林分结构变化对杉木人工林土壤水分影响的模拟1)

乔卫阳 成向荣 虞木奎

(浙江省开化县林场，浙江开化，324300) (中国林业科学研究院亚热带林业研究所)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方地区重要的商品用材树种，其生长快、产量高、材质好[1]。据第七次全国森林资源清查数据，全国杉木人工林面积为8.54×106hm2，占全国造林面积的21.35%[2]。杉木集约经营对促进木材生产发挥了积极作用，但是，同一林地连续种植杉木林易导致土壤质量退化、林分生产力降低等问题日益突出[3-6]。许多研究表明，改变纯林单一林分结构，营造混交林或者构建复层异龄林对改善林地土壤肥力，提高林地生产力和林分稳定性发挥了重要作用[7-10]。同时，林分结构改变也影响降水分配、地表径流以及土壤水分消耗和补给等森林水文过程[11]。

林地土壤水分动态变化与林木生长密切相关，也是反映林地生产力的重要指标[12-13]。在生长季节，当土壤含水量30%～40%时，杉木生长迅速；当土壤含水量25%～30%时，杉木生长速率一般；当土壤含水量25%以下时，杉木生长速率明显下降[13]。随着栽植代数增加，杉木林地土壤供水和保水能力下降，生产力降低[14]；不同杉木混交林地土壤持水和供水能力具有一定差异[15]；杉木人工林土壤含水量与气温和太阳辐射呈负相关，与降水量相关性不显著，土壤水分蒸发与气温呈正相关[16]。虽然这些研究对深入认识杉木人工林土壤水分动态及其与林地生产力关系具有重要意义，但对混交林土壤水文过程的认识还较为有限，尤其是杉木纯林改造为复层异龄林后，林地土壤水分动态过程研究更是少见。现有的少量研究主要采用“环刀法”来测定土壤水分物理性质变化[8,10]，复层林土壤水分动态监测和水量平衡等方面仍缺乏系统研究。

定量评估林分结构调控对林地土壤水文动态变化过程的影响，需要长期的定位观测资料。对于缺乏观测资料的地区，模型模拟为林地土壤水文动态变化的研究提供了有效的手段[17]。在众多模拟土壤水分运动和平衡的模型中，Flerchinger et al.[18]根据植被冠层结构和分布特点，建立土壤、植被冠层可任意划分层次的SHAW模型。该模型对系统各层结构之间物质能量传输的物理过程有清晰的数学表述，模型需要输入的边界层要素可从常规气象站获取，输入的土壤植被特征参数较容易确定，而且模型层次结构较易根据具体的土壤植被结构进行调整，适应性强[19-20]。本文以钱塘江上游的开化县杉木人工林为研究对象，采用SHAW模型，对杉木纯林改造为杉木阔叶树复层异龄林后的林地土壤水分动态模拟，以期为定量评估杉木林分结构调控对林地土壤水文过程的影响提供参考，也为该区域水源涵养林建设提供依据。

1 研究区概况

试验区位于浙江省开化县林场城关分场。开化县属中亚热带常绿阔叶林带北部亚地带、浙皖山丘青冈苦槠林植被区，主要以苦储(Castanopsissclerophylla)、甜储(Castanopsiseyrei)、青冈(Quercusglauca)、木荷(Schimasuperba)、杉木等树种为主。开化县林场经营山林面积1.27×104hm2，森林蓄积量1.26×106m3，森林覆盖率91.8%。现有人工林70%左右是杉木用材林。试验区年平均气温16.4 ℃，年降水量1 814 mm，年平均无霜期252 d，年平均日照时间1 334.1 h，气候属亚热带季风气候。土壤为红黄壤，pH为4.0～4.9。

