南京城郊麻櫟林坡面土壤體積含水率與側向流對降雨響應

吳胡強，邵永昌，莊義琳，張金池，韓誠，劉鑫，莊家堯

（南京林業大學森林資源與環境學院，江蘇南京 210037）

南京城郊麻櫟林坡面土壤體積含水率與側向流對降雨響應

吳胡強，邵永昌，莊義琳，張金池，韓誠，劉鑫，莊家堯

（南京林業大學森林資源與環境學院，江蘇南京 210037）

為了研究森林涵養水源機制，選擇南京城郊麻櫟Quercus acutissima林，采用ECH2O土壤含水率檢測系統在坡面0～100 c m深土壤5，15，30，40，60，100 cm等6個深度層次進行土壤水分定位監測，分析了小雨、中雨、大雨條件下南京城郊麻櫟林地各層次土壤水分變異過程，分析各土壤層次體積含水率的變化過程對降雨強度響應曲線，得到5 cm和15 cm層次土壤水分變化與降雨量變化有良好的同步性，在降雨量6.8 mm，11.8 mm和36.8 mm時5 cm和15 cm層次的土壤體積含水量變化量分別是1.48%和2.10%，5.21%和5.72%，7.55%和7.85%；隨著土壤層次的加深土壤含水率變化趨勢與降雨量同步性逐漸下降，在中雨和大雨中土壤含水量的峰值會延遲1～2小時，在小雨下無變化。在降雨強度0～4.0mm·h-1，土壤含水率自表層到30 cm變異幅度增大，5 cm，15 cm和30 cm層次土壤體積含水量變化量分別是1.48%，2.10%和2.90%；降雨強度12～30 mm·h-1，土壤含水率自表層到60 cm層次變異幅度降低特征，5，15，30，40和60 cm的土壤體積含水量變化量分別是8.01%，7.85%，6.39%，5.96%和2.63%，而100 cm層次土壤含水率卻變異幅度顯著土壤體積含水量變化量達到8.97%。在2011-2012年中研究的3場降雨量為6.8mm，16.2mm和36mm中，在降雨強度0～60.0 mm·h-1區間，0～60 cm層次土壤水含水率的增加量顯著高于降雨量，無地表徑流發生，最大側向流分別為2.1 mm·h-1，2.4mm·h-1和28.7 mm·h-1，呈非飽和下滲現象。研究了在小、中、大降雨強度下，0～1.00m深度土壤垂直坡面上各層次側向流對降雨強度響應的變化曲線，揭示了林地側向流對各層土壤含水率變化的影響規律。圖6表1參19

森林水文學；麻櫟林；土壤體積含水率；降雨強度；側向流

土壤水分是連接地表水與地下水的紐帶，在水資源的形成、轉化及消化過程中有重要作用。近年來，由全球變暖引起的土壤含水量減少，預計將影響全球的植物群落［1］。許多土壤和水的保護措施已經實施，以減少水土流失，防止土地退化。土壤和水的養護不僅可以減少土壤和水的虧損，也改變了這部分土地表面，影響生態系統的結構和職能［2］。所以，如何提高林分的水源涵養功能，防止水土流失，保護生態環境已成為人們非常關注的問題。土壤含水率的測量是很困難且費時的一個過程［3］。一些研究者已經在廣泛的空間范圍和時間尺度上觀察土壤含水率的穩定性［4］。每場降雨中，都有部分水沿著土壤內的空隙滲入到土壤內部形成土壤水，然后形成壤中流［5］。壤中流是坡地徑流的重要組成部分，對流域徑流產生、養分流失，水土流失等有重要影響［6］。壤中流對重力侵蝕起到了促發作用，與以往研究表明的長江流域坡面以面蝕為主的結論有所不同，甚至有壤中流促發的侵蝕量要遠遠高于片蝕、溝蝕等坡面侵蝕形式。壤中流受地形、土層厚度、土地利用等多種因素的影響，已對壤中流的產生機制［7］、優先路徑［8-9］、臨界性和非線性［10］，以及壤中流的影響因子［11］進行了廣泛的研究。土壤含水率的時間動態變化和深度變化受降雨過程的嚴重影響［12］，降雨后土壤表層水分發生劇烈變化，表層水分含量迅速增加，在蒸散和下滲作用下表層土壤含水率緩慢減小［13］，繼而影響深層土壤含水率，隨著深度的加深，土壤含水率對降雨的響應程度也減小。降雨時淺層次有優勢流現象出現，受到土壤結構影響和降雨量大小控制［14］。目前，林地土壤水文特征研究以蓄滿穩滲特征為主，缺乏林地野外土壤水分變異規律以及對降雨響應實際特征研究。很多研究是在飽和供水坡度為零條件下總結出的規律，與野外坡面自然降水條件差異巨大。林地坡面與以上研究模擬條件相比更加復雜。因此，開展林地坡面自然降雨狀態下的土壤水分響應變異過程，對于揭示森林水源涵養功能與機制，具有實際的理論指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

