北京密云山区典型林地土壤入渗特性

北京密云油松人工林降雨截留特征研究本文对密云水库集水区的油松人工林的降雨截留特征进行研究。

通过在密云北庄油松试验地外测定大气降雨量，在林内测定穿透雨量和树干茎流量，得出了在不同时期、不同降雨量和降雨强度下的林冠截留量；使用各种统计模型、概念模型，半概念模型拟合次降雨中截留量与降雨量的关系；通过Gash模型分析年度的林地降雨分配，得出林冠截留量各组分的比例并进行比较；分析树干茎流产生的特点；通过各月份的降水分配的统计，分析月截留总量、月树干茎流总量、月平均截留率以及月平均茎流率与月降雨量的关系；通过与同在北庄林业试验地的刺槐人工林、板栗人工林以及在密云水库库西区的油松人工林的比较，讨论北庄油松人工林的林冠截留相关参数与其它林地的区别。

本文研究的主要结果表明：（1）林冠截留受多种气候因子，林冠因子，林地因子的影响，所以单纯分析林冠截留量与降雨量大小的关系并不能完全反映林冠截留的规律。

和国内外大多数的研究结果一样，本研究在密云北庄油松人工林的次降雨量和截留量的关系分析中，发现难以成稳定的曲线关系，但可以推出非线性模型显然比线性模型更适合拟合两者关系。

（2）用经验因子代替具体的林冠特征和气象指标，综合Aston和刘家冈的概念模型，可以得出运算比较简单的有关截留量与降雨量关系的半概念模型：I=I^*_cm[1—exp(—P_G／I^*_cm)]+αP_G。

