清水河流域典型林分类型土壤水分特征研究

胡静霞，杨新兵

(河北农业大学林学院，河北省林木种质资源与森林保护重点实验室，河北 保定 071000)

【研究意义】清水河流域属于永定河水系，位于冀西北地区，是京津冀的北部屏障所在地。该区域的生态系统的健康与否关系着当地森林质量，对于整个京津冀地区的生态环境有着至关重要的作用。而清水河流域生态环境的关键点在于该流域的上游地区，上游地区的主要位置崇礼区则成了生态环境建设的重点区域。生态环境建设主要依托于森林植被的建设，崇礼区主要森林植被位于东沟和平林场(主要林分类型有落桦混交林(Larixprincipis-rupprechtiimayrandBetulaplatyphyllamixed forest)、山杨林(Pobulusdavidiana)、白桦林(Betulaplatyphylla)和华北落叶松林(Larixprincipis-rupprechtii)等)，土壤水分对植被的生长存在限制性作用，所以对不同林分类型的土壤水分研究成为必然趋势。【前人研究进展】土壤是植被的载体，土壤质量直接影响生态系统的稳定性，土壤水分是土壤质量的重要标志[1-4]。土壤水分是陆地生态系统最重要的因素之一，其时空变化研究在多个学科和应用领域有着重要的意义[5-7]。首先，土壤水分在干旱半干旱地区是植被生长的限制性因子，影响森林生态效益的正常发挥。其次，在不同水分条件下，植物的生长状况差异很大，其作为陆地水循环和水量平衡的一个重要组成部分，综合反映了生态系统的水文过程和生态过程[8-10]。【本研究切入点】目前，对于土壤水分的研究多集中在土壤水分对降雨的响应等方面；国外学者对土壤水分研究多集中在土壤水分的空间变化。对于清水河流域不同林分类型土壤水分研究还尚未见报道，本文以该地不同林分土壤水分变化为研究对象。【拟解决的关键问题】此次研究为2022年冬奥会提供土壤生态建设的数据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

清水河流域主要位于河北省张家口市崇礼区，东经115°23′26″～115°27′57.91″，北纬40°59′59.14″～41°00′34.05″，海拔在1499～1951 m，属于干旱半干旱地区，大陆性季风气候，冬季干旱，昼夜温差大，夏季凉爽短促，春秋多风。年均气温4.5 ℃，极端高温34.2 ℃，极端低温-32.6 ℃。地表水资源主要来自降水，浅层地下水位约15 m。土壤主要以栗钙土为主，土层厚度在30～100 cm。

和平林场研究区山脉为东西走向，阳坡以灌草为主，阴坡或半阴坡植被比较丰富。主要乔木树种有山杨(Pobulusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、云杉(Piceawilsonii)等，主要灌木树种为山杏[Armeniacasibirica(L.) Lam]、沙棘(Hippophaerhamnoides)、六道木(Abeliabiflora)等。

1.2 研究方法

2016年7-9月在对清水河流域进行基础生态调查的同时，选择该地区具有代表性的落桦混交林、山杨林、白桦林和华北落叶松林作为研究对象，布设50 m×50 m的样方，进行每木检尺，测量其胸径、树高、活枝下高、郁闭度和林层结构等(表1)。

对深度为0～80 cm土层进行土壤水分监测(试验林分土层一般小于80 cm)。在样地内埋设1 m长的TRIME探管，使用TRIME-FM土壤剖面水分速测仪对土壤水分进行动态监测。测量时按照0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm分别测量进行记录(2 d测量1次，若降雨则雨后第2天测定)。仪器采用铝盒取土烘干法进行校正。

土壤蓄水量计算公式：Wi=Vi×Hi

式中：Wi是指i层的土壤蓄水量；Vi是指i层的体积含水量；Hi是指i层的土层厚度

W=W1+W2+...+Wi

利用Excel 2016和SPSS 21.0软件对数据进行处理分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行差异显著性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同林分土壤水分特征

