徐燕星, 劉 昭, 涂安國(guó), 雷 平, 胡 皓 ,趙佳鼎,石芬芬

(1.江西水利職業(yè)學(xué)院，330013，南昌；2.江西省水利科學(xué)院，江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，330029，南昌；3.江西武夷山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，334500，江西，上饒)

0 引言

土壤水是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)的關(guān)鍵載體，但同時(shí)森林土壤水分消耗、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化又受到森林植被生長(zhǎng)的影響[1]。有關(guān)研究表明，植被活體根系穿插以及枯落物腐解能夠改善土壤的理化性質(zhì)[2]，不同林地類型下土壤孔隙率、入滲性能等土壤水分物理性質(zhì)差異明顯[3-5]。雖然目前已有大量關(guān)于森林土壤水分的研究成果,但關(guān)于不同林地類型下土壤水力特性差異及其產(chǎn)生的土壤水分調(diào)控效應(yīng)研究還不夠深入，對(duì)水源是起到了涵養(yǎng)作用還是消耗作用的問(wèn)題亟需回答。

森林土壤水分受降雨、徑流、蒸發(fā)、根系吸水、植物截留等多個(gè)水文因素共同影響，為評(píng)估不同林地類型土壤水力特性這一影響因素差異下的土壤水分調(diào)控效應(yīng)，建立土壤水分運(yùn)動(dòng)模型是可行的辦法[6]。目前描述土壤水分運(yùn)動(dòng)模型主要分為Richards模型、動(dòng)力波模型和均衡模型，其中以達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)的Richards 方程具有堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)，對(duì)于水分通量計(jì)算具有較大的優(yōu)勢(shì)，在各種水文模型中得到了廣泛應(yīng)用[7]。但是，由于該方程是高度非線性的拋物線型偏微分方程，其數(shù)值求解方法具有一定挑戰(zhàn)性，一直是熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[8]。其中Ross方法是一種求解Richards 方程的主變量切換技術(shù)，在模型收斂性、計(jì)算效率和計(jì)算精度上均具有優(yōu)勢(shì)[6, 9]，這為分析土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程提供了有效工具。

1 研究區(qū)概況

江西武夷山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處江西省東北部的鉛山縣境內(nèi)(117°39′30″～117°55′47″E， 27°48′11″～28°00′35″N)，坐落于武夷山脈的主峰(黃崗山，海拔2 160.8 m)區(qū)域，是我國(guó)東南陸域最高山地的自然保護(hù)區(qū)，總面積16 007 hm2，其中核心區(qū)面積4 835 hm2，占保護(hù)區(qū)面積的30.2%；緩沖區(qū)面積2 021 hm2，占保護(hù)區(qū)面積的12.6%；實(shí)驗(yàn)區(qū)面積9 151 hm2，占保護(hù)區(qū)面積的57.2%。區(qū)內(nèi)保存有世界同緯度現(xiàn)存最完整、最典型、最原始的中亞熱帶原生性中山森林生態(tài)系統(tǒng)，是珍貴樹(shù)種群落和珍稀野生動(dòng)植物的自然集中分布區(qū)。

葉家廠小流域?yàn)楸狙芯恐械牡湫脱芯繀^(qū)域，主要植被類型分布為：闊葉林52.2%，針闊混交林21.4%，針葉林10.6%，毛竹林10.4%，中山矮曲林和草甸5.4%；而在該流域河岸帶范圍內(nèi)，毛竹林面積可達(dá)50%以上，因此毛竹林極具代表性。本研究在葉家廠小流域范圍內(nèi)選取了毛竹林、杉木林、檫木林和柳杉林四種林地類型作為典型林地類型。其中杉木林是針葉林的典型代表，檫木林(伴生少量杉木)是闊葉林(針闊混交林)的典型代表，柳杉林是古樹(shù)林的典型代表。于2018年11月在該4種典型林地類型中各選取20 m×20 m的樣方進(jìn)行植被調(diào)查，毛竹、檫木、杉木和柳杉分別代表各典型植物群落中的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，其主要特征如表 1所示。