（3）刺槐人工林和板栗人工林的林冠容量均小于油松人工林。

溪翁庄油松林的林冠容量远小于北庄油松林。

北庄油松林具有林冠容量大的特征。

（4）北庄油松林的月截留量，月穿透雨量，月树干茎流量与月降雨量均呈现显著的正相关关系，拟合度高于次降雨。

《北京西山典型人工林分枯落物层生态水文效应》篇一一、引言北京西山作为我国重要的生态屏障，其人工林分枯落物层在生态系统中扮演着重要的角色。

枯落物层作为森林生态系统的重要组成部分，其生态水文效应直接关系到森林水文循环和生态环境保护。

本文旨在探讨北京西山典型人工林分枯落物层的生态水文效应，分析其对环境和生态系统的影响。

二、枯落物层的基本特征北京西山的人工林分枯落物层具有显著的特点。

该枯落物层主要由树叶、枝条、树皮等组成，具有较强的空间异质性。

由于气候、土壤、植被等因素的影响，其厚度、组成及分布规律等表现出显著的区域特征。

同时，枯落物层具有保水、调蓄洪水、调节地表径流等重要的生态功能。

三、枯落物层的生态水文效应1. 保水作用：北京西山人工林分枯落物层具有较强的保水能力。

枯落物层能够吸收和储存大量的降水，减缓地表径流的形成，增加土壤的含水量。

同时，枯落物层中的有机质能够改善土壤结构，提高土壤的保水能力。

2. 调节地表径流：在暴雨等极端气候条件下，枯落物层能够有效地调节地表径流，减缓洪峰的形成。

通过枯落物层的拦截和吸收作用，地表径流的流速和流量得到有效的控制，从而减少洪水的破坏力。

3. 促进森林水文循环：枯落物层通过吸收和储存降水，为森林植被提供必要的水分。

同时，枯落物层的分解和腐熟过程也为土壤提供了丰富的有机质和养分，促进了森林植被的生长和发育。

这些过程共同构成了森林水文循环的重要组成部分。

四、人工林分枯落物层生态水文效应的影响因素人工林分枯落物层的生态水文效应受到多种因素的影响。

首先，林分类型和林龄对枯落物层的组成和厚度具有重要影响，进而影响其生态水文效应。

其次，气候因素如降水、温度等也会对枯落物层的保水能力和调节地表径流的能力产生影响。

此外，人为活动如采伐、火烧等也会对枯落物层的结构和功能造成影响。

五、结论北京西山典型人工林分枯落物层具有显著的生态水文效应。

通过保水作用、调节地表径流和促进森林水文循环等过程，对环境和生态系统产生重要影响。

森林土壤渗透率的测定概述说明以及解释1. 引言1.1 概述在生态学领域，森林土壤的渗透率是一个重要的参数，它反映了土壤对水分的传导能力。

渗透率是指单位时间内单位面积的水量通过土壤纵向渗流时所需的压力差，通俗来说就是土壤中水分下渗的速度和能力。

研究森林土壤渗透率对于深入了解森林生态系统的水循环过程、水资源管理以及应对气候变化等具有重要意义。

1.2 文章结构本文将从引言、森林土壤渗透率测定方法介绍、森林土壤渗透率概述说明以及解释测定方法和结果分析等几个方面进行讨论。

首先，在引言部分，我们将阐述研究背景和目的，并简要介绍本文结构组织。

其次，在第二部分，我们将详细介绍森林土壤渗透率的定义及其重要性，并列举常用的测定方法。

随后，在第三部分，我们将说明森林土壤渗透率测定的实际意义以及与森林生态之间的关系，并回顾现有研究进展。

接下来，在第四部分，我们将解释不同的森林土壤渗透率测定方法，并对结果进行分析和解读，同时探讨环境条件对结果的影响。

最后，在第五部分，我们将总结文章的重点内容，并展望未来研究方向和应用前景。

1.3 目的本文旨在全面介绍和解释森林土壤渗透率的测定方法以及其实际意义。

通过对不同测定方法的比较和结果分析，我们将更加深入地了解森林土壤渗透率与水循环、生态系统关系等领域的相关性。

同时，该文章还将为未来的研究提供参考和展望，并为管理者在水资源管理和气候变化应对等方面提供决策支持。

2. 森林土壤渗透率的测定2.1 渗透率的定义及重要性森林土壤渗透率是指水分通过土壤孔隙的速度和能力。

渗透率不仅是评估土壤水分特性和水文循环的重要指标，也是了解森林生态系统功能的关键因素之一。

渗透率对森林生态系统具有重要影响。

首先，它直接决定了土壤水分在根系可达深度的供应情况，从而影响森林植被的生长和发育。

其次，渗透率还与土壤雨滴破坏、侵蚀以及径流产生等过程密切相关。

此外，渗透率还对维持土壤中微生物活性、气候调节和保持地下水资源等方面起着重要作用。

紫色土区林地土壤入渗性能试验研究郝文静;陈晓燕;胡建新;莫斌【期刊名称】《中国农学通报》【年(卷),期】2015(31)24【摘要】土壤入渗是土壤水分运动的重要组成部分。

为了准确测得紫色土区林地土壤入渗性能,用双环法和环刀法对其进行测定,并对2种方法的试验结果进行分析和比较,以探求其差异性所在。

结果表明:2种方法测定土壤入渗性能各项指标(初渗速率、稳渗速率、平均入渗率)差别较大,它们主要受土壤理化性质及测定条件影响;在试验中双环法测得的初渗速率和平均入渗率差异性要比环刀法的大,稳渗速率则比环刀法小;双环法测得的入渗性能各项指标均值皆比环刀法的大,其中初渗速率大了2.36倍,稳渗速率大了2.17倍,平均入渗率大了2倍;采用4种常用入渗模型对双环法和环刀法测得的结果进行拟合时,其效果表现为:Horton模型>通用经验模型>Kostiakov模型>Philip模型,且环刀法比双环法好;土壤累计入渗量采用一元二次方程拟合比采用一元一次方程拟合好,一元二次方程拟合的决定系数R2都在0.99以上。

