沂蒙山区小圣堂小流域不同类型果园土壤水分特性的研究

(延边大学 吉林 延吉 133000)

沂蒙山区小圣堂小流域不同类型果园土壤水分特性的研究

刘文红

(延边大学吉林延吉133000)

本文以沂蒙山小圣堂地区两块杏园的棕壤和褐土为研究对象，利用实验室HYPROP测定系统来测得棕壤和褐土的土壤水分特征曲线和非饱和导水率。结果发现棕壤原状土持水能力低于扰动土，导水能力都高于扰动土；褐土原状土持水能力和导水能力都低于原状土。总体而言褐土持水性能高于棕壤，导水性能低于棕壤，两种土壤在管理时要采取不同的灌水措施。

褐土；棕壤；果园；土壤水分特征曲线；非饱和导水率

一、前言

(一)研究背景

沂蒙山区山地丘陵区果园种植面积较大，是当地居民主要经济收入之一，研究该区两种典型成土母质土壤的土壤水分特性，探讨其持水性及供水性，可以为该区果园进行合理的灌溉和土壤水分管理制度提供科学依据。

(二)研究进展

1.土壤水分物理特征

土壤水分物理特性主要有土壤容重、土壤孔隙度、颗粒组成、水分特征曲线、饱和导水率、非饱和导水率和扩散率等。土壤水分特征曲线是描述土壤含水量与土壤基质势之间函数关系的曲线，它能反映土壤保持水分的情况，又称为土壤持水曲线，是模拟水分和溶质在非饱和土壤中运移的关键参数之一。其中压力膜法的测定曲线与土壤实际的特征曲线相似度较高，但其测定时间较长，而离心机法具有较短的测定周期，但离心过程中容重也随压力而改变会影响测定精度[1]。张力计法虽然测定范围比较窄仅在0～0.08MPa之间，但可以对原状土壤进行测定。土壤水分特征曲线可通过一些经验公式进行拟合，其中比较常用的有：Brooks-Corey模型[2]和Van-Genuechten模型[3]等，后者广泛适用于各种类型土壤。

非饱和导水率是指单位势梯度作用下，单位时间单位面积土壤通过的水量。它是土壤含水量的函数，随着土壤含水量的增加而增加；也是土壤吸力的函数，随着土壤吸力的增加而减小。因此，非饱和土壤导水率是土壤水分运动特征参数，也是水分和溶质运移模拟的重要关键参数之一。非饱和导水率的直接测定法常用的有瞬时剖面法和垂直下渗通量法，两种方法都利用达西定律推导不同含水率条件下非饱和导水率土壤物理。Fujimaki和Inoue[4]提出了一种确定低压力下土壤导水率的瞬态蒸发法。它是根据累计蒸发量和最终含水量剖面获得土壤的导水率。其优点是可以同时测定土壤的持水特征曲线和土壤导水率，并且从近饱和到近风干的整个含水量范围内都适用。Hyprop导水率测定系统即是按照此方法设计的测定仪器。

间接推求土壤导水参数的方法有三种[5]。一是根据土壤的质地、机械组成、容重和有机质含量等,建立理想的物理模型，推求土壤非饱和导水率；二是根据水分特征曲线拟合模型推求导水参数，具有代表性的模型主要有Mualem模型[6]、van Genuchten模型[7]、Brooks-Corey模型[8]等；三是根据土壤水分再分布过程推求土壤的导水参数[9]。

2.影响土壤水分特征的因素

影响土壤水分特征的因素有很多，包括土地利用、土壤结构、土壤类型(质地)、土壤容重[10]。土壤质地对于土壤特征曲线影响最大，颗粒越细，曲线斜率越大[11]。而土壤容重和结构主要影响在于土壤的含水量接近于饱和段时，团聚体含量越多，容重越小，团聚体含量多时，曲线呈指数型，团聚体含量少时，曲线则称“S”型[12]。土壤大孔隙虽然仅占土壤体积的0.1%～5%[13]，却在很大程度上影响土壤水分特征曲线及非饱和导水率耕作方式影响土壤饱和导水率进而影响土壤非饱和导水率[14]。

