杉木人工林地土壤水分蒸發(fā)的時空變化特征

陳媛媛，閆文德,2，陽柏蘇,2，項文化,2，趙亮生

(1.南方林業(yè)生態(tài)應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004；

2.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，湖南 會同 418307)

杉木人工林地土壤水分蒸發(fā)的時空變化特征

陳媛媛1，閆文德1,2，陽柏蘇1,2，項文化1,2，趙亮生1

(1.南方林業(yè)生態(tài)應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004；

2.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，湖南 會同 418307)

為了研究土壤水分蒸發(fā)規(guī)律，做好蓄水保墑，減少水分的非生產(chǎn)消耗，需要了解水分運動規(guī)律。本實驗利用2012年湖南會同定位觀測站第Ⅱ集水區(qū)實測數(shù)據(jù)，研究杉木人工林地土壤水分蒸發(fā)日變化、月變化、及不同坡位的變化規(guī)律。結果表明:土壤水分觀測日最大分時蒸發(fā)量發(fā)生在9:00～11:00時段，月均蒸發(fā)量在6月中旬左右達到最大峰值；春季3～5月期間土壤含水量的平均變化程度較小，而夏季6～7月期間土壤含水量的平均變化程度較大；不同坡位因土壤層厚度、空氣流動程度及林下植被凋落物的種類和混合比例不同，其土壤水分蒸發(fā)量呈現(xiàn)明顯差異。結合這些特點，試圖分析其形成的原因，為后期研究提供了參考方向。

杉木人工林；土壤水分蒸發(fā)量；土壤含水量； 時空特征

水分蒸發(fā)過程是土壤水文狀況的一個重要因子。土壤水分的蒸發(fā)過程、強度及其影響深度，除與其所處的氣候條件有關外，它與土壤物理結構、土壤性質(zhì)，以及空間位置有很大關系[1]。因此，研究不同空間位置土壤水分的蒸發(fā)性能及其移動規(guī)律，對因時制宜地采取有效的保墑措施，有著重要的意義[2]。為了研究土壤水分蒸發(fā)規(guī)律，做好蓄水保墑，減少水分的非生產(chǎn)消耗，更需要了解水分運動規(guī)律，本文系統(tǒng)分析了湖南會同杉木人工林地土壤水分在特定時間和空間上的變化情況[3-4]。本文旨在通過對湖南會同杉木人工林地試驗區(qū)土壤蒸散量的觀測數(shù)據(jù)的分析，說明其在一定時間和空間跨度上的變化特征。

1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)設置于國家重點野外臺站——湖南會同生態(tài)定位研究站，地理位置為東經(jīng)109°45′，北緯26°50′。地貌為低山丘陵，海拔高300～500 m。氣候屬典型的中亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫16.8 ℃，年相對濕度在80%以上，年降水量為1 000～1 300 mm[5]。該區(qū)域地層古老，以震旦紀板溪系灰綠色板巖、變質(zhì)頁巖為主，土壤為山地黃壤，風化程度甚深，土層厚度在 80 cm以上[6]。地帶性植被為常綠闊葉林，以殼斗科的常綠種類如栲屬Castanopsis、青岡屬Cyclobalanopsis、石櫟屬Lithocarpus為建群種，其次為樟科的樟屬Cinnamomum、楠木屬Phoebe，山茶科的木荷屬Schima、山茶屬Camellia以及木蘭科Magnoliaceae、金縷梅科Hamamelidaceae、杜英科Elaeocarpaceae的一些樹種組成的混交林[7-8]。

本研究在Ⅱ號集水區(qū)5號樣地內(nèi)進行，該集水區(qū)于1996年10月將原有27年生杉木純林進行皆伐后造林，測定時分別為15年和16年生的第2代杉木人工純林，林相整齊，林木生長良好，密度為 2 475株/hm2，林分平均胸徑14.0 cm，平均樹高13.4 m。

