何修道，黨宏忠，王立，周澤福，呂文強

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州730070；2.中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，北京100091)

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北方地區(qū)植物籬系統(tǒng)土壤水分特征曲線模擬與分析

何修道1，黨宏忠2*，王立1，周澤福2，呂文強1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州730070；2.中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，北京100091)

摘要：以北方風沙區(qū)、黃土區(qū)、黑土區(qū)的典型植物籬為研究對象，在測定植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)、帶間部位土壤質(zhì)地、土壤孔隙度、有機質(zhì)含量、水穩(wěn)性團聚體等指標的基礎上，采用Van Genuchten模型模擬了不同地區(qū)植物籬土壤水分特征曲線。結(jié)果表明，風沙區(qū)、黑土區(qū)植物籬帶內(nèi)土壤孔隙度、有機質(zhì)、水穩(wěn)性團聚體含量均比帶間高，黃土區(qū)植物籬帶內(nèi)土壤孔隙度、有機質(zhì)、水穩(wěn)性團聚體含量則比帶間的低；各區(qū)域植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)土壤含水率均比帶間高，并且土壤持水力(土壤含水率)隨著土壤水吸力的增大而減弱，風沙區(qū)植物籬帶內(nèi)、帶間土壤持水力最弱，黑土區(qū)植物籬相應部位土壤持水力最高。說明植物籬具有改善土壤質(zhì)地、結(jié)構，提高土壤含水率的作用，在治理坡面水土流失方面具有重要意義。

關鍵詞：植物籬；土壤水分特征曲線；Van Genuchten模型

土壤水分特征曲線是反映土壤水吸力(或土壤水基質(zhì)勢)隨土壤含水量變化關系的曲線[1]，被廣泛用來模擬、求解水分和溶質(zhì)在非飽和土壤中運移的關鍵參數(shù)[2]。通過土壤水分曲線不僅能了解土壤的持水性、土壤水分的有效性和土壤各級大小空隙的分布，還能求解出反映土壤水分運動特征的關鍵參數(shù)[3]。植物籬是我國北方治理水土流失主要的植被配置模式[4-5]，目前，國內(nèi)從土壤物理性質(zhì)、持水性和土壤入滲等角度對森林、農(nóng)地等的土壤水分特征曲線做了相對較多的研究[6-11]，但缺少對植物籬種植模式下土壤的持水、保水性能的對比研究，特別是缺乏針對植物籬不同部位土壤水分特征曲線的比較研究。本文針對寧夏黃土區(qū)、內(nèi)蒙古風沙區(qū)、黑龍江黑土區(qū)的典型植物籬帶內(nèi)、帶間土壤粒徑結(jié)構、孔隙度、團聚體、土壤水分物理性質(zhì)進行采樣、分析，并通過繪制土壤水分特征曲線和求解關鍵水分參數(shù)，比較分析不同區(qū)域植物籬、植物籬不同部位土壤的持水保水性能的差異，研究結(jié)果對于深入理解不同類型植物籬系統(tǒng)內(nèi)部水文過程的差異，指導植物籬設計與經(jīng)營管理具有重要的意義。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

本研究在蒙古高原風沙區(qū)、黃土高原丘陵區(qū)、東北黑土區(qū)3個區(qū)域選取樣地進行調(diào)查取樣。風沙區(qū)樣地選擇在內(nèi)蒙古敖漢旗和翁牛特旗，敖漢旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市東南部、科爾沁沙地南緣，平均海拔575 m，年均氣溫6 ℃，年均降水量390 mm，無霜期145 d，屬于大陸性季風氣候；翁牛特旗地處赤峰市中部、科爾沁沙地西緣，年均氣溫5.8 ℃，年均降水量350 mm，無霜期115 d，屬于典型的中溫帶半干旱大陸性氣候。黃土區(qū)樣地選擇在寧夏彭陽縣，該縣位于黃土高原丘陵區(qū)北部，屬典型的溫帶半干旱大陸性季風氣候，平均海拔1700 m，年平均氣溫7.4～8.5 ℃，年均降水量450 mm，無霜期155 d。黑土區(qū)樣地選擇在黑龍江省拜泉縣，平均海拔240～280 m，年均氣溫1.2 ℃，年均降水量488.2 mm左右，無霜期122 d，屬中溫帶大陸性季風氣候。