表1 观测地基本情况

表2 4种典型林分土壤含水量

由表2可知：白桦纯林的土壤平均含水量最大，为17.80 %，山杨纯林最小，为11.45 %，4种林分类型的土壤平均含水量大小排序为：白桦林>落桦混交林>华北落叶松林>山杨林。土壤蓄水量是土层中接纳或保留的水分总量，是植物蒸腾耗水和土壤蒸发的源泉，白桦纯林土壤蓄水量最大，为142.40 mm，山杨纯林最小，仅为91.60 mm。落桦混交林和白桦纯林平均土壤含水量为随土层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。山杨纯林与华北落叶松纯林规律正好相反，山杨纯林为随土层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，仅为7.71 %。华北落叶松纯林为随土层深度增加土壤含水量先增加后降低，20～40 cm土壤含水量达到最大，为17.19 %。

经过方差分析和多重比较得出，落桦混交林、山杨林、白桦林和华北落叶松林0～80 cm的土层蓄水量之间具有显著性差异(表3)。华北落叶松林与落桦混交林和山杨林土壤蓄水量之间显著性不明显，与白桦林之间土壤蓄水量有显著性差异；落桦混交林与山杨林和白桦林土壤蓄水量之间具有显著性差异(表4)。

表3 4种典型林分0～80 cm土壤蓄水量的方差分析

表4 4种典型林分土壤层蓄水量的多重比较

注：*均值差的显著性水平P< 0.05。

表5 典型纯林和混交林、阔叶林和针叶林不同土层的蓄水量

注：纯林指的是山杨纯林、白桦纯林和华北落叶松纯林；阔叶林指的是山杨纯林、白桦纯林。

由表5可知，该区域典型的纯林土壤蓄水量在0～80 cm为1115.24 mm，落桦混交林为1129.73 mm，相比纯林多消耗了14.49 mm的土壤水分；但0～10 cm的土层纯林的土壤蓄水量为120.39 cm，落桦混交林的土壤蓄水量为100.45 cm，纯林相比落桦混交林多消耗了19.94 cm的土壤水。阔叶林土壤蓄水量在0～60 cm为847.51 mm，针叶林(华北落叶松林)为864.00 mm，相比针叶林，阔叶林多消耗了16.49 mm的土壤水；0～10和0～80 cm土层，阔叶林土壤蓄水量分别为：144.50、1150.78 mm。针叶林土壤蓄水量分别为：72.18、1044.18 mm，相比阔叶林，针叶林在土壤表层和0～80 cm深度分别多消耗了72.32、106.60 mm的土壤水。

2.2 不同林分类型土壤水分时间变化

表6 不同林分土壤含水量时间动态变化

表7 2016年8-9月期间降雨量

土壤水分受各种环境因子的影响[11]，本研究主要分析土壤水分受降雨量的影响。表6为清水河流域4种典型林分类型落桦混交林、山杨林、白桦林和华北落叶松林在2016年8月24日到9月24日的土壤水分动态变化，表7为此期间的降雨量。由表6和7可知，白桦林的土壤含水量最高。各林分在8月24日测量的土壤含水量较高，之后随时间增加开始下降，到9月4日降雨前达到最低点；9月5日降雨后土壤含水量开始升高，经过9月17日24.84 mm的降雨量，9月20日测定的土壤含水量较高，经过9月23日14.60 mm的降雨量，次日测得的土壤含水量在20日基础上有所下降。土壤含水量与降雨量呈现正相关关系，降雨量大则土壤含水量大，降雨量小则土壤含水量小。降雨量小于10 mm时8月24日4个林分类型0～10 cm土层含水量均大于27日，降雨量大于等于10 mm小于24.9 mm时9月20日4个林分类型10～20 cm土层含水量均大于17日降雨前。

2.3 不同林分类型土壤水分垂直变化

在土壤垂直剖面上，上层土壤受外界影响大，随着深度的增加土壤所受的环境影响减弱，一般来讲，随着深度的增加，土层平均含水量的变化幅度减少[12]。由图1可知，4个林分类型在0～80 cm随深度增加呈波浪形变化，其中华北落叶松林变化幅度最大。在0～40 cm土层范围内，白桦林土壤含水量明显高于其他3个林分，40～60 cm华北落叶松林土壤含水量最大，60～80 cm白桦林土壤含水量最大。山杨林在20～40 cm处土壤含水量最小，之后随深度的增加，土壤含水量逐渐增加；落桦混交林和白桦林变化规律一致，从表层土到20 cm深度，土壤含水量逐渐增加，之后开始减少，在40～60 cm处达到最低，随后逐渐增加；华北落叶松林从表层土到40 cm土壤含水量随深度增加而增加，之后开始随深度的增加土壤含水量开始减少。

