不同降雨等級下杉木林土壤含水率和側向流變化特征

葛 波, 杜 妍, 常 猛, 李嘉欣, 劉 超, 莊家堯

(南京林業大學 水土保持與生態修復實驗室, 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或積蓄的水分，自然降水或人為灌溉均要先通過入滲轉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程中，降雨經過林冠截留、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向流變動有利于揭示土壤中水分運動轉化的規律[2]，目前國內外眾多學者圍繞著土壤不同深度中含水率、側向流的變化特點和對降雨的響應機制進行了大量的研究，取得了一系列重要的結論。李海防等[3]研究荷木林不同層次土壤含水量對降雨的響應，認為降雨與各層次土壤含水量呈極顯著正相關。王正安等[4]使用土壤水勢儀對華北落葉松林不同深度土壤水分進行定位觀測，結果表明不同的降雨條件下，水分入滲為非飽和下滲，隨著降雨強度的增加，大雨側向流較明顯。倪晨[5]通過觀測對比了降雨期和無雨期條件下集水坡面土壤水分的分布特征，認為降雨對集水坡面土壤水分的運移以及分布有著重要的影響作用。劉昊等[6]在融雪期開展亮藍示蹤試驗和土壤水分觀測，結果表明，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。人工強降雨條件下，降雨后期沙丘存在壤中側向流，側向流水量陡坡大于緩坡。

目前國內關于土壤水對降雨響應方面的研究表現為人工降雨條件下觀測較多，自然降雨的響應觀測較少[7-9]，蘇南丘陵區典型植被研究較少,缺少對降雨過程、土壤含水率變化、側向流間的關系的深入探究[10-11]，鑒于此，本研究使用土壤剖面水分動態監測等方法，分析土壤體積含水率和側向流變化過程曲線，以期為降低杉木林集約經營造成的水土流失和杉木林的經營發展提供理論依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 試驗區概況

研究區位于南京市國營東善橋林場銅山分場(31°35′—31°39′N，118°50′—118°52′E)，屬北亞熱帶季風氣候區，區內氣候溫和濕潤，四季分明，水熱資源豐富，年平均氣溫15.1℃，無霜期229 d，年日照時間2 199 h，地形為蘇南丘陵，土壤類型為黃棕壤，坡向均為東北向(NE)，土壤厚度為60 cm左右，60 cm以下為砂巖風化母質層，海拔26.0 m，林分類型以杉木(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 土壤含水率的測定

ECH2O是Decagon公司研制的土壤水分傳感器，測量土壤含水率與土壤介電常數之間的單值多項式關系來計算土壤體積含水率。選擇不受林緣和林窗影響的試驗點(坡度21°)，在0—5，5—15，15—30，30—60 cm這4個土層進行定點觀測，每5 min 收集一次數據，在相似的光照條件，在距離試驗點3 m處設置一組重復觀測點，以數據平均值作為該土層最終的土壤含水率數值，觀測時間2012年10月—2013年10月。

1.3 降雨量的測定

在土壤含水率試驗點4 m處，選取林緣和林冠影響較小的點位，采用HOBO計數器、雨量筒實時監測降雨量和降雨歷時，一次完整降雨事件后清理雨量筒上的殘枝落葉，為消除連續降雨對數據的影響，選擇前3 d無降雨的晴朗天氣，根據日降雨量確定小雨、中雨、大雨，24 h內降雨量小于10 mm為小雨，24 h內降雨量10～25 mm為中雨，24 h內降雨量25～60 mm為大雨。

1.4 側向流的計算

土壤中側向流動的徑流稱為側向流，因為降雨過程中無地表徑流產生，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林內降雨量的差值[11]。

Iin=ΔW-P

式中：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)。

1.5 土壤飽和含水率測定

在杉木林選取靠近監測點位的典型地點，使用規格直徑5 cm、高度5 cm的環刀取各個土層原狀土，浸水至飽和，稱重記為M1，烘干至恒重，稱重記為M2。

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

2 結果與分析

2.1 不同降雨等級下各層次土壤含水率對降雨的響應

2.1.1 小雨條件下各層次土壤含水率對降雨的響應 以2013年3月16日為例，降雨量累計為8 mm，小雨條件下土壤含水率變化結果顯示(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，降雨開始后，5—15，15—30，30—60 cm土層波動較小，0—5 cm土層含水率緩慢上升，累計降雨量6.8 mm時，0—5，5—15 cm土層的土壤含水率曲線對降雨出現了明顯的響應，30，60 cm土層無明顯響應，在降雨強度最高的19：00，5—15 cm土層滯后60 min后含水率才出現了明顯響應，到達峰值后隨著降雨量的減少各土層均出現退水現象。在小雨條件下響應的土層中，土壤含水率變化量最大和最小的層次分別是5—15，15—30 cm?？偟膩碚f，降雨開始后，隨著降雨事件的進行，表層土壤含水率優先變化，隨著深度的增加，含水率變化量有減少趨勢，對降雨的響應有滯后效果。