该试验可以为紫色土区林地土壤入渗的研究提供资料参考。

【总页数】6页(P204-209)【关键词】紫色土林地;土壤入渗性能;入渗测定方法;回归分析【作者】郝文静;陈晓燕;胡建新;莫斌【作者单位】西南大学资源环境学院/西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室【正文语种】中文【中图分类】S152.7【相关文献】1.川中丘陵紫色土区土壤水分入渗性能研究 [J], 马浩;尹忠东;许智超2.校园紫色土壤入渗性能研究 [J], 余卫芳3.闽西紫色土分布区混交林地土壤性状的研究 [J], 邹政生4.紫色土丘陵区土壤入渗及其测定方法研究 [J], 莫斌;陈晓燕;刘涛;杨以翠;黄秀凤;黄启亮;林芷行;简慧;周土金;申云康5.不同方法测定紫色土坡耕地入渗性能试验研究 [J], 莫斌;陈晓燕;雷廷武;罗帮林;唐菊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第22卷　第2期2024年4月中国水土保持科学Science of Soil and Water ConservationVol.22　No.2Apr.2024DOI :10.16843/j.sswc.2023020东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟李若凡1,谢　云1,2†,辛　艳3,杨静怡1,刘　刚2,蔺宏宏1(1.北京师范大学地理科学学部,100875,北京;2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,100875,北京;3.中国水利水电科学研究院,100038,北京)摘要:土壤入渗与土壤侵蚀密切相关㊂研究黑土土壤入渗特征对于黑土土壤侵蚀预测与防护有重要作用㊂为探明不同侵蚀程度黑土的水分运移过程,采用室内土柱实验法观测并评价HYDRUS1D 模型在东北黑土区的适用性㊂其中,轻度侵蚀土壤表土层A 层厚度和淀积层B 层厚度分别为30和25cm,中度侵蚀土壤A 层和B 层厚度分别为30和10cm,重度侵蚀土壤A 层和B 层厚度分别为0和15cm㊂结果表明:轻㊁中㊁重3种不同侵蚀程度土壤的稳定入渗率分别为0.16㊁0.25和0.72cm /h,湿润锋运移速率为2.52㊁3.32和9.85cm/h㊂由于黑土黏重特性,HYDRUS 1D 模型在黑土区的适用性较低,轻㊁中度侵蚀土壤的稳定入渗率分别高估2.5倍和1.6倍,而重度侵蚀土壤的稳定入渗率低估0.4倍,其中中度侵蚀的土壤入渗的拟合结果相对较好,可为土壤水蚀过程模拟和水土流失治理提供基础依据㊂关键词:土壤入渗;土柱实验;HYDRUS 1D;黑土;土壤侵蚀程度中图分类号:S157.1文献标志码:A文章编号:2096⁃2673(2024)02⁃0017⁃08引用格式:李若凡,谢云,辛艳,等.东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟[J].中国水土保持科学,2024,22(2):17-24.LI Ruofan,XIE Yun,XIN Yan,et al.Soil infiltration characteristics and simulation of different eroded degrees in the black soil region of Northeast China[J].Science of Soil and Water Conservation,2024,22(2):17-24.收稿日期:20230215　修回日期:20230605项目名称:国家 十四五 重点研发计划项目课题 黑土农田侵蚀阻控原理及水土保持措施效应”(2021YFD1500705)第一作者简介:李若凡(1998 ),女,硕士研究生㊂主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持㊂E⁃mail:lrfzrdl@†通信作者简介:谢云(1964 ),女,博士,教授㊂主要研究方向:土地生产力,土壤侵蚀和气候影响评价㊂E⁃mail:xieyun@Soil infiltration characteristics and simulation of different erodeddegrees in the black soil region of Northeast ChinaLI Ruofan 1,XIE Yun 1,2,XIN Yan 3,YANG Jingyi 1,LIU Gang 2,LIN Honghong 1(1.Faculty of Geographic Sciences,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,100038,Beijing,China)Abstract :[Background ]The black soil area in Northeast China is an important grain producing area in China.The problem of soil degradation caused by soil erosion in the black soil area is becoming more and more obvious.It is of great significance to study the infiltration characteristics of black soil with differentdegrees of erosion to control slope soil erosion.The application of HYDRUS 1D model is more extensive,and it is mostly concentrated in the arid area of Northwest China.Whether the model can simulate the infiltration of black soil needs further study or not.[Methods ]The author collected black soil samples with slight,moderate and severe eroded degrees in the typical black soil area of Heshan Farm in Heilongjiang province,and determined the one⁃dimensional vertical infiltration process based on indoor中国水土保持科学2024年soil column experiments.The black soil with different eroded degrees was determined according to the thickness of the black soil layer(layer A)and the thickness of the deposited layer(layer B).The HYDRUS1D model was used to simulate soil infiltration.The simulation results were compared with the measured data,and the applicability of the model in the black soil area was evaluated by using Origin software.