宋小帥, 康峰峰, 韓海榮, 于曉文, 胡景東, 趙偉紅, 高 晶, 趙金龍, 韓樹文

(1北京林業(yè)大學 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室， 北京100083； 2河北省平泉縣林業(yè)局， 河北 平泉 067500)

遼河源典型森林類型的土壤水文效應

宋小帥1, 康峰峰1, 韓海榮1, 于曉文1, 胡景東2, 趙偉紅1, 高 晶1, 趙金龍1, 韓樹文2

(1北京林業(yè)大學 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室， 北京100083； 2河北省平泉縣林業(yè)局， 河北 平泉 067500)

摘要：[目的] 研究遼河源地區(qū)典型森林類型林下土壤的水文效應，為遼河源森林生態(tài)系統(tǒng)健康的監(jiān)測和評價提供理論佐證。[方法] 選取典型森林類型，采用不同入滲模型擬合各森林類型土壤的入滲過程。[結果] (1) 土壤容重變化范圍為1.21～1.56 g/cm3，油松中齡林最大，山楊成熟林最小；土壤總孔隙度變化范圍為41.26%～54.38%，山楊成熟林最大，油松中齡林最小； (2) 山楊成熟林土壤蓄水能力最強，為1 087.56 t/hm2；油松中齡林土壤蓄水能力最小，為825.17 t/hm2； (3) 山楊成熟林穩(wěn)滲速率最大，為1.33 mm/min； (4) 霍頓(Horton)入滲模型和菲利普(Philip)入滲模型能較好地反映各森林群落土壤入滲過程，但通用冪函數模型擬合結果較差。[結論] 不同森林類型土壤均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加容重逐漸增加的現(xiàn)象，闊葉林林下土壤蓄水能力要強于針葉林，通過比較認為可以利用霍頓(Horton)模型作為研究該區(qū)森林土壤水文功能的重要手段。

關鍵詞：遼河源； 典型森林類型； 土壤； 水文效應

森林土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)水文作用的第三作用層，是植被生長的基礎，土壤的水源涵養(yǎng)功能對調節(jié)洪水、干旱期為植被供水、防止水土流失具有重要作用。在研究土壤滲透規(guī)律的基礎上探討森林土壤水文作用才有意義，森林土壤的滲透性可對森林水分進行動態(tài)調節(jié)[1]，降雨經過土壤的滲透作用，一部分進入土壤的毛管孔隙供植物吸收和林地蒸發(fā)，一部分貯存在非毛管孔隙成為土壤水分的來源[2]。國內外學者對植被對土壤滲透的影響已做了很多研究[3-5]，并建立了菲利普(Philip)入滲模型、霍頓(Horton)入滲模型和通用模型等來擬合森林土壤入滲過程[6-10]，但由于土壤性質的復雜性，定量描述還未統(tǒng)一，模型模擬也不具有普遍適用性，目前大多研究都是針對模型的修正和入滲參數的確定。

地表異質性以及土壤水文參數的多尺度定量表達是土壤水文作用研究面臨的一個重點和挑戰(zhàn)[11]。對不同空間尺度的土壤水文效應過程、機理和影響因子還需系統(tǒng)的深入理解，也缺乏多要素的土壤水文綜合觀測系統(tǒng)，所以需要在傳統(tǒng)取樣研究的基礎上，結合數學、計算機和3S技術，實現(xiàn)土壤水文效應研究的大尺度轉換和分析。

本研究區(qū)位于遼河的發(fā)源地——遼河源，對于該區(qū)的森林土壤水文特征還沒有專門的研究，選取遼河源典型森林類型：油松中齡林、近熟林和成熟林、山楊成熟林、華北落葉松中齡林為研究對象，分析不同森林類型林下土壤的水文特征，運用不同入滲模型擬合各森林類型土壤的入滲過程，旨在進一步了解該區(qū)森林在水土保持和水源涵養(yǎng)等方面的規(guī)律，為遼河源森林生態(tài)系統(tǒng)健康的監(jiān)測和評價提供理論支持。

1研究區(qū)概況

研究地位于河北省平泉縣遼河源自然保護區(qū)大窩鋪林場(118°22′—118°37′E，41°01′—41°21′N)。該地區(qū)處于暖溫帶向寒溫帶過渡地帶，屬于半濕潤半干旱大陸性季風型山地氣候，年均氣溫7.3 ℃，無霜期110～125 d，全年日照2 000～2 900 h，年平均降雨量540 mm，年平均蒸發(fā)量1 800 mm，濕潤度為0.4，歷年平均晴天日數為170 d左右。土壤主要是棕壤土和褐土，土層深厚，表現(xiàn)為上輕下黏，0.01～0.05 mm的中粉砂的含量在各土層中含量變化都不大，約占6%～10%，棕壤中以0.25～0.05 mm和0.05～0.01 mm含量最高，而淋溶褐土則以1～0.25 mm含量最高，褐土黏粒含量超過30%。土壤pH值6.5～7.5，有機質含量較豐富，一般表土含量0.5%～4.8%，最高可達15%。

