漓江上游貓兒山3種典型植被不同層次土壤的含水量

李海防, 趙明秀, 樊亞明, 趙連生, 王邵能, 趙 苡

(1.桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院, 廣西 桂林 541004; 2.貓兒山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局, 廣西 興安541316)

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漓江上游貓兒山3種典型植被不同層次土壤的含水量

李海防1, 趙明秀1, 樊亞明1, 趙連生2, 王邵能2, 趙 苡2

(1.桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院, 廣西 桂林 541004; 2.貓兒山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局, 廣西 興安541316)

摘要：[目的] 揭示漓江上游森林植被對(duì)降水產(chǎn)流的調(diào)節(jié)作用,客觀評(píng)估漓江上游水資源潛力,為流域水資源管理和森林經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 以漓江上游貓兒山林區(qū)的毛竹林(Phyllostachys pubescens)、荷木林(Schima superba)和杉木林(Cunninghamia lanceolata)3種典型森林植被為研究對(duì)象,比較不同層次土壤含水量及其影響因素。[結(jié)果] (1) 由于荷木林冠層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與毛竹林和杉木林相比,荷木林蓄水能力更強(qiáng);毛竹林、荷木林和杉木林3種植被垂直結(jié)構(gòu)明顯,導(dǎo)致土壤含水量垂直變化趨勢(shì)不同; (2) 荷木林土壤含水量都在高值變化,而杉木林土壤含水量都在低值變化;各層次土壤含水量與年降雨分配關(guān)系密切,隨著雨旱兩季變化,毛竹林、荷木林和杉木林不同層次土壤水分隨降雨變化趨勢(shì)基本一致; (3) 毛竹林土壤孔隙度大于木荷林和杉木林,但毛竹林的淺根性和速生性對(duì)表層土壤水含量影響更大。[結(jié)論] 大氣降水是土壤含水量變化的主要因素,土壤含水量是降雨與植被垂直結(jié)構(gòu)及蒸騰作用共同作用的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：貓兒山; 典型植被; 土壤含水量

文獻(xiàn)參數(shù)： 李海防, 趙明秀, 樊亞明, 等.漓江上游貓兒山3種典型植被不同層次土壤的含水量[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：69-73.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.013

土壤水分是維持陸地森林生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵，是影響流域徑流和地區(qū)水文循環(huán)的重要因子[1]。土壤與外界環(huán)境進(jìn)行水分的輸入輸出，同時(shí)，土壤水分通過壤中流不斷移動(dòng)，導(dǎo)致土壤含水量時(shí)刻變化[2]。土壤含水量由于降雨、植被、地形和土壤物理性質(zhì)等多種因素的影響，在空間、時(shí)間上發(fā)生變化，進(jìn)而影響森林的降雨產(chǎn)流過程[3]。同時(shí)，不同森林植被由于受植物根系和凋落物影響差異，不同層次土壤含水量差異也很大，因此，探究相同降雨條件下不同森林植被土壤水分動(dòng)態(tài)及其空間異質(zhì)性，對(duì)深入了解森林系統(tǒng)與降水產(chǎn)流、地表徑流、河川徑流的關(guān)系，具有重要的參考價(jià)值，對(duì)調(diào)整林業(yè)建設(shè)和人工植被的生態(tài)管理具有重要的生態(tài)意義[4]。

貓兒山位于桂林東北，是漓江重要的發(fā)源地。近十幾年來，漓江“缺水”問題日漸突出，給當(dāng)?shù)厣剿糜螛I(yè)帶來嚴(yán)重影響。如何提高漓江上游森林水源涵養(yǎng)功能，保護(hù)漓江流域山水景觀，促進(jìn)桂林山水旅游的可持續(xù)發(fā)展，具有現(xiàn)實(shí)的緊迫性[5]。

