李海防, 史梅容, 王金叶,*, 赵连生, 王绍能, 叶建平



猫儿山荷木林不同层次土壤含水量的降雨响应

李海防1, 史梅容2, 王金叶1,*, 赵连生3, 王绍能3, 叶建平3

1. 桂林理工大学旅游学院, 桂林 541004 2. 南宁职业技术学院, 南宁 530008 3. 猫儿山国家级自然保护区管理局, 兴安 541316

以漓江上游猫儿山林区典型荷木林()为研究对象, 对0—20 cm, 20—40 cm, 40—60 cm, 60—80 cm等4个层次的土壤进行土壤含水量定位监测, 分析各层次土壤含水量的降雨响应。结果表明: (1)0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm 4个层次土壤土壤含水量差异显著, 年均值分别为: 50.66%, 41.71%, 47.23%, 34.92%, 垂直变化复杂, 降雨与各层次土壤含水量呈极显著正相关; (2)4个层次土壤含水量上升拐点出现的时间依次滞后, 随着深度的增加, 土壤含水量对降雨的响应变慢; (3)在前期土壤含水量较低的情况下, 土壤含水量都会出现一个“平台”期, 然后迅速升高, 达到最高值; (4)深层土壤对降雨的响应与产生饱和界面, 地下水位抬高有关; (5)在大雨和暴雨条件下, 60—80 cm深层土壤由于初始含水量低, 随降雨增速很快; 降雨结束后, 该层次的土壤含水量下降最快。为揭示漓江上游森林植被对降水径流的调节作用, 客观评估漓江上游水资源潜力、加强流域水资源管理和森林经营提供科学依据。

猫儿山; 荷木林; 土壤含水量; 降雨响应

1 前言

土壤水分是维持陆地森林生态系统的关键, 是影响流域产流和地区水文循环的重要因子[1]。土壤含水量在降雨、植被、地形和土壤物理性质等因素的影响下, 空间、时间尺度上不断发生变化, 进而影响整个森林的降雨产流过程[2]。土壤含水量的变化首先受降雨过程的影响, 表层土壤含水量迅速增加, 在蒸散和下渗作用下表层土壤含水量逐渐减小[3]。在深层次土壤, 由于植被根系、蒸腾作用和土壤性质的变化, 土壤含水量对降雨的响应也发生相应的变化[4]。探究不同降雨条件下森林植被土壤含水量动态及其空间异质性, 对深入了解森林系统与土壤产流、地表径流和河川径流的关系, 指导林业经营和人工林的生态管理具有重要的意义[5]。

猫儿山位于桂林东北, 是漓江重要的发源地。近十几年来, 漓江“缺水”问题日渐突出, 给当地山水旅游业带来严重影响。因而, 了解不同降雨条件下森林植被土壤含水量动态及其空间变化, 对提高漓江上游森林水源涵养功能, 保护漓江流域山水景观, 促进桂林山水旅游的可持续发展, 具有重要的理论和实践意义[6]。本研究以猫儿山林区典型荷木林()为研究对象, 探究其土壤水分动态, 为揭示漓江上游森林植被对降水产流的调节作用, 客观评估漓江上游水资源潜力、加强流域水资源管理和森林经营提供科学依据。

2 研究地点和研究方法

2.1 研究地点

猫儿山位于广西东北部, 东经110°20′—110°35′, 北纬25°48′—25°58′, 总面积为1.7万hm2。属中亚热带山地气候, 年降水量在2100 mm以上, 年平均气温12.8 ℃。流域降雨量年内分配极不均匀, 每年3—8月的丰水期, 雨量约占全年的76%, 9月至翌年2月的枯水期, 降雨量仅占全年的24%。森林覆盖率达96.5%, 植被类型多样, 垂直分带明显, 从山脚到山顶, 依次出现竹林、常绿阔叶林、常绿针阔叶人工林、常绿落叶阔叶混交林、常绿针阔叶混交林、高山矮林和山顶灌草丛等类型[7]。

2.2 研究方法

2.2.1 样地设置

本研究在对林区植被全面调查的基础上, 选择有代表性荷木林为研究对象, 设置一个10 m* 20 m水量平衡场, 同步监测比较不同层次的土壤含水量。荷木林地处海拔700 m, 郁闭度为0.85, 密度1200 株·hm–2, 平均树高7.5 m, 平均胸径18.4 cm, 林地面坡度为27°, 坡向西南方向, 土壤为山地黄红壤。

