杉木人工林地土壤水分蒸发的时空变化特征

陈媛媛，闫文德,2，阳柏苏,2，项文化,2，赵亮生

(1.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；

2.湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站，湖南 会同 418307)

杉木人工林地土壤水分蒸发的时空变化特征

陈媛媛1，闫文德1,2，阳柏苏1,2，项文化1,2，赵亮生1

(1.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；

2.湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站，湖南 会同 418307)

为了研究土壤水分蒸发规律，做好蓄水保墒，减少水分的非生产消耗，需要了解水分运动规律。本实验利用2012年湖南会同定位观测站第Ⅱ集水区实测数据，研究杉木人工林地土壤水分蒸发日变化、月变化、及不同坡位的变化规律。结果表明:土壤水分观测日最大分时蒸发量发生在9:00～11:00时段，月均蒸发量在6月中旬左右达到最大峰值；春季3～5月期间土壤含水量的平均变化程度较小，而夏季6～7月期间土壤含水量的平均变化程度较大；不同坡位因土壤层厚度、空气流动程度及林下植被凋落物的种类和混合比例不同，其土壤水分蒸发量呈现明显差异。结合这些特点，试图分析其形成的原因，为后期研究提供了参考方向。

杉木人工林；土壤水分蒸发量；土壤含水量； 时空特征

水分蒸发过程是土壤水文状况的一个重要因子。土壤水分的蒸发过程、强度及其影响深度，除与其所处的气候条件有关外，它与土壤物理结构、土壤性质，以及空间位置有很大关系[1]。因此，研究不同空间位置土壤水分的蒸发性能及其移动规律，对因时制宜地采取有效的保墒措施，有着重要的意义[2]。为了研究土壤水分蒸发规律，做好蓄水保墒，减少水分的非生产消耗，更需要了解水分运动规律，本文系统分析了湖南会同杉木人工林地土壤水分在特定时间和空间上的变化情况[3-4]。本文旨在通过对湖南会同杉木人工林地试验区土壤蒸散量的观测数据的分析，说明其在一定时间和空间跨度上的变化特征。

1 试验区概况

研究区设置于国家重点野外台站——湖南会同生态定位研究站，地理位置为东经109°45′，北纬26°50′。地貌为低山丘陵，海拔高300～500 m。气候属典型的中亚热带湿润季风气候，年平均气温16.8 ℃，年相对湿度在80%以上，年降水量为1 000～1 300 mm[5]。该区域地层古老，以震旦纪板溪系灰绿色板岩、变质页岩为主，土壤为山地黄壤，风化程度甚深，土层厚度在 80 cm以上[6]。地带性植被为常绿阔叶林，以壳斗科的常绿种类如栲属Castanopsis、青冈属Cyclobalanopsis、石栎属Lithocarpus为建群种，其次为樟科的樟属Cinnamomum、楠木属Phoebe，山茶科的木荷属Schima、山茶属Camellia以及木兰科Magnoliaceae、金缕梅科Hamamelidaceae、杜英科Elaeocarpaceae的一些树种组成的混交林[7-8]。

本研究在Ⅱ号集水区5号样地内进行，该集水区于1996年10月将原有27年生杉木纯林进行皆伐后造林，测定时分别为15年和16年生的第2代杉木人工纯林，林相整齐，林木生长良好，密度为 2 475株/hm2，林分平均胸径14.0 cm，平均树高13.4 m。

2 实验设计与方法

试验地为Ⅱ号集水区的5号样地，面积为1亩。根据实验地形的不同，在样地北坡与西北坡分别选取3种典型地形作为3个水分梯度，依次为山麓、山坡、山洼，在不同梯度上分别布设2个自制土壤水分蒸发桶，共计6个观测点。土壤水分蒸发桶采用高30 cm，直径为25 cm的圆柱形不锈钢桶，桶底部钻1 cm大小的通气孔若干个，桶底垫上直径为25 cm的滤纸。在布点时，先挖出蒸发桶大小土柱，放入蒸发桶中，然后挖出蒸发桶大小的坑，使得蒸发桶放入后与林地表面齐平，桶壁与土壤尽量无缝隙。

实验时间为2012年3月1日～7月31日，土壤含水量采用称重方法，日动态观测时间为:3月25日、4月22日、5月21日，共3日；每天从早上9:00～晚上17:00，每次称重间隔2 h，共计5次。称重采用量程为30 kg，感量为0.001 kg电子秤；其余时间每天14:00称量蒸发桶的总重量。蒸渗桶重量初始值均为实验起始当天6个观测点的土壤初始重量。