實驗區在南京市東善橋林場銅山分場，31°35′～31°39′N，118°50′～118°52′E，年均氣溫為15.1℃，年降水量為1 100 mm，年日照2 199 h，無霜期229 d。試驗地選擇45年生的麻櫟Quercusacutissima林，郁閉度為0.8，密度425株·hm-2，平均樹高16.8m，平均胸徑24.3 cm，平均冠幅9.7m。林地面坡度為18°，坡長62m，土壤為黃棕壤。

1.2 土壤體積含水量與降雨量監測

采用ECH2O土壤含水率監測系統，ECH2O 傳感器通過測量土壤的介電常數來計算土壤體積含水率。本研究著眼于土壤表層5，15，30，40，60，100 cm等6個層次土壤含水率在不同降雨強度條件下的變化特征。在監測點坡面上坡不同郁閉度50%，80%，100%各設置雨量計1個，設置集水槽3個·郁閉度-1（200 cm×20 cm×20 cm），集水槽附近除去周圍過高的草本植被，使其低于徑流槽，將降雨導入稱重式自動排液式穿透雨測定系統，最后根據集水槽的面積以及3個集水槽的收集到的穿透雨量換算出林內雨量，降雨量結合雨量筒數據取平均值。于2012年6月29號到12月9號以半時監測1次的頻率對觀測地的土壤水分進行監測。實驗選用翻斗式雨量計遠程信息傳輸系統，1.0 mm降雨量通過衛星平臺遠程發送信息1次。

1.3 土壤最大體積含水率測定

環刀規格直徑5 cm，選定麻櫟林代表性的測定地點，采用環刀法取5，15，30，40，60，100 cm等層次原狀土后，用水浸泡一定時間使其達到水飽和稱量（M1），放入烘干箱烘干至恒量（M2），即可算出各層次的最大體積含水率。最大體積含水率（%）=［（M1-M2）/（1×V）］×100。

1.4 側向流的計算

土壤中側向流動的徑流成為側向流，因為無地表徑流產生，所以側向流近似為單位時間、單位體積下土壤含水量變化量與實際降雨量的差值。Iin=ΔW-P。其中：Iin為側向流，mm；ΔW為含水率變化量所需要的降雨量，mm；P為實測降雨量，mm。

2 結果與分析

以時刻為橫坐標，以降雨強度（mm·h-1）和土壤瞬時體積含水率（%）為縱坐標，得到5，15，30，40，60，100 cm等6個不同土壤層次土壤含水率對小雨（24 h內降雨量不超過10 mm）、中雨（24 h內降雨量為10～25 mm）、大雨（24 h內降雨量為25～60mm）的響應變化曲線。

2.1 在小雨條件下不同土壤層次土壤含水率對降雨的響應

以2012年10月26日為例（圖1），在降雨之前，初始含水率最大和最小的土壤層次分別是30 cm（11.53%）和60 cm（6.67%）。累計降雨量6.8mm時，5 cm，15 cm，30 cm等3個層次的土壤含水率曲線發生了明顯的變化，40 cm，60 cm，100 cm等3個層次的土壤含水率無響應，15 cm和30 cm土壤層次含水率曲線同時達到最高峰，而5 cm土壤層次含水率曲線達到最高峰的時間滯后2 h。有響應的土壤層次中，土壤含水率變化量最大和最小的層次分別是30 cm（2.90%）和5 cm（1.48%）；土壤含水率上升速率最大和最小的分別是30 cm（1.45%·h-1）和5 cm（0.37%·h-1）。降雨結束，15 cm和30 cm層次土壤含水率曲線有明顯的下降過程，而5 cm層次的土壤含水率曲線無響應。降雨開始，0～30 cm層次土壤含水率表現出隨深度增加變化梯度增大趨勢，響應曲線表現出土壤水在垂直表面非飽和入滲，側滲壤中流集中于15～30 cm土壤層次，40～100 cm無響應特征。

