不同降雨等級(jí)下杉木林土壤含水率和側(cè)向流變化特征

葛 波, 杜 妍, 常 猛, 李嘉欣, 劉 超, 莊家堯

(南京林業(yè)大學(xué) 水土保持與生態(tài)修復(fù)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210037)

土壤水是指土壤表層到地下水潛水面以上壤中流動(dòng)或積蓄的水分，自然降水或人為灌溉均要先通過(guò)入滲轉(zhuǎn)化成土壤水分才能被植物根系吸收利用，在一次完整的降雨過(guò)程中，降雨經(jīng)過(guò)林冠截留、入滲和降雨再分配，一部分或者全部水分沿著土壤間的孔隙滲漏到深層形成壤中流等[1]。土壤水分是林下植被和林分生存的重要條件，所以研究降雨條件下土壤水再分布和側(cè)向流變動(dòng)有利于揭示土壤中水分運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的規(guī)律[2]，目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞著土壤不同深度中含水率、側(cè)向流的變化特點(diǎn)和對(duì)降雨的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，取得了一系列重要的結(jié)論。李海防等[3]研究荷木林不同層次土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)，認(rèn)為降雨與各層次土壤含水量呈極顯著正相關(guān)。王正安等[4]使用土壤水勢(shì)儀對(duì)華北落葉松林不同深度土壤水分進(jìn)行定位觀測(cè)，結(jié)果表明不同的降雨條件下，水分入滲為非飽和下滲，隨著降雨強(qiáng)度的增加，大雨側(cè)向流較明顯。倪晨[5]通過(guò)觀測(cè)對(duì)比了降雨期和無(wú)雨期條件下集水坡面土壤水分的分布特征，認(rèn)為降雨對(duì)集水坡面土壤水分的運(yùn)移以及分布有著重要的影響作用。劉昊等[6]在融雪期開(kāi)展亮藍(lán)示蹤試驗(yàn)和土壤水分觀測(cè)，結(jié)果表明，自然條件下降雨以垂直入滲為主，裸露沙丘坡面易形成地表徑流和沿坡向的壤中流。人工強(qiáng)降雨條件下，降雨后期沙丘存在壤中側(cè)向流，側(cè)向流水量陡坡大于緩坡。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤水對(duì)降雨響應(yīng)方面的研究表現(xiàn)為人工降雨條件下觀測(cè)較多，自然降雨的響應(yīng)觀測(cè)較少[7-9]，蘇南丘陵區(qū)典型植被研究較少,缺少對(duì)降雨過(guò)程、土壤含水率變化、側(cè)向流間的關(guān)系的深入探究[10-11]，鑒于此，本研究使用土壤剖面水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方法，分析土壤體積含水率和側(cè)向流變化過(guò)程曲線，以期為降低杉木林集約經(jīng)營(yíng)造成的水土流失和杉木林的經(jīng)營(yíng)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于南京市國(guó)營(yíng)東善橋林場(chǎng)銅山分場(chǎng)(31°35′—31°39′N(xiāo)，118°50′—118°52′E)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)氣候溫和濕潤(rùn)，四季分明，水熱資源豐富，年平均氣溫15.1℃，無(wú)霜期229 d，年日照時(shí)間2 199 h，地形為蘇南丘陵，土壤類(lèi)型為黃棕壤，坡向均為東北向(NE)，土壤厚度為60 cm左右，60 cm以下為砂巖風(fēng)化母質(zhì)層，海拔26.0 m，林分類(lèi)型以杉木(Cunninghamialanceolata)，麻櫟(Quercusacutissima)，毛竹(Phyllostachyedulis)林為主，林下灌木草本主要以山胡椒[Linderaglauca(sieb.et Zucc.)Bl]、鹽膚木(Rhuschinensis)、一年蓬(Erigeronannuus)、藎草[Arthraxonhispidus(Thunb.)Makino]、草蘽(RubustephrodesHance)為主。試驗(yàn)地選擇45 a生杉木林，平均胸徑22 cm，平均冠幅13.6 m，平均樹(shù)高2.3 m，林分密度850株/hm2，郁閉度0.61，坡度20°。