3 结果与分析

3.1 土壤贮水能力

森林生态系统对水循环的调节作用与该系统的蓄水结构及功能有着重要的关系。从结构来说，一是活的或死的生物量，另一个是土壤。而土壤的蓄水功能取决于土壤的物理结构和土壤水分的物理特征(见表1)[9]。

表1 集水区土壤水分物理性状Table 1 Physical properties of soil moisture in catchment area

从表1 可以看出，Ⅱ区的杉木林地1 m深土层的最大持水量为550.9 mm，同时能看出，杉木林地0～20 cm土层的土壤容重低于20～40 cm土层及40～100 cm土层容重，而土壤总孔隙度容积和非毛管孔隙度容积则高于该两深度土层容积[10]。

表2 不同土层深度含水量统计指标值Table 2 Statistical indicators of water content values in different soil depths

表2表明，各土层土壤水分统计指标值呈现出一定规律性的变化。在0～15 cm土层土壤含水量最高，随土层深度增加，即含水量均逐渐减少，60 cm以下最小，土壤平均含水量为32.6%。0～15 cm土层土壤变异系数最大，土壤含水量平均变异系数为0.308，土壤垂直变异系数为0.331[11]。

根据表1和表2的值可将土壤水分垂直分布划分为3个层次：土壤水分速变层、土壤水分活跃层、土壤水分次活跃层。杉木林地0～15 cm土层为土壤水分速变层，该层由于受林地林分郁闭度，地被物分布，光、温、风等气象等因子影响大，土壤与大气间的水分交换强度大，土壤水分变化迅速，地表蒸发快，降雨时含水量迅速升高[11]。杉木林地15～30，30～45 cm两个层次为土壤水分活跃层，标准差值大于3.5，且与速变层比较，显著标准达到5%的水准，变异系数大于0.37。该层土壤水分的活跃程度不仅与气象因子，而且与杉木根系活动有直接关系；降雨时从上层渗入的水分首先使该层蓄满；在该层有大量的根系分布，土壤水分变化幅度大，具有明显的季节性变化过程。杉木林地45～60 cm及大于60 cm层次为土壤水分次活跃层，其活跃性有所减弱。其标准差值小于3.5，且与速变层比较，显著标准一般达到1%的水准，变异系数一般小于0.36。从变异系数的大小来判断，本层土壤水分变异同时也受根系的影响。该层在林木强烈蒸腾耗水期和少雨生长季节可向林木供水，雨季则可起调蓄作用[11]。

图1 3月份观测日土壤水分分时动态变化(A.北坡; B.西北坡)Fig.1 Dynamic changes of soil moisture timeshare in observation day of March (A. north slope; B. Northwest slope)

图2 4月份观测日土壤水分分时动态变化(A.北坡; B.西北坡)Fig.2 Dynamic changes of soil moisture timeshare in observation day of April (A. north slope; B. northwest slope)

3.2 杉木林地土壤水分蒸发日变化

图1 为实验区位于北坡及西北坡6个蒸渗桶土壤含水量在3月25日观测数据的分时变化趋势；图2为集水区6个蒸渗桶土壤含水量在4月22日观测数据的分时变化趋势，从图中可以看出：

一天当中分时段来看，土壤水分普遍变化规律为:上午9:00至11:00水分呈显著蒸散状态，午后至下午15:00土壤水分显著增加，15:00至傍晚土壤水分又开始出现蒸散趋势。这种态势在3月份比较明显，而在4月份变化趋势趋于缓和。

除了3月份位于西北坡山洼地段的6号试验桶外，其他所有试验桶在两个观测日中，每天上午9:00至下午13:00以前的土壤含水蒸发量变化波动幅度最大，自13:00以后波动趋于缓和。而且虽然每日分时段呈现波动状态，但每日17:00左右和每日9:00左右的含水量接近，即日均含水量变化值不大。

从不同空间位置来看，位于西北坡的4号、5号、6号3个试验桶土壤含水量蒸发变化波动比位于北坡的1号、2号、3号3个试验桶更加显著。其中:位于西北坡山洼的6号桶在两个观测日中的每日分时变化波动均最为显著；

