六盘山半干旱区华北落叶松林坡面土壤含水量的降雨响应

2023-05-29石建周刘贤德于澎涛王彦辉

干旱区研究 2023年4期

石建周，刘贤德，田青，于澎涛，王彦辉

（1.甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070；2.中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所，北京 100091；3.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃张掖 734000)

土壤水分作为土壤-植被-大气连续体的一个重要组分［1］，是限制干旱半干旱区森林植被恢复和生长的关键因子［2］。大气降雨作为土壤水分的重要来源［3］，深刻影响着土壤含水量的大小和其坡位差异，进而影响森林植被的稳定性［4］。

近年来，越来越多的学者开始关注旱区的土壤水分变化及其降雨响应特征，例如在黄土丘陵区，天然草地坡面的土壤水分明显存在下坡＞中坡＞上坡的坡位差异［5］；随着土层深度的增加，乔木林地土壤含水量先迅速降低后趋于平稳，灌木林地土壤含水量呈先降低后升高，而撂荒草地和农地土壤含水量先逐渐升高后趋于稳定［6］；农耕地的土壤含水量始终高于撂荒地，同时其土壤含水量增量和响应深度均随降雨量增加而呈增大趋势［7］；在太行山区南麓，降雨是土壤水分的主要来源，降雨量是影响土壤水分补给深度的决定因素，对应0～10 mm、10～25 mm、25～50 mm、＞50 mm 的4 个降雨量级，荆条灌丛土壤水分补给深度分别为10 cm、20 cm、60 cm、80 cm［8］；在荒漠草原区，降雨的土壤水分影响主要集中在浅层（0～40 cm），而在深层影响较小［9］。目前，对土壤水分动态及其降雨响应的研究集中在荒漠草原和黄土高原等干旱半干旱区［8］，而在六盘山这样的土石山区研究森林坡面的土壤水分降雨响应还较少。

六盘山区是我国西北地区的主要水源地和水源林区，在这里已开展了有关土壤水分变化的一些监测与研究，如在半干旱区，表层土壤含水量对降雨响应明显，且各土层的降雨响应存在时间滞后，同时在大雨条件下有明显的侧向流发生［10］；土壤前期的含水量会影响到土壤含水量对降雨响应的时间［11］。但这些研究集中在样地尺度上，还缺乏坡面尺度上的土壤含水量降雨响应研究。坡面是森林植被恢复、林业生产规划、流域内水资源和森林植被综合管理的基本空间单位［12］，旱区坡面上的森林植被生长特征的坡位差异与土壤水分条件紧密相关。因此，研究坡面土壤水分的降雨响应，对合理确定不同坡位的土壤水分植被承载力以及指导基于水分承载力的林水协调管理有重要意义。

本研究在宁夏六盘山半干旱区叠叠沟小流域，选择华北落叶松林的典型坡面，探讨在生长季内不同坡位的土壤含水量动态变化及其对次降雨量的响应，量化降雨量大小对土壤水分的补给作用，以期为理解旱区森林坡面上土壤含水量的降水响应规律提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏六盘山北部的叠叠沟小流域（106°4′55″～106°9′15″E，35°54′12″～35°58′33″N），小流域面积为25.4 km2，海拔为1975～2615 m，坡度变化范围约10°～42°，土壤类型为灰褐土和黄土。气候属于半干旱大陆性季风气候，年均气温7.9 ℃，年均降水量451 mm，降雨主要集中在6—9月，无霜期130 d（2002—2019年，固原气象站）。

在该小流域内，乔木林多分布在水分条件相对较好的阴坡或半阴坡，约占小流域面积的6.1%，以华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）、油松（Pinus tabuliformis）、白桦（Betula platyphylla）、青海云杉（Picea crassifolia）等人工林为主；灌丛约占小流域面积的18.4%，以自然生长的沙棘（Hippophae rhamnoides）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）等为主；天然草地主要分布在阳坡和半阳坡，约占小流域面积的58.7%，主要种类包括披针叶苔草（Carex lancifolia）、穗花马先蒿（Pedicularis spicata）和铁杆蒿（Artemisa vestita）等［10］。

1.2 样地设置

在叠叠沟小流域，选择了一个半阴坡、平均坡度27°的华北落叶松人工林典型坡面，在其上坡、中坡和下坡坡位，各布设1 个20 m×20 m 的标准样地（表1）。该坡面的林分平均密度为1792株·hm-2，林龄32 a，林冠郁闭度平均为0.75；平均树高7.81 m，平均胸径10.7 cm，平均枝下高2.3 m，平均冠幅直径为2.9 m。林下灌木主要有绣线菊（Spiraea salicifolia）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、蔷薇（Rosa multiflora）等，盖度约5%；林下草本层主要有针叶苔草（Carex lancifolia）、穗花马先蒿（Pedicularis spicata）等，总盖度约80%，草本生物量约3.85 t·hm-2；枯落物平均厚度3.46 cm，枯落物生物量约为9.89 t·hm-2。

