趙志剛，蒙圓圓，王水獻(xiàn)，許 翔

（蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000）

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是植被生長(zhǎng)和發(fā)育的基礎(chǔ)［1，2］。土壤持水性是土壤的基本物理性質(zhì)，是反映土壤水源涵養(yǎng)能力、研究土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及揭示土壤-植物-大氣水文過(guò)程的重要因素［3，4］，而土壤水分特征曲線（Soil Water Retention Curve，SWRC）是表征土壤持水能力的基本工具［5，6］。

目前常用的關(guān)于SWRC 的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蠫ardner［7］、van Genuchten［8］、Broods Corey［9］、Fredlund Xing［10］模型等。其中，Gardner模型在眾多模型中由于形式簡(jiǎn)單、參數(shù)少、便于計(jì)算，因此實(shí)際應(yīng)用比較廣泛，并且有許多研究表明該模型的擬合效果能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求，如陳印平等［11］研究發(fā)現(xiàn)，Gardner 模型可用于描述黃河三角洲農(nóng)田防護(hù)林的土壤持水特征；孫迪等［12］研究認(rèn)為，Gardner模型可以較好地反映長(zhǎng)白山闊葉紅松林不同深度的土壤含水量與土壤水勢(shì)之間的數(shù)量關(guān)系等。van Genuchten模型是目前國(guó)內(nèi)外描述SWRC 的最為普遍的模型，因?yàn)榇罅垦芯勘砻髟撃Ｐ蛯?duì)不同質(zhì)地的土壤均有較好的適用性，安樂(lè)生等［13］基于非飽和土壤水力性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（UNSODA）選取的256 個(gè)土樣，系統(tǒng)性地驗(yàn)證了van Genuchten 模型對(duì)于SWRC 具有較好的擬合能力。對(duì)于Broods Corey 與Fredlund Xing 模型，王愿斌［14］、秦文靜［15］等研究認(rèn)為Broods Corey 模型適用于質(zhì)地較粗的土壤，而辛琳等［16］研究發(fā)現(xiàn)Fredlund Xing 模型更適合描述黏土的土壤水分特征曲線?？傊P(guān)于上述4 種模型的應(yīng)用研究雖然取得了顯著成果［17-21］，但對(duì)地理位置和氣候條件特殊、生態(tài)環(huán)境脆弱的高寒山區(qū)的應(yīng)用相對(duì)較少，其適用性及有效性有待進(jìn)一步深入探討。

祁連山區(qū)是典型的高寒山區(qū)地段，祁連圓柏是該地段的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，在響應(yīng)氣候變化、維持區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定、涵養(yǎng)水源等方面起著重要作用［22-25］。探究祁連圓柏林地的土壤持水特征，對(duì)于深入探討高寒山區(qū)的土壤水運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)運(yùn)移、植物用水等過(guò)程具有重要意義?；诖耍疚囊云钸B圓柏試驗(yàn)樣地不同土層深度的土壤為研究對(duì)象，利用離心法獲取各土層的實(shí)測(cè)土壤水分特征曲線，同時(shí)選用上述4 種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，做非線性擬合分析［26-27］，確定適合該樣地的最優(yōu)擬合模型，進(jìn)而分析各土層土壤的持水能力及其變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山黑河上游天澇池流域（圖1），該流域是黑河一級(jí)支流寺大隆河的子流域，流域總面積12.8 km2，河流縱長(zhǎng)6.0 km，海拔2 650～4 450 m。流域年均氣溫0.6～2 ℃，年均相對(duì)濕度60%，年降水量400～600 mm，且集中在5-9月份，屬于典型的高寒半干旱、半濕潤(rùn)山地森林草原氣候。流域內(nèi)的植被類(lèi)型豐富且具有垂直分異的空間分布特征，隨海拔梯度的變化，自上而下依次為高山草甸（3 800～4 500 m）、灌木林（3 200～3 800 m）、喬木林（2 800～3 200 m）、干草原（2 650～2 800 m），其中喬木林主要有分布在陰坡的青海云杉和分布在陽(yáng)坡的祁連圓柏。該區(qū)域的土壤類(lèi)型主要有森林灰褐土、高山草甸土、山地栗鈣土等［28，29］。