1.2材料和樣地

于2014年6月8-21日期間對3個區(qū)域植物籬樣地進行采樣分析。風沙區(qū)選取的植物籬是：內(nèi)蒙古敖漢旗古魯板蒿鄉(xiāng)黃羊洼和翁牛特旗梧桐花鎮(zhèn)西興隆溝兩地的具有代表性的檸條(Caraganaintermedia)(兩行一帶)+向日葵(Helianthusannuus)植物籬(S1)和檸條(兩行一帶)+長芒草(Stipabungeana)(S2)、檸條(七行一帶)+芨芨草(Achnatherumsplendens)植物籬(S3)，兩地檸條種植年限分別為10和15年，平均株高1.8 m；黃土區(qū)選取的植物籬是：寧夏彭陽縣大溝灣的檸條/山杏(Prunusarmeniacavar.ansu)植物籬(S4)(帶內(nèi)為檸條、山杏單行混交，帶間為荒草地)、檸條/山杏+紫花苜蓿(Medicagosativa)植物籬(S5)(帶內(nèi)為檸條、山杏單行混交，帶間種植紫花苜蓿)，檸條平均株高1.7 m，山杏平均株高2 m；老莊村的檸條/山桃(Prunusdavidiana)+紫花苜蓿植物籬(S6)(帶內(nèi)為檸條、山桃單行混交，帶間為人工種植的紫花苜蓿)，山桃平均株高2.3 m，檸條、山杏、山桃種植年限均為13年；黑土區(qū)選取的植物籬是：黑龍江拜泉縣新生鄉(xiāng)和拜泉鎮(zhèn)的胡枝子(Lespedezabicolor)+農(nóng)作物植物籬(S7)、蒿子(Artemisiaannua)+農(nóng)作物植物籬(S8)和胡枝子/蒿子+農(nóng)作物植物籬(S9)(帶內(nèi)為胡枝子、蒿子單行混交，帶間為農(nóng)作物)，胡枝子種植年限為11年，平均株高1.5 m。各樣地基本情況見表1。

1.2.1土樣采集在每塊試驗樣地內(nèi)，用200 cm3環(huán)刀分別采集各植物籬帶內(nèi)、帶間0～20 cm層原狀土壤(采樣前除去表層枯落物)，裝入塑封袋內(nèi)并編號,帶內(nèi)、帶間每次取樣重復3次，每塊樣地共采樣6個，3個區(qū)域共采集土樣72個，帶回室內(nèi)化驗。

1.2.2土壤容重、孔隙度、田間持水量、水穩(wěn)性團聚體、有機質(zhì)的測定每塊樣地中選取6個土樣在中國林業(yè)科學研究院土壤化驗室進行基本物理性質(zhì)的測定，土壤容重(g/cm3)、土壤毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)、土壤總孔隙度(%)、田間持水量(%)等指標用環(huán)刀法(200 cm3)測定[3]。水穩(wěn)性團聚體采用水穩(wěn)性團聚體分析儀(TTF-100型)通過濕篩法測定[12]，主要步驟為：根據(jù)干篩后的各級團聚體的含量，把干篩分取的風干樣品按比例配成50 g，然后將土樣放入由5，2，1，0.5，0.25 mm篩組成的套篩上，為防止土壤團聚體因突然遇水而崩裂，提高團聚體的水穩(wěn)性，應在放入水桶前采取常壓慢速的濕潤方法進行預處理，然后放入已加水的水桶中，上下震蕩30 min后，將留在各級篩上的團聚體進行篩洗入鋁盒，并放在電熱板上烘干，稱其烘干后重量，計算各級水穩(wěn)性團聚體含量[12-13]。土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定[14]。

