祁连山区林地的土壤贮水量坡位响应

王彬，于澎涛†，王顺利，王彦辉，刘贤德，金铭，张学龙(．中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业局森林生态环境重点实验室，0009，北京; ．甘肃省祁连山水源涵养林研究院，734000，甘肃张掖)



祁连山区林地的土壤贮水量坡位响应

王彬1，于澎涛1†，王顺利2，王彦辉1，刘贤德2，金铭2，张学龙2
(1．中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业局森林生态环境重点实验室，100091，北京; 2．甘肃省祁连山水源涵养林研究院，734000，甘肃张掖)

摘要:同一坡面上不同坡位土壤贮水量差异的研究，有助于了解坡面土壤水分分布特征，指导坡面植被恢复和坡面治理。对祁连山排露沟小流域阴坡上不同坡位土壤水分差异，分析表明:1)生长季平均土壤贮水量自坡上到坡下呈“单峰”变化:坡中和坡中下最高，分别为201和198 mm;坡中上和坡下次之，分别为177和175 mm;而坡上最少，为159 mm。2)6月、7月和9月，坡中、坡中下土壤贮水量显著高于其他坡位。5月和8月，不同坡位土壤贮水量差异较小，但坡中、坡中下土壤贮水量仍略高于其他坡位。3)在任何天气条件下，不同土层土壤贮水量沿坡面的变化规律均表现为自坡上到坡下呈“单峰”变化。0～30 cm土层土壤贮水量，在持续无雨、小雨或连阴雨的天气条件下，均表现为坡上最低，坡中最高。30～80 cm土层的贮水量，在不同天气条件下，坡中和坡中下的土壤贮水量总量最高;在持续无雨或小雨的天气下，坡中上最低;连阴雨的天气条件下，坡上最低。因此，中坡位由于接收坡上来水，水分条件最好。这说明在坡面尺度上进行林业管理时，考虑不同坡位的水分条件，合理管控不同坡位林分密度，有利于实现林 水可持续发展。

关键词:祁连山;阴坡;青海杉林;坡位;土壤贮水量;极差;空间变异;天气条件

项目名称:国家自然科学基金“黑河流域上游生态水文过程耦合机理及模型研究”(91225302)，“黑河流域生态系统结构特征与过程集成及生态情景研究”(91425301)，“祁连山土壤水资源与植被承载力空间分布特征研究”(31360201)

土壤水分是土壤养分循环和流动的载体，是土壤 植物 大气连续体的一个关键因子，在西北半干旱地区，是影响植被分布的关键［1 4］。祁连山是我国西北重要的水源涵养林区，在该地区已经开展了很多水有关土壤水分的研究［5 14］，但以往的研究主要集中在流域、区域、样地(林分)等尺度上土壤水分的时空变化。例如:张涛等［10］研究该地区不同海拔高度土壤水分的动态变化;刘鹄等［11］等对浅山区不同植被类型土壤水分的时间异质性做了研究;党宏忠等［12］对青海云杉林地土壤水分变化特征进行了研究，并发现苔藓 青海云杉林地土壤具有密度低，入渗率高，土壤水分含量垂向分布受降水影响明显等特征;田风霞等［13］对祁连山东段土壤水分时空分布特征及其与环境因子的关系做了研究，并发现坡位是影响土壤水分的时空分布的环境因子之一。而坡面不仅是森林植被和水资源互相影响的基本空间单元，也是林业生产规划和管理的基本空间单位［4］。目前坡位与土壤水分的相关研究，主要是将其作为一个环境因子对比分析其与土壤水分的相关性［13，15 16］，从坡位的角度分析土壤水分变化的研究较少，这限制着对坡面土壤水分分布的进一步认识。研究［17］表明在半干旱地区不同立地条件下增加10%的森林覆盖率，产流量的增减变化达15.8 mm，可见选择合适的立地条件造林，比如恰当的坡位对造林效益有很大的促进作用。祁连山区地处半干旱气候带，该地区的森林分布与土壤水分存在密不可分的关系，而坡面作为森林植被分布的基本空间单元，不同坡位土壤含水量对森林分布具有重要的影响;因此，本研究基于祁连山阴坡，比较不同坡位土壤水分的差异，以期为森林科学管理以及水资源合理利用提供科学依据。