森林植被主要是喬木油松(Pinustabulaeformis)天然林、山楊林(Populusdavidiana)和白樺林(Betulaplatyphylla)及其混交林、華北落葉松林(Larixprincipis-rupprechtii)；灌木層有錦帶花(Weigelaflorida)、胡枝子(Lespedezabicolor)、榛(Corylusheterophylla)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)等；草本層以白穎薹草(Carexduriusculasubsp.rigescens)為主。

2研究方法

2.1　樣地調查

于2012年7—8月在大窩鋪林場設立標準樣地(20 m×30 m)調查遼河源地區(qū)典型森林類型，每種森林類型進行3個樣地的重復，對林木進行每木檢尺，測量樹高、胸徑等因子，各樣地基本情況詳見表1。

表1　樣地基本情況

2.2　土壤物理性狀

在每種森林類型的3個標準樣地內，每個樣地選取3個代表性樣點，用鋁盒按0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm分層取樣，帶回實驗室后烘干求土壤含水量；用100 cm3的環(huán)刀按0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm分層取樣，實驗室內用環(huán)刀浸泡法測定土壤容重、非毛管孔隙度和毛管孔隙度[12]。

2.3　土壤入滲特征

保持土壤原始性狀，采用室內雙環(huán)入滲法定量觀測土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率以及滲透時間[13]。利用SPSS和Sigmaplot統(tǒng)計軟件，應用Philip入滲模型、Horton入滲模型和通用入滲模型擬合各林分類型土壤入滲過程，表達式為：

Philip模型：f=0.5ST-0.5+A

式中：S——吸水率(mm/min)；A——常數，相當于穩(wěn)滲速率(mm/min)；T——入滲時間(min)。

Horton模型：f=fc+(f0-fc)e-kt

式中：f0——初滲速率(mm/min)；fc——穩(wěn)滲速率(mm/min)；k——經驗常數(衰減系數)。

通用模型：f=at-n+b

式中：a，b——經驗常數；n——衰減系數；f——入滲速率；t——入滲時間。

2.4　土壤蓄水能力

土壤飽和浸水后的土壤蓄水能力計算公式為：

Wt=10 000pth,W0=10 000p0h,Wc=10 000pch

式中：Wt——土壤最大蓄水量(t/hm2)；W0——土壤非毛管蓄水量(t/hm2)；Wc——土壤毛管蓄水量(t/hm-2)；pt——土壤總孔隙度(%)；p0——土壤非毛管孔隙度(%)；pc——土壤毛管孔隙度(%)；h——土層厚度(m)[8]。

3結果與分析

3.1　不同森林類型土壤物理特性分析

土壤的物理特性是指土層厚度、容重、孔隙度等指標，土壤容重是單位體積自然狀態(tài)下土壤(包括土壤空隙的體積)的干重，是土壤緊實度的指標；孔隙度是單位土壤總容積中的孔隙容積[14]。土壤容重和孔隙度直接影響著土壤保水、透氣、透水的性能，土壤孔隙是土壤中水分、養(yǎng)分、空氣等運移的通道，是植物根系生長的場所，可以表征土壤的物理結構和水文特征。根據對各森林群落土壤的定位觀測，計算研究區(qū)0—60 cm土壤的容重和孔隙度(表2)。從表2可以看出，不同森林類型土壤均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加容重逐漸增加的現(xiàn)象，這與土壤緊實度和有機質含量有關，表層土壤由于枯落物分解，有機質含量較高，容重較小，深層土壤礦質含量增加，容重增大。越靠近土壤表層，植物根系活動越多，其對土壤的改良效果也越明顯，使得土壤孔隙增大。從均值來看，土壤容重變化范圍為：1.21～1.56 g/cm3，表現(xiàn)為：油松中齡林>油松近熟林>油松成熟林>華北落葉松中齡林>山楊成熟林；總孔隙度變化范圍為：41.26%～54.38%，表現(xiàn)為：山楊成熟林>華北落葉松中齡林>油松成熟林>油松近熟林>油松中齡林。隨森林演替的進展，土壤容重逐漸減小，土壤孔隙度逐漸增大。

