黃土區(qū)水土保持林地的蓄水動(dòng)態(tài)及雨水滲透深度

高思遠(yuǎn)， 張建軍,2?， 李 梁， 張海博， 孫若修

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院；水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083,北京；2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，042200,山西臨汾)

黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國水土流失的重點(diǎn)區(qū)域。為改善生態(tài)環(huán)境，治理水土流失，自20世紀(jì)80年代初先后實(shí)施了“三北”防護(hù)林、退耕還林(草)等一系列林業(yè)生態(tài)工程，取得了顯著成效[1-2]；但黃土高原降水量少，地下水埋藏深[3-4]，土壤蓄水成為植被生長的主要限制因素[5]。研究表明，地形條件、植被覆蓋、降雨特征都會(huì)對土壤蓄水產(chǎn)生影響[6]。鄺高明等[7]對不同微地形的土層蓄水量進(jìn)行排序得出，塌陷地>緩臺(tái)地>切溝>淺溝>原狀坡地>陡坎。Yu等[8]研究表明，坡面和侵蝕溝內(nèi)土壤蓄水量不同，其原因是太陽輻射和蒸散發(fā)不同所致。張建軍等[9]研究表明，天然次生林地土壤蓄水量顯著高于人工林地，大規(guī)模的人工造林會(huì)導(dǎo)致“土壤干層”。常譯方等[10]的研究結(jié)果表明，種植密度對刺槐林地土壤蓄水有顯著影響。劉宏偉等[11]的研究結(jié)果顯示，不同降雨條件下，土壤水的響應(yīng)不盡相同，大雨量時(shí)，土壤含水量會(huì)經(jīng)歷上升、穩(wěn)定、退水3個(gè)階段，而小雨量時(shí)卻沒有穩(wěn)定階段。趙榮瑋等[12]的研究也表明，不同林地的雨水滲透深度不同，雨水的滲透深度隨雨強(qiáng)的增大而增大。

研究水土保持林地蓄水量，探討不同降雨條件下雨水的滲透深度及對土壤蓄水的補(bǔ)給，不僅為黃土高原水土流失地區(qū)水土保持林地水量平衡提供依據(jù)，更是水土保持樹種選擇與配置的依據(jù)。為此很多研究人員探討了魚鱗坑、水平階等整地方式對造林地土壤水分狀況和養(yǎng)分性狀的影響[13-14]，得出了諸多有益的研究成果，但這些采用不同整地方式營造的水土保持植被成林后，整地措施是否對雨水、坡面徑流仍然具有調(diào)節(jié)和再分配作用，這種調(diào)節(jié)和再分配的作用還有多大，這方面的研究目前還鮮有報(bào)道。

為此，本研究以20世紀(jì)90年代在山西吉縣蔡家川小流域采用水平階整地營造的水土保持林為研究對象，通過探討不同林型和水平階對土壤蓄水量的動(dòng)態(tài)變化，解析土壤蓄水量的積累和消退速率，以及不同降雨條件下雨水的滲透深度，以期為研究區(qū)水土保持林地的管理、效益評價(jià)提供依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站的所在地蔡家川小流域，地理坐標(biāo)為E 110°39′～110°47′、N 36°14′～36°18′，是典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，黃土母質(zhì)，褐土。屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，年平均氣溫10.2 ℃，多年平均降雨量575.9 mm。2016年降水量572.6 mm，5—10月降水占全年的88%。蔡家川小流域上游主要是遼東櫟(Quercuswutaishanica)和山楊(Populusdavidiana)組成的天然次生植被，中游主要是由油松(Pinustabuliformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等組成的人工林植被。

2 研究方法

2.1 樣地選取

在蔡家川小流域內(nèi)選擇具有代表性的人工側(cè)柏和人工油松林地作為固定樣地進(jìn)行長期監(jiān)測(樣地基本情況見表1)，林地坡面采用水平階整地，水平階寬1 m。其中側(cè)柏林地和油松林地0～60 cm土層的土壤密度變化范圍為1.05～1.32 g/cm3和1.12～1.35 g/cm3，表層土壤密度小于深層；土壤總孔隙度變化范圍為50.25%～57.51%和49.25%～54.23%，表層土壤總孔隙度大于深層。