1　研究区概况

研究区位于甘肃祁连山中段北坡排露沟小流域(E 100°17'～100°18'，N 38°32'～38°33')，海拔2 600～3 800 m，流域面积为 2.91 km2，属于高寒半干旱半湿润山地森林草原气候。在2 650 m处，平均气温0.5℃，年均降水量435.5 mm，年均蒸发量1 051.7 mm;雨季(5—10月)降水占全年降水的87.2%左右，旱季(11月至翌年4月)降水仅占全年降水的12.8%左右，其中降雪占2.8%。流域降水不仅随时间变化，而且在空间上因海拔、坡向也有较大的差异，如阴坡降水比阳坡多7%左右［18］。流域植被阳坡为山地草原，阴坡为森林，以青海云杉(Picea asperata Mast.)林为主。青海云杉林主要分布在海拔2 700～3 300 m范围内的阴坡、半阴坡。林下苔藓层十分发育，其厚度为0～15 cm，盖度从0～100%不等，呈斑块状分布。苔藓层的种类主要为山羽藓(Abietinella abietina(Hedw.)Fleisch.)。海拔3 300 m以上分布着亚高山灌丛。土壤主要为山地森林灰褐土、山地栗钙土和亚高山灌丛草甸土等，有机质质量分数为7%～12%，pH值为 7～8［19 20］。

2　研究方法

2.1样坡选取与土壤水分观测点的布设

选取排露沟小流域位于海拔2 700～2 800 m左右的东北向阴坡做为研究样坡。该样坡植被为青海云杉林，优势种和建群种均为青海云杉，林下灌木层和草本层均不发育，林下有苔藓层分布。样坡土壤类型主要为山地森林灰褐土和山地栗钙土，土质主要为轻壤土和中壤土。土层厚度为0.8～1.6 m，土壤质地较为粗糙，透水性强。表层有机质含量较多，深层土壤石砾含量大于表层。

样坡长230 m左右。在样坡上从坡顶到坡底布设3条样线，分别为A1、A2、A3，样线间距为15 m。根据在样坡上的相对位置，在每条样线上按照从上到下的顺序布设5个观测点，依次为坡上、坡中上、坡中、坡中下和坡下，距离均为60 m左右，其中坡上观测点位于样坡的顶部，坡下观测点位于样坡的坡底，这样共在样坡上布设15个观测点，坡位由上向下以A，B，C，D，E表示。坡上以及坡中上测点较陡，坡度在35°～50°之间;坡中、坡中下、坡下观测点的坡度均介于23°～28°之间。坡上部青海云杉林下基本无苔藓分布，只有草本层覆盖，其他4个坡位均有苔藓层覆盖。各观测点的详细信息见表1。

表1　观测点基本信息Tab．1　Basic information of observation points for soil water storage on the slope

2.2土壤水分监测

土壤水分用土钻法测定。以每个观测点为中心，在距离观测点3 m的范围内随机取样，每个观测点每次取3个平行样，每个取样点均按0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60和60～80 cm分层取样3个平行样的土壤含水量平均值，即为该土层的含水量。

于2015年生长季(5—9月)对观测点的土壤水分进行测定，其中，于5月的1日、7日、11日、25日进行测定，6—9月在每月5日、15日和25日定期测定。

为方便计算0～80 cm土层总含水量，本文中不同层次土壤含水量用土壤贮水量表示:

式中:S为土壤贮水量，mm;W为土壤质量含水量;%;ρ1为土壤密度，g/cm3;ρ2为水的密度，g/ cm3;h为土壤厚度，mm;g1为土壤湿质量，g;g2为土壤干质量，g。

