全 文 ：收稿日期: 20040610
基金项目: 国家重点科技攻关西部专项课题 宁夏防沙治沙及沙产业技术开发 ( 2001BA901A34)
作者简介: 黄利江( 1979 ) ,男,新疆沙湾人,助理工程师.
林业科学研究 ! 2004, 17(增刊) : 31~ 38
Forest Research
! ! 文章编号: 10011498( 2004)增刊003108
宁夏盐池沙地水分动态研究初探
黄利江1, 赵 ! 萍2, 张广才1, 张 ! 强2, 王 ! 涵1,
于卫平1, 马 ! 晖1, 白永强1
(1 宁夏林业研究所,宁夏 银川 ! 750004; 2北京林业大学,北京 ! 100083)
摘要: 采用沙地土壤定位研究方法, 系统地研究了毛乌素沙地土壤的水分特性及 SPAC(土壤植物大
气连续体)中水势的变化规律。结果表明: ( 1)经验方程 = AS - B对该地区的土壤水分特征曲线有良
好的模拟性, 该区土壤的水分特性为: 持水量低,供水力小, 耐旱性差; ( 2)水分从树叶扩散到大气中的
阻力是土壤植物大气连续体中水分传输的主要阻力,土壤水势的变化受降雨、土壤蒸发和林木蒸腾
的共同影响, 林地的土壤水分表现出明显的季节性变化,树木的叶水势日变化呈明显的单峰曲线, 树
木受到水分胁迫时水势最低值出现的时间前移,大气水势、土壤水势与叶水势之间均具有一定的相关
性。
关键词: 土壤含水量;土壤水势;土壤水分特征; 叶水势;大气水势
中图分类号: S1527 ! ! ! 文献标识码: A
宁夏是我国沙漠化危害最严重的省区之一,也是荒漠地区沙尘的主要沉降地和沙尘暴向
东漂移的沙源地。西部开发以来, 生态环境的建设问题提到议事日程上,对沙漠化地区实施的
植被恢复和退耕还林(草)工作,要求对沙地水分这一制约因子进行系统研究。以往的研究往
往孤立探讨沙地土壤水分动态或单纯测定单一植物的耗水特性, 很少将两者在特定的立地下
结合起来。
有鉴于此, 本项研究的目的在于以宁夏盐池县的毛乌素南缘沙地为对象,用能量学和形态
学相结合的研究方法,系统研究沙地土壤的蓄水特性、土壤水分时空变化特征以及深入研究该
地区沙生植物的耗水特性[ 1] , 从而为提高固沙造林成效提供一定的理论依据。
1 ! 试验区自然概况
试验研究区地处鄂尔多斯台地向黄土高原的过渡地带, 107∀41# E, 37∀78# N, 土壤主要为
沙壤土,植被多为旱生和沙生植物,年降水少,蒸发量大,水资源贫乏。该地属于典型的中温带
半干旱区, 大陆性气候。干燥多风, 日照充足,光能和热量资源丰富,年光照为 2 876 h,大于 10
∃ 的年积温 2 945 ∃ ,年平均降水量为2931 mm,多集中在 7、8、9月。年平均气温 81 ∃ , 1月
平均气温- 88 ∃ , 7月平均气温 223 ∃ ,绝对最低和最高气温分别为- 296 ∃ 和 381 ∃ ,年
平均大风日数 21 d, 年平均无霜期 139 d。
2 ! 研究方法
21 ! 植物实验材料
实验采用宁夏盐池沙地的优势沙生植物种油蒿( Artemisia ordosica Krasch)和柠条( Cara
gana intermedia Kuang et HCFu)为实验材料。
22 ! 试验方法
221 ! 土壤含水量 ! 土壤含水量采用TDR水分速测仪结合烘干土法测定, 分 0~ 20 cm, 20~
40 cm, 40~ 60 cm, 60~ 80 cm和 80~ 100 cm 5层测定,每层重复 3次( 2002年 4月 16日 2002
年10月 24日,每 7 d测定 1次,雨后加密1次)。
222 ! 叶水势 l ! 使用兰州大学生产的 ZLZ4 型植物水分状况测定仪, 即通常所说的压力
室。每1个月测定2 d(天气状况基本一致) , 测定 6: 00的叶水势。
223 ! 大气水势 a ! 依据气象站测定的气温和相对湿度,用下面的经验公式[ 1]算出:
a = 4624 8 % 105TR ln(Ha)
其中: a 为大气水势; TR 为林冠上空气绝对温度; Ha为林冠上空气相对湿度。
每1个月测定2 d(天气状况基本一致) , 测定 6: 00的大气水势,与叶水势相对应。
224 ! 土壤水势 S ! 采用南京土壤仪器厂生产的 TST55型渗透仪测定每一压力下的土样的
含水量,取 3个重复的平均值, 然后再作出土壤水分特征曲线, 以便用于土壤水分动态的研
