清水河流域典型林分類型土壤水分特征研究

胡靜霞，楊新兵

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北省林木種質(zhì)資源與森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000)

【研究意義】清水河流域?qū)儆谟蓝ê铀?，位于冀西北地區(qū)，是京津冀的北部屏障所在地。該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的健康與否關(guān)系著當(dāng)?shù)厣仲|(zhì)量，對(duì)于整個(gè)京津冀地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有著至關(guān)重要的作用。而清水河流域生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵點(diǎn)在于該流域的上游地區(qū)，上游地區(qū)的主要位置崇禮區(qū)則成了生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域。生態(tài)環(huán)境建設(shè)主要依托于森林植被的建設(shè)，崇禮區(qū)主要森林植被位于東溝和平林場(chǎng)(主要林分類型有落樺混交林(Larixprincipis-rupprechtiimayrandBetulaplatyphyllamixed forest)、山楊林(Pobulusdavidiana)、白樺林(Betulaplatyphylla)和華北落葉松林(Larixprincipis-rupprechtii)等)，土壤水分對(duì)植被的生長(zhǎng)存在限制性作用，所以對(duì)不同林分類型的土壤水分研究成為必然趨勢(shì)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤是植被的載體，土壤質(zhì)量直接影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，土壤水分是土壤質(zhì)量的重要標(biāo)志[1-4]。土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的因素之一，其時(shí)空變化研究在多個(gè)學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域有著重要的意義[5-7]。首先，土壤水分在干旱半干旱地區(qū)是植被生長(zhǎng)的限制性因子，影響森林生態(tài)效益的正常發(fā)揮。其次，在不同水分條件下，植物的生長(zhǎng)狀況差異很大，其作為陸地水循環(huán)和水量平衡的一個(gè)重要組成部分，綜合反映了生態(tài)系統(tǒng)的水文過(guò)程和生態(tài)過(guò)程[8-10]。【本研究切入點(diǎn)】目前，對(duì)于土壤水分的研究多集中在土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)等方面；國(guó)外學(xué)者對(duì)土壤水分研究多集中在土壤水分的空間變化。對(duì)于清水河流域不同林分類型土壤水分研究還尚未見(jiàn)報(bào)道，本文以該地不同林分土壤水分變化為研究對(duì)象?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】此次研究為2022年冬奧會(huì)提供土壤生態(tài)建設(shè)的數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

清水河流域主要位于河北省張家口市崇禮區(qū)，東經(jīng)115°23′26″～115°27′57.91″，北緯40°59′59.14″～41°00′34.05″，海拔在1499～1951 m，屬于干旱半干旱地區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候，冬季干旱，晝夜溫差大，夏季涼爽短促，春秋多風(fēng)。年均氣溫4.5 ℃，極端高溫34.2 ℃，極端低溫-32.6 ℃。地表水資源主要來(lái)自降水，淺層地下水位約15 m。土壤主要以栗鈣土為主，土層厚度在30～100 cm。

和平林場(chǎng)研究區(qū)山脈為東西走向，陽(yáng)坡以灌草為主，陰坡或半陰坡植被比較豐富。主要喬木樹(shù)種有山楊(Pobulusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、云杉(Piceawilsonii)等，主要灌木樹(shù)種為山杏[Armeniacasibirica(L.) Lam]、沙棘(Hippophaerhamnoides)、六道木(Abeliabiflora)等。

1.2 研究方法

2016年7-9月在對(duì)清水河流域進(jìn)行基礎(chǔ)生態(tài)調(diào)查的同時(shí)，選擇該地區(qū)具有代表性的落樺混交林、山楊林、白樺林和華北落葉松林作為研究對(duì)象，布設(shè)50 m×50 m的樣方，進(jìn)行每木檢尺，測(cè)量其胸徑、樹(shù)高、活枝下高、郁閉度和林層結(jié)構(gòu)等(表1)。