水平方向上，位于同一等高线上的试验桶，西北坡山洼处的6号桶变化幅度明显大于北坡山洼处的3号桶，同样西北坡山坡处的5号桶变化幅度也明显大于北坡山坡处的2号桶，西北坡山麓处的4号桶变化趋势也大于北坡山麓处的1号桶；垂直方向上，在两个观测日，山洼地段的试验桶每日分时段土壤含水量变化趋势均明显大于山坡和山麓地段的试验桶。但山坡和山麓地段的试验桶变化趋势相近，无显著差异。

3.3 杉木林地土壤水分日蒸发量

表3为5月21日测定的不同坡位6个蒸渗桶日蒸发量，位于北坡的3号桶日均蒸发量分别为7.25 g，累计蒸发量为29 g；位于同一水平位置上的6号桶，日均蒸发量为32.5 g，累计蒸发量为131 g，最大蒸发时段在9:00～11:00，该时段蒸发量最大，蒸发量为102 g，占日累计蒸发量的80%；同样位于北坡2号桶日均蒸发量分别为10 g，累计蒸发量为40 g ，在11:00～13:00时，蒸发量达到了最大的18 g；水平对应位置的5号桶日均蒸发量为27.25 g，累计蒸发量109 g，最大蒸发量也是发生在9:00～11:00时段。1号位于北坡的上坡位，最大蒸发量同样发生在9:00～11:00时段，4号桶同样位于西北坡上坡位，日均蒸发量为31.25 g，累计蒸发量为125 g，日最大蒸发量为79 g，也是在9:00～11:00时段。

表3 土壤水分日蒸发量统计Table 3 Statistics of daily evaporation of soil moisture

从表3中还可以看出，土壤蒸发量从9:00～11:00时段后，蒸发量开始减少，进入11:00～13:00时段后，土壤水分蒸发量变小，4号桶在该时段蒸发量占日累计蒸发量25%左右;到13:00～15:00时段后，土壤水分蒸发量进一步变小，2、5、1号蒸发量维持在10 g，其余桶蒸发量均为达到10 g;在15:00～17:00时段，各点蒸发量都很微弱，3号桶蒸发量最大，为7 g，1号桶只有2 g。

总体上来说，西北坡蒸发量总体大于北坡蒸发量，但是到13:00～15:00时段后，2个坡位上的蒸发量趋于相似。

3.4 杉木林地土壤水分蒸发月变化

图3为不同坡位试验桶土壤水分蒸发月均变化曲线，起始时间为2012年3月1日，以后记录每天各桶重量，初始值均为实验开始当天6个观测点的土壤初始重量，后将每天观测数据减去初始值，并用后一天土壤含水量减去前一天土壤含水量后计算出其月平均土壤水分蒸发变化量。从图中可以看出：

图3 土壤含水量月均变化曲线Fig.3 Monthly change curves of soil moisture

6个观测点的曲线变化趋势基本一致，自3月开始月均蒸发量逐渐增加，于5月到6月之间达到最大峰值后逐渐回落，7月的月均蒸发量明显回落至较低水平。

从不同坡向来看，北坡3个坡位的月均含水量变化幅度显著大于西北坡3个坡位。其中:位于北坡山麓处的土壤月均蒸发量明显变化波动幅度最大，且于4月至5月间蒸发量上升趋势尤为明显，其余5处坡位的土壤水分蒸发量曲线月均变化幅度趋于相似；而处于西北坡(山洼)处的土壤水分蒸发量在6月～7月之间下降态势尤其明显。

3.5 杉木林地土壤水分蒸发空间变化规律

图4为位于山麓、山坡、山洼3个不同坡位的3组实验桶平均土壤含水量的变化趋势示意图。从图中可以看出：位于山麓处的土壤含水量最高，月均变化程度最显著；位于山坡处的土壤含水量最低，月均变化程度最小；位于山洼处的土壤含水量中等，月均变化程度居中。但山洼处土壤水分在6月至7月之间较山麓和山坡处的土壤呈更加显著的下降趋势，土壤水分蒸发显著。山坡处土壤水分蒸发量自5月起就呈现上升趋势，其他坡位土壤蒸发量自6月起才呈现上升趋势。

图4 不同坡位土壤含水量变化曲线Fig.4 Soil moisture change curves on different slope positions

4 结论与讨论

(1)影响土壤水分变化情况有很多因素，包括坡位、坡向、空气湿度、空气温度、土壤温度、土壤湿度、风速、降雨量等。从土壤水分日均变化情况来看，位于西北坡的土壤水分日均变化总体比北坡的幅度大，不同的坡向影响了空气的流动情况，温度、湿度也会存在差异，所以土壤水分变化情况不同[12-13]。