本研究以漓江上游貓兒山林區(qū)為研究區(qū)，比較分析毛竹林(PhyllostachysPubescens)、荷木林(Schimasuperba)和杉木林(Cunninghamialanceolata)3種典型森林植被土壤含水量，以期為揭示漓江上游森林植被對(duì)降水產(chǎn)流的調(diào)節(jié)作用，客觀評(píng)估漓江上游水資源潛力，加強(qiáng)流域水資源管理和森林經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

貓兒山位于廣西東北部，東經(jīng)110°20′—110°35′，北緯25°48′—25°58′，總面積為1.7×104hm2。屬中亞熱帶山地氣候，年降水量在2 100 mm以上，年平均氣溫12.8 ℃。流域降雨量年內(nèi)分配極不均勻，每年3—8月的豐水期，雨量約占全年的76%，9月至翌年2月的枯水期，降雨量?jī)H占全年的24%。森林覆蓋率達(dá)96.5%，植被類型多樣。貓兒山海拔279.5～2 141.5 m，植被垂直分帶明顯，從山腳到山頂，依次出現(xiàn)竹林、常綠闊葉林、常綠針闊葉人工林、常綠落葉闊葉混交林、常綠針闊葉混交林、高山矮林和山頂灌草叢等類型[5]。其中，海拔1 000 m左右地勢(shì)平緩，土壤深厚，植被典型。

2研究方法

2.1樣地設(shè)置

由于降雨量隨海拔變化差距很大，本研究在對(duì)林區(qū)植被全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，為提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可比性，選擇距離較近的，有代表性的毛竹林、荷木林和杉木林3種典型森林植被為研究對(duì)象，每個(gè)林型設(shè)置1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水量平衡場(chǎng)，面積為10 m×20 m，同步監(jiān)測(cè)比較不同層次土壤含水量。3種植被土壤類型一致，本底值見表1。

表1　3種林型本底值特征

2.2降雨量和土壤含水量同步測(cè)定

在研究區(qū)山脊空曠地設(shè)置自記式雨量計(jì)(JL-21)，觀測(cè)次降雨過程，記錄降雨量、降雨歷時(shí)、平均降雨強(qiáng)度等指標(biāo)。土壤含水量利用森林土壤水分自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(SMR101 A-5，MadgeTech，美國(guó))同步定位測(cè)定3種植被不同層次的土壤溫度和土壤體積含水量，根據(jù)樣地土壤實(shí)際情況，本研究測(cè)定了0—20，20—50，50—80 cm這3個(gè)層次的土壤含水量。每個(gè)林型各層次土壤都設(shè)置2個(gè)探頭，所有數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為5 min，全年數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，不定期下載[4]。

2.3土壤滲透性和土壤物理性質(zhì)的測(cè)定

在各樣地內(nèi)，挖取土壤剖面，用環(huán)刀(內(nèi)徑10 cm，高20 cm)分別在0—20，20—50，50—80 cm土層取自然狀態(tài)土樣，帶回室內(nèi)用于物理性質(zhì)分析。室內(nèi)浸泡36 h后，用“單環(huán)有壓入滲法”測(cè)定土壤滲透性。測(cè)定時(shí)將裝有原狀土柱的環(huán)刀下端套上有網(wǎng)孔且墊有濾紙的底蓋，上端放置一個(gè)大小與環(huán)刀一致，高5 cm的塑料環(huán)。將上下接口密封，嚴(yán)防漏水。將結(jié)合好的環(huán)刀放在漏斗上方，漏斗下面接盛水容器。從上方向環(huán)內(nèi)加水，保持水與環(huán)的上沿持平，即保持5 cm的水頭。試驗(yàn)過程中每隔1 min稱量并記錄1次通過土柱滲透出的水量，直到單位時(shí)間內(nèi)滲出的水量相等為止[6]。用“浸水法”測(cè)定各層次土壤的容重，毛管孔隙度，非毛管孔隙度和總孔隙度等指標(biāo)[7]。

2.4數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 16.0進(jìn)行方差、相關(guān)及回歸分析。采用最小顯著差異法(LSD)比較3種植被各層次土壤含水量差異，采用Pearson相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)土壤含水量和降雨量的相關(guān)性。

