廣西貓兒山毛竹林不同層次土壤含水量的降雨響應(yīng)

李海防,史梅容,王金葉,趙連生,王紹能,趙 苡

(1.桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院,廣西 桂林 541004; 2.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 南寧 530008; 3.貓兒山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,廣西 興安 541316)

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廣西貓兒山毛竹林不同層次土壤含水量的降雨響應(yīng)

李海防1,史梅容2,王金葉1,趙連生3,王紹能3,趙 苡3

(1.桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院,廣西 桂林 541004; 2.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 南寧 530008; 3.貓兒山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,廣西 興安 541316)

以漓江上游貓兒山典型森林植被毛竹林(Phyllostachys pubescens)為研究對(duì)象，對(duì)其0—20，20—50，50—80 cm共3個(gè)層次的土壤體積含水量進(jìn)行了定位監(jiān)測(cè)，分析了各層次土壤含水量的降雨響應(yīng)。結(jié)果表明：(1)3個(gè)層次土壤含水量差異顯著(p<0.01)，年均值分別為39.49%，41.17%，44.15%，表層0—20 cm土壤含水量最少，20—50 cm增加，50—80 cm最高。降雨與3個(gè)層次土壤含水量都呈極顯著相關(guān)性。(2)從小雨到暴雨，土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)都可以分為平臺(tái)期、上升期、峰值期和退水期；各層次土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)是比較復(fù)雜的。(3)在上升期，表層0—20 cm土壤含水量增加最快；退水期，50—80 cm土壤最快，這與前期土壤含水量及降雨強(qiáng)度有關(guān)系。該研究為揭示漓江上游森林植被對(duì)降水徑流的調(diào)節(jié)作用，客觀評(píng)估漓江上游水資源潛力，加強(qiáng)流域水資源管理和森林經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

貓兒山; 毛竹林; 土壤含水量; 降雨響應(yīng)

土壤水分是維持陸地森林生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵，是影響流域產(chǎn)流和地區(qū)水文循環(huán)的重要因素[1]。土壤含水量由于降雨、植被、地形和土壤物理性質(zhì)等因素的影響，在空間和時(shí)間尺度上不斷變化，進(jìn)而影響整個(gè)森林的降雨產(chǎn)流過(guò)程[2]。土壤含水量的變化首先受降雨過(guò)程的影響，表層土壤含水量迅速增加，在蒸散和下滲作用下表層土壤含水量逐漸減小[3]。在深層次土壤，由于植被根系、蒸騰作用和土壤性質(zhì)的變化，土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)也發(fā)生變化[4]。探究不同降雨條件下森林植被土壤含水量動(dòng)態(tài)及其空間異質(zhì)性，對(duì)深入了解森林系統(tǒng)與土壤產(chǎn)流、地表徑流和河川徑流的關(guān)系具有重要的作用，同時(shí)，對(duì)指導(dǎo)林業(yè)經(jīng)營(yíng)和人工林的生態(tài)管理具有重要的意義[5]。

貓兒山位于桂林東北，是漓江重要的發(fā)源地。近十幾年來(lái)，漓江“缺水”問(wèn)題日漸突出，給當(dāng)?shù)厣剿糜螛I(yè)帶來(lái)嚴(yán)重影響。前期研究表明，漓江上游毛竹林(Phyllostachys pubescens)水源涵養(yǎng)功能低，生態(tài)效益差，但毛竹林是當(dāng)?shù)鼐用裰匾慕?jīng)濟(jì)林型，且面積有逐步擴(kuò)張的趨勢(shì)[6]。因而，本研究以貓兒山林區(qū)典型毛竹林為研究對(duì)象，了解不同降雨條件下毛竹林土壤含水量動(dòng)態(tài)及其空間變化，對(duì)提高漓江上游森林水源涵養(yǎng)功能，保護(hù)漓江流域山水景觀，促進(jìn)桂林山水旅游的可持續(xù)發(fā)展，具有重要的理論和實(shí)踐意義[6]。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1研究地點(diǎn)

貓兒山位于廣西東北部，東經(jīng)110°20′—110°35′，北緯25°48′—25°58′，總面積為1.7萬(wàn)hm2。屬中亞熱帶山地氣候，年降水量在2 100 mm以上，年平均氣溫12.8℃。流域降雨量年內(nèi)分配極不均勻，每年3—8月的豐水期，雨量約占全年的76%，9月至翌年2月的枯水期，降雨量?jī)H占全年的24%。森林覆蓋率達(dá)96.5%，植被類型多樣，垂直分帶明顯，從山腳到山頂，依次出現(xiàn)竹林、常綠闊葉林、常綠針闊葉人工林、常綠落葉闊葉混交林、常綠針闊葉混交林、高山矮林和山頂灌草叢等類型[7]。其中，海拔1 000 m左右地勢(shì)平緩，土壤深厚，植被典型。