1.2 土壤含水率的測(cè)定

ECH2O是Decagon公司研制的土壤水分傳感器，測(cè)量土壤含水率與土壤介電常數(shù)之間的單值多項(xiàng)式關(guān)系來(lái)計(jì)算土壤體積含水率。選擇不受林緣和林窗影響的試驗(yàn)點(diǎn)(坡度21°)，在0—5，5—15，15—30，30—60 cm這4個(gè)土層進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)，每5 min 收集一次數(shù)據(jù)，在相似的光照條件，在距離試驗(yàn)點(diǎn)3 m處設(shè)置一組重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)，以數(shù)據(jù)平均值作為該土層最終的土壤含水率數(shù)值，觀測(cè)時(shí)間2012年10月—2013年10月。

1.3 降雨量的測(cè)定

在土壤含水率試驗(yàn)點(diǎn)4 m處，選取林緣和林冠影響較小的點(diǎn)位，采用HOBO計(jì)數(shù)器、雨量筒實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨量和降雨歷時(shí)，一次完整降雨事件后清理雨量筒上的殘枝落葉，為消除連續(xù)降雨對(duì)數(shù)據(jù)的影響，選擇前3 d無(wú)降雨的晴朗天氣，根據(jù)日降雨量確定小雨、中雨、大雨，24 h內(nèi)降雨量小于10 mm為小雨，24 h內(nèi)降雨量10～25 mm為中雨，24 h內(nèi)降雨量25～60 mm為大雨。

1.4 側(cè)向流的計(jì)算

土壤中側(cè)向流動(dòng)的徑流稱(chēng)為側(cè)向流，因?yàn)榻涤赀^(guò)程中無(wú)地表徑流產(chǎn)生，所以側(cè)向流近似為單位時(shí)間、單位體積下土壤含水量變化量與實(shí)際林內(nèi)降雨量的差值[11]。

Iin=ΔW-P

式中：Iin為側(cè)向流(mm);ΔW為含水率變化量所需要的降雨量(mm);P為實(shí)測(cè)降雨量(mm)。

1.5 土壤飽和含水率測(cè)定

在杉木林選取靠近監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的典型地點(diǎn)，使用規(guī)格直徑5 cm、高度5 cm的環(huán)刀取各個(gè)土層原狀土，浸水至飽和，稱(chēng)重記為M1，烘干至恒重，稱(chēng)重記為M2。

式中：M1為飽和土重(g)；M2為烘干土重(g)；V為環(huán)刀體積(cm3)；ρ為水的密度(g/cm3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨等級(jí)下各層次土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng)

2.1.1 小雨條件下各層次土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng) 以2013年3月16日為例，降雨量累計(jì)為8 mm，小雨條件下土壤含水率變化結(jié)果顯示(圖1)，降雨前，15—30 cm土層初始含水率最大，0—5 cm土層初始含水率最小，降雨開(kāi)始后，5—15，15—30，30—60 cm土層波動(dòng)較小，0—5 cm土層含水率緩慢上升，累計(jì)降雨量6.8 mm時(shí)，0—5，5—15 cm土層的土壤含水率曲線對(duì)降雨出現(xiàn)了明顯的響應(yīng)，30，60 cm土層無(wú)明顯響應(yīng)，在降雨強(qiáng)度最高的19：00，5—15 cm土層滯后60 min后含水率才出現(xiàn)了明顯響應(yīng)，到達(dá)峰值后隨著降雨量的減少各土層均出現(xiàn)退水現(xiàn)象。在小雨條件下響應(yīng)的土層中，土壤含水率變化量最大和最小的層次分別是5—15，15—30 cm。總的來(lái)說(shuō)，降雨開(kāi)始后，隨著降雨事件的進(jìn)行，表層土壤含水率優(yōu)先變化，隨著深度的增加，含水率變化量有減少趨勢(shì)，對(duì)降雨的響應(yīng)有滯后效果。

2.1.2 中雨條件下各層次土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng) 以2013年6月25日為例，降雨量累計(jì)為17.6 mm，中雨條件下土壤含水率變化結(jié)果顯示(圖2)，降雨前，15—30 cm土層初始含水率最大，0—5 cm土層初始含水率最小，降雨開(kāi)始后，5 cm土層土壤水分變化與降雨歷程有良好的同步性，5—15，15—30，30—60 cm土層含水率波動(dòng)較小，累計(jì)降雨量達(dá)到6.8 mm，降雨強(qiáng)度為8 mm/h時(shí)，0—5，5—15，15—30，30—60 cm土層的土壤含水率曲線均對(duì)降雨出現(xiàn)了明顯的響應(yīng)，在降雨強(qiáng)度最高的16:30，0—5 cm土層土壤含水率達(dá)到峰值，5—15，15—30，30—60 cm土層分別滯后30，60，120 min。降雨結(jié)束后0—5，5—15，15—30，30—60 cm土層土壤含水率出現(xiàn)了明顯的退水趨勢(shì)，減少分別為4.15%，3.16%，3.76%，10.63%。有響應(yīng)的土層中，土壤含水率最大和最小的層次分別是0—5，5—15 cm土層。總的來(lái)說(shuō)，降雨降雨開(kāi)始后，雨強(qiáng)在8 mm/h和15.2 mm/h時(shí)土層含水率出現(xiàn)2次明顯的響應(yīng)，隨著土層深度的增加，峰值越來(lái)越高，含水率變化有明顯的滯后效果。

