黄土区水土保持林地的蓄水动态及雨水渗透深度

高思远， 张建军,2†， 李 梁， 张海博， 孙若修

(1.北京林业大学水土保持学院；水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083,北京；2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，042200,山西临汾)

黄土高原生态环境脆弱，是我国水土流失的重点区域。为改善生态环境，治理水土流失，自20世纪80年代初先后实施了“三北”防护林、退耕还林(草)等一系列林业生态工程，取得了显著成效[1-2]；但黄土高原降水量少，地下水埋藏深[3-4]，土壤蓄水成为植被生长的主要限制因素[5]。研究表明，地形条件、植被覆盖、降雨特征都会对土壤蓄水产生影响[6]。邝高明等[7]对不同微地形的土层蓄水量进行排序得出，塌陷地>缓台地>切沟>浅沟>原状坡地>陡坎。Yu等[8]研究表明，坡面和侵蚀沟内土壤蓄水量不同，其原因是太阳辐射和蒸散发不同所致。张建军等[9]研究表明，天然次生林地土壤蓄水量显著高于人工林地，大规模的人工造林会导致“土壤干层”。常译方等[10]的研究结果表明，种植密度对刺槐林地土壤蓄水有显著影响。刘宏伟等[11]的研究结果显示，不同降雨条件下，土壤水的响应不尽相同，大雨量时，土壤含水量会经历上升、稳定、退水3个阶段，而小雨量时却没有稳定阶段。赵荣玮等[12]的研究也表明，不同林地的雨水渗透深度不同，雨水的渗透深度随雨强的增大而增大。

研究水土保持林地蓄水量，探讨不同降雨条件下雨水的渗透深度及对土壤蓄水的补给，不仅为黄土高原水土流失地区水土保持林地水量平衡提供依据，更是水土保持树种选择与配置的依据。为此很多研究人员探讨了鱼鳞坑、水平阶等整地方式对造林地土壤水分状况和养分性状的影响[13-14]，得出了诸多有益的研究成果，但这些采用不同整地方式营造的水土保持植被成林后，整地措施是否对雨水、坡面径流仍然具有调节和再分配作用，这种调节和再分配的作用还有多大，这方面的研究目前还鲜有报道。

为此，本研究以20世纪90年代在山西吉县蔡家川小流域采用水平阶整地营造的水土保持林为研究对象，通过探讨不同林型和水平阶对土壤蓄水量的动态变化，解析土壤蓄水量的积累和消退速率，以及不同降雨条件下雨水的渗透深度，以期为研究区水土保持林地的管理、效益评价提供依据和数据支持。

1 研究区概况

研究区位于山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站的所在地蔡家川小流域，地理坐标为E 110°39′～110°47′、N 36°14′～36°18′，是典型的黄土丘陵沟壑区，黄土母质，褐土。属于温带大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，年平均气温10.2 ℃，多年平均降雨量575.9 mm。2016年降水量572.6 mm，5—10月降水占全年的88%。蔡家川小流域上游主要是辽东栎(Quercuswutaishanica)和山杨(Populusdavidiana)组成的天然次生植被，中游主要是由油松(Pinustabuliformis)、侧柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等组成的人工林植被。

2 研究方法

2.1 样地选取

在蔡家川小流域内选择具有代表性的人工侧柏和人工油松林地作为固定样地进行长期监测(样地基本情况见表1)，林地坡面采用水平阶整地，水平阶宽1 m。其中侧柏林地和油松林地0～60 cm土层的土壤密度变化范围为1.05～1.32 g/cm3和1.12～1.35 g/cm3，表层土壤密度小于深层；土壤总孔隙度变化范围为50.25%～57.51%和49.25%～54.23%，表层土壤总孔隙度大于深层。

表1 样地基本情况表Tab.1 Basic information of plots

2.2 土壤水分测定

分别在水平阶和坡面布设安装EnviroSMART土壤水分定位监测系统，该系统由15个土壤水分探头、1个CR200数据采集器、太阳能板和电瓶组成，其中在0～100 cm土层中每10 cm布设1个土壤水分探头，在100～200 cm土层中每20 cm布设1个土壤水分探头，每30 min采集1次数据并保存在CR200数据采集器中，供定期下载。

2.3 降雨量测定

在样地附近的空旷地上布设HOBO自记雨量计，实时监测降雨量和降雨历时。

2.4 数据处理

通过公式计算[12]土层蓄水量

Wi=θiDi。

(1)

0～200 cm土层总蓄水量

(2)

