全 文 ：第 7 卷 第 1 期
1 9 9 4 年 2 月
林 业 科 学 研 究
FO R E ST R E S E A R C H
V o l
.
7
,
N o
.
1
F e b
. ,
1 9 9 4
北京九龙山不同植被土壤水分特征的研究 ‘
周择福 李昌哲
摘耍 通过实测的土壤水分特征曲线 , 分析了不同植被的土壤持水性 。 结果表明 : 土壤吸力与
土壤含水量之间存在着显著的幂函数关系, 它们的数学模型为 : e = as b , 土壤的持水性由好到差依
次为 : 阻坡灌木 、 阴坡裸地 、 阴坡油松 、 阳坡灌木、 阳坡裸地、阳坡侧柏 , 坡向和植被类型对土壤
的持水性影响极大。 同一坡向中 , 灌木林地的土壤持水性优于乔木林地 , 所有林地的表层土壤 (0 一
20 c m )的持水性均优于下层土壤 (20 ~ 6 0 。皿 ) ; 回归分析结果表明 , 在相同的立地条件下 , 影 响
土壤中、 低吸力段持水性的主要因子为土壤容重 、 毛管孔隙度和有机质含量 。
关健词 北京九龙山 、 植被类型 、 土壤水分 、 土壤持水性
水是干早地区林木生长的主要限制因子之一 , 如何将有限的天然降水和地表径流用于造
林 , 这是造林技术的关键间题 。 本文研究了北京九龙山不同植被条件下的土壤水 分 特征 曲
线 、 不同植被条件下土壤的蓄水保墒能力及影响蓄水的主要因子 , 为制定水土保持林的营造
措施提供理论依据 。
1 试区自然概况
试验区属太行山低山丘陵区 , 位于北京市门头沟区的中国林业科学研究院北方造林实验
中心 , 1 1 6 0 6 了 E , 3 9 “4 2 产 N , 海拔2 2 0 ~ 5 9 9 m , 年均气温 1 1 . s oC , 年降水量6 2 3 . 0 m m , 多
雨年份达 9 70 . 1 m m , 少雨年份仅2 85 . 3 m m , 6~ 9月的降水量占全年的80 % 以上 , 年平均蒸发
量约为降水量 的 3 倍 。 土壤为砂岩 、 页岩风化坡积物上发育起来的山地淋溶褐土 和 山 地 褐
土 , 由于长期遭受不同程度的侵蚀 , 土壤表现为粗骨性特征 , 土层较薄 , 结构发育不全 , 石
砾含量高 , 保水性能差 。 植被以灌木为主 , 并分布有成片的侧柏 (尸lat ycl a d us or ‘en tal fs
(L
.
) F r a n e o )和油松 ( P in u s tab u la ejo r。‘5 C a r r ) 人工林 , 灌木主要有荆 条 (犷 i*e % n e -
圳 n d o v a r . he te r o p hylla R e h d ) 、酸枣 ( Z iz ip hus ju juba v a r . S p ‘n o sa (B u n g e )H u ) 、
胡枝子 ( L esPe d e za b ic o lo r T u r e z ) 、 蚂炸腿子 ( M夕r iP n o s d io ‘e a Bu n g e ) 和三 裂绣线
菊 ( S P ira e a *r ifo ba ta L in d l ) 等。
2 研究方法
在实地调查的基础上 , 选择有代表性的 4 种植被类型 , 设置固定标准地 (表 1 ) 进行 试
19 93 一08we 09 收稿 。
周排福助滋挤先反 , 李昌借 ( 中国林业科学 研究院林业研究所 北京 10 0091 ) 。
苦本文 为目家 “八五 ” 攻关项 目 “水土保持林结构模式” 的部分内容 。 刘 昌明曾给于帮助 , 特表致 谢 。
1 期 周择福等 : 北京九龙山不同植被土壤水分特征的研究 49
验 。 在阴 、 阳坡灌木林地的附近各设一块 10 m X 10 m 的标准地 , 雨季前清除灌木和杂草 , 经
过一个雨季 , 使其成为裸露地 , 无杂草生长 , 进行对比试验 。
雨季中 , 用高 1 o m 、直径 5 o m 的铜环取 土器 , 取标地内。一20 o m 和20 一50 o m 的土样 , 每
层重复三次 , 放在选定的压力板上 , 用无气水将备好的土样 , 充分饱和 , 放在压力室内 , 加
压到所需压力上 , 待平衡后 , 切断气源 , 取 出土样 , 旧烘干法测定土壤含水量 , 根据预定的
不同压力重复以上工作 , 取得不 同压力下土样的土壤含水量 , 可得 出土壤水分特征 曲线 。 按
照常规方法测定标地内的土壤物理性质 、 机械组成和有机质含量 。
表 1
平 均胸径 密植被类型 平均树高(m ) (地径 )
标准地垂本情况
度 郁 闭 度 林 龄 坡 度
坡向 坡位
(林 / hm Z ) ( 盖 度 )
?叨丫,丫喃,卜曰:N门e以入S
八一
,曰伟JIt,自n心“牛习八乙q八J,LJZO了O产O自口山阴坡油松林
阳坡侧柏林
阴坡灌木
阳坡灌木
困坡裸地
阳坡裸地
4
。
1
4
.