2 實驗設計與方法

試驗地為Ⅱ號集水區(qū)的5號樣地，面積為1畝。根據(jù)實驗地形的不同，在樣地北坡與西北坡分別選取3種典型地形作為3個水分梯度，依次為山麓、山坡、山洼，在不同梯度上分別布設2個自制土壤水分蒸發(fā)桶，共計6個觀測點。土壤水分蒸發(fā)桶采用高30 cm，直徑為25 cm的圓柱形不銹鋼桶，桶底部鉆1 cm大小的通氣孔若干個，桶底墊上直徑為25 cm的濾紙。在布點時，先挖出蒸發(fā)桶大小土柱，放入蒸發(fā)桶中，然后挖出蒸發(fā)桶大小的坑，使得蒸發(fā)桶放入后與林地表面齊平，桶壁與土壤盡量無縫隙。

實驗時間為2012年3月1日～7月31日，土壤含水量采用稱重方法，日動態(tài)觀測時間為:3月25日、4月22日、5月21日，共3日；每天從早上9:00～晚上17:00，每次稱重間隔2 h，共計5次。稱重采用量程為30 kg，感量為0.001 kg電子秤；其余時間每天14:00稱量蒸發(fā)桶的總重量。蒸滲桶重量初始值均為實驗起始當天6個觀測點的土壤初始重量。

3 結果與分析

3.1 土壤貯水能力

森林生態(tài)系統(tǒng)對水循環(huán)的調(diào)節(jié)作用與該系統(tǒng)的蓄水結構及功能有著重要的關系。從結構來說，一是活的或死的生物量，另一個是土壤。而土壤的蓄水功能取決于土壤的物理結構和土壤水分的物理特征(見表1)[9]。

表1 集水區(qū)土壤水分物理性狀Table 1 Physical properties of soil moisture in catchment area

從表1 可以看出，Ⅱ區(qū)的杉木林地1 m深土層的最大持水量為550.9 mm，同時能看出，杉木林地0～20 cm土層的土壤容重低于20～40 cm土層及40～100 cm土層容重，而土壤總孔隙度容積和非毛管孔隙度容積則高于該兩深度土層容積[10]。

表2 不同土層深度含水量統(tǒng)計指標值Table 2 Statistical indicators of water content values in different soil depths

表2表明，各土層土壤水分統(tǒng)計指標值呈現(xiàn)出一定規(guī)律性的變化。在0～15 cm土層土壤含水量最高，隨土層深度增加，即含水量均逐漸減少，60 cm以下最小，土壤平均含水量為32.6%。0～15 cm土層土壤變異系數(shù)最大，土壤含水量平均變異系數(shù)為0.308，土壤垂直變異系數(shù)為0.331[11]。

根據(jù)表1和表2的值可將土壤水分垂直分布劃分為3個層次：土壤水分速變層、土壤水分活躍層、土壤水分次活躍層。杉木林地0～15 cm土層為土壤水分速變層，該層由于受林地林分郁閉度，地被物分布，光、溫、風等氣象等因子影響大，土壤與大氣間的水分交換強度大，土壤水分變化迅速，地表蒸發(fā)快，降雨時含水量迅速升高[11]。杉木林地15～30，30～45 cm兩個層次為土壤水分活躍層，標準差值大于3.5，且與速變層比較，顯著標準達到5%的水準，變異系數(shù)大于0.37。該層土壤水分的活躍程度不僅與氣象因子，而且與杉木根系活動有直接關系；降雨時從上層滲入的水分首先使該層蓄滿；在該層有大量的根系分布，土壤水分變化幅度大，具有明顯的季節(jié)性變化過程。杉木林地45～60 cm及大于60 cm層次為土壤水分次活躍層，其活躍性有所減弱。其標準差值小于3.5，且與速變層比較，顯著標準一般達到1%的水準，變異系數(shù)一般小于0.36。從變異系數(shù)的大小來判斷，本層土壤水分變異同時也受根系的影響。該層在林木強烈蒸騰耗水期和少雨生長季節(jié)可向林木供水，雨季則可起調(diào)蓄作用[11]。