表1 研究坡面不同坡位的华北落叶松人工林样地信息Tab.1 The plot information of Larix principis-rupprechtii plantation on different slope positions

1.3 降雨量测定

在林外开阔处，安装一台Wheatherhawk-232（Campbell Scientific，美国）自动气象站，连续定位监测降雨量等气象因子，数据记录频率为5 min 1 次。本研究观测时段为2021年5月1日至10月31日。

根据Zhu 等［13］在黄土高原等地区的研究，规定将时间间隔＞6 h 的降雨作为2 次独立降雨事件。根据国家气象局划分标准，日降雨量＜10 mm 为小雨，10～25 mm为中雨，25～50 mm为大雨，＞50 mm为暴雨。本文参照研究期间降雨等级分布，从50场降雨事件中选取至少前一天无降雨的小雨5 场（5/36场）、中雨6 场（6/11 场）、大雨2 场（全部）、暴雨1 场（全部），分析土壤水分含量对不同降雨事件的响应过程。

1.4 土壤含水量测定

考虑到华北落叶松的根系主要分布在60 cm土层以内，于2020年5月在研究坡面的上坡、中坡、下坡3 个样地，按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 土层深度，布设土壤水分监测仪器5-TE（Decagon，美国），并用EM50 数据采集器（Decagon，美国）记录各层土壤含水量变化，数据记录频率与降雨量监测频率同步。为减少土壤扰动影响土壤水分监测，传感器安装在相应位置后，将原来的土壤回填，使用数据时间段为2021年5月1日至10月31日。

为描述土壤含水量的降雨响应程度，用土壤水分增量（VWCad，mm）表征次降雨的土壤水分补给。

式中：VWCa为某次降雨后的土壤体积含水量的峰值（m3·m-3）；VWCb为某次降雨前的土壤体积含水量（m3·m-3）；h为土层厚度（mm）。

1.5 土壤物理性质测定

2021年6月，在每个坡位样地中，沿对角线挖3个土壤剖面（宽0.8 m、长1 m、深1 m），土壤厚度不足1 m 时挖深至基岩风化层，然后记录土壤分层结构，并利用机械分层的方法在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 处，使用100 cm3环刀取原状土，每层3 个重复，带回室内测定土壤水分、容重、孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田间持水量等水文物理性质（表2）。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 21 进行数据整理和统计分析，采用单因素方差分析比较不同坡位各土层土壤含水量之间的差异显著性，采用Origin 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 降雨特征

在2021 年生长季（5—10 月），叠叠沟小流域发生降雨事件50 次，总降雨量443.7 mm，但各月降雨量分配不均，在5—8 月降雨稀少，累计降雨量仅147.7 mm（占33.3%）；而在9—10 月降雨较集中，累计降雨量296 mm（占66.7%）（图1a）。

图1 2021年生长季内降雨分布及华北落叶松林坡面不同坡位各层土壤含水量动态变化Fig.1 Rainfall distribution in the growing season of 2021 and the variation of soil water content in different soil layers at different positions on the slope covered by Larix principis-rupprechtii plantations

研究期间以＜10 mm 的小降雨事件为主，共36场，占总降雨场次的72%；累计降雨量138.7 mm，占总降雨量的31.3%。降雨量10～25 mm 的中雨共11场，累计降雨量173 mm，占总降雨量的39%。降雨量25～50 mm的大雨共2场，降雨量分别为34 mm和41 mm，占总降雨量的16.8%；降雨量＞50 mm 的暴雨共1场，降雨量57 mm（图2）。

图2 2021年生长季内的降雨特征Fig.2 Rainfall characteristics during the 2021 growing season

2.2 土壤含水量时空变化特征

0～60 cm土层的平均土壤含水量有明显的生长季内变化（图1），整体表现为先降低后升高的趋势。其中，在5—8 月土壤含水量持续降低，其平均值为0.149 m3·m-3，变化范围为0.109～0.226 m3·m-3；在降雨较集中的9—10月，土壤水分整体得到补充，平均值为0.196 m3·m-3, 变化范围为0.136～0.236 m3·m-3。

各土层平均土壤含水量在不同坡位之间差异显著（表3）。其中，上坡0～60 cm土层平均土壤含水量（0.191±0.044）m3·m-3显著高于中坡（0.158±0.045）m3·m-3，中坡显著高于下坡（0.146±0.034）m3·m-3，上坡、中坡和下坡的0～60 cm 土层平均土壤含水量变化范围分别为0.132～0.278 m3·m-3、0.095～0.238 m3·m-3和0.097～0.210 m3·m-3。

