李海防, 史梅容, 王金葉,*, 趙連生, 王紹能, 葉建平

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貓兒山荷木林不同層次土壤含水量的降雨響應

李海防1, 史梅容2, 王金葉1,*, 趙連生3, 王紹能3, 葉建平3

1. 桂林理工大學旅游學院, 桂林 541004 2. 南寧職業(yè)技術學院, 南寧 530008 3. 貓兒山國家級自然保護區(qū)管理局, 興安 541316

以漓江上游貓兒山林區(qū)典型荷木林()為研究對象, 對0—20 cm, 20—40 cm, 40—60 cm, 60—80 cm等4個層次的土壤進行土壤含水量定位監(jiān)測, 分析各層次土壤含水量的降雨響應。結果表明: (1)0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm 4個層次土壤土壤含水量差異顯著, 年均值分別為: 50.66%, 41.71%, 47.23%, 34.92%, 垂直變化復雜, 降雨與各層次土壤含水量呈極顯著正相關; (2)4個層次土壤含水量上升拐點出現(xiàn)的時間依次滯后, 隨著深度的增加, 土壤含水量對降雨的響應變慢; (3)在前期土壤含水量較低的情況下, 土壤含水量都會出現(xiàn)一個“平臺”期, 然后迅速升高, 達到最高值; (4)深層土壤對降雨的響應與產(chǎn)生飽和界面, 地下水位抬高有關; (5)在大雨和暴雨條件下, 60—80 cm深層土壤由于初始含水量低, 隨降雨增速很快; 降雨結束后, 該層次的土壤含水量下降最快。為揭示漓江上游森林植被對降水徑流的調(diào)節(jié)作用, 客觀評估漓江上游水資源潛力、加強流域水資源管理和森林經(jīng)營提供科學依據(jù)。

貓兒山; 荷木林; 土壤含水量; 降雨響應

1 前言

土壤水分是維持陸地森林生態(tài)系統(tǒng)的關鍵, 是影響流域產(chǎn)流和地區(qū)水文循環(huán)的重要因子[1]。土壤含水量在降雨、植被、地形和土壤物理性質(zhì)等因素的影響下, 空間、時間尺度上不斷發(fā)生變化, 進而影響整個森林的降雨產(chǎn)流過程[2]。土壤含水量的變化首先受降雨過程的影響, 表層土壤含水量迅速增加, 在蒸散和下滲作用下表層土壤含水量逐漸減小[3]。在深層次土壤, 由于植被根系、蒸騰作用和土壤性質(zhì)的變化, 土壤含水量對降雨的響應也發(fā)生相應的變化[4]。探究不同降雨條件下森林植被土壤含水量動態(tài)及其空間異質(zhì)性, 對深入了解森林系統(tǒng)與土壤產(chǎn)流、地表徑流和河川徑流的關系, 指導林業(yè)經(jīng)營和人工林的生態(tài)管理具有重要的意義[5]。

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?shù)厣剿糜螛I(yè)帶來嚴重影響。因而, 了解不同降雨條件下森林植被土壤含水量動態(tài)及其空間變化, 對提高漓江上游森林水源涵養(yǎng)功能, 保護漓江流域山水景觀, 促進桂林山水旅游的可持續(xù)發(fā)展, 具有重要的理論和實踐意義[6]。本研究以貓兒山林區(qū)典型荷木林()為研究對象, 探究其土壤水分動態(tài), 為揭示漓江上游森林植被對降水產(chǎn)流的調(diào)節(jié)作用, 客觀評估漓江上游水資源潛力、加強流域水資源管理和森林經(jīng)營提供科學依據(jù)。

2 研究地點和研究方法

2.1 研究地點

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1.7萬hm2。屬中亞熱帶山地氣候, 年降水量在2100 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, 降雨量僅占全年的24%。森林覆蓋率達96.5%, 植被類型多樣, 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[7]。

2.2 研究方法

2.2.1 樣地設置

本研究在對林區(qū)植被全面調(diào)查的基礎上, 選擇有代表性荷木林為研究對象, 設置一個10 m* 20 m水量平衡場, 同步監(jiān)測比較不同層次的土壤含水量。荷木林地處海拔700 m, 郁閉度為0.85, 密度1200 株·hm–2, 平均樹高7.5 m, 平均胸徑18.4 cm, 林地面坡度為27°, 坡向西南方向, 土壤為山地黃紅壤。