表1 樣地基本情況表Tab.1 Basic information of plots

2.2 土壤水分測定

分別在水平階和坡面布設(shè)安裝EnviroSMART土壤水分定位監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由15個(gè)土壤水分探頭、1個(gè)CR200數(shù)據(jù)采集器、太陽能板和電瓶組成，其中在0～100 cm土層中每10 cm布設(shè)1個(gè)土壤水分探頭，在100～200 cm土層中每20 cm布設(shè)1個(gè)土壤水分探頭，每30 min采集1次數(shù)據(jù)并保存在CR200數(shù)據(jù)采集器中，供定期下載。

2.3 降雨量測定

在樣地附近的空曠地上布設(shè)HOBO自記雨量計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測降雨量和降雨歷時(shí)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

通過公式計(jì)算[12]土層蓄水量

Wi=θiDi。

(1)

0～200 cm土層總蓄水量

(2)

式中：θi為第i個(gè)土壤水分探頭測定的體積含水率，%；Di為土層的厚度，cm；Zi為第i個(gè)探頭在土壤中的深度，cm。

通過SPSS 20.0軟件的單因素方差分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Excel 2010和Origin 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 水土保持林地的蓄水量

表2為側(cè)柏和油松林地坡面、水平階2016年0～200 cm土層的蓄水量。由表2可知，側(cè)柏和油松林地0～200 cm土層蓄水量以及各層次的蓄水量差異顯著(P<0.05)。側(cè)柏林地的水平階和坡面0～200 cm土層蓄水量分別為420.29 mm、317.68 mm，平均蓄水量368.99 mm，與坡面相比水平階多蓄水102.61 mm，這是由坡面產(chǎn)生的徑流匯集到水平階上形成的，由此可以粗略估算出側(cè)柏林地坡面的徑流系數(shù)為102.61 mm/572.6 mm=0.18。油松林地水平階和坡面0～200 cm土層的蓄水量分別為396.81 mm、244.34 mm，平均蓄水量為320.58 mm，水平階比坡面多蓄水152.47 mm，油松林地坡面的徑流系數(shù)為152.47 mm/572.6 mm=0.27。由此可見，即使是樹齡22年的水土保持林地，坡面仍有徑流發(fā)生，造林時(shí)修建的水平階仍然發(fā)揮著攔蓄坡面徑流、增加栽植穴土壤蓄水量的作用，因此在水土保持林地管護(hù)中，維護(hù)水平階、魚鱗坑等措施的完好無損，是保證水土保持林地持續(xù)、高效發(fā)揮防治水土流失作用的關(guān)鍵。

對比油松和側(cè)柏林地可以發(fā)現(xiàn)，油松林地0～200 cm土層的蓄水量小于側(cè)柏林地，這說明油松林地對0～200 cm土層的水分消耗量大于側(cè)柏林地；因此，在降水相對匱乏的黃土高原地區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)，選擇耗水量更少的側(cè)柏作為水土保持造林樹種，可以維持水土保持林地的“林水平衡”，保證其持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮防護(hù)作用。

3.2 水土保持林地土壤蓄水動(dòng)態(tài)

表3為2016年油松和側(cè)柏林地土壤蓄水量的變異系數(shù)表，圖1為2016年油松和側(cè)柏林地土壤蓄水量與降雨量的動(dòng)態(tài)變化圖。由圖1可見，油松和側(cè)柏林地0～200 cm土層蓄水量的整體波動(dòng)趨勢基本相似，依據(jù)蓄水量的變異系數(shù)可將蓄水量的年內(nèi)變化劃分為穩(wěn)定期、積累期、波動(dòng)期和消退期。

穩(wěn)定期為2月初至4月底，蓄水量和變異系數(shù)均為全年最低。穩(wěn)定期側(cè)柏林地0～200 cm土層蓄水量為299.59 mm(坡面)和353.78 mm(水平階)，油松林地0～200 cm土層蓄水量為222.07 mm(坡面)和349.86 mm(水平階)。

表2 不同林地不同深度土層的蓄水量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Tab.2 Moisture storage in different depths of soil (Mean±SE) mm

注：同一列不同小寫字母表示不同林地同一土層土壤含水量差異顯著(P<0.05)。 Notes: The different lowercase letters at the same column of data in the table refer to significant differences (P<0.05).

