降雨对不同密度栓皮栎林土壤温湿度及水分运移的影响1)

田超 孟平 张劲松 孙守家 贾长荣 李建中

(林木遗传育种国家重点实验室(中国林业科学研究院林业研究所)，北京，100091) (济源市国有大沟河林场)

降雨对不同密度栓皮栎林土壤温湿度及水分运移的影响1)

田超 孟平 张劲松 孙守家 贾长荣 李建中

(林木遗传育种国家重点实验室(中国林业科学研究院林业研究所)，北京，100091) (济源市国有大沟河林场)

以黄河小浪底库区3种密度栓皮栎林为研究对象，运用稳定同位素技术，结合大气、土壤温湿度及土壤水分氘同位素(δD)值，探讨不同季节降雨对土壤剖面温度、水分动态及运移的影响。结果表明，降雨前后高密度林分土壤温度均最高，且下层土壤具保温效果。土壤湿度随密度增大而增加，且低密度林分下层湿度大，而中高密度林分表层湿度大。雨前土壤水分δD值与枯落物δD值变化趋势相同，均随密度增大而减小。低密度林分，降雨在枯落物及土壤表层滞留时间较短，均可较快入渗到深层土壤，随后涵养在上层水分以活塞流形式下渗。且前期降水较多时，混合水可侧向流动补给壤中流。中高密度林分，在前期土壤湿度较大的雨季和旱季初期，降雨也可较快入渗到深层，除高密度林分在前期降雨较多的雨季下渗到中层。而前期降雨较少时，降雨在中高密度林分的枯落物及表层土壤滞留时间较长。表明土壤湿度低时，中密度林分土壤可较好的蓄积水分，而高密度林分在湿度低或高时均能较好的调控土壤水分。此外，在前期降水充足和高强度降雨后，降雨在低中密度林分均可通过优先流形式快速入渗，补给深层土壤。泉水和地下水δD值没有明显改变，可为干旱季节植被生长提供重要水源。

季节性降雨；林分密度；土壤温度；土壤湿度；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.

在森林生态系统，林冠层、灌草层、枯枝落叶层以及土壤层能截留和储蓄大气降水，对其进行重新分配和调节，发挥独特的水文生态功能[1]。然而，不同林分密度及覆盖情况可影响土壤温湿度及水分运移，进而影响关键的生态水文过程[2-3]。当林分密度小时，由于土壤蒸发量大使得土壤湿度变小，而当林分密度和覆盖度增加时，植被蒸腾能力增强且截留降雨相对较多也可导致土壤湿度降低[4-5]。且降雨截留量也因降水量而变化，而截留的降雨一般通过蒸发返回到大气中，除非气温足够低阻止蒸发产生[6-8]。此外，同一密度林分对不同降雨事件响应亦不同。在干旱半干旱生态系统中，降雨强度和频度可决定物种生存、组成、结构等[9]，在决定土壤水分入渗过程中也具有重要作用[10-11]。因此，降雨量、历时可影响土壤水分运移及有效性并对生态系统动态起着关键作用[12-13]。此外，降雨在不同类型土壤中对深层土壤的补给不同[14]，在具有基岩裂隙的浅层土壤和喀斯特地形有利于水文过程快速进行[15-16]。而因前期含水量及根系的不均匀分布，在同一立地条件下，降雨会经不同孔隙下渗[17-18]。因此，考虑不同密度林分对不同降雨的响应能更好的理解生态系统水文过程。

由于土壤中稳定δD同位素受降雨、地表径流及蒸发、水分在土壤中水平和垂直运动及不同土层根系水分吸收等的影响[6，19-20]。因此，它可追踪降雨在土壤中入渗、渗透和蒸散等运移过程[14]。由于降雨中同位素组分存在季节性变化，土壤水δD值可表征土壤剖面降水的迁移、混合和滞留时间等信息[21]。目前，国内外对土壤水稳定同位素的研究多集中在不同土地利用方式及季节间的差异上[21-24]，对不同降雨持续响应的研究较少[25-26]，而不同密度林分土壤水分运移对降雨的响应国内还未见报导。

