不同農(nóng)田防護(hù)林下鹽堿地土壤水分特征曲線差異對比

陳印平， 夏江寶， 劉俊華

(1.濱州學(xué)院,山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室,256603,山東濱州； 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,271018,山東泰安)

土壤水分特征曲線能夠反映土壤水能量與數(shù)量間的關(guān)系，是土壤水力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)[1-4]。目前，擬合土壤水分特征曲線的模型主要有van Genuchten方程及其修正方程、Gardner方程、Brooks-Corey方程和Dual-porosity方程等[5]，其中應(yīng)用較多的是van Genuchten方程和Gardner方程。防護(hù)林在保持水土、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源等方面發(fā)揮著重要的作用[6]。黃河三角洲地下水埋深淺、礦化度高及蒸降比大，水分成為限制該地區(qū)植被成活和生長的主要因子，植物-土壤之間的水分協(xié)調(diào)適應(yīng)性是鹽堿化地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸，許多研究集中在防護(hù)林樹種的選擇、造林技術(shù)、土壤的鹽堿化改良等方面，針對防護(hù)林土壤蓄水保水的研究較少，土壤水分特征曲線對研究土壤水分遷移和植物生長具有重要的作用，可反映土壤的持水特征[7-8]；因此，筆者選擇黃河三角洲農(nóng)田林網(wǎng)建設(shè)中3種典型防護(hù)林，利用國內(nèi)外學(xué)者使用較多、擬合效果較好的土壤水分特征曲線經(jīng)驗?zāi)Ｐ虶ardner方程以及van Genuchten方程對測定的防護(hù)林土壤水分含量進(jìn)行擬合，根據(jù)所得參數(shù)分析土壤的持水性，揭示3種農(nóng)田防護(hù)林土壤的水分特征，探討適宜該區(qū)域農(nóng)田防護(hù)林土壤水分特征曲線的方程，為黃河三角洲鹽堿地農(nóng)田防護(hù)林蓄水保土提供理論指導(dǎo)，對進(jìn)一步研發(fā)該地農(nóng)田林網(wǎng)工程治理模式及配套生物修復(fù)技術(shù)具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省東營市東營區(qū)的六戶鎮(zhèn)，位于E 37°21′～37°28′，N 118°25′～118°33′，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫13 ℃，年平均無霜期為206 d，年平均降水量555.9 mm，降水多集中在夏季，占全年降水量的65%，夏季極易形成旱、澇災(zāi)害。土壤主要為鹽土和潮土。該區(qū)適于多種植物生長，主要的喬木有白蠟(Fraxinuschinensis)、毛白楊(Populustomentosa)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、槐(Sophorajaponica)等，灌木有木槿(Hibiscussyriacus)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、檉柳(Tamarixchinensis)等，草本植物有地膚(Kochiascoparia)、鹽地堿蓬(Suaedasalsa)、藜(Chenopodiumalbum)等。農(nóng)作物以普通小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、大豆(Glycinemax)、棉花 (Gossypiumspp.)為主。

2 研究方法

2.1 樣品采集和處理

2016年7月，選擇3種典型的農(nóng)田防護(hù)林：毛白楊樹林、白蠟林和毛白楊+白蠟混交林(簡稱混交林)，三者之間的相互距離約2 km。3種防護(hù)林的株行距分別為2 m×2 m、3.5 m×3 m和3 m×3 m，樹均高為8 m、7.5 m和8 m，平均胸徑為4.5 cm、4.2 cm和5.0 cm，林地內(nèi)側(cè)種植的農(nóng)作物為棉花、玉米、大豆、小麥等。林分樹齡均為7 a。林下以地膚、鹽地堿蓬等草本植物為主。在每個防護(hù)林內(nèi)，設(shè)置3個面積為20 m×15 m的樣地，按S型取樣法選取5個取樣點。土壤樣品的采集是在林地內(nèi)距表層0～10 cm、>10～20 cm的深度使用環(huán)刀(容積100 cm3)采樣 。在靠近采樣的區(qū)域，取3份土樣裝入鋁盒中，測土壤含水量；以四分法取混勻5個取樣點的土樣約300 g裝入自封袋中，經(jīng)過晾曬風(fēng)干、碾碎和過篩等處理后測試土壤的pH值和含鹽量。土壤密度、土壤總孔隙度采用環(huán)刀法測定；烘干法測土壤含水量；pH計測土壤pH值；殘渣烘干法測土壤含鹽量；土壤粒徑由激光粒度儀Mastersizer 2000 測量；土壤水分特征曲線利用高速冷凍離心機(jī)(日本產(chǎn)CR21N)測定[9]。防護(hù)林土壤基本物理性質(zhì)見表1。