式中：θi为第i个土壤水分探头测定的体积含水率，%；Di为土层的厚度，cm；Zi为第i个探头在土壤中的深度，cm。

通过SPSS 20.0软件的单因素方差分析法进行数据分析，采用Excel 2010和Origin 2017进行数据处理及作图。

3 结果与分析

3.1 水土保持林地的蓄水量

表2为侧柏和油松林地坡面、水平阶2016年0～200 cm土层的蓄水量。由表2可知，侧柏和油松林地0～200 cm土层蓄水量以及各层次的蓄水量差异显著(P<0.05)。侧柏林地的水平阶和坡面0～200 cm土层蓄水量分别为420.29 mm、317.68 mm，平均蓄水量368.99 mm，与坡面相比水平阶多蓄水102.61 mm，这是由坡面产生的径流汇集到水平阶上形成的，由此可以粗略估算出侧柏林地坡面的径流系数为102.61 mm/572.6 mm=0.18。油松林地水平阶和坡面0～200 cm土层的蓄水量分别为396.81 mm、244.34 mm，平均蓄水量为320.58 mm，水平阶比坡面多蓄水152.47 mm，油松林地坡面的径流系数为152.47 mm/572.6 mm=0.27。由此可见，即使是树龄22年的水土保持林地，坡面仍有径流发生，造林时修建的水平阶仍然发挥着拦蓄坡面径流、增加栽植穴土壤蓄水量的作用，因此在水土保持林地管护中，维护水平阶、鱼鳞坑等措施的完好无损，是保证水土保持林地持续、高效发挥防治水土流失作用的关键。

对比油松和侧柏林地可以发现，油松林地0～200 cm土层的蓄水量小于侧柏林地，这说明油松林地对0～200 cm土层的水分消耗量大于侧柏林地；因此，在降水相对匮乏的黄土高原地区进行植被恢复时，选择耗水量更少的侧柏作为水土保持造林树种，可以维持水土保持林地的“林水平衡”，保证其持续稳定发挥防护作用。

3.2 水土保持林地土壤蓄水动态

表3为2016年油松和侧柏林地土壤蓄水量的变异系数表，图1为2016年油松和侧柏林地土壤蓄水量与降雨量的动态变化图。由图1可见，油松和侧柏林地0～200 cm土层蓄水量的整体波动趋势基本相似，依据蓄水量的变异系数可将蓄水量的年内变化划分为稳定期、积累期、波动期和消退期。

稳定期为2月初至4月底，蓄水量和变异系数均为全年最低。稳定期侧柏林地0～200 cm土层蓄水量为299.59 mm(坡面)和353.78 mm(水平阶)，油松林地0～200 cm土层蓄水量为222.07 mm(坡面)和349.86 mm(水平阶)。

表2 不同林地不同深度土层的蓄水量(平均值±标准误)Tab.2 Moisture storage in different depths of soil (Mean±SE) mm

注：同一列不同小写字母表示不同林地同一土层土壤含水量差异显著(P<0.05)。 Notes: The different lowercase letters at the same column of data in the table refer to significant differences (P<0.05).

表3 全年土壤蓄水量变异系数Tab.3 Variation coefficient of soil moisture storage

图1 2016年各月不同林地土壤蓄水量与降雨量Fig.1 Soil moisture storage and precipitation in different forest lands in each month of 2016

积累期从5月初至7月底，蓄水量和变异系数均为全年最高。侧柏林地坡面0～200 cm土层蓄水量从300.68 mm增加到334.91 mm，平均积累速率为0.37 mm/d；水平阶0～200 cm土层蓄水量从354.81 mm增加到444.67 mm，积累速率为0.98 mm/d。积累期侧柏林地蓄水量的平均积累速率为0.68 mm/d。侧柏林地中水平阶比坡面多蓄水55.64 mm，这55.64 mm水分是通过坡面径流汇集而来的，期间的降雨量为314.13 mm，由此可以粗略估计出侧柏林地5—7月坡面的径流系数为0.18。积累期油松林地坡面0～200 cm土层蓄水量从230.52 mm增加至266.24 mm，平均积累速率为0.39 mm/d；水平阶0～200 cm土层蓄水量从358.98 mm增加至439.76 mm，平均积累速率为0.88 mm/d。积累期油松林地蓄水量的平均积累速率为0.64 mm/d。在油松林地中水平阶比坡面多增加了45.06 mm，粗略估计油松林地5―7月坡面的径流系数为0.14。对比土壤蓄水量的积累速率可知，水平阶大于坡面且侧柏林地大于油松林地，可见侧柏林地对径流的拦蓄作用优于油松林地，水土保持效果更好。

