于元芬，郭明先，孟 飛，宋 婧，林麗蓉

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070)

土壤水分特征曲線是指土壤含水量隨土壤水吸力變化的關(guān)系曲線，已被廣泛應(yīng)用于土壤水分存儲、運移和分布等方面的研究[1-5]。目前，獲取土壤水分特征曲線的方法有很多，如自然蒸發(fā)法、露點水勢儀法、沙箱法、壓力膜儀法和離心機法等，其中離心機法因有測量簡便、省時、可測土壤水吸力范圍廣等優(yōu)點被越來越多的人使用。在土壤水分特征曲線模型擬合方面，Van Genuchten模型(VG模型)應(yīng)用最廣[6-10]。

第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤在我國南方紅壤區(qū)分布很廣，是當(dāng)?shù)亟?jīng)果林和糧食生產(chǎn)的重要土壤資源。該區(qū)季節(jié)性干旱頻發(fā)[11,12]，嚴(yán)重阻礙了農(nóng)林生產(chǎn)。袁東海和陳明亮發(fā)現(xiàn)，第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅壤持水性較強[13]。姚賢良進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，黏質(zhì)紅壤的貯水庫容特別是貯有效水的庫容較低，因此土壤的有效水含量有限，這是導(dǎo)致紅壤地區(qū)伏旱秋旱的重要因素之一[14,15]。呂殿青等人研究得出，南方黏質(zhì)紅壤持水能力要高于北方塿土，但有效水范圍卻低于塿土[16]。胡傳旺等人發(fā)現(xiàn)，紅壤在非飽和狀態(tài)下能夠迅速吸收水分，有較高的持水性，但土體中能夠被植被利用吸收的水分較少[17]。前人對黏質(zhì)紅壤的持水性、貯水庫容、有效水等方面做了不少研究[18,19]， 但同時研究黏質(zhì)紅壤的貯水庫容(由不同孔隙構(gòu)成)、持水能力和供水能力(釋水特征)的甚少。而且土壤的水力性質(zhì)常常因土壤剖面層次和植被覆蓋等條件的不同而表現(xiàn)出較大的差異，進(jìn)而影響土壤的水力狀況，國內(nèi)對這方面的研究相對較少[20,21]，在黏質(zhì)紅壤地區(qū)更是缺乏此類的綜合性研究。本文的創(chuàng)新點在于綜合研究了黏質(zhì)紅壤不同植被下的貯水庫容、持水能力和供水能力，并探討不同植被下、不同深度的土壤水力性質(zhì)差異。

本文結(jié)合VG模型，分析黏質(zhì)紅壤不同植被地塊不同深度的土壤水分特征曲線、比水容量曲線及土壤的各種孔隙度，研究黏質(zhì)紅壤的持水能力、釋水特性、孔隙特征及其相互聯(lián)系，尤其是不同地塊、不同深度之間的土壤水力性質(zhì)差異，對進(jìn)一步研究此類土壤的水分動態(tài)分布及農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)中土壤水分利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 土樣采集和測試

供試土壤是由第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤，樣品采自湖北咸寧賀勝橋鎮(zhèn)的一個典型紅壤坡地(30°00′51″N,114°23′ 11″E)。坡地面積、坡長和坡度分別為5 339 m2、119 m和4°。坡地上分布著當(dāng)?shù)爻Ｒ姷膸追N植被類型，每種植被都有獨立的地塊，地塊是以小路和田埂為邊界，沿等高線方向延伸，順坡向方向排列。從坡上至坡下植被類型依次是杉樹(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)(包括10、7、5 a 3種樹齡)、茶樹(Camellia sinensis)(4 a樹齡)、紅葉石楠(Photiniaxfraseri)(7 a樹齡)、無患子(Sapindus)(5 a樹齡)、油菜(Brassica campestris L.)(種植期是每年的9月中旬至次年的5月中旬)和桂花樹(Osmanthus fragrans)(5 a樹齡)。

