武陵山区小流域马尾松天然林土壤水分动态研究

摘要 利用TDR定位监测的方法，研究武陵山区马尾松天然林土壤水分分配规律。结果表明：在空间分布上，土壤各层含水量随土层深度的增加而改变。降雨后土壤水分损失率与干旱天数存在曲线函数关系（P

关键词 马尾松天然林；土壤蓄水量；土壤实时含水量；垂直变化；武陵山区

中图分类号 S791.248 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）10-0118-02

Dynamics of Soil Water Under Pinus massoniana Natural Forest in Wuling Mountain Area

ZENG You 1 ZHOU Xiao-ling 2 TIAN Yu-xin 2 WEN Shi-zhi 1 * LUO Jia 2 YANG Li-li 1

（1 Central South University of Forestry and Technology，Changsha Hunan 410004； 2 Hunan Forestry Academy，Research Station of Forest Ecosystem Location and Observation in Cili of Hunan）

Abstract By using the time domain reflectometry（TDR），and based on the data collected from Feb，2015 to Oct，2015，the paper conducted a study on the dynamics of soil water under Pinus massoniana natural forest in Wuling Mountain Area.The results indicated that in terms of spatial distribution，its soil water content changed with increasing soil depth.The soil water loss rate after rain had a significant hyperbolic relationship with durative droughty days，which soil water storage had a significant linear negative relationship with this duration（P

Key words Pinus massoniana plantation；soil water storage；soil moisture；vertical distribution；Wuling Mountain Area

土壤水是指山地面向下至地下水面（潜水面）以上土壤层中的水分[1]，是土壤的最重要组成部分[2-3]。森林土壤水分运动包括水分的入渗、再分布、深层渗漏形成壤中流等，降雨或多或少最终都会形成土壤水[4]。截至目前，有关土壤水分运动模型的研究大多集中在农田和水利方面[5-9]，林地土壤水分运动的研究相对很少。土壤是森林生态系统水分的主要蓄库，系统中的水文过程（植物-大气、大气-土壤和土壤-植物）大多是通过土壤作为媒介发生的，直接影响到土壤水分入渗、林地蒸散和流域产流[10-12]。土壤水分运动过程复杂，涉及到土壤饱和、非饱和带中的水、空气、水汽在水力梯度、温度梯度、浓度梯度、渗透梯度等影响下的动态流过程，进而影响到森林流域的界面产流。

土壤水分是连接大气-植物-土壤的关键因子，是土壤养分循环流动的载体，直接影响到土壤特性和植物生长，间接影响植物分布和生态系统小气候的变化。了解研究土壤水分对水文过程的理解和预测具有重要意义。马尾松（Pinus massoniana）是中国南部主要材用树种，也是荒山造林的先锋树种。马尾松作为武陵山区退耕还林的主要树种，发挥了重要的经济效益和生态效益。而国内关于马尾松林地土壤水分的研究比较少，本研究通过对马尾松林地土壤实时含水量及气象因子的连续定位监测，综合分析气象因子对土壤水分的影响，探究马尾松林地土壤水分垂直分布规律，以为马尾松造林提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于慈利县零阳镇两溪村女儿寨湖南慈利森林生态系统定位观测研究站（29°30′N，110°10′E），流域面积、海拔分别为2.81 km2、210～917 m。属于亚热带湿润季风气候，年均降水量、年均蒸发量分别为1 345.8、1 058.9 mm，降水集中在4―7月；年均温17.3 ℃，最冷月（1月）、最热月（7月）平均气温分别为5.0、29.3 ℃，无霜期270 d。

试验样地设在35°西南坡的中坡，面积为1 000 m2（25 m×40 m）。土壤为板岩发育而成的红黄壤，0～40 cm土层土壤容重1.55 g/cm3，最大持水量13.3%，渗透速率0.99 mm/min。马尾松天然林（林龄30年）具有乔草的层次结构，马尾松林平均树高、平均胸径分别为13 m、10.5 cm，密度为3 490株/hm2；林下草本主要包括金银花（Flos lonicerac）、忍冬（Lonicera japonica）、青蒿（Artenmisia annua）等。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤含水量测定。使用TDR 300便携式土壤水分速测仪测定典型降雨过程中及降雨前后不同深度土壤含水量的动态变化。在监测样地设定3个监测点，用PVC管标定监测点。根据监测仪器探针S＼M＼L不同长度（7.5、12、20 cm）测试不同土层深度一次降雨雨前、雨中、雨后测持水量。每次降雨前1 d，降雨后第1天、第2天、第3天测试。雨中分别在8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00、20：00各测1次，共7次。