波动期从8月初至10月底，侧柏林地和油松林地土壤蓄水量的变异系数均为水平阶>坡面，说明波动期水平阶土壤蓄水量的变化幅度比坡面强烈。

消退期为11月初至翌年1月底，土壤的蓄水量随着时间逐渐减少。其中侧柏林地减少了28.65 mm(坡面)和33.90 mm(水平阶)，油松林地减少了31.83 mm(坡面)和32.68 mm(水平阶)。消退期树木已经停止生长，水分消退主要是由蒸发引起的，消退期侧柏林地的蒸发量为0.31 mm/d(坡面)和0.37 mm/d(水平阶)，而油松林地的蒸发量为0.35 mm/d(坡面)和0.36 mm/d(水平阶)。

3.3 土壤含水量对降雨的响应

降水是黄土高原林地土壤蓄水的唯一补给来源，土壤蓄水量的变化是降水、蒸发、植物蒸散共同作用的结果[15]。为探究侧柏林地、油松林地坡面和水平阶上雨水的渗透深度，依据国家气象局降雨量划分的等级标准[16]，选择降雨量分别为27.80 mm(中雨)、49.20 mm(大雨)、66.30 mm(暴雨)的3场典型降雨，分析降雨后雨水渗透深度的变化。为此，以土壤含水量为横坐标，以土壤深度为纵坐标，以开始降雨、停止降雨、停止降雨后24 h以及水分再分布停止时(湿润锋停止扩散[17])作为时间节点，绘制0～200 cm土层的含水量的分布曲线，结果如图2-4所示。

图2为27.80 mm降雨(中雨)条件下侧柏林地和油松林地的土壤水分剖面图。由图2可知，在27.80 mm降雨条件下，侧柏、油松林地最终的入渗深度均为30 cm。其中侧柏林地土壤蓄水量增加了25.26 mm(坡面)和21.89 mm(水平阶)，因此入渗量为坡面>水平阶。这说明降雨量为27.80 mm时，侧柏林地坡面未产生径流，并且因水平阶上栽植有树木，树木枝叶截持了部分降雨，导致到达水平阶上的雨量减少，对土壤蓄水量的补给量也相应减少。油松林地土壤蓄水增加量为23.11 mm(坡面)<34.42 mm(水平阶)，说明此时油松林地已有径流产生，在相同降雨条件下侧柏林地防治水土流失的能力更强。

图2 中雨条件下侧柏林地和油松林地土壤水分剖面图Fig.2 Profile of soil moisture content inPlatycladus orientalisforest andPinus tabulaeformisforest under moderate rain 27.80 mm

图3 大雨条件下侧柏林地和油松林地土壤含水量剖面图Fig.3 Profile of soil moisture content inPlatycladus orientalisforest andPinus tabulaeformisforest under heavy rain 49.20 mm

图3为侧柏林地和油松林地在49.20 mm降雨(大雨)条件下土壤水分剖面图。由图3(a、b)可知，49.20 mm降雨对侧柏林地土壤蓄水量的补充为26.49 mm(坡面)、62.51 mm(水平阶)，降雨结束时侧柏林地雨水入渗深度为20 cm(坡面)～40 cm(水平阶)，降雨结束24 h后雨水可渗透到达30 cm(坡面)～60 cm(水平阶)，再分布停止时雨水的渗透深度为40 cm(坡面)和70 cm(水平阶)，即在49.20 mm的降雨条件下侧柏林地雨水的渗透深度为40 cm(坡面)～70 cm(水平阶)。

由图3(c、d)可知，49.20 mm降雨对油松林地土壤蓄水量的补充为22.07 mm(坡面)、75.76 mm(水平阶)。结束时雨水的渗透深度为20 cm(坡面)～40 cm(水平阶)，降雨结束24 h后雨水可渗透到达30 cm(坡面)～50 cm(水平阶)，再分布停止时可渗透到的最大深度为40 cm(坡面)和60 cm(水平阶)，可见，在49.20 mm的降雨条件下侧柏林地雨水的渗透深度为40 cm(坡面)～60 cm(水平阶)。

图4 暴雨条件下侧柏林地和油松林地土壤水分剖面图Fig.4 Profile of soil moisture content inPlatycladus orientalisforest andPinus tabulaeformisforest under rainstorm 66.30 mm

图4为66.30 mm降雨(暴雨)条件下侧柏林地和油松林地土壤水分剖面图。由图4(a、b)可知，66.30 mm降雨对侧柏林地土壤蓄水量的补充为55.30 mm(坡面)、60.29 mm(水平阶)。在侧柏林地中，当降雨结束时雨水的渗透深度分别为50 cm(坡面)～60 cm(水平阶)，降雨结束24 h后在坡面、水平阶上雨水均可渗透到70 cm深的土层，再分布停止时雨水渗透深度为90 cm(坡面)～110 cm(水平阶)，即在66.30 mm的暴雨条件下侧柏林地雨水的渗透深度为90 cm(坡面)～110 cm(水平阶)。