黄河小浪底水利枢纽工程在治理开发黄河的总体布局中，具有极其重要的战略地位。然而，库区周边多为岩石裸露的石质山地和沟壑纵横的黄土丘陵台地，地形支离破碎，水土流失加剧。且该地区降水较少、土壤总量少、储水能力差、岩石渗漏性强，水资源亏缺成为生态建设的限制因素。栓皮栎(QuercusvariabilisBlume.)是该地区典型优势树种之一，在水分有限的条件下可形成较稳定的群落，对维持石质山区脆弱的生态环境起着重要作用。然而，不同密度林分在气候较旱、土层较薄的立地条件下的水分运移机制尚不明确。因此，本研究以不同密度栓皮栎林为研究对象，运用稳定同位素技术，在不同季节对降雨前后大气和土壤温度、湿度及不同土层δD同位素进行研究，探讨不同密度林分土壤剖面温湿度及水分运移对不同季节降雨的响应，为该区域林分结构优化配置及应对气候变化引起的降雨格局变化提供理论依据，进而为华北石质山地植被恢复与林业生态工程建设提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于河南省济源市黄河小浪底森林生态站，该站隶属于中国森林生态系统定位研究网络，北依太行山南段，南邻黄河小浪底水利枢纽工程，属典型的低山丘陵石质山区。定位站中心海拔410 m，属暖温带大陆性季风气候，年均气温13 ℃，年日照时间2 367.7 h，年日照率54%，多年平均降水量641.7 mm，其中，6—9月为438.0 mm，占全年降水的68.3%。研究区内土壤为棕壤，土层较薄20～50 cm左右，土被分布极不均匀，且部分基岩出露，土层下是松散的石灰岩风化层及裂隙基岩，土壤水易下渗形成裂隙水。当裂隙水达到不透水的页岩层，易渗出地表形成泉水[27]。研究区内有一常年不断的泉眼提供泉水，而深层地下水由60 m的水井提供。

2 研究方法

2.1 样地调查

2013年7月，在该研究区选择相邻的3个密度栓皮栎林，在每一密度林分内分别设置标准样地3个，样地面积为20 m×30 m，并对林木进行每木检尺，测量树高、胸径等因子，各密度林分基本特征见表1，并分别测定枯落物厚度、蓄积量、土壤密度、孔隙度、持水量等[28]。

表1 不同密度样地基本特征

注：坡向为西南。

2.2 气象因子观测

在研究地空阔地方布设标准自动气象站，连续观测空气温湿度和降雨量，所采用的传感器分别为HMP45C型温湿度传感器(Vaisala，Helsinki，Finland)和TE525M翻斗式雨量筒(Texas Inc.，USA)，数据采集器为CR10X(Campbell，USA)，设定每1 min采集1次，每10 min输出1组平均值。并在其附近设置降雨采集装置，雨后及时采集降水样，每次降水收集3瓶，用帕拉胶密封后冷藏保存(1～4 ℃)。

2.3 样品采集、处理及测定

本研究于2013年7、8、10月选择雨季中末期及旱季初期4场不同降雨进行研究，均在降雨前1天及降雨后连续3 d每天上午进行采样，分别在3种密度林分所选择的标准样地中采集枯落物及0～10、10～20、20～30 cm土壤，迅速装入试剂瓶，储藏在0～5 ℃的便携式冷藏箱内，带回实验室冷冻保存(低于-20 ℃)。同时，降雨前后采集泉水和地下水样品，每次3瓶，冷藏保存(1～4 ℃)。4场降雨共采集植物样576个，水样108瓶。