究[ 2, 3]。
3 ! 结果与分析
31 ! SPAC中土壤水分动态变化
311 ! 土壤水分年变化 ! 由表1可知, 5 9月,共降水 40次, 总降水量 28972 mm, 已接近盐
池县历年平均水平( 300 mm)。7、9月份降水次数最多(都占总降水次数的 275% ) , 8月份降水
次数最少(占 125% ) ; 6月份降水量最多, 8月份降水量最少。另外, 需要指出的是,期间 1次
最大降水量是 6月7日的 597 mm,出现的两次最小降水量是 01 mm( 5月 18日、9月 20日)。
图 1 ! 两种土壤含水量的年变化
天然降水是试验区土壤水分的最主要的来源,由于本区今年降雨集中在 5 9月,就 5 9
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月降雨量已达到 28972 mm, 全年有明显的雨季和旱季之分, 因此土壤水分的年变化十分明
显。由图 1表明, 土壤水分变化幅度较大。在此期间灌木定植地土壤最大含水量为 20160
mg&kg- 1,最小值为 7757 mg&kg- 1, 相差 26倍。期间出现 4个波峰。总的来说可将其分为 3
个时期,即雨季前期( 4 5月)、雨季( 6 9月)、雨季后期( 10月)。雨季前期土壤含水量较低,
土壤水分保持在 100 mg&kg- 1左右;雨季土壤含水量较高, 保持在 150 mg&kg- 1左右, 虽然这一
时期的蒸发量大,但有连续的降水, 能及时弥补蒸发散失的水分。雨季后期随着降水量的减
少,土壤含水量随即降低。因该期蒸发量相对减少,土壤水分也一般保持在 100 mg&kg- 1左右,
曲线基本稳定。
田间持水量与土壤水分含量之差比田间持水量(以 k 表示)是衡量水分状况的一个重要
指标, 其值越大说明水分亏缺越严重。当 k 值为 30% ~ 40%时, 表示水分亏缺严重。从表 2
中可以看出,各月 k 值都小于 30% ,不表现为亏缺,土壤水分相对较为优越[ 4]。
表 1! 5 9月间各月的降水情况
项目 5月 6月 7月 8月 9月
降水次数 7 6 11 5 11
占总次数/ % 175 15 275 125 275
降水量/ mm 4932 95 475 292 687
占总降水量/ % 1702 3279 1639 1008 2372
表 2 ! 灌木定植地各月水分亏缺情况
项目 灌木定植地
4月 5月 6月 7月 8月 9月
田间持水量/
( mg&kg- 1)
含水量/ ( mg&kg- 1) 12196 1389 1459 13246 13189 13058 15217
水分亏缺值 k/ % 19853 8725 4147 12953 13325 14188
图 2! 两种不同土壤水分垂直变化直线
312 ! 土壤水分的垂直变化 ! 从图 2中可
知,流动沙丘水分状况的主要特点是: ( 1)
水分含量低, 最高和最低含水量之间差距
小,土壤的整个剖面的平均含水量都在 50
~ 100 mg&kg- 1; ( 2)土壤水分的层次性不明
显。这表现在由表土层开始到 100 cm, 上
下层之间的水分含量基本一致。
从图 2中可知, 灌木定植区水分状况
的主要特点是: ( 1)土壤水分含量相当高,
土壤水分状况明显好于流动沙丘, 最高最
低含水量之间差距也较大, 80 cm土层的含水量比流动沙丘同层高出 1276 mg&kg- 1土壤整个
剖面的平均含水量均在 50~ 200 mg&kg- 1; ( 2)土壤水分的层次性非常明显, 在整个剖面中 80
cm 的平均含水量最高 ( 1842 mg&kg- 1) , 60 cm 次之 ( 1676 mg&kg- 1) , 20 cm 最低 ( 852 mg&
kg- 1)。
313 ! 土壤水分特征曲线的模拟 ! 土壤水的基质势或土壤水吸力是随含水量变化而变化的,
其关系曲线称为土壤水分特征曲线,又称土壤持水曲线。土壤水分特征曲线表示土壤水的能
33增刊 黄利江等:宁夏盐池沙地水分动态研究初探
量状态和土壤水的数量之间的关系,反映土壤持水的基本特性, 即土壤颗粒的表面吸附力和土
壤孔隙的毛管力对土壤水的作用[ 5, 6]。
模拟土壤水分特征曲线有多种数学模型, 如 BrookCorey 模型、Genuchten 模型、Kosugi模
型、GardnerVisser模型等。这些模型中均有经验系数,是特定土壤类型的参数。要确定这些经
