林曉燕, 王晶晶, 吳炳孫, 寧松瑞, 王紫璇, 邱偲雨, 吳耀華

(1.海南大學(xué) 熱帶農(nóng)林學(xué)院, ?？?570228; 2.海南五指山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 海南 五指山 572299;3.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所, ?？?571101; 4.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 西安 710048)

橡膠樹(Heveabrasiliensis)是重要的熱帶經(jīng)濟林木[1],在我國主要分布在海南等地[2],截至2020年海南島橡膠林種植面積約51.92萬hm2[3]。近年來,社會經(jīng)濟發(fā)展對橡膠需求量持續(xù)增長,橡膠林的種植面積逐年擴大;橡膠林生長消耗了大量的土壤水分和養(yǎng)分,造成部分植膠區(qū)地面徑流和水井發(fā)生干涸現(xiàn)象[4],分析膠林不同施肥處理對土壤持水能力及孔隙分布特征的影響,可為膠林管理提供參考。

土壤水分特征曲線反映了土壤水能量(基質(zhì)勢)與數(shù)量(含水率)之間關(guān)系[5-6],是研究土壤持水性能、土壤水分有效性和孔隙分布狀況的重要指標(biāo)之一[6],通常采用室內(nèi)試驗進(jìn)行測定。呂殿青等采用操作簡單、速度較快的離心法測定土壤水分特征曲線,但測量結(jié)果受土壤壓實、離心時間等影響[7];王紅蘭等認(rèn)為沙箱排水法測定土壤水分特征曲線的低吸力段數(shù)據(jù)較為真實準(zhǔn)確,但不適宜測定高吸力段[8];Cresswell等認(rèn)為壓力膜儀法適宜測定高吸力段土壤水分特征曲線,但存在低吸力段數(shù)據(jù)少且不精確等問題[9]。結(jié)合沙箱排水法和壓力膜儀法可克服單一測定方法的缺陷,能完整且較為準(zhǔn)確地獲得全吸力段的土壤水分特征曲線。20世紀(jì)50年代以來,學(xué)者們建立了不同形式不同情況下的土壤水分特征曲線經(jīng)驗?zāi)Ｐ?Brooks和Corey提出通過測定土壤水分特征參數(shù)(殘余含水率、飽和含水率、進(jìn)氣值和土壤水吸力等)來預(yù)測土壤含水率的Brooks和Corey(BC)模型[10]。Gardner根據(jù)BC模型參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系,通過考慮土壤持水能力和土壤水分特征曲線的形狀來模擬土壤含水率,建立Gardner模型[11]。1980年,van Genuchten通過土壤水分特征參數(shù)和土壤水分特征曲線形狀參數(shù)來推導(dǎo)土壤含水率,構(gòu)建van Genuchten(VG)模型[12]。Kosugi采用土壤水分特征參數(shù)及孔隙毛細(xì)管壓力分布來模擬土壤含水率,提出Log-Normal Distribution(LND)模型[13]。

學(xué)者們研究了土壤容重、粒徑分布和土壤質(zhì)地等土壤理化性質(zhì)及施肥管理等措施對土壤水分特征曲線的影響[14]。Seyedeh等基于粒徑分布和土壤容重等土壤性質(zhì)來估算土壤水分特征曲線[15]。蘭志龍等發(fā)現(xiàn)有機肥與氮磷鉀肥配施可提高土壤持水能力,降低土壤容重從而改變土壤水分特征曲線[16]。部分學(xué)者對比了利用不同經(jīng)驗?zāi)Ｐ兔枋鰧崪y土壤水分特征曲線的精度[17]。丁新原等[18]采用VG模型和Gardner模型對沙漠公路防護林土壤水分特征曲線的擬合精度進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)VG模型的擬合精度總體高于Gardner模型。王子龍等采用VG,BC,Modified Gardner和LND模型對黑土區(qū)土壤水分特征曲線進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)VG模型和Modified Gardner模型的精度高[19]?？傮w來看,當(dāng)前研究主要集中在溫帶[20]、暖溫帶[21]、亞熱帶等[22-25]氣候區(qū),土壤類型以黃壤、荒漠土、紅壤[26]及黃棕壤等為主,土地類型包括農(nóng)田、沙漠、裸地等類型,研究對象多是生長周期較短的玉米、小麥和水稻等作物;此外,描述土壤水分特征曲線的相關(guān)模型的適用性和精確度也高度依賴土壤類型及田間管理措施等。

