閩北不同類型毛竹林土壤水分時空變化規律

劉蔚漪, 范少輝, 劉希珍, 官鳳英

(1.西南林業大學 竹藤研究所, 云南 昆明 650224; 2.國際竹藤中心 竹藤科學與技術重點實驗室, 北京100102)

閩北不同類型毛竹林土壤水分時空變化規律

劉蔚漪1,2, 范少輝2, 劉希珍2, 官鳳英2

(1.西南林業大學 竹藤研究所, 云南 昆明 650224; 2.國際竹藤中心 竹藤科學與技術重點實驗室, 北京100102)

摘要：[目的] 揭示不同林分土壤空間和不同位點上的水分時空變化規律，旨在為毛竹林合理經營提供科學依據。 [方法] 采用野外定點觀測法，以閩北地區竹杉混交林(Ⅱ)、毛竹純林(Ⅲ)、竹闊混交林(Ⅳ)3種不同類型毛竹林為研究對象，杉木純林(Ⅰ)和常綠闊葉林(Ⅴ)為對照開展試驗。 [結果] 各林分的土壤含水量的季節變化基本與研究區域的降雨和蒸發季節變化一致，每月平均土壤含水量在22.98%～37.88%之間，年均土壤含水量排序為：常綠闊葉林(31.95%)>竹杉混交林(30.46%)>竹闊混交林(30.10%)>杉木純林(29.78%)>毛竹純林(29.31%)。空間垂直變化上，常綠闊葉林地各層土壤含水量之間差異顯著(p<0.01)，隨著土壤層深度的增加土壤含水量逐漸降低，但是其他林分不同土層土壤含水量之間的差異不顯著。 [結論] 林分類型和土層深度對土壤含水量的共同作用有差異，但未達到顯著水平，林內降雨量是影響土壤含水量的直接因子。

關鍵詞：閩北地區; 毛竹林; 土壤水分; 時空變化

土壤水是土壤的最重要組成部分之一。水分條件在很大程度上決定著土壤的形成與發育，也決定著土壤的性質。土壤水分在流域內的分布、儲存以及在土壤中的傳輸與運移是影響森林流域產流機制的重要環節，對森林土壤水分的分布、運動規律研究一直是水文學家密切關注的重大課題[1-2]。關于毛竹林土壤層水分的研究主要集中在水源涵養功能方面，目前主要有兩種不同的結論，有學者認為毛竹純林的水源涵養功能更優，毛竹林地具有較好的水分滲透性能[3-5]，也有研究者認為混交林的土壤儲水量比毛竹純林的更大[6-8]。目前，關于竹林土壤層水分的動態研究未見報道。本研究選取毛竹純林、竹杉混交和竹闊混交林3種不同類型的毛竹林為研究對象，以杉木林和常綠闊葉林做對照，對不同林分土壤層的水分的時空變動情況進行了1 a的定期觀察，以揭示不同林分土壤空間，不同位點上的水分時空變化規律，旨在為合理經營毛竹林提供科學依據，使其在發揮經濟效益的同時更好地發揮其水源林的生態效益。

1材料與方法

1.1　研究地概況及樣地設置

試驗地設在福建省順昌縣洋口國有林場，順昌縣地處福建省西北部，是我國第一批“十大竹子之鄉”之一。該區地理坐標為117°30′—118°14′E，26°39′—27°12′N，屬亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫18.7 ℃，最高溫40.3 ℃，最低溫-6.8 ℃，≥10 ℃的年有效積溫5 388～5 659 ℃，無霜期305 d，雨日164 d，年平均降雨量1 568 mm，日照1740.7 h，海拔240～400 m，土壤類型為紅壤或山地紅壤，土層深厚，土壤肥沃[9]。

該區常見的植被群落有毛竹人工林、竹杉混交林、竹闊混交林、禿杉(Taiwaniaflousiana)人工林、杉木(Cunninghamialanceolata)人工林、木荷(Schimasuperba)人工林、馬褂木(Liriodendronchinensis)人工林、馬尾松(Pinusmassoniana)人工林等。各林分樣地基本情況詳見表1。