表1　樣地基本情況Table 1　Basic information of plots

1.2.3土壤粒徑測定和土壤水分特征曲線模擬各級土壤粒徑百分含量用美國產(chǎn)馬爾文MS2000型激光粒度儀進行測定，并按照美國制土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)進行劃分[15]。采用經(jīng)典的Van Genuchten模型[VG模型(式1)]模擬土壤水分特征曲線[15-17]。模擬過程采用USSL(美國鹽改中心)開發(fā)的RETC程序完成，即將土壤的顆粒級中砂粒、粉粒、黏粒的百分含量以及土壤容重等主要土壤物理性質(zhì)數(shù)據(jù)輸入該程序，該程序就可以實現(xiàn)土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)的建立，直接輸出Van Cenuchten模型中的各個參數(shù)，操作簡便，準確性高[15]。

(1)

式中，θ(h)為體積含水率(cm3/cm3)；θS為飽和含水率(cm3/cm3)；θr為殘留含水率(cm3/cm3)；h為壓力水頭(cm H2O)；a、m、n(n>1)為曲線性狀參數(shù)；m=1-1/n。

1.3數(shù)據(jù)處理及分析

利用EXCEL 2013、SPSS 20.0和Origin 9.0軟件進行數(shù)據(jù)分析與作圖。

2結(jié)果與分析

2.1各區(qū)域植物籬系統(tǒng)土壤物理性質(zhì)分析

按照美國制土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)，將土壤粒徑組成大小分為砂粒(粒徑0.05～2.00 mm)、粉粒(粒徑0.002～0.050 mm)、黏粒(粒徑<0.02 mm)3級。風沙區(qū)、黃土區(qū)、黑土區(qū)植物籬帶內(nèi)砂粒、粉粒、黏粒含量與帶間的含量相比差異不顯著(P>0.05)。對比分析表明：對于風沙區(qū)植物籬，土壤粉粒、黏粒含量帶內(nèi)分別是帶間的1.3和1.1倍，砂粒含量帶間是帶內(nèi)的1.1倍(表2)，帶間土壤的粗骨化與帶間粉黏粒的聚集都與所處的風沙環(huán)境相一致；對于黃土區(qū)植物籬，土壤粉粒、黏粒含量帶內(nèi)分別比帶間高1.6%和5.8%，土壤砂粒含量帶內(nèi)比帶間低10.1%，反映了帶間的侵蝕與帶內(nèi)的淤積過程；對于黑土區(qū)植物籬，土壤粉粒含量帶內(nèi)比帶間高3.4%，土壤砂粒、黏粒含量帶內(nèi)比帶間分別低8.4%和11.2%，帶內(nèi)土壤結(jié)構更趨于改善。整體來說，風沙區(qū)植物籬系統(tǒng)砂粒平均含量(67.72%)分別是黃土區(qū)的3.9倍(17.54%)和黑土區(qū)的5倍(13.57%)，而粉粒平均含量(27.67%)僅占黃土區(qū)37.4%(73.98%)和黑土區(qū)的37.6%(73.58%)，黏粒平均含量(4.61%)占黃土區(qū)的54.4%(8.48%)和黑土區(qū)的35.9%(12.85%)，為3個區(qū)域中最低。就各區(qū)域植物籬粉粒、黏粒含量而言，土壤粉粒、黏粒含量帶內(nèi)均高于帶間，體現(xiàn)出植物籬結(jié)構對坡面侵蝕的攔截與細顆粒物質(zhì)的聚集效應。

對所測得的土壤砂粒、粉粒、黏粒含量數(shù)值(表2)根據(jù)美國制土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)并利用Origin軟件繪制土壤質(zhì)地三角圖(圖1)，可以看出黃土區(qū)、黑土區(qū)植物籬帶內(nèi)、帶間土壤均屬于偏粉性的粉壤土，而風沙區(qū)植物籬土壤屬于砂質(zhì)土壤。

表2　各區(qū)域植物籬不同部位表層土壤(0～20 cm)質(zhì)地及粒徑Table 2　Soil texture and particle size of soil surface (0-20 cm) in different position of hedgerow in study area