2.2.2 降雨和不同层次土壤含水量同步监测

在研究区山脊空旷地设置自记翻斗式雨量计(Rain 101A, MadgeTech, 美国), 记录次降雨过程。监测时间从2013年8月至2014年7月, 历时一年, 记录时间间隔为1 sec, 降雨后水满翻斗一次记作0.254 mm,不翻斗则记作0。降雨等级是以24小时降雨量计, 将降雨分为小雨(0—10 mm), 中雨(10—25 mm), 大雨(25—50 mm)和暴雨(50—100 mm)。土壤水含量监测则是在荷木林选择典型土壤剖面, 利用森林土壤水分自动观测系统(SMR101A-5, MadgeTech, 美国)同步定位测定林下0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm 4个层次土壤的土壤温度和土壤体积含水量。每层土壤都设置两个探头, 每5 min记录一次土壤含水量, 数据自动采集, 不定期下载[5,6]。两个探头同一时刻记录数值的平均值记作该层土壤的含水量, 月平均值则是一个月内所有数据的平均。

2.2.3 数据处理

采用统计分析软件SPSS 15. 0 进行相关和回归分析。采用最小显著差异法(LSD)比较各层次土壤含水量之间的差异。采用Pearson相关系数检验降雨与土壤含水量之间的相关性。

3 结果与讨论

3.1 降雨与各层次土壤含水量的相关性

结果表明, 降雨后0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm 4个层次土壤含水量变化很有规律性(表 1)。4个层次土壤土壤含水量差异显著(<0.01), 年平均值分别为: 50.66%, 41.71%, 47.23%, 34.92%, 表层土壤含水量最高, 20—40 cm减少, 40—60 cm土壤含水量又升高, 60—80 cm最少。20—40 cm土壤含水量较低, 这可能与根系的蒸腾作用有关[8], 而60—80 cm土壤含水量最低, 可能与该层次接近基岩, 土壤严实有关。同时, 这也说明土壤含水量由于降雨、林冠层、根系结构、蒸腾作用和土壤性质等多种因素的影响, 其垂直动态变化是很复杂的。分析降雨与各层次土壤含水量的相关性, 可以看出, 降雨与四个层次的土壤含水量都呈极显著正相关,其中, 与0—20 cm层土壤相关性最强, 其他三个层次的相关性较弱(表 2)。这是由于表层土壤含水量更容易受到大气降雨的影响, 当地表土壤水分饱和后, 随着降雨的持续, 表层土壤水才向下层土壤入渗, 同时, 表层土壤更容易受到地表径流水的影响[9]。

表1 降雨量和各层次土壤含水量月变化

注: 括号内数值为标准误。

3.2 小雨条件下土壤含水量对降雨的响应

以时间为横坐标, 以降雨量和土壤含水量为纵坐标, 得到0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm不同层次土壤含水量对小雨、中雨、大雨和暴雨的响应曲线(图 1、2、3、4)。小雨以2013年10月17日2:58时至10月22日24:00时为例, 6天内降雨两次(图 1)。第一次降雨之前, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm土壤初始含水量分别为46.47%、40.88%、44.95%和33.39%。第一次降雨历时1.5天, 累计降雨13.21 mm, 可见四个层次的土壤含水量都发生变化, 从表层到深层依次出现拐点, 并逐步升高达到最大值。从响应的时间上看, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm土壤含水量拐点出现时间分别滞后降雨80分钟, 100分钟, 185分钟和220分钟, 随着深度的增加, 土壤含水量对降雨的响应变慢, 这与吴胡强等人(2014)的研究结果一致[4]。从上到下,四个层次土壤含水量升高的模拟回归方程分别为:=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)。可见, 0—20 cm土壤随降雨增速最快, 60—80 cm土壤增速最慢, 从上到下四个层次土壤分别增加到最高值47.06%, 41.04%, 45.11%和33.74%。第二次降雨发生在2013年10月20日17:08至10月21日11:38, 历时1天。可以看出, 20—40 cm、40—60 cm土壤含水量曲线在第一次降雨结束后有明显的下降过程, 但0—20 cm、60—80 cm层次的土壤含水量持续升高, 说明在降小雨的时候, 表层土壤在土壤水分没有达到饱和前, 由于地表径流外源水的流入, 导致表层土壤含水量持续增加。而20—40 cm、40—60 cm土壤为垂直非饱和入渗, 含水量对降雨响应一致, 出现“V”型曲线, 但在60—80 cm深层土壤, 土壤水分不能继续向深层渗透, 侧向壤中流在60—80 cm层发生, 导致土壤含水量持续增加[4]。