我們在每個地塊中心位置的20、40、60、90 cm深度采集土樣，每個深度重復(fù)3次。土樣帶回實驗室之后，分別用重鉻酸鉀容量法、吸管法、環(huán)刀法、離心機法測試有機質(zhì)、機械組成、干容重和水分特征曲線。用離心機法測土壤水分特征曲線的儀器是日立公司的CR21GⅢ型高速冷凍離心機(本文不考慮儀器實驗誤差和精度對研究結(jié)果的影響)。先將環(huán)刀土樣用水飽和24 h，然后依次在5、10、20、30、50、100、500、1 000、1 500 kPa土壤水吸力下進(jìn)行離心脫水和稱重，脫水全部結(jié)束后將環(huán)刀土樣放入105～110℃的烘箱中烘干10～12 h至恒重、稱取重量，最后計算不同土壤水吸力下的土壤體積含水量。

測試結(jié)果顯示(圖1)，土壤的黏粒、粉粒、砂粒的平均含量分別為39.1%、55.5%、5.4%，土壤質(zhì)地類型按照美國農(nóng)部制分類方法確定為粉黏土和粉黏壤。土壤有機質(zhì)含量為5.1～24.6 g/kg3，干容重是1.4～1.6 g/cm3。

圖1 土壤理化性質(zhì)Fig.1 Soil physical and chemical properties

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

基于實測的土壤機械組成、干容重和水分特征曲線數(shù)據(jù)，用RETC6.02中的VG模型計算土壤水動力學(xué)參數(shù)(VG模型輸出參數(shù))，進(jìn)而得到土壤含水量隨土壤水吸力的變化曲線[9]。

土壤水分特征曲線VG模型：

(1)

由公式(1)得到土壤比水容量計算公式：

(2)

式中：θ為土壤體積含水量，cm3/cm3；θr為土壤殘余含水量，cm3/cm3；θs為土壤飽和含水量，cm3/cm3；α為土壤進(jìn)氣值hα的倒數(shù)，cm-1；h為土壤水吸力，cmH2O，1 cmH2O≈0.098 kPa；n和m為控制土壤水分特征曲線形狀的參數(shù)，其中m=1-1/n[22-24]；C(h)為土壤比水容量，cm3/(cm3·kPa)。

關(guān)于土壤殘余含水量，Van Genuchten[9](1980年)將其定義為土壤水吸力為1 500 kPa時的含水量，后來Van Genuchten等[25]人(1991年)又把它定義為土壤水分特征曲線斜率和滲透系數(shù)隨土壤水吸力增大開始趨于0時候的含水量。RETC 6.02 的VG模型是采用上述第二種方法定義土壤殘余含水量，在計算過程中如果殘余含水量小于0.001時，相應(yīng)的擬合參數(shù)將自動變成0[26]。本文考慮到1 500 kPa是大部分吸力測試儀測土壤水吸力的極限，也是萎蔫點，而且農(nóng)業(yè)應(yīng)用中一般只需模擬萎蔫點以上的土壤水分特征曲線，所以在具體分析時采用擬合曲線中土壤水吸力1 500 kPa對應(yīng)的土壤體積含水量作為土壤殘余含水量。

土壤不同孔徑的孔隙度可以通過水分特征曲線不同土壤水吸力范圍內(nèi)的含水量計算獲得，通氣孔隙度、速效孔隙度、遲效孔隙度、無效孔隙度分別對應(yīng)于<33、33 ～500、500～1 500及>1 500 kPa的土壤水吸力的土壤體積含水量[27]。土壤總孔隙度是根據(jù)干容重與比重的公式計算得到，即總孔隙度(%)=(1-干容重/2.65)×100。