图1 不同林分土壤含水量随深度变化情况Fig.1 Changes of soil water content with depth in different stands

由表8可以看出，整体上各林分土壤含水量变异系数随土层深度增加而减小(山杨林和白桦林的20～40 cm除外)，落桦混交林土壤含水量的变异系数在0～10 cm处最大，但山杨林和白桦林在20～40 cm变异系数最大，分别达到0.42和0.31，华北落叶松林则是10～20 cm处最大为0.36。落桦混交林和华北落叶松林的变异系数波动幅度较山杨林和白桦林大。

根据变异系数的大小可以将 80 cm 土层划分为土壤水分剧烈变化层( 变异系数大于0.25) 、土壤水分弱变化层( 变异系数介于 0.25～0.10) 、土壤水分相对稳定层( 变异系数小于 0.1)[13]。由此可知各林分类型土壤水分剧烈变化层为：落桦混交林的0～10和10～20 cm土层、山杨林的0～10、20～40和40～60 cm土层、白桦林的20～40 cm土层、华北落叶松林的0～10、10～20和60～80 cm土层；各林分类型土壤水分弱变化层为：落桦混交林的20～40和40～60 cm土层、山杨林的10～20和60～80 cm土层、白桦林的0～10、10～20、40～60和60～80 cm土层、华北落叶松林的20～40和40～60 cm土层；各林分类型土壤水分相对稳定层为：落桦混交林的60～80 cm土层。

3 讨 论

3.1 不同林分土壤水分特征

土壤水分不仅影响植物的生长和发育，还限制着植被的种类、数量和分布[14]。4个林分的土壤含水量由于林分类型的不同从而导致土壤含水量的差异，和植被类型、坡度、植被覆盖度等因素相关[15]。白桦林土壤体积含水量最高，可能是因为白桦林下土壤毛管孔隙度大，持水量较大，从而其土壤体积含水量高。4个林分整体上在10～40 cm处含水量最高，可能是由于高山植被根系分布较浅，主要分布在此深度，根系的持水能力较强，使土壤水分主要分布在10～40 cm土层。落桦混交林和华北落叶松林土壤表层含水量低，原因可能是华北落叶松林的郁闭度较低，接受的太阳辐射较强，土壤蒸发较大，土壤含水量降低；落桦混交林林下灌草丛覆盖度较低，导致了表层土壤水分的蒸发，都有可能导致土壤含水量的降低。

表8 不同林分类型不同深度土壤含水量的统计特征

注：c.v.:变异系数，M：均值，Max：最大值，Min：最小值，D：极差。

落桦混交林与山杨林和白桦林土壤蓄水量具有显著性差异，原因可能是落桦混交林中存在针叶林(华北落叶松林)，与阔叶林在持水方面具有差异性，所以导致土壤蓄水量的显著性差异。纯林土层蓄水量在0～10和0～60 cm大于混交林，其他土层均小于混交林，可能是因为混交林由于不同树种对水分的截留能力不同，混交林对土壤水分的吸收利用主要在土壤表层，混交林中针叶林的枯落物不易分解，油脂较多，不易保持土壤表层的水分，是水分蒸发或是下渗，最终导致混交林在土壤表层的蓄水量小于纯林。

阔叶林整体上土壤蓄水量高于针叶林，可能是由于阔叶林蓄水能力强于针叶林，且阔叶林的枯落物分解较快，可以更多的将土壤表层的水分截留，从而加大土壤层的蓄水量。同时阔叶林林下灌草丛覆盖度高，可以降低阳光辐射，减少蒸发。这一结果与莫保儒等的半干旱黄土区成熟柠条林地土壤水分利用及平衡特征相一致[16]。

3.2 不同林分类型土壤水分时间变化

随着时间的变化白桦林的土壤含水量一直保持首位，说明白桦林的持水能力和涵养水源的功能。白桦林土壤含水量高，可能是因为白桦林土壤入渗能力强于其他3个林分，同时也可能是由于测定土壤水分的探管插放的坡度较小，位于下坡位，而上坡的土壤水分要低于下坡的土壤水分[17]。