3　结果与分析

3.1降雨特征分析

2015年生长季降雨总量为342.8 mm，降雨主要以小雨为主，但小雨累积降雨总量和中雨相同。5—9月份共降雨69 d，其中小雨55 d(降雨量为157.1 mm)，中雨11 d(降雨量为157.2 mm)，大雨1 d(降雨量为28.5 mm)，降水量分别占生长季总降雨量的45.8%、45.9%、8.3%。降雨在月份之间分布不均，其中6月、7月和9月份降雨量为253.2 mm，占整个生长季降雨总量的74%，5月和8月份降雨量的和仅占整个生长季降雨总量的26%。

3.2土壤物理性质沿坡面的变化

图1　不同坡位土壤密度和孔隙度变化特征Fig．1　Changes of soil density and total soil porosity along soil profile

如图1所示，样坡土壤密度均 ＜1.0 g/cm3，土壤较疏松，但在坡面上并不均匀。其中:坡中土壤密度最小，表层(0～10 cm)土壤密度为0.36 g/cm3，为该样坡土壤密度最小值;10～60 cm土层密度为0.41～0.92 g/cm3;其次为坡中上，表层(0～10 cm)土壤密度仅为0.43 g/cm3，10～60 cm土壤密度为0.61～0.84 g/cm3，60～80 cm大块石砾含量较多。坡下的土壤密度大于坡中上，各层次土壤密度为0.72～0.87 g/cm3，20～30 cm土层的土壤密度小于其他土层，为0.72 g/cm3。坡中下土壤密度最大，除20～30 cm土层密度为0.76 g/cm3，其他土层土壤密度＞0.8 g/cm3。由于腐殖质累积较厚，再加上根系网，土壤孔隙度发达，所测深度内土壤密度普遍较小。

土壤总孔隙度反映土壤的透水性，孔隙度越大透水能力越强。表层0～10 cm坡中和坡中上土壤孔隙度达到 75%;坡上次之，为 68%;坡中下为64%;坡下土壤孔隙度最小，为56%。10～80 cm土层，坡中的总孔隙度随深度波动较大，但高于其他坡位;坡中上的总孔隙度随土层深度的增加呈减小的趋势;坡中下和坡下的总空隙度随土层深度的增加先增加后减小。总体上，该样坡的坡中部水分入渗能力最强，坡中下和坡下最差。

3.3土壤贮水量随坡位变化

生长季平均土壤贮水量自坡上至坡下呈“单峰”的变化趋势(表2)。其中:峰值位于坡中处，生长季平均土壤贮水量为201 mm;坡中下土壤贮水量为198 mm，同峰值处含水量仅相差3 mm;坡下土壤贮水量为175 mm，较峰值处低26 mm。坡中至坡上土壤贮水量仍为减少的趋势，坡中上土壤贮水量为177 mm，较坡中少24 mm;坡上土壤贮水量为159 mm，为该样坡土壤贮水量最小值，较峰值处坡中的含水量低42 mm。总体来看，坡中和坡中上的生长季平均土壤贮水量高于其他坡位;坡上最低。

不同月份土壤贮水量随坡位的变化具有与生长季平均土壤贮水量相似的变化规律，各月份平均土壤贮水量均表现为坡中、坡中下高于其他坡位，但坡位间土壤贮水量的差异大小随月份而变化(表2)。其中，5月和8月不同坡位的土壤贮水量差异较小，自坡上至坡下“单峰”现象不明显。5月份坡中下土壤贮水量最高，为153 mm，坡中上含水量最低，为125 mm，不同坡位最大土壤贮水量与最小土壤贮水量的差别仅为28 mm;8月份坡中上、坡中、坡中下和坡下4个坡位的土壤贮水量为160～166 mm，差别较小，而坡上土壤贮水量为133 mm，同其他4个坡位相差27～33 mm。