利用低温真空抽提仪器(LI-2000，LICA，China)提取土壤水分，将提取好的土壤水以及采集的雨水、泉水、地下水样品过滤，使用DLT-100液态水同位素分析仪(Los Gatos Research Inc，USA)测定氢氧同位素，公式为，

其中，Rsample和Rstandard表示样品和国际通用标准物n(D)/n(H)比，测量精度为±0.05%。

2.4 土壤温湿度测定

在林地不同土层5、15、25 cm土壤中分别安装温度(AV-10T，USA)和水分传感器(EC-H2O，Avalon Sci. Inc．，USA)，通过AR5-8A-SE数据采集器(Avalon Sci.Inc．，USA)自动记录土壤温湿度，作为0～10、10～20、20～30 cm土层温湿度。设定30 s采集1次，每10 min输出1组平均值。

2.5 数据处理

分别选取自动监测的空气及土壤温湿度每日上午07:00—11:00数值进行平均作为日均值。

运用Sigmaplot作图，并利用SPSS19.0分析数据，对不同密度林分枯落物、土壤水文效应等指标进行单因素方差分析，并用最小显著差数法(LSD)进行多重比较。此外，分别利用三因素方差分析检测同一降雨事件的不同密度—时间—土层及同一密度下不同降雨事件—时间—土层的土壤温湿度及δD变化，并进行多重比较，统计分析水平为p<0.05。

3 结果与分析

3.1 样地及环境因子特征

3.1.1 不同密度林分枯落物及土壤层水文效应

由表2可知，随密度增加，枯落物厚度由5.8增加到7.8 cm，且高密度显著高于中低密度林分，总蓄积量由15.17增加到32.17 t/hm2，最大持水量、有效拦蓄能力也与密度成正相关，且中高密度林分均显著高于低密度林分。

表2 不同密度林分枯落物厚度、蓄积量和持水量比较

注：括号中数据为平均值±标准差；同列不同大写字母表示差异显著(a=0.05)。

由表3可知，同一密度林分随土层深度增加土壤密度增大，其中，中低密度林分中下层显著大于表层，而高密度林分3层差异不显著。总孔隙度、毛管孔隙度、持水率等则随土层深入而减小，其中，低密度林分表层显著大于中下层，而中高密度林分则差异不显著。此外，对于同一土层则随林分密度增大土壤密度减小，且低密度林分显著高于中高密度林分。对于总孔隙度和毛管孔隙度，在土壤表层，密度间差异不显著，而中下层则低密度林分显著低于中高密度林分，而非毛管孔隙度差异不显著。此外，持水率除土壤表层有效持水率不显著外，其余均为低密度林分显著低于中高密度林分。

表3 不同密度林分土壤物理性质比较

林分类型>10～20cm土层厚度密度/g·cm-3总孔隙度/%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：括号中数据为平均值±标准差；同列不同大写字母表示差异显著(a=0.05)，同行不同小写字母表示差异显著(a=0.05)。

3.1.2 雨旱季4场降雨特征及空气温湿度变化

如表4、图1所示，其中，a为雨季中期中雨，前期降雨较少(雨前24 d仅6月11日4.7 mm)，气温最高32.0 ℃，此期间天气较干旱，经历19 mm、强度2.9 mm/h降雨后气温变化相对迟缓，先下降后缓慢回升；b也表示雨季中期中雨，但雨前一周即7月8日—7月10日分别有18.9、14.2、21.0 mm中强度降雨产生，使得此期间空气温度较低，经历15.4 mm、1.6 mm/h降雨后气温较低(22.2 ℃)，之后急剧回升；c为雨季末期大雨，雨前10天即8月1日34.5 mm降雨产生，雨前气温较高(31.9 ℃)，湿度较低(68.2%)，此次降雨量及强度均最大(27.0 mm、14.7 mm/h)，雨后气温下降较多，之后迅速回升；d为旱季初期中雨，雨前降雨极少，在c雨后仅有4场极小降雨产生，即8月27日、9月8日、9月17日、9月21日分别有0.2、1.0、0.8、0.2 mm降雨产生，使得此期间天气异常干旱，但由于发生在旱季初期的10月气温较低(20.3 ℃)，经历13.4 mm、强度2.9 mm/h中雨后气温急剧下降，之后逐渐上升，但短时间内很难恢复到雨前水平。4场降雨δD值分别为-8.286%、-7.721%、-9.486%、-6.634%，雨后空气湿度均在第1天升高，后逐渐下降，但均未在3 d内下降到雨前水平。