圖1 2013年3月16日土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng)曲線

2.1.3 大雨條件下各層次土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng) 以2013年7月5日為例，降雨量累計(jì)為28.2 mm，大雨條件下土壤含水率變化結(jié)果顯示(圖3)，降雨前，5—15 cm土層初始含水率最大，0—5 cm土層初始含水率最小，降雨開(kāi)始后，15—30，30—60 cm土層波動(dòng)較小，0—5，5—15 cm土層含水率緩慢上升，累計(jì)降雨量6.2 mm時(shí)，0—5，5—15 cm土層的土壤含水率曲線發(fā)生了明顯的變化，第一次降雨事件后，15—30，30—60 cm土層滯后30 min后土壤含水率出現(xiàn)明顯響應(yīng)，在累計(jì)降雨量22.8 mm時(shí)，5—15，15—30，30—60 cm土層均出現(xiàn)峰值，隨著降雨強(qiáng)度的減小，各土層土壤含水率出現(xiàn)明顯的退水趨勢(shì)。響應(yīng)的土層中，峰值最大和最小的層次分別是30—60，5—15 cm土層，退水速率最大和最小的層次分別是30—60 cm(6.9%/h)，0—5 cm(0.9%/h)土層。

2.1.4 不同降雨條件下土壤飽和含水率特征 各土層實(shí)測(cè)和降雨條件下飽和含水率結(jié)果顯示(表1)，小雨、中雨條件下各土層均未達(dá)到飽和含水率，大雨條件下15—30，30—60 cm土層含水率達(dá)到飽和含水率，隨著土層深度的增加，土壤含水率表現(xiàn)出顯著的變化，表明杉木林土壤水分垂直入滲呈現(xiàn)非飽和入滲的特征，在土壤含水率未達(dá)到最大體積含水率時(shí)存在土壤水下滲，土壤水分非飽和下滲主要存在30—60 cm土層[12]。

圖3 2013年7月5日土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng)曲線

土壤深度/cm理論最大體積含水率/%實(shí)際最大體積含水率小雨中雨大雨0—553.6416.322.9126.595—1550.2120.3625.6832.615—3046.3118.6328.7558.0330—6041.0917.3233.9165.19

2.2 不同降雨等級(jí)下各層次側(cè)向流對(duì)降雨的響應(yīng)

在一場(chǎng)完整降雨入滲過(guò)程中，降雨強(qiáng)度的大小對(duì)入滲作用有一定的影響。不同降雨條件下各土層側(cè)向流隨累計(jì)降雨量變化特征顯示(圖4)，小雨條件下，0—5 cm土層受降雨直接作用，對(duì)降雨變化的響應(yīng)最快，5—15 cm土層含水率變化曲線和累計(jì)降雨量有良好的同步性。中雨條件下，各土層土壤含水率變化顯著，側(cè)向流出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，30—60 cm土層含水率的變化曲線和側(cè)向流有良好的同步性。在大雨條件下，15—30，30—60 cm土層含水率變化曲線和側(cè)向流變化過(guò)程有較強(qiáng)的響應(yīng)。小雨和中雨條件下側(cè)向流小于降雨增量，大雨條件下側(cè)向流急劇增加，表明了在大雨條件下，垂直面因?yàn)閭?cè)向流的入侵土壤含水率變化幅度變大，小雨過(guò)程中各土層產(chǎn)生的最大側(cè)向流為1.55 mm，中雨過(guò)程中各土層產(chǎn)生的最大側(cè)向流為13.88 mm，大雨過(guò)程中各土層產(chǎn)生的最大側(cè)向流為94.77 mm，隨著累計(jì)降雨量的增加，側(cè)向流有增加的趨勢(shì)，當(dāng)累計(jì)降雨量穩(wěn)定后，側(cè)向流開(kāi)始出現(xiàn)顯著下降，側(cè)向流對(duì)降雨有較強(qiáng)的響應(yīng)。

