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降雨过程中不同密度枯落物对各土层含水率动态影响

陈佩岩 马岚 梅雪梅 张栋 薛孟君 孙一惠

陈佩岩, 马岚, 梅雪梅, 张栋, 薛孟君, 孙一惠. 降雨过程中不同密度枯落物对各土层含水率动态影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(11): 93-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180078
引用本文: 陈佩岩, 马岚, 梅雪梅, 张栋, 薛孟君, 孙一惠. 降雨过程中不同密度枯落物对各土层含水率动态影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(11): 93-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180078
Chen Peiyan, Ma Lan, Mei Xuemei, Zhang Dong, Xue Mengjun, Sun Yihui. Dynamic influence of different density litter on moisture content in each soil layer during rainfall process[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(11): 93-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180078
Citation: Chen Peiyan, Ma Lan, Mei Xuemei, Zhang Dong, Xue Mengjun, Sun Yihui. Dynamic influence of different density litter on moisture content in each soil layer during rainfall process[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(11): 93-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180078

降雨过程中不同密度枯落物对各土层含水率动态影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180078
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51779004

国家重点研发计划 2016YFC0501704

详细信息
    作者简介:

    陈佩岩。主要研究方向:生态水文与土壤侵蚀。Email:3082677509@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    马岚,副教授。主要研究方向:生态水文与土壤侵蚀。Email:mlpcz@sina.com 地址:同上

  • 中图分类号: S714.7

Dynamic influence of different density litter on moisture content in each soil layer during rainfall process

  • 摘要: 目的以晋西黄土区典型油松林及刺槐林为研究对象, 对其枯落物层和土壤层水文效应进行初步研究,以期为该区建设水源涵养林及水土保持林提供一定的借鉴依据。方法分别选取对应林分3种密度枯落物后进行野外人工降雨,并对其覆盖下0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm、100~120 cm 6个土层含水量实时监测。结果(1) 在同一雨量级别下,当枯落物覆盖密度增加时,其在降雨过程中的截留量以及枯落物最终达到饱和截留量的时间也随之增加;此外,随着降雨试验的进行,截留率随之减小,且其随枯落物的密度增加而升高。(2)降雨过程中,随着枯落物密度的增加,两种林地上层土壤(0~60 cm)的含水率均呈现逐渐减小的趋势;其中0~20 cm土层含水率对降雨的响应最为直接和迅速,而20~40 cm与40~60 cm土层的土壤含水率变化有一定的滞后和延长,较深层(60~120 cm土层)土壤含水率对降雨过程几乎无响应过程。(3)降雨结束后,各深度土层的含水率均表现出随时间的持续缓慢减小;降雨结束24 h内,裸地及各密度枯落物覆盖下的土壤含水量最高均出现在0~20 cm层;当入渗48 h后,裸地土壤含水量最高则出现在20~40 cm土层,但是对于有枯落物覆盖的土壤,0~20 cm土层含水率在降雨结束48 h内始终最高,并且随着密度的增加其随时间延续而减小的幅度越小。结论截留量、截留率与降雨历时(降雨量)均符合幂函数关系(R2>0.9);在降雨前后及过程中,不同密度枯落物对其覆盖下的土壤含水率有较大影响;不同深度土层含水率对降雨响应差异显著。
  • 图  1  降雨过程中不同密度油松枯落物截留量及截留率

    Figure  1.  Interception and interception rate by different densities of Pinus tabuliformis litter during rainfall process

    图  2  降雨过程中不同密度刺槐枯落物截留量及截留率

    Figure  2.  Interception and interception rate for different densities of Robinia pseudoacacia litter during rainfall process

    图  3  降雨过程中不同密度油松枯落物下各土层体积含水率

    D1、D2、D3、D4、D5、D6分别表示0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm、100~120 cm土层含水率。下同。

    Figure  3.  Volatile water content of each soil layer under different densities of Pinus tabuliformis litter during rainfall process

    D1, D2, D3, D4, D5 and D6 represent the volatile water content of 0-20 cm, 20-40 cm, 40-60 cm, 60-80 cm, 80-100 cm and 100-120 cm, respectively. The same below.

