武陵山區(qū)小流域4種植被類型土壤水分動態(tài)變化

羅 佳 ，周小玲 ，田育新 ，陳建華 ，張 珉 ，鄧 楠 ，陳 藝

（1.中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004；2.湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004；3.湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，湖南 慈利 427200）

土壤水分作為土壤的時空連續(xù)變異體以及重要狀態(tài)參數(shù)[1]，受人為與自然多個因子復雜影響而存在明顯的空間異質(zhì)性，對土壤－大氣－植被傳輸體中的水土過程與物質(zhì)運移存在重要的影響[2]，進而影響森林與樹木生長多項服務功能。土壤水分的相關研究主要集中在土壤水分對降水的響應、土壤水分與植被關系等方面[3-6]。相關研究發(fā)現(xiàn)，降雨對表層土壤含水量有顯著影響，隨著土層深度增加，土壤含水率對降雨的響應逐層減弱[7]，也有學者指出林地的土壤水分對降雨的響應會隨著林分密度的增加而降低[8]。因為土壤水分受生境條件及其相互作用的共同影響，同時，地表植被類型、覆蓋范圍和生長量在一定程度上影響土壤含水量的變化。不同地區(qū)的研究結果有的相同，也有不同甚至相反，同一地區(qū)的不同時間段也是不同的[9-10]。土壤水分狀況是多重環(huán)境因子共同作用的結果，主要與氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件有關[11]。近年來，有關土壤水分的研究多集中在不同人工純林土壤水分條件之間的對比分析[12]，尺度上集中在坡面尺度和區(qū)域尺度等方面[13-14]，各研究結果得出土壤水分的主導因子并不相同[11]。對小流域不同植被類型土壤水分研究較少；同時，關于林地土壤水分對降雨響應的研究多以單一林地作為研究對象，對人工純林的土壤水分與人工混交林地、天然次生純林地土壤水分的對比研究并不多見。為此，本研究選擇武陵山區(qū)4種植被類型為研究對象，對其不同土層深度降雨前后水分動態(tài)變化進行測定與分析，闡明影響土壤水分的主導因素與相互關系，以期為該區(qū)域林水綜合管理、流域科學治理以及森林多功能高效經(jīng)營等提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湘西武陵山區(qū)女兒寨小流域（E111°12′42.836″N，29°25′27.582″），地處湖南省張家界市慈利縣零陽鎮(zhèn)兩溪村，距慈利縣城西北大約7 km，為澧水二級小支流，大致呈南北向。小流域總面積3.15 km2，最低海拔（主溝出口處）210 m，最高海拔917.4 m，主溝長約1.2 km，主溝縱比降約28.4‰。森林覆蓋率80%以上，植被類型以退耕還林和次生林為主，該區(qū)是退耕還林集中連片區(qū)。成土母巖為砂頁巖為主，土壤主要為黃紅壤。本流域主要植被類型有杜仲Eucommia ulmoides人工林、馬尾松Pinus massoniana林、柑桔Citrus reticulata及一些雜灌林。

1.2 研究方法

1.2.1 植被類型選擇

本研究選取武陵山區(qū)小流域4種典型植被類型為研究對象，分別是馬尾松林、楓樟混交林、杜仲林，坡耕地作為對照，之所以選擇這3個主要的退耕還林植被類型，是因為這3個樹種在湘西地區(qū)種植面積較大，不同林分林齡基本一致；另外，地理環(huán)境基本一致，也是退耕還林的主要栽植樹種。各標準地基本特征，如表1所示。

表1 標準樣地特征Table 1 Characteristics of standard plots

1.2.2 樣地設置

在4個典型植被類型設定30 m×30 m標準樣地，在每個標準樣地內(nèi)設置3個1 m×1 m的土壤含水量監(jiān)測點，不同監(jiān)測點相距約20.0 m，用pvc管標定監(jiān)測點。根據(jù)監(jiān)測儀器探針不同長度（7.5、12.0、20.0 cm）測試不同土層深度淺地表層（7.5 cm）、中地表層（12.0 cm）和深地表層（20.0 cm）降水前1天，降水后第1天、第2天、第3天土壤持水量。測試時間為2015年6月29日到7月3日，分別在每天的6:00、10:00、14:00、18:00進行土壤含水量測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)獲取

應用美國SPECTRUM TDR300土壤水分測定儀測定降雨前后各植被類型監(jiān)測樣地土壤水分動態(tài)變化[15]。氣象環(huán)境因子數(shù)據(jù)由該區(qū)小氣候觀測場獲得，主要包括大氣降水、大氣溫度、地面溫度、相對濕度、蒸發(fā)量、風速和地下溫度等。