1.2研究方法

1.2.1樣地設(shè)置本研究在對(duì)林區(qū)植被全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇有代表性毛竹林(Phyllostachys pubescens)為試驗(yàn)研究對(duì)象，設(shè)置一個(gè)10 m×20 m水量平衡場(chǎng)，同步比較不同層次土壤含水量。毛竹林地處海拔680 m，郁閉度為0.90，密度2 250株/hm2，平均樹(shù)高10 m，平均胸徑8.3 cm，林地面坡度為35°，坡向西南方向。土壤為山地紅壤，厚度約80 cm，可分為A(0—20 cm)、B(20—50 cm)、C(50—80 cm)3個(gè)層次的土壤，最大田間持水量分別為61.87%，48.20%，45.31%。

1.2.2降雨和不同層次土壤含水量同步監(jiān)測(cè)在研究區(qū)山脊空曠地設(shè)置自記式雨量計(jì)(JL-21)，觀測(cè)次降雨過(guò)程，記錄降雨量(mm)、降雨歷時(shí)、平均降雨強(qiáng)度等指標(biāo)。以24 h降雨量計(jì)，將降雨分為小雨(0～10 mm)，中雨(10～25 mm)，大雨(25～50 mm)和暴雨(50～100 mm)。土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)則是在毛竹林選擇典型土壤剖面，利用森林土壤水分自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(SMR101A-5，MadgeTech，美國(guó))同步定位測(cè)定林下0—20 cm，20—50 cm，50—80 cm共3個(gè)層次土壤的土壤溫度和土壤體積含水量。每個(gè)林型各層次土壤都設(shè)置兩個(gè)探頭，所有數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為5 min，全年數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，不定期下載[5-6]。

1.2.32013年9月—2014年8月降雨特征變化2013年9月—2014年8月降雨特征見(jiàn)表1，在觀測(cè)期內(nèi)，共觀測(cè)到181 d降雨，降雨總量達(dá)1 624.08 mm；月降雨量年內(nèi)分布懸殊，月平均值為135.34 mm，變異系數(shù)為0.913。2013年9月—2014年2月為旱季，降雨量占全年降雨量的33.70%。2014年3—8月為雨季，降雨量占全年降雨量的66.30%，其中，3—5月份降雨量最多，占全年降雨量的56.21%。就單月降雨而言，4月份降雨量最高，月總降雨量達(dá)到428.24 mm，占年總降雨量的26.37%，日平均降雨為15.86 mm，變幅為0.25～114.30 mm。

表1　貓兒山2013年9月—2014年8月降雨分布特征

1.2.4數(shù)據(jù)處理采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 15.0進(jìn)行相關(guān)和回歸分析。采用最小顯著差異法(LSD)比較各層次土壤含水量之間的差異。采用Pearson相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)降雨與土壤含水量之間的相關(guān)性。

3　結(jié)果與分析

3.1各層次土壤含水量差異及與降雨相關(guān)性

結(jié)果表明，降雨后0—20 cm，20—50 cm，50—80 cm土壤含水量變化很有規(guī)律性(表2)。3個(gè)層次土壤土壤含水量差異顯著(p<0.01)，年均值分別為：39.49%，41.17%，44.15%，表層0—20 cm土壤含水量最少，20—50 cm增加，50—80 cm最高。表層土壤含水量較低，這是由于毛竹林為經(jīng)濟(jì)林，地表植被覆蓋很少，土壤與其他林型相比較為緊密，土壤水分下滲速度較慢的緣故[6]；同時(shí)毛竹林地表凋落物較少，降雨時(shí)表層土壤更容易受到雨滴沖擊，容易形成地表徑流，進(jìn)而減小土壤水分下滲速度[8]。而60—80 cm土壤含水量最高，這與側(cè)向入滲的地下水補(bǔ)給有關(guān)。同時(shí)，這也說(shuō)明土壤含水量由于降雨、林冠層、根系結(jié)構(gòu)、蒸騰作用和土壤性質(zhì)等多種因素的影響，其垂直動(dòng)態(tài)變化是很復(fù)雜的。分析降雨與各層次土壤含水量的相關(guān)性，可以看出(表3)，降雨與3個(gè)層次土壤含水量都呈極顯著相關(guān)性，從地表到深層，相關(guān)性依次減弱。這是由于表層土壤含水量更容易受到大氣降雨的影響，當(dāng)?shù)乇硗寥浪诛柡秃?，隨著降雨的持續(xù)，表層土壤水才向下層土壤入滲[9]。