表2　不同坡位土壤贮水量Tab．2　Soil water storage along the slope　mm

6月、7月和9月土壤贮水量自坡上至坡下的“单峰”现象极其显著(表2)，而且不同坡位间土壤贮水量的差异较大。其中:6月土壤贮水量的峰值出现在坡中，为 224 mm;土壤贮水量由坡中向坡上和坡下逐渐减少，坡上水量为191 mm，较坡中少33 mm;坡下土壤贮水量最低，为186 mm，较坡中少38 mm。7月份土壤贮水量的峰值仍出现在坡中，为246 mm;土壤贮水量由坡中向坡上和坡下逐渐减少，至坡上土壤贮水量减为181 mm，较坡中减少65 mm;坡下土壤贮水量为197 mm，较坡中少49 mm。9月，坡中土壤贮水量仍高于其他坡位，土壤贮水量由坡中向样坡的坡上和坡下逐渐减少。其中:坡上土壤贮水量最低，为180 mm，较坡中少44 mm;坡下土壤贮水量为199 mm，较坡中少25 mm。6月、7月和9月土壤贮水量最高与最低的坡位，土壤贮水量相差38～65 mm。

总体来看，在降雨较少的5月和8月，各坡位土壤贮水量差异不显著，坡中、坡中下土壤贮水量略高于其他坡位。在降雨较多的 6月、7月和9月，坡中、坡中下土壤贮水量显著高于其他坡位。

3.4不同天气下土壤贮水量坡位间的差异

3.4.1小雨或无雨条件下各坡位土壤贮水量沿剖面变化

在小雨或无雨的天气下，如在2015年5月的7日和25日及8月5日，0～80 cm土壤总含水量均为坡中、坡中下土壤贮水量最高(表3)，坡上、坡中上和坡下土壤贮水量较低;但不同坡位的土壤总土壤贮水量差异较小，土壤贮水量最高与最低的坡位，分别相差28、28和21 mm。

表3　小雨/无降雨条件下各坡位土壤贮水量空间差异Tab．3　Spatial variation of soil water storage along the slope in the days of rainless or light rain

不同坡位的土壤贮水量沿剖面具有相同的变化趋势。如2015年5月25日在0～30 cm土层，5个坡位的土壤贮水量随土壤深度的增加均呈逐渐减少的趋势(图2):在30 cm达到相对最小值;30～80 cm土层内，土壤贮水量随深度的增加呈先增加后趋于稳定的趋势。

在不同的土层深度，土壤贮水量的最大和最小值出现在不同的坡位。在0～30 cm深度内，坡上土壤贮水量最低，为11～13 mm(图2);坡中上土壤贮水量高于坡上，为12～18 mm;该土层坡中下和坡下土壤贮水量基本重合，为14～18 mm;坡中土壤贮水量最高，为15～19 mm。30～80 cm土层范围内，坡中上土壤贮水量最低，为12～15 mm;坡上土壤贮水量略高于坡中上;坡中和坡中下土壤贮水量高于其他坡位，25～45 cm范围内坡中土壤贮水量最高，为15～18 mm，而在45～80 cm的范围内坡中下土壤贮水量最高，为17～19 mm。总体来看，在0～30 cm深度范围内坡上土壤贮水量最低，坡中土壤贮水量最高;30～80 cm深度范围内坡中上土壤贮水量最低，坡中和坡中下土壤贮水量最高。

3.4.2连续降雨条件下土壤贮水量坡位间的差异

连续降雨的天气下，0～80 cm土壤总含水量在坡位间差异均较无雨和小雨天气下大，而且坡中和坡中下土壤贮水量较高，坡上土壤贮水量最低。如

图2　2015年5月25日不同坡位土壤贮水量剖面变化特征Fig．2　Variations of soil water storage along soil profile at different slope positions on May 25th，2015

2015年的6月5日、7月6日和7月15日在连续降雨日后，坡中、坡中下土壤贮水量较坡上土壤贮水量分别高67、95和56 mm(表4)。

在整个土壤剖面上，5个坡位土壤贮水量随土层深度的变化趋势相同。如在2015年7月6日各坡位土壤贮水量沿剖面具有相似的变化趋势(图3)，即:在0～30 cm土层内，土壤贮水量随着土壤深度的增加逐渐减少，在30 cm达到相对最小值;在25～80 cm土层内，土壤贮水量处于稳定的状态，无明显的增减。

