植物对水的吸收是一个复杂的生物物理过程, 进入20世纪人们逐渐提出了水势及植物的永久萎蔫点并开始研究植物吸收水分的机理。1966年澳大利亚水文学家提出“Soil-Plant-Atmosphere Continuum”即SPAC, 并进一步认为水在系统中的传输类比于欧姆定律, 它标志水分研究进入了系统时代(Kramer et al., 1995)。进入20世纪90年代, 随着全球水资源的短缺和温室效应的加剧, 植被蒸散现已成为国际水文计划(IHP)、国际地圈-生物圈计划(IGBP)、世界气候研究计划(WCRP)、联合国环境计划(UNEP)、全球水量与能量计划(Global energy and water cycle experiment, GEWEX)等国际性项目的重要研究内容之一(刘昌明等, 1999)。国内这方面的研究起步较晚, 但进展较快, 特别是在农业领域已有较多的研究(邵明安等, 1987;康绍忠, 1991;康绍忠等, 1994;刘昌明等, 1999)。林业上这方面的研究多集中在不同树种的耗水特性(周择福等, 1994;马履一等, 2003;李吉跃等, 2002;聂立水等, 2004; 2005)。由于树干液流速率除了与SPAC系统中的水势差有关之外还与树干、树枝的水力结构有关(Tyree, 1988; Sperry et al., 2002, Do et al., 2002)。对于林地本身的土壤物理性质及在自然状态下林地土壤水分特征尤其是有效水可用量的估算方面研究很少(张万儒等, 1990;吴文强, 2002)。本项研究的目的在于探讨林地土壤物理性质、土壤含水量的动态变化与土壤水分有效性的关系, 探讨合理估算土壤有效水的依据。

1 材料与方法

本项研究起始于2002年, 试验地在北京市妙峰山林场海拔465 m的雁儿岭, 植被为已郁闭的油松(Pinus tabulaeformis)栓皮栎(Quercus variabilis)混交林和侧柏(Platycladus orientalis)人工林, 地被物为黄背草(Themeda japonico)等。样地为油松栓皮栎混交林, 林龄31年, 林相整齐, 郁闭度0.8, 林分组成为7油3栓, 密度为1 433株·hm^-2, 其中油松的密度为1 051株·hm^-2, 平均胸径为11.4 cm, 平均树高8.9 m, 冠幅2 ~ 3 m。栓皮栎的密度为382株·hm^-2, 平均胸径为20.6 cm, 平均树高12.8 m。林下灌木和草本稀疏, 主要为荆条(Vitex negundo var. heterophylla)、绣线菊(Spiraea fritschiana var.angulata)、地榆(Sanguisorba officinalis)和半夏(Pinellia ternata)等, 盖度为0.2左右。林地为水平阶整地, 坡向为北偏东85°, 坡度15°, 土壤为淋溶褐土, 枯落物层厚5 cm, 呈L-F结构, 土层厚80 cm。试验地的基本理化性质见表 1。

土壤层面的测定项目有土壤剖面调查, 取样, 土壤一般理化性质测定; 根系分布调查; 土壤水分状况测定; 土壤水势; 土壤水分特征曲线测定; 土壤比水容量; 土壤温度等。

土壤剖面调查, 取样依据刘光菘(1992)的土壤剖面观察描述。土壤一般理化性质测定依据土壤农业化学常规分析方法(中国土壤学会农业化学专业委员会, 1983)进行。

土壤水分状况测定是通过土壤容积含水量在树木整个生长期的变化及日变化来测定。采用TDR(time domain reflectometery)法, 仪器为德国IMKO公司生产的TRIME, 使用前经烘干法测定的土壤体积含水量校正。

土壤水分特征曲线的测定:用美国SOILMOISTURE公司生产的压力膜仪测定。土壤水分物理性质的测定:毛管持水量和田间持水量的测定采用环刀法。最大吸湿水采用饱和硫酸钾法测定, 凋萎系数为最大吸湿水的1.5倍。以水层厚度表示土层中的含水量时由土壤的容积含水量乘以土壤厚度来求得。土壤的总持水量相当于土壤中所有孔隙都充满水时的含水量, 土壤自然贮水量是指在自然状态下土壤的含水量以水层厚度表示。土壤有效水范围为土壤的田间持水量与土壤的凋萎湿度持水量之差。