(2)土壤水分日蒸发量最大发生在9:00～11:00时段，该时段土壤水分蒸发量大原因可能是：第一，该时段土壤水分初始含量充足，接近最大含水量，而该时段气温迅速升高，湿度降低，所以土壤蒸发量比较大；第二，该时段叶片光合速率、蒸腾速率增大，土壤开始失水，所以导致土壤水分降低。进入11:00～13:00时段后，土壤水分蒸发量变小，这可能是因为土壤水分含量已经减少，持续蒸发但蒸发量有所降低；到13:00～15:00时段后，土壤水分蒸发量进一步变小，可能是因为土壤进一步失水，温度达到最高，空气湿度最低，土壤水分含量接近最小持水量；在15:00～17:00时段，各点蒸发量都很微弱，可能的原因是气温降低，湿度升高，土壤水分失水等因素导致蒸发微弱。

(3)关于土壤水分日均蒸散量方面，蒸发桶日均蒸散量约为20～30 g；蒸发桶日累计蒸散量为80～110 g。由于春夏之交天气多变，气温波动不大，土壤含水量充足，总体来说土壤水分蒸发量较小。另外，土壤水分日蒸发量最大的点是6号蒸发桶，日均蒸发量为32.5 g，累计蒸发量为131 g，最大蒸发时段在9:00～11:00，该时段蒸发量最大，蒸发量为102 g，占日累计蒸发量的80%，该点位于西北坡的下坡位，距离林缘较近，空气流动性大，湿度、温度变化大，是土壤水分变化较大主要原因。

(4)对于土壤水分蒸发月均变化情况而言，因为各月林内温度、湿度、降水量及植被覆盖率不同，所以在不同月份土壤水分变化情况有差异。3月春季林地植被覆盖率低，降温量不大但持续时间较长，林内地表平均温度较低(约9.6℃)；七月夏季林地植被茂盛，降雨量大但历时短，林内地表平均温度高(约27.1℃)，因此春季3～5月期间土壤含水量的平均变化程度较小，而夏季6～7月期间土壤含水量的平均变化程度较大[14-16]。

(5)就不同坡位而言，山麓、山坡和山洼地段的土壤水分蒸散变化的差异一方面是由于不同坡位土壤层厚度不一样；另一方面，空气流动程度和林下植被凋落物的种类和混合比例也存在差异。

综上所述，杉木人工林林地土壤水分蒸发特性主要受空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、土壤含水量、降雨量等因素影响，在林木强烈蒸腾耗水期和少雨生长季节可向林木供水，雨季则可起调蓄作用。如何科学、系统的分析其蒸散量规律与这些因素之间的相互关系是后续需要重点开展的研究内容。

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Spatial and temporal variation characteristics of soil moisture evaporation in Chinese fi r plantation

CHEN Yuan-yuan1, YAN Wen-de1,2, YANG Bo-su1,2, XIANG Wen-hua1,2, ZHAO Liang-sheng1
(1.National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China;2. Huitong National Field Station for Scientif i c Observation & Experiment for Chinese fi r Ecosystem, Huitong 418307, Hunan, China)

In order to study soil moisture evaporation law, complete storage of soil moisture and reduce water consumption, it is important to know about water motion law. The laws of diurnal variation, monthly variation and variation in different slope positions of soil water evaporation in Chinese fi r plantation were investigated by using the observational data of Chinese fi r plantation collected in the 2nd catchment area in Huitong National Field Station for Scientif i c Observation in 2012. The results show that the largest timeshare evaporation occurred during the 9:00～11:00 period in the observation day, the monthly evaporation reached a maximum peak around mid-June; the average change degree of soil moisture during the spring from March to May was smaller, while that during the summer from June to July was bigger; the soil moisture evaporation showed differences in different slope positions due to the soil thickness, the types and mixing ratio of the under-storey litters, the degree of air fl ow and so on. Combining these features, the formation causes of soil moisture evaporation were studied in order to provide a reference direction for later researches.

Chinese fi r plantation; soil moisture evaporation; soil moisture content; temporal and spatial characteristics

S715.4

A

1673-923X(2013)07-0125-06

2013-03-23

国家林业公益性行业科研专项(201104005)

陈媛媛（1986-），女，湖南邵阳人，硕士研究生，主要从事森林生态学、城市生态学研究

闫文德（1969-），男，甘肃武威人，教授，博士，主要从事生态学的教学与科研工作；E-mail：csfuywd@hotmail.com

[本文编校：吴 毅]