圖1 3月份觀測日土壤水分分時動態(tài)變化(A.北坡; B.西北坡)Fig.1 Dynamic changes of soil moisture timeshare in observation day of March (A. north slope; B. Northwest slope)

圖2 4月份觀測日土壤水分分時動態(tài)變化(A.北坡; B.西北坡)Fig.2 Dynamic changes of soil moisture timeshare in observation day of April (A. north slope; B. northwest slope)

3.2 杉木林地土壤水分蒸發(fā)日變化

圖1 為實驗區(qū)位于北坡及西北坡6個蒸滲桶土壤含水量在3月25日觀測數(shù)據(jù)的分時變化趨勢；圖2為集水區(qū)6個蒸滲桶土壤含水量在4月22日觀測數(shù)據(jù)的分時變化趨勢，從圖中可以看出：

一天當中分時段來看，土壤水分普遍變化規(guī)律為:上午9:00至11:00水分呈顯著蒸散狀態(tài)，午后至下午15:00土壤水分顯著增加，15:00至傍晚土壤水分又開始出現(xiàn)蒸散趨勢。這種態(tài)勢在3月份比較明顯，而在4月份變化趨勢趨于緩和。

除了3月份位于西北坡山洼地段的6號試驗桶外，其他所有試驗桶在兩個觀測日中，每天上午9:00至下午13:00以前的土壤含水蒸發(fā)量變化波動幅度最大，自13:00以后波動趨于緩和。而且雖然每日分時段呈現(xiàn)波動狀態(tài)，但每日17:00左右和每日9:00左右的含水量接近，即日均含水量變化值不大。

從不同空間位置來看，位于西北坡的4號、5號、6號3個試驗桶土壤含水量蒸發(fā)變化波動比位于北坡的1號、2號、3號3個試驗桶更加顯著。其中:位于西北坡山洼的6號桶在兩個觀測日中的每日分時變化波動均最為顯著；

水平方向上，位于同一等高線上的試驗桶，西北坡山洼處的6號桶變化幅度明顯大于北坡山洼處的3號桶，同樣西北坡山坡處的5號桶變化幅度也明顯大于北坡山坡處的2號桶，西北坡山麓處的4號桶變化趨勢也大于北坡山麓處的1號桶；垂直方向上，在兩個觀測日，山洼地段的試驗桶每日分時段土壤含水量變化趨勢均明顯大于山坡和山麓地段的試驗桶。但山坡和山麓地段的試驗桶變化趨勢相近，無顯著差異。

3.3 杉木林地土壤水分日蒸發(fā)量

表3為5月21日測定的不同坡位6個蒸滲桶日蒸發(fā)量，位于北坡的3號桶日均蒸發(fā)量分別為7.25 g，累計蒸發(fā)量為29 g；位于同一水平位置上的6號桶，日均蒸發(fā)量為32.5 g，累計蒸發(fā)量為131 g，最大蒸發(fā)時段在9:00～11:00，該時段蒸發(fā)量最大，蒸發(fā)量為102 g，占日累計蒸發(fā)量的80%；同樣位于北坡2號桶日均蒸發(fā)量分別為10 g，累計蒸發(fā)量為40 g ，在11:00～13:00時，蒸發(fā)量達到了最大的18 g；水平對應位置的5號桶日均蒸發(fā)量為27.25 g，累計蒸發(fā)量109 g，最大蒸發(fā)量也是發(fā)生在9:00～11:00時段。1號位于北坡的上坡位，最大蒸發(fā)量同樣發(fā)生在9:00～11:00時段，4號桶同樣位于西北坡上坡位，日均蒸發(fā)量為31.25 g，累計蒸發(fā)量為125 g，日最大蒸發(fā)量為79 g，也是在9:00～11:00時段。

表3 土壤水分日蒸發(fā)量統(tǒng)計Table 3 Statistics of daily evaporation of soil moisture

從表3中還可以看出，土壤蒸發(fā)量從9:00～11:00時段后，蒸發(fā)量開始減少，進入11:00～13:00時段后，土壤水分蒸發(fā)量變小，4號桶在該時段蒸發(fā)量占日累計蒸發(fā)量25%左右;到13:00～15:00時段后，土壤水分蒸發(fā)量進一步變小，2、5、1號蒸發(fā)量維持在10 g，其余桶蒸發(fā)量均為達到10 g;在15:00～17:00時段，各點蒸發(fā)量都很微弱，3號桶蒸發(fā)量最大，為7 g，1號桶只有2 g。