[Results]1)Firstly,the stable infiltration time of severe,moderate and slight eroded soil was 8,26and36h,respectively,and the infiltration rate was0.72,0.25and0.16cm/h,respectively.The higher the degree of erosion,the greater the cumulative infiltration amount of soil in the same infiltration duration.2)Secondly,in terms of the change characteristics of the wetting front with time,the soil with slight,moderate and severe eroded degrees has a slower infiltration rate to the lower layer,and the wetting front migration rate slows down accordingly,and the average speed of the wetting front migration of the soil with three erosion degrees is:2.52,3.32and9.85cm/h,respectively.3)Finally,there are some differences in the trend of soil moisture content with time in the infiltration process of the three soils.The saturated water content of soil decreases with the increase of erosion degree.The saturated water content of slight eroded soil is about4.9%higher than that of moderate eroded soil,and the saturated water content of specific severe eroded soil is about9.4%higher than that of moderate eroded soil.The saturated water content of each soil decreased with the deepening of soil layers.According to the erosion intensity from weak to strong,the saturated water content of the surface soil was7.8%, 8.0%and12.8%higher than that of the lowest layer,respectively.[Conclusions]The infiltration process simulated by HYDRUS1D underestimates the infiltration of soil with high sand content and overestimates the infiltration of soil with high clay content.The infiltration capacity of slight and moderate eroded soil was overestimated,while the infiltration capacity of severe eroded soil was underestimated. Among them,the fitting results of moderate eroded soil infiltration are better than those of the other two erosded soils.We can try to further modify the parameter values of residual water content and saturated water content,and optimize the fitting results.Keywords:soil infiltration;soil column experiment;HYDRUS1D;black soil;soil eroded degrees 东北黑土区是我国重要的粮食主产区,也是我国重要的商品粮基地,被视为中国粮食安全的 压舱石”㊂该地区纬度较高,雨热同期,属寒温带大陆性季风气候㊂黑土具有有机质含量高㊁质地黏重㊁入渗能力较弱㊁易产生地表径流的特征㊂在近百年的开垦过程中,由于缺乏保护,黑土区水土流失导致的土壤退化问题越来越明显,并得到广泛关注㊂地表径流是坡面土壤侵蚀发生的动力基础㊂径流是由降雨或灌溉水到达地表之后超过土壤入渗能力的水分形成的㊂因此,土壤入渗是影响侵蚀过程的重要环节㊂研究不同侵蚀程度黑土的入渗特征对治理坡面土壤侵蚀具有重要意义㊂不同类型的土壤入渗过程差异很大㊂每种入渗模型都不可能适用于所有土壤㊂依据土壤的特性选择适用的入渗模型并加以改进,是目前主流的土壤入渗模拟方法㊂HYDRUS1D是由美国国家盐改中心(US Salinity Laboratory)于1991年开发的商业化软件㊂该软件是一种用于模拟变饱和带多孔介质中的水分㊁热量和溶质运移的数值模型,能够较好地模拟水分㊁溶质和能量在土壤中的时空分布变化及运移规律[1]㊂郭雯等[2]在内蒙古高原西部腰坝绿洲利用该模型模拟土壤水分入渗过程,模拟结果与实测含水率拟合较好,模型平均R E㊁R MSE值分别为6.1%㊁0.015cm3/cm3,误差较小,精度较高;李琦等[3]以华北平原区典型冬小麦农田土壤为研究对象,结合野外观测与室内土柱试验,借助该软件建立水盐运移模型,模拟结果的纳什效率系数平均值为0.826,变异系数为0.0560,能较好且稳定地模拟土壤内部水分的运移过程;王国帅等[4]利用该模型模拟沙丘㊁沙丘 