降雨對(duì)不同密度栓皮櫟林土壤溫濕度及水分運(yùn)移的影響1)

田超 孟平 張勁松 孫守家 賈長(zhǎng)榮 李建中

(林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所)，北京，100091) (濟(jì)源市國(guó)有大溝河林場(chǎng))

降雨對(duì)不同密度栓皮櫟林土壤溫濕度及水分運(yùn)移的影響1)

田超 孟平 張勁松 孫守家 賈長(zhǎng)榮 李建中

(林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所)，北京，100091) (濟(jì)源市國(guó)有大溝河林場(chǎng))

以黃河小浪底庫(kù)區(qū)3種密度栓皮櫟林為研究對(duì)象，運(yùn)用穩(wěn)定同位素技術(shù)，結(jié)合大氣、土壤溫濕度及土壤水分氘同位素(δD)值，探討不同季節(jié)降雨對(duì)土壤剖面溫度、水分動(dòng)態(tài)及運(yùn)移的影響。結(jié)果表明，降雨前后高密度林分土壤溫度均最高，且下層土壤具保溫效果。土壤濕度隨密度增大而增加，且低密度林分下層濕度大，而中高密度林分表層濕度大。雨前土壤水分δD值與枯落物δD值變化趨勢(shì)相同，均隨密度增大而減小。低密度林分，降雨在枯落物及土壤表層滯留時(shí)間較短，均可較快入滲到深層土壤，隨后涵養(yǎng)在上層水分以活塞流形式下滲。且前期降水較多時(shí)，混合水可側(cè)向流動(dòng)補(bǔ)給壤中流。中高密度林分，在前期土壤濕度較大的雨季和旱季初期，降雨也可較快入滲到深層，除高密度林分在前期降雨較多的雨季下滲到中層。而前期降雨較少時(shí)，降雨在中高密度林分的枯落物及表層土壤滯留時(shí)間較長(zhǎng)。表明土壤濕度低時(shí)，中密度林分土壤可較好的蓄積水分，而高密度林分在濕度低或高時(shí)均能較好的調(diào)控土壤水分。此外，在前期降水充足和高強(qiáng)度降雨后，降雨在低中密度林分均可通過(guò)優(yōu)先流形式快速入滲，補(bǔ)給深層土壤。泉水和地下水δD值沒有明顯改變，可為干旱季節(jié)植被生長(zhǎng)提供重要水源。

季節(jié)性降雨；林分密度；土壤溫度；土壤濕度；氘同位素

By using stable isotope techniques, three density stands ofQuercusvariabilisin the Yellow River Xiaolangdi reservoir were chosen to investigate theδD of soil water, temperature and moisture of both air and soil in order to study the effect of seasonal rainfall on soil temperature, moisture and water movement. The soil temperature of high density stand was the highest before and after all the four rainfall events, and the subsoil had insulation effect. The soil moisture increased with the increase of stand density, and the subsoil moisture were higher in the low density stand, whereas the upper layer of soil were higher in the middle and high density stand. The variation trend of soil waterδD and litterδD were the same before the rainfall, which decreased with the increase of stand density. In the low density stand, the residence time of rainfall were shorter in the litter and the soil surface, so they could quickly infiltrate into the deeper soil layer, then the conserved water in upper layer slowly infiltrated to the deep soil through the piston flow. Furthermore, the mixed water could form interflow through the lateral flow after previous plentiful rainfall events. In the medium and high density stands, in the middle and late of rainy season and the early dry season when previous soil moisture was higher, the rainfall could also rapidly infiltrated to the deeper soil. An exception was that the water infiltrated to the middle soil layer in the high density stand in the middle of rainy season with high soil moisture. However, in the prior low soil moisture condition, the residence time of rainfall was shorter in the litter and the soil surface, which indicated that the medium density stand could better store soil water in the low humidity conditions, and the high density stand could regulate the soil moisture in the low or high environment. After prior plentiful or high intensity rainfall, the preferential flows could rapidly infiltrated and supplied to deeper soil water in the low and medium density stand. TheδD of spring and ground water did not change obviously, two water sources could supply water for plant in the dry season.

在森林生態(tài)系統(tǒng)，林冠層、灌草層、枯枝落葉層以及土壤層能截留和儲(chǔ)蓄大氣降水，對(duì)其進(jìn)行重新分配和調(diào)節(jié)，發(fā)揮獨(dú)特的水文生態(tài)功能[1]。然而，不同林分密度及覆蓋情況可影響土壤溫濕度及水分運(yùn)移，進(jìn)而影響關(guān)鍵的生態(tài)水文過(guò)程[2-3]。當(dāng)林分密度小時(shí)，由于土壤蒸發(fā)量大使得土壤濕度變小，而當(dāng)林分密度和覆蓋度增加時(shí)，植被蒸騰能力增強(qiáng)且截留降雨相對(duì)較多也可導(dǎo)致土壤濕度降低[4-5]。且降雨截留量也因降水量而變化，而截留的降雨一般通過(guò)蒸發(fā)返回到大氣中，除非氣溫足夠低阻止蒸發(fā)產(chǎn)生[6-8]。此外，同一密度林分對(duì)不同降雨事件響應(yīng)亦不同。在干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)中，降雨強(qiáng)度和頻度可決定物種生存、組成、結(jié)構(gòu)等[9]，在決定土壤水分入滲過(guò)程中也具有重要作用[10-11]。因此，降雨量、歷時(shí)可影響土壤水分運(yùn)移及有效性并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)起著關(guān)鍵作用[12-13]。此外，降雨在不同類型土壤中對(duì)深層土壤的補(bǔ)給不同[14]，在具有基巖裂隙的淺層土壤和喀斯特地形有利于水文過(guò)程快速進(jìn)行[15-16]。而因前期含水量及根系的不均勻分布，在同一立地條件下，降雨會(huì)經(jīng)不同孔隙下滲[17-18]。因此，考慮不同密度林分對(duì)不同降雨的響應(yīng)能更好的理解生態(tài)系統(tǒng)水文過(guò)程。

