三峡山地土壤水分特征曲线及模型拟合

牛晓彤1,2，刘目兴1,2，易 军1,2，吴四平1,2，张 君1,2，杨 燕1,2

（1.华中师范大学城市与环境科学学院，武汉430079；2.地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，武汉430079）

摘 要：为揭示土壤涵养水源的机制，并为山区生态治理提供依据，以三峡库首大老岭和夷陵山地为研究区，采集温性阔叶林棕壤、针阔混交林黄棕壤、茶园地和暖性针叶林黄壤的原状土样，通过离心法分析并拟合了山地土壤的水分特征曲线。结果表明，三峡山地土壤随吸力增大，土壤含水率呈先迅速降低后趋于平缓的变化规律。黄壤的持水性较差，黄棕壤相对于其他林地土壤有着更强的持水性。茶园持水能力比棕壤和黄棕壤差，与黄壤差异较小。孔隙分布随土壤剖面深度的增加而减少。大孔隙以黄壤体积比最大，其次是黄棕壤和棕壤，茶园最小。用van Genuchten模型拟合山地土壤的水分特征曲线，决定系数R2均大于0.95，模型可靠性高。van Genuchten模型参数n与有机质（P＜0.05）和粉粒（P＜0.05）的相关性较高，参数α与理化性质相关性较差。

关键词：山地土壤；水分特征曲线；模型拟合；三峡库区

0 引言

土壤水分特征曲线（soilwater characteristic curve，SWCC）是描述土壤含水率与吸力（基质势）之间关系的曲线，反映土壤水能量与数量之间的关系，是研究土壤水分运动、土壤侵蚀及溶质迁移的重要参数[1]。山地地势起伏大，气候植被垂直地带性强，土壤类型复杂多样，土壤的水分特征能反映不同性质土壤的保水能力和释水性。因此，水分特征曲线研究为山地丘陵区生态恢复、山洪灾害的防治提供依据[2]。三峡库区地处青藏高原与长江中下游平原的过渡带，山地、丘陵占总面积的95%以上，海拔落差大，坡度陡，降水集中且多暴雨，侵蚀力强，是我国水土流失严重，生态系统脆弱的地区之一[3]。水土流失和山洪灾害并存是目前三峡库区面临的主要生态问题，严重影响库区社会经济的可持续发展，甚至威胁三峡大坝和长江流域的生态安全[4,5]。研究三峡库区山地土壤的水分特征曲线有助于为三峡山地的水土流失、山洪灾害以及长江中下游洪涝灾害的防治提供依据。

目前，拟合土壤水分特征曲线的方程主要有Gardner模型[6]、Brooks-Corey模型[7]、Campbell模型[8]、van Genuchten模型[9]等。其中，van Genuchten(VG)模型由于具有较好的物理学基础和广泛的适用性被众多研究者采用[10-13]。程冬兵等[14]研究发现，Gardner模型和van Genuchten模型均可用于描述三峡库区紫色土水分特征曲线，王富庆等[15]、张家发等[16]研究了风化带的水分特征曲线，梁音[17]等对紫色土、花岗岩和石灰岩母质上发育的侵蚀土壤进行了水分特征曲线的研究。然而不同海拔和植被条件会导致不同的土壤特征，上述研究较少关注不同垂直带内不同植被覆盖下的土壤水分特征曲线。拟在三峡库区内大老岭-汪家岭地区，采样分析亚高山-中山-低山地带不同植被覆盖下的土壤水分特征曲线及其孔隙变化规律，用VG模型拟合实测数据，分析VG模型拟合参数与土壤理化性质的关系，为库区生态恢复和重建提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省宜昌市大老岭林区和夷陵区境内(100°51'08″—111°39'30″E，30°00'13″—31°28'30″N)，地处鄂西山地向江汉平原的过渡地带，下游紧邻三峡大坝，海拔400～1 800m，地质基础以中上元古界的酸性结晶岩为主[18]。气候为亚热带季风湿润气候，气候垂直变化明显，中山以上气候冷湿，多云雾，空气相对湿度较大[19]。研究区植被-土壤垂直地带性分异明显，基带为亚热带针阔混交林黄壤，在海拔700～1 000m的低山地带为针叶林-山地黄壤，海拔1 000～1 600m的中山地带为灌丛幼林-山地黄棕壤，海拔1 600m以上的亚高山地带为原生阔叶林-山地棕壤[20]。植被类型丰富，物种多样，乔木有樟树、麻栎、栓皮栎、马尾松、鹅掌楸、茅栗、杉木等。草本植物有艾蒿、狗尾草等。研究区土壤母质为花岗岩风化物，质地较粗，偏酸性，易流失[19]。