    图  4  降雨过程中不同密度刺槐枯落物下各土层体积含水率

    Figure  4.  Volatile water content of each soil layer under different densities of R. pseudoacacia litter during rainfall process

    图  5  降雨结束48 h内油松林地各土层含水率变化

    K1、K2、K3、K4、K5分别表示0、300、500和700 g/m2枯落物覆盖下的土层含水率。

    Figure  5.  Variations of soil moisture content in different soil layers in Pinus tabuliformis forestland within 48 hours after the end of rainfall

    K1, K2, K3, K4, and K5 represent soil moisture content of soil layers covered with litter of 0, 300, 500 and 700 g/m2, respectively.

    图  6  降雨结束48 h内刺槐林地各土层含水率变化

    M1、M2、M3、M4、M5分别表示0、100、300和500 g/m2枯落物覆盖下的土层含水率。

    Figure  6.  Variations of soil moisture content in different soil layers in Robinia pseudoacacia forestland within 48 hours after the end of rainfall

    M1, M2, M3, M4, and M5 represent soil moisture content of soil layers covered with litter of 0, 100, 300 and 500 g/m2, respectively.

    表  1  调查样地基本特征

    Table  1.   Basic characteristics of sample sites

    林分
    Forest
    立地因子Site factor 郁闭度
    Canopy closure/%
    叶面积指数
    Leaf area index
    蓄积量/(t·hm-2)
    Stand volume/(t·ha-1)
    海拔
    Altitude/m
    坡向
    Slope aspect
    坡度
    Slope degree/(°)
    油松Pinus tabuliformis 1 176 阳坡Sunny slope 14 0.85 5~7 3~7
    刺槐Robinia pseudoacacia 1 168 阴坡Shady slope 18 0.80 3~5 1~5
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    表  2  降雨结束时不同密度枯落物截留情况

    Table  2.   Interception condition for litter of different densities at the end of rainfall

    枯落物类型
    Litter type
    枯落物密度
    Litter density/(g·m-2)
    总截留量
    Total interception amount/mm
    单位质量截留量
    Interception of unit mass/(mm·kg-1·m-2)
    截留率
    Rate of interception/%
    300 8.5 28.3 14.2
    油松Pinus tabuliformis 500 10.1 33.7 16.8
    700 16.7 55.7 27.8
    100 4.5 45.0 7.5
    刺槐Robinia pseudoacacia 300 7.7 25.7 12.8
    500 9.7 19.4 16.2
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    表  3  不同密度枯落物截留量及截留率与降雨量关系

    Table  3.   Relationship of interception as well as interception rate and rainfall by different densities of litter

    枯落物类型
    Litter type
    枯落物密度
    Litter density/(g·m-2)
    截留量与降雨量函数关系
    Functional relationship between interception and rainfall
    截留率与降雨量函数关系
    Functional relationship between interception rate and rainfall
    300 y=0.355 1x0.765 1(R2=0.98) y=35.51x-0.235(R2=0.94)
    油松Pinus tabuliformis 500 y=0.566 6x0.704 8(R2=0.96) y=56.66x-0.295(R2=0.98)
    700 y=0.647 9x0.780 7(R2=0.98) y=64.78x-0.219(R2=0.92)
    100 y=0.384 8x0.626 3(R2=0.96) y=38.48x-0.374(R2=0.91)
    刺槐Robinia pseudoacacia 300 y=0.391 8x0.797 8(R2=0.98) y=39.18x-0.202(R2=0.97)
    500 y=0.430 3x0.759 2(R2=0.98) y=43.02x-0.241(R2=0.94)
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    表  4  油松、刺槐林地各土层体积含水率

    Table  4.   Volatile water content of each soil layer in the forest of Pinus tabuliformis and Robinia pseudoacacia

    林地类型Forest type 0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm 60~80 cm 80~100 cm 100~120 cm
    油松Pinus tabuliformis 9.7 11.2 10.8 9.4 8.1 7.5
    刺槐Robinia pseudoacacia 8.1 8.4 7.5 7.2 6.3 5.7
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    表  5  降雨结束时不同密度枯落物土壤含水率

    Table  5.   Soil moisture content of different density litter at the end of rainfall