圖4 側(cè)向流隨時(shí)間的變化曲線

2.3 各土層含水率變化和側(cè)向流相關(guān)性分析

表2為剔除了降雨強(qiáng)度為0時(shí)的數(shù)據(jù)，僅比較在降雨過(guò)程中土壤含水率變化、側(cè)向流、累計(jì)降雨量的關(guān)系。由表可知，小雨條件下，各土壤層含水率的變化與累計(jì)降雨量和側(cè)向流均顯著相關(guān)，土壤含水率變化對(duì)累計(jì)降雨量的響應(yīng)強(qiáng)于對(duì)側(cè)向流的響應(yīng)，0—5 cm土層含水率變化與累計(jì)降雨量的相關(guān)性最強(qiáng)，5—15 cm土層含水率變化與側(cè)向流的相關(guān)性最強(qiáng)，說(shuō)明了小雨條件下側(cè)向流主要發(fā)生在5—15 cm土層。中雨條件下，各土壤層含水率的變化與累計(jì)降雨量和側(cè)向流均顯著相關(guān)，土壤含水率變化對(duì)累計(jì)降雨量的響應(yīng)強(qiáng)于對(duì)側(cè)向流的響應(yīng)，其中15—30 cm土層含水率變化與累計(jì)降雨量的相關(guān)性最強(qiáng)，5—15 cm，15—30 cm土層含水率變化與側(cè)向流的相關(guān)性較強(qiáng)，說(shuō)明了中雨條件下側(cè)向流主要發(fā)生在15—30 cm土層。大雨條件下，各土壤層含水率的變化與側(cè)向流相關(guān)性較強(qiáng)，但與累計(jì)降雨量相關(guān)性相比于中小雨較差，15—30 cm，30—60 cm土層含水率變化與側(cè)向流的相關(guān)性較強(qiáng)，說(shuō)明了大雨條件下側(cè)向流主要發(fā)生在30—60 cm土層。總的來(lái)說(shuō)側(cè)向流與累計(jì)降雨量的相關(guān)性隨著雨量的增大越來(lái)越小，各土層含水率變化隨著深度的增大與降雨的響應(yīng)越來(lái)越弱。

表2 累計(jì)降雨量、側(cè)向流和土壤含水率的相關(guān)性分析

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.4 累計(jì)降雨量和側(cè)向流回歸分析

一次降雨過(guò)程中側(cè)向流的變化具有較明顯的退水期，隨著累計(jì)降雨量的增加，側(cè)向流隨之增加，在地下水和下滲水的雙重作用下，側(cè)向流對(duì)降雨的響應(yīng)慢慢變?nèi)酰瑸橛懻撘淮谓涤赀^(guò)程中累計(jì)降雨量和最大側(cè)向流的關(guān)系，選取每個(gè)月一場(chǎng)最典型的降雨，得出在退水前累計(jì)降雨量、最大降雨量和側(cè)向流的定量關(guān)系。其中小雨5次、中雨6次、大雨1次。為進(jìn)一步尋找最大側(cè)向流與累計(jì)降雨量間關(guān)系，將2012—2013年12個(gè)月份中抽取的12次降雨事件最大側(cè)向流以及累計(jì)降雨量數(shù)據(jù)，作出散點(diǎn)圖(圖5)。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，最大側(cè)向流與累計(jì)降雨量呈指數(shù)關(guān)系，y=0.7614e0.2238x。

圖5 最大側(cè)向流和累計(jì)降雨量的指數(shù)關(guān)系

3 討 論

本研究表明：在一次降雨過(guò)程中，隨著土層深度的增加土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng)具有一定的滯后性，土層越深滯后性越強(qiáng)，分析其原因是降雨初期雨水在地面毛管力和重力的雙重作用下下滲，隨著土層深度增加，下滲鋒面向下不斷擴(kuò)展使毛管力減小，主要靠重力作用下滲，初始雨水到達(dá)地下需要一個(gè)入滲過(guò)程,所以下層土壤的入滲速率慢[13]，這也表明了杉木林林下土壤下滲的基本規(guī)律，在土壤表層，上層水勢(shì)在降雨初期短期增至最大水勢(shì)，末期水勢(shì)逐漸減小，下滲強(qiáng)度隨著土層深度增加變小。對(duì)于杉木林來(lái)說(shuō)，0—5，5—15 cm土層土壤含水率變化和降雨量變化的同步性較一致，隨著土層深度的增加含水率對(duì)降雨的響應(yīng)越來(lái)越差。本研究表明：在小雨、中雨條件下土壤含水率變化對(duì)降雨的響應(yīng)較大雨條件下顯著，本研究中大雨條件下，雨強(qiáng)大且降雨歷時(shí)較久，中間分為了兩段間隔2 h的降雨過(guò)程，李海防等[3]在漓江上游貓兒山林區(qū)研究中表明隨著降雨量的增大，土層含水率變化對(duì)降雨的響應(yīng)變慢。隨著雨強(qiáng)的增大，雨滴動(dòng)能在不斷增加，而雨滴動(dòng)能是造成土壤表面結(jié)皮的重要影響因素，雨強(qiáng)增加使土壤結(jié)皮發(fā)育更加成熟，導(dǎo)致下滲率減小。