表1 各樣方優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的主要特征

2 研究方法

2.1 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

典型林地類型樣方土層較薄，平均土壤厚度僅35～47 cm，10 cm以上為腐殖土層。以100 cm3環(huán)刀和壓力膜儀專用環(huán)刀在各樣方隨機(jī)采集0～10 cm和10～40 cm的原狀土樣(3次重復(fù))。采用烘干法測(cè)試土壤容重，采用飽和入滲試驗(yàn)測(cè)試飽和水力傳導(dǎo)度，采用壓力膜儀分別測(cè)試了各樣品在10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm、200 cm、300 cm、500 cm、1 000 cm、1 500 cm等11組土壤負(fù)壓的土壤含水量，以獲取土壤水分特征曲線。此外，在樣方附近區(qū)域選取裸地、茶園、水田3片樣地作為參照，同步采集和測(cè)試上述土壤物理指標(biāo)。其中，裸地位于保護(hù)區(qū)內(nèi)靠近葉家廠小流域，已風(fēng)化成土，但無(wú)任何植被覆蓋；茶園位于保護(hù)區(qū)內(nèi)靠近武夷山鎮(zhèn)簧村，有較強(qiáng)的人類活動(dòng)；水田位于保護(hù)區(qū)外武夷山鎮(zhèn)往鉛山縣方向公路旁。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

2.2.1 土壤水動(dòng)力參數(shù) 本文采用van Genuchten-Mualem 模型描述土壤體積含水率θ(cm3/cm3)、土壤負(fù)壓h(m)和土壤水力傳導(dǎo)度K(θ) (m/d)之間的函數(shù)關(guān)系，即

(1)

(2)

式中：α為土壤介質(zhì)進(jìn)氣值的倒數(shù)(cm-1)，一般土壤粘性越強(qiáng)，該值越小；m和n是與土壤顆粒大小分布相關(guān)的參數(shù)(無(wú)量綱)； 滿足m=1-1/n，且0

2.2.2 土壤水運(yùn)動(dòng)模型 本文主要是討論各典型植物群落樣方和各參照樣地的土壤水動(dòng)力參數(shù)的不同條件下，土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)于降雨入滲和土面蒸發(fā)的響應(yīng)。在建模之前，需對(duì)一些條件進(jìn)行限定和假設(shè)。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，采用一維Richards方程模擬入滲和蒸發(fā)過(guò)程。土層底板為堅(jiān)硬基巖，下邊界可假設(shè)為不透水層(隔水邊界)。由于該區(qū)平均土壤厚度35～47 cm，因此可統(tǒng)一假定各處理的土層厚度為40 cm，分為0～10 cm和10～40 cm的2層。初始含水率剖面均設(shè)置為底部節(jié)點(diǎn)剛好飽和時(shí)的穩(wěn)定剖面(各點(diǎn)重力勢(shì)與負(fù)壓之和處處相同，當(dāng)無(wú)蒸發(fā)或降雨時(shí)，含水率剖面穩(wěn)定)。模擬土壤水庫(kù)從上邊界的補(bǔ)排過(guò)程，設(shè)置上邊界條件為虛擬的大氣邊界，設(shè)為前20日蒸發(fā)后降雨，參考作物騰發(fā)量強(qiáng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)為2 mm/d，凈降雨強(qiáng)度設(shè)為30 mm/d(根據(jù)葉家廠雨量站2017―2019年觀測(cè)，月內(nèi)平均降雨強(qiáng)度為2.7～37.9 mm/d)；由于林地坡度較陡，且土壤導(dǎo)水性好，可認(rèn)為底板處飽和后，水迅速以飽和流向下坡運(yùn)移，因此以底部節(jié)點(diǎn)剛好飽和時(shí)，作為降雨結(jié)束時(shí)間，及模擬時(shí)段內(nèi)不產(chǎn)生地表徑流。

綜上，土壤水運(yùn)動(dòng)控制方程表示為：

(3)