由于土壤中穩(wěn)定δD同位素受降雨、地表徑流及蒸發(fā)、水分在土壤中水平和垂直運(yùn)動(dòng)及不同土層根系水分吸收等的影響[6，19-20]。因此，它可追蹤降雨在土壤中入滲、滲透和蒸散等運(yùn)移過(guò)程[14]。由于降雨中同位素組分存在季節(jié)性變化，土壤水δD值可表征土壤剖面降水的遷移、混合和滯留時(shí)間等信息[21]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤水穩(wěn)定同位素的研究多集中在不同土地利用方式及季節(jié)間的差異上[21-24]，對(duì)不同降雨持續(xù)響應(yīng)的研究較少[25-26]，而不同密度林分土壤水分運(yùn)移對(duì)降雨的響應(yīng)國(guó)內(nèi)還未見報(bào)導(dǎo)。

黃河小浪底水利樞紐工程在治理開發(fā)黃河的總體布局中，具有極其重要的戰(zhàn)略地位。然而，庫(kù)區(qū)周邊多為巖石裸露的石質(zhì)山地和溝壑縱橫的黃土丘陵臺(tái)地，地形支離破碎，水土流失加劇。且該地區(qū)降水較少、土壤總量少、儲(chǔ)水能力差、巖石滲漏性強(qiáng)，水資源虧缺成為生態(tài)建設(shè)的限制因素。栓皮櫟(QuercusvariabilisBlume.)是該地區(qū)典型優(yōu)勢(shì)樹種之一，在水分有限的條件下可形成較穩(wěn)定的群落，對(duì)維持石質(zhì)山區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境起著重要作用。然而，不同密度林分在氣候較旱、土層較薄的立地條件下的水分運(yùn)移機(jī)制尚不明確。因此，本研究以不同密度栓皮櫟林為研究對(duì)象，運(yùn)用穩(wěn)定同位素技術(shù)，在不同季節(jié)對(duì)降雨前后大氣和土壤溫度、濕度及不同土層δD同位素進(jìn)行研究，探討不同密度林分土壤剖面溫濕度及水分運(yùn)移對(duì)不同季節(jié)降雨的響應(yīng)，為該區(qū)域林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置及應(yīng)對(duì)氣候變化引起的降雨格局變化提供理論依據(jù)，進(jìn)而為華北石質(zhì)山地植被恢復(fù)與林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省濟(jì)源市黃河小浪底森林生態(tài)站，該站隸屬于中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)，北依太行山南段，南鄰黃河小浪底水利樞紐工程，屬典型的低山丘陵石質(zhì)山區(qū)。定位站中心海拔410 m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫13 ℃，年日照時(shí)間2 367.7 h，年日照率54%，多年平均降水量641.7 mm，其中，6—9月為438.0 mm，占全年降水的68.3%。研究區(qū)內(nèi)土壤為棕壤，土層較薄20～50 cm左右，土被分布極不均勻，且部分基巖出露，土層下是松散的石灰?guī)r風(fēng)化層及裂隙基巖，土壤水易下滲形成裂隙水。當(dāng)裂隙水達(dá)到不透水的頁(yè)巖層，易滲出地表形成泉水[27]。研究區(qū)內(nèi)有一常年不斷的泉眼提供泉水，而深層地下水由60 m的水井提供。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

2013年7月，在該研究區(qū)選擇相鄰的3個(gè)密度栓皮櫟林，在每一密度林分內(nèi)分別設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地3個(gè)，樣地面積為20 m×30 m，并對(duì)林木進(jìn)行每木檢尺，測(cè)量樹高、胸徑等因子，各密度林分基本特征見表1，并分別測(cè)定枯落物厚度、蓄積量、土壤密度、孔隙度、持水量等[28]。

表1 不同密度樣地基本特征

注：坡向?yàn)槲髂稀?/p>

2.2 氣象因子觀測(cè)

在研究地空闊地方布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)氣象站，連續(xù)觀測(cè)空氣溫濕度和降雨量，所采用的傳感器分別為HMP45C型溫濕度傳感器(Vaisala，Helsinki，F(xiàn)inland)和TE525M翻斗式雨量筒(Texas Inc.，USA)，數(shù)據(jù)采集器為CR10X(Campbell，USA)，設(shè)定每1 min采集1次，每10 min輸出1組平均值。并在其附近設(shè)置降雨采集裝置，雨后及時(shí)采集降水樣，每次降水收集3瓶，用帕拉膠密封后冷藏保存(1～4 ℃)。

2.3 樣品采集、處理及測(cè)定

本研究于2013年7、8、10月選擇雨季中末期及旱季初期4場(chǎng)不同降雨進(jìn)行研究，均在降雨前1天及降雨后連續(xù)3 d每天上午進(jìn)行采樣，分別在3種密度林分所選擇的標(biāo)準(zhǔn)樣地中采集枯落物及0～10、10～20、20～30 cm土壤，迅速裝入試劑瓶，儲(chǔ)藏在0～5 ℃的便攜式冷藏箱內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存(低于-20 ℃)。同時(shí)，降雨前后采集泉水和地下水樣品，每次3瓶，冷藏保存(1～4 ℃)。4場(chǎng)降雨共采集植物樣576個(gè)，水樣108瓶。

利用低溫真空抽提儀器(LI-2000，LICA，China)提取土壤水分，將提取好的土壤水以及采集的雨水、泉水、地下水樣品過(guò)濾，使用DLT-100液態(tài)水同位素分析儀(Los Gatos Research Inc，USA)測(cè)定氫氧同位素，公式為，

其中，Rsample和Rstandard表示樣品和國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)物n(D)/n(H)比，測(cè)量精度為±0.05%。

2.4 土壤溫濕度測(cè)定

在林地不同土層5、15、25 cm土壤中分別安裝溫度(AV-10T，USA)和水分傳感器(EC-H2O，Avalon Sci. Inc．，USA)，通過(guò)AR5-8A-SE數(shù)據(jù)采集器(Avalon Sci.Inc．，USA)自動(dòng)記錄土壤溫濕度，作為0～10、10～20、20～30 cm土層溫濕度。設(shè)定30 s采集1次，每10 min輸出1組平均值。