    %
    林种
    Forest species
    枯落物密度
    Litter density/(g·m-2)
    土层深度Soil depth
    0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm 60~80 cm 80~100 cm 100~120 cm
    油松Pinus tabuliformis 0 22a 20.6a 15.7a 9.8a 8.2a 7.5a
    300 19.5b 18.1b 13.5b 9.8a 8.2a 7.5a
    500 17.9c 16.3c 12.4c 9.6b 8.1a 7.5a
    700 14.8d 13.7d 11.9d 9.6b 8b 7.4b
    刺槐Robinia pseudoacacia 0 19.4a 17.8a 15.6a 7.8a 6.4a 5.7a
    100 18.1b 16.8a 14.8b 7.8a 6.3b 5.6b
    300 16.7c 14.5c 13.3c 7.7b 6.33ab 5.7a
    500 14.4d 13.8d 11.5d 7.4c 6.33ab 5.7a
    注:同列不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)。Note: different lowercase in the same column mean significant difference at P < 0.05 level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-12
  • 修回日期:  2018-03-28
  • 刊出日期:  2018-11-01

降雨过程中不同密度枯落物对各土层含水率动态影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180078
    基金项目:

    国家自然科学基金项目 51779004

    国家重点研发计划 2016YFC0501704

    作者简介:

    陈佩岩。主要研究方向:生态水文与土壤侵蚀。Email:3082677509@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 马岚,副教授。主要研究方向:生态水文与土壤侵蚀。Email:mlpcz@sina.com 地址:同上
  • 中图分类号: S714.7

摘要: 目的以晋西黄土区典型油松林及刺槐林为研究对象, 对其枯落物层和土壤层水文效应进行初步研究,以期为该区建设水源涵养林及水土保持林提供一定的借鉴依据。方法分别选取对应林分3种密度枯落物后进行野外人工降雨,并对其覆盖下0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm、100~120 cm 6个土层含水量实时监测。结果(1) 在同一雨量级别下,当枯落物覆盖密度增加时,其在降雨过程中的截留量以及枯落物最终达到饱和截留量的时间也随之增加;此外,随着降雨试验的进行,截留率随之减小,且其随枯落物的密度增加而升高。(2)降雨过程中,随着枯落物密度的增加,两种林地上层土壤(0~60 cm)的含水率均呈现逐渐减小的趋势;其中0~20 cm土层含水率对降雨的响应最为直接和迅速,而20~40 cm与40~60 cm土层的土壤含水率变化有一定的滞后和延长,较深层(60~120 cm土层)土壤含水率对降雨过程几乎无响应过程。(3)降雨结束后,各深度土层的含水率均表现出随时间的持续缓慢减小;降雨结束24 h内,裸地及各密度枯落物覆盖下的土壤含水量最高均出现在0~20 cm层;当入渗48 h后,裸地土壤含水量最高则出现在20~40 cm土层,但是对于有枯落物覆盖的土壤,0~20 cm土层含水率在降雨结束48 h内始终最高,并且随着密度的增加其随时间延续而减小的幅度越小。结论截留量、截留率与降雨历时(降雨量)均符合幂函数关系(R2>0.9);在降雨前后及过程中,不同密度枯落物对其覆盖下的土壤含水率有较大影响;不同深度土层含水率对降雨响应差异显著。

English Abstract

陈佩岩, 马岚, 梅雪梅, 张栋, 薛孟君, 孙一惠. 降雨过程中不同密度枯落物对各土层含水率动态影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(11): 93-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180078
引用本文: 陈佩岩, 马岚, 梅雪梅, 张栋, 薛孟君, 孙一惠. 降雨过程中不同密度枯落物对各土层含水率动态影响[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(11): 93-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180078
Chen Peiyan, Ma Lan, Mei Xuemei, Zhang Dong, Xue Mengjun, Sun Yihui. Dynamic influence of different density litter on moisture content in each soil layer during rainfall process[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(11): 93-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180078
Citation: Chen Peiyan, Ma Lan, Mei Xuemei, Zhang Dong, Xue Mengjun, Sun Yihui. Dynamic influence of different density litter on moisture content in each soil layer during rainfall process[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(11): 93-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180078
  • 作为森林生态系统重要的组成部分,森林枯落物及森林土壤在森林发挥水源涵养功能的过程中具有重要意义[1-3]。大量的研究表明,枯落物层和土壤层是森林水文效应的重要活动层,前者的作用主要体现在在对降雨的截留、抑制土壤水分蒸发、增加土壤入渗及减少土壤侵蚀等方面[4-5]。土壤层的水源涵养功能主要体现在2个方面,一方面它将来自天然降雨的水分供给植被及土壤表层蒸散发;另一方面,它将水分贮存起来或者将其运移到其他水域[6-7]。同时,在森林生态系统评价体系中,森林枯落物层及森林土壤层所发挥出的水文效应是判断其健康与否的2个重要指标。因此,为进一步明确森林水文效应,对森林枯落物层及其覆盖下的土壤水分展开研究至关重要。