3結(jié)果與分析

3.13種植被土壤含水量比較

對(duì)3種典型植被土壤含水量進(jìn)行比較分析(表2)，可見年平均含水量差異極顯著(p<0.01)，0—20 cm土壤含水量大小順序?yàn)椋汉赡玖?50.53%)>毛竹林(39.71%)>杉木林(36.75%)，表明荷木林的地上植被結(jié)構(gòu)以及地表枯枝落葉層的理化性質(zhì)，更有利于保護(hù)地表土壤水分，土壤蓄水能力增強(qiáng)。而20—50 cm土壤含水量大小順序?yàn)椋汉赡玖?43.70%)>毛竹林(41.06%)>杉木林(32.04%)，50—80 cm土壤水分大小順序?yàn)椋汉赡玖?46.27%)>毛竹林(42.97%)>杉木林(31.47%)，荷木林各層次土壤含水量均高于毛竹林和杉木林。這是由于荷木林冠層結(jié)構(gòu)比毛竹林和杉木林更復(fù)雜[8]，而冠層厚度、冠層郁閉度、枝葉生物量及枝葉吸水性等多種因素直接影響了降雨的林冠截留，導(dǎo)致荷木林下土壤更有利于水分的存儲(chǔ)。而杉木林可能是由于地表層土壤孔隙通道親水性降低而堵塞，水分難以進(jìn)入土壤，含水量低于其他兩種植被[9]。

對(duì)比同一植被不同層次土壤含水量，可見毛竹林、荷木林和杉木林土壤含水量垂直變化趨勢(shì)明顯不同(表2)。隨著土壤深度的增加，毛竹林土壤含水量自上而下逐漸增加；荷木林土壤表層含水量最高，至20—50 cm降低，50—80 cm土壤含水量又升高；杉木林表層土壤水分最高，隨土層深度增加，含水量的變化基本呈下降趨勢(shì)，20—50 cm土壤減小，至50—80 cm土壤含水量略有升高。這說明不同植被由于受地上林冠層和地下根系等多種因素的影響，其土壤含水量的垂直變化是很復(fù)雜的。地上林冠層不僅能調(diào)節(jié)林下蒸散速度和林上蒸騰速度，影響各層次土壤含水量[10]，而且，森林植被通過凋落物性質(zhì)和根系的擴(kuò)張，改變地表土壤理化性質(zhì)和土壤通透度，加快地表水分入滲。在本研究中，毛竹林為速生，淺根性樹種，荷木林為慢生，深根性樹種，杉木林為速生，深根性樹種，3種植被土壤含水量垂直變化趨勢(shì)，正是植被自身垂直結(jié)構(gòu)的反映。

表2　不同植被各層次土壤含水量變化　%

3.2不同層次土壤含水量月動(dòng)態(tài)變化

森林植被對(duì)土壤水分的影響格局不同[11]，通過2013年8月至2014年7月對(duì)3種典型森林植被不同層次土壤水分含量進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，土壤含水量隨降雨的水平動(dòng)態(tài)分布見圖1。結(jié)果顯示，毛竹林、荷木林和杉木林0—20 cm土壤含水量1 a中的變化范圍分別在38.01%～41.19%，47.55%～53.84%和35.01%～38.61%，20—50 cm層土壤含水量的變化范圍分別在39.04%～42.78%，41.08%～49.37%和30.61%～33.97%，50—80 cm層土壤含水量的變化范圍分別在38.26%～50.07%，42.42%～48.39%和27.60%～34.51%。荷木林3個(gè)層次土土壤含水量都在高值變化，而杉木林土壤含水量都在低值變化。從土壤含水量月動(dòng)態(tài)變化來看(圖1)，各層次土壤含水量與年降雨分配關(guān)系密切，隨著雨旱兩季變化，毛竹林、荷木林和杉木林不同層次的土壤含水量變化趨勢(shì)基本一致，各層次土壤含水量在9月至翌年2月處于較低水平，3月份以后土壤含水量處于上升時(shí)期。其中，毛竹林和荷木林變化趨勢(shì)明顯，而杉木林表層土壤雨旱兩季變化趨勢(shì)不明顯，這可能與杉木林樣地海拔略低，受局部小氣候的影響，說明林地各層次土壤含水量主要受到降雨的影響，但又與地形、植被結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)等多種因素有關(guān)[12-13]。