荒地交界和荒地土壤水分和盐分运移动态,R MSE为0.01~0.03cm3/cm3,R2为0.85~0.92,其结果能较好地反映出土壤水分的动态变化㊂我国HYDRUS1D模型的应用研究多集中于西北干旱地区,该模型是否能模拟黑土入渗需81　第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟要进一步研究㊂笔者将基于室内土柱试验,观测典型黑土区不同侵蚀程度黑土土壤入渗过程,并利用HYDRUS1D模型模拟,通过比较模型模拟结果与实测数据,评价该模型对东北黑土区不同侵蚀程度土壤的模拟效果,为黑土土壤入渗模拟和土壤侵蚀预报提供基础㊂这对黑土土壤水蚀过程模拟和水土流失治理有重要的实际意义㊂1　材料与方法1.1　土壤样品采集与测定室内土柱试验于2020年在黑龙江省黑河市嫩 江县鹤山农场境内的北京师范大学九三水土保持试验站(E125°16′~125°21′,N48°59′~49°03′)完成㊂供试土壤选择轻度㊁中度及重度3种不同侵蚀程度的土壤(表1),测定其一维垂直入渗过程,每种土壤类型设置3个重复㊂不同侵蚀程度黑土根据表层的黑土层(A层)厚度和其下淀积层(B层)厚度确定:轻度侵蚀的土壤A㊁B层分别为30和25cm,中度侵蚀的土壤A㊁B层分别为30和10cm,重度侵蚀的土壤A㊁B层分别为0和15cm(表2)㊂1.2　入渗实验装置与方法试验由土柱系统和供水装置组成㊂土柱系统:土柱装土50cm高,直径28.4cm,为 表1　3种侵蚀程度土壤密度及机械组成Tab.1　Soil bulk densities and mechanical compositions at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree土层Soil horizon/cm土粒密度Bulk density/(g㊃cm-3)砂粒Sand content/%粉粒Silt content/%黏粒Clay content/% 0~101.0612.4545.5642.00 10~201.2811.2747.6941.04轻度Slight20~301.249.4748.9941.54 30~401.4910.2348.1741.6040~501.5211.7547.2840.960~101.1819.4746.9433.5910~201.3928.5048.9722.53中度Moderate20~301.4729.4648.2422.30 30~401.4631.4038.0730.5340~501.4530.0838.1331.790~101.4363.9415.7020.3610~201.5366.3414.6219.04重度Severe20~301.8164.3310.3925.28 30~402.0768.9812.7918.2340~501.7174.6711.2714.06表2　3种侵蚀程度土壤取土位置和土壤剖面Tab.2　Soil sampling position and soil profile at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree取土位置Soil location地貌部位Landformposition黑土(A)层深度Black soil(A)depth/cm淀积(B)层深度Deposition(B)layer depth/cm母质出现深度Appearing parentmaterial depth/cm母质类型Parent materialtype轻度Slight E125°18′21″N49°01′58″坡中Middle slope0~3030~5555黄黏土Yellow clay中度Moderate E125°19′40″N49°00′39″坡中上Middle and upper slope0~3030~4040黄黏土Yellow clay重度Severe E125°19′24″N49°00′42″坡中上Middle and upper slope00~1515黄砂Yellow sand透明有机玻璃圆柱㊂每次试验准备3个土柱,分别按照轻㊁中㊁重3种侵蚀程度的原状土壤分层,每层10cm分层填装进土柱,装土密度与原状土密度一致,层间用毛刷打毛㊂将土柱挂上铁架,每个土柱每层中间位置(即5㊁15㊁25㊁35和45cm处)安装水分温度传感器探头,探头长度为15cm,数据采集器每5min输出相应位置的土壤含水量数据㊂为确保试验的准确性,再设置2次重复试验㊂供水装置:马氏瓶,保证土面上方有3cm的稳定水头㊂91中国水土保持科学2024年试验开始,马氏瓶中水位每下降1cm手动记录1次历时㊂数据采集器每隔1min记录土柱质量的变化,每隔5min记录剖面含水量变化㊂若连续5个时刻记录点的入渗速率基本相同,将第1个时刻记作达到稳渗的时刻,并把连续5个记录点的平均入渗速率做为稳渗速率㊂同时记录湿润锋运移情况,湿润峰到达土柱底部后停止马氏瓶供水㊂用塑料薄膜密封土柱上表面防止蒸发,待所有土柱排水口不再有水流出时,撤下塑料薄膜,试验结束㊂综上,本研究进行3次试验,共9组数据,分别计算:1)累积入渗量与入渗速率㊂土柱试验过程中需要手动记录入渗过程中马氏瓶中水位每下降1cm所需要的时间㊂测量马氏瓶水位每下降1cm的水流通量,根据记录表中的时间间隔计算入渗过程中的累积入渗量与入渗速率㊂I1=ΔlQ0/S;(1)I=I1+I2+I3+ +I n;(2)f=I/t㊂(3)式中:I n为每段时间的累积入渗量,cm;Δl为马氏瓶水位差;Q0为马氏瓶每cm的水流通量,mL;S为土柱的横截面积,cm2;I为总累积入渗量,cm;f为入渗速率,cm/h;t为时间,h㊂2)土壤含水量㊂数采每5min输出相应位置的土壤含水量数据㊂3)湿润锋运移㊂土柱上贴有刻度尺,根据湿润锋运移的速率选择记录间隔㊂在试验刚开始时入渗速率较快,每3min记录1次湿润锋位置,随着试验的进行湿润锋移动速率逐渐减慢,记录时间间隔增大,最大时间间隔不超过2h㊂将记录下的刻度转化为入渗深度,得到湿润锋运移情况㊂1.3　HYDRUS1D模型入渗计算笔者使用软件的模拟水流程序模拟土壤水分入渗㊂该模型仅考虑一维垂向运移时的土壤水分运动,并采用Richards方程来描述一维非饱和土壤水流的运动[5]㊂HYDRUS1D模型中水分特征曲线模型有Van Genuchten㊁Modified Van Genuchten㊁Brooks⁃Corey和Kosugi等㊂笔者采用运用最为广泛的㊁也更适合东北黑土[6]的Van Genuchten模型来拟合土壤水力性质㊂HYDRUS1D中VG模型表达式为:θ(h)=θr+θs-θr(1+|α×h|n)m h<0θs h≥ìîíïïï0;(4)K(h)=K s S l e(1-(1-S1/m e)m)2;(5)m=1-1n　n>1;(6)S e=θ-θrθs-θr㊂(7)式中:θ(h)为土壤含水量随土壤水势的变化函数;h为土壤的有压水头,cm;θr和θs分别为残余含水量和饱和含水量,cm3/cm3;K(h)为非饱和导水率,cm/h;K