對(duì)深度為0～80 cm土層進(jìn)行土壤水分監(jiān)測(cè)(試驗(yàn)林分土層一般小于80 cm)。在樣地內(nèi)埋設(shè)1 m長(zhǎng)的TRIME探管，使用TRIME-FM土壤剖面水分速測(cè)儀對(duì)土壤水分進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。測(cè)量時(shí)按照0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm分別測(cè)量進(jìn)行記錄(2 d測(cè)量1次，若降雨則雨后第2天測(cè)定)。儀器采用鋁盒取土烘干法進(jìn)行校正。

土壤蓄水量計(jì)算公式：Wi=Vi×Hi

式中：Wi是指i層的土壤蓄水量；Vi是指i層的體積含水量；Hi是指i層的土層厚度

W=W1+W2+...+Wi

利用Excel 2016和SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分土壤水分特征

表1 觀測(cè)地基本情況

表2 4種典型林分土壤含水量

由表2可知：白樺純林的土壤平均含水量最大，為17.80 %，山楊純林最小，為11.45 %，4種林分類型的土壤平均含水量大小排序?yàn)椋喊讟辶?落樺混交林>華北落葉松林>山楊林。土壤蓄水量是土層中接納或保留的水分總量，是植物蒸騰耗水和土壤蒸發(fā)的源泉，白樺純林土壤蓄水量最大，為142.40 mm，山楊純林最小，僅為91.60 mm。落樺混交林和白樺純林平均土壤含水量為隨土層深度增加土壤含水量先增加后降低然后再增加，10～20 cm土壤含水量最大，40～60 cm土壤含水量最小。山楊純林與華北落葉松純林規(guī)律正好相反，山楊純林為隨土層深度增加土壤含水量先降低后增加，20～40 cm土壤含水量降至最小，僅為7.71 %。華北落葉松純林為隨土層深度增加土壤含水量先增加后降低，20～40 cm土壤含水量達(dá)到最大，為17.19 %。

經(jīng)過(guò)方差分析和多重比較得出，落樺混交林、山楊林、白樺林和華北落葉松林0～80 cm的土層蓄水量之間具有顯著性差異(表3)。華北落葉松林與落樺混交林和山楊林土壤蓄水量之間顯著性不明顯，與白樺林之間土壤蓄水量有顯著性差異；落樺混交林與山楊林和白樺林土壤蓄水量之間具有顯著性差異(表4)。

表3 4種典型林分0～80 cm土壤蓄水量的方差分析

表4 4種典型林分土壤層蓄水量的多重比較

注：*均值差的顯著性水平P< 0.05。

表5 典型純林和混交林、闊葉林和針葉林不同土層的蓄水量

注：純林指的是山楊純林、白樺純林和華北落葉松純林；闊葉林指的是山楊純林、白樺純林。

由表5可知，該區(qū)域典型的純林土壤蓄水量在0～80 cm為1115.24 mm，落樺混交林為1129.73 mm，相比純林多消耗了14.49 mm的土壤水分；但0～10 cm的土層純林的土壤蓄水量為120.39 cm，落樺混交林的土壤蓄水量為100.45 cm，純林相比落樺混交林多消耗了19.94 cm的土壤水。闊葉林土壤蓄水量在0～60 cm為847.51 mm，針葉林(華北落葉松林)為864.00 mm，相比針葉林，闊葉林多消耗了16.49 mm的土壤水；0～10和0～80 cm土層，闊葉林土壤蓄水量分別為：144.50、1150.78 mm。針葉林土壤蓄水量分別為：72.18、1044.18 mm，相比闊葉林，針葉林在土壤表層和0～80 cm深度分別多消耗了72.32、106.60 mm的土壤水。