其中上邊界條件可表示為

(4)

下邊界可考慮為隔水邊界，即

(5)

初始條件設(shè)置為

(6)

式(3)～式(6)中，z為垂向坐標(biāo)(m)，向下為正；zb為土體下邊界深度，本文取為0.4 m；t為模擬時(shí)間(d)；β為飽和-非飽和狀態(tài)參數(shù)，在飽和時(shí)取為1，非飽和時(shí)為0；μs為彈性釋水系數(shù)，本文主要考慮非飽和土體含水率的變化，該參數(shù)根據(jù)土壤性質(zhì)，取經(jīng)驗(yàn)值0.000 1 m-1；r(θ)為通過(guò)潛在蒸發(fā)量計(jì)算實(shí)際蒸發(fā)量的參數(shù)(無(wú)量綱)，與表層土壤含水率有關(guān)；ETp和Pr為單位時(shí)間內(nèi)的潛在蒸發(fā)量和降雨量(m/d)，根據(jù)前文假設(shè)可表示為：

ETp=0.002 m/d， 0≤t≤tend

(7)

(8)

式中：t為計(jì)算時(shí)刻，tend為模型終止時(shí)刻，即土體底部節(jié)點(diǎn)剛好飽和時(shí)刻。本文對(duì)于式(3)～式(6)采用計(jì)算精度高、數(shù)值收斂性較好的Ross方法進(jìn)行求解。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林地類型土壤水力特性差異

土壤水動(dòng)力參數(shù)平均值如表2所示，各典型植物群落樣方上下層土之間的參數(shù)值差異較小，土壤滲透性較好，飽和水力傳導(dǎo)度Ks可達(dá)102cm/d；飽和含水量較大，均超過(guò)0.5。裸地和茶園上下層土之間的飽和水力傳導(dǎo)度Ks差異很大，可達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)。變異系數(shù)Cv表征了隨機(jī)變量的離散程度，Cv大于0.36為高度變異，0.16～0.35為中等變異，小于0.16為小變異[10]。分析土壤水動(dòng)力參數(shù)變異系數(shù)可發(fā)現(xiàn)，參數(shù)Ks屬于中等變異至高度變異范圍，參數(shù)α絕大部分屬于高度變異，參數(shù)n、θr和θs為小變異范圍。

表2 典型林地類型樣地和參照樣地土壤水動(dòng)力參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)表2中的土壤水動(dòng)力參數(shù)和式，可繪制不同典型林地類型樣方和各參照樣地的土壤水分特征曲線，如圖1所示。可以發(fā)現(xiàn)各典型林地類型樣方的土壤水分特征曲線靠右，茶園、水田和裸地的曲線依次靠右。說(shuō)明在同樣負(fù)壓水平下，各典型林地類型樣方的土壤比參照樣地土壤的持水性更好。各典型林地類型樣方內(nèi)比較土壤持水性，杉木林略占優(yōu)勢(shì)，而毛竹林稍顯弱。

圖1 典型林地類型樣地和參照樣地土壤水分特征曲線

3.2 不同林地類型土壤水分調(diào)控效應(yīng)模擬

通過(guò)模擬，可輸出模型終止時(shí)刻tend(即降雨期末時(shí)刻，如表 3所示)典型林地類型樣地土壤的底板開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間(模型終止時(shí)刻)均比參照樣地長(zhǎng)，說(shuō)明森林土壤本身(不包含植物的作用、土層厚度影響等)就具有延緩徑流輸出的特性。各不同典型林地類型樣地中，土壤延緩徑流輸出的能力由大到小依次為毛竹林、柳杉林、杉木林、檫木林。

