孫天宇,張麗萍,費 凱,鄧龍洲,劉 俏,范曉娟

浙江大學環(huán)境與資源學院,浙江省農業(yè)資源與環(huán)境重點實驗室, 杭州 310058

林地的水源涵養(yǎng)功能是全球水資源循環(huán)的重要調節(jié)方式之一[1]。由于林木冠層、枯枝落葉層、土壤層等對雨水的截留吸收和阻滯作用,林地對延緩和減少地表徑流的形成作用顯著[2- 5],林地可以有效減少水土流失,具有水源涵養(yǎng)功能[6- 7]。為了合理評價林地的水源涵養(yǎng)能力,更好地開展區(qū)域林地管理與利用,國內外專家學者進行了大量的研究。有些學者對一定區(qū)域內不同林地類型的水源涵養(yǎng)能力進行了比較,如胡健等[8]對青海云杉林、灌木叢與草地的根區(qū)土壤累計入滲量、土壤濕度進行了研究,結果表明青海云杉林具有更強的水源涵養(yǎng)能力。Jian等[9]研究了不同土地覆蓋類型下的土壤水分動態(tài)變化。劉凱等[10]研究了青海高寒區(qū)不同林地類型的土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能,結果表明云杉落葉松混交林水源涵養(yǎng)能力最強。齊特等[11]比較了冀北地區(qū)豐寧縣不同水源林地的土壤持水能力,研究得到楊樹林地的涵養(yǎng)水源能力最強。劉璐璐等[12]比較了瓊江河流域不同林地類型的水源涵養(yǎng)能力,結果表明闊葉混交林涵養(yǎng)水源能力最強。研究方法主要是比較土壤物理特性及持水性能指標[13- 14],在此基礎上有的學者也進行了蓄水能力的定量計算。適宜森林覆蓋率的研究是水源涵養(yǎng)林空間配置的基礎研究[15],有不少學者對植被覆蓋率對林地水源涵養(yǎng)能力的影響進行了研究,如張華嵩等[16]通過對降雨量觀測資料的平衡計算,發(fā)現隨著植被覆蓋度的增長,地表徑流會逐漸減少,土壤入滲量會不斷增加。Zhou等[17]使用已發(fā)布數據代入Fuh方程檢驗,發(fā)現森林覆蓋率與覆蓋類型對于流域水產量影響顯著。

林地水源涵養(yǎng)能力的研究多對土壤容重、孔隙度、持水量、入滲速度以及水文過程等進行測定與比較,研究手段既包括小尺度的單點試驗,也有遙感和流域大尺度的試驗。水源涵養(yǎng)能力的定量計算多由相關指標轉換得到,往往僅對應吸持貯存水量而忽略了入滲過程中的滯留貯存水量,誤差較大。植被覆蓋率、林相類型等與林地水源涵養(yǎng)能力關系的研究也大都需要依靠過往的數據積累或長期的野外監(jiān)測試驗,存在較大的限制性。尚未見到將上述兩方面研究進行有效整合的例子,這限制著對特定區(qū)域內林地水源涵養(yǎng)能力的綜合評價,不利于林地管理、林相培育優(yōu)化過程中的借鑒和參照。

因此,本研究通過室內人工模擬降雨方法,開展了針對林地水源涵養(yǎng)功能的多角度研究。一是從區(qū)域總體植被覆蓋情況,展開植被覆蓋度模擬研究；二是針對不同類型林地的林相特征,展開林相結構模擬研究；三是進行不同林地持水特性的實地監(jiān)測。本研究匯總了上述3種方式的土壤入滲和林下水源涵養(yǎng)的研究成果,能夠更加準確地對林地水源涵養(yǎng)能力進行定量評價,其中包含土壤水分下滲過程量,對植被覆蓋度、林相等因子的研究限制也較小,多角度綜合研究更加全面。其中植被覆蓋度研究是針對特定區(qū)域內的總體水源涵養(yǎng)情況,林相研究可以細化比較不同類型林地的水源涵養(yǎng)能力,實地持水特性的監(jiān)測是對林相研究結果的有效驗證與補充。研究成果以期能為經濟林地減少坡面徑流,提高土壤蓄水能力的管理提供數據支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況與供試材料

苕溪流域位于浙江省北部,干流長157.4 km,流域面積4576.4 km2,森林覆蓋率達90%以上,土地利用類型以林地為主。流域地處中熱帶季風區(qū)北緣和北亞熱帶季風區(qū)南緣,氣候溫和濕潤,雨量充沛,四季分明,平均降雨量1460 mm,年均氣溫15.5—15.8℃。每年5月中旬至7月中旬為梅汛期,降水量450—510 mm；8至9月為臺汛期,降水量在190—380 mm。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location of the study area