2.2.2 降雨和不同層次土壤含水量同步監(jiān)測

在研究區(qū)山脊空曠地設置自記翻斗式雨量計(Rain 101A, MadgeTech, 美國), 記錄次降雨過程。監(jiān)測時間從2013年8月至2014年7月, 歷時一年, 記錄時間間隔為1 sec, 降雨后水滿翻斗一次記作0.254 mm,不翻斗則記作0。降雨等級是以24小時降雨量計, 將降雨分為小雨(0—10 mm), 中雨(10—25 mm), 大雨(25—50 mm)和暴雨(50—100 mm)。土壤水含量監(jiān)測則是在荷木林選擇典型土壤剖面, 利用森林土壤水分自動觀測系統(tǒng)(SMR101A-5, MadgeTech, 美國)同步定位測定林下0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm 4個層次土壤的土壤溫度和土壤體積含水量。每層土壤都設置兩個探頭, 每5 min記錄一次土壤含水量, 數(shù)據(jù)自動采集, 不定期下載[5,6]。兩個探頭同一時刻記錄數(shù)值的平均值記作該層土壤的含水量, 月平均值則是一個月內(nèi)所有數(shù)據(jù)的平均。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 15. 0 進行相關和回歸分析。采用最小顯著差異法(LSD)比較各層次土壤含水量之間的差異。采用Pearson相關系數(shù)檢驗降雨與土壤含水量之間的相關性。

3 結果與討論

3.1 降雨與各層次土壤含水量的相關性

結果表明, 降雨后0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm 4個層次土壤含水量變化很有規(guī)律性(表 1)。4個層次土壤土壤含水量差異顯著(<0.01), 年平均值分別為: 50.66%, 41.71%, 47.23%, 34.92%, 表層土壤含水量最高, 20—40 cm減少, 40—60 cm土壤含水量又升高, 60—80 cm最少。20—40 cm土壤含水量較低, 這可能與根系的蒸騰作用有關[8], 而60—80 cm土壤含水量最低, 可能與該層次接近基巖, 土壤嚴實有關。同時, 這也說明土壤含水量由于降雨、林冠層、根系結構、蒸騰作用和土壤性質(zhì)等多種因素的影響, 其垂直動態(tài)變化是很復雜的。分析降雨與各層次土壤含水量的相關性, 可以看出, 降雨與四個層次的土壤含水量都呈極顯著正相關,其中, 與0—20 cm層土壤相關性最強, 其他三個層次的相關性較弱(表 2)。這是由于表層土壤含水量更容易受到大氣降雨的影響, 當?shù)乇硗寥浪诛柡秃? 隨著降雨的持續(xù), 表層土壤水才向下層土壤入滲, 同時, 表層土壤更容易受到地表徑流水的影響[9]。

表1 降雨量和各層次土壤含水量月變化

注: 括號內(nèi)數(shù)值為標準誤。

3.2 小雨條件下土壤含水量對降雨的響應

以時間為橫坐標, 以降雨量和土壤含水量為縱坐標, 得到0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm不同層次土壤含水量對小雨、中雨、大雨和暴雨的響應曲線(圖 1、2、3、4)。小雨以2013年10月17日2:58時至10月22日24:00時為例, 6天內(nèi)降雨兩次(圖 1)。第一次降雨之前, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm土壤初始含水量分別為46.47%、40.88%、44.95%和33.39%。第一次降雨歷時1.5天, 累計降雨13.21 mm, 可見四個層次的土壤含水量都發(fā)生變化, 從表層到深層依次出現(xiàn)拐點, 并逐步升高達到最大值。從響應的時間上看, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm土壤含水量拐點出現(xiàn)時間分別滯后降雨80分鐘, 100分鐘, 185分鐘和220分鐘, 隨著深度的增加, 土壤含水量對降雨的響應變慢, 這與吳胡強等人(2014)的研究結果一致[4]。從上到下,四個層次土壤含水量升高的模擬回歸方程分別為:=0.011+46.211(2=0.959,<0.01),=0.004+ 40.770(2=0.944,<0.01),=0.005+44.853(2=0.785,<0.01),=0.003+33.638(2=0.914,<0.01)?？梢? 0—20 cm土壤隨降雨增速最快, 60—80 cm土壤增速最慢, 從上到下四個層次土壤分別增加到最高值47.06%, 41.04%, 45.11%和33.74%。第二次降雨發(fā)生在2013年10月20日17:08至10月21日11:38, 歷時1天。可以看出, 20—40 cm、40—60 cm土壤含水量曲線在第一次降雨結束后有明顯的下降過程, 但0—20 cm、60—80 cm層次的土壤含水量持續(xù)升高, 說明在降小雨的時候, 表層土壤在土壤水分沒有達到飽和前, 由于地表徑流外源水的流入, 導致表層土壤含水量持續(xù)增加。而20—40 cm、40—60 cm土壤為垂直非飽和入滲, 含水量對降雨響應一致, 出現(xiàn)“V”型曲線, 但在60—80 cm深層土壤, 土壤水分不能繼續(xù)向深層滲透, 側向壤中流在60—80 cm層發(fā)生, 導致土壤含水量持續(xù)增加[4]。

