Kostiakov模型在辽西低山丘陵区土壤水分中的应用

王家智

（辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110043）

水土保持

Kostiakov模型在辽西低山丘陵区土壤水分中的应用

王家智

（辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110043）

土壤是林木生长、生存的关键，其在森林水分循环中起着至关重要的作用，森林土壤由于受到凋落物等特殊植物群的影响，具有独特的水文特征，而土壤蓄水性能、抗侵蚀能力及渗透性等，是影响土壤水分的关键要素。

土壤；水分；渗透性；持水量

1 概述

辽西低山丘陵区位于辽宁省西部，地形起伏，多为山丘陵，年平均降雨量400mm，年蒸发量1700mm，属于半干旱季风气候。近年以来营造了大面积人工林，目前森林覆盖率已超过30%，形成了以人工林75.8万hm2为主，天然次生林12.9万hm2为辅的森林景观，树种以油松、杨树、刺槐为主。

2 土壤持水能力

从水土保持角度看，土壤非毛管孔隙度的大小反映了森林植被滞留水分发挥涵养水源和削减洪水的能力，而土壤毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于维持自身生长发育的能力，如表1。

表1 不同林地土壤持水能力

由表1可以看出，不同林地土壤毛管持水量在86.8～192.3mm之间。以华北落叶松纯林地土壤的持水能力最强，为192.3mm；而农耕地的持水性最弱，为86.8mm，所有林地的持水能力均高于农耕地，由此可知，不同植被为了保证根系吸收好冠层蒸发所需水分而具有较高的持水性能。不同林地土壤自然含水率在5.96%～31.63%之间，以华北落叶松林地最高，杨树纯林地最低，其中沙棘纯林地低于农耕地；饱和含水率在16.26%～55.08%之间，以荆条纯林最高，只有杨树纯林低于农耕地，为16.27%，其他林地为农耕地的1.07～3.34倍，毛管持水率在15.76%～51.50%之间，以荆条纯林地最高，只有杨树林低于农耕地，为15.76%，其他林地为农耕地的1.05～3.18倍。

分析表明，土壤毛管持水率与自然含水率呈显著线性正相关，相应的回归方程：y=1.083x+7.642（R=0，537，n=11）；土壤饱和含水率与自然含水率呈显著线性正相关，相应的回归方程：y=1.135x+7.590（R=0，510，n=11），说明土壤自然含水率的大小与总孔隙度和毛管孔隙度密切相关。

3 土壤入渗特性

土壤的入渗特性直接影响水分在土壤中的运动状况，而土壤表层的渗透速率更多地反映和决定着土壤的下渗能力，也是能否产生地表径流的决定性条件。利用室内换刀法测定了10种林地土壤的渗透性和农耕地土壤渗透性，共得到10组有效数据，农耕地由于大孔隙的存在而产生了优先流，土壤水分运动不符合达西定律，故缺失该数据，不同林地土壤入渗特性如表2。

表2 不同林地土壤入渗特性

由表2可知，不同林地土壤初渗率介于0.25～26.32mm/min之间，以樟子松封禁纯林地最大，华北落叶松纯林地稳渗率最小，前者是后者近105倍，不同林地波动很大。土壤稳渗率是评价土壤涵养作用和抗侵蚀性能的重要指标。不同林地土壤稳渗率介于0.05～6.84mm/min之间，以樟子松封禁纯林地最大，华北落叶松纯林地稳渗率最小，前者是后者近137倍。不同林地初渗率与稳渗率大小顺序一致，具体为樟子松封禁纯林地＞荆条纯林＞沙棘纯林＞樟子松菊芋混交＞山杏荆条混交林＞杨树纯林＞枣树林＞油松荆条混交林＞华北落叶松纯林。

一般来说，土壤结构性越好则渗透性越好，其中土壤的孔隙状况与突然的渗透性密切相关，特别是非毛管孔隙的数量。研究表明，非毛管孔隙度对土壤初渗率、稳渗率有重要影响，两者间分别呈显著线性相关，与容重、总孔隙度、毛管孔隙度相关性不显著，这可能与土壤特性的空间变异有关。