2 结果与分析 2.1 土壤的持水性能

土壤持水性是指土壤对水分蓄集和保持的能力, 主要受土壤质地和孔性等土壤物理性质影响。土壤持水能力通常以一定土层饱和持水量、田间持水量和有效持水量(田间持水量减去凋萎湿度持水量)来度量, 而后者更能表明土壤对植物需水的保证程度。

2.1.1 土壤的物理性质

试验地土壤的机械组成见表 2。土壤各层的机械组成以0.25 ~ 0.01 mm颗粒为主, 约占80 %; 0.005 ~ 0.001 mm颗粒和< 0.001 mm粘粒较少在4 %~ 7 %。在36 ~ 55 cm土层 < 0.001 mm粘粒和0.006 ~ 0.001 mm颗粒略有增加。以卡庆斯基简明质地分类系统进行质地分类, 各土层均为砂壤土。

土壤密度和总孔隙度在土壤中的垂直分布见图 1, 土壤密度在1.2 ~ 1.45 Mg· m^-3之间。其中在15 cm土层处密度有一个较高值为1.25 Mg·m^-3; 20 ~ 50 cm土层密度较低, 土壤密度在1.15 Mg·m^-3上下; 在60 ~80 cm土壤密度较高, 在1.35 Mg·m^-3上下。土壤的总孔隙度的垂直分布与土壤密度的分布正好相反, 土壤的总孔隙度在45 %~ 58 %之间, 其中在15 cm处有一个较低值为53 %; 在20 ~ 50 cm土层较高, 土壤总孔隙度在57 %上下; 在60 ~ 80 cm土壤密度最低, 在50 %以下。土壤的毛管孔隙度和非毛管孔隙度见表 2。土壤的毛管孔隙度在42 %~ 50 %, 反映土壤持水性能良好。土壤的非毛管孔隙度在6 %~ 10 %之间, 通气性略差。

如果用土壤水层厚度来表示土壤水分含量, 林地土层厚80 cm, 土壤的总持水量为418.77 mm。土壤的田间持水量为348.53 mm, 它是实际土壤所能保持的土壤有效水的上限, 超过这个上限水分将被保持在土壤的非毛管孔隙中, 在林业上通常用非毛管孔隙所含水量为森林土壤的蓄水量(张万儒, 1999), 它是土壤对洪水蓄纳的指标。土壤有效水的下限为土壤凋萎湿度持水量, 它的值为34.01 mm。土壤有效水范围为土壤的田间持水量与土壤的凋萎湿度持水量之差, 它的值为314.52 mm, 它是土壤可供植物利用水量的指标(表 3)。

2.1.2 土壤水分特征曲线

应用压力膜仪测定的试验林地的土壤水分特征曲线绘制成图 2。依据测定的水分特征曲线借助Excel2000回归分析拟合, 得到土壤含水量(θ_v, cm³·cm^-3)与土壤水吸力(S, 10⁵ Pa)的乘幂函数(表 4), 由此表可得知, 在15 ×10⁵ Pa时的土壤含水量为7.68 %; 在25 ×10⁵ Pa时的土壤含水量为6.16 %。

土壤分析拟合的结果验证了Gardner于1970提出的经验方程θ_v =ΑS^-B, 适用于模拟西山地区的土壤水分特征曲线。此乘幂函数的相关系数较高, 证明模拟效果良好。方程中的参数A决定了曲线的高低, 亦即持水能力大小, A值越大, 持水能力越强; 参数B决定曲线的走向, 即土壤含水量随土壤水势降低而递减的快慢。参数A和B的大小, 主要受土壤质地(主要是小于0.01 mm物理性粘粒量)、有机质和结构的影响。

试验地土壤的质地均是砂壤土, 反映在曲线上, 该试验地的曲线较粘质土的曲线陡直得多, 并且在低吸力段(< 3.0 ×10⁵ Pa)的较窄范围内, 水分特征曲线陡直, 而在中高吸力段(>3.0 ×10⁵ Pa)较宽区间, 曲线却趋于平缓。在低吸力范围内, 土壤所能保持或释放出的水量取决于土壤结构较粗的孔隙分布, 主要是毛管力起作用。在中高吸力段主要决定于土壤质地, 主要是土壤颗粒的表面吸附起作用。由于试验地土壤质地是砂壤土, 粒间孔隙较粗, 毛管力微弱, 施加较小吸力, 大孔隙中的水即被排出。而保持在中小孔隙中的水分只有在较大吸力范围内才能缓慢释出, 这也是西山地区土壤持水力低的内在原因。这与马履一(1995)采用BrookCorey模型拟合的该地区土壤水分特征曲线进行分析的结果相同, 说明北京西山地区土壤的水分特征曲线主要受土壤质地和结构影响, 受植被等其他因素影响较少。