受氣候(如多雨)和人類活動(施肥等)[27]影響,淺表層(0—10 cm)土壤的持水能力及孔隙分布受到擾動,改變了根系層土壤的水源涵養(yǎng)功能[28];尤其是在高溫、高濕、多雨的熱帶磚紅壤植膠區(qū),橡膠林不同施肥處理對淺表層土壤的水分有效性、持水能力及孔隙特征的影響尚不清楚,而且針對熱帶磚紅壤植膠區(qū)土壤水分特征曲線的模型的適用性和精確度仍不明確。為此,本文采用沙箱排水法結(jié)合壓力膜儀法,測定磚紅壤植膠區(qū)典型施肥處理下全吸力段土壤水分特征曲線,利用BC,Gardner,VG和LND經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍M土壤水分特征曲線并評估其適用性及精度,揭示不同施肥處理對膠林土壤持水能力及孔隙分布的影響,為膠林土壤培肥提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于海南省西北部瓊中縣的海膠集團烏石農(nóng)場(19°1′7″N,109°57′36″E,海拔127 m)。地處熱帶北緣,屬于典型熱帶海島型季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫20.8～26.0℃,積溫為8 500～9 100℃,年光照為1 750～2 650 h。研究區(qū)雨季為5—10月,旱季為11月到次年4月,年降雨量在900～2 200 mm,年平均相對濕度為83%。研究區(qū)土壤為磚紅壤,土壤母質(zhì)為花崗巖。

在橡膠林(株行距為3.0×7.0 m)設(shè)置5種常規(guī)施肥處理:有機肥混施化肥(H)、施化肥(C)、種植綠肥(G)、施專用肥(S)以及不施肥(CK)。各處理每株橡膠樹的年施肥量分別為:H處理施有機肥(牛糞)20 kg、復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15)0.6 kg和尿素0.4 kg;C處理施復(fù)合肥0.6 kg、尿素0.4 kg;S處理施專用肥(N∶P2O5∶K2O為14∶7∶9)2 kg。G處理為橡膠樹間種葛藤綠肥。CK處理為對照組,不進(jìn)行施肥處理。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集和處理 2020年11月,在5個不同施肥處理的膠林樣地內(nèi)選取代表性采樣點,以不施肥處理的膠林樣地為對照。分層采集0—5 cm和5—10 cm土層的原狀土樣。每層取3個平行試樣,共計30個土壤樣品。用于測定土壤水分特征曲線和容重。為測定全吸力段的土壤水分特征曲線,應(yīng)用沙箱排水法(08.01型,荷蘭,Eijkelkamp公司)測定低吸力段(0,10,20,40,60,80 cm)的土壤水分特征曲線,結(jié)合壓力膜儀(1500F2型,美國,SEC公司)測定高吸力段(510,1 020,3 060,5 100,15 300 cm)的土壤水分特征曲線。土壤容重采用烘干稱重法測定,吸濕水含量采用烘干稱重法測定。此外,在取樣點周邊分層采集1.50 kg擾動土樣測定土壤容重和吸濕水含量,測定結(jié)果見表1。

表1 不同處理的土壤容重合吸濕水含量測定結(jié)果Table 1 Measurement results of soil bulk density and moisture absorption water content under different treatments

1.2.2 土壤水分特征曲線模型 常用的4種代表性土壤水分特征曲線模型如下:

(1) Brooks-Corey模型(BC模型)

θ=θr+(θs-θr)(1/αh)λαh>1

(1)

式中:θ為土壤含水率(cm3/cm3);θr為土壤殘余含水率(cm3/cm3);θs為土壤飽和含水率(cm3/cm3);α為土壤進(jìn)氣值的倒數(shù)(cm-1);h為土壤基質(zhì)吸力(cm);λ為經(jīng)驗參數(shù),能夠反映土壤孔隙的分布特征。

(2) Gardner模型

θ=Ah-B

(2)

式中:A表示土壤持水能力,A值越大,土壤持水能力越強;B(0≤B≤1)表示曲線的走向,當(dāng)A值不變時,B值越大,表示土壤水分特征曲線越靠近水勢軸[25]。