2.5 數(shù)據(jù)處理

分別選取自動(dòng)監(jiān)測(cè)的空氣及土壤溫濕度每日上午07:00—11:00數(shù)值進(jìn)行平均作為日均值。

運(yùn)用Sigmaplot作圖，并利用SPSS19.0分析數(shù)據(jù)，對(duì)不同密度林分枯落物、土壤水文效應(yīng)等指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，并用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行多重比較。此外，分別利用三因素方差分析檢測(cè)同一降雨事件的不同密度—時(shí)間—土層及同一密度下不同降雨事件—時(shí)間—土層的土壤溫濕度及δD變化，并進(jìn)行多重比較，統(tǒng)計(jì)分析水平為p<0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 樣地及環(huán)境因子特征

3.1.1 不同密度林分枯落物及土壤層水文效應(yīng)

由表2可知，隨密度增加，枯落物厚度由5.8增加到7.8 cm，且高密度顯著高于中低密度林分，總蓄積量由15.17增加到32.17 t/hm2，最大持水量、有效攔蓄能力也與密度成正相關(guān)，且中高密度林分均顯著高于低密度林分。

表2 不同密度林分枯落物厚度、蓄積量和持水量比較

注：括號(hào)中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同大寫字母表示差異顯著(a=0.05)。

由表3可知，同一密度林分隨土層深度增加土壤密度增大，其中，中低密度林分中下層顯著大于表層，而高密度林分3層差異不顯著?？偪紫抖?、毛管孔隙度、持水率等則隨土層深入而減小，其中，低密度林分表層顯著大于中下層，而中高密度林分則差異不顯著。此外，對(duì)于同一土層則隨林分密度增大土壤密度減小，且低密度林分顯著高于中高密度林分。對(duì)于總孔隙度和毛管孔隙度，在土壤表層，密度間差異不顯著，而中下層則低密度林分顯著低于中高密度林分，而非毛管孔隙度差異不顯著。此外，持水率除土壤表層有效持水率不顯著外，其余均為低密度林分顯著低于中高密度林分。

表3 不同密度林分土壤物理性質(zhì)比較

林分類型>10～20cm土層厚度密度/g·cm-3總孔隙度/%毛管孔隙度/%非毛管孔隙度/%最大持水率/%毛管持水率/%有效持水率/%低密度(1.86±0.07)Aa(30.81±5.87)Bab(28.15±5.31)Bab(2.65±1.28)Aa(16.62±3.81)Bb(15.19±3.47)Bb(14.09±3.52)Bb中密度(1.47±0.10)Bab(41.60±3.16)Aa(38.58±3.23)Aa(3.02±0.07)Aa(28.52±3.78)Aa(26.46±3.70)Aa(25.50±3.41)Aa高密度(1.45±0.08)Ba(42.12±1.63)Aa(38.23±0.75)Aa(3.89±1.14)Aa(29.15±1.00)Aa(26.48±1.44)Aa(25.21±1.91)AaF值24.0617.8028.0631.22815.06813.72213.795p值0.0010.0010.020.3570.0050.0060.006

注：括號(hào)中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同大寫字母表示差異顯著(a=0.05)，同行不同小寫字母表示差異顯著(a=0.05)。

3.1.2 雨旱季4場(chǎng)降雨特征及空氣溫濕度變化

如表4、圖1所示，其中，a為雨季中期中雨，前期降雨較少(雨前24 d僅6月11日4.7 mm)，氣溫最高32.0 ℃，此期間天氣較干旱，經(jīng)歷19 mm、強(qiáng)度2.9 mm/h降雨后氣溫變化相對(duì)遲緩，先下降后緩慢回升；b也表示雨季中期中雨，但雨前一周即7月8日—7月10日分別有18.9、14.2、21.0 mm中強(qiáng)度降雨產(chǎn)生，使得此期間空氣溫度較低，經(jīng)歷15.4 mm、1.6 mm/h降雨后氣溫較低(22.2 ℃)，之后急劇回升；c為雨季末期大雨，雨前10天即8月1日34.5 mm降雨產(chǎn)生，雨前氣溫較高(31.9 ℃)，濕度較低(68.2%)，此次降雨量及強(qiáng)度均最大(27.0 mm、14.7 mm/h)，雨后氣溫下降較多，之后迅速回升；d為旱季初期中雨，雨前降雨極少，在c雨后僅有4場(chǎng)極小降雨產(chǎn)生，即8月27日、9月8日、9月17日、9月21日分別有0.2、1.0、0.8、0.2 mm降雨產(chǎn)生，使得此期間天氣異常干旱，但由于發(fā)生在旱季初期的10月氣溫較低(20.3 ℃)，經(jīng)歷13.4 mm、強(qiáng)度2.9 mm/h中雨后氣溫急劇下降，之后逐漸上升，但短時(shí)間內(nèi)很難恢復(fù)到雨前水平。4場(chǎng)降雨δD值分別為-8.286%、-7.721%、-9.486%、-6.634%，雨后空氣濕度均在第1天升高，后逐漸下降，但均未在3 d內(nèi)下降到雨前水平。