表4 4场典型降雨特征

3.2 不同密度林分降雨前后土壤温湿度变化

3.2.1 土壤温度

由图2可知，4场降雨前土温变化(25.0～20.2 ℃)不及气温变化大(32.0～20.3 ℃)。同一降雨对不同林分土温影响随时间变化趋势相同，而不同降雨后土温变化差异较大。雨季中期，当前期降雨较少时，图2a所示，a雨后土温没有下降反而升高。前期降雨较多时，b雨后土温下降较多之后回升。而c雨前土温明显大于前两场降雨，而雨后温度下降程度不及上次降雨，之后随气温升高，土温回升并超过雨前水平。旱季初期d雨前土温相对前3场降雨最低，且雨后3天持续下降。此外，同一降雨不同林分土温随土层变化趋势相同，而不同降雨略有差异，前3场降雨不同土温均为表中层>下层，而d雨后则下层温度较高。然而，表5所示，同一降雨不同林分土温间存在差异，前两场降雨对林分土温趋势相同均为高密度>低密度>中密度，且差异显著，而后两场降雨则为高密度>中密度>低密度，且高、低密度间差异显著。此外，4场降雨前后不同天数及土层间差异均显著，而a降雨土层是决定温度的重要因素，而后3场降雨天数对土温影响最大。

Ra、Rb、Rc、Rd分别代表4场降雨空气相对湿度；Ta、Tb、Tc、Td分别代表4场降雨空气温度。横坐标0、1、2、3分别表示降雨前1天及降雨后1～3 d。

图1 4场降雨前后空气温湿度

此外，同一密度林分对不同降雨事件响应不同(表6)，对于低中密度林分，前两场降雨差异不显著，其余均极显著。而对于高密度林分，4场降雨间差异均极显著。3密度林分不同天数差异均显著，而低高密度不同土层间差异不显著，中密度则极显著。此外，3密度林分都表明不同降雨是决定土温的主要因素。

表5 对4场降雨事件的土壤温度、湿度和δD进行密度—时间—土层3因素方差分析

注：Ⅰ表示前期降雨较少，天气干旱；Ⅱ表示雨前一周有中强度降雨。

图2 3密度林分4场降雨前后土壤温度变化

表6 对3密度林分的土壤温度、湿度和δD进行降雨—时间—土层3因素方差分析

3.2.2 土壤湿度

由图3可知，同一降雨对不同林分土壤湿度影响随时间变化趋势相同，随降雨产生，土壤湿度均明显增加，之后下降，与土温不同，3 d内均未恢复到雨前水平，且不同时间之间差异显著，除b雨后2 d不显著外(表5)。然而，不同降雨事件随土层变化湿度增量不同，其中，a与d雨后均表现为表层湿度增加最多，分别为9.2%、8.9%(图3a、d)，b雨后下层湿度增加较多(图3b，5.7%)，c雨后3层湿度增加差异不大(图3c)。此外，同一降雨对不同林分湿度影响由大到小为：高密度、中密度、低密度，差异均极显著(表5)，且前3场降雨不同林分是影响湿度变化的主要因素，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湿度随土层变化相同，而不同林分间略有不同，其中低密度林分表层湿度低，中高密度林分下层低，而雨后均随深度不断下降。分方差分析表明(表6)，3密度林分对降雨前后土壤湿度差异均显著，低中密度林分对不同降雨事件的响应均极显著，而高密度林分土壤湿度对a与d降雨的响应相似，中高密度林分土壤湿度在不同土层间差异极显著，而在低密度林分则不显著。此外，3密度林分中不同降雨事件对土壤湿度影响最大。