2.2 不同林分類型土壤水分時(shí)間變化

表6 不同林分土壤含水量時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

表7 2016年8-9月期間降雨量

土壤水分受各種環(huán)境因子的影響[11]，本研究主要分析土壤水分受降雨量的影響。表6為清水河流域4種典型林分類型落樺混交林、山楊林、白樺林和華北落葉松林在2016年8月24日到9月24日的土壤水分動(dòng)態(tài)變化，表7為此期間的降雨量。由表6和7可知，白樺林的土壤含水量最高。各林分在8月24日測(cè)量的土壤含水量較高，之后隨時(shí)間增加開(kāi)始下降，到9月4日降雨前達(dá)到最低點(diǎn)；9月5日降雨后土壤含水量開(kāi)始升高，經(jīng)過(guò)9月17日24.84 mm的降雨量，9月20日測(cè)定的土壤含水量較高，經(jīng)過(guò)9月23日14.60 mm的降雨量，次日測(cè)得的土壤含水量在20日基礎(chǔ)上有所下降。土壤含水量與降雨量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，降雨量大則土壤含水量大，降雨量小則土壤含水量小。降雨量小于10 mm時(shí)8月24日4個(gè)林分類型0～10 cm土層含水量均大于27日，降雨量大于等于10 mm小于24.9 mm時(shí)9月20日4個(gè)林分類型10～20 cm土層含水量均大于17日降雨前。

2.3 不同林分類型土壤水分垂直變化

在土壤垂直剖面上，上層土壤受外界影響大，隨著深度的增加土壤所受的環(huán)境影響減弱，一般來(lái)講，隨著深度的增加，土層平均含水量的變化幅度減少[12]。由圖1可知，4個(gè)林分類型在0～80 cm隨深度增加呈波浪形變化，其中華北落葉松林變化幅度最大。在0～40 cm土層范圍內(nèi)，白樺林土壤含水量明顯高于其他3個(gè)林分，40～60 cm華北落葉松林土壤含水量最大，60～80 cm白樺林土壤含水量最大。山楊林在20～40 cm處土壤含水量最小，之后隨深度的增加，土壤含水量逐漸增加；落樺混交林和白樺林變化規(guī)律一致，從表層土到20 cm深度，土壤含水量逐漸增加，之后開(kāi)始減少，在40～60 cm處達(dá)到最低，隨后逐漸增加；華北落葉松林從表層土到40 cm土壤含水量隨深度增加而增加，之后開(kāi)始隨深度的增加土壤含水量開(kāi)始減少。

圖1 不同林分土壤含水量隨深度變化情況Fig.1 Changes of soil water content with depth in different stands

由表8可以看出，整體上各林分土壤含水量變異系數(shù)隨土層深度增加而減小(山楊林和白樺林的20～40 cm除外)，落樺混交林土壤含水量的變異系數(shù)在0～10 cm處最大，但山楊林和白樺林在20～40 cm變異系數(shù)最大，分別達(dá)到0.42和0.31，華北落葉松林則是10～20 cm處最大為0.36。落樺混交林和華北落葉松林的變異系數(shù)波動(dòng)幅度較山楊林和白樺林大。

根據(jù)變異系數(shù)的大小可以將 80 cm 土層劃分為土壤水分劇烈變化層( 變異系數(shù)大于0.25) 、土壤水分弱變化層( 變異系數(shù)介于 0.25～0.10) 、土壤水分相對(duì)穩(wěn)定層( 變異系數(shù)小于 0.1)[13]。由此可知各林分類型土壤水分劇烈變化層為：落樺混交林的0～10和10～20 cm土層、山楊林的0～10、20～40和40～60 cm土層、白樺林的20～40 cm土層、華北落葉松林的0～10、10～20和60～80 cm土層；各林分類型土壤水分弱變化層為：落樺混交林的20～40和40～60 cm土層、山楊林的10～20和60～80 cm土層、白樺林的0～10、10～20、40～60和60～80 cm土層、華北落葉松林的20～40和40～60 cm土層；各林分類型土壤水分相對(duì)穩(wěn)定層為：落樺混交林的60～80 cm土層。