表1　研究區各林分概況

注：Ⅰ為杉木純林，Ⅱ為竹杉混交林，Ⅲ為毛竹純林，Ⅳ為竹闊混交林，Ⅴ為常綠闊葉林。下同。

1.2　指標測定

1.2.1大氣降水測定[9]采用雨量筒收集法，在各標準地內隨即放置10個直徑為20 cm的雨量筒，收集穿透雨，在林外空曠地安放5個雨量筒作為對照。每次降雨后，同時測算降雨量。為了避免灌木及草本植物對收集的影響，定期對周邊的灌草進行清理。

1.2.2土壤持水量的測定[10]環刀法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量。

1.2.3土壤含水量測定用取土鉆在固定樣地外相同立地條件上定期取樣，帶回實驗室用烘干法測定土壤含水量。每月定時(1,11,21日)在各標準地外側，按照坡度上中下取3個點，用土鉆分層取土。由于毛竹竹林的地下系統中，74.6%的根系分布于0—30 cm的土層中，79.1%的竹鞭分布于10—40 cm的土層中。底層土壤中所含石礫較多，考慮到混交林中的杉木和其他灌木根系分布的更深，故將觀測深度定為60 cm，測定分層次為0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm；每次取樣時間定于清晨。采用3次平行測定，取其算術平均值，其平行差值不得大于1%。

2研究結果

2.1　土壤持水能力

土壤持水力是評價不同植物群落下的土壤涵養水源及調節水分循環的一個重要指標[11]，而林地蓄洪作用主要反映在非毛管孔隙水的貯存能力上。對不同林分不同層次土壤最大持水量、毛管貯水量和非毛管貯水量研究表明，各林分土壤最大持水量、毛管貯水量和非毛管貯水量隨土層增加而降低，同一土層不同林分各因子差異極顯著。由表2可知，各林分土壤毛管貯水量為815.56±70.78～985.33±90.90 t/hm2，并隨土層深度的增加而減弱，平均毛管貯水量排序為：常綠闊葉林(976.59 t/hm2)>杉竹混交林(957.93 t/hm2)>毛竹純林(937.89 t/hm2)>竹闊混交林(909.30 t/hm2)>杉木純林(862.00 t/hm2)。土壤最大持水量排序為：常綠闊葉林(1 125.70 t/hm2)>竹闊混交林(1 100.60 t/hm2)>杉竹混交林(1 050.60 t/hm2)>毛竹純林(1 015.10 t/hm2)>杉木純林(1 008.87 t/hm2)。平均非毛管貯水量排序為：竹闊混交林(173.6 t/hm2)>常綠闊葉林(149.00 t/hm2)>杉木純林(146.81 t/hm2)>杉竹混交林(92.70 t/hm2)>毛竹純林(77.30 t/hm2)。

表2　研究區不同林分土壤持水性能指標

注：A1，A2，A3分別為0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層。下同。

2.2　土壤水分動態變化

2.2.1氣象因子的月變化降水、氣溫、光照強度和蒸發量等氣象因子的季節性變化，會引起土壤水分發生相應變化。植物的生長具有季節性，隨著季節的變化植物對土壤水分的利用和植被覆蓋地表的情況隨之變化，對土壤水分含量也有一定影響[12]。由氣象資料分析可知，研究區域內2009年9月至2010年9月的總降雨量2 588.5 mm，2010年2—8月降雨量明顯多于其他月份，占全年降雨量的83.25%。研究區域氣溫度年變化不大，從5—10月氣溫都在20 ℃以上，7—12月日照時數較多，這幾個月的日照時數可達全年的72.42%，因此，1,2,4及6月份蒸發量相對較小。

