤吸力在 0106～0108 MPa 时是植物能否有效利用水分抵抗旱情的关键点。
(2)根据测定 ,试验区 (人工柠条林)的土壤入渗性能要优于对照区 (无植被覆盖沙地) 的 ,
前 10 min 为迅速入渗阶段 ,以后为缓慢入渗阶段。当降雨量足够大时 ,雨水可迅速下渗补给
到地下水。
(3)鉴于本地区特点 ,造林时应选择抗旱能力强的树种 ,如柠条 ;由于土壤含水量平均值较
小 ,仅为 4117 % ,所以植苗造林时密度不宜过大 ,适当增加草本植物的覆盖度[15 ] 。
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31增刊 张强等 :毛乌素沙地土壤水分特征曲线和入渗性能的研究
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Studies on Soil Water Characteristic Curves and Infiltration Capability
of Maowusu Sandy Soil
ZHANG Qiang1 , SUN Xiang2yang1 , YU Wei2ping2 , HUANG Li2jiang2
(1. Beijing Forestry University ,Beijing 　100083 ,China ; 2. Ningxia Forestry Institute ,Yinchuan 　750004 ,Ningxia ,China)
Abstract :The soil water characteristic curves and infiltration capability of Maowusu sandy soil were studied in
Yanchi County ,Ningxia Hui Autonomous Region ,so as to provide a scientific basis for vegetation recovery and
soil water management . The soil water characteristic curves of Maowusu sandy soil were measured with tensome2
ters and then simulated with the model θ= aψ- b. The highest water supplying capacity and the lowest water
holding capacity were found in the soil layer of 0～20 cm and the opposite result in the soil layer of 40～60 cm.
The water capacity reached 10 - 1 level at soil suction of 0. 06～0. 08 MPa ,which indicated that soil water was
not available for plant uptaking. The infiltration capacity was measured with ring swords in lab ,and the original
infiltration rate ,stable infiltration rate and cumulative infiltration amount were found to be higher in the experi2
mental plots with vegetation cover than that of exposed plots. Thus ,drought2resistant tree species ,such as Cara2
gana korshinskii ,with low planting density ,were suggested to be used for vegetation recovery in the local area.
Key words :sandy soil ,soil water characteristic curves ,infiltration rate
41 林 　业 　科 　学 　研 　究 第 17 卷