黃土高原半干旱區人工林地土壤水分變化模型

2015-12-18 17:49:50劉賽可郭滿才郭忠升李吉印王振鳳

湖北農業科學 2015年22期

劉賽可　郭滿才　郭忠升　李吉印　王振鳳

摘要：通過改進由二室模型所建立的人工林地土壤水分垂直變化的數學模型，并選取2002-2006年寧夏固原上黃生態試驗站人工檸條林地觀測所得的土壤水分數據對改進模型進行驗證。結果表明，改進模型較原模型能更好地反映不同條件下土壤水分的垂直變化特點，且模型在土壤水資源的可持續利用中有較好的應用價值。

關鍵詞：人工檸條林；土壤水分；垂直變化模型；二室模型

中圖分類號：S714.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）22-5551-05

Abstract： A modified mathematical model of soil water was established and the soil water data were measured in the caragana shrubland at Shanghuang Eco-experiment Station during the five years from 2002 to 2006， then they were used to examine the mathematical model of soil water. The results showed that the modified vertical variation model could better describe the variation characteristics of soil moisture under different situations， suggesting that the improved model of soil water had good application value in the sustainable use of soil water resources.

Key words： caragana shrubland； soil water； vertical variation model； two-compartment model

黃土高原干旱半干旱地區水資源缺乏，地下水埋藏較深，大部分地區無灌溉條件，因此土壤水分成為影響植物生長的關鍵因素，而降水成為補給土壤水分的惟一來源[1]。近年來，黃土高原大部分地區的人工林地存在植物生長與土壤水分關系失調現象[2-4]，而且在多年生人工林地出現了土壤旱化，當土壤旱化到一定程度，就形成土壤干層[5]。然而在最大降雨入滲深度以下土層形成的土壤干層將無法消除[6，7]，這是近年來迫切需要關注的問題，為此需要加強對水資源緊缺地區的土壤水分狀況的研究。

土壤水分的垂直變化模型不僅是研究土壤水分垂直變化規律、了解土壤水分分布的重要依據，而且是確定土壤水資源利用限度和土壤水分植被承載力的前提。目前，關于土壤水分的研究多集中在定性分析和大尺度時空變異性分析[8-11]，只有極少研究是關于土壤水分變化模型的。其中，趙忠等[12]應用二室模型來模擬黃土高原半濕潤水分生態區溝坡人工刺槐林地土壤水分的垂直變化特征，并建立了相應的土壤水分入滲平衡模型；王振鳳等[13]將以上二室模型應用于黃土高原半干旱區人工檸條林地，但所建立的數學模型不具有普遍的適用性，尤其是不能很好地表達一些特殊情況。由于黃土高原地區土壤水分分布受地形、土地利用等多重因素的影響，使該區域的土壤水分空間變異性較大[1，14]，要獲取通用的土壤水分垂直變化數學模型較為困難，因此需要加強對黃土高原土壤水分變化特征和土壤水分垂直變化數學模型的研究。

本研究的目的是進一步地分析土壤水分隨土層深度的變化特征，建立能更好表達人工檸條林地不同立地情況下土壤水分垂直變化的數學模型，為土壤旱化的防治和土壤水資源的可持續利用奠定理論基礎。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

試驗在黃土高原西部的寧夏回族自治區固原市上黃生態試驗站（35°59′-36°03′N，106°26′-106°30′E）內進行，該地區屬黃土丘陵半干旱區，地勢起伏，溝壑縱橫，水土流失嚴重。試驗區土壤類型為黃綿土，植被類型為森林草原向干草原過渡的灌叢草原類型，年平均氣溫為7.0 ℃，地下水位超過60 m。試驗地位于上黃生態試驗站西邊的黑刺峁東坡中部的占地面積約20 hm2的16年生檸條林地，海拔約為1 650 m。人工檸條林的生長周期為152 d，檸條密度為0.87叢/m2，平均冠幅為102.9 cm×87.2 cm。林下天然生長的草本植物有長芒草、阿爾泰狗娃花、艾蒿、百里香、達烏里胡子等。

1.2 試驗數據的測定

試驗所用的氣象資料來源于上黃生態試驗區簡易氣象站，海拔1 602 m，試驗地在距氣象站50 m的西北方向。

在試驗地的樣地中心地帶安置2個相距2 m、深度為4 m的中子儀鋁合金套管，具體位置為檸條與林中空地中心的1/2處，然后利用中子儀[CNC503A（DR）]測定土壤水分。首先，對中子儀進行了標定，標定方程為y=55.76 x+1.89，其中y為容積含水量，x為中子儀讀數。然后，從檸條的生長初期4月開始測定至11月底，期間每隔15 d在4 m的深度范圍內用中子儀對土壤水分進行測定，測定時每隔20 cm測定記錄一次，中子儀計數時間為16 s。對試驗地土壤水分的測定一直持續到2006年底。