分別對風沙區(qū)、黃土區(qū)、黑土區(qū)植物籬帶內(nèi)、帶間部位非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度進行方差分析，結(jié)果表明，風沙區(qū)、黃土區(qū)不同部位間非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度差異不顯著(P>0.05)；黑土區(qū)植物籬各部位非毛管孔隙度之間差異不顯著(P>0.05)，毛管孔隙度和總孔隙度在不同部位差異顯著(P<0.05)，帶內(nèi)比帶間分別高8.87%，10.52%。帶內(nèi)、帶間的土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度表現(xiàn)出與粒徑結(jié)構相一致的變化趨勢，除黃土區(qū)的植物籬帶內(nèi)與帶間基本接近外，風沙區(qū)、黑土區(qū)的植物籬，其土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度帶內(nèi)均高于帶間。就植物籬帶內(nèi)、帶間整體來說，風沙區(qū)總孔隙度(65.88%，帶內(nèi)、帶間平均值)是黃土區(qū)的1.3倍(49.99%)，黑土區(qū)的1.4倍(47.88%)，為3個區(qū)域最高(表3)，風沙土其本身就是沙多土少，質(zhì)地疏松，隨著土壤質(zhì)地趨于粗骨化，土壤總孔隙度也相應增大。

圖1　土壤質(zhì)地三角圖Fig.1　Triangle chart of soil texture

2.2各區(qū)域植物籬系統(tǒng)土壤有機質(zhì)分析

土壤有機質(zhì)能反映土壤肥力狀況，是土地生產(chǎn)力的決定性因素。根據(jù)全國土壤普查暫行技術規(guī)程中的土壤有機質(zhì)分級(6級)指標[18](圖2)，黑土區(qū)植物籬帶內(nèi)、帶間土壤有機質(zhì)的含量分別屬于Ⅰ級和Ⅱ級水平，二者之間差異較大，帶內(nèi)有機質(zhì)含量極豐富；黃土區(qū)植物籬帶內(nèi)、帶間土壤有機質(zhì)含量，分別屬于Ⅳ級和Ⅲ級水平，無顯著性差異(P>0.05)；風沙區(qū)植物籬帶內(nèi)、帶間土壤有機質(zhì)含量都屬于Ⅳ級水平，兩部位有機質(zhì)含量差異不顯著(P>0.05)。風沙區(qū)的植物籬，土壤有機質(zhì)含量帶內(nèi)比帶間高13.7%；黃土區(qū)植物籬土壤有機質(zhì)含量帶間比帶內(nèi)高16%，這主要是由于人工種植苜蓿，一方面苜蓿根系對土壤起到了改良作用，人工種植苜蓿增加了地表覆蓋度，歸還土壤枯落物的量相應增加，從而提高了帶間土壤有機質(zhì)的含量，另一方面，由于黃土區(qū)植物籬系統(tǒng)主要分布在退耕坡地，坡度較陡(平均坡度18°)，降水沖刷坡面， 使坡上部植物籬帶內(nèi)枯落物被沖刷到帶間，增加了枯落物來源， 從而使帶間有機質(zhì)含量增加； 黑土區(qū)植物籬系統(tǒng)有機質(zhì)含量帶內(nèi)比帶間高61.5%，且差異顯著，這主要是由于帶間種植農(nóng)作物，人為作用減少了歸還土壤的枯落物的量，而植物籬系統(tǒng)受到人為因素的影響相對較少，所以枯落物歸還量相比帶間要高很多，有機質(zhì)含量則相應增加。