2.2 土壤含水量的动态变化 2.2.1 土壤含水量和土壤贮水量的变化

2002年从4月到10月的土壤含水量的变化见图 3。从4月下旬到6月上旬近50天时间土壤的平均容积含水量处于一个最小时期, 土壤平均容积含水量接近10 %, 这一时期为土壤的旱季。土壤在7月至9月上旬有一个最高含水量时期, 土壤平均容积含水量多在15 %至20 %之间。其他时段的土壤平均容积含水量在10 %~ 15 %。

图 4是土壤贮水量在4 —10月的变化规律。土壤的贮水量变化在60 ~ 180 mm, 5月份贮水量最少为60 mm左右, 而在7月份, 最大达180 mm。如果以土壤的田间持水量348.53 mm为土壤有效水上限, 以凋萎湿度持水量34.01 mm为土壤水的下限, 那么土壤最多可容纳314.52 mm水即为土壤的最大有效贮水量。

2.2.2 土壤有效水的动态变化

土壤的供水性是指在一定条件下土壤对植物生理需水的供给能力, 常以有效水和有效度衡量, 此种能力的强弱在很大程度上又取决于土壤的有效水贮量。以田间持水量减去实际土壤贮水量即得土壤的实际有效含水量, 土壤的实际有效含水量见图 5。将土壤的实际有效含水量除以土壤的最大有效贮水量可得土壤的相对有效含水量(图 6)。

3 结论与讨论

试验地土壤的密度为1.2 ~ 1.45 Mg·m^-3, 土壤的总孔隙度为45 %~ 58 %, 毛管孔隙度为42 %~ 50 %, 土壤的非毛管孔隙度为6 % ~ 10 %, 通气性略差。

林地土层厚80 cm, 土壤的总持水量为418.77 mm, 土壤的田间持水量为348.53 mm, 土壤有效水为314.52 mm, 它是土壤可供植物利用水量的指标。土壤自然贮水量变化在60 ~ 180 mm, 远远低于土壤的田间持水量。

该试验地的曲线较粘质土的曲线陡直得多, 并且在低吸力段(< 3.0 ×10⁵ Pa)的较窄范围内, 水分特征曲线陡直, 而在中高吸力段(>3.0 ×10⁵Pa)较宽区间, 曲线却趋于平缓。从4月下旬到6月上旬近50天时间土壤的平均容积含水量处于一个最小时期, 土壤平均容积含水量接近10 %, 这一时期为土壤的旱季。土壤在7月至9月上旬有一个最高容积含水量时期, 土壤平均容积含水量多为15 %~ 20 %。其他时段的土壤平均容积含水量为10 %~ 15 %。

凋萎系数用吸湿系数乘以1.5的办法间接求出时的值为4 %左右。采用土壤在基质势为-1.5 MPa的土壤含水量为7 %。采用土壤在基质势为-2.5 MPa的土壤含水量为6 %。需要特别指出的是在林业上, 一些树种的渗透压多为-2.5 ~ -3 MPa左右, 有的甚至更高, 此外针叶树的针叶在土壤供水不足时没有明显的凋萎症状, 当有外观症状(如针叶干黄而枯萎时)可能早已死亡, 有些阔叶树如刺槐(Robinia pseudoacacia)当遇到干旱胁迫时, 叶子凋萎脱落后, 当水分条件好时重新出芽生长。目前各种苗木的凋萎湿度还处在初步研究阶段, 各种林木在成林后的凋萎湿度由于研究困难还没有进行。林木的多年生特性要求考虑极端干旱年份的极端干旱期。

影响土壤水分有效性的因素有土壤因素、植物特性及气象因素。土壤因素有土壤水势、土壤的水力传导度及相应含水量、土层厚度, 植物特性如根系密度、深度、根伸展速度, 气象因素有光照、温度、空气湿度、风速等。土壤水分有效性应是一个动态的量。