在室內試驗測試的土壤是浙江省臨安市(圖1)的典型紅壤,也是苕溪流域最為普遍的土壤類型。試驗土壤根據野外相應土壤層的容重逐層填入,土槽的邊緣用力壓實。裝土前,在槽底墊5 cm厚的天然沙,保證土壤的透氣透水接近天然狀況。在土槽的下坡端嵌有邊緣高5 cm的鐵質集水槽。2013年11月—2014年10月,在浙江大學華家池校區(qū),玻璃溫室內采用全套人工模擬降雨試驗設備進行試驗,試驗溫度保持在20—25℃之間。模擬降雨裝置是壓控式雙向側噴式人工模擬降雨器。降雨試驗前,在土槽周邊安置20個降雨標定桶通過反復率定,使降雨均勻度達到90%左右。野外監(jiān)測選擇在浙江省安吉縣杭垓鎮(zhèn)蘭家邊山塘小流域示范區(qū),于2017年9月12日—10月22日期間進行采樣監(jiān)測。

1.2 試驗方法

本研究分室內外2部分進行。

1.2.1林下土壤蓄水隨植被覆蓋度變化

在林下土壤蓄水隨植被覆蓋度變化的試驗中,采用室內人工模擬降雨的方式開展研究,設計徑流槽土層厚度控制在50 cm,坡度20,徑流槽寬度0.5 m,降雨強度2 mm/min,植被覆蓋度0、15%、30%、45%、60%、75%、90%,坡長1 m、2 m、3 m、4 m、5 m,降雨產流后每2 min取徑流混合水樣1個,連續(xù)監(jiān)測30 min。記錄不同植被覆蓋度、不同坡長下的地表徑流減少量。間隔固定時間開展試驗,經測量土壤實驗前含水率均在5%—7%之間,每次降雨前土壤含水率基本一致。土壤的理化性質見表1。

表1 試驗小區(qū)的土壤(0—10 cm) 理化性質[18]

1.2.2林下覆蓋層變化試驗的土壤蓄水和入滲量特征

下層覆蓋位于和土體輕微接觸的位置,上層覆蓋距離土體上方80 cm的距離,其覆蓋高度大抵相當于一般的灌木,上下層覆蓋均可以通過土槽邊緣安裝的支架進行獨立拆卸,以獲得試驗所需的覆蓋組合類型。變覆蓋試驗土槽示意圖如圖2。其中A土槽示意的是帶有上層覆蓋的情況,B土槽示意下層覆蓋的情況,根據試驗需要,每個土槽可以得到裸坡、上層覆蓋、下層覆蓋以及上下層覆蓋的四種模擬覆蓋組合形式。每次降雨試驗,A、B兩個土槽采取相同的覆蓋組合以達到重復對比的試驗目的。

圖2 變覆蓋試驗土槽裝置示意圖Fig.2 Different coverage conditions test soil trough device diagram

1.2.3野外實地林下土壤持水特性監(jiān)測

在示范區(qū)內對地貌部位相對相近的板栗林、茶園與竹林3處不同林地進行定時間采樣和監(jiān)測,林地基礎數據見表2。樣品采集包括3個平行樣品,從地表層向下每隔5 cm采集樣品1個,每個剖面采集12個樣品,最終求取3個平行樣品的平均值。每次采集樣品108個。利用環(huán)刀法所取的原狀土樣,將盛有新鮮土樣的大型鋁盒在分析天平上稱重,準確至0.01 g。揭開盒蓋,放在盒底下,置于已預熱至105℃的烘烤箱中烘烤12 h。取出蓋好,在干燥器中冷卻至室溫(約需30 min),立即稱重,求取土壤含水率值。2017年9月12日—10月22日期間共監(jiān)測采集樣品8次。為了能直觀顯示不同林地及裸地土壤持水能力的差異,在10月20日和10月22日增加了裸坡地剖面,每次采集樣品144個。

表2 野外監(jiān)測林地的基礎數據

1.3 研究方法

1.3.1林下土壤蓄水量計算公式

林下土壤蓄水量是指降雨過程中除去徑流的入滲量,公式如下：

P=R×S×f×J

(1)

式中,P為全年理論最大蓄水量(m3),R為年均降雨量(mm),S為匯水面積(km2),f為覆蓋度,J為入滲率。

1.3.2入滲量與入滲系數計算公式

本研究中入滲量即為蓄水量,既包括土壤吸持貯存水量和也包括入滲過程中的短時滯留貯存水量。

I=K×T×S1×cosα-C

(2)

(3)