2.3各區(qū)域植物籬系統(tǒng)土壤水穩(wěn)性團聚體分析

水穩(wěn)性團聚體是表征土壤肥力和土壤結(jié)構、反映土壤通透性、穩(wěn)定性和抗侵蝕能力的重要指標，對3個區(qū)域不同植物籬不同部位土壤水穩(wěn)性團聚體各級含量進行對比分析，結(jié)果表明，風沙區(qū)、黑土區(qū)植物籬帶內(nèi)、帶間團聚體粒徑>5 mm的水穩(wěn)性團聚體含量有顯著差異(P<0.05)，0.25～5.00 mm范圍內(nèi)水穩(wěn)性團聚體含量差異不顯著(P>0.05)；黃土區(qū)各部位團聚體粒徑在0.25～0.50 mm范圍內(nèi)的水穩(wěn)性團聚體含量之間差異顯著(P<0.05)，水穩(wěn)性團聚體粒徑>0.5 mm的部位， 無顯著差異(P>0.05)。 隨著土壤有機質(zhì)含量的增加，水穩(wěn)性團聚體的含量也增加(表4)，對于風沙區(qū)、黑土區(qū)的植物籬，水穩(wěn)性團聚體總量帶內(nèi)分別是帶間的2.3和1.1倍，而土壤有機質(zhì)具有膠結(jié)土壤顆粒的作用，正是由于有機質(zhì)的膠結(jié)作用，凝聚了較多細小的土壤顆粒，增加了土壤水穩(wěn)性團聚體的含量，這也說明植物籬對攔截帶內(nèi)較細小的土壤顆粒有積聚作用，進一步說明，植物籬對保持水土，改善土壤物理結(jié)構起到了積極的作用；黃土區(qū)植物籬的水穩(wěn)性團聚體含量帶間比帶內(nèi)增加14.2%，是由于該區(qū)域為山坡退耕地，受到人為干擾影響小，地表覆蓋度增大，增加了土壤有機質(zhì)膠結(jié)來源，沒有耕作影響，增加了膠結(jié)過程，從而使植物籬帶間團聚體含量增加。但是由于兩條植物籬帶的攔截作用，將土壤有機質(zhì)攔截于帶間，增加了帶間有機質(zhì)含量，從側(cè)面說明植物籬系統(tǒng)具有固持攔截水土，改善土壤結(jié)構的作用，植物籬系統(tǒng)不同部位土壤有機質(zhì)含量增加，增加了土壤的膠結(jié)過程。

同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Different letters in the same column was significant differences atP<0.05. The same below.

表4　各區(qū)域植物籬不同部位表層土壤(0～20 cm)水穩(wěn)性團聚體含量Table 4　Content of water-stable aggregates of soil surface (0-20 cm) in different position of hedgerow in study area

2.4各區(qū)域土壤水分特征曲線比較分析

風沙區(qū)、黃土區(qū)、黑土區(qū)植物籬帶內(nèi)、帶間土壤水分含量差異不顯著(P>0.05)。對各區(qū)域植物籬帶內(nèi)、帶間土壤水分特征曲線的模擬發(fā)現(xiàn)(圖3)，土壤含水率隨著土壤水吸力的增加，呈現(xiàn)出快速下降-緩慢下降-基本平穩(wěn)的變化趨勢。在低、中吸力范圍內(nèi)(<15000 cm)，3區(qū)域植物籬帶內(nèi)、帶間土壤體積含水率隨著土壤水吸力的增大，含水率快速下降，其中風沙區(qū)土壤含水率θ下降最快，這是由于在該階段土壤保持水分主要取決于土壤結(jié)構較粗的孔隙分布，是毛管力起主要作用；在中高吸力范圍(>15000 cm)，含水率下降相比低吸力階段要慢。隨著土壤水吸力的進一步增大，土壤含水率下降并逐漸趨于平緩，主要是由土壤顆粒表面的吸附能力決定，因此黏粒含量增加，土壤保持水分的能力則越大，含水率也越大。從圖3中看出，在同一水吸力下，3區(qū)域植物籬土壤含水率帶內(nèi)均高于帶間，尤其是風沙區(qū)植物籬含水率帶內(nèi)明顯比帶間高，一方面是因為土壤黏粒含量帶內(nèi)比帶間高，增加了土壤顆粒的吸水能力；另一方面是由于有機質(zhì)含量帶內(nèi)明顯高于帶間，增大了土壤水穩(wěn)性團聚體的含量，提高了帶內(nèi)的保水性能。

圖3　植物籬帶內(nèi)、帶間土壤水分特征曲線Fig.3　Soil water retention curve of hedgerow in in-band and inter-band