1.2.2 土壤蓄水量。采用分层计算法，计算公式为：

SWSi=10Vi・hi

SWS=∑SWSi

式中，SWSi、SWS、Vi、h分别表示i层土壤蓄水量（ mm）、土壤蓄水总量（ mm）、每层土壤容积含水量（%）、层厚度（ cm）。

土壤水分损失率（%）=（SWSi-SWSn+1）/SWSi×100

式中，SWSi、SWSn+1分别表示降雨后第i天、第n+1天的土壤蓄水量。

1.2.3 降雨量以及其他气象因子的测定。利用自动气象站（HOBO U30自动气象站，美国）测定降雨量、蒸发量、空气温湿度等指标。

1.3 数据处理

试验数据采用SPSS11.5软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 小气象特征

对监测期间每次降雨（降雨间隔时间在6 h以上算2次降雨）进行统计分析可知（表1），研究区域2015年小气象特征值（大气温度、地面温度、蒸发量）均在7月达到最大值，且具有相似的变化趋势；大气相对湿度变化幅度较小。由此可知，尽管研究区域月平均降雨量差异较大，但是降雨特征、大气温度及土壤温度变化趋势具有相似性，因而对土壤水分的影响相似。

2.2 降雨前后土壤水分动态变化

选取一次典型降雨研究降雨后土壤水分时间和空间尺度变化。降雨时间为2015年6月30日下午，降雨历时、降雨量分别为1 h、10.02 mm，未产生地表径流，土壤含水量的测定时间为6月29日、6月30日、7月1日、7月2日、7月3日。此次降雨的前5 d和降雨后的后10 d天气晴朗，期间平均温度26.76 ℃，大气平均相对湿度68.36%。研究期间各土壤层之间土壤含水量变化差异较为明显，由图1可以看出，此次降雨后土壤表层的土壤含水量迅速增加，S土层和M土层的土壤含水量增加量分别是总增加量的50.1%和36.9%，说明降雨对土壤含水量的补给主要在表层土。降雨后2 d内土壤水分垂直变化明显，说明马尾松林0～12 cm土层的土壤水分最容易因蒸腾作用而损失土壤水分。接下来

的持续干旱条件下土壤水分垂直变化趋势基本不变，由此可知降雨对表层土的影响挺大，对深层土壤影响比较小。经计算，6月29日的土壤的蓄水量为186.7 mm，6月30日降雨后，土壤的蓄水量快速增加，7月2日土壤的蓄水量是186.5 mm，此时已降回到降雨前水平，说明土壤水分开始遭到损失。由图2可知，随着晴朗的天气推后，土壤水分的损失率逐渐趋于平缓。由图3可知，降雨后不同土层的土壤水分变异系数会随干旱时间的延长呈现递增趋势，最终趋于平缓的状态。降雨后7 d和12 d土壤的蓄水量分别下降了15.9%和22.5% 。降雨之后，对选取的4个土壤水分损失的实际值进行了曲线拟合：y=30.97-27.26/x（1

2.3 降雨前后土壤的水分垂直变化

由图4可知，持续干旱时，土壤水分垂直变化呈“S”形趋势分布。由图5可知，土壤水分变异系数随土层深度的增加而降低，说明持续干旱对土壤表层的水分影响较大，对深层土壤水分影响较小。降雨后土壤表层的土壤蓄水量迅速增加，0～7.5 cm（S层）和7.5～12.0 cm（M层）土层蓄水增加量分别占总增加量的30.3%和18.9%，说明此次降雨主要补充0～12 cm土层蓄水量。降雨后2d内土壤水分垂直变化剧烈，该时段内12～20 cm（L层）土层土壤水分损失率（高达3.1%）远大于其他时段，而且其垂直土壤水分变异系数最大。表明马尾松林0 ～12 cm土层的土壤水分最容易因蒸散作用而损失。在土壤水分测定时期内，就土壤水分的变异系数而言，单日间（n=5）（25.1%）大于土壤层间（n=7）（17.2%），说明马

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尾松林地土壤水分时间尺度上的变异高于垂直空间尺度上的变异。

3 结论

坡向、坡位和土地利用类型是影响土壤水分分布格局的三大重要因子，而降雨主要控制土壤水分的分布。在本次研究中，4―10月是土壤水分消耗期，在这个时间段是马尾松及其林下植被器官构建的生长期，土壤水分损失以蒸发和蒸腾为主。

土壤水分空间分布是土壤各层含水量随土层深度的增加而改变。降雨后土壤水分损失率与干旱天数存在曲线函数关系（P

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