圖1 2012年10月26日小雨條件下6個土壤層次土壤含水率對降雨的響應Figure 1 Response of VSWC at6 depths to rainfall intensity on the day 26th，Oct.，2012 for a small rainfallevent

2.2 在中雨條件下不同土壤層次土壤含水率對降雨的響應

以2012年8月29號為例（圖2），在降雨之前，初始含水率最大和最小的土壤層次分別是15 cm（17.57%），60 cm（8.50%）。在累計降雨量在11.8mm時，5，15，30，40，60 cm等5個土壤層次土壤含水率都有明顯的變化特征。5 cm，15 cm，30 cm等3個土壤層次土壤含水率同時達到最高峰，40 cm層次土壤達到最高峰滯后2 h，60 cm層次土壤含水率緩慢上升。有響應的土壤層次中，土壤含水率變化量最大和最小的層次分別是15 cm（5.72%）和60 cm（1.037%）；土壤含水率上升速率最大和最小的分別是15 cm（5.72%·h-1）和60cm（0.52%·h-1）。在達到最高峰之后，5 cm和15 cm層次土壤含水率有顯著下降趨勢，30 cm和40 cm層次土壤含水率則趨于穩定，60 cm和100 cm層次土壤含水率有很緩慢的上升趨勢。中雨開始時，0～15 cm層次的土壤含水率表現出高速增長趨勢，曲線顯示垂直表面非飽和入滲和測滲集中于0～30 cm土壤層次垂直面上。

圖2 2012年8月29日中雨條件下6個土壤層次土壤含水率對降雨的響應曲線Figure 2 Response of VSWC at 6 depths to rainfall intensity on the day 29th，Aug.，2012 formiddle rainfall event

2.3 在大雨條件下不同土壤層次土壤含水率對降雨的響應

以2012年8月21日為例（圖3），在降雨之前，初始含水率最大和最小的分別是15 cm（15.65%），60 cm（7.24%）。第1次降雨，曲線達到最高峰累計降雨量36.8 mm，各層次土壤含水率曲線出現明顯上升，降雨3.0 h時5，15，30，100 cm等4個層次土壤含水率達到最大值，降雨3.5 h時60 cm層次土壤含水率達到最大值，降雨4.5 h時40 cm層次土壤含水率達到最大值，峰值最大和最小的是15 cm（23.4%）和60 cm（9.87%），土壤含水率變化量最大和最小的分別是100 cm（9.79%）和60 cm（2.63%）；土壤含水率上升速率最大和最小的分別是100 cm（4.39%·h-1）和60 cm（0.87%·h-1）。

第1次降雨緩慢結束，5 cm，15 cm，100 cm等3個層次土壤含水率曲線有明顯的下降過程，30 cm，40 cm，60 cm等3個層次土壤含水率曲線趨于穩定。第2次降雨，曲線達到最高峰累計雨量18.0mm，5，15，30，40 cm等4個層次土壤含水率曲線同時達到最高峰，第2次降雨結束后，5，15，30，40 cm曲線呈下降趨勢，而60和100 cm層次土壤含水率曲線呈上升趨勢，60，100 cm層次土壤含水率曲線達到最高峰，相對滯后1.0～2.0 h，峰值最大和最小的分別是15 cm（26.24%）和60 cm（9.87%）；土壤含水率變化量最大和最小的分別是15 cm（10.59%）和60 cm（5.39%）；退水速率最大和最小的分別是5 cm（3.78%·h-1）和40 cm（0.63%·h-1）。

圖3 2012年8月21日大雨條件下6個土壤層次土壤含水率對降雨的響應Figure 3 Rsponse of VSWC at6 depths to rainfall intensity on the day 21st，Aug.，2012 for storm rainfallevent

表1為各個層次最大體積含水率。由圖3降雨過程中在各上層土壤遠未達到最大體積含水率時，下層土壤含水率有明顯的變化特征，表明是土壤水是非飽和下滲，在上層土壤沒有達到土壤飽和含水率，存在土壤水下滲過程。

2.4 側向流對降雨的響應

以時刻為橫坐標，雨量（mm）為縱坐標，得到5，15，30，40，60，100 cm等6個層次土壤含水率變化理論所需雨量、實際觀測點降雨量隨時間的變化曲線，理論所需雨量減去實際觀測降雨量等于側向流，按照1.4節公式Iin=ΔW-P計算得到圖4～6不同級別降雨不同層次土壤側向流響應過程。

