武陵山区小流域4种植被类型土壤水分动态变化

罗 佳 ，周小玲 ，田育新 ，陈建华 ，张 珉 ，邓 楠 ，陈 艺

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；3.湖南慈利森林生态系统国家定位观测研究站，湖南 慈利 427200）

土壤水分作为土壤的时空连续变异体以及重要状态参数[1]，受人为与自然多个因子复杂影响而存在明显的空间异质性，对土壤－大气－植被传输体中的水土过程与物质运移存在重要的影响[2]，进而影响森林与树木生长多项服务功能。土壤水分的相关研究主要集中在土壤水分对降水的响应、土壤水分与植被关系等方面[3-6]。相关研究发现，降雨对表层土壤含水量有显著影响，随着土层深度增加，土壤含水率对降雨的响应逐层减弱[7]，也有学者指出林地的土壤水分对降雨的响应会随着林分密度的增加而降低[8]。因为土壤水分受生境条件及其相互作用的共同影响，同时，地表植被类型、覆盖范围和生长量在一定程度上影响土壤含水量的变化。不同地区的研究结果有的相同，也有不同甚至相反，同一地区的不同时间段也是不同的[9-10]。土壤水分状况是多重环境因子共同作用的结果，主要与气候、植被、地形及土壤因素等自然条件有关[11]。近年来，有关土壤水分的研究多集中在不同人工纯林土壤水分条件之间的对比分析[12]，尺度上集中在坡面尺度和区域尺度等方面[13-14]，各研究结果得出土壤水分的主导因子并不相同[11]。对小流域不同植被类型土壤水分研究较少；同时，关于林地土壤水分对降雨响应的研究多以单一林地作为研究对象，对人工纯林的土壤水分与人工混交林地、天然次生纯林地土壤水分的对比研究并不多见。为此，本研究选择武陵山区4种植被类型为研究对象，对其不同土层深度降雨前后水分动态变化进行测定与分析，阐明影响土壤水分的主导因素与相互关系，以期为该区域林水综合管理、流域科学治理以及森林多功能高效经营等提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湘西武陵山区女儿寨小流域（E111°12′42.836″N，29°25′27.582″），地处湖南省张家界市慈利县零阳镇两溪村，距慈利县城西北大约7 km，为澧水二级小支流，大致呈南北向。小流域总面积3.15 km2，最低海拔（主沟出口处）210 m，最高海拔917.4 m，主沟长约1.2 km，主沟纵比降约28.4‰。森林覆盖率80%以上，植被类型以退耕还林和次生林为主，该区是退耕还林集中连片区。成土母岩为砂页岩为主，土壤主要为黄红壤。本流域主要植被类型有杜仲Eucommia ulmoides人工林、马尾松Pinus massoniana林、柑桔Citrus reticulata及一些杂灌林。

1.2 研究方法

1.2.1 植被类型选择

本研究选取武陵山区小流域4种典型植被类型为研究对象，分别是马尾松林、枫樟混交林、杜仲林，坡耕地作为对照，之所以选择这3个主要的退耕还林植被类型，是因为这3个树种在湘西地区种植面积较大，不同林分林龄基本一致；另外，地理环境基本一致，也是退耕还林的主要栽植树种。各标准地基本特征，如表1所示。

表1 标准样地特征Table 1 Characteristics of standard plots

1.2.2 样地设置

在4个典型植被类型设定30 m×30 m标准样地，在每个标准样地内设置3个1 m×1 m的土壤含水量监测点，不同监测点相距约20.0 m，用pvc管标定监测点。根据监测仪器探针不同长度（7.5、12.0、20.0 cm）测试不同土层深度浅地表层（7.5 cm）、中地表层（12.0 cm）和深地表层（20.0 cm）降水前1天，降水后第1天、第2天、第3天土壤持水量。测试时间为2015年6月29日到7月3日，分别在每天的6:00、10:00、14:00、18:00进行土壤含水量测定。

1.2.3 数据获取

应用美国SPECTRUM TDR300土壤水分测定仪测定降雨前后各植被类型监测样地土壤水分动态变化[15]。气象环境因子数据由该区小气候观测场获得，主要包括大气降水、大气温度、地面温度、相对湿度、蒸发量、风速和地下温度等。