2 研究方法

2.1 模型介绍

SHAW模型描述垂直方向一维的冠层、雪被、枯落物、地表到土壤一定深度的水热传输过程。它以植被冠层以上的大气为上边界，以地表下土层为下边界，采用上边界以上的气象条件和下边界的土壤状况来确定系统的水热通量，步长为日或小时。该模型将土壤-枯落物-植被冠层分为若干层，计算各层次间的水热传输。模型需要输入的气象数据包括气温、风速、相对湿度和太阳总辐射。SHAW模型的详细描述见文献[18]。

(1)植被冠层中水量通量的变化的描述为：

式中：z为从冠层顶到下一层的垂直距离，ke为冠层内的传输系数，ρv为水汽密度，El为冠层内叶面蒸腾量，t为时间。

(2)地表枯落物层中水量通量的传输过程描述为：

(3)土壤中水量通量的传输过程表示为：

式中：θl为土壤体积含水率，K为土壤非饱和导水率，ψ为土壤基质势，ρi为冰的密度，θi为体积含冰率，ρl为水的密度，qv为水汽通量，z为土层深度，U为水通量的源汇项(根系吸水项)。

2.2 数据收集

供试杉木林分林龄17 a，林木密度为1 520株/hm-2，平均树高15.6 m，平均胸径16.8 cm，叶面积指数4.8；由于根系主要集中在1 m深土层以内，根系最大分布深度取1 m。

2009年，在15年生杉木纯林内建立3个5 m×20 m的径流场(东北向，坡度18°～20°)测定降水后的径流量。土壤水分采用土壤水分传感器(5TE， 美国)自动监测，测定深度5、20、40、60 cm。在径流场外邻近地块分别挖3个土壤剖面，按照这4个土壤深度分别用环刀取样，用于饱和导水率、饱和含水量和土壤密度的测定[21]。同时分层采集土样自然风干过筛后，采用重铬酸钾氧化法测定有机质含量[22]，采用Mastersizer 2000激光粒度仪测定土壤机械组成。研究区土壤属红黄壤，质地为粉沙壤土。土壤基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质

注：表中数值为“平均值±标准差”。

气象资料来自试验林附近自动气象站观测结果，本研究采用2010—2014年日观测数据(包括太阳辐射、气温、相对湿度、降水量、日照时间、风速等)。

由于缺乏杉木复层异龄林土壤水分及其他指标的动态监测数据，为此，在杉木纯林土壤水分模拟验证的基础上，以邻近地区杉木-山杜英(Elaeocarpussylvestris)复层异龄林生长数据为参考，开展杉木复层异龄林土壤水分动态模拟研究。杉木复层林下山杜英密度2 500株·hm-2，8年生山杜英平均高4.7 m，平均胸径4.5 cm，叶面积指数6.9。

2.3 模型评价

为评价模型的模拟效果，分别用均方根差(RMSE)，平均偏差(MBE)和平均误差(RMAE)来评价模型估计的精度。

式中：Mi和Ei分别为第i次测定值与模拟值，N是观测的次数。

3 结果与分析

3.1 模型验证

2010—2014年杉木纯林不同深度土壤含水率模拟值与实测值的比较见图1和图2。由图1和图2可知，表层土壤水分模拟结果偏差相对较大，随土壤深度增加，模拟值与实测值的差异减小，模拟值与实测值线性相关系数(R)，随土壤深度的增加而增大，总体上土壤水分被过高估计。不同年份之间由于降水分配差异，导致土壤水分消耗和补给不同，模型模拟的土壤水分结果也有一定差异。2011年和2013年土壤水分模拟的均方根差和平均偏差较小，而其他年份的均方根差和平均偏差相对较大，模拟期平均绝对误差在13.5%～16.8%，平均为15.4%。由此可见，土壤水分模拟值与实测值吻合的较好，SHAW模型可以准确模拟杉木人工林土壤水分的动态变化。

图1 不同深度土壤水分模拟值与实测值变化趋势

图2 不同深度土壤水分模拟值与实测值

年份均方根差/m3·m-3平均偏差/m3·m-3相对平均绝对误差/%20100.0420.01014.720110.037-0.00513.520120.0460.01816.720130.0370.01115.120140.0440.01116.8平均值0.0410.00915.4