1.2 研究方法

2015年8月沿大老龄-汪家岭一线，在大老岭林区（110°56'28 E，31°03'47 N，海拔1 442m）、白水头村（110°57'E，31°02 N，海拔1 199 m）、邓村茶园（110°59'32 E，30°58'44 N，海拔1 016 m）和汪家岭地区（110°57'37 E，30°58'34 N，海拔676m），布设温性阔叶林棕壤、针阔混交林黄棕壤、茶园地样地和暖性针叶林黄壤。调查植物群落，在明确物种组成的基础上，于每块样地中选取代表性位置，挖取剖面后根据土壤发生层分布分层采取原状土壤样品（环刀法：100 cm3），每层均取5个重复；同时分层采取1 kg左右的扰动土样，风干过筛后用吸管法测定土壤机械组成，高锰酸钾氧化法测定有机质量，结果如表1。

表1 研究区土壤的理化性质

使用HR21型赫西高速离心机测定土壤水分特征曲线，用称质量法得出土壤水吸力与土壤质量含水率相对应的脱湿曲线。具体做法是将环刀取得的原状土加水24 h至饱和，取4个土样为一组加滤纸放置于离心盒内，称质量配平后放置于离心机之中，设定吸力段为1、1.47、3、5、7、10、30、60、100、200、400 kPa，对土样进行测定。之后计算出土壤含水率，与对应的水吸力，绘制出水分特征曲线。

土壤水分特征曲线用RETC软件进行拟合，并选用van Genuchten（VG）模型[5]。模型表达式为：

式中：θ为土壤体积含水率（cm3/cm3）；θr为土壤滞留含水率（cm3/cm3）；θs土壤为饱和含水率（cm3/cm3）；h为土壤水吸力；α、n和m都是经验常数，α是进气吸力的倒数，m、n为形状系数，m=1-1/n。文中数据均采用SPSS19.0软件进行统计分析，均为5个样点平均值。

2 结果与分析

2.1 山地土壤水分特征曲线分析

山地土壤水分特征曲线如图1所示。土壤含水率随水吸力增加的变化趋势具体表现为：在低吸力阶段（0～5 kPa），水分特征曲线弯曲弧度大，土壤含水率随水吸力的增加迅速降低，此时土壤水主要由大孔隙排出，排水量较大；当水吸力增大到5～30 kPa时，曲线弯曲度减小，土壤含水率降速减缓，这部分土壤水主要由中小孔隙排出；当水吸力处于30～400 kPa时，土壤水分的变化趋于平缓，逐渐稳定。土壤水分特征曲线是土壤质地、结构和孔隙等物理性质综合作用的结果[14]。低水势范围，土壤释水能力主要取决于大孔隙分布。较高吸力之下土壤持水能力主要由土壤吸附力决定，因而相应土壤含水率除与较小孔隙相关外，还与土粒的比表面积有关。一般含砂粒量高的土壤，大孔隙广泛分布，水分易排走，曲线弯曲度较大。而含黏粒量高的土壤，土粒比表面积大，则吸附力大，持水性强，在任何吸力下土壤含水率都较高[18]。

图1 不同类型山地土壤水分特征曲线

由图1可知，不同森林土壤和茶园地垂直剖面的水分特征曲线存在差异。森林表层土壤（0～15 cm）的土壤含水率变化最大，在10.56%～66.83%之间，释水性好，降水后水分向内传导快。低吸力阶段，表层土壤的含水率大于其他土层，而在高吸力段其他土层的土壤含水率均大于表层土壤。这可能与表层土壤的孔隙度较大有关(表1)，表层土壤疏松多孔，释水速度大。森林土壤相比较，棕壤表层土壤的持水能力最弱，随着剖面深度的增加，持水性能逐渐增强。黄棕壤剖面40 cm以下持水能力最强，10～20 cm土层次之，0～10 cm土层与20～40 cm土层持水性基本一致。黄壤不同土壤层之间水分特征曲线高度变化小，几乎重叠，土壤含水率较小，各土层土壤含水率仅在10.56%～56.21%之间，平均值为19.98%，持水性较差，降水后表层土壤易饱和且水分入渗慢，容易形成径流，不利于保持水土。与林地相比，茶园45 cm以下土层的持水性明显大于其他土层，土壤含水率在不同土层之间的变化趋势与棕壤相同，持水能力比棕壤和黄棕壤差，与黄壤差异较小。