表1 農(nóng)田防護(hù)林試驗地不同土層的土壤物理性質(zhì)Tab.1 Soil physical properties for different depths of soil in test plots under farmland shelterbelt

注： 1. YS：毛白楊樹林 BL：白蠟林 HJ：混交林 2. 不同小寫字母表示不同植被間差異顯著(P<0.05)，下同。 Notes：YS：Populustomentosaforest; BL：Fraxinuschinensisforest; HJ：mixed forest(Populustomentosa+Fraxinuschinensis). 2. Different letters represent significant differences at 0.05 levels among different vegetations. The same below.

2.2 模型擬合與結(jié)果驗證

1)土壤水分特征曲線擬合模型。

van Genuchten模型

(1)

式中：θ為體積含水率，cm3/cm3；θr為殘留含水率，cm3/cm3；θs為飽和含水率，cm3/cm3；h為土壤水吸力，cm；α近似為土壤進(jìn)氣值的倒數(shù)，1/cm；參數(shù)n、m與土壤水分特征曲線的形狀有關(guān)，其中，m=1-1/n(n>1)。

Gardner模型

θ=Ah-B。

(2)

式中A和B為擬合參數(shù)：A表示土壤持水能力的大小，其值越大，土壤持水能力越強(qiáng)；參數(shù)B指示曲線的走向，當(dāng)A值不變時，B值越大(0≤B≤1)，則土壤水分特征曲線越靠近水勢軸，反映了土壤含水量隨吸力變化的快慢[10-11]。

2)比水容量(specific water capacity，Cθ)：土壤水分特征曲線斜率即單位基質(zhì)勢的變化引起含水量變化[5]。對Gardner模型擬合的土壤特征水分曲線的斜率求導(dǎo)可得

Cθ=A·B·h-(B+1)。

(3)

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖，SPSS 18.0進(jìn)行ANOVA分析。 利用均方根誤差(root mean square error，RMSE)和決定系數(shù)(coefficient of determinationR2)比較土壤含水率實測值與模型預(yù)測值的擬合效果。

(4)

(5)

式中：N為設(shè)定壓力值的總個數(shù)；Pi為與第i個壓力值所對應(yīng)土壤含水率的模擬值，cm3/cm3；θi為與第i個壓力值所對應(yīng)土壤含水率的實測值，cm3/cm3。θa為含水率的平均值，cm3/cm3。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同農(nóng)田防護(hù)林地的土壤水分特征曲線

不同農(nóng)田防護(hù)林土壤水分特征曲線如圖1所示。在-1.0×105～0 Pa吸力段，隨吸力增大，土壤水分含量急劇下降，曲線陡直。-3.5×105～-1.0×105Pa吸力段曲線較緩，同一吸力下，土壤含水率大小為混交林>毛白楊林>白蠟林。在-11.0×105～-3.5×105Pa吸力段，吸力增大，土壤水分減少的速率減慢且趨于穩(wěn)定，3種農(nóng)田防護(hù)林的土壤含水量趨于重合。因此，黃河三角洲農(nóng)田防護(hù)林的土壤水分特征曲線呈下降快速(-1.0×105～0 Pa)、緩慢(-3.5×105～-1.0×105Pa)和穩(wěn)定(-11.0×105～-3.5×105Pa)的變化趨勢。

圖1 不同防護(hù)林的實測土壤水分特征曲線Fig.1 Measured soil water characteristic curves of different configuration modes