3 討 論

3.1 不同林分土壤水分特征

土壤水分不僅影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育，還限制著植被的種類、數(shù)量和分布[14]。4個(gè)林分的土壤含水量由于林分類型的不同從而導(dǎo)致土壤含水量的差異，和植被類型、坡度、植被覆蓋度等因素相關(guān)[15]。白樺林土壤體積含水量最高，可能是因?yàn)榘讟辶窒峦寥烂芸紫抖却?，持水量較大，從而其土壤體積含水量高。4個(gè)林分整體上在10～40 cm處含水量最高，可能是由于高山植被根系分布較淺，主要分布在此深度，根系的持水能力較強(qiáng)，使土壤水分主要分布在10～40 cm土層。落樺混交林和華北落葉松林土壤表層含水量低，原因可能是華北落葉松林的郁閉度較低，接受的太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，土壤蒸發(fā)較大，土壤含水量降低；落樺混交林林下灌草叢覆蓋度較低，導(dǎo)致了表層土壤水分的蒸發(fā)，都有可能導(dǎo)致土壤含水量的降低。

表8 不同林分類型不同深度土壤含水量的統(tǒng)計(jì)特征

注：c.v.:變異系數(shù)，M：均值，Max：最大值，Min：最小值，D：極差。

落樺混交林與山楊林和白樺林土壤蓄水量具有顯著性差異，原因可能是落樺混交林中存在針葉林(華北落葉松林)，與闊葉林在持水方面具有差異性，所以導(dǎo)致土壤蓄水量的顯著性差異。純林土層蓄水量在0～10和0～60 cm大于混交林，其他土層均小于混交林，可能是因?yàn)榛旖涣钟捎诓煌瑯?shù)種對(duì)水分的截留能力不同，混交林對(duì)土壤水分的吸收利用主要在土壤表層，混交林中針葉林的枯落物不易分解，油脂較多，不易保持土壤表層的水分，是水分蒸發(fā)或是下滲，最終導(dǎo)致混交林在土壤表層的蓄水量小于純林。

闊葉林整體上土壤蓄水量高于針葉林，可能是由于闊葉林蓄水能力強(qiáng)于針葉林，且闊葉林的枯落物分解較快，可以更多的將土壤表層的水分截留，從而加大土壤層的蓄水量。同時(shí)闊葉林林下灌草叢覆蓋度高，可以降低陽(yáng)光輻射，減少蒸發(fā)。這一結(jié)果與莫保儒等的半干旱黃土區(qū)成熟檸條林地土壤水分利用及平衡特征相一致[16]。

3.2 不同林分類型土壤水分時(shí)間變化

隨著時(shí)間的變化白樺林的土壤含水量一直保持首位，說(shuō)明白樺林的持水能力和涵養(yǎng)水源的功能。白樺林土壤含水量高，可能是因?yàn)榘讟辶滞寥廊霛B能力強(qiáng)于其他3個(gè)林分，同時(shí)也可能是由于測(cè)定土壤水分的探管插放的坡度較小，位于下坡位，而上坡的土壤水分要低于下坡的土壤水分[17]。

土壤含水量隨降雨量增加而增加，主要是因?yàn)榻涤炅康脑龃?，地表徑流增加，土壤入滲增加，土壤含水量增加是必然現(xiàn)象；同時(shí)降雨天氣少太陽(yáng)輻射，減少土壤蒸發(fā)，對(duì)土壤含水量的增加起到推進(jìn)作用。土壤含水量在降雨前達(dá)到低點(diǎn)，可能是由于長(zhǎng)時(shí)間未降雨，太陽(yáng)輻射、土壤蒸發(fā)、植物蒸騰、植物生長(zhǎng)所需水分均是來(lái)自于土壤含水量，從而導(dǎo)致土壤含水量的降低。兩次降雨之間間隔時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)影響所測(cè)土壤含水量，間隔時(shí)間長(zhǎng)則所測(cè)土壤含水量低，間隔時(shí)間短則更接近降雨后所測(cè)值。

