喬衛(wèi)陽 成向榮 虞木奎

(浙江省開化縣林場(chǎng)，浙江開化，324300) (中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)南方地區(qū)重要的商品用材樹種，其生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、材質(zhì)好[1]。據(jù)第七次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)，全國(guó)杉木人工林面積為8.54×106hm2，占全國(guó)造林面積的21.35%[2]。杉木集約經(jīng)營(yíng)對(duì)促進(jìn)木材生產(chǎn)發(fā)揮了積極作用，但是，同一林地連續(xù)種植杉木林易導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化、林分生產(chǎn)力降低等問題日益突出[3-6]。許多研究表明，改變純林單一林分結(jié)構(gòu)，營(yíng)造混交林或者構(gòu)建復(fù)層異齡林對(duì)改善林地土壤肥力，提高林地生產(chǎn)力和林分穩(wěn)定性發(fā)揮了重要作用[7-10]。同時(shí)，林分結(jié)構(gòu)改變也影響降水分配、地表徑流以及土壤水分消耗和補(bǔ)給等森林水文過程[11]。

林地土壤水分動(dòng)態(tài)變化與林木生長(zhǎng)密切相關(guān)，也是反映林地生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[12-13]。在生長(zhǎng)季節(jié)，當(dāng)土壤含水量30%～40%時(shí)，杉木生長(zhǎng)迅速；當(dāng)土壤含水量25%～30%時(shí)，杉木生長(zhǎng)速率一般；當(dāng)土壤含水量25%以下時(shí)，杉木生長(zhǎng)速率明顯下降[13]。隨著栽植代數(shù)增加，杉木林地土壤供水和保水能力下降，生產(chǎn)力降低[14]；不同杉木混交林地土壤持水和供水能力具有一定差異[15]；杉木人工林土壤含水量與氣溫和太陽輻射呈負(fù)相關(guān)，與降水量相關(guān)性不顯著，土壤水分蒸發(fā)與氣溫呈正相關(guān)[16]。雖然這些研究對(duì)深入認(rèn)識(shí)杉木人工林土壤水分動(dòng)態(tài)及其與林地生產(chǎn)力關(guān)系具有重要意義，但對(duì)混交林土壤水文過程的認(rèn)識(shí)還較為有限，尤其是杉木純林改造為復(fù)層異齡林后，林地土壤水分動(dòng)態(tài)過程研究更是少見?，F(xiàn)有的少量研究主要采用“環(huán)刀法”來測(cè)定土壤水分物理性質(zhì)變化[8,10]，復(fù)層林土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和水量平衡等方面仍缺乏系統(tǒng)研究。

定量評(píng)估林分結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)林地土壤水文動(dòng)態(tài)變化過程的影響，需要長(zhǎng)期的定位觀測(cè)資料。對(duì)于缺乏觀測(cè)資料的地區(qū)，模型模擬為林地土壤水文動(dòng)態(tài)變化的研究提供了有效的手段[17]。在眾多模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)和平衡的模型中，F(xiàn)lerchinger et al.[18]根據(jù)植被冠層結(jié)構(gòu)和分布特點(diǎn)，建立土壤、植被冠層可任意劃分層次的SHAW模型。該模型對(duì)系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)之間物質(zhì)能量傳輸?shù)奈锢磉^程有清晰的數(shù)學(xué)表述，模型需要輸入的邊界層要素可從常規(guī)氣象站獲取，輸入的土壤植被特征參數(shù)較容易確定，而且模型層次結(jié)構(gòu)較易根據(jù)具體的土壤植被結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，適應(yīng)性強(qiáng)[19-20]。本文以錢塘江上游的開化縣杉木人工林為研究對(duì)象，采用SHAW模型，對(duì)杉木純林改造為杉木闊葉樹復(fù)層異齡林后的林地土壤水分動(dòng)態(tài)模擬，以期為定量評(píng)估杉木林分結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)林地土壤水文過程的影響提供參考，也為該區(qū)域水源涵養(yǎng)林建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于浙江省開化縣林場(chǎng)城關(guān)分場(chǎng)。開化縣屬中亞熱帶常綠闊葉林帶北部亞地帶、浙皖山丘青岡苦櫧林植被區(qū)，主要以苦儲(chǔ)(Castanopsissclerophylla)、甜儲(chǔ)(Castanopsiseyrei)、青岡(Quercusglauca)、木荷(Schimasuperba)、杉木等樹種為主。開化縣林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)山林面積1.27×104hm2，森林蓄積量1.26×106m3，森林覆蓋率91.8%?，F(xiàn)有人工林70%左右是杉木用材林。試驗(yàn)區(qū)年平均氣溫16.4 ℃，年降水量1 814 mm，年平均無霜期252 d，年平均日照時(shí)間1 334.1 h，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候。土壤為紅黃壤，pH為4.0～4.9。