表4　连续降雨条件下各坡位土壤贮水量空间差异Tab．4　Spatial variation of soil water storage on different slope position in the condition of continuous raining

在不同的土层深度，坡位间的土壤贮水量差异不同。表层0～10 cm，坡上土壤贮水量最低，为35 mm(图3);坡中上、坡中、坡中下和坡下4个坡位土壤贮水量差别较小，为44～50 mm，但坡中土壤贮水量最高，为50 mm。10～30 cm深度范围内，坡上土壤贮水量最低，为20～23 mm;坡中上土壤贮水量随深度下降显著，含水量为20～31 mm;坡中土壤贮水量仍最高，为33～40。30～80 cm土层范围内，坡上土壤贮水量最低，为18～20 mm;坡中上土壤贮水量略高于坡上，为19～21 mm;坡下土壤贮水量为24～27 mm;坡中下土壤贮水量为25～31 mm;坡中土壤贮水量高于其他坡位，为27～33 mm。总体来看，0～30 cm土层坡上土壤贮水量最低，坡中土壤贮水量最高;在深层30～80 cm坡上和坡中上土壤贮水量接近，土壤贮水量低;坡中和坡中下土壤贮水量接近，土壤贮水量高。

图3　2015年7月6日不同坡位土壤贮水量剖面变化特征Fig．3　Variation of soil water storage along soil profile at different slope positions on July 6th，2015

4　结论与讨论

1)祁连山北坡典型山坡上，生长季平均土壤贮水量随坡位自坡上到坡下呈“单峰”变化。坡中和坡中下土壤贮水量最高，坡中上和坡下次之，坡上土壤贮水量最低，极差为42 mm。

2)尽管生长季各月平均土壤贮水量均表现为坡中、坡中下高于其他坡位;但在降雨较少的5月份和8月份，土壤贮水量坡位间差异较小，土壤贮水量极差为28和33 mm。在降雨较多的6月、7月和9月份，坡中、坡中下土壤贮水量显著高于其他坡位，土壤贮水量相差可达38～65 mm。

3)不同的天气条件下，整个土壤剖面上，各土层土壤贮水量坡位间变化规律与生长季平均土壤贮水量沿坡面变化规律相同。在持续无雨、小雨或连阴雨的天气条件下，0～25 cm土层，均表现为坡上土壤贮水量最低，坡中土壤贮水量最高;25～80 cm土层，在持续无雨或小雨的天气下，坡中上土壤贮水量最低;连阴雨的天气条件下，坡上土壤贮水量最低;而坡中和坡中下的土壤贮水量在无论何种天气均为最高。

4)坡面对土壤水分的重新分配受微地形和土壤物理性质等多种因素的影响。在坡面尺度上进行林业管理时，应考虑不同坡位的水分条件，合理管控不同坡位林分密度，实现植被健康可持续生长。

不同坡位土壤含水量的差异在多地被发现。如在黄土高原［21］和晋西黄土高原残垣沟壑区［22］土壤含水量自坡顶到坡底均越来越小，在东北黑土区［23］研究发现，下坡位土壤含水量最大，上坡位次之，中坡位最小。而笔者发现坡中部土壤含水量最大，坡下部次之，坡上部最小，这与吴祥云等［24］对辽东山地土壤水分随坡面变化的研究结果类似。本研究结果与研究区坡面条件有关，降水沿坡面再分配，是造成同一坡面不同位置水分差异的原因［21，25］。坡上和坡中上坡度较大，岩石较多，水分易流失;而坡中位于陡坡下方，坡度减缓，且土质疏松，土壤孔隙度较大，故坡中能够接收较多上部来水，持水能力强，因此，储水量高于其他坡位。坡中下及坡下坡度类似坡中，但土壤紧实度增大，表层土壤孔隙度明显小于坡中和坡中上，土壤渗透能力相对较差;但由于坡中下距坡中较近，可能会接收较多坡中部土壤水分供给，因此其整个生长季平均土壤贮水量虽低于坡中部，但高于其他坡位。