2.2.2土壤水分月變化通過2009年9月至2010年9月的連續觀察，不同林分土壤水分年變化情況如圖1所示。土壤含水量的季節變化基本與研究區域的降雨和蒸發季節變化一致。由于2009年10月的降雨量最小，僅為5.5 mm，各林分的土壤含水量均有所減少。月平均土壤含水量為22.98%～37.88%，說明試驗區全年的土壤含水量較高，并且分布均勻，林地的水源涵養功能較好。余新曉等[13]將黃土地區防護林生態系統的土壤水分季節變化分為4個時期，即土壤水分消耗期、土壤水分積累期、土壤水分消退期和土壤水分穩定期。研究區由于全年降雨充沛，氣溫變化小，土壤含水量并未出現4種明顯的變化期，但是從圖1可以看出，各林地的土壤含水量先經過一個水分的積累期，土壤含水量持續增加，到達一個峰值后，進入消退期，土壤含水量持續降低。毛竹純林從頭年10月開始，到次年3月，土壤水分含量連續上升，3月出現最高值，之后開始出現下降的趨勢，竹杉混交林土壤水分含量從頭年10月開上升，到次年5月達到峰值，之后持續下降，竹闊混交林、常綠闊葉林及杉木純林土壤含水量的變化情況與毛竹純林一致。這是因為進入10月后，氣溫開始下降，植物生長緩慢，根系吸水微弱，地面蒸散減小，土壤水分的消耗很小，再加上每月都有降雨的補給，雨水滲入地下，在重力勢和基質勢的作用下，向下運動，在根際區不斷積累，土壤含水量持續增加。3—9月份，雖然有大量的降雨補給，但氣溫回升，植物處于生長期，根系開始活動，土壤水分大量被蒸散、蒸騰消耗，土壤含水量不斷減少。

圖1　研究區2009年9月至2010年9月不同

由圖1還可看出，不同林分之間，常綠闊葉林的土壤含水量最高，竹杉和竹闊混交林其次，杉木純林高于毛竹純林，此規律和各林分的土壤滲透性能規律一致[14]，說明土壤的含水量與滲透性有關。不同林分的不同土層之間的土壤含水量變化規律也有差異。水分積累期，毛竹純林、竹闊/竹杉混交林表層土的含水量大于深層土的含水量，進入消退期后，表層土含水量小于深層的含水量。可能是因為毛竹一般在3—5月出筍成竹，6—7月新竹生長旺盛，8—10月行鞭排芽，根系活動很大，因此，毛竹純林、竹闊混交林及竹杉混交林均出現地下40—60 cm層的土壤含水量高于地表0—20 cm層土壤含水量的情況。在土壤含水量的增長期，杉木純林情況相反，而進入消退期后，3個土層的土壤含水量相差也不大。常綠闊葉林隨著土層的增大，土壤含水量減少，但在6月降雨量最大時，20—40 cm層土壤含水量大于0—20 cm層的土壤含水量，可能是因為闊葉林地的土壤滲透性能較好，降雨進入土層后，致使深層土壤含水量增大。

2.3　土壤水分垂直分布變化規律

土壤水分的垂直變化規律主要受向下的入滲再分配和向上的蒸發過程所支配，而這兩個過程又受到土壤物理性質和氣候特征、植被類型等多種因素的影響，并且各種因素也是隨著時空變化而變化。對不同林分、不同層次土壤含水量全年的數據進行方差分析(表3)及多重對比(表4)，結果表明，不同林分之間差異極顯著，尤其是常綠闊葉林和毛竹純林之間差異極顯著，杉木純林、竹杉混交林及竹闊混交林差異顯著；除常綠闊葉各層土壤含水量之間差異顯著外，其它林分不同土層土壤含水量之間的差異不顯著，林分類型和土層深度對土壤含水量的共同作用有差異，但未達到顯著水平。

表3　不同土層土壤含水量分析表

表4　不同林分間土壤含水量多重比較

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)。

3結論與討論

(1) 研究區各林分土壤最大持水量、毛管貯水量和非毛管貯水量隨土層增加而降低，同一土層不同林分各因子差異極顯著。各林分土壤毛管貯水能力隨土層深度的增加而減弱，平均毛管貯水量排序為：常綠闊葉林(976.60 t/hm2)>杉竹混交林(957.93 t/hm2)>毛竹純林(937.90 t/hm2)>竹闊混交林(927.00 t/hm2)>杉木純林(862.00 t/hm2)。