表3 全年土壤蓄水量變異系數(shù)Tab.3 Variation coefficient of soil moisture storage

圖1 2016年各月不同林地土壤蓄水量與降雨量Fig.1 Soil moisture storage and precipitation in different forest lands in each month of 2016

積累期從5月初至7月底，蓄水量和變異系數(shù)均為全年最高。側(cè)柏林地坡面0～200 cm土層蓄水量從300.68 mm增加到334.91 mm，平均積累速率為0.37 mm/d；水平階0～200 cm土層蓄水量從354.81 mm增加到444.67 mm，積累速率為0.98 mm/d。積累期側(cè)柏林地蓄水量的平均積累速率為0.68 mm/d。側(cè)柏林地中水平階比坡面多蓄水55.64 mm，這55.64 mm水分是通過坡面徑流匯集而來的，期間的降雨量為314.13 mm，由此可以粗略估計(jì)出側(cè)柏林地5—7月坡面的徑流系數(shù)為0.18。積累期油松林地坡面0～200 cm土層蓄水量從230.52 mm增加至266.24 mm，平均積累速率為0.39 mm/d；水平階0～200 cm土層蓄水量從358.98 mm增加至439.76 mm，平均積累速率為0.88 mm/d。積累期油松林地蓄水量的平均積累速率為0.64 mm/d。在油松林地中水平階比坡面多增加了45.06 mm，粗略估計(jì)油松林地5―7月坡面的徑流系數(shù)為0.14。對比土壤蓄水量的積累速率可知，水平階大于坡面且側(cè)柏林地大于油松林地，可見側(cè)柏林地對徑流的攔蓄作用優(yōu)于油松林地，水土保持效果更好。

波動(dòng)期從8月初至10月底，側(cè)柏林地和油松林地土壤蓄水量的變異系數(shù)均為水平階>坡面，說明波動(dòng)期水平階土壤蓄水量的變化幅度比坡面強(qiáng)烈。

消退期為11月初至翌年1月底，土壤的蓄水量隨著時(shí)間逐漸減少。其中側(cè)柏林地減少了28.65 mm(坡面)和33.90 mm(水平階)，油松林地減少了31.83 mm(坡面)和32.68 mm(水平階)。消退期樹木已經(jīng)停止生長，水分消退主要是由蒸發(fā)引起的，消退期側(cè)柏林地的蒸發(fā)量為0.31 mm/d(坡面)和0.37 mm/d(水平階)，而油松林地的蒸發(fā)量為0.35 mm/d(坡面)和0.36 mm/d(水平階)。

3.3 土壤含水量對降雨的響應(yīng)

降水是黃土高原林地土壤蓄水的唯一補(bǔ)給來源，土壤蓄水量的變化是降水、蒸發(fā)、植物蒸散共同作用的結(jié)果[15]。為探究側(cè)柏林地、油松林地坡面和水平階上雨水的滲透深度，依據(jù)國家氣象局降雨量劃分的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]，選擇降雨量分別為27.80 mm(中雨)、49.20 mm(大雨)、66.30 mm(暴雨)的3場典型降雨，分析降雨后雨水滲透深度的變化。為此，以土壤含水量為橫坐標(biāo)，以土壤深度為縱坐標(biāo)，以開始降雨、停止降雨、停止降雨后24 h以及水分再分布停止時(shí)(濕潤鋒停止擴(kuò)散[17])作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，繪制0～200 cm土層的含水量的分布曲線，結(jié)果如圖2-4所示。

圖2為27.80 mm降雨(中雨)條件下側(cè)柏林地和油松林地的土壤水分剖面圖。由圖2可知，在27.80 mm降雨條件下，側(cè)柏、油松林地最終的入滲深度均為30 cm。其中側(cè)柏林地土壤蓄水量增加了25.26 mm(坡面)和21.89 mm(水平階)，因此入滲量為坡面>水平階。這說明降雨量為27.80 mm時(shí)，側(cè)柏林地坡面未產(chǎn)生徑流，并且因水平階上栽植有樹木，樹木枝葉截持了部分降雨，導(dǎo)致到達(dá)水平階上的雨量減少，對土壤蓄水量的補(bǔ)給量也相應(yīng)減少。油松林地土壤蓄水增加量為23.11 mm(坡面)<34.42 mm(水平階)，說明此時(shí)油松林地已有徑流產(chǎn)生，在相同降雨條件下側(cè)柏林地防治水土流失的能力更強(qiáng)。