本研究與劉宏偉等[8]對(duì)濕潤(rùn)地區(qū)土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)模式研究得出的土壤含水率過(guò)程呈現(xiàn)3個(gè)階段(上升、平臺(tái)和退水期)不同，本研究中只出現(xiàn)了上升、退水期，沒(méi)有出現(xiàn)平臺(tái)期。杉木林初始土壤含水率一般15—30 cm土層最高，而0—5 cm土層含水率最低的現(xiàn)象。隨著降雨量的增加，土壤含水率呈現(xiàn)低—緩慢升高—最高點(diǎn)—逐漸降低的進(jìn)程。

本研究表明，在降雨入滲過(guò)程中不是一個(gè)土壤層達(dá)到最大含水率后才開(kāi)始下滲，土壤水是非飽和下滲，淺層土壤未飽和就開(kāi)始下滲，在3場(chǎng)降雨中，5—60 cm土層土壤含水率變化量之和明顯高于降雨量，說(shuō)明每場(chǎng)降雨在土壤垂直面上都有側(cè)向流的發(fā)生。吳胡強(qiáng)[10]、王鷹翔[11]等在對(duì)銅山地區(qū)麻櫟林、毛竹林進(jìn)行定位觀測(cè)土壤水分下滲時(shí)也得出了和本研究一致的結(jié)論，對(duì)于林下植被較少的地塊，由于降雨時(shí)直接接觸地表的雨量遠(yuǎn)超過(guò)林冠截留量，侵蝕方式以擊濺侵蝕為主，造成土壤孔隙減少甚至堵塞，土粒分散濺起和增強(qiáng)地表薄層徑流紊動(dòng)，土壤水分下滲為飽和下滲，但杉木林林下植被豐富，水源涵養(yǎng)功能較好，在降雨事件開(kāi)始后，擊濺侵蝕較少，實(shí)時(shí)降雨小于表層土壤的飽和含水率，無(wú)地表徑流產(chǎn)生，下滲表現(xiàn)為非飽和下滲[14]。

4 結(jié) 論

三場(chǎng)降雨穩(wěn)滲率均小于降雨強(qiáng)度，無(wú)地表徑流的發(fā)生[15]，水分入滲為非飽和入滲，土壤垂直面有側(cè)向流的發(fā)生。小雨、中雨、大雨最大側(cè)向流分別是1.55，16.38，94.77 mm。小雨側(cè)向流集中在5—15 cm土層，中雨側(cè)向流集中在15—30 cm土層，大雨測(cè)向流集中在30—60 cm土層。

土壤含水率變化和降雨量有較好的線性關(guān)系且相關(guān)性較強(qiáng)。隨著降雨量的增加，土壤含水率變化和降雨量變化的相關(guān)性越來(lái)越差。0—5 cm和5—15 cm土層土壤含水率變化趨勢(shì)與降雨量變化趨勢(shì)有著良好的同步性，淺層土層對(duì)降雨響應(yīng)明顯。

各土壤層含水率隨降雨量不同對(duì)降雨響應(yīng)的表現(xiàn)不同，小雨條件下，土壤含水率變化幅度隨土層深度逐漸降低，大中雨條件下，30—60 cm土層含水率變化呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。大雨條件下趨勢(shì)更為明顯。

在一次降雨事件中，各土層含水率變化量、降雨量和側(cè)向流量均明顯顯著，側(cè)向流與累計(jì)降雨量的相關(guān)性隨著雨量的增大越來(lái)越小，各土層含水率變化隨著深度的增大與降雨的響應(yīng)越來(lái)越弱。最大側(cè)向流與累計(jì)降雨量呈指數(shù)關(guān)系，y=0.7614e0.2238x。