總體上來說，西北坡蒸發(fā)量總體大于北坡蒸發(fā)量，但是到13:00～15:00時段后，2個坡位上的蒸發(fā)量趨于相似。

3.4 杉木林地土壤水分蒸發(fā)月變化

圖3為不同坡位試驗桶土壤水分蒸發(fā)月均變化曲線，起始時間為2012年3月1日，以后記錄每天各桶重量，初始值均為實驗開始當天6個觀測點的土壤初始重量，后將每天觀測數(shù)據(jù)減去初始值，并用后一天土壤含水量減去前一天土壤含水量后計算出其月平均土壤水分蒸發(fā)變化量。從圖中可以看出：

圖3 土壤含水量月均變化曲線Fig.3 Monthly change curves of soil moisture

6個觀測點的曲線變化趨勢基本一致，自3月開始月均蒸發(fā)量逐漸增加，于5月到6月之間達到最大峰值后逐漸回落，7月的月均蒸發(fā)量明顯回落至較低水平。

從不同坡向來看，北坡3個坡位的月均含水量變化幅度顯著大于西北坡3個坡位。其中:位于北坡山麓處的土壤月均蒸發(fā)量明顯變化波動幅度最大，且于4月至5月間蒸發(fā)量上升趨勢尤為明顯，其余5處坡位的土壤水分蒸發(fā)量曲線月均變化幅度趨于相似；而處于西北坡(山洼)處的土壤水分蒸發(fā)量在6月～7月之間下降態(tài)勢尤其明顯。

3.5 杉木林地土壤水分蒸發(fā)空間變化規(guī)律

圖4為位于山麓、山坡、山洼3個不同坡位的3組實驗桶平均土壤含水量的變化趨勢示意圖。從圖中可以看出：位于山麓處的土壤含水量最高，月均變化程度最顯著；位于山坡處的土壤含水量最低，月均變化程度最??；位于山洼處的土壤含水量中等，月均變化程度居中。但山洼處土壤水分在6月至7月之間較山麓和山坡處的土壤呈更加顯著的下降趨勢，土壤水分蒸發(fā)顯著。山坡處土壤水分蒸發(fā)量自5月起就呈現(xiàn)上升趨勢，其他坡位土壤蒸發(fā)量自6月起才呈現(xiàn)上升趨勢。

圖4 不同坡位土壤含水量變化曲線Fig.4 Soil moisture change curves on different slope positions

4 結論與討論

(1)影響土壤水分變化情況有很多因素，包括坡位、坡向、空氣濕度、空氣溫度、土壤溫度、土壤濕度、風速、降雨量等。從土壤水分日均變化情況來看，位于西北坡的土壤水分日均變化總體比北坡的幅度大，不同的坡向影響了空氣的流動情況，溫度、濕度也會存在差異，所以土壤水分變化情況不同[12-13]。

(2)土壤水分日蒸發(fā)量最大發(fā)生在9:00～11:00時段，該時段土壤水分蒸發(fā)量大原因可能是：第一，該時段土壤水分初始含量充足，接近最大含水量，而該時段氣溫迅速升高，濕度降低，所以土壤蒸發(fā)量比較大；第二，該時段葉片光合速率、蒸騰速率增大，土壤開始失水，所以導致土壤水分降低。進入11:00～13:00時段后，土壤水分蒸發(fā)量變小，這可能是因為土壤水分含量已經(jīng)減少，持續(xù)蒸發(fā)但蒸發(fā)量有所降低；到13:00～15:00時段后，土壤水分蒸發(fā)量進一步變小，可能是因為土壤進一步失水，溫度達到最高，空氣濕度最低，土壤水分含量接近最小持水量；在15:00～17:00時段，各點蒸發(fā)量都很微弱，可能的原因是氣溫降低，濕度升高，土壤水分失水等因素導致蒸發(fā)微弱。