表2 降雨與各層次土壤含水量的相關性

注: **表示0.01顯著水平。

3.3 中雨條件下土壤含水量對降雨的響應

中雨以2014年2月5日3:53時至2月7日0:08時為例, 降雨歷時1天, 共降雨26.92 mm, 第二次降雨2月7日12:43時至2月8日17:28時, 降雨3.05 mm(圖 2)。在降雨前, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、 60—80 cm四個層次土壤初始含水量分別為49.12%、41.88%、46.21%和37.36%。與小雨相似, 降雨后四個層次的土壤含水量曲線都出現(xiàn)拐點, 含水量上升并達到最高值。同時, 20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm三個層次土壤都出現(xiàn)一個明顯的“平臺”期, 但表層土壤“平臺”期不明顯, 這個“平臺期”期實際就是在土壤干燥條件下的一個不飽和入滲過程[4]。在響應的時間上, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm土壤層次含水量拐點出現(xiàn)的時間分別滯后降雨5分鐘, 25分鐘, 50分鐘和75分鐘, 比小雨條件下縮短, 這主要與降雨量的增大有關。從上到下, 四個層次土壤含水量升高模擬方程分別為:=0.004+49.293(2=0.974,<0.01);=0.002+41.668 (2=0.834,<0.01);=0.002+46.290(2=0.939,<0.01);=0.001+33.503(2=0.787,<0.01), 可見, 隨土層加深, 含水量增速也逐漸變緩。圖 2還可以看出, 第一次降雨結束到第二次降雨開始, 20—40 cm土壤含水量有一個下降過程, 曲線出現(xiàn)明顯的“V”形(圖 2), 而40—60 cm、60—80 cm兩個層次土壤含水量則持續(xù)升高, 分別達到最高值47.53%和34.08%, 然后才開始下降。與小雨相比, 小雨條件下20—40 cm、40—60 cm土壤含水量曲線都有“V”形, 這是由于中雨條件下產(chǎn)生飽和界面, 地下水位抬高, 側向壤中流發(fā)生于40—60 cm、60—80 cm兩個層次[10]。

3.4 大雨條件下土壤含水量對降雨的響應

大雨以2013年12月14日4:45時至12月16日15:40時為例, 歷時2.5天, 共降雨88.65 mm(圖 3)。在降雨前, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm四個層次土壤初始含水率分別為48.71%、41.74%、45.91%和33.18%。從土壤含水量變化曲線看, 四個層次都有一個“平臺期”期, 然后才出現(xiàn)一個明顯的拐點, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm土壤層次含水量拐點的時間分別滯后5分鐘, 25分鐘, 50分鐘和70分鐘, 并開始上升達到最高值, 最高值分別為52.16%、43.97%、48.81%和37.74%。四個層次土壤含水量變化量漲幅分別為3.43%、2.20%、2.84%和4.55%, 其中, 60—80 cm(4.55%)和0—20 cm(3.43%)漲幅最大。降雨停止后, 四個層次的土壤含水量開始下降, 模擬回歸方程分別為:=–753.096+39059.006(2=0.927,<0.01);=–1250.330+54874.875(2=0.970,<0.01);=–998.908+48758.408 (2=0.980,<0.01);=–1605.673+56945.850(2=0.964,<0.01)?？梢? 降雨結束后, 60—80 cm層次的土壤下降含水量最快, 這與降雨停止后土壤入滲減少有關, 且深層次土壤含水量更容易受地下水位抬高的影響[11]。