表4 4場(chǎng)典型降雨特征

3.2 不同密度林分降雨前后土壤溫濕度變化

3.2.1 土壤溫度

由圖2可知，4場(chǎng)降雨前土溫變化(25.0～20.2 ℃)不及氣溫變化大(32.0～20.3 ℃)。同一降雨對(duì)不同林分土溫影響隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同，而不同降雨后土溫變化差異較大。雨季中期，當(dāng)前期降雨較少時(shí)，圖2a所示，a雨后土溫沒有下降反而升高。前期降雨較多時(shí)，b雨后土溫下降較多之后回升。而c雨前土溫明顯大于前兩場(chǎng)降雨，而雨后溫度下降程度不及上次降雨，之后隨氣溫升高，土溫回升并超過(guò)雨前水平。旱季初期d雨前土溫相對(duì)前3場(chǎng)降雨最低，且雨后3天持續(xù)下降。此外，同一降雨不同林分土溫隨土層變化趨勢(shì)相同，而不同降雨略有差異，前3場(chǎng)降雨不同土溫均為表中層>下層，而d雨后則下層溫度較高。然而，表5所示，同一降雨不同林分土溫間存在差異，前兩場(chǎng)降雨對(duì)林分土溫趨勢(shì)相同均為高密度>低密度>中密度，且差異顯著，而后兩場(chǎng)降雨則為高密度>中密度>低密度，且高、低密度間差異顯著。此外，4場(chǎng)降雨前后不同天數(shù)及土層間差異均顯著，而a降雨土層是決定溫度的重要因素，而后3場(chǎng)降雨天數(shù)對(duì)土溫影響最大。

Ra、Rb、Rc、Rd分別代表4場(chǎng)降雨空氣相對(duì)濕度；Ta、Tb、Tc、Td分別代表4場(chǎng)降雨空氣溫度。橫坐標(biāo)0、1、2、3分別表示降雨前1天及降雨后1～3 d。

圖1 4場(chǎng)降雨前后空氣溫濕度

此外，同一密度林分對(duì)不同降雨事件響應(yīng)不同(表6)，對(duì)于低中密度林分，前兩場(chǎng)降雨差異不顯著，其余均極顯著。而對(duì)于高密度林分，4場(chǎng)降雨間差異均極顯著。3密度林分不同天數(shù)差異均顯著，而低高密度不同土層間差異不顯著，中密度則極顯著。此外，3密度林分都表明不同降雨是決定土溫的主要因素。

表5 對(duì)4場(chǎng)降雨事件的土壤溫度、濕度和δD進(jìn)行密度—時(shí)間—土層3因素方差分析

注：Ⅰ表示前期降雨較少，天氣干旱；Ⅱ表示雨前一周有中強(qiáng)度降雨。

圖2 3密度林分4場(chǎng)降雨前后土壤溫度變化

表6 對(duì)3密度林分的土壤溫度、濕度和δD進(jìn)行降雨—時(shí)間—土層3因素方差分析

3.2.2 土壤濕度

由圖3可知，同一降雨對(duì)不同林分土壤濕度影響隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同，隨降雨產(chǎn)生，土壤濕度均明顯增加，之后下降，與土溫不同，3 d內(nèi)均未恢復(fù)到雨前水平，且不同時(shí)間之間差異顯著，除b雨后2 d不顯著外(表5)。然而，不同降雨事件隨土層變化濕度增量不同，其中，a與d雨后均表現(xiàn)為表層濕度增加最多，分別為9.2%、8.9%(圖3a、d)，b雨后下層濕度增加較多(圖3b，5.7%)，c雨后3層濕度增加差異不大(圖3c)。此外，同一降雨對(duì)不同林分濕度影響由大到小為：高密度、中密度、低密度，差異均極顯著(表5)，且前3場(chǎng)降雨不同林分是影響濕度變化的主要因素，而d降雨土壤深度是最主要因素。

同一林分不同降雨前土壤濕度隨土層變化相同，而不同林分間略有不同，其中低密度林分表層濕度低，中高密度林分下層低，而雨后均隨深度不斷下降。分方差分析表明(表6)，3密度林分對(duì)降雨前后土壤濕度差異均顯著，低中密度林分對(duì)不同降雨事件的響應(yīng)均極顯著，而高密度林分土壤濕度對(duì)a與d降雨的響應(yīng)相似，中高密度林分土壤濕度在不同土層間差異極顯著，而在低密度林分則不顯著。此外，3密度林分中不同降雨事件對(duì)土壤濕度影響最大。

圖3 3密度林分4場(chǎng)降雨前后土壤濕度變化

3.3 不同密度林分降雨前后土壤水分δD值變化

3.3.1 土壤水分δD值隨時(shí)間變化

同一降雨對(duì)不同林分枯落物δD值影響隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同，即隨降雨產(chǎn)生而減小(圖4)，隨后因蒸發(fā)而增大。雨前枯落物δD值由大到小為低密度、中密度、高密度，而a、b、c3場(chǎng)雨后第1天δD值由小到大為低密度、中密度、高密度，而d大雨后高密度林分反而最小，隨后因蒸發(fā)量的不同，不同密度間枯落物δD值沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

雨前不同林分土壤水分δD值隨密度增加而減小。然而，雨后δD值變化不一，大都表現(xiàn)為第1天下降隨后不斷升高，而有些則表現(xiàn)不同。例如，a雨后中密度林分在第2天δD值繼續(xù)下降，而高密度林分則升高。b雨后低密度林分第2天繼續(xù)下降。c大雨后，中高密度林分均在第2天繼續(xù)下降。由于土壤δD值是不同層次的均值，因此這種變化在之后不同土層間變化中有所體現(xiàn)。研究期間，泉水和地下水δD值相對(duì)穩(wěn)定，分別在-5.7%和-6.0%左右，變化幅度相當(dāng)小。

此外，同一降雨事件方差分析表明(表5)，a降雨只有中、高密度土壤δD值差異顯著，d降雨中、低密度均與高密度顯著，而b、c降雨密度間均極顯著。4場(chǎng)降雨不同天數(shù)及土層間差異均顯著，且a降雨土壤深度是決定δD值的主要因素，而后3場(chǎng)降雨則取決于降雨前后不同天數(shù)變化。同一密度林分方差分析表明(表6)，土壤δD值在不同降雨、時(shí)間、土層間均顯著，且不同降雨事件是決定土壤δD值的重要因素。

3.3.2 土壤水分δD值隨土層變化

如圖5所示，不同林分在雨前沿土壤剖面δD值不同，如a降雨前中密度林分表層δD值大，而c降雨前低密度林分深層值較大。雖然林分密度、降雨量及降雨δD值差異較大，然而不同林分枯落物及土壤表層δD值變化均較大，中下層變化相對(duì)較小，不同土層對(duì)降雨的響應(yīng)不同。