1.2 采樣和測(cè)定

試驗(yàn)土樣于2020年9月采集于天澇池流域25 m×25 m的祁連圓柏林樣地（E99°56′，N38°26′）。在采集土樣時(shí)，沿坡度自上而下選取3個(gè)剖面，在每個(gè)剖面利用環(huán)刀（容積為98.175 cm3）分別在距離土壤表層10、20、30、40、50、60 cm 深度處取原狀土樣，且每層取2 個(gè)重復(fù)樣，最后封裝編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室。選用烘干稱(chēng)重法測(cè)定土壤含水率、環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，利用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測(cè)定土壤的機(jī)械組成，并按照國(guó)際制土壤質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)劃分土質(zhì)類(lèi)型。采用日立CR21GⅢ型高速冷凍離心機(jī)測(cè)定土壤水分特征曲線，首先將飽和環(huán)刀裝入離心管內(nèi)并記錄初始質(zhì)量，設(shè)置轉(zhuǎn)速依次為310、980、1 700、2 190、2 770、3 100、5 370、6 930、8 200 rpm，然后待達(dá)到各自離心時(shí)間后分別測(cè)定其離心管質(zhì)量，最后將環(huán)刀放入恒溫干燥箱中烘干稱(chēng)重，計(jì)算各土壤吸力所對(duì)應(yīng)的土壤含水量并建立土壤水分特征曲線。

1.3 土壤水分特征曲線模型

本文根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，選用Gardner、van Genuchten、Fredlund Xing、Broods Corey 四種模型進(jìn)行擬合分析。模型表達(dá)式及參數(shù)含義如表1所示。

表1 4種土壤水分特征曲線模型匯總表Tab.1 Summary of four soil water characteristic curve models

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Matlab 8.5 自帶的粒子群算法（particle swarm optimization，PSO）工具箱函數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)水分特征數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各模型的最優(yōu)參數(shù)值。在求解參數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算模型模擬預(yù)測(cè)值，采用均方根誤差（RMSE）、決定系數(shù)（R2）對(duì)擬合精度做綜合評(píng)估，并利用Origin 2019b 將實(shí)測(cè)與擬合土壤水分特征曲線繪制到同一坐標(biāo)系中。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣地土壤物理特征

由統(tǒng)計(jì)分析可得，試驗(yàn)樣地所選3 個(gè)剖面的土壤物理性質(zhì)變異程度屬于弱變異（CV＜15%），因此，本文以各剖面土壤物理指標(biāo)均值作為試驗(yàn)樣地土壤的基本物理參數(shù)。由表2可知，樣地土壤飽和含水率在50.62%～69.31%之間，土壤容重在0.76～1.14 g/cm3之間。土壤表層10 cm 內(nèi)由于草根密度大并含有大量腐殖質(zhì)，因此飽和含水率最高（69.31%）、土壤容重最小（0.76 g/cm3）。從10～60 cm土層，土壤的機(jī)械組成發(fā)生明顯變化，砂粒含量從37.40% 減少到17.32%，黏粒含量從19.22% 增加到33.01%，而粉粒含量變化不大（SD=3.85%）。此外，土壤容重與飽和含水率、砂粒含量極其顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.94，P＜0.01），而與黏粒含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系（r=0.83，P＜0.05）。

表2 試驗(yàn)樣地土壤的基本物理性質(zhì)Tab.2 Basic physical properties of soil in test plot

2.2 實(shí)測(cè)土壤水分特征曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的吸力值與植物有效水范圍（0.01～1.5 MPa），本文以“生長(zhǎng)阻滯濕度”（0.1 MPa，1 019.72 cm）為界［30］將土壤水吸力劃分為兩個(gè)吸力段即吸力水頭值＜1 000 cm 為低吸力段，吸力水頭值＞1 000 cm 為高吸力段，并且分別計(jì)算了低吸力段與高吸力段土壤含水率的變化量即土壤失水率（表3）。從實(shí)測(cè)土壤水分特征曲線（圖2）可見(jiàn)，各土層土壤含水率隨土壤水吸力變化的總體趨勢(shì)均表現(xiàn)為：在低吸力段，土壤含水率急劇下降，曲線比較陡直；在高吸力段，土壤含水率變化小，曲線趨于平緩。其中0～10 cm 土層由于土壤粒徑大、質(zhì)地粗、大孔隙數(shù)量相對(duì)較多且基質(zhì)勢(shì)小，因此當(dāng)土壤水吸力較小時(shí)，土壤水優(yōu)先從大孔隙流出，從而導(dǎo)致土壤失水率較高、土壤水分特征曲線較陡。而在10～60 cm 土層之間，隨著土壤水吸力以及土壤深度的增加，砂粒含量減少、黏粒含量增加，土壤小孔隙數(shù)目增多，土壤顆粒表面吸附作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致水分運(yùn)移速率降低、土壤失水率減小，水分特征曲線趨于平緩。