2.1.2 中雨條件下各層次土壤含水率對降雨的響應 以2013年6月25日為例，降雨量累計為17.6 mm，中雨條件下土壤含水率變化結果顯示(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土層含水率波動較小，累計降雨量達到6.8 mm，降雨強度為8 mm/h時，0—5，5—15，15—30，30—60 cm土層的土壤含水率曲線均對降雨出現了明顯的響應，在降雨強度最高的16:30，0—5 cm土層土壤含水率達到峰值，5—15，15—30，30—60 cm土層分別滯后30，60，120 min。降雨結束后0—5，5—15，15—30，30—60 cm土層土壤含水率出現了明顯的退水趨勢，減少分別為4.15%，3.16%，3.76%，10.63%。有響應的土層中，土壤含水率最大和最小的層次分別是0—5，5—15 cm土層?？偟膩碚f，降雨降雨開始后，雨強在8 mm/h和15.2 mm/h時土層含水率出現2次明顯的響應，隨著土層深度的增加，峰值越來越高，含水率變化有明顯的滯后效果。

圖1 2013年3月16日土壤含水率對降雨的響應曲線

2.1.3 大雨條件下各層次土壤含水率對降雨的響應 以2013年7月5日為例，降雨量累計為28.2 mm，大雨條件下土壤含水率變化結果顯示(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，降雨開始后，15—30，30—60 cm土層波動較小，0—5，5—15 cm土層含水率緩慢上升，累計降雨量6.2 mm時，0—5，5—15 cm土層的土壤含水率曲線發生了明顯的變化，第一次降雨事件后，15—30，30—60 cm土層滯后30 min后土壤含水率出現明顯響應，在累計降雨量22.8 mm時，5—15，15—30，30—60 cm土層均出現峰值，隨著降雨強度的減小，各土層土壤含水率出現明顯的退水趨勢。響應的土層中，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 各土層實測和降雨條件下飽和含水率結果顯示(表1)，小雨、中雨條件下各土層均未達到飽和含水率，大雨條件下15—30，30—60 cm土層含水率達到飽和含水率，隨著土層深度的增加，土壤含水率表現出顯著的變化，表明杉木林土壤水分垂直入滲呈現非飽和入滲的特征，在土壤含水率未達到最大體積含水率時存在土壤水下滲，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日土壤含水率對降雨的響應曲線

土壤深度/cm理論最大體積含水率/%實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 不同降雨等級下各層次側向流對降雨的響應

在一場完整降雨入滲過程中，降雨強度的大小對入滲作用有一定的影響。不同降雨條件下各土層側向流隨累計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，對降雨變化的響應最快，5—15 cm土層含水率變化曲線和累計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，側向流出現先上升后下降的趨勢，30—60 cm土層含水率的變化曲線和側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向流變化過程有較強的響應。小雨和中雨條件下側向流小于降雨增量，大雨條件下側向流急劇增加，表明了在大雨條件下，垂直面因為側向流的入侵土壤含水率變化幅度變大，小雨過程中各土層產生的最大側向流為1.55 mm，中雨過程中各土層產生的最大側向流為13.88 mm，大雨過程中各土層產生的最大側向流為94.77 mm，隨著累計降雨量的增加，側向流有增加的趨勢，當累計降雨量穩定后，側向流開始出現顯著下降，側向流對降雨有較強的響應。

圖4 側向流隨時間的變化曲線

2.3 各土層含水率變化和側向流相關性分析

表2為剔除了降雨強度為0時的數據，僅比較在降雨過程中土壤含水率變化、側向流、累計降雨量的關系。由表可知，小雨條件下，各土壤層含水率的變化與累計降雨量和側向流均顯著相關，土壤含水率變化對累計降雨量的響應強于對側向流的響應，0—5 cm土層含水率變化與累計降雨量的相關性最強，5—15 cm土層含水率變化與側向流的相關性最強，說明了小雨條件下側向流主要發生在5—15 cm土層。中雨條件下，各土壤層含水率的變化與累計降雨量和側向流均顯著相關，土壤含水率變化對累計降雨量的響應強于對側向流的響應，其中15—30 cm土層含水率變化與累計降雨量的相關性最強，5—15 cm，15—30 cm土層含水率變化與側向流的相關性較強，說明了中雨條件下側向流主要發生在15—30 cm土層。大雨條件下，各土壤層含水率的變化與側向流相關性較強，但與累計降雨量相關性相比于中小雨較差，15—30 cm，30—60 cm土層含水率變化與側向流的相關性較強，說明了大雨條件下側向流主要發生在30—60 cm土層?？偟膩碚f側向流與累計降雨量的相關性隨著雨量的增大越來越小，各土層含水率變化隨著深度的增大與降雨的響應越來越弱。