2 結果與分析

2.1 降雨前后不同土層深度土壤含水量動態(tài)分析

觀測時間內(nèi)的不同樹種土壤含水量平均值±標準差，如表2所示。在淺地表層和中地表層（7.5、12.0 cm）處，4個樣地含水量均呈現(xiàn)顯著差異，含水量最大的均是杜仲林，其次是楓樟混交林，含水量最低的是坡耕地。在土層7.5～12.0 cm處，不同植被覆蓋下土壤水分沿垂直剖面的變化趨勢呈現(xiàn)降低型，各植被類型土壤含水量的垂直變化特征體現(xiàn)為隨著土壤深度增加而減少。在深地表層（20.0 cm）處，杜仲林和楓樟混交林差異不顯著，馬尾松林與坡耕地差異顯著。土壤含水量依次為杜仲林＞楓樟混交林＞馬尾松林＞坡耕地。在3個土層深度，土壤含水量均為杜仲林＞楓樟混交林＞馬尾松林＞坡耕地。這說明森林具有較好的水土保持與涵養(yǎng)水源能力，地表植被、林木的枯枝落葉層降低了土壤的呼吸和蒸騰作用，減少了水分的流失，其中促進作用最大的是杜仲林。

1）土層深度7.5 cm

在土層深度7.5 cm處，不同植被類型土壤含水量差異顯著（圖1），試驗第1天，隨著土壤水分蒸發(fā)，4種植被類型的土壤含水量均呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢。試驗第2天是雨天，土壤含水量出現(xiàn)了一個大幅度的提升，在10:00左右達到頂峰，之后開始緩慢下降，下降速度最快的是杜仲林，呈現(xiàn)直線下降，說明降雨后，杜仲林內(nèi)7.5 cm處的土壤水分滲透速度較快。杜仲林土壤含水量在第3天出現(xiàn)大幅度上升，隨后極速下降，趨于平穩(wěn)。馬尾松林、楓樟混交林和坡耕地的土壤含水量變化較小。說明在淺地表層，土壤的含水量主要來自于降水和地表枯落物的自有持水量。降水量對淺地表層土壤含水量影響較大。

表2 不同土層深度土壤含水量差異性分析?Table 2 Difference analysis on soil moisture content under different soil depth %

圖1 土層深度7.5 cm時各林地土壤含水量日變化動態(tài)Fig.1 Soil moisture date dynamic changes in different forest land at soil depth of 7.5 cm

2）土層深度12.0 cm

在土層深度12.0 cm處，不同植被類型土壤含水量差異顯著（圖2），同樣在試驗第2天，降水時4種植被類型土壤含水量出現(xiàn)了緩慢的上升，但是上升的幅度小于淺地表層（7.5 cm），降水后4種植被類型土壤含水量趨于平緩。隨著時間的推移，土壤含水量的變化較小。說明降水在經(jīng)過淺地表層后，部分降水被截留，到達中地表層（12.0 cm）的降水量有所減少。在中地表層，降水對土壤含水量影響遠遠小于淺地表層，但土壤含水量還是以土壤自身的持水量為主。

3）土層深度20.0 cm

在土層深度20.0 cm處，杜仲林和楓樟混交林差異不顯著，而與馬尾松林、坡耕地差異顯著（圖3）。在第2天下雨時，杜仲林和楓樟混交林的土壤含水量有小幅度提高，而馬尾松林和坡耕地變化的幅度較小。降水在經(jīng)過淺地表層（7.5 cm）和中地表層（12.0 cm）的截留后，在杜仲林和楓樟混交林中有部分到達深地表層，而在馬尾松林和坡耕地，基本沒有降水滲透到深地表層（20.0 cm）。這說明，在杜仲林和楓樟混交林中，0～20.0 cm的土壤比較疏松，土壤空隙比較大，而在馬尾松林和坡耕地，土壤較為板結，水分很難到達地下20.0 cm處。

圖2 土層深度12.0 cm時各林地土壤含水量日變化動態(tài)Fig.2 Soil moisture date dynamic changes in different forest land at soil depth of 12.0 cm

圖3 土層深度20.0 cm時各林地土壤含水量日變化動態(tài)Fig.3 Soil moisture date dynamic changes in different forest land at soil depth of 20.0 cm

2.2 降水前后不同土層深度土壤含水量日動態(tài)變化

降水前，4種植被類型的土壤含水量比較穩(wěn)定，在前地表層（7.5 cm），4種植被類型的土壤含水量在氣象因子溫度、風速等的影響下緩慢的減少，而在中地表層（12.0 cm）和深地表層（20.0 cm），4種植被類型的土壤含水量基本保持在一定的水平，只有中地表層（12.0 cm）的坡耕地土壤含水量在減少。說明在沒有地表的植被和枯落物的坡耕地，蒸騰作用影響到了中地表層（12.0 cm），而有地表植被和枯落物的杜仲林、楓樟混交林、馬尾松林，蒸騰作用只影響到淺地表層（7.5 cm），再一次證明植被和枯落物能夠涵養(yǎng)水源，起到保持水份的作用。