(2) 各林分的土壤含水量的季節變化基本與研究區域的降雨和蒸發季節變化一致，各林地的土壤含水量先經過一個水分的積累期，土壤含水量持續增加，到達一個峰值后，進入消退期，土壤含水量持續降低。試驗區全年的土壤含水量較高，水源涵養功能較好。月平均土壤含水量在22.98%～37.88%之間，并且分布均勻，其中常綠闊葉林的土壤含水量最高，竹杉和竹闊混交林其次，杉木純林高于毛竹純林，年均土壤含水量排序為：常綠闊葉林(31.95%)>竹杉混交林(30.46%)>竹闊混交林(30.10%)>杉木純林(29.78%)>毛竹純林(29.31%)。說明除常綠闊葉林外，混交竹林的水源涵養功能要優于毛竹純林，這與前人研究結果類似[15]，并且也符合研究前期的結論[16]。

(3) 常綠闊葉各層土壤含水量之間差異顯著，常綠闊葉林內土壤層隨深度的增加土壤含水量逐漸降低，這和Singhl等[17]及楊新民[18]的研究結果一致，但是其它林分不同土層土壤含水量之間的差異不顯著，林分類型和土層深度對土壤含水量的共同作用有差異，但未達到顯著水平，但是分析夏季土壤各層的含水量，差異顯著，這可能和季節的溫度變化有關。另外，無論是哪種林分，均是表層土壤含水量時間變化最劇烈，而隨著土壤深度的增加，水分含量逐漸穩定，這也間接地反映了林內降雨量輸入對土壤各層水分交換動態變化劇烈程度的影響。

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Spatiotemporal Changes of Soil Water Content Under Different Types ofPhyllostachysEdulisForests in Northern Fujian Province

LIU Weiyi1,2, FAN Shaohui2, LIU Xizhen2, GUAN Fengying2

(1.InstituteofBamboos,SouthwestForestryUniversity,Kunming,Yunnan650224,China; 2.InternationalCentreforBambooandRattan,KeyLaboratoryofBambooandRattan,Beijing100102,China)

Abstract：[Objective] The temporal and spatial variation of soil moisture was revealed under different bamboo forest stands in order to provide the scientific basis for the sustainable management of Phyllostachys edulis forests. [Methods] Based on the field test, three typical P. edulis forests(P. edulis and Cunninghamia lanceolata mixed forest, P. edulis pure forest and P. edulis and broad-leaved tree mixed forest) in northern Fujian Province were investigated in comparison with C. lanceolata pure forest and evergreen broadleaved forest. [Results] The seasonal changes of soil moisture content were consistent with the rainfall and evaporation. Monthly average soil moisture content ranged from 22.98% to 37.88%, and broad-leaved tree mixed forest had the largest mean annual soil moisture content of 31.95%, and followed by P. edulis and C. lanceolata mixed forest, P. edulis and broad-leaved tree mixed forest, C. lanceolata pure forest and P. edulis pure forest(30.46%, 30.10%, 29.78, and 29.31%, respectively). The moisture contents of different soil layers of evergreen broadleaved forest had significant differences(p<0.01) in the soil profiles, and the soil moisture contents decreased with soil depth, however, the moisture contents of other forest types had no significant differences in the soil profile. [Conclusion] The impacts of forest types and soil depth on soil moisture contents were different, but did not reach significant levels, and the precipitation in the forest canopy was the direct factor influencing soil moisture contents.

Keywords:the north area of Fujian Province; Phyllostachys edulis; soil water; spatial and temporal change

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0059-05

中圖分類號：S152.7

通信作者：官鳳英(1974—),女(蒙古族),吉林省前郭縣人,博士,副研究員,主要從事竹林經營管理研究。E-mail:guanfy@icbr.ac.cn。

收稿日期：2014-06-13修回日期：2014-06-23

資助項目：“十二五國家科技支撐課題“竹藤資源高效培育技術研究與示范”(2012BAD23B04); 國家自然科學基金項目(31160154)； 云南省竹藤科學創新團隊建設項目(2008OC001)； 西南林業大學人才引進項目(01102-111306)

第一作者：劉蔚漪(1982—),女(漢族),云南省耿馬縣人,博士,講師,主要從事竹林培育及生態研究。E-mail:liuweiyi@icbr.ac.cn。