3.2 复层林土壤水分模拟

从图3可知，模拟期内杉木复层林土壤储水量高于纯林。整个土壤剖面纯林日平均储水量在65.3～225.4 mm，平均为122 mm；复层林变化在76.6～231.1 mm，平均为131.4 mm；不同年份之间复层林比纯林土壤储水量增加8.7～10.4 mm，平均为9.4 mm。可见，复层林构建增加了土壤的储水能力。

3.3 纯林和复层林土壤水量平衡

由表3可知，复层林年均蒸散量比纯林增加36.4 mm，土壤水分深层渗漏量减少115.6 mm；纯林和复层林土壤水分的年变化量和地表径流量差异不大。复层林蒸散量的增加原因与冠层叶面积指数增大有关。由于复层林不仅降低了林内雨滴动能，减缓了土壤水分输入速率，而且增加了土壤孔隙度和土壤持水能力，由此导致土壤水分深层渗漏量减少[10]。

3 结论与讨论

SHAW模型可以较好地模拟杉木人工土壤水分动态，模拟值与实测值间的均方根差、平均偏差、和相对平均绝对误差分别为0.041 m3·m-3、0.009 m3·m-3和15.4%。对拉萨河谷冬小麦(Triticumaestivuml)[23]、黄土高原绿豆(Echeveriaamoena)[19]、苜蓿(Medicagosativa)和柠条(Caraganakorshinskii)[24]等土壤水分动态模拟都取得了较好的效果；利用该模型对美国和加拿大等地植被恢复过程中水分模拟也取得了令人满意的结果[18，25]。由此可见， SHAW模型具有较强适用性，模型参数也容易获取，可以用于我国亚热带地区人工林生态系统土壤水分动态模拟研究。

表3 纯林和复层林土壤水量平衡

图3 杉木纯林和复层林土壤储水量比较

杉木纯林改建为复层林，增加了土壤储水量，也增大了水分消耗(蒸散)，但减少了土壤水分深层渗漏，总体上复层林构建有利于森林水源涵养。Dünisch et al.[26]研究发现，圭亚那栋树(Carapaguianensis)混交林蒸散量高于纯林，混交林水分通量的年内变异低于纯林。但Grossiord et al.[11]认为，在生态系统水平下，多树种混交林(2～5个树种)蒸散量和水分利用效率与纯林在幼林期没有显著差异。这与幼林期的树种混交对林分水量平衡影响相对较小有关。但是，有学者认为，选择适宜的伴生树种构建复层林可以显著改善土壤水分物理性质。徐雪蕾等[8]在福建省将乐的研究发现，杉木林下套种草珊瑚可以有效改善林地土壤理化性质，土壤含水率和土壤孔隙度分别比杉木纯林提高了76.3%和62.4%；葛乐等[7]也认为，杉木复层异龄林提高了土壤孔隙度；复层林构建增加了林下植被生物量，意味着根系生物量增大，增加了对土壤的穿插分割作用，同时，根系死亡分解后形成的通道使土体中孔隙增加，进而提高了土壤蓄水能力[9]；对红松(Pinuskoraiensis)-水曲柳(Fraxinusmandschurica)混交林涵养水源功能的研究也得出类似结论[27]。

本文仅研究了复层林伴生树种中龄期土壤水分的变化，而复层林整个培育周期内土壤水分利用和消耗动态还有待于进一步研究。虽然从坡面尺度开展了复层林构建对水文过程影响的初步研究，但在较大尺度上林分结构变化如何影响区域水循环及其水文过程还需要深入探讨；尽管模型模拟为定量评估林分结构变化后土壤水分及水量平衡过程提供重要参考，但模拟结果也需要更多实测数据来加以验证。因此，今后应进一步加强林地水文过程动态监测，为区域森林植被生态服务功能准确评估提供科学依据。