式中,I為入滲量,I0為入滲系數,K為降雨強度(mm/min),T為降雨時間(min),S1為試驗土槽面積(m2),α為坡度,C為收集的徑流量(l)。

1.3.3數據處理及分析方法

采用Sigmaplot 14.0軟件進行數據統(tǒng)計及圖表制作,通過 SPSS 22.0軟件進行數據分析、建立回歸方程。

2 結果與分析

2.1 林下土壤蓄水隨植被覆蓋度的變化

圖3 地表入滲系數隨植被覆蓋度增加的變化規(guī)律Fig.3 The variation of surface infiltration coefficient with the increase of vegetation coverage

將室內模擬植被覆蓋度的試驗監(jiān)測的525個數據繪制成植被覆蓋度與入滲關系圖(圖3)。由圖3可知,隨著坡長的增加,總體上入滲系數呈不斷增加的趨勢,但存在一定的波動,覆蓋度越高時波動越小。覆蓋度為0,15%,30%和45%時,坡長為2 m處的入滲系數均有所降低,分別比1 m處降低9.7%,5.6%,4.2%和0.8%。覆蓋度為60%,75%,90%時,坡長2 m處的入滲系數比1 m處保持不變或少量增加。如圖3,隨著植被覆蓋度的增加,土壤入滲呈現出明顯的上升趨勢,并且在坡長延長相同長度時,增加量不斷增加。如不同覆蓋度條件下(0—90%),坡長2 m處至5 m處入滲系數增加量分別為0.078,0.052,0.063,0.051,0.041,0.028,0.019。為了能直觀的描述遞增的趨勢,由圖2數據擬合得遞增公式(表3)。由表3可以得知,在所有的5個設計坡長中,回歸模型的決定系數R2基本在0.9以上。

表3 坡地土壤入滲隨植被覆蓋度和坡長變化的擬合式及擬合度

注：J代表入滲系數,f代表植被覆蓋度

分析上述結果發(fā)生的原因：隨著坡長的延長,坡面下部的流量很容易快速增大進而使坡面徑流深增加,當徑流深較大時,增加的水壓很大程度上能增強土壤入滲量,導致入滲系數緩慢增大。坡長由1 m延長到2 m時入滲系數減少,而2 m延長到5 m的過程中均是緩慢增大,可能是由于在2 m坡長范圍內,坡面徑流的流路不夠長,不足以匯流成較大流量徑流。而入滲系數與植被覆蓋度的良好相關性關系,也可能是由于坡面徑流深隨著植被覆蓋度的增加而增大,帶來土壤入滲量的增加而導致的。

為了進一步對比分析植被覆蓋度、坡長與入滲系數的關系,本文將降雨過程中實測的數據利用SPSS22.0進行回歸分析,得出擬合回歸模型：

J=0.0085L+0.0905f+0.8459,R2=0.77

(4)

式中,J為入滲系數；L為坡長(m)；f為覆蓋度。

回歸模型擬合度較好,且模型方差分析表明F統(tǒng)計量對應的P值為0.000遠小于0.01,則說明該模型整體上是非常顯著的,覆蓋度與坡長對于入滲系數的綜合影響可以用線性相關方程較準確地描述,模型決定系數為0.77。覆蓋度與入滲系數在0.01水平上極顯著正相關,相關系數0.80,坡長與其在0.05水平上顯著正相關,相關系數為0.36,說明在室內人工模擬降雨實驗中植被覆蓋度對入滲系數的影響比坡長要大很多。通過該回歸模型,結合地區(qū)植被覆蓋條件可以粗略估算最小入滲系數值。

2.2 林下不同覆蓋層的土壤蓄水和入滲量特征

圖4所示為不同覆蓋條件下的土壤入滲過程曲線。隨著產流歷時增加,總體看來入滲系數次序為上下層覆蓋>上層覆蓋>下層覆蓋>裸地。根據產流1 h的累積入滲量,裸坡為4.6 L,上層覆蓋為6.1 L,下層覆蓋為5.3 L,上下層覆蓋為6.6 L。由此可知,蓄水最好的是上下層覆蓋,與裸坡比較累積蓄水量增加百分數：上層覆蓋為23%,下層覆蓋為29%,上下層覆蓋為37%。

由圖5可知,裸坡地的入滲量遠小于徑流量。與裸坡地相比,具有下層覆蓋、上層覆蓋和上下層覆蓋的林相結構,其林下土壤的蓄水量會呈現出直線型大幅增加。由于土槽試驗是有限土層,覆蓋模擬沒有植被的蒸騰和根系的吸收,所以試驗所得數據是林地蓄水量的下限,但其能說明林地不同覆蓋層次和覆蓋率的蓄水規(guī)律和趨勢,即水源的涵養(yǎng)量。

圖4 不同覆蓋條件下林下土壤的入滲系數Fig.4 Infiltration coefficient of forest soil under different cover conditions