6
1
。
4
0
.
9
2 14 5
2 3 5 5
中下部
下 部
中上部
中 部
中上部
r户 部
、,夕、,了
一j曰口山J土
.⋯qr门内了J八‘了.、、
3 结果与分析
3
.
1 不同植被土滚水分特征曲线的教学模型
土壤水分特征曲线反映土壤水分的数量与龄量之间的关系 , 也反映土壤保持水分的状况 ,
所以又叫土壤持水曲线〔‘, ” , 是研究土壤水分特征的重要曲线。 由于不同植被的改良土壤 作
用 , 在同一生态环境下形成的土壤具有不 同的理化特性 , 因而 , 它们的蓄水性能不同 , 反映
了不同的土壤水分特征曲线 。 由实测的不同植被的土壤水分特征曲线 ( 略 ) 也充分说明了这
一点 , 实测的水分特征曲线反映了土壤含水量和土壤吸力之间存在着幂函数关系 , 选用的土
壤水分特征曲线的数学模型为、
8 = a s b
式中 : S—土壤吸力 , e—土壤重量含水量 , a 、 b 为参数。用最小二乘法整理实测的上壤含水量一土壤吸力的数据 , 拟合的参数及数学模型如表2 。
从表 2 可 以看出 , 土壤含水量随着土壤吸力的变化而变化 , 从而换算出土壤含水量。 参
数 a 值也随着植被类型的不同 , 呈现 出有规律的变化 , 无论是乔木林地 , 还是灌木林地和裸
地 , 都是阴坡的 a 值高于阳坡 , 在同一坡向中 , 灌木林地的 a 值高于乔木林 地 , 裸 地 介 于
乔 、 灌木之间。
a
。
2 不同植被土旅的持水性
一般将土壤吸力范围划分为三段 : ¹ 吸力值小于1 bar 为低吸 力 段 ; º 吸 力 值 1一15
b a r为中吸力段 , » 吸力值大于1 5 ba r为高吸力段 〔幻 。 15 b a r 以下的中 、 低吸力段相 当 于 有
效水的下限范围 , 是能被植物吸收利用的范围 。根据土壤水分特征曲线的数学模型计算了标地
内中、 低吸力段的土壤含水量 ( 表3 ) 。计算结果表 明 , 在同一吸力段范围内 , 由于地形和植被的
5 0 林 业 科 学 研 究 7 卷
裹2 土滚水分特征曲线的数学棋塑及相关系教
参 数
植被类级 数学模型 相关系数
阴坡油松林
阳坡侧柏林
阴坡灌木林
阳坡注木林
图坡裸地
阳坡裸地
土层厚度
(e也 )
0~ 2 0
20~ 5 0
0~ 2 0
20 ~ 5 0
0~ 2 0
2 0~ 5 0
0~ 20
20ro 5 0
0~ 5 0
0~ 50
1 2
。
6
1 1
。
5
1 1
。 工
1 0
。
7
14
。
5
14
.
3
1工. 8
1 1
。
1
13
.
8
1 1
。
4
一 0 。 3 05
一 O。 346
一 0
。
322
一 0
。
314
一 0
.
3 21
一 0 . 2 54
一 0 。 2 82
一 0 . 3 27
一 0
.
329
一 0 。 20 9
0 = 1 2
.