3.2　不同森林類型土壤蓄水能力

森林土壤通過蓄水調節(jié)森林水文過程，土壤蓄水量是評價森林涵養(yǎng)水源能力的重要指標，其大小主要由土壤厚度和土壤孔隙狀況決定[15]。土壤最大蓄水量是毛管蓄水量和非毛管蓄水量之和，分別影響森林土壤的保水和蓄水能力，毛管水只做垂直運動，是植物根系吸收和林地蒸發(fā)的來源，非毛管水在重力作用下在土壤中既做上下運動，也做橫向滲透，起著調節(jié)流量、穩(wěn)定水位的功能，因此，通常非毛管水也稱為有效蓄水量[16]。從圖1可以看出，山楊成熟林土壤非毛管蓄水量和最大蓄水量最大，分別為283.31和1 087.56 t/hm2；華北落葉松中齡林毛管蓄水量最大，為838.66 t/hm2；山楊成熟林土壤最大蓄水量最大，為283.31 t/hm2；油松中齡林土壤非毛管蓄水量、毛管蓄水量和最大蓄水量均為最小，分別為140.88，684.29，825.17 t/hm2。闊葉林土壤蓄水能力大于針葉林，華北落葉松林略大于油松林，就油松林土壤的非毛管蓄水量、毛管蓄水量和最大蓄水量來看，均表現(xiàn)為：成熟林>近熟林>中齡林，說明隨著森林演替的進行，土壤蓄水能力逐漸增強。

表2　不同森林類型土壤物理特性

注：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ所代表的森林類型詳見表1。下同。

圖1　不同森林類型土壤蓄水量

3.3　不同森林類型土壤入滲特征

3.3.1不同森林類型土壤入滲過程土壤入滲是土壤重要的水文物理性質，入滲能力的大小與土壤質地、孔隙狀況、有機質含量等有關，對林地土壤持水和地表徑流形成有重要影響，反映了土壤涵養(yǎng)水源的能力。土壤的滲透性能反映了土壤層的動態(tài)調節(jié)能力，土壤入滲速率調節(jié)水分進入土壤、在地表積存或產生地表徑流的過程[1]。降水在滲透性能良好的林地土壤內合理分配，這也是其水土流失較少的原因之一。不同森林群落林地土壤入滲過程結果如圖2所示。由圖2可以看出，不同森林類型土壤入滲過程表現(xiàn)出一致的趨勢，入滲開始階段速率較大，然后迅速下降，隨著入滲過程的進行，入滲速率逐漸減小，但變化趨勢比較平緩，50～60 min后達到穩(wěn)定滲透狀態(tài)，入滲速率不再變化。不同森林類型土壤入滲速率差別明顯，初滲速率變化范圍為1.42～8.54 mm/min，排序為:山楊成熟林>油松成熟林>油松近熟林>油松中齡林>華北落葉松中齡林；穩(wěn)滲速率變化范圍為0.26～1.33 mm/min，排序也表現(xiàn)為：山楊成熟林>油松成熟林>油松近熟林>油松中齡林>華北落葉松中齡林。

3.3.2不同森林類型土壤入滲過程模擬土壤入滲能力不僅決定著地表徑流的形成，還影響著植物根系水分環(huán)境，研究不同土壤入滲能力對防止水土流失和提高森林植被生產力有重要作用，而使用合適的土壤入滲模型是方便、準確地了解不同土壤入滲差異的重要手段。采用菲利普(Philip)模型、霍頓(Horton)模型和通用(冪函數)模型對不同森林類型土壤的實測入滲數據進行擬合，菲利普(Philip)模型所用方程與土壤滲透的物理過程相一致，霍頓(Horton)模型所用方程表示的是入滲速率與隨著滲透過程進行而變化的吸水率的關系，通用(冪函數)模型是一個經驗方程。擬合所得結果詳見表3。從表3擬合結果可以看出，菲利普(Philip)模型和霍頓(Horton)模型對不同森林類型土壤入滲過程均能取得較好的擬合結果，但通用(冪函數)模型的擬合結果與實測值偏差較大(結果未列出)，說明通用(冪函數)模型不適合本研究區(qū)土壤入滲模擬。從擬合的穩(wěn)滲速率來看(菲利普模型A、霍頓模型fc)，不同模型擬合結果差別較大，其中霍頓(Horton)模型的結果最接近實測值，與實測值相差在0.1%～47.3%之間(平均值9.7%)，菲利普(Philip)模型擬合結果與實測值相差在16.1%～101.1%之間(平均值40%)，表明對遼河源地區(qū)典型森林群落采用霍頓(Horton)模型進行擬合可以得到較好的效果。

圖2　不同森林類型土壤入滲過程曲線

森林類型實測入滲速率/(mm·min-1)f0fc菲利普(Philip)模型SAR2霍頓(Horton)模型f0fckR2Ⅰ2.610.584.510.810.9762.400.590.110.923Ⅱ3.420.746.020.890.9953.050.740.150.912Ⅲ3.560.816.480.930.9883.210.810.140.951Ⅳ8.541.3315.332.680.9497.931.960.100.975Ⅴ1.420.262.630.320.9961.260.260.150.926