图3 3密度林分4场降雨前后土壤湿度变化

3.3 不同密度林分降雨前后土壤水分δD值变化

3.3.1 土壤水分δD值随时间变化

同一降雨对不同林分枯落物δD值影响随时间变化趋势相同，即随降雨产生而减小(图4)，随后因蒸发而增大。雨前枯落物δD值由大到小为低密度、中密度、高密度，而a、b、c3场雨后第1天δD值由小到大为低密度、中密度、高密度，而d大雨后高密度林分反而最小，随后因蒸发量的不同，不同密度间枯落物δD值没有表现出明显的规律性。

雨前不同林分土壤水分δD值随密度增加而减小。然而，雨后δD值变化不一，大都表现为第1天下降随后不断升高，而有些则表现不同。例如，a雨后中密度林分在第2天δD值继续下降，而高密度林分则升高。b雨后低密度林分第2天继续下降。c大雨后，中高密度林分均在第2天继续下降。由于土壤δD值是不同层次的均值，因此这种变化在之后不同土层间变化中有所体现。研究期间，泉水和地下水δD值相对稳定，分别在-5.7%和-6.0%左右，变化幅度相当小。

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值差异显著，d降雨中、低密度均与高密度显著，而b、c降雨密度间均极显著。4场降雨不同天数及土层间差异均显著，且a降雨土壤深度是决定δD值的主要因素，而后3场降雨则取决于降雨前后不同天数变化。同一密度林分方差分析表明(表6)，土壤δD值在不同降雨、时间、土层间均显著，且不同降雨事件是决定土壤δD值的重要因素。

3.3.2 土壤水分δD值随土层变化

如图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层δD值大，而c降雨前低密度林分深层值较大。虽然林分密度、降雨量及降雨δD值差异较大，然而不同林分枯落物及土壤表层δD值变化均较大，中下层变化相对较小，不同土层对降雨的响应不同。

雨季中期，当前期降雨较少、土壤湿度较低时，a雨后第1天低密度林分所有土层δD值均减小即降雨可入渗到深层土壤，而中高密度林分趋势相似仅枯落物及表层土壤受到降雨影响δD值减小。第2天低密度林分枯落物及表层土壤水分以活塞流形式继续下渗到中层使得该层δD值减小，而涵养在中高密度林分表层以上的混合水可下渗到下层土壤，使得中下层δD值均减小。第3天低密度林分水分继续下渗到下层，而中高密度林分所有土层δD值因蒸发、植被蒸腾作用及入渗更深层土壤而增大。

雨季中期，前期降雨较多、土壤湿度较高时，b雨后第1天低中密度林分均入渗到深层δD值均减小，而高密度林分仅入渗到中层，低密度林分下层δD值较上层值小。第2天，由于枯落物层涵养的水分较多，低中密度林分枯落物层蒸发并下渗到表中层使得δD继续减小，而涵养在高密度林分中层以上的水分下渗到深层δD值减小。第3天，中密度林分土壤水分继续下渗到深层，而低高密度林分均因蒸散发而富集。

图4 3密度林分4场降雨前后枯落物、土壤、泉水、地下水、降雨δD值变化

雨季末期，c大雨后第1天降雨均入渗到深层，土壤得到充分补给，且低密度林分下层δD值较小。第2、3天低密度林分均蒸发富集，而中高密度林分由于枯落物及土壤各层涵养水源较多(图3)，且存在入渗速率的差异，因此第2天枯落物及不同土层通过活塞流形式补给相邻下层水分，使得下层土壤δD值均与第1天上层值接近。由于密度大蒸发少，第3天高密度林分枯落物及表层继续下渗到深层土壤，使得中下层δD值减小，而中密度林分δD值增大。