降水后，4種植被類型的土壤含水量有提升，提升幅度最大的是淺地表層（7.5 cm）的馬尾松林，其次是中地表層（12.0 cm）的坡耕地。在馬尾松林的淺地表層，由于地表其他的植被比較少，且針葉比較細，保持水分的能力弱于杜仲林和楓樟混交林的枯落物，在雨滴降落到地面以后，雨水會迅速的進入土壤，被淺地表層的土壤吸收。在坡耕地，同樣由于地表覆蓋較少，雨滴落到地面后進去土層，而在淺地表層中，土壤中沒有較多保持水分的有機物，雨水穿過淺地表層（7.5 cm）進入中地表層（12.0 cm），提高了坡耕地中地表層的土壤含水量。

2.3 降水前后土壤含水量與環(huán)境因子的關系

試驗期間處于6月末7月初，植物生長迅速，蒸騰量大，但隨之降水進入高峰期，降水除用于植物蒸騰和土壤蒸發(fā)以外，還有部分降水補給土壤水分，土壤含水量達到高峰值。降水前后土壤含水量與環(huán)境因子的關系，如表3所示。在降水前，土壤的含水量與風速和大氣溫度都呈負相關的關系（相關系數(shù)分別為-0.158和-0.653），土壤含水量與濕度呈正相關的關系（R2=0.544）。降水后，土壤的含水量同樣與風速和大氣溫度呈負相關的關系（相關系數(shù)分別為-0.244和-0.579），土壤含水量與濕度呈正相關的關系（R2=0.677）。說明大氣相對濕度越大，不同植被類型的土壤含水量也越高；而風速和大氣溫度越高時，土壤的蒸發(fā)能力較高，土壤含水量較小。

3 討 論

植物群落顯著影響著土壤水分的補給和利用，但在不同區(qū)域不同植被類型的土壤含水量差異較大，在半干旱和半濕潤地區(qū)，植被蒸散發(fā)強烈，同時這些區(qū)域降水量較小，長期過度消耗土壤深層貯水，形成了大量土壤干層[16]，不利于植物生長發(fā)育。黃志剛等[17]研究南京城郊不同坡地土壤水分動態(tài)，指出土壤深層含水率受到不同土地利用方式的顯著影響；本研究也得出與此相近的結論，在土壤深層（20.0 cm處）坡耕地的土壤含水量差異比較顯著，而杜仲林和楓樟混交林不顯著。干旱地區(qū)植被對降水的依賴性較弱，對缺水環(huán)境適應性較強，濕潤區(qū)植被對土壤有效水吸收較快，易導致土壤供水緊張，本研究發(fā)現(xiàn)在淺地表層和中地表層（7.5 cm、12.0 cm）處，4種植被類型的土壤含水量較高，隨降水量的增加，土壤含水量明顯增大，但在深層土壤（20.0 cm）處，4種植被類型土壤含水量低于表層，這就使得植被大量吸收表層土壤水分，引起表層土壤供水不足。

表3 林地土壤含水量與環(huán)境因子的關系 ?Table 3 Relationship between soil moisture content and environmental factors in forest land

從本研究實驗數(shù)據(jù)可以看出，降水可以顯著提高土壤含水量，但不同的植被類型及不同的土層深度，提高程度不同。土壤越疏松，土壤空隙越大的植被類型，土壤含水量提高越快，下滲也很快。杜仲林的土壤含水量無論是降水前還是降水后，都比其他3個植被林分要高，且降水能夠到達更加深的土層中。林地植被在生長發(fā)育過程中，形成大量根系，根尖呈圓柱體擴大，向周圍土壤產(chǎn)生軸向壓力，可在土壤中形成大量孔隙，提高林地入滲性能，根系腐爛后，大孔隙并未消失。其次，枯枝落葉被分解后歸還土壤，影響土壤結構[18]：一方面，枯枝落葉層為各種微生物提供食物營養(yǎng)，而這些生物的活動在土體內(nèi)產(chǎn)生大孔隙，增加土壤的入滲能力；另一方面，枯落物分解后形成腐殖質(zhì)或非腐殖質(zhì)，使土壤顆粒形成穩(wěn)固的團粒結構，且具有大量孔隙，土體變得疏松，透水能力增強。