(3) van Genuchten模型(VG模型)

θ=θr+(θs-θr)〔1/(1+α|h|n)〕1-1/n

(3)

式中:n為形狀參數(shù),n越大時曲線越緩。

(4) Log-Normal Distribution模型(LND模型)

(4)

式中:q為模型參數(shù);erfc表示余誤差函數(shù)。

1.2.3 當(dāng)量孔徑 根據(jù)土壤毛管理論,土壤中的孔隙可概化為孔徑不一的圓形毛管,土壤基質(zhì)吸力h(cm)和毛管直徑d(mm)之間關(guān)系可表示為[29]:

d=3/h

(5)

式中:d為當(dāng)量孔徑(mm);h為土壤基質(zhì)吸力(cm)。若土壤含水率分別為θ1和θ2,對應(yīng)的當(dāng)量孔徑分別為d1和d2,則d1和d2之間的孔隙所占體積與孔隙總體積之比為θ1-θ2(其中θ1>θ2)[29]。Cameron將土壤當(dāng)量孔徑分為極微孔隙(<0.3 μm)、微孔隙(≥0.3～5 μm)、小孔隙(≥5～30 μm)、中等孔隙(≥30～75 μm)、大孔隙(≥75～100 μm)、土壤空隙(≥100 μm)[23,29]。

1.2.4 比水容量 比水容量C(h)是衡量土壤水分對植物的有效性和反映土壤持水性能的重要指標(biāo)[23]。C(h)可表示為:

C(h)=-dθ/dh=(θs-θr)mnα|αh|n-1/〔1+|αh|n〕m+1

(6)

式中:m為經(jīng)驗擬合參數(shù),m=1-1/n。

1.2.5 模型評價 通過對比各處理的實測值與模型模擬值來評估模型的模擬精度,評價指標(biāo)包括均方根誤差(RMSE)、平均偏差(AD)和確定系數(shù)(R2)。RMSE值越小,AD越接近0,R2值越接近1,表示模型擬合效果越好。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 采用Retention Curve(RETC)軟件結(jié)合Origin 2021軟件擬合土壤水分特征曲線并計算不同經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷臄M合參數(shù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及制圖采用Excel 2016,Origin 2021軟件。利用IBM SPSS Statistics 25進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤容重和吸濕水含量的影響

如表1所示,不同處理的土壤容重介于1.37～1.54 g/cm3。0—5 cm土層,與CK處理的容重(1.43 g/cm3)相比,H,S,C和G處理的容重分別增加了4.2%,7.7%,0.7%和1.4%。5—10 cm土層,H和S處理的容重分別比CK處理的容重(1.40 g/cm3)減少了0.7%和2.1%,C和G處理的容重則分別比CK處理的容重增加2.9%和9.3%。不同處理的土壤吸濕水含量介于0.01～0.03 cm3/cm3;0—5,5—10 cm土層中,G處理的吸濕水含量均是最高的,S處理的吸濕水含量則是最低的;G處理比CK處理的土壤吸濕水含量增加了2.1倍,S處理比CK處理的土壤吸濕含水量減少了2.0倍。

2.2 不同施肥處理的土壤水分特征曲線

根據(jù)土壤基質(zhì)吸力的對數(shù)(pF)和土壤體積含水率繪制不同處理0—5,5—10 cm土層實測的土壤水分特征曲線(見圖1)。隨著pF的增加,土壤含水率在低吸力段(pF≤3.01)快速下降但在高吸力段(3.01

圖1 不同施肥處理0-5,5-10 cm土層實測的土壤水分特征曲線

2.3 不同施肥處理的土壤水分有效性

土壤有效含水率是指田間持水量和凋萎系數(shù)的差值,有效含水率越高說明土壤持水能力越好。整體來說,0—5 cm土層各處理的平均有效含水率(0.11 cm3/cm3)是5—10 cm土層各處理的平均有效含水率(0.09 cm3/cm3)的1.3倍,說明各處理0—5 cm土層比5—10 cm土層的土壤持水能力強。在0—5 cm土層中,G處理的有效含水率最小(0.06 cm3/cm3),CK處理的有效含水率最大(0.19 cm3/cm3)且是G處理的3.4倍。5—10 cm中,H處理的有效含水率最小(0.07 cm3/cm3),C處理的有效含水率最大(0.11 cm3/cm3)且是H處理的1.4倍。