原状土与扰动土在导水率与导气率方面有着差异，不论是导水率和导气率，原状土都比扰动土大[16]，导水率随含水率的增加而减少，说明土壤结构及孔隙特征对水和气的传输有巨大影响。扰动土与原状土的变化趋势虽然相同，但是曲线不重合，说明扰动土和原状土的孔隙连接性和弯曲程度不同。扰动土是相对于原状土而言的[16]。根据马爱生等对黄土高原地区几种土壤的水分状况与能量水平研究表明，在土壤含水量相同的条件下，有原状土的水势大于扰动土。

(三)研究意义

土壤水分特性的测定受土壤质地、土地利用类型、耕作方式等因素影响，直接测定方法费时费力，而且土壤水分特征曲线和导水率一般是分别测定或者是通过土壤水分特征曲线推求非饱和导水率，因此本文利用Hyprop系统同时测定果园土壤水分特征曲线和非饱和导水率，提高研究效率，并且为该区果园管理提供依据。

二、研究方法

(一)研究区概况

沂蒙山区属北方土石山区，水土流失状况严重，且中、强度侵蚀面积比例较大。该地区属于温带季风气候，年降水量700～900mm，夏季(6～9月)降雨占全年降水量的70%～75%，降雨方式多为暴雨，冬春季降水少、土壤水分亏缺严重。该区成土母岩主要包括花岗岩、片麻岩等酸性岩石和石灰岩等碳酸类岩石，两类岩石分布地区多是砂石山和青石山(山东省土壤肥料工作站)。在此自然环境条件下，对不同成土母质土壤水分研究就显得必不可少。

(二)土样采集与处理

本研究区在地处沂蒙山区的山东省临沂市平邑县天宝山国家林场小圣堂小流域，选取花岗岩和两种成土母质的样地，属梯田，分布于小路两侧，一侧为褐土杏园，一侧棕壤杏园。利用环刀取土法取0～5cm土，分别取样在两个以上，用于原状土样和扰动土样实验。

土样处理分为两部分，棕壤、褐土的原状土处理和扰动土处理。首先是对采集的土样进行烘干，放在烘箱里达到二十四个小时，将土样中残留的多余水分完全烘干。对于原状土的处理就是保持土壤原状，将其装入容量250ml的环刀中吸水达到饱和等待测量。而对于扰动土，则需要烘干后过>2mm筛，并测定砂砾质量，获得>2mm砂砾含量棕壤为25%、褐土为16%，将<2mm土壤样品按照原状土容重装入250ml的环刀中，并吸水达到饱和等待测量。

原状土容重，由原状土环刀烘干法测定，环刀体积为250cm3，在105℃烘箱内烘干24h至恒重。然后按照以下公式计算土壤容重：

ρb=ms/v

(2-1)

ρb是土壤容重(g/cm3)，ms是干土质量(g)，v是环刀体积(cm3)。

棕壤和褐土容重分别为1.6g/cm3、1.3g/cm3。

(三)土壤水分特征曲线和非饱和导水率的测定

1.Hyprop非饱和导水率测定系统

Hyprop是用于在自然条件下测量原装土样的土壤水分特征曲线和非饱和导水率。其原理是利用饱和-蒸发原理，运用两个不同深度的微型张力计和精确称重系统测定土壤水分特征曲线和土壤的非饱和导水率。Hyprop是一种土壤测定系统，它适合于各种各样的土壤类型，能够同时得到非饱和导水率和pF曲线，通过得到大量数据推导出导水率方程。系统软件自动测量、记录土壤水势参数、并且绘制参数曲线、提供原始数据，称重时自动识别样品质量。