本研究發(fā)現(xiàn)在不同土層深度和整個實驗期間，不同植被土壤含水量大小均為杜仲林＞楓樟混交林＞馬尾松林＞坡耕地，說明杜仲林和楓樟混交林的的土壤持水能力最強，原因是杜仲林和楓樟混交林作為闊葉樹種，生長快，根系深入土壤，形成了大量的孔隙，有助于降水和水分下滲；另外，杜仲林和楓樟混交林的枯落物儲量也大于馬尾松林和坡耕地，針葉樹的枯落物儲量較少，坡耕地長期耕作，枯落物最少，并且土壤板結程度高于有林地，降水和水分不易下滲，故坡耕地的土壤含水量最低。4種植被類型的林分，涵養(yǎng)水源最強的是杜仲林，其次是楓樟混交林，然后是馬尾松林。馬尾松林是針葉林，針葉比較硬，不容易被微生物等分解，所以枯枝落葉留在地表層，沒有進入土壤中，改變土壤結構。且針葉落下后，厚厚的一層鋪在地表，阻擋了其他植被生長需要的陽光，所以馬尾松林下基本沒有其他的植被生長，土壤與其他3個植被類型的相比，相對比較的緊密，雨水滲透很緩慢，大部分的雨水會變成地表徑流，這對涵養(yǎng)水源是非常不利的[19-20]。涵養(yǎng)水源最差的是坡耕地，因為人類的活動比較的頻繁，造成土壤水分和養(yǎng)分流失比較嚴重，人們在坡耕地上勞作時，必須種植地表覆蓋程度高的作物，采取免耕或者深耕的方式，提高坡耕地蓄水的能力[21]。

土壤水分空間變化的影響因素不盡相同，地形、地貌、植被等不同陰雨均對林地土壤含水量造成差異發(fā)生地塊尺度的分異[22-23]。本研究中不同植被類型土壤含水量的主導因素大致相近，土壤含水量主要受降水因子的主導，降水后不同植被類型的土壤含水量均顯著增加，不同植被類型間土壤含水量差異主要與樹木特性有關，根系發(fā)達、枯落物儲量高的樹種，其土壤含水量較高。從氣象因素看，本研究在區(qū)域尺度上環(huán)境因素一致，本研究結果表明風速、大氣溫度和相對濕度是影響土壤含水量的的主要因素，當大氣溫度越高時土壤含水量越低，二者呈反相關；而相對濕度越高時土壤含水量也越高，二者呈顯著的正相關關系。相關學者也指出，地表蒸發(fā)量也是影響不同植被土壤含水量差異的主要因子，蒸發(fā)量越高，土壤含水量也越低[24]；另外，其他環(huán)境因子如海拔、溫度和坡向等環(huán)境因子通過間接的影響地表蒸散發(fā)[25]，導致土壤水分的支出遠大于收入，土壤水-大氣水循環(huán)嚴重失衡，才出現(xiàn)這種結果。環(huán)境因子對土壤水分的作用機理比較復雜，它們之間的交互作用促進或者削弱對土壤含水量的作用，本研究中4種植被類型因地形而表現(xiàn)出復雜的空間變化特征，各環(huán)境因子之間相互作用使土壤含水量的差異比較明顯。總之，不同植被類型土壤含水量的變化是多個環(huán)境因子共同作用的結果，但在區(qū)域尺度上，年降水量對該區(qū)域土壤含水量的變化差異居主導地位，同時在生態(tài)植被建設時，還需充分考慮區(qū)域空間潛在蒸散能力。

4 結 論

所有觀測時間內(nèi)，在7.5 cm和12.0 cm土層深度處，4種植被類型土壤含水量最大的均是杜仲林，其次是楓樟混交林，最低的是坡耕地，土壤水分隨深度增加而降低；在20.0 cm土層深度處，杜仲林和楓樟混交林差異不顯著，馬尾松林與坡耕地差異顯著；3個土層深度下，4種植被類型土壤含水量均為杜仲林＞楓樟混交林＞馬尾松林＞坡耕地。降水前4種植被類型的土壤含水量均比較穩(wěn)定，只在7.5 cm和12.0 cm處緩慢減少；降水后，4種植被類型的土壤含水量明顯增加，增加幅度最大的是7.5 cm的馬尾松林，其次是12.0 cm

的坡耕地。降水前后，4種植被類型的土壤含水量與風速和大氣溫度均呈負相關關系，土壤的含水量與濕度呈正相關關系；大氣相對濕度越大，不同植被類型的土壤含水量也越高；而風速和大氣溫度越高時，土壤含水量較小。綜合分析表明杜仲林的土壤含水量最大，其作為生態(tài)經(jīng)濟型樹種，具有較好的水源涵養(yǎng)能力，可大面積示范推廣有利于提高研究區(qū)的生態(tài)效益。