具有相同土壤質(zhì)地的黃土區(qū)和黑土區(qū)，植物籬帶內(nèi)和帶間土壤含水率在相同水吸力條件下，黑土區(qū)土壤含水率要高于黃土區(qū)(圖3)，這是因為在相同土壤質(zhì)地的情況下，黑土區(qū)植物籬帶內(nèi)、帶間有機質(zhì)含量、土壤粉粒和黏?？偭扛哂邳S土區(qū)(分別高3.68%和4.26%)，增強了土壤蓄水持水的能力，這是導致兩區(qū)域植物籬帶內(nèi)、帶間相同吸力條件下土壤含水量具有差異性的主要因素。從圖中還發(fā)現(xiàn)，當土壤水吸力>1000 cm水柱時，黃土區(qū)植物籬帶間含水率比黑土區(qū)植物籬帶間低，土壤水吸力<1000 cm水柱時則相反，這可能是由于黃土區(qū)植物籬帶間毛管孔隙度比黑土區(qū)的高(表3)，土壤水吸力小于毛管持水力所致。對風沙區(qū)、黃土區(qū)、黑土區(qū)土壤水分特征曲線的模擬分析說明，植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)具有更高的持水性能，這對低土壤水吸力(<1000 cm)保證植物水分吸收至關重要，這種差異的形成與帶內(nèi)灌木良好的根系發(fā)育對土壤結(jié)構的改良直接相關，也與植物籬攔截促進微小土壤顆粒聚集效應是一致的。土壤中黏粒、粉粒含量的增加使得帶內(nèi)表層土壤孔隙分布更均勻，隨著土壤水吸力的升高，土壤含水率下降趨于緩慢直至穩(wěn)定。

表5　各區(qū)域植物籬不同部位表層土壤(0～20 cm) 田間持水量、凋萎系數(shù)Table 5　Field capacity and wilting coefficient of soil surface (0-20 cm) in different position of hedgerow in study area

利用土壤水分特征曲線VG模型分別模擬出風沙區(qū)、黃土區(qū)、黑土區(qū)植物籬帶內(nèi)、帶間表層土壤的凋萎系數(shù)(土水勢:15000 cm 水柱)和田間持水量(土水勢:330 cm水柱)，并與田間持水量實測值比較(表5)。結(jié)果表明各區(qū)域植物籬的土壤凋萎系數(shù)、田間持水量帶內(nèi)均高于帶間，但模擬的參數(shù)值與實測值的絕對值有較大的差異。

2.5土壤水分特征曲線參數(shù)分析

圖4　各區(qū)域植物籬帶內(nèi)、帶間土壤飽和導水率(KS)、飽和含水率(θS)Fig.4　Saturated soil hydraulic conductivity (KS) and saturated soil moisture content (θS) of hedgerow in in-band and inter-band of study area

在VG模型中參數(shù)θS為飽和含水率，是土壤水吸力為零時的土壤含水量；KS是土壤飽和導水率，表示土壤孔隙介質(zhì)透水性能的綜合比例系數(shù)。在本研究中利用通用的RETC程序，并借助神經(jīng)網(wǎng)絡方法預測模塊計算出θS和KS(圖4)，比較發(fā)現(xiàn)風沙區(qū)、黃土區(qū)、黑土區(qū)3個區(qū)域的植物籬飽和含水率與飽和導水率帶內(nèi)均比帶間高，帶內(nèi)飽和含水率分別比帶間高3.8%，3.1%，4.2%，帶內(nèi)飽和導水率分別比帶間高85.73，38.33，54.66 cm/d，風沙區(qū)帶內(nèi)飽和導水率最高，這與他們具有較低容重(表2)和較高的非毛管孔隙度一致(表3)。而帶間土壤容重大，非毛管孔隙欠發(fā)達，KS相對較低，可見土壤結(jié)構和土壤質(zhì)地對土壤飽和導水率具有很明顯的影響。黃土區(qū)植物籬帶間種植苜蓿，帶間表層土壤有機質(zhì)含量相對帶內(nèi)略高，非毛管孔隙度差異不顯著(P>0.05)，而且?guī)?nèi)表層土壤容重要低于帶間(表2)，因此黃土區(qū)植物籬帶內(nèi)飽和導水率要高于帶間；通過對3個區(qū)域植物籬飽和含水率和飽和導水率的分析不難發(fā)現(xiàn)，飽和導水率大的土壤，其水分入滲能力強，也說明植物籬能很好地保持土壤水分，起到了攔蓄地表水分，涵養(yǎng)土壤水分的作用。