2 研究方法

2.1 模型介紹

SHAW模型描述垂直方向一維的冠層、雪被、枯落物、地表到土壤一定深度的水熱傳輸過程。它以植被冠層以上的大氣為上邊界，以地表下土層為下邊界，采用上邊界以上的氣象條件和下邊界的土壤狀況來確定系統(tǒng)的水熱通量，步長(zhǎng)為日或小時(shí)。該模型將土壤-枯落物-植被冠層分為若干層，計(jì)算各層次間的水熱傳輸。模型需要輸入的氣象數(shù)據(jù)包括氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度和太陽總輻射。SHAW模型的詳細(xì)描述見文獻(xiàn)[18]。

(1)植被冠層中水量通量的變化的描述為：

式中：z為從冠層頂?shù)较乱粚拥拇怪本嚯x，ke為冠層內(nèi)的傳輸系數(shù)，ρv為水汽密度，El為冠層內(nèi)葉面蒸騰量，t為時(shí)間。

(2)地表枯落物層中水量通量的傳輸過程描述為：

(3)土壤中水量通量的傳輸過程表示為：

式中：θl為土壤體積含水率，K為土壤非飽和導(dǎo)水率，ψ為土壤基質(zhì)勢(shì)，ρi為冰的密度，θi為體積含冰率，ρl為水的密度，qv為水汽通量，z為土層深度，U為水通量的源匯項(xiàng)(根系吸水項(xiàng))。

2.2 數(shù)據(jù)收集

供試杉木林分林齡17 a，林木密度為1 520株/hm-2，平均樹高15.6 m，平均胸徑16.8 cm，葉面積指數(shù)4.8；由于根系主要集中在1 m深土層以內(nèi)，根系最大分布深度取1 m。

2009年，在15年生杉木純林內(nèi)建立3個(gè)5 m×20 m的徑流場(chǎng)(東北向，坡度18°～20°)測(cè)定降水后的徑流量。土壤水分采用土壤水分傳感器(5TE， 美國(guó))自動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)定深度5、20、40、60 cm。在徑流場(chǎng)外鄰近地塊分別挖3個(gè)土壤剖面，按照這4個(gè)土壤深度分別用環(huán)刀取樣，用于飽和導(dǎo)水率、飽和含水量和土壤密度的測(cè)定[21]。同時(shí)分層采集土樣自然風(fēng)干過篩后，采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量[22]，采用Mastersizer 2000激光粒度儀測(cè)定土壤機(jī)械組成。研究區(qū)土壤屬紅黃壤，質(zhì)地為粉沙壤土。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

注：表中數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

氣象資料來自試驗(yàn)林附近自動(dòng)氣象站觀測(cè)結(jié)果，本研究采用2010—2014年日觀測(cè)數(shù)據(jù)(包括太陽輻射、氣溫、相對(duì)濕度、降水量、日照時(shí)間、風(fēng)速等)。

由于缺乏杉木復(fù)層異齡林土壤水分及其他指標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為此，在杉木純林土壤水分模擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，以鄰近地區(qū)杉木-山杜英(Elaeocarpussylvestris)復(fù)層異齡林生長(zhǎng)數(shù)據(jù)為參考，開展杉木復(fù)層異齡林土壤水分動(dòng)態(tài)模擬研究。杉木復(fù)層林下山杜英密度2 500株·hm-2，8年生山杜英平均高4.7 m，平均胸徑4.5 cm，葉面積指數(shù)6.9。

2.3 模型評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)模型的模擬效果，分別用均方根差(RMSE)，平均偏差(MBE)和平均誤差(RMAE)來評(píng)價(jià)模型估計(jì)的精度。

式中：Mi和Ei分別為第i次測(cè)定值與模擬值，N是觀測(cè)的次數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

2010—2014年杉木純林不同深度土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值的比較見圖1和圖2。由圖1和圖2可知，表層土壤水分模擬結(jié)果偏差相對(duì)較大，隨土壤深度增加，模擬值與實(shí)測(cè)值的差異減小，模擬值與實(shí)測(cè)值線性相關(guān)系數(shù)(R)，隨土壤深度的增加而增大，總體上土壤水分被過高估計(jì)。不同年份之間由于降水分配差異，導(dǎo)致土壤水分消耗和補(bǔ)給不同，模型模擬的土壤水分結(jié)果也有一定差異。2011年和2013年土壤水分模擬的均方根差和平均偏差較小，而其他年份的均方根差和平均偏差相對(duì)較大，模擬期平均絕對(duì)誤差在13.5%～16.8%，平均為15.4%。由此可見，土壤水分模擬值與實(shí)測(cè)值吻合的較好，SHAW模型可以準(zhǔn)確模擬杉木人工林土壤水分的動(dòng)態(tài)變化。

圖1 不同深度土壤水分模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)

圖2 不同深度土壤水分模擬值與實(shí)測(cè)值

年份均方根差/m3·m-3平均偏差/m3·m-3相對(duì)平均絕對(duì)誤差/%20100.0420.01014.720110.037-0.00513.520120.0460.01816.720130.0370.01115.120140.0440.01116.8平均值0.0410.00915.4

