清水河流域典型林分類型土壤水分特征研究

胡靜霞，楊新兵

(河北農業大學林學院，河北省林木種質資源與森林保護重點實驗室，河北 保定 071000)

【研究意義】清水河流域屬于永定河水系，位于冀西北地區，是京津冀的北部屏障所在地。該區域的生態系統的健康與否關系著當地森林質量，對于整個京津冀地區的生態環境有著至關重要的作用。而清水河流域生態環境的關鍵點在于該流域的上游地區，上游地區的主要位置崇禮區則成了生態環境建設的重點區域。生態環境建設主要依托于森林植被的建設，崇禮區主要森林植被位于東溝和平林場(主要林分類型有落樺混交林(Larixprincipis-rupprechtiimayrandBetulaplatyphyllamixed forest)、山楊林(Pobulusdavidiana)、白樺林(Betulaplatyphylla)和華北落葉松林(Larixprincipis-rupprechtii)等)，土壤水分對植被的生長存在限制性作用，所以對不同林分類型的土壤水分研究成為必然趨勢。【前人研究進展】土壤是植被的載體，土壤質量直接影響生態系統的穩定性，土壤水分是土壤質量的重要標志[1-4]。土壤水分是陸地生態系統最重要的因素之一，其時空變化研究在多個學科和應用領域有著重要的意義[5-7]。首先，土壤水分在干旱半干旱地區是植被生長的限制性因子，影響森林生態效益的正常發揮。其次，在不同水分條件下，植物的生長狀況差異很大，其作為陸地水循環和水量平衡的一個重要組成部分，綜合反映了生態系統的水文過程和生態過程[8-10]。【本研究切入點】目前，對于土壤水分的研究多集中在土壤水分對降雨的響應等方面；國外學者對土壤水分研究多集中在土壤水分的空間變化。對于清水河流域不同林分類型土壤水分研究還尚未見報道，本文以該地不同林分土壤水分變化為研究對象。【擬解決的關鍵問題】此次研究為2022年冬奧會提供土壤生態建設的數據和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

清水河流域主要位于河北省張家口市崇禮區，東經115°23′26″～115°27′57.91″，北緯40°59′59.14″～41°00′34.05″，海拔在1499～1951 m，屬于干旱半干旱地區，大陸性季風氣候，冬季干旱，晝夜溫差大，夏季涼爽短促，春秋多風。年均氣溫4.5 ℃，極端高溫34.2 ℃，極端低溫-32.6 ℃。地表水資源主要來自降水，淺層地下水位約15 m。土壤主要以栗鈣土為主，土層厚度在30～100 cm。

和平林場研究區山脈為東西走向，陽坡以灌草為主，陰坡或半陰坡植被比較豐富。主要喬木樹種有山楊(Pobulusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、云杉(Piceawilsonii)等，主要灌木樹種為山杏[Armeniacasibirica(L.) Lam]、沙棘(Hippophaerhamnoides)、六道木(Abeliabiflora)等。

1.2 研究方法

2016年7-9月在對清水河流域進行基礎生態調查的同時，選擇該地區具有代表性的落樺混交林、山楊林、白樺林和華北落葉松林作為研究對象，布設50 m×50 m的樣方，進行每木檢尺，測量其胸徑、樹高、活枝下高、郁閉度和林層結構等(表1)。

對深度為0～80 cm土層進行土壤水分監測(試驗林分土層一般小于80 cm)。在樣地內埋設1 m長的TRIME探管，使用TRIME-FM土壤剖面水分速測儀對土壤水分進行動態監測。測量時按照0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm分別測量進行記錄(2 d測量1次，若降雨則雨后第2天測定)。儀器采用鋁盒取土烘干法進行校正。

土壤蓄水量計算公式：Wi=Vi×Hi

式中：Wi是指i層的土壤蓄水量；Vi是指i層的體積含水量；Hi是指i層的土層厚度

W=W1+W2+...+Wi

利用Excel 2016和SPSS 21.0軟件對數據進行處理分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同林分土壤水分特征