(3)關于土壤水分日均蒸散量方面，蒸發(fā)桶日均蒸散量約為20～30 g；蒸發(fā)桶日累計蒸散量為80～110 g。由于春夏之交天氣多變，氣溫波動不大，土壤含水量充足，總體來說土壤水分蒸發(fā)量較小。另外，土壤水分日蒸發(fā)量最大的點是6號蒸發(fā)桶，日均蒸發(fā)量為32.5 g，累計蒸發(fā)量為131 g，最大蒸發(fā)時段在9:00～11:00，該時段蒸發(fā)量最大，蒸發(fā)量為102 g，占日累計蒸發(fā)量的80%，該點位于西北坡的下坡位，距離林緣較近，空氣流動性大，濕度、溫度變化大，是土壤水分變化較大主要原因。

(4)對于土壤水分蒸發(fā)月均變化情況而言，因為各月林內(nèi)溫度、濕度、降水量及植被覆蓋率不同，所以在不同月份土壤水分變化情況有差異。3月春季林地植被覆蓋率低，降溫量不大但持續(xù)時間較長，林內(nèi)地表平均溫度較低(約9.6℃)；七月夏季林地植被茂盛，降雨量大但歷時短，林內(nèi)地表平均溫度高(約27.1℃)，因此春季3～5月期間土壤含水量的平均變化程度較小，而夏季6～7月期間土壤含水量的平均變化程度較大[14-16]。

(5)就不同坡位而言，山麓、山坡和山洼地段的土壤水分蒸散變化的差異一方面是由于不同坡位土壤層厚度不一樣；另一方面，空氣流動程度和林下植被凋落物的種類和混合比例也存在差異。

綜上所述，杉木人工林林地土壤水分蒸發(fā)特性主要受空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、土壤含水量、降雨量等因素影響，在林木強烈蒸騰耗水期和少雨生長季節(jié)可向林木供水，雨季則可起調(diào)蓄作用。如何科學、系統(tǒng)的分析其蒸散量規(guī)律與這些因素之間的相互關系是后續(xù)需要重點開展的研究內(nèi)容。

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Spatial and temporal variation characteristics of soil moisture evaporation in Chinese fi r plantation

CHEN Yuan-yuan1, YAN Wen-de1,2, YANG Bo-su1,2, XIANG Wen-hua1,2, ZHAO Liang-sheng1
(1.National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China;2. Huitong National Field Station for Scientif i c Observation & Experiment for Chinese fi r Ecosystem, Huitong 418307, Hunan, China)

In order to study soil moisture evaporation law, complete storage of soil moisture and reduce water consumption, it is important to know about water motion law. The laws of diurnal variation, monthly variation and variation in different slope positions of soil water evaporation in Chinese fi r plantation were investigated by using the observational data of Chinese fi r plantation collected in the 2nd catchment area in Huitong National Field Station for Scientif i c Observation in 2012. The results show that the largest timeshare evaporation occurred during the 9:00～11:00 period in the observation day, the monthly evaporation reached a maximum peak around mid-June; the average change degree of soil moisture during the spring from March to May was smaller, while that during the summer from June to July was bigger; the soil moisture evaporation showed differences in different slope positions due to the soil thickness, the types and mixing ratio of the under-storey litters, the degree of air fl ow and so on. Combining these features, the formation causes of soil moisture evaporation were studied in order to provide a reference direction for later researches.

Chinese fi r plantation; soil moisture evaporation; soil moisture content; temporal and spatial characteristics

S715.4

A

1673-923X(2013)07-0125-06

2013-03-23

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201104005)

陳媛媛（1986-），女，湖南邵陽人，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)學、城市生態(tài)學研究

閆文德（1969-），男，甘肅武威人，教授，博士，主要從事生態(tài)學的教學與科研工作；E-mail：csfuywd@hotmail.com

[本文編校：吳 毅]