    油松(Pinus tabuliformis)及刺槐(Robinia pseudoacacia)林是黄土高原半干旱区植被恢复的主要人工林种,有良好的保持水土、涵养水源和美化环境的功能,而在晋西黄土地区,对不同密度油松及刺槐人工林枯落物及水文效应研究较少。鉴于此,以晋西黄土区油松及刺槐林枯落物为研究对象,在不同密度覆盖下,研究影响各土层含水率变化的主要水文过程,包括截留降雨和抑制土壤水分蒸发,以期为晋西黄土区提高森林水文涵养功能及建设水土保持林提供科学依据。

    • 流域位于黄土高原西南部的山西省吉县蔡家川境内,属北京林业大学水土保持学院国家级森林生态研究定位站。其地理坐标为110°40′~111°48′ E、36°14′~36°18′N,平均海拔为1 175 m,相对高差688 m。该流域全长约12.15 km,面积约38 km2,为黄河的3级支流,其大体呈现由西向东走向;流域内土壤为褐土,黄土母质,为典型的黄土残塬、梁峁侵蚀地形;其该流域年平均降水量为575.9 mm,蒸发量为1 724 mm,具有典型的黄土高原的气候特征。6—8月为研究区的主要降雨期,在此期间的降水量达到了全年的80.6%。刺槐、油松、侧柏(Platycladus orientalis)等为当地主要造林树种,森林覆盖率约为72%,除了天然林地及人工林地外,当地的土地利用类型还包括果园、农地、灌草坡等。

    • 对研究区内的油松及刺槐林地进行调查。确定坡向和坡角、海拔、郁闭度、叶面积指数及对应的枯落物蓄积量,其基本情况见表 1。该区普遍分布的地带性土壤类型为褐土,黄土母质,土壤性质均匀,抗蚀性差,水土流失严重。

      表 1  调查样地基本特征

      Table 1.  Basic characteristics of sample sites

      林分
      Forest
      立地因子Site factor 郁闭度
      Canopy closure/%
      叶面积指数
      Leaf area index
      蓄积量/(t·hm-2)
      Stand volume/(t·ha-1)
      海拔
      Altitude/m
      坡向
      Slope aspect
      坡度
      Slope degree/(°)
      油松Pinus tabuliformis 1 176 阳坡Sunny slope 14 0.85 5~7 3~7
      刺槐Robinia pseudoacacia 1 168 阴坡Shady slope 18 0.80 3~5 1~5
    • 降雨过程中,用量筒盛接穿透枯落物的雨量,量筒上方放置铺满对应密度枯落物的漏斗。降雨量减去量筒的读数即为对应时刻的枯落物截留量,每分钟测定1次。

    • 试验采用长宽高分别为1、1、1.5 m的针头式人工降雨器,针孔均匀排布,降雨均匀系数大于0.8,标定雨强为60 mm/h,降雨历时1 h。于2017年8月3日至8月10日在铺有0、300、500、700 g/m2密度枯落物的油松林地及0、100、300、500 g/m2密度枯落物的刺槐林地各降雨1场,总计8场。

      将森林土壤水分自动观测系统(SMR101A-5, Madge Tech, 美国)的探头埋设在林下0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm、100~120 cm位置,在降雨前、降雨中及降雨结束后48 h内,每5 min记录1次各层次土壤体积含水量数据。根据当地天气预报,测定期间天气为晴或多云,温度变化范围为27~31 ℃。

    • 采用统计分析软件SPSS 18.0进行数据分析。采用Duncan法比较不同密度枯落物覆盖下各层次土壤含水量之间的差异。采用Pearson相关系数检验枯落物截留量及截留率与降雨量之间的相关性。