3結(jié)論與討論

不同區(qū)域植物籬系統(tǒng)均具有明顯的土壤質(zhì)地分異，表現(xiàn)在風沙區(qū)、黃土區(qū)、黑土區(qū)的植物籬系統(tǒng)粉粒、黏粒帶內(nèi)總量與帶間相比，分別提高8.06%，1.68%和1.10%，砂粒含量則相應降低，說明植物籬系統(tǒng)具有促使土壤中砂粒向粉粒、黏粒轉(zhuǎn)化的作用，使土壤粒徑趨于細化，能有效改善土壤質(zhì)地結(jié)構，增加土壤中有機質(zhì)、孔隙度與水穩(wěn)性團聚體含量。土壤持水能力與土壤中黏粒、粉粒、砂粒含量有關，黏粒能改善土壤結(jié)構，增加土壤貯存水分的貯存孔隙，比表面積增大，吸附能力越強，則保持水分能力越強[19]；粉?？梢杂行У亟Y(jié)合滲透進土壤的水分，使其轉(zhuǎn)化為結(jié)合水而存在[20]，因此，粉粒含量的增加也能增大土壤保持水分的能力；砂粒含量也能影響土壤持水能力，土壤持水能力隨砂粒含量增加而遞減[21]，所以土壤中砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分數(shù)都不同程度影響土壤入滲和持水能力。

土壤有機質(zhì)含量能反應土壤的肥力狀況。通過研究發(fā)現(xiàn)，風沙區(qū)、黃土區(qū)植物籬系統(tǒng)不同部位有機質(zhì)含量差異不明顯(P>0.05)，黑土區(qū)植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)、帶間有機質(zhì)含量有顯著差異(P<0.05)。其中，風沙區(qū)與黑土區(qū)植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)有機質(zhì)含量要比帶間高，而且有研究已證明植物籬能增加土壤有機質(zhì)含量[22]，這主要是由于帶內(nèi)植物枯落物增加了地表有機質(zhì)來源；而黃土區(qū)植物籬帶間有機質(zhì)含量比帶內(nèi)要高，一方面是由于在植物籬帶間人工種植了苜蓿，其根瘤菌和大量的須根給土壤留下的腐殖質(zhì)可增加土壤有機質(zhì)[23]，另一方面，黃土區(qū)植物籬主要分布在退耕坡地，坡度較陡(平均坡度18°)，降水沖刷坡面，使坡上部植物籬帶內(nèi)枯落物被沖刷到帶間，增加了枯落物來源，從而使帶間有機質(zhì)含量增加。有研究發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)含量與土壤總孔隙度、水穩(wěn)性團聚體含量顯著相關[24-26]，此次試驗結(jié)果也表明，各區(qū)域植物籬系統(tǒng)不同部位間有機質(zhì)含量與相應部位總孔隙度、水穩(wěn)性團聚體總量呈顯著正相關。

在土壤質(zhì)地、孔隙度、有機質(zhì)、水穩(wěn)性團聚體等因素的綜合影響下，風沙區(qū)、黃土區(qū)、黑土區(qū)植物籬的土壤水分含量帶內(nèi)始終比帶間要高(圖3)，在同一土壤水吸力下，土壤水分含量帶內(nèi)高于帶間，并且在同一水吸力下，風沙區(qū)土壤含水率最小，黑土區(qū)最大，黃土區(qū)居中。因此，植物籬通過增加土壤表層有機質(zhì)、孔隙度和水穩(wěn)性團聚體含量，改善土壤質(zhì)地與結(jié)構，進而提高土壤含水率。通過以上分析可以看出，有機質(zhì)含量高的部位，其水穩(wěn)性團聚體含量與孔隙度相應地提高，這符合有機質(zhì)含量增加能提高土壤水穩(wěn)性團聚體含量與土壤孔隙度的結(jié)果[27-28]。而水穩(wěn)性團聚體含量增加有利于土壤保持水分，提高土壤的抗蝕能力，因此通過植物籬技術可以提高地表土壤有機質(zhì)含量，改善地表土壤結(jié)構，增加地表水分，可以達到有效調(diào)控土壤水分的目的。