3.3土壤含水量影響因素

由表3可以看出，毛竹林、荷木林和杉木林3個(gè)層次土壤含水量與降雨量的相關(guān)性都極顯著，降雨是影響土壤含水量的主要因素。但滲透性良好的土壤，水分能迅速地進(jìn)入土壤貯存起來或轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵聫搅鱗6]。在表3中，3種植被的土壤滲透性差異明顯(p<0.05，n=3)，在相同的立地條件下，毛竹林的土壤滲透性最好，3層土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率平均值分別為5.70和0.38 mm/min，杉木林的土壤滲透性能最差，初滲速率和穩(wěn)滲速率平均值分別為5.26和0.16 mm/min。但土壤的滲透性并不能代表降雨對(duì)各層次土壤的影響程度，降雨的入滲還與地下根系的密度、根系的直徑、土壤微生物活性、土壤的結(jié)構(gòu)和孔隙度等多種因素有關(guān)[14]。在3種林型中，毛竹林土壤總孔隙度最高(p<0.05，n=3)，3層土壤平均值達(dá)到59.20%，荷木林居中，3層土壤總孔隙度平均值為54.51%，杉木林土壤總孔隙度最低，平均值為54.36%。毛竹林的總孔隙度最高，但土壤含水量較低，說明植物根系可以通過土壤水分的入滲及蒸騰作用對(duì)表層土壤含水量產(chǎn)生影響。

4討論與結(jié)論

(1) 3種林型不同層次土壤含水量比較。通過對(duì)毛竹林、荷木林和杉木林3種典型植被不同層次土壤含水量進(jìn)行比較分析，得出以下結(jié)論，與毛竹林和杉木林相比，荷木林的蓄水能力更強(qiáng)，這與黃榮珍[15]等人的研究結(jié)果類似。不同植被由于林下枯枝落葉數(shù)量和分解狀況的不同，對(duì)土壤的容重、孔隙度以及入滲速率的影響也不同[15]。木荷林地上部分覆蓋良好，地表有較多的枯落物，降低了地表土壤水分的蒸發(fā)，增加森林土壤孔隙度，提高水分下滲至土壤深處的能力。由于植被垂直結(jié)構(gòu)差異，毛竹林、荷木林和杉木林從上到下不同層次土壤含水量變化趨勢(shì)明顯不同。隨著土壤深度的增加，木荷林地和杉木林地的變化趨勢(shì)均較為接近，0—20 cm含水量最高，20—50 cm土壤含水量減小，至50—80 cm土壤含水量有所升高，而毛竹林的變化明顯與木荷林、杉木林不同，0—20 cm含水量最小。這可能是由于毛竹林屬于淺根性樹種，植物根系集中于表層0—20 cm范圍內(nèi)，20 cm以下植物根系較少，而荷木林和杉木林在20—50 cm層有較多根系分布，根系產(chǎn)生的蒸騰作用對(duì)土壤含水量的影響更大。