6 5
一 0 . : o 。
0 = 1 1
.
5 5
一 o . a 一。
0 = U
.
I S
一 o 一 3 , 2
0 = 乏0 . 7 5 一 0 . 3 : ‘
妇= 1 4 . 5 5 一 0 . 。: z
0 = 1 4
.
3 5
一 0 · 2 6 4
6 二 U
.
S S
一 0 . : s :
B = U
.
1 5
一 0 . 3 2 ,
B = 13
.
8 5
一 0 一 名, 。
口= U . 4 5 一 o 一 , 0 .
r = 一 0 . 969 8 2
r = 一 0 . 988 6 0
r = 一 0 . 986 7 0
r = 一 0
.
9 9 0 8 5
r = 一 0
.
9必 5 6
r = 一 0 . 9 85 26
r = 一 0 。 993 56
r = 一 0
.
989 16
r = 一 0 . 96 7 1 6
r = 一 0 . 9 9 0 3 7
注 : 相关系数均为极显著。
影响 , 土壤的含水量都不同 , 阴坡的土壤含水量都高于阳坡 , 阴坡油松林大于阳坡侧柏林 ; 阴
坡灌木林大于 阳坡灌木林 ; 阴坡裸地大于阳坡裸地 , 这主要 由于不 同坡向的光热不 同 , 影响
了降水的再分配 。 在同一坡向中 , 是植被类型影响土壤含水量 , 灌木林地的含水量均高于乔
木林地 , 裸地介于灌木与乔木之间 。 土壤含水量 由高到低的次序为 : 阴坡灌木、 阴坡裸地 、
阴坡油松林 ; 阳坡灌木、 阳坡裸地、 阳坡侧柏林 。 灌木林地的枯枝落叶易于分解 , 能增加土
壤肥力 , 改善土壤通气状况和蓄水性能 , 因而灌木林地有较好的持水性 , 而油松和侧柏林的
枯枝落叶较难分解 , 改良土壤的作用较差 。 阴 、 阳坡土壤含水量的差值随着土壤吸力的降低
而增加 , 当土壤吸力为 1 b ar 时 , 阴坡灌木的含水量为 14 . 5 % , 而阴坡油松林为 12 . 6 % , 相差
约 2 % , 当土壤吸力都为 0 . 1 b a r时 , 阴坡灌木的含水量为30 . 36 % , 阴坡油松林为 25 . 43 % ,
相差 4 . 93 % 。 所有测试的土壤中 , 上层土壤 ( 0 ~ 20 o m ) 的含水量比下层土壤 ( 20 ~ 50 c m )
高 , 在中吸力段中 , 阴坡灌木则相反 。 据测定 (表 4 ) , 上层土壤的有机质含量 都 高 于 下
层 。 有机质含量的增加 , 改善了土壤的水分状况, 增强了土壤的持水性。 在有效 水 的 范 围
内 , 以 1 5 b a r为下限〔3 , , 不论是 阴坡还是阳坡 , 灌木林地的有效水的下限比乔木林地的低 ,
灌木林地的土壤持水性比乔木林地的好 。
表3 不同吸力段的土峨含水且 (单位 : % )
土层厚度 低 吸力段(b ar ) 中吸力段 (b a r)植被类型 -—一- 一 - 一 -——— __(c m ) 0 . 1 0 . 3 0 . 5 0 . 7 0 . 9 1 。 0 3 . 0 5 . 0 1 0 巧7 . 7 1 6 。 24 5 。 526 . 59 5 . 18 4 . 516 . 61 5 . 29 4 . 646. 46 5 . 19 4 。 578 。65 6 . 92 6 。 089 。 50 7 . 9 7 7 。 1 97 。 5 0 6 . 16 5 . 50
6
.
5 6 5
.
23 4
.
58
8
.
1 3 6
.
4 7 5
。
66
8
.
14 7
.
05 6
.