2 结果与分析

2.1 降雨前后不同土层深度土壤含水量动态分析

观测时间内的不同树种土壤含水量平均值±标准差，如表2所示。在浅地表层和中地表层（7.5、12.0 cm）处，4个样地含水量均呈现显著差异，含水量最大的均是杜仲林，其次是枫樟混交林，含水量最低的是坡耕地。在土层7.5～12.0 cm处，不同植被覆盖下土壤水分沿垂直剖面的变化趋势呈现降低型，各植被类型土壤含水量的垂直变化特征体现为随着土壤深度增加而减少。在深地表层（20.0 cm）处，杜仲林和枫樟混交林差异不显著，马尾松林与坡耕地差异显著。土壤含水量依次为杜仲林＞枫樟混交林＞马尾松林＞坡耕地。在3个土层深度，土壤含水量均为杜仲林＞枫樟混交林＞马尾松林＞坡耕地。这说明森林具有较好的水土保持与涵养水源能力，地表植被、林木的枯枝落叶层降低了土壤的呼吸和蒸腾作用，减少了水分的流失，其中促进作用最大的是杜仲林。

1）土层深度7.5 cm

在土层深度7.5 cm处，不同植被类型土壤含水量差异显著（图1），试验第1天，随着土壤水分蒸发，4种植被类型的土壤含水量均呈现缓慢的下降趋势。试验第2天是雨天，土壤含水量出现了一个大幅度的提升，在10:00左右达到顶峰，之后开始缓慢下降，下降速度最快的是杜仲林，呈现直线下降，说明降雨后，杜仲林内7.5 cm处的土壤水分渗透速度较快。杜仲林土壤含水量在第3天出现大幅度上升，随后极速下降，趋于平稳。马尾松林、枫樟混交林和坡耕地的土壤含水量变化较小。说明在浅地表层，土壤的含水量主要来自于降水和地表枯落物的自有持水量。降水量对浅地表层土壤含水量影响较大。

表2 不同土层深度土壤含水量差异性分析†Table 2 Difference analysis on soil moisture content under different soil depth %

图1 土层深度7.5 cm时各林地土壤含水量日变化动态Fig.1 Soil moisture date dynamic changes in different forest land at soil depth of 7.5 cm

2）土层深度12.0 cm

在土层深度12.0 cm处，不同植被类型土壤含水量差异显著（图2），同样在试验第2天，降水时4种植被类型土壤含水量出现了缓慢的上升，但是上升的幅度小于浅地表层（7.5 cm），降水后4种植被类型土壤含水量趋于平缓。随着时间的推移，土壤含水量的变化较小。说明降水在经过浅地表层后，部分降水被截留，到达中地表层（12.0 cm）的降水量有所减少。在中地表层，降水对土壤含水量影响远远小于浅地表层，但土壤含水量还是以土壤自身的持水量为主。

3）土层深度20.0 cm

在土层深度20.0 cm处，杜仲林和枫樟混交林差异不显著，而与马尾松林、坡耕地差异显著（图3）。在第2天下雨时，杜仲林和枫樟混交林的土壤含水量有小幅度提高，而马尾松林和坡耕地变化的幅度较小。降水在经过浅地表层（7.5 cm）和中地表层（12.0 cm）的截留后，在杜仲林和枫樟混交林中有部分到达深地表层，而在马尾松林和坡耕地，基本没有降水渗透到深地表层（20.0 cm）。这说明，在杜仲林和枫樟混交林中，0～20.0 cm的土壤比较疏松，土壤空隙比较大，而在马尾松林和坡耕地，土壤较为板结，水分很难到达地下20.0 cm处。

图2 土层深度12.0 cm时各林地土壤含水量日变化动态Fig.2 Soil moisture date dynamic changes in different forest land at soil depth of 12.0 cm

图3 土层深度20.0 cm时各林地土壤含水量日变化动态Fig.3 Soil moisture date dynamic changes in different forest land at soil depth of 20.0 cm