從各土層的土壤失水率（表3）可見(jiàn)，不同土層在各吸力段的失水率不同，從土壤表層到50 cm 土層范圍內(nèi)，低吸力段失水率從29.61%減少到20.73%，高吸力段失水率由7.98%增加到11.07%，累積土壤失水率從37.59%減少到31.80%。其中0～10 cm 與40～50 cm 土層差異最為顯著，低吸力段失水率相差10%，高吸段的失水率相差3%，累積土壤失水率相差6%。此外，隨著土壤深度的增加，低吸力段的土壤失水率與累積土壤失水率變化趨勢(shì)相同，呈正相關(guān)關(guān)系，而與高吸力段的失水率變化趨勢(shì)相反，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 各土層不同吸力段的土壤失水率Tab.3 Soil water loss rate of different suction sections in each soil layer

2.3 不同深度的土壤水分特征曲線擬合

為評(píng)價(jià)上述4種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合效果以及確定適合祁連圓柏試驗(yàn)樣地的最優(yōu)擬合模型，本文利用Matlab 程序包中的粒子群算法對(duì)不同土層深度的實(shí)測(cè)土壤含水率進(jìn)行非線性擬合。從各模型的擬合評(píng)價(jià)指標(biāo)（表4）可見(jiàn)，G、BC、FX、VG 4 種模型在0～60 cm 土層的均方根誤差（RMSE）均值分別為0.020 2、0.021 7、0.007 2、0.007 3（SD=0.50%，0.54%，0.34%，0.32%），決定系數(shù)（R2）均值分別為0.969 7、0.948 8、0.995 3、0.995 7（SD=2.34%，3.43%，0.55%，0.42%）。各模型在20～30 cm 土層的擬合效果比較接近，R2均在0.98 以上，而在40～50 cm 土層的擬合效果差異顯著，其中BC 模型的擬合效果最差，R2為0.903 4，RMSE為0.031 4，VG 模型的擬合效果最好，R2為0.998 4，RMSE為0.004 3。對(duì)于其他土層，VG與FX模型的R2值始終高于BC與G模型，RMSE值始終小于BC與G模型。

表4 各模型擬合評(píng)價(jià)指標(biāo)值Tab.4 Fitting evaluation index values of each model

2.4 土壤物理特性與模型參數(shù)的相關(guān)性分析

利用Spass22.0 統(tǒng)計(jì)軟件中的Spearman 秩相關(guān)系數(shù)［31］分析土壤容重、機(jī)械組成與FX 和VG 模型參數(shù)的相關(guān)性（表5）。從表5可見(jiàn)，土壤容重、黏粒百分比與FX 模型中的參數(shù)a、b均呈顯著正相關(guān)，與參數(shù)c呈顯著負(fù)相關(guān)，砂粒百分比與參數(shù)a、b均呈顯著負(fù)相關(guān)，與參數(shù)c呈顯著正相關(guān)，而粉粒百分比與FX 模型中各參數(shù)的相關(guān)性較差。對(duì)于VG模型，黏粒百分比與參數(shù)a呈顯著負(fù)相關(guān)，容重與參數(shù)a呈正相關(guān)但未達(dá)到顯著性水平，粉粒與參數(shù)n、m呈負(fù)相關(guān)，而砂粒與各參數(shù)的相關(guān)性較差。

表5 土壤物理參數(shù)與優(yōu)選模型參數(shù)的Spearman秩相關(guān)系數(shù)Tab.5 Spearman rank correlation coefficients of soil physical parameters and parameters of optimized model

3 討 論

3.1 土壤水分特征曲線擬合評(píng)價(jià)及模型優(yōu)選

本文在探討祁連圓柏樣地各土層土壤水分特征曲線時(shí)，選用了4 種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停℅、BC、FX、VG）來(lái)擬合實(shí)測(cè)土壤含水率，由表4、圖3可知，4 種模型的決定系數(shù)均在0.90 以上，整體擬合效果較好，但隨著土壤水吸力的增大，各模型擬合值與實(shí)測(cè)值的差異性更加顯著，擬合效果逐漸變差，因此上述4種模型僅適用于描述毛管水流運(yùn)動(dòng)，無(wú)法模擬以及預(yù)測(cè)全吸力范圍內(nèi)的土壤水運(yùn)動(dòng)［32］。此外，研究發(fā)現(xiàn)G 模型在低吸力段的擬合效果要優(yōu)于高吸力段，但丁新原［33］等認(rèn)為G 模型在高吸力段的擬合效果更好，可能的原因是研究的土壤類(lèi)型差異顯著，或者是土壤水分特征曲線的測(cè)定方法不同進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)果不同。

根據(jù)土壤質(zhì)地分類(lèi)可知（表2），試驗(yàn)土壤主要包括黏壤土、粉砂壤土、粉砂質(zhì)黏壤土以及粉砂質(zhì)黏土。其中BC 與G 模型對(duì)黏壤土與粉砂壤土的擬合效果要優(yōu)于粉砂質(zhì)黏土，說(shuō)明BC與G 模型對(duì)于中粗質(zhì)地土壤具有更好的適用性，這與石文豪［34］、劉建立［35］等的研究結(jié)果一致。FX 和VG 模型對(duì)4 種土壤的擬合決定系數(shù)均高達(dá)0.98 以上，說(shuō)明FX 和VG 模型均適用于描述黏土與壤土類(lèi)土壤水分特征曲線。