    • 为对不同密度枯落物层的水文涵养功能做出合理正确评价,就需要在不同密度枯落物层覆盖下得出降雨量与截留量及截留率的明确关系。

      图 12可知,枯落物截留降雨的效果在降雨前期较为明显,此后,随着降雨量的增加,各密度枯落物层总截留量增加缓慢并趋于不变,这是因为枯落物含水率逐渐增大直至饱和,使得其吸水速率显著下降,说明不同密度枯落物层的截留能力均随其含水率增大而减弱[8-10]。整体上看,在同一雨量级别下,油松及刺槐林枯落物截留量均随枯落物的密度增加而升高。由表 2可知,当降雨量达到60 mm时,300、500和700 g/m2密度的油松枯落物截留量分别达到8.5、10.1和16.7 mm;而100、300和500 g/m2密度的刺槐枯落物截留量分别达到4.5、7.7和9.7 mm。此外,随着枯落物密度的增加,其截留量达到饱和状态的时间也随之延长,其中密度为500和700 g/m2的油松枯落物比300 g/m2密度条件下分别延长5~10 min左右;而密度为300和500 g/m2的刺槐枯落物比100 g/m2密度条件下分别延长1~5 min左右。

      图  1  降雨过程中不同密度油松枯落物截留量及截留率

      Figure 1.  Interception and interception rate by different densities of Pinus tabuliformis litter during rainfall process

      图  2  降雨过程中不同密度刺槐枯落物截留量及截留率

      Figure 2.  Interception and interception rate for different densities of Robinia pseudoacacia litter during rainfall process

      表 2  降雨结束时不同密度枯落物截留情况

      Table 2.  Interception condition for litter of different densities at the end of rainfall

      枯落物类型
      Litter type
      枯落物密度
      Litter density/(g·m-2)
      总截留量
      Total interception amount/mm
      单位质量截留量
      Interception of unit mass/(mm·kg-1·m-2)
      截留率
      Rate of interception/%
      300 8.5 28.3 14.2
      油松Pinus tabuliformis 500 10.1 33.7 16.8
      700 16.7 55.7 27.8
      100 4.5 45.0 7.5
      刺槐Robinia pseudoacacia 300 7.7 25.7 12.8
      500 9.7 19.4 16.2

      截留率是衡量枯落物截留能力的重要标准之一,图 12表明,在不同降雨量级下,枯落物截留率差异显著,3种密度油松枯落物(300、500、700 g/m2)在5~60 mm降雨量范围的截留率变化幅度分别为14%~26%、16%~36%、27%~50%;3种密度刺槐枯落物(100、300、500 g/m2)在5~60 mm降雨量范围的截留率变化幅度分别为7%~18%、12%~22%、16%~32%;此外,当铺设枯落物密度增加时,对于同种枯落物而言,其截留率随之增加,而随着降雨历时的增加,任意密度枯落物的截留率均随之减小。

      此次模拟降雨是在长宽高分别为1、1、1.5 m的小型人工降雨器下进行的,故可定义为林内穿透降雨。将两种枯落物在3种密度下的截留量、截留率与降雨历时(降雨量)进行拟合处理,发现降雨历时与前两者均呈现良好的幂函数关系(表 3)。这与刘向东等[11]和季冬等[12]的研究结论一致。此外,从表 3中可以看到随着枯落物密度的增加,截留量及截留率的方程系数也随之增大,说明枯落物的截留能力也随之增强。

      表 3  不同密度枯落物截留量及截留率与降雨量关系

      Table 3.  Relationship of interception as well as interception rate and rainfall by different densities of litter

