(延邊大學(xué) 吉林 延吉 133000)

沂蒙山區(qū)小圣堂小流域不同類型果園土壤水分特性的研究

劉文紅

(延邊大學(xué)吉林延吉133000)

本文以沂蒙山小圣堂地區(qū)兩塊杏園的棕壤和褐土為研究對(duì)象，利用實(shí)驗(yàn)室HYPROP測定系統(tǒng)來測得棕壤和褐土的土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)棕壤原狀土持水能力低于擾動(dòng)土，導(dǎo)水能力都高于擾動(dòng)土；褐土原狀土持水能力和導(dǎo)水能力都低于原狀土?？傮w而言褐土持水性能高于棕壤，導(dǎo)水性能低于棕壤，兩種土壤在管理時(shí)要采取不同的灌水措施。

褐土；棕壤；果園；土壤水分特征曲線；非飽和導(dǎo)水率

一、前言

(一)研究背景

沂蒙山區(qū)山地丘陵區(qū)果園種植面積較大，是當(dāng)?shù)鼐用裰饕?jīng)濟(jì)收入之一，研究該區(qū)兩種典型成土母質(zhì)土壤的土壤水分特性，探討其持水性及供水性，可以為該區(qū)果園進(jìn)行合理的灌溉和土壤水分管理制度提供科學(xué)依據(jù)。

(二)研究進(jìn)展

1.土壤水分物理特征

土壤水分物理特性主要有土壤容重、土壤孔隙度、顆粒組成、水分特征曲線、飽和導(dǎo)水率、非飽和導(dǎo)水率和擴(kuò)散率等。土壤水分特征曲線是描述土壤含水量與土壤基質(zhì)勢之間函數(shù)關(guān)系的曲線，它能反映土壤保持水分的情況，又稱為土壤持水曲線，是模擬水分和溶質(zhì)在非飽和土壤中運(yùn)移的關(guān)鍵參數(shù)之一。其中壓力膜法的測定曲線與土壤實(shí)際的特征曲線相似度較高，但其測定時(shí)間較長，而離心機(jī)法具有較短的測定周期，但離心過程中容重也隨壓力而改變會(huì)影響測定精度[1]。張力計(jì)法雖然測定范圍比較窄僅在0～0.08MPa之間，但可以對(duì)原狀土壤進(jìn)行測定。土壤水分特征曲線可通過一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合，其中比較常用的有：Brooks-Corey模型[2]和Van-Genuechten模型[3]等，后者廣泛適用于各種類型土壤。

非飽和導(dǎo)水率是指單位勢梯度作用下，單位時(shí)間單位面積土壤通過的水量。它是土壤含水量的函數(shù)，隨著土壤含水量的增加而增加；也是土壤吸力的函數(shù)，隨著土壤吸力的增加而減小。因此，非飽和土壤導(dǎo)水率是土壤水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，也是水分和溶質(zhì)運(yùn)移模擬的重要關(guān)鍵參數(shù)之一。非飽和導(dǎo)水率的直接測定法常用的有瞬時(shí)剖面法和垂直下滲通量法，兩種方法都利用達(dá)西定律推導(dǎo)不同含水率條件下非飽和導(dǎo)水率土壤物理。Fujimaki和Inoue[4]提出了一種確定低壓力下土壤導(dǎo)水率的瞬態(tài)蒸發(fā)法。它是根據(jù)累計(jì)蒸發(fā)量和最終含水量剖面獲得土壤的導(dǎo)水率。其優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)測定土壤的持水特征曲線和土壤導(dǎo)水率，并且從近飽和到近風(fēng)干的整個(gè)含水量范圍內(nèi)都適用。Hyprop導(dǎo)水率測定系統(tǒng)即是按照此方法設(shè)計(jì)的測定儀器。

間接推求土壤導(dǎo)水參數(shù)的方法有三種[5]。一是根據(jù)土壤的質(zhì)地、機(jī)械組成、容重和有機(jī)質(zhì)含量等,建立理想的物理模型，推求土壤非飽和導(dǎo)水率；二是根據(jù)水分特征曲線擬合模型推求導(dǎo)水參數(shù)，具有代表性的模型主要有Mualem模型[6]、van Genuchten模型[7]、Brooks-Corey模型[8]等；三是根據(jù)土壤水分再分布過程推求土壤的導(dǎo)水參數(shù)[9]。

2.影響土壤水分特征的因素

影響土壤水分特征的因素有很多，包括土地利用、土壤結(jié)構(gòu)、土壤類型(質(zhì)地)、土壤容重[10]。土壤質(zhì)地對(duì)于土壤特征曲線影響最大，顆粒越細(xì)，曲線斜率越大[11]。而土壤容重和結(jié)構(gòu)主要影響在于土壤的含水量接近于飽和段時(shí)，團(tuán)聚體含量越多，容重越小，團(tuán)聚體含量多時(shí)，曲線呈指數(shù)型，團(tuán)聚體含量少時(shí)，曲線則稱“S”型[12]。土壤大孔隙雖然僅占土壤體積的0.1%～5%[13]，卻在很大程度上影響土壤水分特征曲線及非飽和導(dǎo)水率耕作方式影響土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)而影響土壤非飽和導(dǎo)水率[14]。