土壤水分特征曲線的高低反映了土壤的持水能力[26],土壤水分特征曲線越高說明土壤持水能力越強,反之,說明土壤持水能力越弱。在0—5 cm土層中,CK處理在低吸力段(pF≤3.01)持水能力最強,C處理在高吸力段(3.01

各土層不同處理的實測θs分布區(qū)間為0.39～0.79 cm3/cm3(表2),變化幅度較大,其中5—10 cm土層C處理的θs最高(0.79 cm3/cm3),0—5 cm土層S處理的θs最低(0.39 cm3/cm3);實測的θr分布區(qū)間為0.12～0.27 cm3/cm3,其中5—10 cm土層中H處理的θr最高(0.27 cm3/cm3),0—5 cm土層中的S處理的θr最低(0.12 cm3/cm3)。飽和含水率和殘余含水率的差值越大,說明該質(zhì)地類型的土壤持水性越強[30]。在0—5 cm土層中CK處理的飽和含水率和殘余含水率的差值最大,土壤持水能力最強。在5—10 cm土層中C處理的飽和含水率和殘余含水率的差值最大,土壤持水能力最強。

表2 不同處理的理化性質(zhì)實測值Table 2 Measured values of physical and chemical properties of different treatments

結(jié)合土壤水分特征曲線的高低以及飽和含水率和殘余含水率的差值,可以得出0—5 cm土層低吸力段,CK處理土壤持水能力最強,如pF=1.90時,H,S,C,G和CK處理的土壤含水率分別為0.36,0.22,0.38,0.34,0.45 cm3/cm3,相比于CK處理,所有處理均未提高土壤持水能力;0—5 cm土層高吸力段,CK處理土壤持水能力最強,如pF=4.18時,H,S,C,G和CK處理的土壤含水率分別為0.18,0.12,0.24,0.20,0.19 cm3/cm3,相比于CK處理,C和G處理的土壤含水率增加了22.7%和5.6%,C和G處理均提高了土壤持水能力。在5—10 cm土層pF≤1.90中,C處理土壤含水率均是最大的,如在pF=1.60時,H,S,C,G和CK處理的土壤含水率分別為0.44,0.33、0.74,0.40,0.47 cm3/cm3,相比CK處理,C處理的土壤含水率增加85.4%,說明C處理提高了土壤持水能力。在5—10 cm土層1.90

2.4 4種經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合土壤水分特征曲線

圖2為不同土層不同處理實測的土壤基質(zhì)吸力及土壤體積含水率,并利用4種模型擬合繪制的土壤水分特征曲線。根據(jù)圖2知,不同處理0—5,5—10 cm土層實測的土壤水分特征曲線數(shù)據(jù)點與VG,BC,LND和Gardner這4種經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械臄M合曲線總體較為相近,但0—5 cm土層的G和CK處理的模型擬合曲線與實測值相差較遠(yuǎn),5—10 cm土層的H和CK處理的模型擬合曲線與實測值相差較遠(yuǎn)。

圖2 4種經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合不同施肥處理0-5 cm和5-10 cm土層的土壤水分特征曲線

結(jié)合圖2和表3可知,0—5 cm土層,H處理Gardner模型的擬合精度(RMSE=0.11 cm3/cm3,AD=0.10 cm3/cm3,R2=0.99)優(yōu)于其他3個模型,VG模型的擬合精度最差(RMSE=0.12 cm3/cm3,AD=0.10 cm3/cm3,R2=0.99);S處理VG模型的擬合精度(RMSE=0.09 cm3/cm3,AD=0.08 cm3/cm3,R2=0.96)優(yōu)于其他3個模型,LND模型的擬合精度最差(RMSE=0.09 cm3/cm3,AD=0.08 cm3/cm3,R2=0.94);C處理BC模型的擬合精度(RMSE=0.15 cm3/cm3,AD=0.13 cm3/cm3,R2=0.99)優(yōu)于其他3個模型,LND模型的擬合精度最差(RMSE=0.15 cm3/cm3,AD=0.12 cm3/cm3,R2=0.91);G處理VG模型的擬合精度(RMSE=0.14 cm3/cm3,AD=0.11 cm3/cm3,R2=1.00)優(yōu)于其他3個模型,Gardner模型的擬合精度最差(RMSE=0.06 cm3/cm3,AD=0.04 cm3/cm3,R2=0.97);CK處理BC模型的擬合精度(RMSE=0.23 cm3/cm3,AD=0.21 cm3/cm3,R2=0.98)優(yōu)于其他3個模型,Gardner模型的擬合精度最差(RMSE=0.20 cm3/cm3,AD=0.20 cm3/cm3,R2=0.94)。