2.2 降水前后不同土层深度土壤含水量日动态变化

降水前，4种植被类型的土壤含水量比较稳定，在前地表层（7.5 cm），4种植被类型的土壤含水量在气象因子温度、风速等的影响下缓慢的减少，而在中地表层（12.0 cm）和深地表层（20.0 cm），4种植被类型的土壤含水量基本保持在一定的水平，只有中地表层（12.0 cm）的坡耕地土壤含水量在减少。说明在没有地表的植被和枯落物的坡耕地，蒸腾作用影响到了中地表层（12.0 cm），而有地表植被和枯落物的杜仲林、枫樟混交林、马尾松林，蒸腾作用只影响到浅地表层（7.5 cm），再一次证明植被和枯落物能够涵养水源，起到保持水份的作用。

降水后，4种植被类型的土壤含水量有提升，提升幅度最大的是浅地表层（7.5 cm）的马尾松林，其次是中地表层（12.0 cm）的坡耕地。在马尾松林的浅地表层，由于地表其他的植被比较少，且针叶比较细，保持水分的能力弱于杜仲林和枫樟混交林的枯落物，在雨滴降落到地面以后，雨水会迅速的进入土壤，被浅地表层的土壤吸收。在坡耕地，同样由于地表覆盖较少，雨滴落到地面后进去土层，而在浅地表层中，土壤中没有较多保持水分的有机物，雨水穿过浅地表层（7.5 cm）进入中地表层（12.0 cm），提高了坡耕地中地表层的土壤含水量。

2.3 降水前后土壤含水量与环境因子的关系

试验期间处于6月末7月初，植物生长迅速，蒸腾量大，但随之降水进入高峰期，降水除用于植物蒸腾和土壤蒸发以外，还有部分降水补给土壤水分，土壤含水量达到高峰值。降水前后土壤含水量与环境因子的关系，如表3所示。在降水前，土壤的含水量与风速和大气温度都呈负相关的关系（相关系数分别为-0.158和-0.653），土壤含水量与湿度呈正相关的关系（R2=0.544）。降水后，土壤的含水量同样与风速和大气温度呈负相关的关系（相关系数分别为-0.244和-0.579），土壤含水量与湿度呈正相关的关系（R2=0.677）。说明大气相对湿度越大，不同植被类型的土壤含水量也越高；而风速和大气温度越高时，土壤的蒸发能力较高，土壤含水量较小。

3 讨 论

植物群落显著影响着土壤水分的补给和利用，但在不同区域不同植被类型的土壤含水量差异较大，在半干旱和半湿润地区，植被蒸散发强烈，同时这些区域降水量较小，长期过度消耗土壤深层贮水，形成了大量土壤干层[16]，不利于植物生长发育。黄志刚等[17]研究南京城郊不同坡地土壤水分动态，指出土壤深层含水率受到不同土地利用方式的显著影响；本研究也得出与此相近的结论，在土壤深层（20.0 cm处）坡耕地的土壤含水量差异比较显著，而杜仲林和枫樟混交林不显著。干旱地区植被对降水的依赖性较弱，对缺水环境适应性较强，湿润区植被对土壤有效水吸收较快，易导致土壤供水紧张，本研究发现在浅地表层和中地表层（7.5 cm、12.0 cm）处，4种植被类型的土壤含水量较高，随降水量的增加，土壤含水量明显增大，但在深层土壤（20.0 cm）处，4种植被类型土壤含水量低于表层，这就使得植被大量吸收表层土壤水分，引起表层土壤供水不足。

表3 林地土壤含水量与环境因子的关系 †Table 3 Relationship between soil moisture content and environmental factors in forest land

从本研究实验数据可以看出，降水可以显著提高土壤含水量，但不同的植被类型及不同的土层深度，提高程度不同。土壤越疏松，土壤空隙越大的植被类型，土壤含水量提高越快，下渗也很快。杜仲林的土壤含水量无论是降水前还是降水后，都比其他3个植被林分要高，且降水能够到达更加深的土层中。林地植被在生长发育过程中，形成大量根系，根尖呈圆柱体扩大，向周围土壤产生轴向压力，可在土壤中形成大量孔隙，提高林地入渗性能，根系腐烂后，大孔隙并未消失。其次，枯枝落叶被分解后归还土壤，影响土壤结构[18]：一方面，枯枝落叶层为各种微生物提供食物营养，而这些生物的活动在土体内产生大孔隙，增加土壤的入渗能力；另一方面，枯落物分解后形成腐殖质或非腐殖质，使土壤颗粒形成稳固的团粒结构，且具有大量孔隙，土体变得疏松，透水能力增强。