原狀土與擾動(dòng)土在導(dǎo)水率與導(dǎo)氣率方面有著差異，不論是導(dǎo)水率和導(dǎo)氣率，原狀土都比擾動(dòng)土大[16]，導(dǎo)水率隨含水率的增加而減少，說明土壤結(jié)構(gòu)及孔隙特征對(duì)水和氣的傳輸有巨大影響。擾動(dòng)土與原狀土的變化趨勢雖然相同，但是曲線不重合，說明擾動(dòng)土和原狀土的孔隙連接性和彎曲程度不同。擾動(dòng)土是相對(duì)于原狀土而言的[16]。根據(jù)馬愛生等對(duì)黃土高原地區(qū)幾種土壤的水分狀況與能量水平研究表明，在土壤含水量相同的條件下，有原狀土的水勢大于擾動(dòng)土。

(三)研究意義

土壤水分特性的測定受土壤質(zhì)地、土地利用類型、耕作方式等因素影響，直接測定方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且土壤水分特征曲線和導(dǎo)水率一般是分別測定或者是通過土壤水分特征曲線推求非飽和導(dǎo)水率，因此本文利用Hyprop系統(tǒng)同時(shí)測定果園土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率，提高研究效率，并且為該區(qū)果園管理提供依據(jù)。

二、研究方法

(一)研究區(qū)概況

沂蒙山區(qū)屬北方土石山區(qū)，水土流失狀況嚴(yán)重，且中、強(qiáng)度侵蝕面積比例較大。該地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，年降水量700～900mm，夏季(6～9月)降雨占全年降水量的70%～75%，降雨方式多為暴雨，冬春季降水少、土壤水分虧缺嚴(yán)重。該區(qū)成土母巖主要包括花崗巖、片麻巖等酸性巖石和石灰?guī)r等碳酸類巖石，兩類巖石分布地區(qū)多是砂石山和青石山(山東省土壤肥料工作站)。在此自然環(huán)境條件下，對(duì)不同成土母質(zhì)土壤水分研究就顯得必不可少。

(二)土樣采集與處理

本研究區(qū)在地處沂蒙山區(qū)的山東省臨沂市平邑縣天寶山國家林場小圣堂小流域，選取花崗巖和兩種成土母質(zhì)的樣地，屬梯田，分布于小路兩側(cè)，一側(cè)為褐土杏園，一側(cè)棕壤杏園。利用環(huán)刀取土法取0～5cm土，分別取樣在兩個(gè)以上，用于原狀土樣和擾動(dòng)土樣實(shí)驗(yàn)。

土樣處理分為兩部分，棕壤、褐土的原狀土處理和擾動(dòng)土處理。首先是對(duì)采集的土樣進(jìn)行烘干，放在烘箱里達(dá)到二十四個(gè)小時(shí)，將土樣中殘留的多余水分完全烘干。對(duì)于原狀土的處理就是保持土壤原狀，將其裝入容量250ml的環(huán)刀中吸水達(dá)到飽和等待測量。而對(duì)于擾動(dòng)土，則需要烘干后過>2mm篩，并測定砂礫質(zhì)量，獲得>2mm砂礫含量棕壤為25%、褐土為16%，將<2mm土壤樣品按照原狀土容重裝入250ml的環(huán)刀中，并吸水達(dá)到飽和等待測量。

原狀土容重，由原狀土環(huán)刀烘干法測定，環(huán)刀體積為250cm3，在105℃烘箱內(nèi)烘干24h至恒重。然后按照以下公式計(jì)算土壤容重：

ρb=ms/v

(2-1)

ρb是土壤容重(g/cm3)，ms是干土質(zhì)量(g)，v是環(huán)刀體積(cm3)。

棕壤和褐土容重分別為1.6g/cm3、1.3g/cm3。

(三)土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率的測定

1.Hyprop非飽和導(dǎo)水率測定系統(tǒng)

Hyprop是用于在自然條件下測量原裝土樣的土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率。其原理是利用飽和-蒸發(fā)原理，運(yùn)用兩個(gè)不同深度的微型張力計(jì)和精確稱重系統(tǒng)測定土壤水分特征曲線和土壤的非飽和導(dǎo)水率。Hyprop是一種土壤測定系統(tǒng)，它適合于各種各樣的土壤類型，能夠同時(shí)得到非飽和導(dǎo)水率和pF曲線，通過得到大量數(shù)據(jù)推導(dǎo)出導(dǎo)水率方程。系統(tǒng)軟件自動(dòng)測量、記錄土壤水勢參數(shù)、并且繪制參數(shù)曲線、提供原始數(shù)據(jù)，稱重時(shí)自動(dòng)識(shí)別樣品質(zhì)量。