表2 降雨与各层次土壤含水量的相关性

注: **表示0.01显著水平。

3.3 中雨条件下土壤含水量对降雨的响应

中雨以2014年2月5日3:53时至2月7日0:08时为例, 降雨历时1天, 共降雨26.92 mm, 第二次降雨2月7日12:43时至2月8日17:28时, 降雨3.05 mm(图 2)。在降雨前, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、 60—80 cm四个层次土壤初始含水量分别为49.12%、41.88%、46.21%和37.36%。与小雨相似, 降雨后四个层次的土壤含水量曲线都出现拐点, 含水量上升并达到最高值。同时, 20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm三个层次土壤都出现一个明显的“平台”期, 但表层土壤“平台”期不明显, 这个“平台期”期实际就是在土壤干燥条件下的一个不饱和入渗过程[4]。在响应的时间上, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm土壤层次含水量拐点出现的时间分别滞后降雨5分钟, 25分钟, 50分钟和75分钟, 比小雨条件下缩短, 这主要与降雨量的增大有关。从上到下, 四个层次土壤含水量升高模拟方程分别为:=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), 可见, 随土层加深, 含水量增速也逐渐变缓。图 2还可以看出, 第一次降雨结束到第二次降雨开始, 20—40 cm土壤含水量有一个下降过程, 曲线出现明显的“V”形(图 2), 而40—60 cm、60—80 cm两个层次土壤含水量则持续升高, 分别达到最高值47.53%和34.08%, 然后才开始下降。与小雨相比, 小雨条件下20—40 cm、40—60 cm土壤含水量曲线都有“V”形, 这是由于中雨条件下产生饱和界面, 地下水位抬高, 侧向壤中流发生于40—60 cm、60—80 cm两个层次[10]。

3.4 大雨条件下土壤含水量对降雨的响应

大雨以2013年12月14日4:45时至12月16日15:40时为例, 历时2.5天, 共降雨88.65 mm(图 3)。在降雨前, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm四个层次土壤初始含水率分别为48.71%、41.74%、45.91%和33.18%。从土壤含水量变化曲线看, 四个层次都有一个“平台期”期, 然后才出现一个明显的拐点, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm土壤层次含水量拐点的时间分别滞后5分钟, 25分钟, 50分钟和70分钟, 并开始上升达到最高值, 最高值分别为52.16%、43.97%、48.81%和37.74%。四个层次土壤含水量变化量涨幅分别为3.43%、2.20%、2.84%和4.55%, 其中, 60—80 cm(4.55%)和0—20 cm(3.43%)涨幅最大。降雨停止后, 四个层次的土壤含水量开始下降, 模拟回归方程分别为:=–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)。可见, 降雨结束后, 60—80 cm层次的土壤下降含水量最快, 这与降雨停止后土壤入渗减少有关, 且深层次土壤含水量更容易受地下水位抬高的影响[11]。

3.5 暴雨条件下土壤含水量对降雨的响应

暴雨以2013年12月14日4:45时至12月16日16:05时为例, 历时2.5天, 共降雨108.97 mm(图4)。在降雨前, 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm四个层次土壤初始含水量分别为45.25%、40.30%、44.02%和31.74%。降雨后, 4个层次的土壤含水量都出现一个“平台”期, 然后出现拐点, 土壤含水量上升并达到最高值, 降雨结束后, 土壤含水量开始下降。0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm土壤层次含水率曲线出现拐点的时间分别滞后45分钟, 65分钟, 1850分钟和1905分钟。暴雨条件下滞后时间比小雨、中雨和大雨要长, 这主要与土壤初始含水量过低有关[11]。然后, 土壤含水量开始上升达到最高值, 从上到下分别为51.54%、43.68%、48.43%和35.04%。四个层次土壤含水量升高的模拟回归方程分别为:=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)。降雨结束后, 土壤含水量曲线有明显的下降过程, 下降曲线分别为:=–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)。可见, 由于上面三层土壤湿度较高, 土壤含水量增长较慢, 而深层土壤由于初始含水量低, 降雨后增速很快; 降雨结束后, 土壤入渗减少, 深层土壤含水量迅速降低。

4 结论

通过对荷木林不同层次土壤含水量的降雨响应进行比较分析, 得出以下结论: (1)0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm 4个层次土壤土壤含水量差异显著, 年均值分别为: 50.66%, 41.71%, 47.23%, 34.92%, 垂直变化复杂, 降雨与各层次土壤含水量呈极显著正相关; (2)4个层次土壤含水量上升拐点出现的时间依次滞后, 随着深度的增加, 土壤含水量对降雨的响应变慢; (3)在前期土壤含水量较低的情况下, 土壤含水量都会出现一个“平台”期,然后迅速升高, 达到最高值; (4)深层土壤对降雨的响应与产生饱和界面, 地下水位抬高有关; (5)在大雨和暴雨条件下, 60—80 cm深层土壤由于初始含水量低, 随降雨增速很快; 降雨结束后, 该层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释放机理及水文响应(41261006); 广西猫儿山国家级自然保护区漓江源森林群结构与水源涵养监测项目

李海防(1974—), 男, 山东莱阳人, 博士后, 教授, 硕士生导师, 主要从事景观生态学研究, E-mail: 373156070@qq.com

王金叶(1965—), 男, 甘肃民乐人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事森林生态水文和生态旅游研究, E-mail: wangjy66@sohu.com

李海防, 史梅容, 王金叶, 等. 猫儿山荷木林不同层次土壤含水量的降雨响应[J]. 生态科学, 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.