4 7
018679529.7.08
UnUO“nnlCU6目J,片山一匀丹jn石11咋月峪业n10430193486加213.542.459701826仍14326557628301书915438719436257朽肚1876529巧044351069叨25..3D2.9.18阴坡油松林
阳坡侧柏林
阴坡往木林
阳坡稚木林
阴坡裸地
阳坡裸地
O~ 20
20~ 50
0~ 20
20 ~ 5 0
0~ 20
2 0~ 50
0~ 20
2 0~ 50
0~ S0
0 ~ 5 0
1 期 周择福等 : 北京九龙山不同植被土壤水分特征的研究
表 4 不同植披的土城物理特性 (单位 : % )
集质t机土有含HPt粒含里 粘含粉粒
土层厚度植被类型
(。m )
土城容重 毛管孔 非毛管 砂粒
土城质地 土城结构 总孔隙度
(叮。m 勺 隙 度 孔隙度 含云
阴坡油松林
阳坡侧柏林
阴坡推木林
阴坡裸地
阳坡裸地
0~ 20 粉砂城土 团粒结构 1 . 17 3 7 。 59 1 3 . 14 5 0 。 7 3 3 5 . 0 0
2 0~ 50 粉砂城土 团粒结构 1 . 31 4 1 . 09 6 . 5 6 4 7 . 65 35 . 50
0~ 2 0 集 土 团粒结构 1 . 29 3 7 . 7 7 1 0 . 99 4 8 . 7 6 4 3 . D0
20~ 50 族 土 团粒结构 1 。 3 1 3 3 一 6 0 8 . 3 9 4 1 . 9 9 4 2 。 8 3
0~ 2 0 粉砂城土 团较结构 l。 18 5 0 . 7 8 7 . 5 1 5 8 . 2 9 4 1 。 6弓
20 ~ 50 粉砂城土 团位结构 1 。 28 45 . 98 8. 45 54 . 4 3 努 . 8 3
0~ 2 0 城 土 团较结构 1 . 4 0 3 7 . 2 0 9 。 9 2 47 。 12 4 6 。 50
2 0~ 5 0 维 土 团狡结构 1 . 5 1 34 . 85 8 . 邵 4 3 . 7 0 4 一5 0
0~ 5 0 粉砂城土 团粒结构 1 . 28 46 . 4 1 7 . 3 5 5 3 . 7 6 3 2 . 48
0~ 5 0 集 土 团粒结构 1 . 46 3 5 . 32 拐 . 05 4 8 . 3 8 4 0 . 17
46
。
50
49
,
13
阳坡猫木林
14
。
4 0
13
. 弓0
1 2
。
0 0
1 2
。
7 0
1 2
。
00
15
。
03
11
。
00
13
。
10
12
。
90
12
。
50
2
。
4 1
2
.
00
2
.
40
1
。
34
2
。
4
2
。
1 1
2
。
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1
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52
2
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32
2
。
13
2370594润68厅才片了行67,n“”nUtJ匕Jnlf气心4加514科
”n“U3曰合眨
泊
6nJ42弘7
3
。
3 不同植被土滚的容水度
为说明土壤容水度与土壤吸力的变化关系 , 计算了不同植被土壤的容水度 ( 表 5 ) 。 表
4 表明, 在低吸力段中 , 土壤容水度随土壤吸力的增大而变小 , 说明在有效水的范围内 , 提
供给植物根系吸收的水量是不 同的 , 这与许多研究得出的 “土壤水分的非有效性” 的结论相
一致 , 他们认为 : 土壤水对植物的有效性确实是随土壤湿度的降低而减少 , 土壤湿度降低到
萎蔫点之前植物就会出现水分亏缺 , 生长受到严重抑制〔。 ,们 。 在低吸力段中 , 阴坡的土壤容
水度高于阳坡 , 灌木的高于乔木 。 容水度的变化与持水性相一致 。 即持水性能好的土壤 , 释
放的水分也多。 土壤容水度随着土壤吸力的增大而增大 , 阴坡灌木。一 20 c m 土壤的 吸 力 为
0
.
1 ba r时 , 容水度为4 . 5 魂m L / ( b a r · g ) , 吸力为o . g b a r时 , 容水度 为 o . 4 z m L / ( b a r · g ) ,
这说明 , 在低吸力段的土壤中 , 土壤水分愈好 , 愈容易丢失 , 在九龙山半干早地区, 林木生
长主要靠天然降雨 。 因此 , 雨后及时采取土壤蓄水保墒措施 , 对 防止土壤水分的 蒸 发 和 下
渗, 减少土壤水分的无效损失具有重大意义 。
衷5 不同植被土坡的容水度 【单位 : 二L / ( b a : · g )〕
土层厚度 土维吸力值 (ba r)
植被类型
( Om ) 0
。
2 (
.