1.3 數據分析方法

1.3.1 室分析法室分析法是藥物動力學研究的基本方法之一，近年來也逐漸被用于其他科學研究中[15]。建立房室模型的過程即為室分析，而最簡單的房室模型為二室模型，以肌肉注射藥物為例，其示意圖如圖1所示。

圖1中，D0表示初始給藥量，x0（t）為吸收室吸收的藥量，k01為藥物由吸收室向中心室轉移的速率，k為藥物由中心室排出的速率，其對應的數學模型為：

1.3.2 土壤水分數據的分析方法首先，利用2002年觀測所得的土壤水分數據繪制散點圖以直觀分析土壤水分隨土層深度的變化趨勢。其次，通過2002-2006年的觀測數據分別來驗證改進前后的土壤水分垂直變化數學模型。最后，利用軟件SPSS 16.0作非線性回歸分析，以獲得擬合參數和相應的擬合優度。

2 結果分析

2.1 土壤水分的垂直變化特征

試驗區自1983年有降雨記錄以來，1983-2002年多年的平均降水量為414.1 mm，而1997-2002年連續5年的降水量都較低，其年平均降水量為385.3 mm（圖2）。在這種持續干旱的情況下，降水對土壤水分的補給不能滿足植物生長等土壤水分的消耗，必然會引起土壤水環境的退化。因此，深入研究2002年土壤水分的垂直分布特征尤為重要。

在試驗區，一般情況下4月中旬之前檸條還未開始萌發，而該期間檸條林地土壤含水量隨時間的變化不明顯，因此對土壤水分的連續測定通常從每年的4月中旬開始。其中，2002年對土壤水分的觀測是從4月13日開始至11月29日結束，共獲得13組觀測數據（圖3）。對以上的13組數據做方差分析發現，220 cm土層以下的土壤含水量無顯著差異，而且該層次的土壤含水量有隨深度增加而略增的趨勢。另外，由圖3可知，4月13日、5月30日、6月30日、8月15日的土壤含水量隨土層深度的變化幅度比較大。

2.2 土壤水分的垂直變化模型

應用室分析法研究土壤水分垂直變化的過程發現，降水入滲到最大深度時，濕潤峰上下土層的土壤含水量會達到平衡，從而有■（Wc-f）=0→■Wc=f，其中Wc為土壤含水量，f為深層（土層深度大于hmax）土壤水分，hmax為最大入滲深度。降水入滲的過程可以用二室模型描述（圖4），由其所建立的數學模型如式（1）所示：

求解方程（1）得土壤水分的垂直變化模型為：

Wc=ae-kh-ce-k1h+f （2）

其中，Wc1是補給水分，h是土層深度，k是土壤顆粒對水分的吸收速率，k1是土壤水分的消耗速率，a和c是與k、k1有關的常數，且有Wc0=a-c+f，a≥0，c≥0，k≥0，k1≥0。

利用2002年觀測所得的數據對模型（2）進行驗證，其中擬合結果如表1所示。由表1可知：模型（2）不能很好地表達所有的情況，只適用于其中一部分數據，而其他的數據都不能得到恰當的擬合參數。對于5月30日和7月31日所測定的兩組數據，所得的擬合優度不符合統計學要求；而利用9月1日和9月30日的數據驗證模型所得的擬合參數不滿足其大于0的要求。綜上所述，為了更好地表達2002年各種不同情況下土壤水分的垂直變化特征，需要對模型（2）進行改進。

2.3 土壤水分垂直變化改進模型的建立

考慮到影響當日土壤水分的因素不僅有當日次降水量，土壤水分的消耗（即土壤水分的蒸發散），還包括前期的土壤含水量（由于土壤生態系統是連通的，前期資源的過度消耗或累積都會對后期造成影響）。因此，可通過分析以上因素的變化來建立土壤水分的垂直變化模型。

其中，當日次有效降水和前期土壤水分均為當日土壤水分的補充部分，二者之和可記為土壤水分的補給，并且可知土壤水分的補給與土壤水分的消耗之差即為當日土壤含水量。經分析發現，土壤水分的補給和消耗分別可以用如下圖示描述（圖5）。

模型（4）的建立不僅考慮了降水這一因素，還考慮到前期土壤水分對當日土壤水分的影響，因此模型（4）能更好地表達實際情況。另外，通過比較兩個模型可知，模型（2）中土壤水分的補給率為常數，而在模型（4）中為變量。

