黄土高原是世界公认的最大苹果(Malus pumila Mill.)优生区，也是全国唯一符合苹果生长要求7项气候指标的优生区，光照充足、昼夜温差大、黄土土层深厚，气象与土壤条件非常适宜苹果种植；但是黄土残塬沟壑区气候干旱，降水少，土地生产力不高，潜在蒸发强烈^[1-2]，土壤水分亏缺频繁，旱作果园经常面临着较严重的水分供需矛盾，在降水一定的条件下，土壤持水能力的大小往往成为限制苹果产量提升的主要因素^[3]。

土壤的物理性状直接影响土壤的通气性、保水性和根系对水分、养分的吸收能力，并进而影响土壤的持水性^[4]。土壤的持水能力一般与土壤结构、机械组成、孔隙度、持水量、水稳性团聚体、有机质等指标密切相关^[5-7]，土壤水势可直接反映土壤水分的可利用程度，是判断土壤水分保持和供给状况与能力的重要指标。土壤水分特征曲线被广泛用于分析不同质地土壤，及土壤水分含量与土壤水势间的关系，是获得土壤水动力学参数如饱和含水率等指标的基础^[8-9]，常采用Van Genuchten(简称VG)等模型进行构建^[10-12]。但对于黄土区的果园土壤，模型推展结果是否可靠尚缺少田间试验的检验。

笔者以黄土残塬沟壑区苹果(18年生)果园土壤为研究对象，通过测定土壤机械组成等物理参数，测定田间土壤水势并同步测定水分含量，借助经典VG模型拟合土壤水分特征曲线，分析土壤水势与含水率间的关系，以期为评价黄土残塬沟壑区旱作果园的水分状况提供科学依据。

样地选择在山西省临汾市吉县东城乡上社堤村，属黄土残塬沟壑区，E 110°35.655′，N 36°04.739′，海拔910 m，日照时间2 538 h，>10 ℃的有效积温3 361.5 ℃。无霜期年平均172 d，年均气温10.2 ℃，年均降水522.8 mm，属暖温带大陆性季风气候^[13]。所选样地为2000年建植的苹果园，品种为富士，栽植密度为4 m×6 m，果园面积为1.67 hm²。果园布设有防雹网，施肥、修剪、人工授粉、生草覆盖、铺设反光膜、套袋、病虫害防治等经营技术完善，果树处于近成熟期，生长良好。

于2017年6月9日在试验地的东、中、西相距20 m的3个位置挖取1 m深的土壤剖面，每个剖面在0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm处进行分层取样，每层用环刀(100 cm³)取原状土(3个重复)用于土壤水分物理性质(密度、孔隙度、持水量等)的田间测定；各层用土壤铝盒取土样装于塑封袋内，包装好带回实验室，用于土壤机械组成、团聚体、有机质等指标的实验室测定。

土壤密度、孔隙度、持水量的测定采用环刀法(100 cm³)取样，参照LY/T 1215—1999《森林土壤水分-物理性质的测定》测定。土壤有机质含量遵照《土壤与植物营养学实验》标准用重铬酸钾容量法测定^[14]。土壤机械组成用英国马尔文公司生产的Malvern 3000激光粒度分析仪测定。土壤水稳性团聚体用DIK-2012恒温土壤团粒分析仪(湿筛法)测定^[15]。

采用VG模型并结合程序Retention Curve(RETC-6.02，美国盐改中心USSL开发)完成^[16]。RETC可通过输入土壤砂粒、粉粒、黏粒的体积分数(%)及土壤密度等指标，直接输出VG模型和土壤导水率模型中的5个参数(饱和含水率θ_s，cm³/cm³；残留含水率θ_r，cm³/cm³；曲线性状参数α、n；饱和渗透系数K_s，cm/d)^[17]。

式中：θ(h)为体积含水率，cm³/cm³；h为压力水头，|h|为土壤水吸力，MPa；α，n，m为曲线性状参数(n>1，m=1-1/n)^[12]。

于2017年7月在果园利用20 cm(底径)×20 cm(高)的原状土柱取土器(用亚克力材质透明管自制)取0~20 cm深原状土柱，在土柱的中间位置分别从管壁中间的对面两侧开小孔，插入ECH₂O-5土壤水分传感器和MPS-1土壤水势传感器(美国Decagon Devices公司)，密封接口，传感器连接到数采器RR1008(北京雨根科技有限公司，中国)同步获取土壤水分和土壤水势数据，采集时间间隔为1 h，连续监测30 d。土柱在试验初经充分灌溉后一直采取透明的遮雨措施，以保证连续监测土壤水分及水势下降过程。