      枯落物类型
      Litter type
      枯落物密度
      Litter density/(g·m-2)
      截留量与降雨量函数关系
      Functional relationship between interception and rainfall
      截留率与降雨量函数关系
      Functional relationship between interception rate and rainfall
      300 y=0.355 1x0.765 1(R2=0.98) y=35.51x-0.235(R2=0.94)
      油松Pinus tabuliformis 500 y=0.566 6x0.704 8(R2=0.96) y=56.66x-0.295(R2=0.98)
      700 y=0.647 9x0.780 7(R2=0.98) y=64.78x-0.219(R2=0.92)
      100 y=0.384 8x0.626 3(R2=0.96) y=38.48x-0.374(R2=0.91)
      刺槐Robinia pseudoacacia 300 y=0.391 8x0.797 8(R2=0.98) y=39.18x-0.202(R2=0.97)
      500 y=0.430 3x0.759 2(R2=0.98) y=43.02x-0.241(R2=0.94)
    • 森林生态系统所必需的土壤水分主要来源于天然降水及地下水的不断补充。由表 4可知,两种林地各土层初始含水率存在差异,这是因为不同土层之间质地和结构均不同,因此其吸水力及水分在各土层中垂直移动的速度也存在差异[13-14]。此外,两种林地的上层土壤(0~20 cm、20~40 cm)含水率均大于中下层土壤含水率,这是因为土层上部含有比其他层次更丰富的有机质和腐殖质,土壤密度更小,对水分的吸取较多[15-16]。但是由于表层土壤(0~20 cm)受蒸发作用影响较大[17-18],使得油松及刺槐林地的土壤含水量峰值均出现在20~40 cm土层深处,其体积含水率分别为11.2%、8.4%,之后随着土层深度的增加而逐渐降低。

      表 4  油松、刺槐林地各土层体积含水率

      Table 4.  Volatile water content of each soil layer in the forest of Pinus tabuliformis and Robinia pseudoacacia

      林地类型Forest type 0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm 60~80 cm 80~100 cm 100~120 cm
      油松Pinus tabuliformis 9.7 11.2 10.8 9.4 8.1 7.5
      刺槐Robinia pseudoacacia 8.1 8.4 7.5 7.2 6.3 5.7

      土壤水分有其时空变化规律,一方面土壤水分随降雨历时而变,另一方面土壤水分因土层深度及水平位置的变化而发生相应的变化[19]。由图 34可知,降雨过程中,0~20 cm土层土壤含水率对降雨的响应最为直接和迅速。土壤水分入渗的时间存在先后顺序,其具体体现在与表层(0~20 cm土层)相比,20~40 cm与40~60 cm土层含水率的变化存在明显的时间推移。而较深层(60~120 cm土层)土壤含水率在降雨过程中基本没有变化。此外,各测点表层(0~20 cm土层)土壤含水率的上升随着铺设枯落物层密度的不同有先后之分,其中密度为300、500及700 g/m2的油松枯落物较裸地表层土壤含水率明显开始变化的时间延长5~20 min左右;而密度为100、300及500 g/m2的刺槐枯落物较裸地表层土壤含水率明显开始变化的时间延长5~15 min左右。说明枯落物覆盖能够显著增强林地土壤持水能力,且枯落物覆盖对上层土壤(0~60 cm)的影响明显高于对下层土壤(60~120 cm)的影响。

      图  3  降雨过程中不同密度油松枯落物下各土层体积含水率

      Figure 3.  Volatile water content of each soil layer under different densities of Pinus tabuliformis litter during rainfall process

      图  4  降雨过程中不同密度刺槐枯落物下各土层体积含水率

      Figure 4.  Volatile water content of each soil layer under different densities of R. pseudoacacia litter during rainfall process

      整体上看,随着枯落物密度的增加,两种林地上层土壤(0~60 cm)的含水率呈现均逐渐减小的趋势,这是因为晋西黄土区油松及刺槐林地土壤处于相对干燥的状态[20],且所选样地坡度较小导致降雨过程中产流现象不明显[21];此外枯落物密度越大,其对降雨的截留作用也随之增强[22];综上可知,裸地及枯落物密度较小的土壤入渗量相对较大;随着降雨量的增加,2种林地各层土壤含水率趋于稳定,对其在此阶段其不同密度枯落物覆盖下进行差异性分析(表 5)。从表中我们可以看出,各层土壤尤其是上层(0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm)体积含水率在不同密度枯落物覆盖下差异显著。

      表 5  降雨结束时不同密度枯落物土壤含水率

      Table 5.  Soil moisture content of different density litter at the end of rainfall