4結 論

(1) 不同森林類型0—60 cm土壤由淺層至深層土壤容重逐漸增加，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度逐漸減少的趨勢?？萋湮飳ν寥栏牧甲饔妹黠@，枯落物腐爛分解改善土壤結構，同時增加了有機質含量，使得淺層土壤比深層土壤更疏松透氣。土壤容重與總孔隙度變化趨勢相反，與已有研究結果[17]相同。森林土壤受到凋落物、樹根以及林下生物群落的影響，有機質和腐殖質多集中在土壤的表層，隨著土壤加深，這些物質的含量逐漸減少，使得土壤容重表現(xiàn)出隨著土層深度增加，容重逐漸增加的趨勢。同時深層土壤密實度高，因為地下水的存在其含水率也較大，這也會造成深層土壤容重比淺層大。山楊林和華北落葉松林林下植被比油松林多，在這些植被的根系的共同作用下，使得山楊林和華北落葉松林土壤比油松林土壤容重小，孔隙度大，同時油松枯落物分解較慢，對土壤改善不力也加劇了這一現(xiàn)象。

(2) 不同森林類型土壤最大蓄水量變化范圍為825.17～1 087.56 t/hm2，大小排序為：山楊成熟林>華北落葉松中齡林>油松成熟林>油松近熟林>油松中齡林。通常用有效蓄水量來衡量森林土壤調節(jié)水分能力的高低，不同森林類型土壤最大蓄水量變化范圍為140.88～283.31 t/hm2，大小排序為：山楊成熟林>油松成熟林>油松近熟林>華北落葉松中齡林>油松中齡林。說明闊葉林林下土壤蓄水能力要優(yōu)于針葉林[18]。

(3) 通過菲利普(Philip)模型、霍頓(Horton)模型和通用(冪函數)模型對不同森林類型土壤水分入滲過程進行擬合，霍頓(Horton)模型擬合結果比菲利普(Philip)模型更接近實測值，通用(冪函數)模型擬合效果較差。可以利用霍頓(Horton)模型作為研究本地區(qū)森林土壤水文功能的重要手段。

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Soil Hydrological Effects of Typical Forest Types in Upper Reaches of Liaohe River

SONG Xiaoshuai1, KANG Fengfeng1, HAN Hairong1, YU Xiaowen1,

HU Jingdong2, ZHAO Weihong1, GAO Jing1, ZHAO Jinlong1, HAN Shuwen2

(1.KeyLaboratoryforSilvicultureandConservationofMinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083，China; 2.ForestryBureauofPingquanCounty,HebeiProvince,Pingquan,Hebei067500,China)

Abstract：[Objective] Studying the hydrological effects of understory soil of typical forest types in the upper reaches of Liaohe River, aimed to provide theoretical evidence for the monitoring and evaluation of the forest ecosystem health. [Methods] The understory soils of some typical forest types were chosen to research their infiltration processes, and upon which the processes were fitted with several permeability models.[Results](1) The soil bulk density ranged from about 1.21 g/cm3to 1.56 g/cm3, the maximum value was found in the middle-aged Pinus tabuliformis forest and mature Populus davidiana forest had the minimum bulk density. The range of the total soil porosity was 41.26%～54.38%, mature Populus davidiana forest had the maximum porosity and middle-aged Pinus tabuliformis had the minimum porosity; (2) The soil water-holding capacity of mature Populus davidiana forest was greatest with a value of 1 087.56 t/hm2and middle-aged Pinus tabulaeformis forest had the minimum value of 825.17 t/hm2; (3) The steady infiltration rate of mature Populus davidiana forest was 1.33 mm/min; (4) Both Horton infiltration model and Philip model could reflect the soil infiltration course of each forest vegetation well, while the common power functional infiltration performed poorly. [Conclusion] The soils of different forest types had greater bulk density in deeper layer. The soil water storage capacity was bigger under broad-leaved forest than that under under coniferous forest. Horton model could be used as an important means to study the local hydrological function of forest soil.

Keywords:the upper reaches of Liaohe River; typical forest types; soil; hydrological effects

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0101-05

中圖分類號：S715.3

通信作者：韓海榮(1963—),男(回族),青海省西寧市人,教授,博士生導師,主要從事森林生態(tài)學方面的研究。E-mail:hanhr@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2014-02-24修回日期：2014-03-18
資助項目：林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“森林生態(tài)服務功能分布式定位觀測與模型模擬”(201204101)
第一作者：宋小帥(1987—),男(漢族),山西省晉城市人,碩士研究生,主要研究方向為森林生態(tài)學。E-mail:swxwky@163.com。