表3 4種經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷臄M合精度Table 3 Fitting accuracy of four empirical models

綜合比較4種模型對土壤水分特征曲線擬合效果,發(fā)現(xiàn)BC模型的擬合曲線與實測值最為接近,同時R2更接近于1且RMSE與 AD均較小,說明BC模型的擬合精度最高,可作為描述磚紅壤膠林不同施肥處理0—5 cm土壤水分特征曲線的最優(yōu)模型。類似地,對5—10 cm土層,BC模型的擬合精度最高,可作為刻畫磚紅壤膠林不同施肥處理下5—10 cm土壤水分特征曲線的最優(yōu)模型。

0—5 cm土層,VG,BC,LND和Gardner模型擬合不同處理的參數(shù)θs和θr不同(表4)。H處理中,LND模型擬合參數(shù)θs和θr均最大,分別為0.50,0.20 cm3/cm3;Gardner模型擬合參數(shù)θr最小,為0.18 cm3/cm3;S處理中,LND模型擬合θs最大為0.39 cm3/cm3,VG模型擬合的參數(shù)θr最大為0.14 cm3/cm3,BC模型擬合θs和θr均最小,分別為0.39,0.11 cm3/cm3;C處理中,BC模型擬合的參數(shù)θs和θr均最大,分別為0.69,0.25 cm3/cm3,LND模型擬合θs和θr均最小,分別為0.69,0.19 cm3/cm3;G處理中,VG模型擬合θs和θr均最大,分別為0.68,0.24 cm3/cm3,LND模型擬合θs和θr均最小,分別為0.68,0.21 cm3/cm3;CK處理中,VG模型擬合θs最大為0.78 cm3/cm3,VG模型擬合θr最大為0.27 cm3/cm3。5—10 cm土層,各處理實測的θs、θr均與Gardner模型擬合的θs和θr的值相差最大,而VG,BC和LND模型擬合的結(jié)果十分相近,擬合曲線比較聚集,S和C處理還出現(xiàn)曲線重合的現(xiàn)象,這說明VG,BC和LND模型在5—10 cm土層中的擬合效果比較相近,Gardner模型的擬合結(jié)果與實測值相差較大。如C處理中,實測θr為0.22 cm3/cm3,VG,BC和LND模型擬合的θr分為0.22,0.22,0.22 cm3/cm3,而Gardner模型擬合的θr為0.14 cm3/cm3?？偟膩碚f,VG模型擬合結(jié)果與各處理實測的θs和θr的誤差最小(RMSE=0.09 cm3/cm3,AD=0.07 cm3/cm3,R2=0.97),Gardner模型擬合結(jié)果與各處理實測的參數(shù)θs和θr的誤差最大(RMSE=0.05 cm3/cm3,AD=0.04 cm3/cm3,R2=0.68)。

表4 4種經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膮?shù)擬合結(jié)果Table 4 Parameter fitting results of four empirical models