2.土壤特征曲线和非饱和导水率拟合公式

土壤水分特征曲线采用Van Genuchten的土壤水分特征曲线模型方程进行模拟：

(2-2)

θ=θsh>ha

(2-3)

式中：θ为土壤体积含水率(cm3/cm3)；θs为土壤饱和含水率(cm3/cm3)；θr为土壤残积含水率(cm3/cm3)；h为土壤基质势(cm水柱)；α、n、m都为土壤水分特征曲线形状系数(或经验拟合参数)；ha为土壤进气吸力(cm水柱)；m=1-1/n。

土壤非饱和导水率：根据Van Genuchten-Mualem模型进行推导，含水量和非饱和导水率的关系如下：

K(θ)=S1/2[1-(1-S1/m)m]2·Ks(m=1-1/m,0

(2-4)

式中：K(θ)为非饱和导水率(mm/min)；KS为饱和导水率(mm/min)；S为有效饱和度，在不考虑水分滞留作用的影响，可表达为：

(2-5)

式中：θ为土壤体积含水率(cm3/cm3)；θs为土壤饱和含水率(cm3/cm3)；θr为土壤残积含水率(cm3/cm3)。

三、结果分析

(一)土壤水分特征曲线的分析

1.棕壤的水分特征曲线

棕壤扰动土和原状土的土壤水分特征曲线见图1、图2，从图中看出棕壤原状土和扰动土的土壤水分特征曲线利用VG-M模型拟合较好。VG-M模型参数见表1，从表1可以看出棕壤原状土土壤饱和含水量为0.314cm3/cm3,残余含水量为0.042cm3/cm3，棕壤扰动土饱和含水量为0.422cm3/cm3，残余含水量为0.092cm3/cm3，扰动土高于原状土，当原状土与扰动土土壤水势相同时，原状土的含水量小于扰动土。由此可得出，棕壤的扰动土相对于原状土持水能力更强，这与扰动土进行了过筛，去除了>2mm砂砾有关。

表1 土壤水分特征曲线及非饱和导水率VG-M模型拟合结果

图1棕壤原状土土壤水分特征曲线 图2 棕壤扰动土土壤水分特征曲线

2.褐土的水分特征曲线

褐土扰动土和原状土的土壤水分特征曲线见图3、图4，从图中看出褐土原状土和扰动土的土壤水分特征曲线利用VG-M模型拟合效果也较好。VG-M模型参数见表1，从表1可以看出褐土原状土土壤饱和含水量为0.497cm3/cm3,残余含水量0.096cm3/cm3,褐土扰动土饱和含水量为0.528cm3/cm3，残余含水量为0.115cm3/cm3，与棕壤一致扰动土高于原状土，当原状土与扰动土土壤水势相同时，原状土的含水量小于扰动土。由此可得出，褐土的扰动土相对于原状土持水能力也较强。

图3 褐土原状土土壤水分特征曲线 图4 褐土扰动土土壤水分特征曲线

3.棕壤和褐土的水分特征曲线异同

根据表1和图1、图2、图3、图4，比较棕壤和褐土土壤水分特征曲线的差异，发现褐土扰动土和原状土的饱和含水量都高于棕壤，残余含水量也高于棕壤，相同土壤水势条件下土壤含水量褐土高于棕壤，因此褐土的持水性能较棕壤高。

四、结论

(1)棕壤原状土土壤饱和含水量高于扰动土、残余含水量低于扰动土；褐土原状土土壤饱和含水量高于扰动土、残余含水量低于扰动土；不管是原状土还是扰动土，褐土饱和含水量都高于棕壤，说明褐土的持水性能好于棕壤。棕壤原状土壤持水能力方面要低于褐土，导水能力方面高于褐土，对于果园的管理要因地制宜，棕壤需要通过土壤改良增加其持水性能，褐土要疏松土壤，提高其导水性能。

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刘文红，女，汉族，山东，研究生，延边大学，人文地理学。