圖2 中雨條件下側(cè)柏林地和油松林地土壤水分剖面圖Fig.2 Profile of soil moisture content inPlatycladus orientalisforest andPinus tabulaeformisforest under moderate rain 27.80 mm

圖3 大雨條件下側(cè)柏林地和油松林地土壤含水量剖面圖Fig.3 Profile of soil moisture content inPlatycladus orientalisforest andPinus tabulaeformisforest under heavy rain 49.20 mm

圖3為側(cè)柏林地和油松林地在49.20 mm降雨(大雨)條件下土壤水分剖面圖。由圖3(a、b)可知，49.20 mm降雨對側(cè)柏林地土壤蓄水量的補(bǔ)充為26.49 mm(坡面)、62.51 mm(水平階)，降雨結(jié)束時(shí)側(cè)柏林地雨水入滲深度為20 cm(坡面)～40 cm(水平階)，降雨結(jié)束24 h后雨水可滲透到達(dá)30 cm(坡面)～60 cm(水平階)，再分布停止時(shí)雨水的滲透深度為40 cm(坡面)和70 cm(水平階)，即在49.20 mm的降雨條件下側(cè)柏林地雨水的滲透深度為40 cm(坡面)～70 cm(水平階)。

由圖3(c、d)可知，49.20 mm降雨對油松林地土壤蓄水量的補(bǔ)充為22.07 mm(坡面)、75.76 mm(水平階)。結(jié)束時(shí)雨水的滲透深度為20 cm(坡面)～40 cm(水平階)，降雨結(jié)束24 h后雨水可滲透到達(dá)30 cm(坡面)～50 cm(水平階)，再分布停止時(shí)可滲透到的最大深度為40 cm(坡面)和60 cm(水平階)，可見，在49.20 mm的降雨條件下側(cè)柏林地雨水的滲透深度為40 cm(坡面)～60 cm(水平階)。

圖4 暴雨條件下側(cè)柏林地和油松林地土壤水分剖面圖Fig.4 Profile of soil moisture content inPlatycladus orientalisforest andPinus tabulaeformisforest under rainstorm 66.30 mm

圖4為66.30 mm降雨(暴雨)條件下側(cè)柏林地和油松林地土壤水分剖面圖。由圖4(a、b)可知，66.30 mm降雨對側(cè)柏林地土壤蓄水量的補(bǔ)充為55.30 mm(坡面)、60.29 mm(水平階)。在側(cè)柏林地中，當(dāng)降雨結(jié)束時(shí)雨水的滲透深度分別為50 cm(坡面)～60 cm(水平階)，降雨結(jié)束24 h后在坡面、水平階上雨水均可滲透到70 cm深的土層，再分布停止時(shí)雨水滲透深度為90 cm(坡面)～110 cm(水平階)，即在66.30 mm的暴雨條件下側(cè)柏林地雨水的滲透深度為90 cm(坡面)～110 cm(水平階)。

由圖4(c、d)可知，66.30 mm降雨對油松林地土壤蓄水量的補(bǔ)充為46.17 mm(坡面)、86.64 mm(水平階)。在油松林地中，當(dāng)降雨停止時(shí)雨水的滲透深度為40 cm(坡面)～50 cm(水平階)，降雨結(jié)束24 h后雨水可滲透到50 cm(坡面)～60 cm(水平階)，再分布停止時(shí)雨水滲透深度為60 cm(坡面)～70 cm(水平階)，即在66.30 mm暴雨條件下油松林地雨水的滲透深度為60 cm(坡面)～70 cm(水平階)。

4 討論

側(cè)柏林地0～200 cm土層的蓄水量為水平階(420.29 mm)>坡面(317.68 mm)，水平階的蓄水量較坡面提高了32.30%。油松林地0～200 cm土層的蓄水量為水平階(396.81 mm)>坡面(244.34 mm)，水平階的蓄水量較坡面提高62.40%，這充分說明水平階可增加蓄水量減小土壤侵蝕[18]?？梢?，即使是造林22年后樹木已經(jīng)成林，造林時(shí)修建的水平階仍然發(fā)揮著攔截坡面徑流，調(diào)節(jié)徑流空間分配，提高林木根際區(qū)蓄水量的作用。