雨季中期，當(dāng)前期降雨較少、土壤濕度較低時(shí)，a雨后第1天低密度林分所有土層δD值均減小即降雨可入滲到深層土壤，而中高密度林分趨勢(shì)相似僅枯落物及表層土壤受到降雨影響δD值減小。第2天低密度林分枯落物及表層土壤水分以活塞流形式繼續(xù)下滲到中層使得該層δD值減小，而涵養(yǎng)在中高密度林分表層以上的混合水可下滲到下層土壤，使得中下層δD值均減小。第3天低密度林分水分繼續(xù)下滲到下層，而中高密度林分所有土層δD值因蒸發(fā)、植被蒸騰作用及入滲更深層土壤而增大。

雨季中期，前期降雨較多、土壤濕度較高時(shí)，b雨后第1天低中密度林分均入滲到深層δD值均減小，而高密度林分僅入滲到中層，低密度林分下層δD值較上層值小。第2天，由于枯落物層涵養(yǎng)的水分較多，低中密度林分枯落物層蒸發(fā)并下滲到表中層使得δD繼續(xù)減小，而涵養(yǎng)在高密度林分中層以上的水分下滲到深層δD值減小。第3天，中密度林分土壤水分繼續(xù)下滲到深層，而低高密度林分均因蒸散發(fā)而富集。

圖4 3密度林分4場(chǎng)降雨前后枯落物、土壤、泉水、地下水、降雨δD值變化

雨季末期，c大雨后第1天降雨均入滲到深層，土壤得到充分補(bǔ)給，且低密度林分下層δD值較小。第2、3天低密度林分均蒸發(fā)富集，而中高密度林分由于枯落物及土壤各層涵養(yǎng)水源較多(圖3)，且存在入滲速率的差異，因此第2天枯落物及不同土層通過(guò)活塞流形式補(bǔ)給相鄰下層水分，使得下層土壤δD值均與第1天上層值接近。由于密度大蒸發(fā)少，第3天高密度林分枯落物及表層繼續(xù)下滲到深層土壤，使得中下層δD值減小，而中密度林分δD值增大。

旱季初期，前期土壤濕度較低，d雨后第1天降雨均入滲到深層，使得所有林分土壤δD值減小。第2天低密度林分所有土層δD均增大，而中高密度林分枯落物及表層水分蒸發(fā)并下滲，使得中下層δD值均低于第1天。第3天下層土壤均受上層水分補(bǔ)給δD值減小。

4 討論

土壤溫濕度：土壤濕熱條件作為生態(tài)植被建設(shè)和恢復(fù)的關(guān)鍵因子，不僅影響植物光合作用、幼苗和根系生長(zhǎng)，而且還影響植物對(duì)水分的吸收與運(yùn)移，對(duì)干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)植被建設(shè)尤為重要[29]。因不同降雨特征及林分遮蔽、枯落物覆蓋、土壤物理性質(zhì)等的差異，不同密度林分土壤溫濕度對(duì)不同降雨響應(yīng)不同。

土壤溫度：本研究中，因林分遮蔽、枯落物覆蓋及土壤物理性質(zhì)等，土溫變化差異小于氣溫。同一降雨事件不同林分土溫隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同，然而因前期土壤濕度、次降雨量及所接受的太陽(yáng)輻射不同，雨后土溫變化較大。由于前期降雨少、天氣干旱、氣溫高(圖1a)，雨后土溫迅速回升并超過(guò)雨前溫度。而前期降雨多、氣溫低(圖1b)，小強(qiáng)度降雨可導(dǎo)致土溫下降較多。高強(qiáng)度、短歷時(shí)雨后，因前期氣溫較高，土溫下降程度較少。而旱季初期雨后土溫持續(xù)下降，這可能由于土壤濕度較大，使得土壤熱容量較高，秋季較低氣溫不能提供足夠的熱量，使得土溫持續(xù)下降，這有待于以后進(jìn)一步的研究探討。此外，同一降雨不同林分土溫隨土層變化趨勢(shì)相同，雨季表中層土溫較高，而旱季初期下層較高，主要由于表中層土壤孔隙度較大、透氣性好(表3)，表明表中層土溫受氣溫直接影響，而下層土壤具有一定的保溫效果，使得旱季初期下層溫度較高(圖2d)，這對(duì)植被根系安全越冬起到一定的保護(hù)作用。然而，同一降雨不同林分土溫大小有所差異。雨季中期兩場(chǎng)降雨土溫由大到小均為高密度、低密度、中密度，主要由于高密度林分郁閉度高(表1)，樹木遮蔽多，林分的通透性差，加之較厚的枯落物(表2)，使得土溫較高；而低密度林分因遮蔽少，太陽(yáng)輻射相對(duì)較多，使得其土溫高于中密度林分。而雨季后期及旱季初期雨后土溫則隨密度增大而增加，此時(shí)林分遮蔽占主導(dǎo)地位，密度高林分遮蔽多，空氣流通性差土溫相對(duì)較高。此外，同一密度林分對(duì)不同降雨事件響應(yīng)不同，對(duì)于低中密度林分，由于雨季中期兩場(chǎng)降雨間隔較短，且降雨量相對(duì)接近，土溫差異不顯著。而高密度林分土溫對(duì)不同降雨的響應(yīng)較顯著。