验系数必须通过实验测定,需对实验结果进行统计分析而获得。
表 3 ! 试验地土壤含水量( g, g&g- 1)与土壤吸力( S, 105 Pa)的关系
试验地 土壤深度/ cm 参数 参数 B 回归方程 = S - B 相关系数 r
0~ 20 11765 081 = 2900 7 S - 081 0937
灌木定植地 20~ 40 1248 0682 = 4152 7 S - 0681 8 0954 4
40~ 60 12756 0691 = 4088 6 S - 0691 4 0952 2
图 3 ! 低吸力段( < 01MPa)不同土层土壤特征曲线
! ! 应用压力膜仪测定的试验地的土壤水分特征曲线绘制成图 3。依据测定的水分特征曲线
借助 Excel 2000回归分析拟合,得到质量含水量( g , g&g- 1)与土壤吸力( S, 105 Pa)的乘幂函数
(列表3) , 由表 3可得知,分析拟合的结果验证了 Gardner和Visser 提出的经验方程 g= S - B ,
适用于模拟该区沙地土壤水分特征曲线[ 5]。此乘幂函数的相关系数较高, 证明模拟效果良好。
方程中的参数 A 决定了曲线的高低,亦即持水能力大小, A 值越大, 持水能力越强; 参数 B 决
定曲线的走向, 即土壤含水量随土壤水势降低而递减的快慢。参数 A 和B 的大小主要受土壤
质地、有机质和结构等因素的影响[ 7~ 10]。
试验地土壤的质地均是沙壤土, 反映在曲线上,低吸力段( < 16 % 105 Pa)的较窄范围内,
水分特征曲线陡直, 而在中高吸力段( > 16 % 105 Pa)较宽区间,曲线却趋于平缓。在低吸力范
围内, 土壤所能保持或释放出的水量取决于土壤结构较粗的孔隙分布, 主要是毛管力起作用。
在中高吸力段主要决定于土壤质地,主要是土壤颗粒的表面吸附起作用。由于试验地土壤质
地是砂土,粒间孔隙较粗,毛管力微弱, 施加较小吸力, 大孔隙中的水即被排出,而保持在中小
孔隙中的水分只有在较大吸力范围内才能缓慢释出, 这也是该区土壤持水力低的内在原因。
从图中还可看出该区不同土层土壤水分特征曲线几乎重合、形状基本相似,无显著差异。
314 ! 土壤水势季节变化 ! 根据前述所对应的土壤水分特征曲线的数学模型进行换算, 得出
各层次的土壤水势。图 4显示了实验地各层土壤水势的季节变化规律。在整个试验期间,各
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层土壤的水势随时间变化的规律相似, 虽有上下的波动,但总的趋势较稳定。变化幅度大的是
0~ 20 cm土层,为- 0018~ - 0043MPa, 40~ 60 cm土层的变化幅度最小, 其整个水势值较其
它两层要大。土壤水势在 4月和7月达低点, 40~ 60 cm土层的数值与上两层的差别较大, 4月
的低点是由于此期间降雨稀少,与之对应的是 6月高的降雨量补充了土壤的水分, 尤其使 40
cm 土层以上土壤在此期间的水势得到了提高。而 7月的低点是由于植物处于旺盛生长期,蒸
腾带动土壤水中的水分散失, 进入植物生长后期, 蒸腾强度的显著下降使土壤水分得到一定的
累积,土壤水势有所增加。总之,植物蒸腾的消耗和降雨量的输入主要影响沙地 40 cm 土层以
上的土壤水势变化, 下层土壤对上层土壤水分有补充作用, 对水分也有一定的蓄积作用。
图 4 ! 各层土壤水势的季节变化
总之,受降雨、土壤蒸发和树木蒸腾的共同影响,土壤水势季节变化分为三个时期:春末夏
初的水势恢复期,夏季水势的降低期和秋季水势的缓慢恢复期。40~ 60 cm土层的水势保持高
于0~ 20 cm和 20~ 40 cm两层土壤水势的水平, 0~ 20 cm土层的水势变化幅度较大。
32 ! SPAC中叶水势日变化
图 5 ! 柠条、油蒿叶水势日变化
图5所示, 两种植物的叶水势日变
化均呈明显的单峰曲线, 但是油蒿的叶
水势日变化比柠条平缓的多。油蒿的变
化幅度为- 06~ - 233 MPa, 柠条为
- 033~ - 323 MPa。由于柠条叶片保
水力差,蒸腾耗水量比较大,所以柠条的
叶水势日变幅比油蒿大, 另一方面,柠条
的吸水能力高于油蒿, 所以柠条的叶水
势恢复速度比油蒿快,到下午 16: 00,两
个树种叶水势的数值又十分接近。