注：誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差。

注：**土壤含水量與降雨量相關(guān)性極顯著。

(2) 土壤含水量影響因素。土壤含水量是降水等氣候因素與土壤特性綜合作用的結(jié)果，土壤含水量體現(xiàn)了大氣降水與土壤、植被、地貌等因素的相互關(guān)系[16]。由于荷木林林冠層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，荷木林土壤含水量都在高值變化，而杉木林土壤含水量都在低值變化。3種植被各層次土壤含水量與年降雨分配關(guān)系密切，隨著雨旱兩季變化，毛竹林、荷木林和杉木林不同層次的土壤水分隨降雨變化趨勢(shì)基本一致，降雨量峰值與各層次土壤含水量變化峰值出現(xiàn)基本一致，這一結(jié)果與對(duì)王小明等[17]的研究結(jié)果相似。在土壤含水量影響因素方面，大氣降水是土壤含水量變化的主要因素，降雨量在很大程度上控制著土壤水分[18-20]。表層土壤水分主要受控于氣候條件，特別是受降雨和地表蒸發(fā)的影響[21]，土壤含水量變化劇烈程度，通常被稱為土壤水分活躍層。毛竹林表層土非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度都大于木荷林和杉木林，有利于降水的土壤入滲，但荷木林的土壤含水量明顯大于毛竹林和杉木林。說明毛竹林的淺根性和速生性對(duì)表層土壤水含量影響更大，同時(shí)，毛竹林冠郁閉度差，地表蒸發(fā)較快，因而對(duì)地表層土壤水含量影響最大。此外，各層次土壤含水量也與植物的蒸騰作用這一重要因素有關(guān)，植物的蒸騰較為復(fù)雜，不僅與其生物學(xué)特性密切相關(guān)，而且受土壤、光照、溫度和濕度等外部因子的影響[22-23]。目前，植物蒸騰作用的研究還多集中在苗木和單株樹木的研究上[23]，對(duì)植被群體蒸騰的研究還相對(duì)較少，且植物的蒸騰作用在不同時(shí)間和空間尺度上的變化很大[24]，因而在本研究中沒有涉及。但前人研究表明，毛竹林、荷木林和杉木林的蒸騰作用差別很大，必將對(duì)不同層次土壤含水量產(chǎn)生重要影響[24-26]?？傊?，不同層次土壤含水量是降雨與植被垂直結(jié)構(gòu)及蒸騰作用共同影響的結(jié)果。

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收稿日期：2015-06-19修回日期：2015-08-21

通訊作者：樊亞明(1978—),男(漢族),湖北省咸寧市人,博士,副教授，主要從事景觀生態(tài)學(xué)和生態(tài)規(guī)劃教學(xué)與科研工作。E-mail:51661906@qq.com。

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0069-05

中圖分類號(hào)：S715.3

Soil Water Content Under Three Typical Forests of Mao’er Mountain in Upper Reaches of Lijiang River

LI Haifang1, ZHAO Mingxiu1, FAN Yaming1, ZHAO Liansheng2, WANG Shaoneng2, ZHAO Yi2

(1.SchoolofTourism,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004,China;2.Mao’erMountainNationalNatureReserveAdministration,Xing’an,Guangxi541316,China)

Abstract：[Objective] Studying relationships between forest vegetation and its hydrological effects, and evaluating the water resources potential in the upper reaches of Lijiang river in order to provide scientific basis for water resources management and forest management. [Methods] Changes of soil water content at different soil layers in three typical forests including Phyllostachys pubescens, Schima superba and Cunninghamia lanceolata were studied in Mao’er mountain in the upper reaches of Lijiang River. [Results] (1) Due to the complicated canopy structure, higher water storage was found in S. superba. There was an obvious difference in the vertical variation of soil water content in different soil layers because of the vertical vegetation structure. (2) Soil water content in S. superba varied within higher values, while it changed within lower values in C. lanceolata. Soil water content at different soil layers significantly correlated with the precipitation, and the three typical forests showed a same changing trend with annual rainfall. (3) Soil porosity in P. pubescens was higher than that in S. superba and C. lanceolata and its property of shallow root and fast growing exerted great effects on surface soil water content. [Conclusion] Precipitation is the most important factor that influence soil water content, and the variation of soil water content is the result of rainfall and vertical vegetation structure and transpiration.

Keywords:Mao’er mountain; typical forest; soil water content

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“漓江上游典型植被蓄水—釋放機(jī)理及水文響應(yīng)”(41261006); 廣西貓兒山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)漓江源森林群結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

第一作者：李海防(1974—),男(漢族),山東省萊陽市人,博士后,教授,碩士生導(dǎo)師，主要從事景觀生態(tài)學(xué)教學(xué)與科研工作。E-mail:373156070@qq.com。