本研究中土壤机械组成(土壤各粒级的相对体积分数)的划分按照美国农业部的3级划分标准：砂粒(粒径0.05~2 mm)、粉粒(0.002~0.05 mm)及黏粒(＜0.002 mm)来划分。同一指标在各土层间平均值的差异性分析用单因素方差分析(ANOVA)在SPSS19.0中完成。同一类型指标中不同字母表示差异显著(P＜0.05)。采用Origin 9.0软件绘图。

土壤密度是反映土壤结构和持水能力的重要指标。果园在0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm土层的土壤密度分别为1.407、1.401、1.35、1.279和1.283 g/cm³，果园1 m内土壤密度平均为1.344 g/cm³，不同层次间差异显著(P＜0.05)。果园频繁的经营活动使0~40 cm层土壤紧实，土壤密度偏大。土壤密度的垂直分布基本可划分为3个差异显著的层次：0~40(1.404 g/cm³)、40~60(1.35 g/cm³)和60~100 cm(1.281 g/cm³)。

果园100 cm内土层的土壤机械组成以黏粒和粉粒为主，黏粒、粉粒和砂粒的平均体积分数分别为42.60%、41.61%和15.79%，土壤黏粒及粉粒多，土壤吸附能力强，粒间孔隙度增多但狭小，通气透水性减弱。其中：黏粒的土壤体积分数垂直分布差异显著(P＜0.05)，各层在41.03%~44.92%之间变化，总体上随土层深度的增加而升高(图 1)；砂粒的土壤体积分数的垂直分布差异显著(P＜0.05)，各层在13.20%~17.86%之间变化，整体上随土层深度的增加而下降；粉粒的土壤体积分数在整个剖面上差异不明显，各层在41.14%~42%之间变动。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同层次土壤间土壤机械组成的比较 Fig. 1 Comparison of soil mechanical composition at different depths of soil

果园100 cm土层内土壤毛管持水量平均为33.27%，不同层次间差异显著(P＜0.05)，在30.7%~36.2%间变化。100 cm土层内土壤田间持水量平均为32.1%，不同层次间差异显著(P＜0.05)，在29.6%~35.2%间变化。各层次间土壤毛管持水量和土壤田间持水量的平均值均呈随土层深度增加而升高的趋势，但最高值均出现在60~80 cm层，该层的土壤毛管持水量和土壤田间持水量分别为36.2%和35.2%(图 2)。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同层次土壤毛管持水量及田间持水量的变化 Fig. 2 Changes of capillary water-holding capacity and field water-holding capacity at different depths of soil

果园100 cm土层内土壤总孔隙度平均为46.9%，在45.5%~48.4%间变化，各层间差异不显著(P=0.10)。土壤毛管孔隙度平均为44.6%，在43.2%~46.3%间变化，各层次间差异显著(P＜0.05)其中最高的在60~80 cm层(46.3%)，最低的在0~20 cm层(43.2%)(图 3)，表现出与毛管持水量、田间持水量相似的垂直分异特征。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同层次土壤总孔隙度、毛管孔隙度的变化 Fig. 3 Changes of soil total porosity and capillary porosity at different depths of soil

对100 cm土壤剖面内各层次土壤的水稳性团聚体的测定结果表明，土壤水稳性团聚体质量分数平均为33.34%，大、小、微团聚体的平均含量分别为19.51%、41.26%和39.27%，小团聚体的平均含量最高。大团聚体最低。方差分析结果表明，各类团聚体平均含量的垂直分布均差异显著(P＜0.05)。大、小、微团聚体含量的最高值分别出现在60~80 cm层(27.66%)、20~40 cm层(50.89%)和0~20 cm层(65.28%)，最低值分别出现在20~40 cm层(15.59%)、0~20 cm层(19.06%)和60~80 cm层(27.13%)(图 4)。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同土壤层次间土壤水稳性团聚体比例的比较 Fig. 4 Comparison of mass fraction of soil water-stable aggregates among different depths of soil

对土壤层次0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm的土壤有机质质量分数的测量结果表明，土壤有机质质量分数分别为1.81%、1.06%、0.35%、0.41%和0.61%，100 cm土层内平均为0.85%，各层间差异显著(P＜0.05)。0~20 cm层土壤有机质质量分数最高，其次为20~40 cm层，40 cm以下土层土壤有机质质量分数基本一致(平均0.46%)。0~20 cm层受枯落物影响，20~40 cm层为果园施肥的主要范围，由于40~60 cm层内土壤砂粒体积分数最多，而未成为施肥主要范围，使该层有机质含量最低。