3.2 復(fù)層林土壤水分模擬

從圖3可知，模擬期內(nèi)杉木復(fù)層林土壤儲(chǔ)水量高于純林。整個(gè)土壤剖面純林日平均儲(chǔ)水量在65.3～225.4 mm，平均為122 mm；復(fù)層林變化在76.6～231.1 mm，平均為131.4 mm；不同年份之間復(fù)層林比純林土壤儲(chǔ)水量增加8.7～10.4 mm，平均為9.4 mm?？梢?，復(fù)層林構(gòu)建增加了土壤的儲(chǔ)水能力。

3.3 純林和復(fù)層林土壤水量平衡

由表3可知，復(fù)層林年均蒸散量比純林增加36.4 mm，土壤水分深層滲漏量減少115.6 mm；純林和復(fù)層林土壤水分的年變化量和地表徑流量差異不大。復(fù)層林蒸散量的增加原因與冠層葉面積指數(shù)增大有關(guān)。由于復(fù)層林不僅降低了林內(nèi)雨滴動(dòng)能，減緩了土壤水分輸入速率，而且增加了土壤孔隙度和土壤持水能力，由此導(dǎo)致土壤水分深層滲漏量減少[10]。

3 結(jié)論與討論

SHAW模型可以較好地模擬杉木人工土壤水分動(dòng)態(tài)，模擬值與實(shí)測(cè)值間的均方根差、平均偏差、和相對(duì)平均絕對(duì)誤差分別為0.041 m3·m-3、0.009 m3·m-3和15.4%。對(duì)拉薩河谷冬小麥(Triticumaestivuml)[23]、黃土高原綠豆(Echeveriaamoena)[19]、苜蓿(Medicagosativa)和檸條(Caraganakorshinskii)[24]等土壤水分動(dòng)態(tài)模擬都取得了較好的效果；利用該模型對(duì)美國(guó)和加拿大等地植被恢復(fù)過程中水分模擬也取得了令人滿意的結(jié)果[18，25]。由此可見， SHAW模型具有較強(qiáng)適用性，模型參數(shù)也容易獲取，可以用于我國(guó)亞熱帶地區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分動(dòng)態(tài)模擬研究。

表3 純林和復(fù)層林土壤水量平衡

圖3 杉木純林和復(fù)層林土壤儲(chǔ)水量比較

杉木純林改建為復(fù)層林，增加了土壤儲(chǔ)水量，也增大了水分消耗(蒸散)，但減少了土壤水分深層滲漏，總體上復(fù)層林構(gòu)建有利于森林水源涵養(yǎng)。Dünisch et al.[26]研究發(fā)現(xiàn)，圭亞那棟樹(Carapaguianensis)混交林蒸散量高于純林，混交林水分通量的年內(nèi)變異低于純林。但Grossiord et al.[11]認(rèn)為，在生態(tài)系統(tǒng)水平下，多樹種混交林(2～5個(gè)樹種)蒸散量和水分利用效率與純林在幼林期沒有顯著差異。這與幼林期的樹種混交對(duì)林分水量平衡影響相對(duì)較小有關(guān)。但是，有學(xué)者認(rèn)為，選擇適宜的伴生樹種構(gòu)建復(fù)層林可以顯著改善土壤水分物理性質(zhì)。徐雪蕾等[8]在福建省將樂的研究發(fā)現(xiàn)，杉木林下套種草珊瑚可以有效改善林地土壤理化性質(zhì)，土壤含水率和土壤孔隙度分別比杉木純林提高了76.3%和62.4%；葛樂等[7]也認(rèn)為，杉木復(fù)層異齡林提高了土壤孔隙度；復(fù)層林構(gòu)建增加了林下植被生物量，意味著根系生物量增大，增加了對(duì)土壤的穿插分割作用，同時(shí)，根系死亡分解后形成的通道使土體中孔隙增加，進(jìn)而提高了土壤蓄水能力[9]；對(duì)紅松(Pinuskoraiensis)-水曲柳(Fraxinusmandschurica)混交林涵養(yǎng)水源功能的研究也得出類似結(jié)論[27]。

本文僅研究了復(fù)層林伴生樹種中齡期土壤水分的變化，而復(fù)層林整個(gè)培育周期內(nèi)土壤水分利用和消耗動(dòng)態(tài)還有待于進(jìn)一步研究。雖然從坡面尺度開展了復(fù)層林構(gòu)建對(duì)水文過程影響的初步研究，但在較大尺度上林分結(jié)構(gòu)變化如何影響區(qū)域水循環(huán)及其水文過程還需要深入探討；盡管模型模擬為定量評(píng)估林分結(jié)構(gòu)變化后土壤水分及水量平衡過程提供重要參考，但模擬結(jié)果也需要更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來加以驗(yàn)證。因此，今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)林地水文過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為區(qū)域森林植被生態(tài)服務(wù)功能準(zhǔn)確評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。