表1 觀測地基本情況

表2 4種典型林分土壤含水量

由表2可知：白樺純林的土壤平均含水量最大，為17.80 %，山楊純林最小，為11.45 %，4種林分類型的土壤平均含水量大小排序為：白樺林>落樺混交林>華北落葉松林>山楊林。土壤蓄水量是土層中接納或保留的水分總量，是植物蒸騰耗水和土壤蒸發的源泉，白樺純林土壤蓄水量最大，為142.40 mm，山楊純林最小，僅為91.60 mm。落樺混交林和白樺純林平均土壤含水量為隨土層深度增加土壤含水量先增加后降低然后再增加，10～20 cm土壤含水量最大，40～60 cm土壤含水量最小。山楊純林與華北落葉松純林規律正好相反，山楊純林為隨土層深度增加土壤含水量先降低后增加，20～40 cm土壤含水量降至最小，僅為7.71 %。華北落葉松純林為隨土層深度增加土壤含水量先增加后降低，20～40 cm土壤含水量達到最大，為17.19 %。

經過方差分析和多重比較得出，落樺混交林、山楊林、白樺林和華北落葉松林0～80 cm的土層蓄水量之間具有顯著性差異(表3)。華北落葉松林與落樺混交林和山楊林土壤蓄水量之間顯著性不明顯，與白樺林之間土壤蓄水量有顯著性差異；落樺混交林與山楊林和白樺林土壤蓄水量之間具有顯著性差異(表4)。

表3 4種典型林分0～80 cm土壤蓄水量的方差分析

表4 4種典型林分土壤層蓄水量的多重比較

注：*均值差的顯著性水平P< 0.05。

表5 典型純林和混交林、闊葉林和針葉林不同土層的蓄水量

注：純林指的是山楊純林、白樺純林和華北落葉松純林；闊葉林指的是山楊純林、白樺純林。

由表5可知，該區域典型的純林土壤蓄水量在0～80 cm為1115.24 mm，落樺混交林為1129.73 mm，相比純林多消耗了14.49 mm的土壤水分；但0～10 cm的土層純林的土壤蓄水量為120.39 cm，落樺混交林的土壤蓄水量為100.45 cm，純林相比落樺混交林多消耗了19.94 cm的土壤水。闊葉林土壤蓄水量在0～60 cm為847.51 mm，針葉林(華北落葉松林)為864.00 mm，相比針葉林，闊葉林多消耗了16.49 mm的土壤水；0～10和0～80 cm土層，闊葉林土壤蓄水量分別為：144.50、1150.78 mm。針葉林土壤蓄水量分別為：72.18、1044.18 mm，相比闊葉林，針葉林在土壤表層和0～80 cm深度分別多消耗了72.32、106.60 mm的土壤水。

2.2 不同林分類型土壤水分時間變化

表6 不同林分土壤含水量時間動態變化

表7 2016年8-9月期間降雨量

土壤水分受各種環境因子的影響[11]，本研究主要分析土壤水分受降雨量的影響。表6為清水河流域4種典型林分類型落樺混交林、山楊林、白樺林和華北落葉松林在2016年8月24日到9月24日的土壤水分動態變化，表7為此期間的降雨量。由表6和7可知，白樺林的土壤含水量最高。各林分在8月24日測量的土壤含水量較高，之后隨時間增加開始下降，到9月4日降雨前達到最低點；9月5日降雨后土壤含水量開始升高，經過9月17日24.84 mm的降雨量，9月20日測定的土壤含水量較高，經過9月23日14.60 mm的降雨量，次日測得的土壤含水量在20日基礎上有所下降。土壤含水量與降雨量呈現正相關關系，降雨量大則土壤含水量大，降雨量小則土壤含水量小。降雨量小于10 mm時8月24日4個林分類型0～10 cm土層含水量均大于27日，降雨量大于等于10 mm小于24.9 mm時9月20日4個林分類型10～20 cm土層含水量均大于17日降雨前。

2.3 不同林分類型土壤水分垂直變化

在土壤垂直剖面上，上層土壤受外界影響大，隨著深度的增加土壤所受的環境影響減弱，一般來講，隨著深度的增加，土層平均含水量的變化幅度減少[12]。由圖1可知，4個林分類型在0～80 cm隨深度增加呈波浪形變化，其中華北落葉松林變化幅度最大。在0～40 cm土層范圍內，白樺林土壤含水量明顯高于其他3個林分，40～60 cm華北落葉松林土壤含水量最大，60～80 cm白樺林土壤含水量最大。山楊林在20～40 cm處土壤含水量最小，之后隨深度的增加，土壤含水量逐漸增加；落樺混交林和白樺林變化規律一致，從表層土到20 cm深度，土壤含水量逐漸增加，之后開始減少，在40～60 cm處達到最低，隨后逐漸增加；華北落葉松林從表層土到40 cm土壤含水量隨深度增加而增加，之后開始隨深度的增加土壤含水量開始減少。