降雨量小于10 mm時(shí)4個(gè)林分類型0～10 cm土層含水率均大于27日，說(shuō)明降雨量小時(shí)表層土含水量對(duì)降雨量敏感性強(qiáng)，可能是降雨量小，水分入滲有限，土壤表層吸收，對(duì)深層土壤含水量無(wú)法產(chǎn)生影響；大于等于10 mm小于24.9 mm時(shí)4個(gè)林分類型10～20 cm土層含水量均大于17日降雨前，說(shuō)明中等降雨量時(shí)，10～20 cm土層含水率對(duì)降雨量敏感性強(qiáng)，原因可能是植被一部分根系分布在此，降雨量大時(shí)只被吸收傳輸?shù)酵翆?，同時(shí)表層土壤含水量達(dá)到飽和，水分下滲，達(dá)到更深層土壤中。和黃土高原水土保持林對(duì)土壤水分的影響研究結(jié)果具有一致性[18]。

3.3 不同林分類型土壤水分垂直變化

在土壤水分的垂直變化中華北落葉松的變化幅度較其他3個(gè)林分都大，可能是因?yàn)槿A北落葉松的根系主要分布層腐殖質(zhì)層內(nèi)土壤水分變化較大，導(dǎo)致整體上華北落葉松林下土壤水分變化幅度大[19]。華北落葉松林土壤水分的變化趨勢(shì)可能是因?yàn)槠浼?xì)根主要分布在土壤表層，且華北落葉松林林下灌木和草本植物稀少，土壤蒸發(fā)較大，所以表層土壤水分小，隨著深度的增加，土壤水分逐漸保持，到40 cm達(dá)到峰值，隨后深度增加，土壤水分入滲有限，且植被主根分布在土壤深層，林木耗水和蒸騰作用，導(dǎo)致土壤水分的減少。白樺林在0～40 cm土層含水量明顯高于其他林分，主要可能是白樺林下枯落物層厚，灌木和草本植物種類多樣，減少了土壤水分的蒸發(fā)。

變異系數(shù)能夠良好的反映各層次土壤水分的穩(wěn)定性，能夠反映單位均值上的離散程度，變異系數(shù)越大，說(shuō)明觀測(cè)數(shù)據(jù)的離散性越大，即土壤水分含量的變化越劇烈，反之則越小[20]。落樺混交林和華北落葉松林均在表層(0～20 cm)土壤水分變異系數(shù)最大，說(shuō)明其土壤水分含量變化劇烈，可能是因?yàn)槿A北落葉松林郁閉度小，林冠遮蔭較小，落樺混交林林下枯落物層較薄，受外界氣候條件影響較大，從而導(dǎo)致土壤表層含水量變化劇烈。山楊林和白樺林土壤含水量變化幅度較小，可能是因?yàn)檫@兩種林分為闊葉林，郁閉度較高，林下灌草種類多，對(duì)土壤水分有截留的作用。

山楊林和白樺林的土壤水分劇烈變化層為表層和表層以下40 cm，原因可能是闊葉林枝葉茂盛，四季變化明顯，植物蒸騰作用強(qiáng)烈，而其根系主要分布在20～80 cm層，所以林木根系耗水具有強(qiáng)烈的時(shí)間性，導(dǎo)致土壤水分的強(qiáng)烈變化。由于所觀測(cè)地為山地，土層較薄，所以土壤水分穩(wěn)定層較少。與黃土高原溝壑區(qū)林地土壤水分特征的研究(I)——土壤水分的垂直變化和季節(jié)變化特征研究結(jié)果相一致[21]。

4 結(jié) 論

(1)4個(gè)林分的土壤蓄水量最大的為白樺林(142.40 mm)，最小的為山楊林(91.60 mm)，其土壤平均含水量大小順序?yàn)椋喊讟辶?落樺混交林>華北落葉松林>山楊林；華北落葉松林土壤蓄水量與白樺林之間有顯著性差異；落樺混交林與山楊林和白樺林土壤蓄水量之間具有顯著性差異。

(2)4個(gè)林分中白樺純林的土壤含水量最高，土壤含水量與降雨量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，降雨量大則土壤含水量大，降雨量小則土壤含水量小。

(3)4個(gè)林分類型中華北落葉松林土壤水分的垂直變化幅度最大，在0～40 cm土層范圍內(nèi)，白樺林土壤含水量最高，40～60 cm華北落葉松林最大，60～80 cm白樺林最大；在20～40 cm處山楊林土壤含水量最小。

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