旱季初期，前期土壤湿度较低，d雨后第1天降雨均入渗到深层，使得所有林分土壤δD值减小。第2天低密度林分所有土层δD均增大，而中高密度林分枯落物及表层水分蒸发并下渗，使得中下层δD值均低于第1天。第3天下层土壤均受上层水分补给δD值减小。

4 讨论

土壤温湿度：土壤湿热条件作为生态植被建设和恢复的关键因子，不仅影响植物光合作用、幼苗和根系生长，而且还影响植物对水分的吸收与运移，对干旱半干旱生态系统植被建设尤为重要[29]。因不同降雨特征及林分遮蔽、枯落物覆盖、土壤物理性质等的差异，不同密度林分土壤温湿度对不同降雨响应不同。

土壤温度：本研究中，因林分遮蔽、枯落物覆盖及土壤物理性质等，土温变化差异小于气温。同一降雨事件不同林分土温随时间变化趋势相同，然而因前期土壤湿度、次降雨量及所接受的太阳辐射不同，雨后土温变化较大。由于前期降雨少、天气干旱、气温高(图1a)，雨后土温迅速回升并超过雨前温度。而前期降雨多、气温低(图1b)，小强度降雨可导致土温下降较多。高强度、短历时雨后，因前期气温较高，土温下降程度较少。而旱季初期雨后土温持续下降，这可能由于土壤湿度较大，使得土壤热容量较高，秋季较低气温不能提供足够的热量，使得土温持续下降，这有待于以后进一步的研究探讨。此外，同一降雨不同林分土温随土层变化趋势相同，雨季表中层土温较高，而旱季初期下层较高，主要由于表中层土壤孔隙度较大、透气性好(表3)，表明表中层土温受气温直接影响，而下层土壤具有一定的保温效果，使得旱季初期下层温度较高(图2d)，这对植被根系安全越冬起到一定的保护作用。然而，同一降雨不同林分土温大小有所差异。雨季中期两场降雨土温由大到小均为高密度、低密度、中密度，主要由于高密度林分郁闭度高(表1)，树木遮蔽多，林分的通透性差，加之较厚的枯落物(表2)，使得土温较高；而低密度林分因遮蔽少，太阳辐射相对较多，使得其土温高于中密度林分。而雨季后期及旱季初期雨后土温则随密度增大而增加，此时林分遮蔽占主导地位，密度高林分遮蔽多，空气流通性差土温相对较高。此外，同一密度林分对不同降雨事件响应不同，对于低中密度林分，由于雨季中期两场降雨间隔较短，且降雨量相对接近，土温差异不显著。而高密度林分土温对不同降雨的响应较显著。