s为饱和导水率,cm/h;α为进气吸力值的倒数;n为孔隙度连通性参数,m为经验参数;l为形状参数,l=0.5;S e为有效水分含量㊂入渗模拟过程中需要设置的指标有剖面形态㊁时间步长㊁土壤水力参数和边界条件等㊂其中土壤水力参数是进行模拟的主要指标,包括:残余含水量θr㊁饱和含水量θs㊁进气吸力值α㊁孔隙度连通性参数n㊁饱和导水率K s和形状参数l等,这些参数主要通过土壤水分特征曲线模拟来获得㊂本实验中θr㊁θs和K s均有实测数据,α㊁n和l3个参数依靠模型内置函数模拟,共设置5种模拟情况:1)θr㊁K s㊁θs均为模拟值;2)θr㊁K s㊁θs均为实测值;3)θr㊁K s为模拟值,θs为实测值;4)K s为模拟值,θr㊁θs为实测值;5)θr为模拟值,K s㊁θs为实测值㊂采用Excel2010和SPSS24.0软件对数据进行分析,用Pearson法对累积入渗量㊁入渗速率的模拟值与实测值进行相关分析,利用Origin2010软件作图㊂2　结果与分析2.1　不同侵蚀程度黑土入渗速率及累积入渗量随时间的变化特征由图1可见,重㊁中㊁轻度侵蚀土壤达到稳渗的时间分别为8㊁26和36h,稳渗时的入渗速率为0.72㊁0.25和0.16cm/h,完成整个入渗的历时分别为10.2㊁31.5和50h㊂针对一次完整的入渗过程,轻度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为7.3㊁4㊁3.9㊁3.4和3.6cm;中度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为7㊁3.6㊁3.4㊁4.5和2.5cm;重度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为5㊁3.2㊁2.6㊁2和3.7cm㊂通常情况下,黏粒含量越高的土壤对水的吸附能力越强,相同势能下的水分通量会相应变小,因此侵蚀程度越高的土壤在相同的入渗历时内累积入渗量会越大(图1)㊂2.2　不同侵蚀程度黑土湿润锋随时间变化特征湿润锋的运移可以反映出土壤的入渗能力[7]㊂轻㊁中㊁重3种侵蚀程度的土壤均是越向下层入渗速02　第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟图1　不同侵蚀程度土壤入渗速率及累积入渗量Fig.1　Infiltration rates and cumulative infiltrations of soils with different erosion degrees率越慢,湿润锋运移速率相应减慢(图2)㊂轻度侵蚀的土柱在1h 处完成第1层10cm 土壤的入渗,并开始第2层的入渗,5h 开始第3层入渗,14.5h 开始第4层入渗,28.7h 开始第5层入渗,50h 的时候完成整个入渗过程㊂每层入渗耗时分别为1㊁4㊁9.5㊁14.2和21.3h㊂中度侵蚀的土柱每层入渗耗时分别为1㊁4.4㊁7㊁10.1和14h;重度侵蚀的土柱每层入渗耗时分别为0.25㊁0.6㊁1.7㊁3.5和5.2h㊂轻㊁中㊁重3种侵蚀程度湿润锋运移的平均速度分别为:2.52㊁3.32和9.85cm /h㊂图2　轻㊁中㊁重度侵蚀土壤入渗湿润锋运移变化Fig.2　Changes of wetting front migrations of infiltrationsin slight,moderate and severe eroded soils2.3　不同侵蚀程度黑土入渗过程中剖面含水量随时间变化特征将入渗过程中土壤含水量最大并不再发生明显变化的数值作为土壤饱和含水量㊂3种土壤在入渗过程中的土壤水分含量随时间变化的趋势存在一定的差异㊂土壤饱和含水率随着侵蚀程度的增大而减少,轻度侵蚀土壤比中度侵蚀土壤饱和含水率平均高4.9%左右,比重度侵蚀土壤饱和含水率平均高9.4%左右㊂每种土壤的饱和含水率随土壤层数的加深而减少,3种土壤按侵蚀强度由弱到强,其表层土壤饱和含水率比最下层分别大7.8%㊁8.0%和12.8%(图3)㊂2.4　HYDRUS 1D 模型模拟黑土土壤入渗通过HYDRUS 1D 内置函数所得到的模拟值如表3所示,其他模拟情况均根据表中参数进行校正设置㊂根据入渗过程拟合可以看出,总体上轻度侵蚀土壤的累积入渗量被高估,重度侵蚀土壤的累积入渗量被低估,中度侵蚀土壤的拟合情况相对最好,模拟值与实测值分布于1∶1线两侧,且较为集中,所以HYDRUS 1D 对于相对极端情况的黑土拟合情况较差(图4)㊂入渗速率由土壤累积入渗量计算得到,所以其拟合结果的特征与累积入渗量的规律相似(图5)㊂除重度侵蚀土壤能够看出实际入渗速率明显高于模拟结果,其余土壤实际入渗与拟合结果的差异并不明显㊂轻㊁中㊁重度3种土壤的稳定入渗率模拟值与实测值也存在差异(表4),轻中度侵蚀土壤的稳定入渗率被高估,模拟值分别为实测值的2.5倍和1.6倍,而重度侵蚀土壤的稳渗率被低估,模拟值为实测值的0.4倍㊂3　讨论3.1　侵蚀程度对黑土入渗的影响本研究通过室内土柱试验,分别分析不同侵蚀程度黑土的初始入渗速率㊁稳定入渗率㊁湿润锋运移速率以及土壤剖面含水量随时间变化特征,可知初始入渗速率主要受供水装置影响,入渗过程刚开始时风干土壤的含水量很小,土壤的基质势梯度很大,12中国水土保持科学2024年 图3　轻㊁中㊁重度侵蚀土壤10~50cm分层土壤含水率随时间变化Fig.3　Variation of soil moisture contents with time in10-50cm divided layers of slight,moderate and severe eroded soils表3　3种侵蚀程度土壤土柱所有模拟参数数值Tab.3　All simulated parameters of soil column with three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree土层Soil horizon/cmθrθsα/(cm-1)n K s/(cm㊃h-1)0~100.10280.56600.01431.38942.496710~200.09680.49970.01171.41960.7217轻度Slight20~300.09860.51510.01211.41370.902930~400.09100.44270.01121.39750.211740~500.08900.43090.01121.39200.17920~100.09130.50390.00951.49081.366210~200.06890.41160.00691.58670.5396中度Moderate20~300.06610.39340.00751.55840.375430~400.07780.41780.01081.45310.298340~500.08000.42420.01091.44950.31330~100.06290.41950.02281.42281.457510~200.05810.39130.02581.39751.0963重度Severe20~300.05060.31360.01431.31140.090030~400.04490.25800.03891.25080.115840~500.04740.33760.03631.39810.9696　注:θr:残余含水量,cm3/cm3;θs:饱和含水量,cm3/cm3;α:进气吸力值的倒数;n:孔隙度连通性参数;K s:饱和导水率,cm/h㊂下同㊂Notes:θr:Residue water,cm3/cm3;θs:saturation capacity,cm3/cm3;α:the inverse of air⁃entry value;n:porosity connectivity parameters;K s:saturated hy⁃draulic conductivity,cm/h.The same below.