0、1d、2d、3d分別代表降雨前及降雨后時(shí)間。

土壤濕度：土壤濕度因降水、土壤蒸發(fā)、下滲、植被蒸騰等作用而發(fā)生變化[7，30]。本研究結(jié)果顯示，同一降雨事件不同林分濕度隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同，均隨降雨產(chǎn)生而增大，隨后因蒸發(fā)、植被消耗水分而下降。然而，因前期土壤濕度、降雨量及強(qiáng)度[31]等的差異，使得不同降雨對(duì)不同土層濕度增量有所差異，其中，前期降雨較少的雨季與旱季初期雨后表層濕度增加最多，因前期土壤濕度較低，降雨量相對(duì)較小，且表層土壤持水率較高(表3)，降雨很快補(bǔ)給表層土壤。此外，雖然兩者降雨強(qiáng)度相同、且降雨量較小(表4)，然而旱季初期土壤中儲(chǔ)存的前期含水量相對(duì)較大(圖3d)，且此時(shí)植被葉片有些發(fā)黃，蒸騰作用沒有雨季植被生長(zhǎng)期旺盛，所需水分較少，因此土壤濕度相對(duì)較高，表明水文運(yùn)動(dòng)受到該時(shí)期植被活動(dòng)的影響[14]。前期降雨較多時(shí)，降雨可使下層濕度增加較多，因雨前表層濕度較大，降雨先入滲表層土壤使其飽和，然后額外水分慢慢下滲到深層，使得3層濕度基本相同。表明在前期濕度較充分時(shí)，小強(qiáng)度降雨可貫穿所有土層，使得土壤濕度相對(duì)較大，進(jìn)一步可補(bǔ)給地下水。而大雨過(guò)后所有土層濕度增加差異不大，即降雨量大歷時(shí)短降雨很快入滲全部土壤。此外，雨旱季降雨前后土壤濕度均隨密度增大而升高，這主要是林冠遮蔽及枯落物覆蓋的作用[26，32]，研究表明高密度林分具有郁閉度大、枯落物層厚的特征。而有研究表明當(dāng)密度和覆蓋度增大時(shí)，植被蒸騰及截留降雨能力增強(qiáng)導(dǎo)致土壤濕度減小[4-5]，這與所研究樹種及密度大小密切相關(guān)。雨前不同林分濕度隨土層變化不一，由于低密度林分郁閉度小、枯落物少，表層土壤蒸發(fā)較多引起濕度降低，而中高密度林分表層土壤受遮蔽較多蒸發(fā)少，且下層水分不斷下滲，使得表中層濕度高、下層低，而雨后均為表層濕度最大。對(duì)于低中密度林分土壤濕度對(duì)不同降雨事件的響應(yīng)均極顯著，而高密度林分濕度則對(duì)前期含水量及降雨強(qiáng)度相似的降雨響應(yīng)不顯著，可較好的避免不同降雨對(duì)土壤水分較大改變。

土壤水分δD值隨時(shí)間變化：雨前3密度林分枯落物、土壤δD值均隨密度增大而貧化，這是由于高密度林分蒸發(fā)少，使得其值相對(duì)較貧化。然而，因降雨量、強(qiáng)度及不同密度林分的差異，雨后第1天枯落物δD值趨勢(shì)不同。3場(chǎng)中雨后δD值與雨前截然相反，由大到小順序?yàn)楦呙芏?、中密度、低密度，可能是由于中雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、強(qiáng)度小，部分降雨截留在枝葉上，且密度大林分截留多，因氣溫高，輕同位素很快蒸發(fā)，重同位素與降雨下落入滲到枯落物中，使高密度林分枯落物δD值較大[33]。而大雨后高密度林分反而最小，主要是因降雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大，林冠截留少，此時(shí)截留已不是主要因素，降雨與枯落物水分混合后下滲并受蒸發(fā)影響，因高密度林分蒸發(fā)作用弱，使得δD值最小。雨后土壤δD值受降雨入滲、土壤蒸發(fā)、植被蒸騰及土壤水分下滲等共同影響，使得δD值變化不一。且最小強(qiáng)度和最大強(qiáng)度降雨均對(duì)不同密度林分產(chǎn)生較大影響，而中強(qiáng)度降雨使得有些密度間差異不顯著。

研究期間泉水和地下水δD值相對(duì)穩(wěn)定，即受短期降水影響較小，由于泉水來(lái)源于基巖裂隙水，即降雨先下滲到土壤層后經(jīng)裂隙到達(dá)隔水層再向上運(yùn)移，出露形成，其水分運(yùn)移路徑相對(duì)較長(zhǎng)，同樣，地下水運(yùn)移路徑也較長(zhǎng)，因此他們可在干旱季節(jié)為植被生長(zhǎng)提供重要水源，這與徐慶等研究結(jié)果一致[26，34]。

土壤水分δD值隨土層變化：雨前沿土壤剖面δD值并未表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，這主要與前期降水、土壤蒸發(fā)、植被水分利用等有關(guān)。因不同密度林分枯落物及土壤水文效應(yīng)的差異，加之不同降雨量、強(qiáng)度及雨后蒸散發(fā)、水分運(yùn)移等影響，雨后土壤剖面表現(xiàn)不盡相同。

由于低密度林分枯落物層相對(duì)較薄，且土壤蓄水和持水能力較弱(表3)，因此無(wú)論前期降雨如何，中到大雨后，降雨均在第1天入滲到深層土壤，表明低密度林分土壤蓄水性較差。隨后兩天涵養(yǎng)在枯落物及土壤上層的水分緩慢通過(guò)活塞流形式繼續(xù)下滲到深層[21]，且因蒸發(fā)而富集，而下層土壤受到上層水分補(bǔ)給而貧化。此外，前期降水較多時(shí)，雨后第2天，混合水通過(guò)活塞流到達(dá)土壤中層后并未繼續(xù)下滲到下層，多余的水分可能通過(guò)側(cè)向流動(dòng)形成壤中流，補(bǔ)給研究區(qū)坡面下土壤水分。

在前期土壤濕度較大的雨季和旱季初期，中高密度林分在中到大雨后(15.4、27、13.4 mm)第1天也可入滲到深層土壤，除高密度林分在15.4 mm雨后下降到中層土壤。然而，因較高氣溫及植被生長(zhǎng)活動(dòng)旺盛，前期降雨較少、土壤水分少，19 mm雨后第1天中高密度林分僅枯落物及表層土壤受到影響。這主要是因林分密度大截留較多，進(jìn)入林內(nèi)降雨減少，且枯落物及表層土壤蓄水和持水能力強(qiáng)，使得雨水在表層以上土層滯留時(shí)間長(zhǎng)。而中下層土壤濕度增加可能是由于新的降水將原土壤上層的水分排擠至更深層造成。表明在土壤濕度低時(shí)，中密度林分土壤可較好的儲(chǔ)存水分，而高密度林分在土壤濕度低或高時(shí)均能較好的調(diào)控土壤水分。