0、1d、2d、3d分别代表降雨前及降雨后时间。

土壤湿度：土壤湿度因降水、土壤蒸发、下渗、植被蒸腾等作用而发生变化[7，30]。本研究结果显示，同一降雨事件不同林分湿度随时间变化趋势相同，均随降雨产生而增大，随后因蒸发、植被消耗水分而下降。然而，因前期土壤湿度、降雨量及强度[31]等的差异，使得不同降雨对不同土层湿度增量有所差异，其中，前期降雨较少的雨季与旱季初期雨后表层湿度增加最多，因前期土壤湿度较低，降雨量相对较小，且表层土壤持水率较高(表3)，降雨很快补给表层土壤。此外，虽然两者降雨强度相同、且降雨量较小(表4)，然而旱季初期土壤中储存的前期含水量相对较大(图3d)，且此时植被叶片有些发黄，蒸腾作用没有雨季植被生长期旺盛，所需水分较少，因此土壤湿度相对较高，表明水文运动受到该时期植被活动的影响[14]。前期降雨较多时，降雨可使下层湿度增加较多，因雨前表层湿度较大，降雨先入渗表层土壤使其饱和，然后额外水分慢慢下渗到深层，使得3层湿度基本相同。表明在前期湿度较充分时，小强度降雨可贯穿所有土层，使得土壤湿度相对较大，进一步可补给地下水。而大雨过后所有土层湿度增加差异不大，即降雨量大历时短降雨很快入渗全部土壤。此外，雨旱季降雨前后土壤湿度均随密度增大而升高，这主要是林冠遮蔽及枯落物覆盖的作用[26，32]，研究表明高密度林分具有郁闭度大、枯落物层厚的特征。而有研究表明当密度和覆盖度增大时，植被蒸腾及截留降雨能力增强导致土壤湿度减小[4-5]，这与所研究树种及密度大小密切相关。雨前不同林分湿度随土层变化不一，由于低密度林分郁闭度小、枯落物少，表层土壤蒸发较多引起湿度降低，而中高密度林分表层土壤受遮蔽较多蒸发少，且下层水分不断下渗，使得表中层湿度高、下层低，而雨后均为表层湿度最大。对于低中密度林分土壤湿度对不同降雨事件的响应均极显著，而高密度林分湿度则对前期含水量及降雨强度相似的降雨响应不显著，可较好的避免不同降雨对土壤水分较大改变。

土壤水分δD值随时间变化：雨前3密度林分枯落物、土壤δD值均随密度增大而贫化，这是由于高密度林分蒸发少，使得其值相对较贫化。然而，因降雨量、强度及不同密度林分的差异，雨后第1天枯落物δD值趋势不同。3场中雨后δD值与雨前截然相反，由大到小顺序为高密度、中密度、低密度，可能是由于中雨持续时间较长、强度小，部分降雨截留在枝叶上，且密度大林分截留多，因气温高，轻同位素很快蒸发，重同位素与降雨下落入渗到枯落物中，使高密度林分枯落物δD值较大[33]。而大雨后高密度林分反而最小，主要是因降雨历时短、强度大，林冠截留少，此时截留已不是主要因素，降雨与枯落物水分混合后下渗并受蒸发影响，因高密度林分蒸发作用弱，使得δD值最小。雨后土壤δD值受降雨入渗、土壤蒸发、植被蒸腾及土壤水分下渗等共同影响，使得δD值变化不一。且最小强度和最大强度降雨均对不同密度林分产生较大影响，而中强度降雨使得有些密度间差异不显著。

研究期间泉水和地下水δD值相对稳定，即受短期降水影响较小，由于泉水来源于基岩裂隙水，即降雨先下渗到土壤层后经裂隙到达隔水层再向上运移，出露形成，其水分运移路径相对较长，同样，地下水运移路径也较长，因此他们可在干旱季节为植被生长提供重要水源，这与徐庆等研究结果一致[26，34]。

土壤水分δD值随土层变化：雨前沿土壤剖面δD值并未表现出一致的变化规律，这主要与前期降水、土壤蒸发、植被水分利用等有关。因不同密度林分枯落物及土壤水文效应的差异，加之不同降雨量、强度及雨后蒸散发、水分运移等影响，雨后土壤剖面表现不尽相同。

由于低密度林分枯落物层相对较薄，且土壤蓄水和持水能力较弱(表3)，因此无论前期降雨如何，中到大雨后，降雨均在第1天入渗到深层土壤，表明低密度林分土壤蓄水性较差。随后两天涵养在枯落物及土壤上层的水分缓慢通过活塞流形式继续下渗到深层[21]，且因蒸发而富集，而下层土壤受到上层水分补给而贫化。此外，前期降水较多时，雨后第2天，混合水通过活塞流到达土壤中层后并未继续下渗到下层，多余的水分可能通过侧向流动形成壤中流，补给研究区坡面下土壤水分。