不同典型時(shí)刻(蒸發(fā)期末時(shí)刻、降雨期末時(shí)刻)的土壤含水量模擬結(jié)果如圖2和圖3所示。典型林地類型樣地土壤的蒸發(fā)期末時(shí)刻含水量高于各參照樣地，說(shuō)明森林土壤土質(zhì)(不包含植物的作用、土層厚度影響等)的抗旱能力更強(qiáng)。典型林地類型樣地土壤中，抗旱能力由大到小依次為杉木林、檫木林、柳杉林和毛竹林。典型林地類型樣地土壤的降雨期末時(shí)刻含水量高于各參照樣地，說(shuō)明森林土壤土質(zhì)(不包含植物的作用、土層厚度影響等)的土壤水庫(kù)蓄積能力更大。典型林地類型樣地土壤中，土壤水庫(kù)蓄積能力由大到小依次為杉木林、柳杉林、毛竹林和檫木林。

表3 典型林地類型樣地和參照樣地土壤水分模擬終止時(shí)刻

圖2 蒸發(fā)期末時(shí)刻土壤含水量剖面分布

圖3 降雨期末時(shí)刻土壤含水量剖面分布

在蒸發(fā)期，土壤耗水去向?yàn)榇髿?，土壤耗水量越大說(shuō)明土壤增加空氣濕度的能力越強(qiáng)。蒸發(fā)期土壤耗水量可采用蒸發(fā)期起止時(shí)刻的剖面累積含水量之差計(jì)算，即：

ΔV(t)=V(ts)-V(te)

(9)

式中：te和ts分別表示蒸發(fā)期起、止時(shí)刻，V(t)表示t時(shí)刻的土體儲(chǔ)水量；ΔV(t)表示土壤水分消耗。其中，土體儲(chǔ)水量V(t)可由下式計(jì)算：

(10)

式中：N表示節(jié)點(diǎn)總數(shù)，本文取為20；i=1,2,...,N表示節(jié)點(diǎn)序號(hào)；θi(t)為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的土壤體積含水率(cm3/cm3)，為模型模擬結(jié)果；Δdi為節(jié)點(diǎn)i的控制長(zhǎng)度(m)，本文模擬土壤剖面深度共計(jì)0.40 m，考慮各節(jié)點(diǎn)等距分布，故Δdi均為0.02 m。計(jì)算結(jié)果如圖 4所示，森林土壤土質(zhì)(不包含植物的作用、土層厚度影響等)的土壤增加空氣濕度能力明顯強(qiáng)于參照樣地土壤。典型林地類型樣地土壤的蒸發(fā)期土壤耗水量為裸地的4.2～7.3倍。各典型林地類型樣地中，土壤增加空氣濕度能力由大到小依次為杉木林、檫木林、柳杉林、毛竹林。

圖4 蒸發(fā)期土壤耗水量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)江西武夷山自然保護(hù)區(qū)典型林地類型樣方(檫木林、柳杉林、毛竹林和杉木林)和參照樣地(裸地、茶園、水田)的土壤水力性質(zhì)和土壤水分進(jìn)行了分析，主要取得了以下結(jié)果。

1)分析了典型林地類型樣方和參照樣地土壤水力性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)典型林地類型樣方的土層較薄，上層土與下層土壤水力性質(zhì)差異小，土壤透水性較好，飽和水力傳導(dǎo)度Ks可達(dá)102cm/d，而參照樣地裸地和茶園上下層土的飽和水力傳導(dǎo)度Ks差異很大，可達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)。總體上，各典型林地類型樣方的土壤比參照樣地土壤的持水性更好。

2)考慮典型林地類型樣方中土壤水力性質(zhì)的不同，以Richards方程模擬了土壤典型降雨-蒸發(fā)事件下的土壤水運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而說(shuō)明土壤水分調(diào)控效應(yīng)。各典型林地類型土壤比參照樣地能更好地延緩徑流輸出、蓄積土壤水分以及增加空氣濕度。各典型林地類型中，土壤延緩徑流輸出的能力由大到小依次為毛竹林、柳杉林、杉木林、檫木林，土壤水庫(kù)蓄積能力由大到小依次為杉木林、柳杉林、毛竹林和檫木林，土壤增加空氣濕度能力由大到小依次為杉木林、檫木林、柳杉林和毛竹林。