側(cè)柏林地的土壤蓄水量大于油松林地，說明油松林地的水分消耗量大于側(cè)柏林地。從生態(tài)生理學(xué)角度看，油松的生長速度、年新生枝葉量及液流通量都顯著大于側(cè)柏，進(jìn)而蒸騰速率及耗水量也大[19]；因此，從可持續(xù)和林水平衡的角度出發(fā)，在半干旱的黃土高原地區(qū)恢復(fù)水土保持植被時(shí)應(yīng)該選擇耗水量相對較小的側(cè)柏作為造林樹種。另一方面，經(jīng)樣地調(diào)查，側(cè)柏和油松林地的平均冠幅分別為2.3 m和3.6 m，枯落物厚度分別為3.0 cm和3.5 cm，土壤蓄水量的差異也可能是由于油松冠幅較側(cè)柏冠幅更大、枯枝落葉量多所致。被冠層和枯枝落葉攔蓄的降水最終以蒸發(fā)的形式返回大氣，不參與土壤入滲和徑流的形成，這必將導(dǎo)致進(jìn)入土壤、供樹木生長的水分量減少[20]；因此，如何協(xié)調(diào)植物截留量、枯枝落葉攔蓄量與土壤蓄水量的關(guān)系，是在黃土高原水土保持林樹種選擇時(shí)必須重點(diǎn)考慮的問題。

0～200 cm土層內(nèi)土壤蓄水量的年內(nèi)變化可以劃分為穩(wěn)定期(2—4月)、積累期(5—7月)、波動(dòng)期(8—10月)、消退期(11—翌年1月)。穩(wěn)定期是在春季，氣溫回升，植物恢復(fù)生命力所消耗的土壤水相對較少，且被融化的積雪和少量雨水所補(bǔ)充，因此，該期間土壤蓄水相對穩(wěn)定。積累期間氣溫快速回升，植物生長加速，土壤水分消耗增多，但隨著雨季到來，降雨量大于蒸散消耗量，土壤蓄水量得到積累。波動(dòng)期氣溫高，降雨更為頻繁，蒸散耗水與降雨補(bǔ)給交替進(jìn)行，土壤蓄水波動(dòng)較大。消退期氣溫低，多風(fēng)，土壤凍結(jié)，植物生命活動(dòng)停止，降雪對土壤蓄水補(bǔ)給作用有限，水分損耗以土壤蒸發(fā)為主，屬于土壤水的消退期。以往的研究大多關(guān)注如何提高土壤水分蓄積[21-23]，但如何采取措施減少消退期土壤蓄水的無效損耗也應(yīng)得到重視。

由于表層土壤容重小于深層土壤，即表層土壤更為疏松具有較多孔隙利于入滲，因此當(dāng)雨水向深層滲透時(shí)所需的雨量及用時(shí)也相應(yīng)增加。修建水平階不僅可以增加林木根際區(qū)的蓄水量，還有利于雨水對深層土壤的補(bǔ)充。有研究表明水平階的田面寬度與其水土保持效益密切相關(guān)[24]，不同坡位土壤水對降雨的響應(yīng)也不同[25]；因此，在營造水土保持林時(shí)，如何根據(jù)坡位、坡向等地形條件，合理布置水平階的寬度、間距，更有效更持久地防治水土流失、增加栽植穴根際區(qū)的土壤蓄水量是值得探討的重要問題。

5 結(jié)論

1)側(cè)柏林地土壤蓄水量(368.99 mm)>油松林地(320.58 mm)且差異顯著，油松林對土壤水的消耗大于側(cè)柏林。水平階的蓄水量(408.55 mm)>坡面(281.01 mm)且差異顯著。

2)水土保持林地蓄水量的年內(nèi)變化可劃分為穩(wěn)定期(2—4月)、積累期(5—7月)、波動(dòng)期(8—10月)、消耗期(11—翌年1月)。積累期側(cè)柏林地蓄水量的平均積累速度為0.68 mm/d，油松林地為0.64 mm/d，消退期側(cè)柏林地蓄水量的平均消退速度為0.34 mm/d，油松林地為0.36 mm/d。

3)雨水對土壤水的補(bǔ)充及滲透深度隨降雨量的增加而增加，側(cè)柏林地土壤蓄水量的變化及滲透深度均大于油松林地，水平階大于坡面。為防治坡面的水土流失，提高雨水利用效率，在黃土高原等降水相對匱乏的地區(qū)進(jìn)行水土保持植被恢復(fù)時(shí)，建議采取水平階等整地措施并栽植側(cè)柏，有利于實(shí)現(xiàn)林水平衡。