表2 累計降雨量、側向流和土壤含水率的相關性分析

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

2.4 累計降雨量和側向流回歸分析

一次降雨過程中側向流的變化具有較明顯的退水期，隨著累計降雨量的增加，側向流隨之增加，在地下水和下滲水的雙重作用下，側向流對降雨的響應慢慢變弱，為討論一次降雨過程中累計降雨量和最大側向流的關系，選取每個月一場最典型的降雨，得出在退水前累計降雨量、最大降雨量和側向流的定量關系。其中小雨5次、中雨6次、大雨1次。為進一步尋找最大側向流與累計降雨量間關系，將2012—2013年12個月份中抽取的12次降雨事件最大側向流以及累計降雨量數據，作出散點圖(圖5)。從圖5中可以發現，最大側向流與累計降雨量呈指數關系，y=0.7614e0.2238x。

圖5 最大側向流和累計降雨量的指數關系

3 討 論

本研究表明：在一次降雨過程中，隨著土層深度的增加土壤含水率對降雨的響應具有一定的滯后性，土層越深滯后性越強，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展使毛管力減小，主要靠重力作用下滲，初始雨水到達地下需要一個入滲過程,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律，在土壤表層，上層水勢在降雨初期短期增至最大水勢，末期水勢逐漸減小，下滲強度隨著土層深度增加變小。對于杉木林來說，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降雨的響應越來越差。本研究表明：在小雨、中雨條件下土壤含水率變化對降雨的響應較大雨條件下顯著，本研究中大雨條件下，雨強大且降雨歷時較久，中間分為了兩段間隔2 h的降雨過程，李海防等[3]在漓江上游貓兒山林區研究中表明隨著降雨量的增大，土層含水率變化對降雨的響應變慢。隨著雨強的增大，雨滴動能在不斷增加，而雨滴動能是造成土壤表面結皮的重要影響因素，雨強增加使土壤結皮發育更加成熟，導致下滲率減小。

本研究與劉宏偉等[8]對濕潤地區土壤水分對降雨的響應模式研究得出的土壤含水率過程呈現3個階段(上升、平臺和退水期)不同，本研究中只出現了上升、退水期，沒有出現平臺期。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象。隨著降雨量的增加，土壤含水率呈現低—緩慢升高—最高點—逐漸降低的進程。

本研究表明，在降雨入滲過程中不是一個土壤層達到最大含水率后才開始下滲，土壤水是非飽和下滲，淺層土壤未飽和就開始下滲，在3場降雨中，5—60 cm土層土壤含水率變化量之和明顯高于降雨量，說明每場降雨在土壤垂直面上都有側向流的發生。吳胡強[10]、王鷹翔[11]等在對銅山地區麻櫟林、毛竹林進行定位觀測土壤水分下滲時也得出了和本研究一致的結論，對于林下植被較少的地塊，由于降雨時直接接觸地表的雨量遠超過林冠截留量，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地表薄層徑流紊動，土壤水分下滲為飽和下滲，但杉木林林下植被豐富，水源涵養功能較好，在降雨事件開始后，擊濺侵蝕較少，實時降雨小于表層土壤的飽和含水率，無地表徑流產生，下滲表現為非飽和下滲[14]。

4 結 論

三場降雨穩滲率均小于降雨強度，無地表徑流的發生[15]，水分入滲為非飽和入滲，土壤垂直面有側向流的發生。小雨、中雨、大雨最大側向流分別是1.55，16.38，94.77 mm。小雨側向流集中在5—15 cm土層，中雨側向流集中在15—30 cm土層，大雨測向流集中在30—60 cm土層。

土壤含水率變化和降雨量有較好的線性關系且相關性較強。隨著降雨量的增加，土壤含水率變化和降雨量變化的相關性越來越差。0—5 cm和5—15 cm土層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，淺層土層對降雨響應明顯。

各土壤層含水率隨降雨量不同對降雨響應的表現不同，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逐漸升高的趨勢。大雨條件下趨勢更為明顯。

在一次降雨事件中，各土層含水率變化量、降雨量和側向流量均明顯顯著，側向流與累計降雨量的相關性隨著雨量的增大越來越小，各土層含水率變化隨著深度的增大與降雨的響應越來越弱。最大側向流與累計降雨量呈指數關系，y=0.7614e0.2238x。