入滲降雨除了以活塞流形式下滲外，部分降雨可通過(guò)“快速通道”以優(yōu)先流方式快速到達(dá)深層土壤[21]。本研究低密度林分，15.4和27 mm降雨后，下層土壤水分δD值比上層小，即存在優(yōu)先流。而前期土壤較干旱時(shí)可能會(huì)阻止優(yōu)先流的發(fā)生，李玉山[35]研究表明在高耗水型人工林的干燥土層中即使形成優(yōu)先流，也會(huì)因水勢(shì)梯度差，入滲到深層的水分被周圍土體吸收。此外，大雨后中密度林分中層水分δD值接近降雨值，也存在優(yōu)先流。這與Van[36]等研究結(jié)果一致，即在以天然降水為主要來(lái)源地區(qū)，遇到大雨或暴雨時(shí)，在有大孔隙土層中，即使土壤尚未達(dá)到飽和，大孔隙也可較快地充水同時(shí)快速排水。本研究形成大孔隙的原因可能是低中密度林分根系相對(duì)較發(fā)達(dá)，遇到強(qiáng)降雨時(shí)，水分可沿根系快速下滲，或植物根系老化和死亡在地下形成相互連通的大孔隙，或某些蟲洞或孔道為優(yōu)先流發(fā)生提供必要路徑[37-38]，這有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

5 結(jié)論

雨季中后期，土壤溫度隨降雨產(chǎn)生先下降后升高，而旱季初期則持續(xù)下降。降雨前后高密度林分土壤溫度均大于低中密度林分，且下層土壤具有保溫效果。土壤濕度隨降雨產(chǎn)生先增大后減小。雨旱季前期降雨較少時(shí)，表層濕度增加最多，前期降雨較多，小強(qiáng)度降雨可較快入滲全部土層，且高強(qiáng)度降雨也可貫穿所有土層。降雨前后土壤濕度均隨密度增大而增加，且高密度林分表層濕度較大，可儲(chǔ)蓄較多的水分來(lái)應(yīng)對(duì)氣候干旱，且可較好的避免不同降雨對(duì)土壤水分較大改變，以相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)維持植被正常生長(zhǎng)。

雨前土壤水分δD值與枯落物δD值趨勢(shì)相同，由大到小為低密度林分、中密度、高密度，主要受蒸發(fā)影響。對(duì)于低密度林分，降雨在枯落物及土壤表層滯留時(shí)間較短，中到大雨后均能較快入滲到深層土壤，隨后涵養(yǎng)在上層的水分以活塞流形式下滲，表明低密度林分土壤蓄水性較差。且在前期降水較多時(shí)，混合水到達(dá)土壤中層后可能通過(guò)側(cè)向流動(dòng)補(bǔ)給坡面下水分。在前期土壤濕度較大的雨季中后期和旱季初期，降雨在中高密度林分也可較快入滲到深層土壤，除高密度林分在前期降雨較多時(shí)下滲到中層。而在前期降雨較少時(shí)，降雨在中高密度林分枯落物及表層土壤滯留時(shí)間較長(zhǎng)，即土壤濕度低時(shí)，中密度林分土壤可較好的儲(chǔ)存水分，而高密度林分在土壤濕度低或高時(shí)均能較好的調(diào)控土壤水分。此外，在前期降水充足和高強(qiáng)度降雨后，降雨在低中密度林分中可通過(guò)優(yōu)先流形式快速入滲，補(bǔ)給深層土壤。而泉水地下水幾乎不受短期降水影響較穩(wěn)定。

[1] 劉世榮,溫遠(yuǎn)光,王兵,等.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,1996.

[2] Kaye J P, Hart S C, Cobb R C, et al. Water and nutrient outflow following the ecological restoration of a ponderosa pine-bunchgrass ecosystem[J]. Restoration Ecology,1999,7(3):252-261.

[3] Simonin K, Kolb T E, Montes Helu M, et al. The influence of thinning on components of stand water balance in a ponderosa pine forest stand during and after extreme drought[J]. Agricultural and Forest Meteorology,2007,143(3/4):266-276.

[4] Cook E R, Seager R, Cane M A, et al. North American drought: reconstructions, causes, and consequences[J]. Earth Science Reviews,2007,81(1):93-134.

[5] Hu J, Moore D JP, Burns S, et al. Longer growing seasons lead to less carbon sequestration by a subalpine forest[J]. Global Change Biology,2010,16(2):771-783.

[6] Reynolds J F, Kemp P R, Tenhunen J D. Effects of Long-term rainfall variability on evapotranspiration and soil water distribution in the Chihuahuan desert: a modeling analysis[J]. Plant Ecology,2000,150(1/2):145-159.

[7] 孫慶艷,余新曉,楊新兵,等.密云水庫(kù)集水區(qū)防護(hù)林不同樹種林冠截留研究[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2009,7(3):73-78.

[8] 田風(fēng)霞,趙傳燕,馮兆東,等.祁連山青海云杉林冠生態(tài)水文效應(yīng)及其影響因素[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(4):1066-1076.

[9] Dodd M B, Lauenroth W K, Welker J M. Differential water resources use by herbaceous and woody plant life forms in a shortgrass steppe community[J]. Oecologia,1998,117(4):504-512.

[10] Lee K S, Kim J M, Lee D R, et al. Analysis of water movement through an unsaturated soil zone in Jeju Island, Korea using stable oxygen and hydrogen isotopes[J]. Journal of Hydrology,2007,345(3):199-211.

[11] Sala O E, Lauenroth W K, Parton W J, et al. Water status of soil and vegetation in a shortgrass steppe[J]. Oecologia,1981,48(3):327-331.