圖5 入滲系數隨覆蓋條件的變化Fig.5 Infiltration coefficient changes with cover condition

2.3 林下土壤持水特性

2.3.1不同坡地林下土壤的持水特征

由圖6顯示,不同林地的土層持水性能差異很大,其中板栗林的表層含水率最大,整體上茶園表層含水率大于竹林。板栗林、茶園與竹林的表層含水率的平均值分別為29.34%、28.32%、27.15%。板栗林和竹林剖面上含水率均呈隨深度增加而減少的趨勢,且板栗林變化最大。而茶園大部分情況變化不明顯,各層差距不大。在0—20 cm的縱向剖面上,含水率不斷下降且變化幅度較大,板栗林、茶園和竹林的遞減幅度平均值分別為2.89%、1.39%、1.05%。20—40 cm的縱向剖面上,含水率基本保持不變,甚至出現緩慢的上升。40—60 cm的剖面上,含水率總體上逐步降低且變化幅度很小。這些規(guī)律與余新曉[19]對不同土壤層次含水量變化規(guī)律的描述完全一致。

由圖7可知,總體上不同林地含水率隨著剖面深度增加而逐漸減少,裸地含水率在20—60 cm變化不大,且總體比表層土含水率高一些。比較土壤表層(0—20 cm)的含水率,板栗林、茶園與竹林都顯著比裸地含水率高,其中板栗林與茶園含水率較為接近。根據圖6與圖7的數據分析,野外測量與室內模擬實驗結果總體規(guī)律較為一致,持水能力次序分別為板栗林、茶園、竹林、裸地,分別對應室內模擬試驗中的上下層覆蓋、下層覆蓋、上層覆蓋與裸坡。

根據林地對土壤蒸發(fā)的原理,分析上述規(guī)律的原因：(1)林地的蒸騰作用使得地面以上空氣較為濕潤,表層土壤能夠吸收更多水分；林地也起到遮擋陽光的作用,使得地表溫度更低,且土層表面有綠色植物、枯枝落葉等覆蓋物時,也能夠起到遮擋作用并截持部分水分,共同減緩水分蒸發(fā)[20]。因此,總體上林地表層含水率高于裸地。裸地下層含水率與林地相差不大或是甚至更高,其原因是所選裸地的底層可能存在過去的死根提供有機質,促進深層處持水能力依舊較強。(2)根據所測土壤總孔隙度[21],裸地的土壤總孔隙度(37.86%)遠小于3種林地,3種林地中竹林最高(53.03%),茶園(45.44%)與板栗林(48.74%)相近。這是由于林地的根系較為發(fā)達,能夠通過死根的分解、根際分泌物的作用等,促進土壤團聚體的形成和孔隙狀況的不斷改善,增加土壤持水能力。竹林存在土壤中橫向生長的地下莖[22],因此竹林土壤疏松,透水性能更好,表層持水能力較差。

圖6 示范區(qū)內不同林種坡地土層的含水率Fig.6 The soil water holding characteristics of different forests lopes in the demonstration area

圖7 不同種林地含水率隨土壤剖面變化的對比Fig.7 Comparison of water content in different forest lands with changes in soil profile

2.3.2研究區(qū)最大蓄水量估算

根據安吉林業(yè)局資料獲取其山林種類分布,其中竹林占比72.1%,板栗林占比11.9%,茶園占比2.5%,杉木林占比13.0%,分別對應模擬覆蓋中的上層覆蓋、上下層覆蓋、下層覆蓋、上層覆蓋,則我們取各林地所占比例乘以相應覆蓋條件下入滲率的加和后,得到示范區(qū)入滲率的估算值為0.538。安吉縣年均降雨量為1413.2 mm,本研究的核心示范區(qū)合計匯水面積約為97.3 km2,估算得植被覆蓋度為70.4%[23],根據(1)式計算林地水源涵養(yǎng)全年理論最大蓄水量為5.21×107m3。

3 結論

(1)得到了不同覆蓋度及相應坡長下的入滲系數,且入滲系數隨植被覆蓋度和坡長變化的擬合效果較好。通過多元回歸模型,可用于估算相應植被覆蓋度下的區(qū)域整體入滲系數。

(2)具有多層結構的林相,林下土層的蓄水量會呈現出直線型大幅增加。蓄水最好的是上下層覆蓋,與裸坡比較累積蓄水量增加百分數：上層覆蓋為23%,下層覆蓋為29%,上下層覆蓋為37%。

(3)野外測量與室內模擬實驗結果總體規(guī)律較為一致,蓄水能力次序分別為板栗林、茶園、竹林。估算得示范區(qū)內林地水源涵養(yǎng)量最大值為5.21×107m3。