對土壤入滲有一定影響的因素很多，如降雨強度的大小［15］，在圖4降雨量極小時，60～100 cm層次的土壤含水率變化微小，看不到明顯的曲線特征，而5～40 cm的土壤含水率變化與降雨過程有良好的同步性，此層次顯著地出現了側向流。圖5～6中，中雨和大雨時，0～100 cm層次的土壤含水率變化與降雨過程有一個很明顯的響應曲線特征，側向流對降雨的響應很顯著。

由圖4～6顯示：麻櫟林土壤5，15，30，40，60，100 cm等6個層次土壤含水變化量變化隨降雨量增大而變化顯著，而在小雨和中雨時側向流較小，但在大雨情況下側向流呈高速增長特征。反映了土壤垂直方向上有側向流的侵入使土壤含水率變化的加劇，小雨過程中產生最大側向流2.1mm，中雨過程中產生最大側向流2.4mm，大雨過程中產生最大側向流28.7mm。

表1 麻櫟林各層次土壤的最大體積含水率Table 1 Measured max VSWC at10 depths under oak forest

圖4 2012年10月26日小雨情況下6個層次側向流隨時間的變化曲線Figure 4 Response of lateral flow at 6 depths to rainfall intensity on the day 26th，Oct.，2012 for small rainfall event

圖5 2012年8月29日中雨情況下6個層次側向流隨時間的變化曲線Figure 5 Response of lateral flow at 6 depths to rainfall intensity on the day 29th，Aug.，2012 formiddle rainfall event

3 結論與討論

3.1 討論

降雨入滲是坡地水文循環的中心環節，入滲過程也是水文循環的最重要的組成部分之一［16］，水分入滲影響了降雨地表徑流、壤中流、地下水的在分配，一直以來是土壤侵蝕、非點源污染、水資源管理等科學研究的重點內容［17］。研究表明入滲的直接測量是費力費時昂貴的，而且往往涉及大量的空間和時間變化［17］，所以弄清楚一場降雨的入滲過程是非常不易的。

圖6 2012年8月21日大雨情況下6個層次側向流隨時間的變化曲線Figure 6 Response of lateral flow at6 depths to rainfall intensity on the day 21st，Aug.，2012 for storm rainfall event

本試驗結果與鮑彪等［18］在晉西黃土區刺槐Robinia pseudoacacia林地的研究不同，由于麻櫟林根系發達和坡面的復雜性在小雨和大雨時南京城郊麻櫟林土壤含水率只出現上升期和退水期，沒有出現平臺期。麻櫟林土壤初始含水率普遍出現15 cm土壤層次高，而60 cm土壤層次低的現象。隨著雨量的增大，15 cm土壤層次達到最大土壤含水率，上升的速率快。土壤含水率從降雨前到降雨后呈現低-高-緩慢下降的變化趨勢，一般其變異程度隨著深度的增加而逐漸減小［14］，但在此次研究中發現，大雨時100 cm土壤層次土壤含水率的變異程度就比40 cm和60 cm土壤層次高，這可能是由于淺層含量較高的土壤水分隨著時間變化水分垂直向下再分布所致。在降雨過程中深層次的土壤含水率變化表現出很明顯的滯后關系。研究表明：各層次土壤含水率對降雨強度的響應很明顯，隨著深度的增大，土壤含水率對降雨的響應程度也逐漸降低。

本研究表明：降雨過程中土壤層次不是達到最大含水率而開始下滲，土壤水是非飽和下滲，在上一土壤層次未達到飽和含水率的情況下就開始下滲。每場降雨垂直面上都有不同程度的側向流流入，造成垂直面上的土壤含水率變化所需降雨量大于實際觀測降雨量。

Bodman等［19］在考察勻質土層下滲過程中土壤水分坡面變化時發現，土壤下滲以表面飽和到水分傳遞帶、濕潤帶、濕潤鋒，逐層次下滲。這些是在平面表層水分積水5 cm條件下的土壤滲透過程，和自然降雨過程條件差別巨大。由于林地土壤孔隙特征表現優先流、側向流、垂直入滲并存的混合流特征，導致林地土壤非飽和入滲在0～100 cm具有普遍性，和以往特定條件下的入滲特征具有顯著不同的規律性，表現為小雨—中雨為無飽和界面，大雨以深層次（100～60 cm）逐漸飽和過程，飽和帶上方全部為水分傳遞帶。