5 0
.
6 0
.
7 0
.
8 0
.
9 1
.
0
41386勃92nUnnU”Un刃49朽58216300..氏上民604538920...0.647135928砧韶胡0..8509374”2韵0.1.O.L的179D3弱06‘.几J1j八1,上.1,nl53砧好47829,上,人1止. .工‘1J1.八14D63281970兜2.2..2.L8463105Dl794.5.62明坡油松林
阳坡油松林
阴坡灌木林
阳坡灌木林
阴坡裸地
阳坡裸 地
0~ 20
20~ 5 0
0~ 20
2 0~ 50
O~ 20
20 ~ 5 0
0~ 2 0
2 0~ 5 0
0~ 5 0
0~ 5 0
在低吸力段中, 容水度的变化在 6 . 05 一 0 . 2 4 m L /( bar · g )之间 , 以 1 m L /( ba r · g )为界 ,
根据定义可知 , 当容水度的值大于 乙m L / (b a r · g )时 , 土壤释放的水分较多 , 植物不受 水 分
能 林 业 科 学 研 究 7 卷
的胁迫 , 生长正常。 当容水度的值小子 1 m L / (bar · g )时 , 土壤释放的水 芬较少 , 植物 虽 能
利用但比较困难 , 生长受到抑制 。 有的学者称此值为 “生长阻滞临界湿度” , 把高于此值的
土壤含水量称为易效水 , 低于此值到土壤萎蔫含水量 的土壤含水量称难效水 , 在难效水中 ,
水分的运动性和有效程度显著降低 , 植物生长受到影响 。 通常把0 . s b ar 的吸力值作为临界湿
度指标 ts. . 〕。 该区临界湿度指标应是 1 m L / (b ar . g) 出现时的土壤吸力值 。 阴坡灌木和 阴坡裸
地 、 阴坡油松林和阳坡侧柏林 、 阴坡裸地 、 阳坡裸地的生长阻滞临界湿度分别为 0 . 7 、 0 . 6 、
0
.
5
、
0
.
4 b a r
, 可见 , 该区的土壤持水性很差 , 渗透力很强 , 植物在比较低的吸力下就受 到
了水分的抑制 , 特别是阳坡裸地更低 , 只有理论值的1 / 2 , 这也是多年阳坡林木生长不 良和
造林成活率低的原因之一。
3
。
4 影晌土滚持水性的土滚因子
为找出影响同一植被类型土壤持水性的主要土壤因子 , 根据公式0 = a夕 , 进行了多元回
归分析 , 回归方程如下 :
y = 4 0 1
.
9 6 8 8 + 导. 5 7 0 8劣, 一 5 . 4 8 0 0 , : 一 导. 4 3 0 2为 + 5 . 7 0 3 6 , ‘一 3 . 9 8 2 9戈。
一 4 。 0 2 5 o x 一 3 。 7日5 9戈 , 一 2 . 5 2 1 7劣 . + 0 . 8 3 3 5劣 .
复相关系数 : R 二 0 . 9 9 4 0 :.二 , 为土壤容重 , 介为毛管孔隙度 , ‘为非毛管孔隙度 , 为为总孔隙度 , 劣。为 砂 粒 ( 1 ~
0
.