3.2 不同農(nóng)田防護(hù)林地的土壤水分特征曲線參數(shù)

3.2.1 Gardner模型擬合結(jié)果分析 由表2可見，3種防護(hù)林土壤0～10 cm和>10～20 cm Gardner模型中參數(shù)A值的平均值表現(xiàn)為混交林>毛白楊林>白蠟林，說明混交林土壤的持水能力最強(qiáng)，白蠟林的最小。混交林和毛白楊林土壤>10～20 cm>0～10 cm，即下層土壤持水能力強(qiáng)，而白蠟林土壤0～10 cm>10～20 cm，其下層土壤持水較弱，保水能力差，影響植物根系的用水?；旖涣滞寥绤?shù)B值最小，表明其土壤含水量隨吸力變化的慢；毛白楊林和白蠟林的B值接近，較混交林的高，土壤含水量隨吸力變化較快。

表2 2種模型擬合的土壤水分特征曲線參數(shù)Tab.2 Results for fitted parameters of soil water characteristic curves by two models

注：1.A、B為擬合參數(shù); 2.θs為飽和含水率，θr殘留含水率。 Notes：1.AandBare the fitting parameters. 2.θsis saturated water content,θris residual water content.

3種農(nóng)田防護(hù)林土壤的比水容量隨吸力增加而減小逐漸趨近于零。在-0.06×105Pa吸力下，比水容量的值較高，-0.5×105Pa吸力下，比水容量為10-1，當(dāng)吸力值達(dá)到-1.0×105Pa時，比水容量降為10-2，在-3.5×105Pa吸力時，其值為10-3。不同防護(hù)林土壤的比水容量的變化趨勢為：在-2.0×105～0 Pa吸力段，毛白楊林土壤的最高(P<0.05)，白蠟林和混交林間差異不顯著(P>0.05)(表3)。

3.2.2 van Genuchten模型擬合結(jié)果分析 由表2可知，3種農(nóng)田防護(hù)林van Genuchten模型中土壤飽和含水率(θs)的取值范圍為0.336～0.423 cm3/cm3，均值為0.385 cm3/cm3；殘留含水率(θr)的取值范圍為0.083～0.167 cm3/cm3，均值為0.098 cm3/cm3。比較3種農(nóng)田防護(hù)林土壤θs和θr的均值，發(fā)現(xiàn)混交林>毛白楊林>白蠟林，不同土層的θs和θr除白蠟林外，0～10 cm均低于10～20 cm。

3.3 不同農(nóng)田防護(hù)林土壤水分特征曲線模型的比較

根據(jù)所得參數(shù)建立相對應(yīng)的van Genuchten模型和Gardner模型，3種農(nóng)田防護(hù)林土壤含水率絕大部分實測點在van Genuchten模型擬合的曲線上，部分實測點在Gardner模型擬合的曲線上，尤其在-11.0×105～-8.0×105Pa吸力段，毛白楊林和白蠟林土壤含水率模擬值和實測值相差較大(圖2)。

表3 不同水吸力下土壤的比水容量(Cθ)Tab.3 Specific water capacity of soil in various water suctions

利用3種農(nóng)田防護(hù)林土壤含水率模擬值與實測值之間的決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(RMSE)對2種模型進(jìn)行比較。Gardner模型的R2范圍為：0.964～0.994，而van Genuchten模型R2為0.999和1.000，顯著高于Gardner模型(P<0.05)。通過RMSE對比分析擬合效果，因Gardner模型的表達(dá)式是冪函數(shù)，無法擬合h=0時的土壤飽和含水率，所以不計吸力h=0時的RMSE。Gardner模型的RMSE均值為0.028；van Genuchten模型為0.002，顯著小于Gardner模型所得RMSE值(P<0.05)(表4)。

表4 2種模型的適宜性評價Tab.4 Suitability evaluation of two models

圖2 不同防護(hù)林土壤水分特征擬合曲線Fig.2 Fitting curves of soil water contents in different shelterbelts