借助RETC程序，通过输入测定的土壤机械组成及土壤密度数据，得到VG模型中的5个参数(θ_r、θ_s、α、n、K_s)。将这些参数代入VG模型(式(1))中计算不同负压值所对应的土壤含水率。结果显示，土壤层次0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm的K_s值分别为8.93、9.2、12.47、18.06和12.73 cm/d，60~80 cm土壤层的K_s最高，其次为80~100 cm层，0~20 cm层最低，这与土壤密度、毛管孔隙度的垂直分布相一致，较低的土壤密度具有较高的K_s和毛管孔隙度。

在RETC程序输入不同深度土层机械组成及土壤密度数据，拟合出不同土层深度的土壤水分特征曲线(图 5a)。结果表明，不同层次土壤水分特征曲线在高水吸力阶段差异比较明显(P＜0.05)。在同一土壤水吸力条件下，不同土层深度的土壤体积含水率总体上随着土壤层次增加而增加，如当土壤水吸力约大于0.48 mPa时，100 cm层的土壤体积含水最高(17.4%)，其次为60 cm层(17.04%)，20 cm层的最低(16.54%)。这与土壤黏粒体积分数、团聚体含量的垂直分布具有一致性。

图 5(Fig. 5)

图 5 水分特征曲线拟合 Fig. 5 Fitting of water characteristic curve

为了比较模型结果的可靠性，利用田间实测0~20 cm层土壤体积含水量与土壤水势绘制散点图，并与VG模型导出土壤水分特征曲线相比较(图 5b)，结果显示二者趋势相同，均表现为土壤水吸力低于0.1 MPa的范围斜率大，在低吸力的范围内土壤含水量随土壤水吸力变化影响极大，当水吸力超过0.1 MPa后的中高吸力范围内曲线变化趋于平缓。表明RETC拟合的土壤特征曲线可靠性较高。但是当土壤水吸力约在超过1.0 MPa时，模型预测值明显低于观测值。

土壤持水能力的大小对于土壤有效的涵养水源、提升承载植被抗御干旱的能力有着重要影响。本次测定结果表明，果园土壤0~100 cm内土壤平均密度为1.34 g/cm³，略高于该地区人工纯林林地的土壤密度(平均值1.18 g/cm³)^[18]，但介于国外良好果园的土壤密度范围之内(1.2~1.5 g/cm³)^[7]。土壤机械组成在不同土壤中其含量存在较大差异^[19]，本研究中黄土残塬沟壑区0~100 cm土层内黏粒与粉粒之和的平均含量达84.21%。

测定还表明，果园0~100 cm土层内总孔隙度平均为46.9%，略低于国外对良好果园的认定(约50%)^[8]。其中毛管孔隙度呈随土层加深先增大再减小的趋势，在60~80 cm层达到最大，随着毛管孔隙度的增大，土壤储水能力增强。0~40 cm土层K_s与非毛管孔隙度变化趋势相同，由于40~100 cm范围内土壤黏粒质量分数较大，故K_s表现出随非毛管孔隙度的减小而增大的趋势。土壤重力水的移动主要依靠非毛管孔隙，并能够对土壤通气和渗水有较大影响^[20]。

团聚体含量的大小对于提高土壤质量、改善土壤结构、防控土传病害有着重要影响^[21]。本研究结果表明果园土壤的团聚体含量平均达33.34%，并以小团聚体和微团聚体为主，平均含量分别为41.26%和39.27，指示土壤质量较优。同时，果园土壤有机质质量分数平均为0.85%，表层(0~20 cm)层土壤有机质质量分数较高(1.81%)，40~60 cm层有机质质量分数最低(0.35%)，这可能与果园内土壤受其果树枯落物及施肥等人为扰动有关。

1) 黄土残塬沟壑区果园土壤100 cm内土壤密度平均为1.34 g/cm³，土壤总孔隙度、毛管孔隙度平均分别为46.9%和44.6%。土壤机械组成主要以黏粒和粉粒为主，占整个组成的84.21%以上，有利于土壤贮蓄水分。

2) 旱作果园的土壤水稳性团聚体含量平均为36.82%，主要为小团聚体和微团聚体，有利于贮蓄水分；但土壤有机质质量分数平均为0.85%，整体偏低，尤以40~60 cm层的最低。由于果树毛细根主要分布在30~60 cm深的土层，因此对果树施肥深度应由原来的10~30 cm加深到30~60 cm土层，并在实践中提高生物有机肥的使用。

3) 果园100 cm土层内土壤的饱和渗透系数平均为12.28%，60~80 cm土壤层的最高，0~20 cm层最低，表层土壤的低不利于降水快速入渗，这与经营干扰有关，需加强果园土壤的耕锄等管理。