2.5 不同施肥處理的土壤孔隙特征

土壤孔隙決定土壤的通透性和持水性[23]。根據(jù)式(5)計算不同處理各土層的當(dāng)量孔徑。不同處理0—5,5—10 cm土層的孔徑分布差異明顯,累計當(dāng)量孔徑分布結(jié)果見圖3。0—5 cm土層,CK處理的土壤空隙占比(5.2%)和大孔隙占比(0.8%)最小,中等孔隙占比(48.7%)最高。同時有研究表明,土壤當(dāng)量孔徑類別單一且某一孔隙類別占比高則分選性好,分選性好的土壤持水能力較強[22]。結(jié)合CK處理土壤空隙、大孔隙占比最小以及土壤當(dāng)量孔徑類別較為單一的情況,這就解釋了CK處理在低吸力段下持水能力最強。由圖3可以看出,0—5 cm土層C處理與G處理的較小孔隙(≤30 μm)占比相似,不考慮其他理化性質(zhì)的情況下,這2個處理的土壤持水能力表現(xiàn)應(yīng)該相似,但是結(jié)合土壤黏粒含量(表2)來說,可以發(fā)現(xiàn)C處理的黏粒含量是所有處理中最高的。有研究表明,土層的水分曲線特征曲線與其基本物理性質(zhì)對應(yīng),粉黏粒含量較多的土層對應(yīng)的持水性較強[18]。結(jié)合土壤孔隙特征和土壤黏粒含量情況,就解釋了0—5 cm土層C處理在高吸力段下持水能力最強。在5—10 cm土層中,可以看出C處理的土壤空隙和大孔隙的占比是所有處理中占比最小的,且土壤孔隙類型較為單一,其中中等孔隙(≥30～75 μm)占比甚至達(dá)到63.6%,同理可得C處理在低吸力段下的土壤持水能力最強,以及也解釋了5—10 cm土層中其余處理的飽和含水率和殘余含水率之間差值變小,而C處理的飽和含水率和殘余含水率差值變大,土壤持水能力增強的現(xiàn)象。雖然H處理土壤孔隙類型較為單一,但較大孔隙(≥30 μm)整體占比較高,故H處理在低吸力段表現(xiàn)出的土壤持水能力不強。然而,結(jié)合土壤質(zhì)地分析,可以知道H處理的黏粒含量是所有處理中含量最高的,這就解釋了H處理在低吸力段下土壤持水能力表現(xiàn)不佳,但在高吸力段情況下土壤持水能力表現(xiàn)最優(yōu)。同時,除G處理外,H,S,C和CK處理5—10 cm土層的較大孔隙(≥30 μm,包括中等孔隙(≥30～75 μm)、大孔隙(≥75～100 μm)和土壤空隙(≥100 μm))占比高于0—5 cm土層的較大孔隙占比(≥30 μm),說明這4個處理的土壤持水能力下降。雖然G處理5—10 cm土壤空隙占比(30.1%)比0—5 cm土壤的空隙占比(50.8%)低20.7%,G處理5—10 cm土壤中較小孔隙(≤30 μm)的比例比0—5 cm土層的較小孔隙占比高9.7%,但是可以看出,5—10 cm土層中G處理各土壤孔徑占比較為均衡,土壤分選性較差,故土壤持水能力也較差。

圖3 不同施肥處理0-5,5-10 cm土層的當(dāng)量孔徑分布

2.6 不同施肥處理土壤持水能力的影響

土壤比水容量C(h)反映土壤持水能力的情況,數(shù)值越大說明土壤持水能力越強[31]。不同處理不同土層深度的C(h)見表5?？梢钥闯?研究區(qū)不同施肥處理的C(h)數(shù)值均偏小,整體持水能力較差,這可能是因為研究區(qū)土壤發(fā)育于花崗巖母質(zhì),在高溫多雨的熱帶地區(qū)容易發(fā)生水土流失,土壤粉黏粒含量較低,土壤顆粒間大孔隙多,土壤易于失水,導(dǎo)致土壤持水能力較差。0—5 cm土層中,各施肥處理土壤比水容量數(shù)值比較接近。5—10 cm土層,S,C和G處理的C(h)數(shù)值分別是CK處理的1.4,1.4,1.2倍,說明S,C和G處理均提高了土壤的持水能力。對比0—5,5—10 cm土層的土壤比水容量,發(fā)現(xiàn)0—5 cm土層的H和S處理C(h)數(shù)值分別是5—10 cm土層H和S處理C(h)數(shù)值的0.77,0.5倍,說明H和S處理的0—5 cm土層持水性比5—10 cm土層持水性差。而0—5 cm土層的C,G和CK處理C(h)數(shù)值分別是5—10 cm土層C,G和CK處理C(h)數(shù)值的1.09,1.79,1.0倍,說明C,G和CK處理在0—5 cm土層的持水性比5—10 cm土層的持水性好。整體來看,0—5 cm土層的土壤比水容量比5—10 cm土層的土壤比水容量高,故0—5 cm土層土壤持水能力比5—10 cm土層強。

表5 土壤基質(zhì)吸力與土壤比水容量對應(yīng)關(guān)系Table 5 Correspondence between soil matrix suction and soil specific water capacity