圖1 不同林分土壤含水量隨深度變化情況Fig.1 Changes of soil water content with depth in different stands

由表8可以看出，整體上各林分土壤含水量變異系數隨土層深度增加而減小(山楊林和白樺林的20～40 cm除外)，落樺混交林土壤含水量的變異系數在0～10 cm處最大，但山楊林和白樺林在20～40 cm變異系數最大，分別達到0.42和0.31，華北落葉松林則是10～20 cm處最大為0.36。落樺混交林和華北落葉松林的變異系數波動幅度較山楊林和白樺林大。

根據變異系數的大小可以將 80 cm 土層劃分為土壤水分劇烈變化層( 變異系數大于0.25) 、土壤水分弱變化層( 變異系數介于 0.25～0.10) 、土壤水分相對穩定層( 變異系數小于 0.1)[13]。由此可知各林分類型土壤水分劇烈變化層為：落樺混交林的0～10和10～20 cm土層、山楊林的0～10、20～40和40～60 cm土層、白樺林的20～40 cm土層、華北落葉松林的0～10、10～20和60～80 cm土層；各林分類型土壤水分弱變化層為：落樺混交林的20～40和40～60 cm土層、山楊林的10～20和60～80 cm土層、白樺林的0～10、10～20、40～60和60～80 cm土層、華北落葉松林的20～40和40～60 cm土層；各林分類型土壤水分相對穩定層為：落樺混交林的60～80 cm土層。

3 討 論

3.1 不同林分土壤水分特征

土壤水分不僅影響植物的生長和發育，還限制著植被的種類、數量和分布[14]。4個林分的土壤含水量由于林分類型的不同從而導致土壤含水量的差異，和植被類型、坡度、植被覆蓋度等因素相關[15]。白樺林土壤體積含水量最高，可能是因為白樺林下土壤毛管孔隙度大，持水量較大，從而其土壤體積含水量高。4個林分整體上在10～40 cm處含水量最高，可能是由于高山植被根系分布較淺，主要分布在此深度，根系的持水能力較強，使土壤水分主要分布在10～40 cm土層。落樺混交林和華北落葉松林土壤表層含水量低，原因可能是華北落葉松林的郁閉度較低，接受的太陽輻射較強，土壤蒸發較大，土壤含水量降低；落樺混交林林下灌草叢覆蓋度較低，導致了表層土壤水分的蒸發，都有可能導致土壤含水量的降低。

表8 不同林分類型不同深度土壤含水量的統計特征

注：c.v.:變異系數，M：均值，Max：最大值，Min：最小值，D：極差。

落樺混交林與山楊林和白樺林土壤蓄水量具有顯著性差異，原因可能是落樺混交林中存在針葉林(華北落葉松林)，與闊葉林在持水方面具有差異性，所以導致土壤蓄水量的顯著性差異。純林土層蓄水量在0～10和0～60 cm大于混交林，其他土層均小于混交林，可能是因為混交林由于不同樹種對水分的截留能力不同，混交林對土壤水分的吸收利用主要在土壤表層，混交林中針葉林的枯落物不易分解，油脂較多，不易保持土壤表層的水分，是水分蒸發或是下滲，最終導致混交林在土壤表層的蓄水量小于純林。

闊葉林整體上土壤蓄水量高于針葉林，可能是由于闊葉林蓄水能力強于針葉林，且闊葉林的枯落物分解較快，可以更多的將土壤表層的水分截留，從而加大土壤層的蓄水量。同時闊葉林林下灌草叢覆蓋度高，可以降低陽光輻射，減少蒸發。這一結果與莫保儒等的半干旱黃土區成熟檸條林地土壤水分利用及平衡特征相一致[16]。

3.2 不同林分類型土壤水分時間變化

隨著時間的變化白樺林的土壤含水量一直保持首位，說明白樺林的持水能力和涵養水源的功能。白樺林土壤含水量高，可能是因為白樺林土壤入滲能力強于其他3個林分，同時也可能是由于測定土壤水分的探管插放的坡度較小，位于下坡位，而上坡的土壤水分要低于下坡的土壤水分[17]。