本研究发现在不同土层深度和整个实验期间，不同植被土壤含水量大小均为杜仲林＞枫樟混交林＞马尾松林＞坡耕地，说明杜仲林和枫樟混交林的的土壤持水能力最强，原因是杜仲林和枫樟混交林作为阔叶树种，生长快，根系深入土壤，形成了大量的孔隙，有助于降水和水分下渗；另外，杜仲林和枫樟混交林的枯落物储量也大于马尾松林和坡耕地，针叶树的枯落物储量较少，坡耕地长期耕作，枯落物最少，并且土壤板结程度高于有林地，降水和水分不易下渗，故坡耕地的土壤含水量最低。4种植被类型的林分，涵养水源最强的是杜仲林，其次是枫樟混交林，然后是马尾松林。马尾松林是针叶林，针叶比较硬，不容易被微生物等分解，所以枯枝落叶留在地表层，没有进入土壤中，改变土壤结构。且针叶落下后，厚厚的一层铺在地表，阻挡了其他植被生长需要的阳光，所以马尾松林下基本没有其他的植被生长，土壤与其他3个植被类型的相比，相对比较的紧密，雨水渗透很缓慢，大部分的雨水会变成地表径流，这对涵养水源是非常不利的[19-20]。涵养水源最差的是坡耕地，因为人类的活动比较的频繁，造成土壤水分和养分流失比较严重，人们在坡耕地上劳作时，必须种植地表覆盖程度高的作物，采取免耕或者深耕的方式，提高坡耕地蓄水的能力[21]。

土壤水分空间变化的影响因素不尽相同，地形、地貌、植被等不同阴雨均对林地土壤含水量造成差异发生地块尺度的分异[22-23]。本研究中不同植被类型土壤含水量的主导因素大致相近，土壤含水量主要受降水因子的主导，降水后不同植被类型的土壤含水量均显著增加，不同植被类型间土壤含水量差异主要与树木特性有关，根系发达、枯落物储量高的树种，其土壤含水量较高。从气象因素看，本研究在区域尺度上环境因素一致，本研究结果表明风速、大气温度和相对湿度是影响土壤含水量的的主要因素，当大气温度越高时土壤含水量越低，二者呈反相关；而相对湿度越高时土壤含水量也越高，二者呈显著的正相关关系。相关学者也指出，地表蒸发量也是影响不同植被土壤含水量差异的主要因子，蒸发量越高，土壤含水量也越低[24]；另外，其他环境因子如海拔、温度和坡向等环境因子通过间接的影响地表蒸散发[25]，导致土壤水分的支出远大于收入，土壤水-大气水循环严重失衡，才出现这种结果。环境因子对土壤水分的作用机理比较复杂，它们之间的交互作用促进或者削弱对土壤含水量的作用，本研究中4种植被类型因地形而表现出复杂的空间变化特征，各环境因子之间相互作用使土壤含水量的差异比较明显。总之，不同植被类型土壤含水量的变化是多个环境因子共同作用的结果，但在区域尺度上，年降水量对该区域土壤含水量的变化差异居主导地位，同时在生态植被建设时，还需充分考虑区域空间潜在蒸散能力。

4 结 论

所有观测时间内，在7.5 cm和12.0 cm土层深度处，4种植被类型土壤含水量最大的均是杜仲林，其次是枫樟混交林，最低的是坡耕地，土壤水分随深度增加而降低；在20.0 cm土层深度处，杜仲林和枫樟混交林差异不显著，马尾松林与坡耕地差异显著；3个土层深度下，4种植被类型土壤含水量均为杜仲林＞枫樟混交林＞马尾松林＞坡耕地。降水前4种植被类型的土壤含水量均比较稳定，只在7.5 cm和12.0 cm处缓慢减少；降水后，4种植被类型的土壤含水量明显增加，增加幅度最大的是7.5 cm的马尾松林，其次是12.0 cm

的坡耕地。降水前后，4种植被类型的土壤含水量与风速和大气温度均呈负相关关系，土壤的含水量与湿度呈正相关关系；大气相对湿度越大，不同植被类型的土壤含水量也越高；而风速和大气温度越高时，土壤含水量较小。综合分析表明杜仲林的土壤含水量最大，其作为生态经济型树种，具有较好的水源涵养能力，可大面积示范推广有利于提高研究区的生态效益。