在飽和狀態(tài)下，容重較低、非毛管孔隙更發(fā)達的植物籬帶內(nèi)具有更高的飽和導水率。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，風沙區(qū)、黃土區(qū)、黑土區(qū)田間持水量、凋萎系數(shù)均不同，風沙區(qū)田間持水量一般不超過20%[29]，土壤凋萎系數(shù)1.5%～8.0%[29-30]之間；黃土區(qū)不超過24%[31]，土壤凋萎系數(shù)小于9.42%[32]；黑土區(qū)田間持水量、凋萎系數(shù)分別小于27% ，10.6%[33-34]，本研究通過土壤水吸力模擬得出黃土區(qū)、風沙區(qū)、黑土區(qū)田間持水量分別在34.1%～36.3%，16.6%～23.6%，32.4%～35.6%內(nèi)變化，同實測值相比，具有較大差異(表5)。研究發(fā)現(xiàn)影響田間持水量的因素與土壤黏粒含量、有機質(zhì)含量和土壤團聚體有關[35]，說明計算不同質(zhì)地與結(jié)構的土壤水分參數(shù)需同時考慮這三方面的因素，不能就一個因素簡單計算，需采用更加合理科學的方法計算土壤水分參數(shù)。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，土壤結(jié)構和質(zhì)地及物理性質(zhì)是影響土壤水分特征曲線變化的主要因素，在同一地區(qū)，相同質(zhì)地不同容重的土壤，同一水吸力條件下，土壤緊實、容重大的土壤含水率低，粉粒、黏粒、有機質(zhì)含量高，孔隙度大、質(zhì)地疏松的土壤含水率高，水穩(wěn)性團聚體含量高，則土壤抗蝕性強。在這些因素的綜合影響下各區(qū)域植物籬不同部位土壤持水能力呈現(xiàn)出不同變化趨勢。各區(qū)域植物籬不同部位土壤水分特征曲線低、中吸力階段，植物籬帶內(nèi)、帶間土壤含水率隨著水吸力遞增，下降趨勢由快趨于緩慢，其中帶內(nèi)含水率下降速率要明顯低于帶間，說明植物籬帶內(nèi)保持水分能力要強于帶間，帶間持水能力較差，尤其是風沙區(qū)表現(xiàn)最為明顯，在相同水吸力下，帶內(nèi)含水率明顯要高于帶間；在高吸力階段，隨著水吸力的增加，土壤含水率下降基本平穩(wěn)，維持在相對穩(wěn)定的階段，而帶內(nèi)含水率高于帶間的狀況維持不變。因此，通過對北方地區(qū)植物籬土壤水分特征曲線模擬與分析，結(jié)果表明植物籬種植模式在改善土壤質(zhì)地、結(jié)構的基礎上，提高了土壤的持水能力，起到了保持水土的作用，在坡面治理水土流失方面具有指導意義。

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DOI：10.11686/cyxb2015299

*收稿日期：2015-06-10；改回日期：2015-08-24

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃課題“農(nóng)田水土保持生物防護關鍵技術”(2011BAD31B020)資助。

作者簡介：何修道(1988-)，男，甘肅張掖人，在讀碩士。E-mail:xiudaohe@sina.com*通信作者Corresponding author. E-mail:hzdang@caf.ac.cn

* 1Simulation and analysis of soil water retention curves within and between hedgerows in Northern China farm systems

HE Xiu-Dao1, DANG Hong-Zhong2*, WANG Li1, ZHOU Ze-Fu2, LV Wen-Qiang1

1.CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China； 2.InstituteofDesertificationStudies,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Abstract:This study aimed to simulate soil water retention curves within and between hedgerows of farm systems in northern China by the Van Genuchten model. Typical hedgerow systems in regions of sandy, loess and black soils were selected for study. The soil texture, soil porosity, soil organic matter and soil water-stable aggregates within and between hedgerows were measured. It was found that the soil porosity, soil organic matter and soil water-stable aggregates within hedgerows in sandy and black soil areas were higher than those from between hedgerows; but this result was adverse in loess area. The soil moisture content within hedgerows was higher than that between hedgerows. The soil water holding capacities within and between hedgerows were lowest in sandy soils and highest in black soils. It was concluded that hedgerows can improve soil texture, structure and soil water retention, and make an important contribution to control of sheet erosion on sloping land.

Key words:hedgerow; soil water retention curve; Van Genuchten model

http://cyxb.lzu.edu.cn

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