表3 2021年生长季不同坡位处的各层土壤含水量特征Tab.3 Characteristics of soil water content in each layer at different slope positions in growing season of 2021

土壤含水量随土层加深而逐渐增大（图1）。其中0～10、10～20 cm 土层的土壤含水量波动剧烈，平均值分别为0.121 m3·m-3、155 m3·m-3，变化范围分别为0.065～0.222 m3·m-3、0.099～0.235 m3·m-3；20～40 cm、40～60 cm 土层的土壤含水量对降雨响应不敏感，土壤含水量相对稳定，平均值分别为0.178 m3·m-3、0.206 m3·m-3，变化范围分别为0.117～0.243 m3·m-3、0.146～0.274 m3·m-3。

2.3 各层土壤含水量对降雨量的响应

2.3.1 小雨条件下的各层土壤含水量响应由图3可知，10 mm 以下的小降雨事件仅能补给0～20 cm土层的土壤水分，对20 cm 以下土层无明显的水分补给作用。降雨的土壤水分补给在不同坡位之间有明显差异，小雨对上坡、中坡、下坡0～20 cm 土层土壤水分均有补给作用，使每10 cm 土层平均土壤水分分别增加3.4 mm、2.5 mm、3.0 mm。总体而言，小降雨事件的水分补给作用对上坡最强，其次是下坡，中坡最弱；同时，随着降雨量的增加，土壤水分的补给作用逐渐增强。

图3 小雨条件下各层土壤含水量对降雨量的响应Fig.3 Response of soil water content to rainfall depth under light rainfall events

2.3.2 中雨条件下的各层土壤含水量响应由图4可知，中雨（10～25 mm）对上坡、下坡20 cm以上土层均有明显的水分补给，但对20 cm 以下土层土壤水分无明显补水作用；在中坡，对0～60 cm土层土壤水分均有明显补给。在中雨条件下，使上坡0～10 cm、10～20 cm 土层土壤水分分别平均增加4 mm、3.8 mm；下坡相应土层土壤水分分别平均增加4.2 mm、1.5 mm；使中坡0～60 cm各层平均土壤水分每10 cm土层分别增加2.2 mm、2.3 mm、2.6 mm、3.6 mm。随着土层加深，上坡、下坡的土壤水分补给作用均逐渐减弱，但中坡的土壤水分补给作用逐渐增强。表明中坡的土壤含水量可能受到优先流或坡面径流汇集的影响。

图4 中雨条件下土壤含水量对降雨量的响应Fig.4 Response of soil water content to rainfall depth under moderate rainfall events

2.3.3 大雨条件下的各层土壤含水量响应大雨（25～50 mm）事件有2 次，其对上坡、中坡和下坡0～60 cm 土层的土壤水分有明显补给作用（图5a、图5b）。2次大雨事件对土壤水分补给作用在下坡（及41 mm 降雨事件中的上坡）表现为随土层加深而减弱，但在中坡表现为随土层加深先增加后减少（34 mm 降雨事件）或一直增加（41 mm 降雨事件），在上坡表现为先减小后增加。

图5 大雨（a、b）、暴雨（c）条件下各层土壤含水量对降雨量的响应Fig.5 Response of soil water content to rainfall depth under heavy rain events(a,b)and rainstorm event(c)

当单场降雨量为34 mm 时，上坡0～60 cm 各土层土壤水分分别增加7.0 mm、6.9 mm、0.6 mm、10.2 mm，中坡相应增加2.1 mm、2.4 mm、3.6 mm、2.0 mm，下坡相应增加7.6 mm、1.8 mm、1.3 mm、0.8 mm；当单场降雨量为41 mm 时，上坡0～20 cm 各土层土壤水分分别增加11.9 mm、11.2 mm，中坡0～60 cm各土层土壤水分分别增加5.0 mm、6.5 mm、6.1 mm、7.4 mm，下坡0～40 cm 各土层土壤水分分别增加11.4 mm、3.9 mm、1.7 mm。表明中坡的（10～20 cm）土壤含水量在大雨条件下可能受到优先流或坡面径流汇集的影响。

2.3.4 暴雨条件下的各层土壤含水量响应暴雨事件仅观测到1次，其降雨历时为4 h，降雨量为57 mm（图5c、图6），对上坡、下坡0～40 cm 土层均有明显的土壤水分补给，但40 cm 以下土层的土壤水分无响应；在中坡，对0～60 cm土层均有土壤水分补给作用。使上坡0～40 cm 各层土壤水分每10 cm 土层分别增加9.0 mm、8.5 mm、10.2 mm；下坡0～40 cm各层土壤水分每10 cm 土层分别增加9.1 mm、4.4 mm、2.5 mm；中坡0～60 cm各层土壤水分每10 cm土层分别增加3.3 mm、3.7 mm、6.2 mm、4.9 mm。同时，随着土层深度增加，土壤含水量开始响应降雨的时间越来越滞后。