4 土壤入渗模型

入渗是指降水或灌溉水由地表进入土壤的过程，属土壤水运动的一部分，并与地表产流、降雨后土壤水分再分配、农田水分最优调控、土壤侵蚀、养分随水分的迁移、农业面源污染等问题密切相关。因此，研究不同林地土壤入渗速率随时间的变化具有重要意义。不同林地土壤的入渗率开始都较大，随着时间的推移，入渗速率逐渐减慢，当达到一定时间时趋于一定值。不同林地土壤达到稳渗所需时间不同。华北落叶松纯林地和油松荆条混交林地土壤40min已达到稳渗，樟子松菊芋混交林地、沙棘纯林地和杨树纯林地土壤达到稳渗的时间较快，分别为45，45，50min，而荆条纯林、山杏荆条混交林和梨树林地土壤达到稳渗的时间较长，分别为92，80，100min。

土壤入渗模型能够表示入渗速率随时间变化规律，从而对土壤入渗过程作出定性或定量的评价。Kostiakov提出了土壤入渗速率随时间变化的经验模型：

式中 f（t）为入渗速率；t为入渗时间；a，b为由实验资料拟合的参数。

利用Kostiakov模型拟合了辽西低山丘陵区不同林地土壤水分入渗速率与时间变化的过程，并得到了相应的模型参数，如表3。

表3 不用林地土壤的入渗回归方程

5 结语

（1）林地土壤容重、总孔隙度都以荆条纯林地最小，结构性最好，杨树纯林地最大，结构性最差。

（2）不同林地0～40cm土层厚度蓄水容量在140.4～265.7mm之间，以生长茂密的荆条纯林蓄水容量最大，而受到外界干扰强烈的杨树纯林地蓄水容量最小，为140.4mm，不同林地有效蓄容大小顺序为农耕地＞樟子松封禁纯林＞荆条纯林＞沙棘纯林＞樟子松菊芋混交＞山杏荆条混交林＞杨树纯林＞枣树林＞梨树林＞油松荆条混交林＞华北落叶松纯林。

（3）不同林地土壤毛管持水量大小在86.8～192.3mm之间，以华北落叶松纯林地土壤的持水能力最强，为192.3mm；而农耕地的持水性最差，为86.8mm，所有林地的持水能力均高于农耕地，不同林地土壤自然含水率的大小与总孔隙度和毛管孔隙度间呈显著线性正相关。

［1］王志强，刘宝元，张岩.不同植被类型对厚层黄土剖面水分含量的影响［J］.地理学报，2008（7）.

［2］曹扬，赵忠，渠美，等.刺槐根系对深层土壤水分的影响［J］.应用生态学报，2006（5）.

［3］程积民，万惠娥，王静，等.半干旱区柠条生长与土壤水分消耗过程研究［J］.林业科学，2005（2）.

［4］李元寿，王根绪，丁永建，等.青藏高原高寒草甸区土壤水分的空间异质性［J］.水科学进展，2008（1）.

［5］张北赢，徐学选，李贵玉，等.土壤水分基础理论及其应用研究进展［J］.中国水土保持科学，2007（2）.

Application of Kostiakov model in the soil moisture of hilly area in Western Liaoning

WANG Jia-zhi
（Shenyang Hydrology Bureau,Liaoning,Shenyang 110043,China）

Soil is the key to the growth and survival of trees.It plays an important role in forest water cycle.Because of the influence of some special plants such as litter， it has some unique characteristics， such as soil water storage， resistance to erosion and infiltration.

soil； water； permeability； water holding capacity

S275

B

1672-9900（2015）06-0035-03

2015-10-10

王家智（1974-），男（汉族），辽宁沈阳人，工程师，主要从事水文水资源评价及论证研究，（Tel）13940249301。