4 討論

土壤有效水是田間持水量(FC)和凋萎濕度(PWP)之間的差值，以“生長阻滯濕度”或“毛管聯(lián)系斷裂濕度”(BCM)為界，將土壤有效水劃分為2段：FC-BCM為易效水，BCM-PWP為難效水或遲效水[12]。黃河三角洲農(nóng)田防護(hù)林土壤在吸力值為-1.0×105Pa時，比水容量值數(shù)量級為10-2，10-2標(biāo)志著土壤水已處于或大致相當(dāng)于難效水范圍，此時的吸力值大致與BCM相對應(yīng)[12]。因此，黃河三角洲農(nóng)田防護(hù)林土壤易效水與難效水的臨界點對應(yīng)的吸力值為-1.0×105Pa，小于塔里木沙漠公路防護(hù)林土壤所對應(yīng)的吸力值(-1.5×105Pa)[13]，當(dāng)土壤比水容量達(dá)到10-2數(shù)量級時吸力值越大，土壤耐旱性越好[10]，表明黃河三角洲農(nóng)田防護(hù)林抗旱能力較弱，可能是因為該研究區(qū)土壤質(zhì)地為鹽土或潮土，取樣地位于黃河入海口，在成土過程中從黃河帶來的泥沙占有的比例較高，林地土壤砂粒和粉粒平均占土壤顆粒的90%左右，黏粒所占比例低[2]，與本研究所得土壤砂粒和粉粒占土壤顆?？倲?shù)的91.5%～94.1%結(jié)果一致。黏粒是土粒中最小的部分，比表面積較大，對水分具有極強(qiáng)的吸附能力，在較高的吸力下也不易被釋放，增強(qiáng)了土壤對水分的保持能力[14]。黃河三角洲農(nóng)田防護(hù)林土壤中黏粒含量低，土壤水易被釋放，其比水容量達(dá)到10-2數(shù)量級時吸力值小，抗旱能力差。因此，在黃河三角洲農(nóng)田林網(wǎng)建設(shè)過程中，一方面需增加土壤的保水性，另一方面在選擇防護(hù)林樹種時應(yīng)考慮耐旱物種。

研究表明，無論是Gardner模型還是van Genuchten模型，分析參數(shù)A、B、θs和θr均得到3種防護(hù)林中混交林的持水能力最強(qiáng)的結(jié)論，因此這2種模型都可以擬合該區(qū)域的土壤水分特征曲線。采用R2和RMSE對2種土壤水分特征曲線方程進(jìn)行比較，van Genuchten模型的擬合效果優(yōu)于Gardner模型。該結(jié)論與張露等[15]和栗現(xiàn)文等[16]的研究結(jié)果一致。鄧羽松等[3]的研究結(jié)果則表明van Genuchten模型擬合崩崗表土層和紅土層土壤水分特征曲線較好，Gardner模型擬合斑紋層和碎屑層的效果好。而汪時機(jī)等[17]通過比較幾個常用水分特征曲線模型發(fā)現(xiàn)，Gardner模型和van Genuchten模型適用于任何土壤，因此，依靠某一種模型無法全面描述不同類型土壤的水分特征，可根據(jù)具體情況以及研究目的選擇或整合適宜的模型。

5 結(jié)論

1)黃河三角洲鹽堿地農(nóng)田防護(hù)林土壤釋水量隨吸力呈規(guī)律性變化，在低吸力段土壤釋水能力強(qiáng)，持水性差；而中高吸力段土壤釋水弱，持水性強(qiáng)。

2)van Genuchten模型對黃河三角洲農(nóng)田防護(hù)林土壤水分特征曲線擬合精度較高。

3)3種農(nóng)田防護(hù)林土壤的持水強(qiáng)弱表現(xiàn)為混交林>毛白楊林>白蠟林。該地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林應(yīng)以毛白楊和白蠟混交為宜；考慮到鹽堿生境下，黃河三角洲農(nóng)田防護(hù)林更易受到干旱脅迫，因此在管理過程中，需保證水的供給，滿足防護(hù)林和農(nóng)作物對土壤水分的需求。