2.4 模型驗證和模型分析

采用2002-2006年人工檸條林地觀測所得的土壤水分數據對模型（4）進行驗證，其中由2002年數據所得的擬合結果見表2，所有的擬合優度均符合統計學要求。另外，對比表1和表2可知，由模型（4）所得的擬合結果較模型（2）更優，表明模型（4）較模型（2）更合理，而且能更好地表達2002年的各種不同情況。通過對表2中擬合參數的分析可發現，依據參數的取值可將2002年的13組數據大致分為4組（表3），并且2002年的降水數據被用來分析該分類的合理性。

自2002年初至4月13日，試驗區的累積降水量為32.2 mm，而5月30日至6月30日的累積降水量為118.6 mm，該期間的降水基本能滿足檸條的生長需求。此外，2002年1月1日至11月29日相鄰兩個觀測時間點間的累積降水量如圖6所示。

由試驗區降水資料知，在4月13日和5月30日之前試驗區均有降水，而該時期為植物生長的初期，其生長所消耗的水分相對較少，因此4月13日土壤含水量的峰值出現在深度60 cm的土層，其土壤水分隨土層深度的變化趨勢為先增后減，如圖7中曲線1*，而且5月30日的情況與其相似。

試驗區自5月30日至6月30日的總降水量為118.6 mm，且6月21日有次降水量為49.5 mm的較大降水。在此期間植物生長迅速，需要吸收大量的水分，因此在植物根系大量分布的土層中土壤含水量較低。盡管有較大的降水補給，但7月底前植物一直處于快速生長階段，需要消耗大量的水分，因此在-160～8 cm土層深度的土壤水分會低于其他土層。對于7月15日和7月31日，它們分別具有和6月30日相似的立地條件，而對于9月的兩次觀測，雖然此時植物已基本停止生長，同時消耗的水分也減少，但因為9月沒有降水，以至于80～160 cm土層的土壤含水量依舊較低。綜上所述，這5種不同的情況有一個共同點，即土壤水分的補給低于土壤水分的消耗，此時土壤含水量隨土層深度的變化趨勢為先增后減再增，如圖7中曲線2。

至8月15日，試驗區的累積總降水量為317.5 mm，占年總降水量的81.7%，此時累積的降水已使土壤水分得到較為充足的補給。因此，再次有較大的降水時，表層土壤水分會顯著地增加，土壤含水量隨土層深度的增加會呈現出單調下降的變化趨勢。在此之后，9月15日前試驗區又有幾次降水，和8月15日有相類似的情況。另外，對于11月1日，此時植物已經停止生長，幾乎不再消耗水分，而不久前又有累積降水量為28.9 mm的降水，所以11月1日表層的土壤水分相對其他土層必然會較高。由以上分析可知，在土壤水分得到充分的補充以后，如果再次有降雨，土壤水分會表現出單調下降的趨勢，如圖7中曲線3，且此時模型（4）可簡化為：WC=a·e-kh（lnh-1）+f。

由于試驗區自8月中旬至9月1日只有少量的降水，所以之前降水補給土壤水分的部分一直在被植物吸收利用。此時，土壤水分的補給和土壤水分的消耗處于一種平衡狀態，因此土壤水分的變化趨勢較為平穩。9月30日前的降水量也不多，它和8月15日，9月1日有相似的情形。綜上可知，當土壤水分的補充和消耗處于相對平衡的狀態下，土壤含水量隨土層深度的變化會較平緩，且呈現出上升的趨勢，如圖7中曲線4。

另外，在植物生長初期如果有較大的降水，表層土壤含水量會急劇增加，此時土壤水分隨土層深度的變化趨勢為先減后增然后再減。模型（4）也可以描述這種情況，其中參數的取值滿足ck1>0，如圖7中曲線1**。

綜上所述，依據參數的取值對2002年的13種不同情況進行分類是合理的，而且簡化對土壤水分垂直變化特征的分析研究。進一步選取代表植物不同生長階段以及不同年份的土壤水分數據，如2003年4月3日、2004年5月15日、2005年7月3日、2006年11月2日的數據，來驗證模型（4）及上述分類的合理性（圖8）。對于以上4組數據，所得擬合優度分別為0.798，0.921，0.990和0.935，均符合統計學要求，表明改進模型可以很好地表達不同條件下土壤水分的垂直變化特征并且有廣泛的應用價值。

3 結論

本研究所建立的土壤水分垂直變化的改進模型是通用的，在不同的立地條件下該模型的參數取值不同，從而得到不同的表達式。采用2002-2006年上黃生態試驗區人工檸條林地的土壤水分觀測數據對模型進行驗證，所得的擬合優度均符合統計學要求。結果表明，改進模型能較好地反映黃土高原半干旱區人工檸條林地不同環境條件下土壤水分垂直變化特征。該結果不僅為土壤水資源利用限度和土壤水植被承載力的估計奠定基礎，而且為土壤退化的控制、植被的重建和土壤水資源的可持續利用提供理論依據。

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