2 結(jié)果與分析

2.1 VG模型輸出參數(shù)

用VG模型擬合每個地塊不同深度的土壤水分特征曲線，決定系數(shù)R2在0.981 4～0.999 4之間，說明擬合效果很好。如表1所示，不同地塊不同層次的θr、θs差異較大。大杉樹、中杉樹、小杉樹、茶樹、紅葉石楠、無患子、油菜、桂花樹8個地塊的θr值分別在0.252 3～0.278 1、0.154 4～0.260 9、0.220 8～0.263 8、0.287 1～0.307 2、0.190 7～0.278 6、0.193 7～0.305 4、0.196 7～0.270 7、0.184 8～0.206 7 cm3/cm3范圍內(nèi)，總體上，中杉樹、紅葉石楠、桂花樹地塊的θr較小，大杉樹、小杉樹、茶樹地塊的θr較大，土層之間差異較大的是中杉樹、紅葉石楠、無患子、油菜地塊。大杉樹、中杉樹、小杉樹、茶樹、紅葉石楠、無患子、油菜、桂花樹8個地塊的θs分別在0.420 3～0.428 6、0.366 1～0.420 6、0.388 4～0.434 3、0.415 5～0.433 2、0.361 3～0.426 4、0.387 3～0.466 4、0.377 2～0.426 8、0.371 3～0.410 4 cm3/cm3范圍內(nèi)，總體上，中杉樹、紅葉石楠、桂花樹地塊的θs較小，大杉樹、茶樹、無患子地塊的θs較大，土層之間差異較大是中杉樹、紅葉石楠、無患子地塊。α在0.000 2～0.003 7 cm-1之間，n值的范圍在1.111 4～1.298 0之間。n值越大則土壤水分特征曲線越陡，土壤含水量隨土壤水吸力增加變化越快，反之越慢。相對而言，桂花樹地塊的n值最大，其次是無患子地塊，這兩個地塊不同層次的n值都達(dá)到了1.210 0以上，說明它們的土壤水吸力發(fā)生變化時，相應(yīng)的土壤含水量的變化也會更大一些。

表1 不同地塊的VG模型輸出參數(shù)Tab.1 Output parameters of the VG model for different plots

2.2 土壤的持水特性

土壤水分特征曲線的形狀特征反映了土壤的持水特性?？傮w上，不同地塊的土壤水分特征曲線的形狀相似(圖2)。在土壤水吸力低于500 kPa時，水分特征曲線的形狀最陡，說明低吸力段的土壤持水能力隨土壤水吸力增大而下降的速度最快；而當(dāng)土壤水吸力高于500 kPa時，水分特征曲線變化趨于平緩，表明土壤水吸力增大沒有引起土壤持水能力較大變化。不同地塊當(dāng)中，大杉樹、小杉樹、茶樹3個地塊的水分特征曲線都在0.220 8 cm3/cm3以上的土壤含水量范圍內(nèi)，因此持水能力整體更好。在大杉樹、茶樹和桂花樹3個地塊，不同深度之間的水分特征曲線偏移很小(說明持水能力差異很小)，而其他4種地塊的水分特征曲線各自在不同深度上都有較大的偏移(表明持水能力差異較大)。其中，中杉樹、紅葉石楠、無患子地塊各深度的持水能力表現(xiàn)為60和90 cm>40和20 cm，油菜地塊各深度的持水能力表現(xiàn)為90 cm>60 cm>40 cm>20 cm。土壤持水量隨土壤水吸力增加而降低，這一過程與土壤的釋水特性密切相關(guān)。

圖2 不同地塊的水分特征曲線Fig.2 Water characteristic curves of different plots

2.3 土壤的釋水特性

土壤的釋水特性可以通過土壤比水容量曲線特征來反映。后者是指單位土壤水吸力變化所引起的土壤含水量變化，與土壤水分特征曲線擬合方程的斜率對應(yīng)，其值越大表明釋水能力越大，即土壤供水能力越大[12-13]。如圖3所示，大杉樹、中杉樹、小杉樹、紅葉石楠四個地塊在0～33 kPa的土壤水吸力段內(nèi)，比水容量都隨土壤水吸力增加而迅速增加，最大能達(dá)到1.37×10-4cm3/(cm3·kPa)，在這個吸力段內(nèi)釋出的水是重力水；當(dāng)土壤水吸力從33 kPa 增大到500 kPa時，比水容量迅速下降，即土壤的速效水迅速釋出；而當(dāng)土壤水吸力>500 kPa時，比水容量隨土壤水吸力變化而變化的幅度則非常小，說明該階段土壤孔隙中的水分主要是遲效水緩慢釋出。不同深度土壤比水容量差異較大的地塊是小杉樹、大杉樹、桂花樹、紅葉石楠地塊，其次是無患子、油菜、中杉樹、茶樹地塊。以上說明，黏質(zhì)紅壤的釋水過程主要出現(xiàn)在低吸力范圍內(nèi)，且部分地塊不同深度之間的比水容量有較大的差異。