图6 不同坡位样地的各层土壤含水量对暴雨降雨过程的响应Fig.6 Response of soil water content in different soil layers at different slope positions to a rainstorm event

3 讨论

3.1 土壤含水量坡位差异的影响因素

在华北落叶松生长季内，坡面0～60 cm土层土壤含水量坡位差异显著，表现为：上坡位＞中坡位＞下坡位，这是因为土壤含水量受气象（降雨、气温、潜在蒸散等）、植被类型、林分结构以及土壤物理性质等多种因素的影响［14-15］。本研究区生长季降雨量443.7 mm，平均土壤含水量19.3%，是田间持水量（38.6%）的50%，属于干旱年，且研究坡面的高差相对较小（上下坡位样地的海拔高度仅差105 m），大气降水量输入基本一致。同时林分结构（林分密度、郁闭度、冠幅、林下草本盖度以及草本生物量等）表现为：下坡位＞中坡位＞上坡位（表1），林分蒸腾的坡位变化与林分结构一致［16］；而0～60 cm 土层土壤物理性质（饱和持水率、毛管持水率、田间持水率）对土壤含水量的坡位变化影响较小（表2）。因此，林分结构通过影响林分蒸腾，进而使得土壤含水量存在明显的坡位变化。苏子龙等［17］在典型黑土区的研究发现，土壤含水量在下坡最高、其次为上坡，中坡最低，这与本研究结果不同，可能是因为植被结构和土壤质地不同导致土壤持水能力存在坡位差异。刘泽彬等［18］在六盘山半湿润区研究了华北落叶松林坡面土壤含水量的时空变化，发现林分结构的坡位差异导致了植被蒸腾耗水量的不同，尤其在干旱年份土壤水分不足时，使植被蒸腾耗水成为导致土壤水分坡位差异的主要原因，这与本研究结果一致。因此，土壤水分的坡位差异主要是由植被蒸散耗水量的坡位差异所导致的。

3.2 不同的次降雨量对坡面土壤水分的补给差异

大气降雨对土壤水分的补给量和水分入渗深度均受降雨量、降雨强度、降雨历时和前期土壤含水量的主导调控［19-20］，同时植被截留、根系分布和土壤物理性质等因素也能影响土壤水分再分配［21-22］。10 mm 以下的小降雨事件仅能补充浅层（0～20 cm）土壤水分，大降雨事件才能影响到20～40 cm 和40～60 cm 土层的土壤水分，这是因为华北落叶松林的冠层和林下草本层（及枯落物层）对降雨有较大截留作用［23］。本研究发现，在小降雨事件中，当降雨量达到7 mm 时，浅层土壤水分才明显增加，这与王正安等［10］的研究结果一致。但赵荣玮等［24］研究黄土区人工林土壤水分的降雨响应时发现，在降雨量9.6 mm的小降雨事件下，人工侧柏纯林和混交林20 cm以上土层的土壤水分均有响应，而人工刺槐林仅在10 cm 土层以内的土壤水分有响应，这与本研究结果存在差异，这主要是因为研究区域、研究树种、林分结构等存在不同，从而导致林冠层和枯落物层对降雨截持能力产生差异，使达到土壤表面的雨量不同。因此，对本研究地点的林地而言，只有降雨量达到7 mm时才算是有效降雨。

本研究还发现，当降雨量超过有效降雨阈值时，随着降雨量增加，土壤水分的补给深度和补给量逐渐增加。同一降雨事件的土壤水分补给作用在不同坡位有明显差异，小雨对上坡土壤水分的补给作用最强，其次是下坡，中坡的补给作用最弱，这可能与中坡树木生长最好和枯落物层生物量最大有关（表1），因为乔木冠层截持和枯落物层截持降雨会降低到达矿质土壤地表的有效雨量。中雨（10～25 mm）只增加了中坡20～60 cm 土层土壤含水量，对上坡、下坡的20 cm以下土层的土壤水分却无明显补给作用，这一方面可能是因中坡土壤毛管孔隙度较小和土壤持水能力较差（表2），从而有利于降雨过程中的土壤水分下渗的更深；另一方面，中坡样地土壤的非毛管孔隙度较高，即土壤大孔隙发达，因此较深土层的土壤含水量可能受到优先流的影响，或同时受沿坡面向下汇集的坡面径流的影响，在研究结果部分也看到了在大雨、暴雨及部分中雨条件下（可能取决于前期土壤含水量大小）的中坡10～20 cm 及40～60 cm 土层的土壤水分补给量大于其上面土层水分补给量的情况。