土壤的入渗能力较强,入渗速率主要取决于供水速率㊂但随着入渗过程的不断进行,土壤的基质势梯度会逐渐趋近于0,使入渗速率逐渐保持在一个较小的稳定值,即进入稳定入渗阶段㊂稳定入渗阶段是指土壤入渗经过瞬变和渐变阶段之后达到的一种入渗速率处于相对稳定的阶段㊂稳渗速率是反映土壤渗透性能的主要指标[8]㊂不同侵蚀程度黑土土壤机械组成结构不同,侵蚀程度强的土壤中砂粒含量越高,土壤孔隙度越大,导水率相应变大,入渗过程加快,稳渗率越高㊂因此土壤达到稳渗的时间越短,完成入渗的时间也越短,最终的稳定入渗率较高,反之递减㊂不同侵蚀程度黑土下不同剖面含水22　第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟 S :模拟值;M:实测值㊂下同㊂S:Simulated value.M:Measured value.The same below.图4　轻度㊁中度和重度侵蚀土壤累积入渗量模拟值与实测值相关性分析Fig.4　Correlation analysis between simulated and measured cumulative infiltration in slight,moderateland severe eroded soils图5　轻度㊁中度和重度侵蚀入渗速率模拟值与实测值相关性分析Fig.5　Correlation analysis between simulated and measured values of infiltration rates of slight,moderateand severe eroded soils表4　3种侵蚀程度土壤稳定入渗率及模拟值Tab.4　Soil stable infiltration rate and simulated values at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree 实测稳定入渗率Measured stableinfiltration rate /(cm ㊃h -1)5种模拟情况下的稳定入渗率Stable infiltration rate under five simulated conditions /(cm ㊃h -1)S:θr ㊁K s ㊁θsM:θr ㊁K s ㊁θs S:θr ㊁K s ;M:θsS:K s ;M:θr ㊁θsS:θr ;M:K s ㊁θs轻度Slight 0.160.3980.00570.3980.3980.0073中度Moderate 0.250.398 0.4460.446 重度Severe 0.720.2160.2680.2020.2170.278RMSE0.3670.3830.390 注: :模拟过程提前结束,无数值的情况㊂Notes: :The simulation process ends early,and there is no numerical case.量其分布规律与土壤累积入渗量的规律相似,这是由于土壤中黏粒含量较高会吸附更多的水分导致土壤饱和含水率更高㊂3.2　不同侵蚀程度黑土入渗模拟效果3种侵蚀程度土壤的土壤含水量的模拟结果与入渗速率和累积入渗量的规律相符,均为轻中㊁度侵蚀土壤模拟的入渗过程快于实测过程,而重度侵蚀土壤模拟的入渗过程慢于实测过程㊂这表明HYDRUS 1D 模拟入渗过程会低估砂粒含量较高的土壤入渗,高估黏粒含量较高的土壤入渗,黑土较为黏重的质地影响HYDRUS 1D 中内置函数对于土壤入渗过程的模拟,导致入渗模型的适用性稍差㊂在所32中国水土保持科学2024年模拟的6个水力参数中,针对轻度侵蚀地块土壤,K s 是主要的误差来源,对拟合结果的影响最明显:拟合时表层K s值有所低估,而在深层K s值被高估;中度侵蚀地块的拟合情况较好,有完整模拟过程的模拟情况1)㊁3)和4)有相同的趋势;重度侵蚀地块的所有模拟情况均明显少于实际入渗㊂这是由于重度侵蚀土壤底层密度较大,模拟出的K s值偏小,实测出的K s值并没有明显大于其他2种侵蚀程度土壤所导致的㊂水势梯度是由水头㊁重力㊁基质力和毛管力决定的,在实测入渗与模拟入渗设置的前期条件相同的时候,两者的水势梯度是没有太大差别的㊂所以入渗速率的差异主要是由饱和导水率值的差异造成的,饱和导水率是影响模拟结果最关键的因子㊂4　结论通过室内土柱实验发现,不同侵蚀程度黑土的入渗性能不同:3种侵蚀程度黑土的入渗速率在入渗开始时均较大,而后逐渐减小,最后趋于稳定,每种土壤上层的入渗速率均大于下层㊂随着侵蚀程度加剧,土壤入渗速率㊁累积入渗量及湿润锋运移速度加大,土壤达到稳渗的时间越短,完成入渗的时间也越短,最终的稳定入渗率也较高㊂土壤饱和含水率随着侵蚀程度的增大而减少㊂3种不同侵蚀程度土壤入渗过程的含水量模拟结果与实测结果差异较大,轻中度侵蚀土壤模拟的入渗过程快于实测过程,而重度侵蚀土壤模拟的入渗过程慢于实测过程㊂HYDRUS1D模拟入渗过程会低估砂粒含量较高的土壤入渗而高估黏粒含量较高的土壤入渗㊂应用HYDRUS1D模型模拟不同侵蚀程度黑土入渗过程的结果发现,轻㊁中度侵蚀土壤的入渗能力被高估,而重度侵蚀土壤的入渗能力被低估㊂其中,中度侵蚀的土壤入渗的拟合结果好于其他2种侵蚀程度土壤㊂可尝试进一步修正残余含水量和饱和含水量的参数数值,优化拟合结果㊂5　参考文献[1]　卞建民,李育松,胡昱欣,等.基于Hydrus1D模型的大安灌区旱田灌溉入渗补给研究[J].干旱地区农业研究,2014,32(2):191.BIAN Jianmin,LI Yusong,Hu Yuxin,et al.Study onrecharge from dry farmland irrigation based on the Hydrus1D model in Da′an irrigation district[J].AgriculturalResearch in the Arid Areas,2014,32(2):191. 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北京密云水库集水区水源涵养林耗水规律研究本文主要研究北京密云水库集水区水源涵养林木耗水机理,揭示不同树种的耗水特性和规律,在此基础上结合林地土壤水分运移建立森林耗水尺度转换模型。