2.土壤特征曲線和非飽和導(dǎo)水率擬合公式

土壤水分特征曲線采用Van Genuchten的土壤水分特征曲線模型方程進(jìn)行模擬：

(2-2)

θ=θsh>ha

(2-3)

式中：θ為土壤體積含水率(cm3/cm3)；θs為土壤飽和含水率(cm3/cm3)；θr為土壤殘積含水率(cm3/cm3)；h為土壤基質(zhì)勢(cm水柱)；α、n、m都為土壤水分特征曲線形狀系數(shù)(或經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù))；ha為土壤進(jìn)氣吸力(cm水柱)；m=1-1/n。

土壤非飽和導(dǎo)水率：根據(jù)Van Genuchten-Mualem模型進(jìn)行推導(dǎo)，含水量和非飽和導(dǎo)水率的關(guān)系如下：

K(θ)=S1/2[1-(1-S1/m)m]2·Ks(m=1-1/m,0

(2-4)

式中：K(θ)為非飽和導(dǎo)水率(mm/min)；KS為飽和導(dǎo)水率(mm/min)；S為有效飽和度，在不考慮水分滯留作用的影響，可表達(dá)為：

(2-5)

式中：θ為土壤體積含水率(cm3/cm3)；θs為土壤飽和含水率(cm3/cm3)；θr為土壤殘積含水率(cm3/cm3)。

三、結(jié)果分析

(一)土壤水分特征曲線的分析

1.棕壤的水分特征曲線

棕壤擾動(dòng)土和原狀土的土壤水分特征曲線見圖1、圖2，從圖中看出棕壤原狀土和擾動(dòng)土的土壤水分特征曲線利用VG-M模型擬合較好。VG-M模型參數(shù)見表1，從表1可以看出棕壤原狀土土壤飽和含水量為0.314cm3/cm3,殘余含水量為0.042cm3/cm3，棕壤擾動(dòng)土飽和含水量為0.422cm3/cm3，殘余含水量為0.092cm3/cm3，擾動(dòng)土高于原狀土，當(dāng)原狀土與擾動(dòng)土土壤水勢相同時(shí)，原狀土的含水量小于擾動(dòng)土。由此可得出，棕壤的擾動(dòng)土相對(duì)于原狀土持水能力更強(qiáng)，這與擾動(dòng)土進(jìn)行了過篩，去除了>2mm砂礫有關(guān)。

表1 土壤水分特征曲線及非飽和導(dǎo)水率VG-M模型擬合結(jié)果

圖1棕壤原狀土土壤水分特征曲線 圖2 棕壤擾動(dòng)土土壤水分特征曲線

2.褐土的水分特征曲線

褐土擾動(dòng)土和原狀土的土壤水分特征曲線見圖3、圖4，從圖中看出褐土原狀土和擾動(dòng)土的土壤水分特征曲線利用VG-M模型擬合效果也較好。VG-M模型參數(shù)見表1，從表1可以看出褐土原狀土土壤飽和含水量為0.497cm3/cm3,殘余含水量0.096cm3/cm3,褐土擾動(dòng)土飽和含水量為0.528cm3/cm3，殘余含水量為0.115cm3/cm3，與棕壤一致擾動(dòng)土高于原狀土，當(dāng)原狀土與擾動(dòng)土土壤水勢相同時(shí)，原狀土的含水量小于擾動(dòng)土。由此可得出，褐土的擾動(dòng)土相對(duì)于原狀土持水能力也較強(qiáng)。

圖3 褐土原狀土土壤水分特征曲線 圖4 褐土擾動(dòng)土土壤水分特征曲線

3.棕壤和褐土的水分特征曲線異同

根據(jù)表1和圖1、圖2、圖3、圖4，比較棕壤和褐土土壤水分特征曲線的差異，發(fā)現(xiàn)褐土擾動(dòng)土和原狀土的飽和含水量都高于棕壤，殘余含水量也高于棕壤，相同土壤水勢條件下土壤含水量褐土高于棕壤，因此褐土的持水性能較棕壤高。

四、結(jié)論

(1)棕壤原狀土土壤飽和含水量高于擾動(dòng)土、殘余含水量低于擾動(dòng)土；褐土原狀土土壤飽和含水量高于擾動(dòng)土、殘余含水量低于擾動(dòng)土；不管是原狀土還是擾動(dòng)土，褐土飽和含水量都高于棕壤，說明褐土的持水性能好于棕壤。棕壤原狀土壤持水能力方面要低于褐土，導(dǎo)水能力方面高于褐土，對(duì)于果園的管理要因地制宜，棕壤需要通過土壤改良增加其持水性能，褐土要疏松土壤，提高其導(dǎo)水性能。

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劉文紅，女，漢族，山東，研究生，延邊大學(xué)，人文地理學(xué)。