表2　降雨量和各層次土壤含水量月變化　%

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)誤。

表3　降雨與各層次土壤含水量的相關(guān)性

注：**表示0.01顯著水平。

3.2不同降雨條件下土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)

以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以降雨量和土壤含水量為縱坐標(biāo)，得到0—20 cm，20—50 cm，50—80 cm不同層次土壤含水量對(duì)小雨、中雨、大雨和暴雨的響應(yīng)曲線(圖1)。小雨以2014年8月10日4：46—8月13日10：21為例，降雨前，0—20 cm，20—50 cm，50—80 cm土壤初始含水量分別為40.04%，41.68%和45.12%。降雨歷時(shí)3 d，累計(jì)降雨量3.05 mm。中雨以2013年9月3日7：55—9月7日8：10為例，降雨前，0—20 cm，20—50 cm，50—80 cm土壤初始含水量分別為37.95%，40.63%和41.04%。降雨歷時(shí)4 d，累計(jì)降雨量47.74 mm。大雨以2013年12月14日4：45—12月17日19：05為例，降雨前，0—20 cm，20—50 cm，50—80 cm土壤初始含水量分別為40.19%，40.52%和41.30%。降雨歷時(shí)3 d，累計(jì)降雨量89.67 mm。暴雨以2014年5月3日19：33—5月4日15：13為例，降雨前，0—20 cm，20—50 cm，50—80 cm土壤初始含水量分別為38.07%，43.03%和43.38%。降雨歷時(shí)1 d，累計(jì)降雨量76.20 mm。

對(duì)比4個(gè)降雨等級(jí)條件的土壤含水量的降雨響應(yīng)，可以看出，從小雨到暴雨，土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)都可以分為平臺(tái)期、上升期、峰值期和退水期(圖1)。且0—20 cm表層土壤由于受降雨和地表徑流的影響，土壤含水量波動(dòng)較大，隨降雨出現(xiàn)波峰和波谷，而20—50 cm和50—80 cm土壤則波動(dòng)較緩，受降雨的影響減少。從各層次土壤含水量對(duì)降雨響應(yīng)的延遲時(shí)間上看，可見(jiàn)不同層次的土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)時(shí)間不同，20—50 cm和50—80 cm的土壤含水率上升和下降過(guò)程均滯后于表層土壤，且漲落時(shí)間也均延長(zhǎng)，這與土層深度及深層次土壤水分的再分布有關(guān)[8]。與0—20 cm土壤含水量峰值相比，20—50 cm，50—80 cm土壤含水量峰值出現(xiàn)的時(shí)間在小雨條件下分別延遲5 min，120 min；中雨條件下分別延遲10 min，50 min；大雨條件下分別延遲25 min，320 min；暴雨條件下分別延遲5 min，90 min。隨著降雨等級(jí)加大，延遲時(shí)間沒(méi)有什么明顯的規(guī)律性，這主要與前期土壤含水量及降雨強(qiáng)度變化有關(guān)。

回歸模擬4種降雨等級(jí)條件下土壤含水量上升期和退水期，結(jié)果見(jiàn)表4。可見(jiàn)，在平臺(tái)期，土壤迅速吸收水分，含水率逐漸升高，形成一個(gè)平臺(tái)，然后緩慢上升，進(jìn)入上升期(圖1)。在上升期，當(dāng)雨量在小雨和中雨條件下，土壤含水量變化曲線相對(duì)較緩，而大雨和暴雨條件下，上升期相對(duì)較快。由于直接受到降雨的影響，0—20 cm表層土壤上升最快，50—80 cm底層土壤次之，20—50 cm層土壤最慢。土壤含水量上升期的歷時(shí)長(zhǎng)短和結(jié)束時(shí)間由降雨前期土壤含水率和土壤本身特性決定，它們影響著土壤水再分布的速度[10]。觀察退水期回歸方程(表4)，可見(jiàn)50—80 cm土壤退水最快，這是由于底層水處于土壤含水量處于高位，所以下降快。但在暴雨等級(jí)條件下，由于表層土前期含水量較低，土壤含水量迅速上升到高位，其最高值高于0—20 cm和20—50 cm土壤，所以下降速度也快?？傊?，降雨和前期土壤含水量都會(huì)影響土壤透水能力，進(jìn)而導(dǎo)致優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象的時(shí)變性[10]。

圖1　不同降雨等級(jí)條件下土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)