土壤含水量随降雨量增加而增加，主要是因为降雨量的增大，地表径流增加，土壤入渗增加，土壤含水量增加是必然现象；同时降雨天气少太阳辐射，减少土壤蒸发，对土壤含水量的增加起到推进作用。土壤含水量在降雨前达到低点，可能是由于长时间未降雨，太阳辐射、土壤蒸发、植物蒸腾、植物生长所需水分均是来自于土壤含水量，从而导致土壤含水量的降低。两次降雨之间间隔时间的长短也会影响所测土壤含水量，间隔时间长则所测土壤含水量低，间隔时间短则更接近降雨后所测值。

降雨量小于10 mm时4个林分类型0～10 cm土层含水率均大于27日，说明降雨量小时表层土含水量对降雨量敏感性强，可能是降雨量小，水分入渗有限，土壤表层吸收，对深层土壤含水量无法产生影响；大于等于10 mm小于24.9 mm时4个林分类型10～20 cm土层含水量均大于17日降雨前，说明中等降雨量时，10～20 cm土层含水率对降雨量敏感性强，原因可能是植被一部分根系分布在此，降雨量大时只被吸收传输到土层，同时表层土壤含水量达到饱和，水分下渗，达到更深层土壤中。和黄土高原水土保持林对土壤水分的影响研究结果具有一致性[18]。

3.3 不同林分类型土壤水分垂直变化

在土壤水分的垂直变化中华北落叶松的变化幅度较其他3个林分都大，可能是因为华北落叶松的根系主要分布层腐殖质层内土壤水分变化较大，导致整体上华北落叶松林下土壤水分变化幅度大[19]。华北落叶松林土壤水分的变化趋势可能是因为其细根主要分布在土壤表层，且华北落叶松林林下灌木和草本植物稀少，土壤蒸发较大，所以表层土壤水分小，随着深度的增加，土壤水分逐渐保持，到40 cm达到峰值，随后深度增加，土壤水分入渗有限，且植被主根分布在土壤深层，林木耗水和蒸腾作用，导致土壤水分的减少。白桦林在0～40 cm土层含水量明显高于其他林分，主要可能是白桦林下枯落物层厚，灌木和草本植物种类多样，减少了土壤水分的蒸发。

变异系数能够良好的反映各层次土壤水分的稳定性，能够反映单位均值上的离散程度，变异系数越大，说明观测数据的离散性越大，即土壤水分含量的变化越剧烈，反之则越小[20]。落桦混交林和华北落叶松林均在表层(0～20 cm)土壤水分变异系数最大，说明其土壤水分含量变化剧烈，可能是因为华北落叶松林郁闭度小，林冠遮荫较小，落桦混交林林下枯落物层较薄，受外界气候条件影响较大，从而导致土壤表层含水量变化剧烈。山杨林和白桦林土壤含水量变化幅度较小，可能是因为这两种林分为阔叶林，郁闭度较高，林下灌草种类多，对土壤水分有截留的作用。

山杨林和白桦林的土壤水分剧烈变化层为表层和表层以下40 cm，原因可能是阔叶林枝叶茂盛，四季变化明显，植物蒸腾作用强烈，而其根系主要分布在20～80 cm层，所以林木根系耗水具有强烈的时间性，导致土壤水分的强烈变化。由于所观测地为山地，土层较薄，所以土壤水分稳定层较少。与黄土高原沟壑区林地土壤水分特征的研究(I)——土壤水分的垂直变化和季节变化特征研究结果相一致[21]。

4 结 论

(1)4个林分的土壤蓄水量最大的为白桦林(142.40 mm)，最小的为山杨林(91.60 mm)，其土壤平均含水量大小顺序为：白桦林>落桦混交林>华北落叶松林>山杨林；华北落叶松林土壤蓄水量与白桦林之间有显著性差异；落桦混交林与山杨林和白桦林土壤蓄水量之间具有显著性差异。

(2)4个林分中白桦纯林的土壤含水量最高，土壤含水量与降雨量呈现正相关关系，降雨量大则土壤含水量大，降雨量小则土壤含水量小。

(3)4个林分类型中华北落叶松林土壤水分的垂直变化幅度最大，在0～40 cm土层范围内，白桦林土壤含水量最高，40～60 cm华北落叶松林最大，60～80 cm白桦林最大；在20～40 cm处山杨林土壤含水量最小。

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