圖3 不同地塊的土壤比水容量曲線Fig.3 Soil specific water capacity curve of different plots

2.4 土壤的孔隙特性

土壤中的水分均存儲在孔隙當(dāng)中，因此土壤孔隙的類型及數(shù)量對土壤的水分狀況影響很大[28]。如圖4所示，黏質(zhì)紅壤的總孔隙度在40.4%～47.0%范圍內(nèi)，其中毛管孔隙度(速效孔隙度、遲效孔隙度及無效孔隙度之和)雖然高達(dá)39.2%，但是有效孔隙度(速效孔隙度和遲效孔隙度之和)僅為15.0%左右，因此土壤水分有效性整體較差。毛管孔隙度平均值從大到小的順序依次是茶樹地塊>大杉樹地塊>無患子地塊>小杉樹地塊>油菜地塊>桂花樹地塊>中杉樹地塊>紅葉石楠地塊，表明茶樹和大杉樹地塊的持水能力最強，而紅葉石楠、中杉樹地塊的持水能力相對最弱。有效孔隙度平均值從大到小的順序依次是桂花樹地塊>油菜地塊>中杉樹地塊和無患子地塊>大杉樹地塊>小杉樹地塊>紅葉石楠地塊>茶樹地塊，表明桂花樹地塊有效水的含量最高，而茶樹地塊有效水的含量最低。通氣孔隙度顯示，中杉樹和紅葉石楠地塊的排水能力最好，而茶樹地塊的排水能力最差。整體上，通氣孔隙度表現(xiàn)為20和40 cm>60和90 cm，所以表層土壤相較于深層土壤有更好的排水能力；而毛管孔隙度較大值主要出現(xiàn)在60和90 cm深度，這和土壤水分特征曲線是一致的，即深層土壤的毛管孔隙度較大，相應(yīng)的持水能力也較強。

圖4 不同地塊不同深度的土壤孔隙度分布Fig.4 Distribution of soil porosities at different depths in different plots

3 結(jié) 論

通過對第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)紅壤坡地的水分特征曲線、比水容量曲線以及不同孔隙性質(zhì)的研究，得到以下結(jié)果：①VG模型擬合黏質(zhì)紅壤水分特征曲線的效果較好，決定系數(shù)R2在0.981 4～0.999 4之間，因此該模型可以用于黏質(zhì)土壤水分特征曲線的研究；②黏質(zhì)紅壤持水能力的變化主要出現(xiàn)在低于500 kPa的土壤水吸力范圍內(nèi)，由土壤水吸力增加而引起的土壤釋水過程也主要出現(xiàn)在低吸力范圍內(nèi)(0～500 kPa)，其中0～33、33～500 kPa土壤水吸力段內(nèi)釋出的水分分別是重力水和速效水。試驗坡地黏質(zhì)紅壤的總孔隙度是40.4%～47.0%，其中毛管孔隙度約為39.2%，而有效孔隙度僅為15.0%左右，因此土壤水分有效性整體較差。在后續(xù)的研究中，可以針對黏質(zhì)紅壤水分有效性的利用進(jìn)行深入研究，提出合理的措施來提高紅壤的水分有效性；③茶樹、大杉樹和小杉樹3個地塊的持水能力最好，大多數(shù)地塊的表層土壤比深層土壤有更好的排水能力，但深層土壤的持水能力高于表層土壤。以上說明紅壤坡地的持水能力、釋水特性及水分有效性會因為植被類型、土層深度等不同而表現(xiàn)出較大差異，因此在分析紅壤坡地水分動態(tài)分布規(guī)律時要考慮這些情況。