在祁连山地区天然降水是植物吸收和利用的主要来源，该地区对植被的承载力实质上为土壤水分的植被承载力。如果植被密度超过土壤水分的最大供应限度，会造成土壤水分严重亏缺，随着植物的生长发育，土壤水分不断下降，引起植物生长逐渐衰退、死亡［26 28］，进而加重水土流失，造成环境恶化的恶性循环;因此，在半干旱山区造林的立地选择就尤为重要。本研究中，在样坡上土壤水分较高的坡中林分密度最大，可达2 025株/hm2，土壤水分最小的坡上部林分密度仅为1 250株/hm2。这表明，优选坡中下部水分好的地方，有利于造林成功;也说明在同一坡面上，应根据坡面的实际条件合理控制林分密度，实现林 水的健康发展。

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Response of soil water storage to slope position of forestland in Qilian Mountains

Wang Bin1，Yu Pengtao1，Wang Shunli2，Wang Yanhui1，Liu Xiande2，Jin Ming2，Zhang Xuelong2
(1．Research Institute of Forest Ecology，Environment and Protection，Chinese Academy of Forestry，100091，Beijing，China; 2．Academy of Water Resources Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province，734000，Zhangye，Gansu，China)

Abstract:［Background］Soil moisture is the key factor in determining the forest vegetation distribution especially in the northwest semi-arid area of China．Slope is basic spatial unit of forest distribution，and uneven distribution of soil moisture on a slope affects greatly forest vegetation．This work aims to understand the differences of soil moisture at varied positions of a slope．［Methods］A shady-facing slope，locating in Pailugou watershed，Qilian Mountains，was selected as example slope in order to analyze how soil moisture changed along the slope．During the growing season of 2015，15 sites on 3 lines from top to bottom of the example plot were set up，there were five sites on each line，the upper slope position，upper middle-slope position，middle slope position，lower middle-slope position and lower slope position，and soil water storage at these sites were monitored every 10 days．［Results］1)The mean values of soil water storage for whole soil profile(0－80 cm thickness)(MSW)were calculated in the whole growing season．It was shown that the MSW changed with a parabolic curve from the upper to thelower along the slope with peak values of 201 mm and 198 mm on middle slope position and lower middleslope position，respectively．The soil water storage on upper middle-slope and lower slope position was only 177 mm and 175 mm，respectively，and that on the upper slope position，i．e．，the highest slope position，was 159 mm，the lowest value of soil water storage．For daily soil moisture，the trend was similar to this along the slope，though the values of soil water storage difference among slope positions varied day by day．2)The difference of soil water storage was not too much in May and August but significant in June，July，and September．For example，the difference of soil water storage between their minimum and maximum was 27 mm in May，and 65 mm in September．3)And this trend of soil water storage did not change with weather conditions．Under the weather conditions without rain，with light rain or strong rain，the soil water storage for soil layer of 0－30 cm was the lowest on upper position and the highest on middle slope position．For soil layer of 30－80 cm，the soil water storage was the highest on middle slope position and lower middle-slope position under any weathers．The soil water storage was the lowest on upper middle-slope position under weather conditions without rain or only with light rain．Meanwhile，the lowest one occurred on upper slope position even under weather conditions with strong rainfall．［Conclusions］This work demonstrated that the middle and lower middle-slope position would store more water due to water redistribution although there was the same precipitation on the slope，which is conducive to make site selection and forestation based on the soil moisture difference among slope positions．

Keywords:Qilian Mountains;shady slope;Picea asperata Mast;slope position;soil water storage; range;spatial variation;weather condition

中图分类号:S715

文献标志码:A

文章编号:1672-3007(2016)03-0101-08

DOI:10．16843/j．sswc．2016．03．013

收稿日期:2016 02 29修回日期:2016 05 10

第一作者简介:王彬(1991—)，女，硕士研究生。主要研究方向:森林生态水文。E-mail:wangbinlky@163．com

通信作者†简介:于澎涛(1970—)，女，研究员，博士生导师。主要研究方向:森林生态水文。E-mail:yupt@caf．ac．cn