2.2 山地土壤的孔隙分布规律

土壤水分特征曲线实际反映的是土壤孔隙状况和土壤含水率之间的关系，孔隙的形态和分布对于土壤水分运动和溶质迁移产生直接影响[21]。因此通过样地的水分特征曲线，分析得出山地土壤孔隙的分布规律。在某一水吸力下土壤所保持的水，可以看成是处在某一孔径的圆形毛细管孔隙中的水，那么水吸力S和毛孔直径d的关系可简单表示为：

式中：σ为水的表面黏力系数，室温条件下一般为75×10-5N/cm，若吸力的单位为Pa，孔隙直径为mm，则孔隙直径d和吸力S的关系可表示为d=300/S，由此可计算得出当量孔径。若土壤水吸力S1对应的土壤含水率和当量孔径为θ1、d1，S2对应的土壤含水率和当量孔径为θ2、d2，则土壤中孔径在d1～d2之间的孔隙所占的体积与孔隙总体积之比为θ1-θ2[1]。

由表2可知，直径＞0.06mm的大孔隙分布基本随土壤剖面深度的增加而减少，所占比例在黄棕壤、棕壤、黄壤以及茶园的表层土壤中最高，是下层（＞15 cm）的1.02～6.04倍。各类林地和茶园相比较，直径＞0.06mm的大孔隙以黄壤体积比最大，各层平均体积比为25.32%，其中表层的体积比达到36.44%，其次是黄棕壤和棕壤，茶园最小各层平均值仅为13.84%。就表层土壤来看，茶园大孔隙所占比例明显小于林地，因此水分向下传导慢，降水过后易形成径流，不利于水土保持。这4类样地表层土壤当量孔径在0.01～0.06mm范围的比例明显小于0.06mm的当量孔径，然而在不同土层之间的变化趋势却与0.06mm的当量孔径相同。当量孔径在0.000 75～0.01mm内所占比例也存在一定规律，最小值均出现在中上层（＜30 cm）土壤剖面之中。

表2 不同类型山地土壤当量孔径分布比例 %

2.3 水分特征曲线的模拟

用van Genuchten（VG）模型拟合山地土壤水分特征曲线，参数的拟合值及决定系数见表3。

表3 van Genuchten模型参数拟合

由表3可知，各土层决定系数R2在0.956～0.998之间，均大于0.95，表明其拟合效果好精度高。然而不同林地覆盖下的山地土壤水分特征曲线的拟合精度存在差异。就表层土壤来看，van Genuchten模型对茶园和黄壤拟合效果较好，R2分别达到0.982和0.998，而棕壤和黄棕壤的拟合精度相对较低，R2分别为0.978和0.979。对于其他土壤剖面，黄棕壤（10～20 cm）、黄壤（＞15 cm）和茶园（12～45 cm）拟合效果较好，R2分别为0.983、0.982和0.981，其他土层的R2在0.956～0.971之间，拟合精度相对较低。方程中参数α为进气吸力的倒数，参数n是形状系数，参数n的物理意义为土壤含水率随水吸力的增大而降低的快慢，n越大，曲线弯曲的弧度越大，土壤含水率的变化越大[22]。就15 cm以内土层的n来看，黄壤（1.409）最大，棕壤（1.307）次之，黄棕壤与茶园较小均为1.152，表明黄壤与棕壤表层的土壤含水率变率大。

2.4 土壤理化性质与VG模型拟合参数的相关性

土壤水分特征曲线受土壤理化特征的影响，VG模型的拟合参数由水分特征曲线的性质拟合，故进一步探讨土壤理化性质与此模型拟合参数之间的关系[1]。选择研究区山地土壤各土层的主要理化性质指标与对应的VG模型拟合参数进行相关性分析，结果见表4。

表4 土壤理化性质与VG模型拟合参数的Pearson相关系数

注 **表示在0.01水平（双侧）上极显著相关，*表示在0.05水平（双侧）上显著相关。

参数α与土壤主要理化指标之间的相关性不显著。参数n与有机质显著正相关（P＜0.05），与粉粒的负相关性也达到显著性水平（P＜0.05），与砂粒、黏粒、有机质和体积质量的相关性则不显著。可能由于形状系数n的物理意义为土壤含水率随水吸力的增大而降低的快慢，反映土壤含水率变化的快慢[3]。有机质量影响土壤含水率的稳定性，有机质量较高的土壤，土质较为疏松，通气透水容易，土壤含水率变化较大。土壤质地也影响土壤含水率的稳定性，粉粒量高的土壤，土壤间孔隙较小，水稳性较好，土壤含水率随水吸力的增大变化较小[1]。由表1可知，就表层土壤来看，海拔相对较低的黄壤有机质量最大，为56.13%，粉粒量则最小，为14.52%，土壤含水率不稳定，变化较快，持水性较差。由此可知，中山亚高山的土壤持水性能好于低山，低山水土易流失。