裸地或者林下裸露地，由于無地表覆蓋，容易發生擊濺侵蝕，結果導致裸露土壤泥漿濺散、孔隙堵塞，土壤失去滲透儲水功能，產生地表徑流和土壤侵蝕，土壤入滲為飽和入滲特征。林地發揮水源涵養功能的機制與裸地不同，林地地表覆蓋阻斷了擊濺侵蝕的發生，土壤不會失去滲透儲水功能，難以產生地表徑流和土壤侵蝕，降雨過程實際小于表層土壤入滲能力，從而表現出極大不同的非飽和入滲特征。

3.2 結論

從小雨到大雨，降雨量均小于觀測點土壤實際蓄水量，無地表徑流產生，入滲均表現為非飽和入滲。土壤含水率與降雨強度呈良好的線性關系。

不同土壤層次土壤含水率對降雨響應表現出隨降雨量不同差異顯著。降雨強度為0～4.0mm·h-1，土壤含水率自表層到30 cm變異幅度增大；降雨強度為12.0～30.0 mm·h-1，土壤含水率自表層到60 cm層次變異幅度降低特征，而100 cm層次土壤含水率卻上升明顯。

5 cm和15 cm土壤層次土壤含水率變化趨勢與降雨量變化趨勢有著良好的同步性，隨著土壤層次的加深，土壤含水率變化趨勢與降雨量同步性逐漸下降。淺層次土壤含水率對降雨響應明顯，隨時間深層次土壤含水率過程曲線形狀與降雨過程有一定的平移和延長，中層次土壤含水率同時受降雨入滲和地下水位變動影響，深層次土壤含水率主要受地下水位變動控制。

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Lateralwater flow and volumetric water contentwith rainfall for soils in a suburban Quercus acutissima forest in Nanjing

WU Huqiang，SHAO Yongchang，ZHUANG Yilin，ZHANG Jinchi，HAN Cheng，
LIU Xin，ZHUANG Jiayao
（College of Forest Resources and Environment，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，Jiangsu，China）

Infiltration in forest which is not well understand till now may be quite different from that on the bare land.In order to study water conservation mechanisms and soil water infiltration law for a forest，an ECH2O soilmoisture content detection system was used tomeasure the volumetric soil water content（VSWC）at six soil depths：5，15，30，40，60，and 100 cm，for aQuercusacutissimaforest in the suburbs of Nanjing，China.VSWC with light，moderate，and heavy rainfall conditionswas analyzed along with the VSWC curves of different soil depths.Also，the response of the VSWC increasing rate and its peak value as well as the peak value time to rainfall were analyzed.The response curve of lateral flow to precipitation intensity at each soil depth level between 0-100 cm was studied and the affect for the law of lateral flow on variation of VSWC ateach soil depth was determined.Results showed that the VSWC at 5 cm and 15 cm levels changed synchronously with rainfall，at rainfall of 6.8 mm，11.8 mm，36.8 mm whose variation of VSWC are 1.48%and 2.10%，5.21%and 5.72%，7.55%and 7.85%respectively.And as the soil level deepened，the changing synchronicity between the VSWC and rainfall declined gradually because peak VSWC was 1-2 h lateral atmiddle rainfall to storm while showing no change at small rainfall.At a rainfall intensity of 0-4.0 mm·h-1the varying amplitude for VSWC increased from the surface to 30 cm soil depth，with the variation of VSWC at 5 cm，10 cm，30 cm soil depth being 1.48%，2.10%，2.90%respectively；at 12.0-30.0 mm·h-1varying amplitude for VSWC decreased from the surface to 60 cm soil depth，whose variation of VSWC are 8.01%，7.85%，6.39%，5.96%，2.63%respectively，but greatly increased at 100 cm soil depth，that is 8.97%.For selected 3 precipitation events of 6.8 mm，16.2 mm，36.0 mm，from 2011 to 2012，when rainfall intensity was less than 60 mm· h-1，the precipitation needed to increase soil water content during precipitation wasmuch higher than actual rainfall without any happening of surface runoff，of which the biggest lateral water flow was 2.1 mm·h-1，2.4 mm·h-1and 28.7 mm·h-1respectively.Thus，a phenomena of non-saturated water infiltration in forest soil occurred.［Ch，6 fig.1 tab.19 ref.］

forest hydrology；Quercusacutissimaforest；VSWC；rainfall intensity；lateral flow

S715.3

A

2095-0756（2014）05-0683-07

2013-12-19；

2014-03-19

國家自然科學基金資助項目（31170663，201104055-1）；江蘇省林學優勢學科資助項目；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

吳胡強，從事水土保持等研究。E-mail：1048757625@qq.com。通信作者：莊家堯，副教授，博士，從事森林水文研究。E-mail：nlzjiayao@njfu.edu.cn