總體而言，BC 模型的RMSE值高于其他模型，且R2值小于其他模型，而FX 與VG 模型的各評(píng)價(jià)指標(biāo)相差甚微。根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即RMSE值越小、R2越接近于1，擬合效果越好，可得BC模型的擬合效果最差，G模型次之，F(xiàn)X和VG模型的擬合效果最好，因此FX 和VG 模型均可作為祁連園柏樣地的優(yōu)選模型。另外，本文雖然探討了上述4種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m用性，但對(duì)于其他模型在該區(qū)域的適用性有待進(jìn)一步研究。

3.2 不同深度土壤的持水能力

土壤的持水性一般有兩種表示方法［36］，一種是用飽和含水量、田間持水量、非毛管孔隙度等形態(tài)指標(biāo)表示，另一種是用表征吸力與含水量關(guān)系的水分特征曲線表示。本文選擇了后者來(lái)探討土壤的持水能力而沒(méi)有系統(tǒng)的探討形態(tài)指標(biāo)與土壤持水性的關(guān)系，主要是由于在測(cè)定飽和含水率、容重等指標(biāo)過(guò)程中存在水量損失、土壤質(zhì)量損失等問(wèn)題，導(dǎo)致各指標(biāo)與實(shí)際情況存在偏差，因此不宜用來(lái)于描述土壤的持水性。而對(duì)于土壤水分特征曲線的測(cè)定，本文選用離心法來(lái)測(cè)定，雖然該方法簡(jiǎn)單迅速，但仍有不足之處［37，38］，如離心過(guò)程中，由于離心力的作用，使土樣顆粒間相互擠壓，導(dǎo)致土壤孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在一定程度上改變了土壤的持水性，因此還需將室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與田間測(cè)量結(jié)果作比較［39］，才能進(jìn)一步確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

土壤水分特征曲線的高低能夠反映土壤的持水能力，即曲線越高，持水能力越強(qiáng)［40］。本文根據(jù)實(shí)測(cè)土壤水分特征曲線（圖2）及土壤失水率（表3）可知，累積土壤失水率與土壤水分特征曲線的高低呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即累積土壤失水率越低，水分特征曲線越高，則土壤的持水能力越強(qiáng)，具體表現(xiàn)為40～50 cm＞50～60 cm＞30～40 cm＞20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm。同時(shí)，4 種模型在高吸力段的擬合曲線（圖3）與實(shí)測(cè)曲線的變化規(guī)律相同，即隨著土壤水吸力的增大，40～50 cm 土層仍具有釋放較多水分的潛力，而0～10 cm 土層失水較少且逐漸趨于穩(wěn)定，因此擬合水分特征曲線的高低也可用來(lái)表征土壤的持水能力。此外，整個(gè)0～30 cm 土層在低吸力段的失水率相對(duì)較高，但由于表層蒸發(fā)以及滲透損失大，水分容易散失掉，不利于植被的吸收利用，而30～60 cm 土層在低吸力下的保水能力強(qiáng)，在高吸力下又能釋放較多的水分，表明該土層抗旱性強(qiáng)，在干旱環(huán)境下能夠?yàn)橹脖惶峁┹^多的水分，因此，30～60 cm 土層是祁連圓柏樣地的主要水源涵養(yǎng)層，且這一結(jié)論與車(chē)克鈞等人［41］的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

（1）4 種土壤水分特征曲線模型（G、BC、FX、VG）的決定系數(shù)均值依次為0.969 6、0.948 8、0.995 3、0.995 7，其中FX 和VG模型的決定系數(shù)最高且十分接近，因此，F(xiàn)X 和VG 模型均可作為祁連圓柏樣地的優(yōu)選模型。但通過(guò)分析土壤物理參數(shù)與模型參數(shù)的相關(guān)性可知，F(xiàn)X模型參數(shù)與土壤物理參數(shù)的相關(guān)性要優(yōu)于VG模型，表明FX模型參數(shù)的物理意義更加明確。

（2）根據(jù)實(shí)測(cè)與擬合土壤水分特征曲線可知，祁連圓柏樣地不同土層深度的土壤持水能力存在顯著差異，持水能力從強(qiáng)到弱依次為：40～50 cm＞50～60 cm＞30～40 cm＞20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm，其中30～60 cm 土層的持水性與有效性整體上優(yōu)于0～30 cm土層，因此，該土層是祁連圓柏樣地的主要水源涵養(yǎng)層，對(duì)于植被抗旱具有重要作用?！?/p>