3 討 論

0—5 cm土層不同處理的土壤當(dāng)量孔徑類別比較單一且占比高,說明0—5 cm土壤的分選性較好;5—10 cm土層,土壤當(dāng)量孔徑類別比較多樣且占比較平衡,說明土壤的分選性較差,這與石浩楠等[22]的研究結(jié)果相同,隨土層深度由淺變深,土壤當(dāng)量孔徑類別復(fù)雜且占比不一,說明分選性差,失水效率大,土壤中可能存在優(yōu)先流現(xiàn)象,導(dǎo)致土壤持水能力下降。

牛曉彤等[32]的研究表明影響經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合參數(shù)n的主要因子由有機質(zhì)和土壤顆粒組成。這與本研究的結(jié)果相同,本研究發(fā)現(xiàn)土壤性質(zhì)相似的,如在同一個土層中,其經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合結(jié)果及精度更為相似。

對比BC,VG,Gardner和LND 4種經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合不同處理實測土壤水分特征曲線數(shù)據(jù)點的結(jié)果,擬合精度由大到小依次為:BC,VG,LND,Gardner模型。這個結(jié)果與秦文靜[33]和王子龍等[19]的研究結(jié)果一致,即偏砂性土壤實測土壤水分特征曲線采用BC模型擬合的結(jié)果最優(yōu)。不同經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合各處理實測土壤水分特征曲線的結(jié)果也有差異,表現(xiàn)為不同模型對同一處理不同土壤基質(zhì)吸力下實測數(shù)據(jù)的擬合精度也不同,特別是CK處理0—5 cm土層和C處理5—10 cm土層的擬合精度相比于其他處理較低,造成這些差異的可能原因主要有:(1)不同經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷暮瘮?shù)形狀影響模型的擬合精度[34]。根據(jù)圖1可知,不同處理實測的)土壤水分特征曲線(脫濕曲線)總體呈現(xiàn)由急變緩(急—緩)的變化趨勢,這與部分土壤質(zhì)地類型的土壤水分特征曲線呈現(xiàn)急—緩—急的變化趨勢有一定差異;VG模型的擬合曲線總體呈現(xiàn)急—緩—急的“S”形擬合效果,故VG模型在本研究中的擬合精度不高。(2) 不同經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷臄M合參數(shù)個數(shù)不同。根據(jù)式(1),(3) 和(4) 可知,BC,VG和LND模型均包含4個擬合參數(shù),故其擬合的精度比較接近。根據(jù)式(2)可知,Gardner模型包含2個參數(shù)(A和B),有學(xué)者發(fā)現(xiàn)A和B之間存在函數(shù)關(guān)系,所以Gardner模型實質(zhì)上屬于單一參數(shù)模型[35]。通常來說在同等條件下,模型包含的擬合參數(shù)數(shù)量越多,其擬合的精度越高[36];因此Gardner模型的擬合精度低于其他3個模型。

4 結(jié) 論

(1) 相同土壤基質(zhì)吸力下,橡膠林0—5 cm土層土壤持水能力強于5—10 cm土層。0—5 cm土層各處理的平均有效含水率是5—10 cm土層各處理的平均有效含水率的1.3倍;0—5 cm土層的平均較大孔隙占比低于5—10 cm土層的較大孔隙占比;0—5 cm土層的平均土壤比水容量比5—10 cm土層的土壤比水容量高。

橡膠林0—5 cm土層中,CK處理的有效含水率最大,土壤空隙和大孔隙占比小,中等孔隙占比最高;5—10 cm土層中,C處理的有效水含率最大,土壤空隙和大孔隙占比最小,而中等孔隙占比最高達(dá)63.5%。因此,不同施肥處理對不同土層深度土壤的持水能力影響不同。其中0—5 cm土層,不施肥處理的土壤持水能力最強;5—10 cm土層,施化肥處理的土壤持水能力最強。

(2) 4種模型擬合的土壤體積含水率與實測值基本相符,均可擬合磚紅壤膠林的土壤水分特征曲線,模型擬合精度由高到低依次為:BC,VG,LND和Gardner模型,因此推薦BC模型作為橡膠林土壤水分特征曲線的擬合模型。與BC,LND和Gardner模型相比,VG模型對θs和θr的擬合精度最高。