[12] Stephenson N L. Climatic control of vegetation distribution: the role of the water balance[J]. The American Naturalist,1990,135(5):649-670.

[13] Ferrio J P, Resco V, Williams D G, et al. Stable isotopes in arid and semi-arid forest systems[J]. Investigacion Agraria Sistemasy Recursos Forestales,2005,14(3):371-382.

[14] Reynolds J F, Kemp P R, Ogle K, et al. Modifying the “pulse-reserve” paradigm for deserts of North America: precipitation pulses, soil water, and plant responses[J]. Oecologia,2004,141(2):194-210.

[15] Kukowski K R, Schwinning S, Schwartz B F. Hydraulic responses to extreme drought conditions in three co-dominant tree species in shallow soil over bedrock[J]. Oecologia,2013,171(4):819-830.

[16] Nie Y P, Chen H S, Wang K L, et al. Seasonal water use patterns of woody species growing on the continuous dolostone outcrops and nearby thin soils in subtropical China[J]. Plant and soil,2011,341(1/2):399-412.

[17] Bengtsson L, Saxena R K, Dressie Z. Soil water movement estimated from isotope tracers[J]. Hydrological Sciences Journal,1987,32(4):497-520.

[18] Gehrels J C, Peeters J E M, De Vries J J, et al. The mechanism of soil water movement as inferred from 18O stable isotope studies[J]. Hydrology Science Journal,1998,43(4):579-594.

[19] Ellsworth P Z, Williams D G. Hydrogen isotope fractionation during water uptake by woody xerophytes[J]. Plant and Soil,2007,291(1/2):93-107.

[20] Xu Q, Li H B, Chen J Q, et al. Water use patterns of three species in subalpine forest, Southwest China: the deuterium isotope approach[J]. Ecohydrology,2011,4(2):236-244.

[21] Gazis C, Feng X. A stable isotope study of soil water: evidence for mixing and preferential flow paths[J]. Geoderma,2004,119(1/2):97-111.

[22] 田立德,姚檀棟,M. Tsujimura,等.青藏高原中部土壤水中穩(wěn)定同位素變化[J].土壤學(xué)報(bào),2002,39(3):289-295.

[23] 田日昌,陳洪松,宋獻(xiàn)方,等.湘西北紅壤丘陵區(qū)土壤水運(yùn)移的穩(wěn)定性同位素特征[J].環(huán)境科學(xué),2009,30(9):2747-2754.

[24] 程立平,劉文兆.黃土塬區(qū)幾種典型土地利用類型的土壤水穩(wěn)定同位素特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2012,23(3):651-658.

[25] 徐慶,劉世榮,安樹青,等.四川臥龍亞高山暗針葉林土壤水的氫穩(wěn)定同位素特征[J].林業(yè)科學(xué),2007,43(1):8-14.

[26] Xu Qing, Liu Shirong, Wan Xianchong, et al. Effects of rainfall on soil moisture and water movement in a subalpine dark coniferous forest in southwestern China[J]. Hydrological Processes,2012,26(25):3800-3809.

[27] 樊克鋒,楊東潮.論太行山地貌系統(tǒng)[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2006,7(1):51-53,62.

[28] 胡淑萍,余新曉,岳永杰.北京百花山森林枯落物層和土壤層水文效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2008,22(1):146-150.

[29] 高紅貝,邵明安.干旱區(qū)降雨過(guò)程對(duì)土壤水分與溫度變化影響研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2011,30(1):40-45.

[30] Cheng X L, An S Q, Li B, et al. Summer rain pulse size and rainwater uptake by three dominant desert plants in a desertified grassland ecosystem in northwestern China[J]. Plant Ecology,2006,184(1):1-12.

[31] Loik M E, Breshears D D, Lauenroth W K, et al. A multi-scale perspective of water pulses in dryland ecosystems: climatology and ecohydrology of the western USA[J]. Oecologia,2004,141(2):269-281.

[32] McCole A A, Stern L A. Seasonal water use patterns ofJuniperusasheion the Edwards Plateau, Texas, based on stable isotopes in water[J]. Journal of Hydrology,2007,342(3/4):238-248.

[33] Koeniger P, Hubbart J A, Link T, et al. Isotopic variation of snow cover and streamflow in response to changes in canopy structure in a snow-dominated mountain catchment[J]. Hydrological Processes,2008,22(4):557-566.

[34] Wu Y, Zhou H, Zheng X J, et al. Seasonal changes in the water use strategies of three co-occurring desert shrubs[J]. Hydrological Processes,2014,28(26):6265-6275.

[35] 李玉山.黃土區(qū)土壤水分循環(huán)特征及其對(duì)陸地水分循環(huán)的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1983,3(2):91-101.

[36] Van Schaik N, Schnabel S, Jetten V G. The influence of preferential flow on hillslope hydrology in a semi-arid watershed in the Spanish Dehesas[J]. Hydrological Processes,2008,22(18):3844-3855.

[37] Bundt M, Widmer F, Pesaro M, et al. Preferential flow paths: biological “hot spots” in soils[J]. Soil Biology and Biochemistry,2001,33(6):729-738.

[38] 彭海英,李小雁,崔步禮,等.土壤優(yōu)勢(shì)流研究方法綜述[J].干旱氣象,2011,29(2):137-143.

Effects of Seasonal Rainfall on Soil Temperature, Moisture and Water Movement in Different Density Stands ofQuercusvariabilis

Tian Chao, Meng Ping, Zhang Jinsong, Sun Shoujia(State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, P. R. China); Jia Changrong, Li Jianzhong(The State Dagouhe Forest Station in Jiyuan)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(6)：41-50.

Seasonal rainfall; Stand density; Soil temperature; Soil moisture; Deuterium isotopes

田超，女，1985年9月生，林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所)，博士研究生。E-mail:tianchao9996@163.com。

孟平，林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所)，研究員。E-mail:cafmengping@hotmail.com。

2014年12月2日。

S714.3

1)林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201404206、201104009—04)資助。

責(zé)任編輯：潘 華。