在前期土壤湿度较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天也可入渗到深层土壤，除高密度林分在15.4 mm雨后下降到中层土壤。然而，因较高气温及植被生长活动旺盛，前期降雨较少、土壤水分少，19 mm雨后第1天中高密度林分仅枯落物及表层土壤受到影响。这主要是因林分密度大截留较多，进入林内降雨减少，且枯落物及表层土壤蓄水和持水能力强，使得雨水在表层以上土层滞留时间长。而中下层土壤湿度增加可能是由于新的降水将原土壤上层的水分排挤至更深层造成。表明在土壤湿度低时，中密度林分土壤可较好的储存水分，而高密度林分在土壤湿度低或高时均能较好的调控土壤水分。

入渗降雨除了以活塞流形式下渗外，部分降雨可通过“快速通道”以优先流方式快速到达深层土壤[21]。本研究低密度林分，15.4和27 mm降雨后，下层土壤水分δD值比上层小，即存在优先流。而前期土壤较干旱时可能会阻止优先流的发生，李玉山[35]研究表明在高耗水型人工林的干燥土层中即使形成优先流，也会因水势梯度差，入渗到深层的水分被周围土体吸收。此外，大雨后中密度林分中层水分δD值接近降雨值，也存在优先流。这与Van[36]等研究结果一致，即在以天然降水为主要来源地区，遇到大雨或暴雨时，在有大孔隙土层中，即使土壤尚未达到饱和，大孔隙也可较快地充水同时快速排水。本研究形成大孔隙的原因可能是低中密度林分根系相对较发达，遇到强降雨时，水分可沿根系快速下渗，或植物根系老化和死亡在地下形成相互连通的大孔隙，或某些虫洞或孔道为优先流发生提供必要路径[37-38]，这有待进一步研究证实。

5 结论

雨季中后期，土壤温度随降雨产生先下降后升高，而旱季初期则持续下降。降雨前后高密度林分土壤温度均大于低中密度林分，且下层土壤具有保温效果。土壤湿度随降雨产生先增大后减小。雨旱季前期降雨较少时，表层湿度增加最多，前期降雨较多，小强度降雨可较快入渗全部土层，且高强度降雨也可贯穿所有土层。降雨前后土壤湿度均随密度增大而增加，且高密度林分表层湿度较大，可储蓄较多的水分来应对气候干旱，且可较好的避免不同降雨对土壤水分较大改变，以相对稳定的状态维持植被正常生长。

雨前土壤水分δD值与枯落物δD值趋势相同，由大到小为低密度林分、中密度、高密度，主要受蒸发影响。对于低密度林分，降雨在枯落物及土壤表层滞留时间较短，中到大雨后均能较快入渗到深层土壤，随后涵养在上层的水分以活塞流形式下渗，表明低密度林分土壤蓄水性较差。且在前期降水较多时，混合水到达土壤中层后可能通过侧向流动补给坡面下水分。在前期土壤湿度较大的雨季中后期和旱季初期，降雨在中高密度林分也可较快入渗到深层土壤，除高密度林分在前期降雨较多时下渗到中层。而在前期降雨较少时，降雨在中高密度林分枯落物及表层土壤滞留时间较长，即土壤湿度低时，中密度林分土壤可较好的储存水分，而高密度林分在土壤湿度低或高时均能较好的调控土壤水分。此外，在前期降水充足和高强度降雨后，降雨在低中密度林分中可通过优先流形式快速入渗，补给深层土壤。而泉水地下水几乎不受短期降水影响较稳定。

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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，林木遗传育种国家重点实验室(中国林业科学研究院林业研究所)，博士研究生。E-mail:tianchao9996@163.com。

孟平，林木遗传育种国家重点实验室(中国林业科学研究院林业研究所)，研究员。E-mail:cafmengping@hotmail.com。

2014年12月2日。

S714.3

1)林业公益性行业科研专项项目(201404206、201104009—04)资助。

责任编辑：潘 华。