0 5 m m )含量 , 戈一为粉粒 ( 0 . 0 5~ o . o os m m ) 含 量 ; 劣 , 为 粘粒 ( 0 . 0 0 5~ o . oo i m m ) 含
量 , 二. 为土壤的酸碱度 , 为为土壤的有机质含量 , y为式e = a s. 中的 a 。
自变量 y 与因变量 x 之间的相关系数序列如下 :
几。= 0 . 9 32 7 > ‘ : = 0 . 9 1 9 6> ‘ : = 0 . 5 5 1 4 > 几 , = 0 . 5 5 1 4> 介。 = 0 . 弘0 7 > 几7
二 0 . 5 3 9 2
即影响土壤持水性的土壤因子由大到小排序为 : 土壤总孔隙度 、 毛管孔 隙度 、 土 壤 容
重 、 土壤有机质、 土壤粉粒含量 、 土壤粘粒含量 。 土壤的酸碱度和土壤砂粒含量对土壤持水
性影响甚微 。
4 结 论
(1 ) 不同植被的持水性不同 , 由高向低依次为 : 阴坡灌木、 阴坡裸地 、 油松林地 、 阳坡
灌木 、 阳坡裸地 、 阳坡侧柏 。 土壤表层的持水性 比下层土壤的高。 因此 , 制定水保措施时 ,
应重视和发挥灌木的作用 , 保护好现有的植被 , 为保持水土 , 绝对禁止陡坡开荒 。
(2 ) 该区土壤保水性差 , 渗透力强 , 生长阻滞临界湿度 出现得较理论值早。 并且 , 土壤
蒸发与雨 、 热同期 , 土壤在低吸力段 , 土壤水分的损失最强烈 , 在雨季后 , 应加强对林木的
抚育管理 , 防止土壤蒸发 , 增强土壤的蓄水保墒能力。
参 考 文 献
1 雷志栋 , 杨诗秀 , 谢森传 . 土城 水动 力学 . 北京 : 清华大学出版社 , 19 8 . 19 ~ 2 4.
2 W il1ia
n A Jo r y
.
So i1 Ph ysies
.
Pr in te d in t he U n ited Sta te o f A坦 er ie a , 1 9 91 . 6 1~ 64 .
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1 针门 周择福等 : 北京九龙山不同植被土坟水分恃征的研究 53
Stu dy o n 50 11 Mo istu re Cha ra c te ristic s o f D iffe re n t
Fo re st V e g e ta tio n s in Jiu lo n g sha n
,
Be ijin g
Z ho u Z ej
“ L i C ha n g 之he
A bs t ra e t 5 0 11 m o is tu r e r e te n ti o n e h a r a e te r s o f d iffe r e n t fo r e st v e g e ta
-
tio n s in Ju ilo n g s h a n w e r e a n a lys e d b y m e a su r e m e n t o f 5 0 11 w a te r e h a r a e te r is
-
tie s in th e fie ld
.
T h e r e s u lt s h o w e d th e r e w a s a h ig h p o w e r fu n e t io n e o r r e la
-
tio n b e tw e e n th e 5 0 11 m o is tu r e e o n te n t a n d th e p o t en tia l o f 5 0 11 万 a te r . T h e
m a th e m a tie a l m o d e l 15 : 0 = a s b
,
5 0 11 m o is tu r e r e te n tio n o f d iffe r e n t fo r e s t
v e g e ta ti o n s w e r e r a n g e d in o r d e r fr o m b e tte r o n e s t o p o o r o n e s a s fo llow
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s e h a tte n s e ite s h r u b la n d
, s eh a tte n s e it e b a r e 5 0 11
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fo r e s t 5 0 11
.
Slo p e o r ie n ta tio n a n d v e g e ta tio n ty p e a r e th e m a in fa e t o r s a ffe e t
-
in g th e 5 0 11 m o is tu r e r et e n tio n
.
O n th e s a m e s lo p e o r ie n ta tio n
, 5 0 11 m o ist u r e
r e te n tio n o f s h r u b fo r e s t la n d w a s be tte r th a n th a t o f th e hig h
一
fo r e s t la n d
.
In a ll th e fo r e st la n d
, th e 5 0 11 m o is tu r e r e te n tio n o f s u P e r fi e ia l 5 0 11 ( 0 ~ 2 0
e m ) w a s b e tte r th a n th a t o f s u bs u r fa e e 5 0 11 (2 0~ 6 0
e m )
.
O n th e s a m e s ite
s
th e 5 0 11 fa e to r s in flu e n e in g th e 5 0 11 m o is tu r e r e te n tio n e ha r a e te r s in m e d iu m
a n d lo w s u e tio n r a n g e a r e 5 0 11 s tr u e tu r e
, o r g a n ie m a tte r e o n te n t a n d 5 0 11 te x
-
tU r e
。
Ke y w o r d s B eijin g Jiu lo n g s ha n
, v e g e ta tio n fo r m
, 5 0 11 w a te r
, 5 0 11 m o is tu r e
r e te n tio n e h a r a e t er
Z o u Z efu
,
A s is ta 皿t Pro fes o r , L五Cha n g z he (Th e R e sea r ch In s tit“te o f Fo res tr y , CAF B e ijin ‘ 100091) .