3.5 暴雨條件下土壤含水量對降雨的響應

暴雨以2013年12月14日4:45時至12月16日16:05時為例, 歷時2.5天, 共降雨108.97 mm(圖4)。在降雨前, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm四個層次土壤初始含水量分別為45.25%、40.30%、44.02%和31.74%。降雨后, 4個層次的土壤含水量都出現(xiàn)一個“平臺”期, 然后出現(xiàn)拐點, 土壤含水量上升并達到最高值, 降雨結束后, 土壤含水量開始下降。0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm土壤層次含水率曲線出現(xiàn)拐點的時間分別滯后45分鐘, 65分鐘, 1850分鐘和1905分鐘。暴雨條件下滯后時間比小雨、中雨和大雨要長, 這主要與土壤初始含水量過低有關[11]。然后, 土壤含水量開始上升達到最高值, 從上到下分別為51.54%、43.68%、48.43%和35.04%。四個層次土壤含水量升高的模擬回歸方程分別為:=72.091+–3228.029(2=0.948,<0.01);=87.421–3363.432(2=0.634,<0.01);=21.747–943.297 (2=0.874,<0.01);=291.569–9689.441(2=0.683,<0.01)。降雨結束后, 土壤含水量曲線有明顯的下降過程, 下降曲線分別為:=–1232.535+62839.951 (2=0.905,<0.01);=–1705.255+74220.889(2=0.977,<0.01);=–1080.759+52284.828(2=0.980,<0.01);=–3809.473+133377.622.051(2=0.943,<0.01)。可見, 由于上面三層土壤濕度較高, 土壤含水量增長較慢, 而深層土壤由于初始含水量低, 降雨后增速很快; 降雨結束后, 土壤入滲減少, 深層土壤含水量迅速降低。

4 結論

通過對荷木林不同層次土壤含水量的降雨響應進行比較分析, 得出以下結論: (1)0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm 4個層次土壤土壤含水量差異顯著, 年均值分別為: 50.66%, 41.71%, 47.23%, 34.92%, 垂直變化復雜, 降雨與各層次土壤含水量呈極顯著正相關; (2)4個層次土壤含水量上升拐點出現(xiàn)的時間依次滯后, 隨著深度的增加, 土壤含水量對降雨的響應變慢; (3)在前期土壤含水量較低的情況下, 土壤含水量都會出現(xiàn)一個“平臺”期,然后迅速升高, 達到最高值; (4)深層土壤對降雨的響應與產(chǎn)生飽和界面, 地下水位抬高有關; (5)在大雨和暴雨條件下, 60—80 cm深層土壤由于初始含水量低, 隨降雨增速很快; 降雨結束后, 該層次的土壤含水量下降最快。

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Soil water content response to rainfall in different layers underforest in Mao’er Mountain

LI Haifang1, SHI Meirong2, Wang Jinye1,*, ZHAO Liansheng3, WANG Shaoneng3, YE Jianping3

1. School of Tourism, Guilin University of technology, Guilin 541004, China 2. Nanning College for Vocational Technology, Nanning 530008, China 3. Mao’er Mountain National Nature Reserve Administration, Xing’an 541316, China

Changes of soil water content of different layers, including 0-20 cm, 20-40 cm, 40-60 cm and 60-80 cm underforest were studied in Mao’er Mountain in upper reaches of Lijiang River. The results showed that(1) there were significant changes for different soil layers and annual average values were 50.66%, 41.71%, 47.23% and 34.92%, respectively. Significant positive relationships were found between precipitation and soil water content in different layers. (2) From surface to deep layers, the inflection point of cures lagged and response slowed down one by one. (3) When the initial soil water content was low, curves changed synchronously with rainfall and there always appeared a platform, then increased quickly and reached the peak values. (4) The response of soil water content in deep soil was related with groundwater level and boundary of saturated zone. (5) Under heavy rainfall and torrential rainfall conditions, soil water content in 60-80 cm layer increased and declined quickly during the rainfall. This study would provide a scientific basis for better understanding the relationships between forest vegetation and its hydrological effects, helping to facilitate water resources and achieving wise forest management in upper reaches of Lijiang River.

Mao’er Mountain;; soil water content ; response to precipitation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.019

S715.3

A

1008-8873(2017)02-126-09

2015-09-02;

2015-09-22

漓江上游典型植被蓄水釋放機理及水文響應(41261006); 廣西貓兒山國家級自然保護區(qū)漓江源森林群結構與水源涵養(yǎng)監(jiān)測項目

李海防(1974—), 男, 山東萊陽人, 博士后, 教授, 碩士生導師, 主要從事景觀生態(tài)學研究, E-mail: 373156070@qq.com

王金葉(1965—), 男, 甘肅民樂人, 博士, 教授, 博士生導師, 主要從事森林生態(tài)水文和生態(tài)旅游研究, E-mail: wangjy66@sohu.com

李海防, 史梅容, 王金葉, 等. 貓兒山荷木林不同層次土壤含水量的降雨響應[J]. 生態(tài)科學, 2017, 36(2): 126-134.

LI Haifang, SHI Meirong, Wang Jinye, et al. Soil water content response to rainfall in different layers underforest in Mao’er Mountain[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 126-134.