叶水势从早晨 6: 00开始持续下降,油蒿在 16: 00左右达到最低,而柠条在12: 00左右达到
最低,随后叶水势又开始恢复,但 18: 00的叶水势均小于早晨 6: 00的叶水势,需要在晚间蒸腾
量小的情况下, 继续得到补充和恢复。这种叶水势的日变化是树木蒸腾作用消耗水分的速率
35增刊 黄利江等:宁夏盐池沙地水分动态研究初探
图 6 ! 大气水势日变化
和根系的水分供应能力之间的差异造成
的。经过一夜的吸水,此时气温低,空气
湿度大,因而叶水势最大; 另一方面,土
壤的基质势也较高。随着太阳辐射的增
加, 气温升高,空气湿度下降, 蒸腾作用
加快,叶水势开始下降,土壤的基质势也
随水分的消耗而降低, 到光照强度最大
时, 气温最高,空气湿度最低, 蒸腾作用
最大,叶水势最低, 此时土壤基质势较
低。由于根系吸水滞后于蒸腾失水,叶
片气孔开度会减小或关闭,产生午睡现象。叶片气孔开度的减小或关闭使 SPAC 中水分流
动阻力增加,蒸腾作用大幅度下降。随着太阳辐射减弱,气温下降,空气湿度提高,叶水势又开
始上升。
33 ! SPAC中大气水势日变化
大气水势的日变化仅受天气条件制约,主要取决于相对湿度和气温。一天当中大气水势
的最大值在晚上或早晨, 而最小值基本上在 10: 00~ 14: 00之间(图 6)。
34 ! SPAC中土壤水势叶水势大气水势的关系
在土壤植物大气连续系统( SPAC)中, 大气的水势通常远远低于植物的叶水势[ 11, 12] , 叶
水势高于土壤水势, 由此形成水势梯度(表 4) ,使植物叶片水分不断地向周围大气中散失。在
植物体内则形成根茎叶的水势下降梯度,从而促使水分源源不断地从土壤进入根部, 并通过
根、茎的木质部向叶子运动,再从叶表蒸腾,散失。
341 ! SPAC中叶水势大气水势的关系 ! 叶水势的变化受多种气象因素的综合作用, 如饱和
差、净辐射、气温等。大气水势的波动也较大,一般大气水势比叶水势低 2~ 3个数量级(图 5、
6)。大气水势较低时,树的叶水势也较低;大气水势较高时,树的叶水势也较高。
表 4 ! 土壤、叶片、大气水势梯度 MPa
项目 土壤深度/ cm
0~ 20 20~ 40 40~ 60 (平均) 柠条叶片 油蒿叶片 大气
最大值 - 0043 - 0042 - 0035 - 0040 - 020 - 026 - 1049
最小值 - 0018 - 0021 - 0017 - 0019 - 165 - 112 - 2740
平均值 - 0031 - 0032 - 0026 - 0030 - 093 - 069 - 1895
342 ! SPAC中叶水势土壤水势的关系 ! SPAC中叶水势和土壤水势之间的关系受到许多因
子的影响, 一般以植物的最大水势, 即黎明前的水势作为反映植物水分状况的指标, 并以此来
分析它与土壤水势之间的关系。
叶水势在充分供水条件下仅与气象图象有关,但当土壤水受到限制时,树木根系满足不了
蒸腾需求时,叶水势还与土壤水势有密切联系。土壤水势是随着土壤含水量的减小不断上升
的,即土壤水分含量高时,土壤水势高(绝对值低) ,叶水势就高(绝对值低) ;相反,叶水势就低。
这表明在相同天气条件下,树木根系从水势高的土壤中吸水容易,根系吸水与蒸腾失水基本维
持平衡,叶水势就高;反之,土壤水分含量低时,土壤水势低,根系吸水速率较小,满足不了叶片
36 林 ! 业 ! 科 ! 学 ! 研 ! 究 第17卷
蒸腾失水的需要,含水量减小,叶水势降低。
4 ! 结论
( 1)水分特性。盐池县沙地灌木定植区土壤特性: 持水能力低, 保水性差, 释水量大, 抗旱
性弱。形成这种不良性状的根源在于土壤本身质地较粗,大空隙较多、毛管力微弱, 因而持水、
保水、供水均较困难。盐池县沙地土壤的含水量和土壤基质吸力存在显著的幂函数关系,其数
学模型: = S- B具有良好的模拟性, 相关系数较高。在盐池县沙地上必须选择比较耐旱的
树种,而且需要确定合理的林分组成,这样才能保证树木的正常生长。
( 2) SPAC中水势变化规律。土壤水势受降雨、土壤蒸发和树木蒸腾的共同影响,其季节变
化分为三个时期:春末夏初的水势恢复期,夏季水势的降低期和秋季水势的缓慢恢复期。40~
60 cm 土层的水势保持高于上两层土水势的水平, 0~ 20 cm 土层是土壤水势变化幅度大的一
层。两种植物的叶水势日变化均呈明显的单峰曲线, 但是油蒿的叶水势日变化比柠条要平缓