土壤含水量隨降雨量增加而增加，主要是因為降雨量的增大，地表徑流增加，土壤入滲增加，土壤含水量增加是必然現象；同時降雨天氣少太陽輻射，減少土壤蒸發，對土壤含水量的增加起到推進作用。土壤含水量在降雨前達到低點，可能是由于長時間未降雨，太陽輻射、土壤蒸發、植物蒸騰、植物生長所需水分均是來自于土壤含水量，從而導致土壤含水量的降低。兩次降雨之間間隔時間的長短也會影響所測土壤含水量，間隔時間長則所測土壤含水量低，間隔時間短則更接近降雨后所測值。

降雨量小于10 mm時4個林分類型0～10 cm土層含水率均大于27日，說明降雨量小時表層土含水量對降雨量敏感性強，可能是降雨量小，水分入滲有限，土壤表層吸收，對深層土壤含水量無法產生影響；大于等于10 mm小于24.9 mm時4個林分類型10～20 cm土層含水量均大于17日降雨前，說明中等降雨量時，10～20 cm土層含水率對降雨量敏感性強，原因可能是植被一部分根系分布在此，降雨量大時只被吸收傳輸到土層，同時表層土壤含水量達到飽和，水分下滲，達到更深層土壤中。和黃土高原水土保持林對土壤水分的影響研究結果具有一致性[18]。

3.3 不同林分類型土壤水分垂直變化

在土壤水分的垂直變化中華北落葉松的變化幅度較其他3個林分都大，可能是因為華北落葉松的根系主要分布層腐殖質層內土壤水分變化較大，導致整體上華北落葉松林下土壤水分變化幅度大[19]。華北落葉松林土壤水分的變化趨勢可能是因為其細根主要分布在土壤表層，且華北落葉松林林下灌木和草本植物稀少，土壤蒸發較大，所以表層土壤水分小，隨著深度的增加，土壤水分逐漸保持，到40 cm達到峰值，隨后深度增加，土壤水分入滲有限，且植被主根分布在土壤深層，林木耗水和蒸騰作用，導致土壤水分的減少。白樺林在0～40 cm土層含水量明顯高于其他林分，主要可能是白樺林下枯落物層厚，灌木和草本植物種類多樣，減少了土壤水分的蒸發。

變異系數能夠良好的反映各層次土壤水分的穩定性，能夠反映單位均值上的離散程度，變異系數越大，說明觀測數據的離散性越大，即土壤水分含量的變化越劇烈，反之則越小[20]。落樺混交林和華北落葉松林均在表層(0～20 cm)土壤水分變異系數最大，說明其土壤水分含量變化劇烈，可能是因為華北落葉松林郁閉度小，林冠遮蔭較小，落樺混交林林下枯落物層較薄，受外界氣候條件影響較大，從而導致土壤表層含水量變化劇烈。山楊林和白樺林土壤含水量變化幅度較小，可能是因為這兩種林分為闊葉林，郁閉度較高，林下灌草種類多，對土壤水分有截留的作用。

山楊林和白樺林的土壤水分劇烈變化層為表層和表層以下40 cm，原因可能是闊葉林枝葉茂盛，四季變化明顯，植物蒸騰作用強烈，而其根系主要分布在20～80 cm層，所以林木根系耗水具有強烈的時間性，導致土壤水分的強烈變化。由于所觀測地為山地，土層較薄，所以土壤水分穩定層較少。與黃土高原溝壑區林地土壤水分特征的研究(I)——土壤水分的垂直變化和季節變化特征研究結果相一致[21]。

4 結 論

(1)4個林分的土壤蓄水量最大的為白樺林(142.40 mm)，最小的為山楊林(91.60 mm)，其土壤平均含水量大小順序為：白樺林>落樺混交林>華北落葉松林>山楊林；華北落葉松林土壤蓄水量與白樺林之間有顯著性差異；落樺混交林與山楊林和白樺林土壤蓄水量之間具有顯著性差異。

(2)4個林分中白樺純林的土壤含水量最高，土壤含水量與降雨量呈現正相關關系，降雨量大則土壤含水量大，降雨量小則土壤含水量小。

(3)4個林分類型中華北落葉松林土壤水分的垂直變化幅度最大，在0～40 cm土層范圍內，白樺林土壤含水量最高，40～60 cm華北落葉松林最大，60～80 cm白樺林最大；在20～40 cm處山楊林土壤含水量最小。

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