3 结论与讨论

研究得出三峡山地土壤随水吸力增大，含水率呈现先迅速降低，后趋于平缓的变化规律。森林表层土壤（0～15 cm）的含水率变化最大，低吸力阶段，表层土壤的含水率明显大于其他土层，而在高吸力段其他土层含水率均大于表层土壤。森林土壤相比较，黄壤的持水性较差，黄棕壤相对于其他两类林地土壤有着更强的持水性。与林地相比，茶园含水率在不同土层之间的变化趋势与棕壤相同，持水能力比棕壤和黄棕壤差，与黄壤差异较小。

利用水分特征曲线，研究得出山地土壤孔隙的变化规律。大孔隙分布随土壤剖面深度的增加而减少。各类林地和茶园相比较，大孔隙以黄壤体积比最大，其次是黄棕壤和棕壤，茶园最小。就表层土壤来看，茶园大孔隙所占比例明显小于林地，因此水分向下传导慢，降水过后易形成径流，不利于水土保持。

用van Genuchten（VG）模型模拟研究区山地土壤的水分特征曲线，决定系数R2均大于0.95，模型拟合效果好。主要理化性质指标与对应VG模型拟合参数的相关性分析结果表明，影响参数n的主要因子是有机质（P＜0.05）和粉粒（P＜0.05）；参数α与理化指标则无显著相关性。表明土壤有机质和土壤质地对土壤涵养水源能力有显著影响，这与程云等[23]、冯杰等[24]研究结果一致。就表层土壤来看，海拔相对较低的黄壤有机质量最大，为56.13%，粉粒量则最小，为14.52%，表明其土壤含水率不稳定，持水性较差。由此可知，中山亚高山的土壤持水能力好于低山，低山更需要注意水土流失、山洪灾害的问题。

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Water Release Curves and Their Fitting for Soils in theHills of the Three Gorges Reservoir

NIU Xiaotong1,2,LIUMuxing1,2,YIJun1,2,WU Siping1,2，ZHANG Jun1,2,YANGYan1,2
(1.College of Urban and Environmental Sciences,CentralChina NormalUniversity,Wuhan 430079,China; 2.Key Laboratory forGeographical ProcessAnalysis&Simulation of HubeiProvince,Wuhan 430079,China)

Abstract:To unravel themechanism of water holding capacity of soils and improve ecological system management inmountainous areas,wemeasured thewater release curve of intact soil samples taken from Dalaoling and Yiling Mountainsin the Three Gorges of the Yangtze River.The soils exam ined included subalpine brown soil in temperate deciduous broad-leaved forest,m id-mountain yellow brown soil in them ixed broadleaf-conifer forest, soil intea garden,and low-mountain yellow soil in the warm coniferous forest.The water retention curveswere measured using the centrifugationmethod.The results showed thatw ith the increase inmatric potential,thewater content decreased quickly first and then gradually flattened.Thewaterholding capacity of the yellow soil in the warm coniferous forestwas the lowest,and the yellow brown soil in them ixed broadleaf-conifer forest relative had the highestwater holding capacity compared with other two woodland soils.The tea garden soils hold less water than the woodland soils.Pore-size analysis revealed that the number of large pores decreased with soil depth.All water release curves can be fitted to the van Genuchtenmodel with R2＞0.95.The parameter n in the modelwas related to soilorganicmatter and silt,while parametersαwasweaklyrelated to physicaland chemical propertied of the soils.

Key words:mountain soil;soilwater characteristic curve;modelsimulation;ThreeGorgesReservoirArea

中图分类号：S152.7

文献标志码：Adoi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.09.014

责任编辑：陆红飞

牛晓彤，刘目兴，易军，等.三峡山地土壤水分特征曲线及模型拟合[J].灌溉排水学报，2017，36（9）：75-80.

文章编号：1672–3317（2017）09-0075-06

收稿日期：2016-07-14

基金项目：国家自然科学基金项目（41001125）；湖北省自然科学基金重点项目（2015CFA141）

作者简介：牛晓彤（1992-），女。硕士研究生，主要从事土壤水文研究。E-mail：niuxiaotong@mails.ccnu.edu.cn

通信作者：刘目兴（1979-），男。副教授，主要从事土壤水文研究。E-mail：liumuxing@mail.ccnu.edu.cn