的多。油蒿的变化幅度为- 06~ - 233 MPa,柠条为- 033~ - 323 MPa。由于柠条叶片保
水力差,蒸腾耗水量比较大,所以柠条的叶水势日变幅比油蒿大,另一方面,柠条的吸水能力高
于油蒿,所以,柠条的叶水势恢复速度比油蒿快, 到下午 18: 00, 两个树种叶水势的数值又十分
接近。干旱时水势最低值出现的时间前移,两个树种的日最大水势(黎明前的水势)相差不大,
油蒿的水势比柠条略高, 表明油蒿的水分状况略好于柠条。
大气水势由于受多种因素的影响其波动是比较大的。大气水势比叶水势低 2~ 3个数量
级,叶水势和土壤水势相差约 1个数量级。这表明在树木水分吸收和蒸腾过程中的主要阻力
是从树叶通过蒸腾扩散到大气中的阻力。大气水势和叶水势有一定的相关性,可以用数学模
型进行描述。但模型和模型中参数均不是固定的。土壤水势和叶水势密切相关,但土壤水势
和叶水势之间存在滞后现象。
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37增刊 黄利江等:宁夏盐池沙地水分动态研究初探
Study on the Sandy Land Water Dynamics
in Yanchi County of Ningxia
HUANG Lijiang1 , ZHAO Ping 2, ZHANG Guangcai1 , ZHANG Qiang 2,
WANG Han 1, YU Weiping 1, MA Hui1 , BAI Yongqiang 1
( 1Ningxia Forestry Institute,Yinchuan ! 750004,Ningxia, China;
2Beijing Forestry University, Beijing ! 100083, China)
Abstract:The sandy soil positioning research method was used to study the soil water characteristics and the
variation of water potential in SPAC were systematically studied in Maowusu sandy Land. The results were as fol
lows: ( 1) the empirical equation = AS- B could well simulate the water characteristic curves of the soil. The
study also showed that the soil had the low moisture capacity and the less supply water and low drought en
durance. ( 2)Themain resistance of water distribution in SPAC was from leaf to atmosphere, the distinctly season
al change of soil moisture was the common result of rainfall, evaporation from the forest floor and transpiration of
the trees, the tree tested had a clear daily variation in leaf potential, under the condition of drought stress, the
lowest leaf potential appeared in advance, leaf water potential had a correlation with soil and atmosphere water
potential to a certain extent.
Key words: soil moisture content; soil water potential; the water characterist ic curves of the soil; leaf water po
tential; atmosphere water potential
38 林 ! 业 ! 科 ! 学 ! 研 ! 究 第17卷