为选择低耗水造林树种和林分结构配置提供理论依据。

针对北京密云水库上游现有的主要林木树种,选择6种树种(油松、刺槐、杨树、臭椿、荆条)及典型林分作为研究对象,在2002～2003年的生长季期间,利用茎流计、全自动气象站、露点水势仪等国内外先进仪器和设备,在室内和野外进行多项试验,应用回归法、数值计算法、有限单元法等方法,分析了从土水势、单株和林分三个系统的试验数据,以及它们与环境因子之间的影响。

深入探讨了以下问题: 本文主要开展了以下几方面的研究: (1)主要水源涵养林林木耗水特性试验研究 (2)典型水源涵养林林分耗水规律试验研究 (3)林木SG-SPAC系统水分传输分析研究 (4)森林耗水尺度转换模型研究并得出以下结果: (1)主要水源涵养林林木耗水特性: 树木的日耗水变化随时间的变化呈现相似的变化规律:侧柏、杨树、刺槐日耗水月变化规律曲线相对较平行,油松、臭椿和柠条日耗水相对较小;刺槐、杨树和侧柏的日耗水都比较大。

7、8俩月份各个树种的日耗水量较大,9月份明显减少。

不同林木的日耗水量存在一定的差异,月内日耗水量变化趋势基本是一致的。

研究表明:耗水量由大到小的顺序依次为刺槐、杨树、侧柏、臭椿、油松、和荆条。

以上的结果说明了在充分供水条件下各树种潜在耗水速率大小的排序,虽然不能作为树种绝对耗水量大小排序的直接依据,但是可以作为低耗水树种选择的重要特征指标之一。

林木耗水与环境因子的关系较为复杂,土壤含水量是林木日耗水量的基础因素,空气的温度是林木日耗水决定因素,只有土壤供水充分、空气的温度足够高林木才开始进行耗水,其他因子如光照等便可产生作用;当土壤有充足的水分供给树木时,林木耗水达到最大值,不同树种的最大耗水量不同。