      %
      林种
      Forest species
      枯落物密度
      Litter density/(g·m-2)
      土层深度Soil depth
      0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm 60~80 cm 80~100 cm 100~120 cm
      油松Pinus tabuliformis 0 22a 20.6a 15.7a 9.8a 8.2a 7.5a
      300 19.5b 18.1b 13.5b 9.8a 8.2a 7.5a
      500 17.9c 16.3c 12.4c 9.6b 8.1a 7.5a
      700 14.8d 13.7d 11.9d 9.6b 8b 7.4b
      刺槐Robinia pseudoacacia 0 19.4a 17.8a 15.6a 7.8a 6.4a 5.7a
      100 18.1b 16.8a 14.8b 7.8a 6.3b 5.6b
      300 16.7c 14.5c 13.3c 7.7b 6.33ab 5.7a
      500 14.4d 13.8d 11.5d 7.4c 6.33ab 5.7a
      注:同列不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)。Note: different lowercase in the same column mean significant difference at P < 0.05 level.
    • 降雨结束后各土层之间湿润程度差异明显,土壤水分沿着水势差的方向做垂直运动。图 56表明,随着时间的推移,各土层含水率均呈现逐渐减小的趋势;降雨结束24 h内,裸地及各密度枯落物覆盖下的土壤含水量最高均出现在0~20 cm层;当入渗48 h后,0~ 20 cm土层水分在蒸散作用下大量散失,与浅层(0~20 cm)及中层(40~60 cm)的土壤相比,裸地20~40 cm的土层蒸发程度相对0~20 cm土层较小,并且可以得到40~60 cm土层的水分补充,导致含水率降低的速率在该土层较小[23-24];因此裸地土壤含水量最高则出现在20~40 cm土层。但是对于有枯落物覆盖的土壤,0~20 cm土层含水率在降雨结束48 h内始终最高,并且随着密度的增加其随时间延续而减小的幅度越小;这是因为一方面土壤表层与大气之间由于有枯落物的存在,水分在其相互间的直接交换受到阻碍,另一方面枯落物对太阳能的吸收降低了土壤水分的蒸发动力;此外水分在枯落物层中移动的距离随铺设密度的增加而变大,导致其蒸发程度降低[25-26]。李学斌等研究发现,随着枯落物层厚度的增加,其抑制土壤水分蒸发的能力随之增强,且两者之间呈现显著的正相关关系[27]。此外,当两种枯落物铺设密度相同时,其抑制土壤水分蒸发的作用差距不大这可能是因为与枯落物密度相比,枯落物种类并不是影响土壤水分蒸发的重要因素,其具体原因仍有待下一步研究。

      图  5  降雨结束48 h内油松林地各土层含水率变化

      Figure 5.  Variations of soil moisture content in different soil layers in Pinus tabuliformis forestland within 48 hours after the end of rainfall

      图  6  降雨结束48 h内刺槐林地各土层含水率变化

      Figure 6.  Variations of soil moisture content in different soil layers in Robinia pseudoacacia forestland within 48 hours after the end of rainfall

    • (1) 枯落物截留能力随自身湿润程度增大而减弱;在同一雨量级别下,枯落物截留量均随密度增加而升高,且其截留量达到饱和状态的时间也随之延长;当铺设枯落物密度的增加时,对于同种枯落物而言,其截留率随之增加,而随着降雨历时的增加,任意密度枯落物的截留率均随之减小。将2种枯落物在3种密度下的截留量、截留率与降雨历时(降雨量)进行拟合处理,发现降雨历时与前两者均呈现良好的幂函数关系(R2均大于0.9)。

      (2) 降雨前,各土层体积含水率存在差异,上土层体积含水率大于中下层土层,最大体积含水率出现在20~40 cm层。降雨过程中,随着枯落物密度的增加,两种林地上层土壤(0~60 cm)的含水率呈现均逐渐减小的趋势;其中0~20 cm土层土壤含水率对降雨的响应最为直接和迅速,随土层深度的增加,土壤含水率变化有一定的滞后和延长。随着枯落物密度的增加,土壤含水量对降雨的响应变慢;降雨结束时各土层土壤含水量差异显著。

      (3) 降雨结束后,各深度土层的含水率均表现出随时间的延续缓慢减小;降雨结束24 h内,裸地及各密度枯落物覆盖下的土壤含水量最高均出现在0~20 cm土层;当入渗48 h后,裸地土壤含水量最高则出现在20~40 cm土层,但是对于有枯落物覆盖的土壤,0~20 cm土层含水率在降雨结束48 h内始终最高,并且随着密度的增加其随时间延续而减小的幅度越小。

参考文献 (27)

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