表4　土壤含水量上升期和退水期模擬回歸方程

4　結(jié) 論

通過(guò)分析毛竹林各層次土壤含水量的降雨響應(yīng)，得出以下結(jié)論：(1)降雨后0—20 cm，20—50 cm，50—80 cm土壤含水量變化很有規(guī)律性，3個(gè)層次土壤土壤含水量差異顯著(p<0.01)，年均值分別為：39.49%，41.17%，44.15%，表層0—20 cm土壤含水量最少，20—50 cm增加，50—80 cm最高。降雨與3個(gè)層次土壤含水量都呈極顯著相關(guān)性。(2)從小雨到暴雨，土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)都可以分為平臺(tái)期、上升期、峰值期和退水期；各層次土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)是比較復(fù)雜的，0—20 cm表層土壤由于受降雨和地表徑流的影響，土壤含水量波動(dòng)較大，而20—50 cm和50—80 cm土壤則波動(dòng)較緩。(3)在上升期，表層0—20 cm土壤含水量增加最快，退水期，50—80 cm土壤最快，這與前期土壤含水量及降雨強(qiáng)度有關(guān)。降雨和前期土壤含水量都會(huì)影響土壤透水能力，進(jìn)而導(dǎo)致優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象的時(shí)變性。

[1]王麗媛,王克勤,李太興,等.紅壤坡耕地烤煙生長(zhǎng)季土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征[J].中國(guó)水土保持,2013(8):57-60.

[2]汪春林,張金池,莊義琳,等.南京城郊不同植被類型土壤含水量變異規(guī)律[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào),2014,31(6):911-918.

[3]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.

[4]吳胡強(qiáng),邵永昌,莊義琳,等.南京城郊麻櫟林坡面土壤體積含水率與側(cè)向流對(duì)降雨響應(yīng)[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào),2014,31(5):683-689.

[5]段文軍,李海防,王金葉,等.漓江上游典型森林植被對(duì)降水徑流的調(diào)節(jié)作用[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(3):663-669.

[6]李海防,王金葉,劉興偉,等.廣西貓兒山主要林型水源涵養(yǎng)功能研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2012,27(1):50-53.

[7]趙明秀,樊亞明,史梅容,等.廣西貓兒山典型植被林冠結(jié)構(gòu)比較研究[J].西部林業(yè)科學(xué),2015,44(1):125-128.

[8]鮑彪,畢華興,云雷,等.晉西黃土區(qū)刺槐林地土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,34(2):84-89.

[9]倪廣艷,趙平,朱麗薇,等.荷木整樹(shù)蒸騰對(duì)干濕季土壤水分的水力響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(3):652-662.

[10]李謙,鄭錦森,朱青,等.太湖流域典型土地利用類型土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)[J].水土保持學(xué)報(bào),2014,28(1):6-11.

Response of Soil Water Contents in Different Layers to Rainfall Under Phyllostachys pubescens Forest in Mao′ershan Mountain,Guangxi

LI Haifang1,SHI Meirong2,WANG Jinye1,ZHAO Liansheng3,WANG Shaoneng3,ZHAO Yi3

(1.School of Tourism,Guilin University of Technology,Guilin,Guangxi 541004, China; 2.Nanning College for Vocational Technology,Nanning,Guangxi 530008,China; 3.Mao′ershan Mountain National Nature Reserve Administration,Xing′an,Guangxi 541316,China)

Changes of soil water content in different layers,including 0—20 cm,20—50 cm and 50—80 cm under Phyllostachys pubescens forest were investigated in Mao′ershan Mountain in upper reaches of Lijiang River.The results showed that: (1)there were significant differences for soil water contents in three layers (p<0.01)and annual average values were 39.49%,41.17% and 44.15%,respectively,soil water content in 0—20 cm was the lowest,and increased in other two layers,significant relationships between precipitation and soil water content in three soil layers were also found; (2)soil water content changed synchronously with rainfall and there were always platform stage,rising stage,peak value stage and decreasing stage in the process,response of soil water content to rainfall was comparatively complicated; (3)at the rising stage,soil water content in 0—20 cm layer increased at the fastest rate and soil water in 50—80 cm layer declined quickly at decreasing stage which was related with initial soil water content and intensity of rainfall.This study would provide scientific basis for better understanding of 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′ershan Mountain; Phyllostachys pubescens; soil water content; response to rainfall

2015-10-02

2015-11-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(41261006,30860058);廣西貓兒山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)漓江源森林群結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目;廣西貓兒山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)典型森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估項(xiàng)目

李海防(1974—),男,山東萊陽(yáng)人,博士后,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事景觀生態(tài)學(xué)教學(xué)與科研工作。E-mail:373156070@qq.com

王金葉(1965—),男,甘肅民樂(lè)人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事森林生態(tài)水文和生態(tài)旅游研究。E-mail:wangjy66@sohu.com

S152.7; S715.3

A

1005-3409(2016)05-0120-04