由图4(c、d)可知，66.30 mm降雨对油松林地土壤蓄水量的补充为46.17 mm(坡面)、86.64 mm(水平阶)。在油松林地中，当降雨停止时雨水的渗透深度为40 cm(坡面)～50 cm(水平阶)，降雨结束24 h后雨水可渗透到50 cm(坡面)～60 cm(水平阶)，再分布停止时雨水渗透深度为60 cm(坡面)～70 cm(水平阶)，即在66.30 mm暴雨条件下油松林地雨水的渗透深度为60 cm(坡面)～70 cm(水平阶)。

4 讨论

侧柏林地0～200 cm土层的蓄水量为水平阶(420.29 mm)>坡面(317.68 mm)，水平阶的蓄水量较坡面提高了32.30%。油松林地0～200 cm土层的蓄水量为水平阶(396.81 mm)>坡面(244.34 mm)，水平阶的蓄水量较坡面提高62.40%，这充分说明水平阶可增加蓄水量减小土壤侵蚀[18]。可见，即使是造林22年后树木已经成林，造林时修建的水平阶仍然发挥着拦截坡面径流，调节径流空间分配，提高林木根际区蓄水量的作用。

侧柏林地的土壤蓄水量大于油松林地，说明油松林地的水分消耗量大于侧柏林地。从生态生理学角度看，油松的生长速度、年新生枝叶量及液流通量都显著大于侧柏，进而蒸腾速率及耗水量也大[19]；因此，从可持续和林水平衡的角度出发，在半干旱的黄土高原地区恢复水土保持植被时应该选择耗水量相对较小的侧柏作为造林树种。另一方面，经样地调查，侧柏和油松林地的平均冠幅分别为2.3 m和3.6 m，枯落物厚度分别为3.0 cm和3.5 cm，土壤蓄水量的差异也可能是由于油松冠幅较侧柏冠幅更大、枯枝落叶量多所致。被冠层和枯枝落叶拦蓄的降水最终以蒸发的形式返回大气，不参与土壤入渗和径流的形成，这必将导致进入土壤、供树木生长的水分量减少[20]；因此，如何协调植物截留量、枯枝落叶拦蓄量与土壤蓄水量的关系，是在黄土高原水土保持林树种选择时必须重点考虑的问题。

0～200 cm土层内土壤蓄水量的年内变化可以划分为稳定期(2—4月)、积累期(5—7月)、波动期(8—10月)、消退期(11—翌年1月)。稳定期是在春季，气温回升，植物恢复生命力所消耗的土壤水相对较少，且被融化的积雪和少量雨水所补充，因此，该期间土壤蓄水相对稳定。积累期间气温快速回升，植物生长加速，土壤水分消耗增多，但随着雨季到来，降雨量大于蒸散消耗量，土壤蓄水量得到积累。波动期气温高，降雨更为频繁，蒸散耗水与降雨补给交替进行，土壤蓄水波动较大。消退期气温低，多风，土壤冻结，植物生命活动停止，降雪对土壤蓄水补给作用有限，水分损耗以土壤蒸发为主，属于土壤水的消退期。以往的研究大多关注如何提高土壤水分蓄积[21-23]，但如何采取措施减少消退期土壤蓄水的无效损耗也应得到重视。

由于表层土壤容重小于深层土壤，即表层土壤更为疏松具有较多孔隙利于入渗，因此当雨水向深层渗透时所需的雨量及用时也相应增加。修建水平阶不仅可以增加林木根际区的蓄水量，还有利于雨水对深层土壤的补充。有研究表明水平阶的田面宽度与其水土保持效益密切相关[24]，不同坡位土壤水对降雨的响应也不同[25]；因此，在营造水土保持林时，如何根据坡位、坡向等地形条件，合理布置水平阶的宽度、间距，更有效更持久地防治水土流失、增加栽植穴根际区的土壤蓄水量是值得探讨的重要问题。

5 结论

1)侧柏林地土壤蓄水量(368.99 mm)>油松林地(320.58 mm)且差异显著，油松林对土壤水的消耗大于侧柏林。水平阶的蓄水量(408.55 mm)>坡面(281.01 mm)且差异显著。

2)水土保持林地蓄水量的年内变化可划分为稳定期(2—4月)、积累期(5—7月)、波动期(8—10月)、消耗期(11—翌年1月)。积累期侧柏林地蓄水量的平均积累速度为0.68 mm/d，油松林地为0.64 mm/d，消退期侧柏林地蓄水量的平均消退速度为0.34 mm/d，油松林地为0.36 mm/d。

3)雨水对土壤水的补充及渗透深度随降雨量的增加而增加，侧柏林地土壤蓄水量的变化及渗透深度均大于油松林地，水平阶大于坡面。为防治坡面的水土流失，提高雨水利用效率，在黄土高原等降水相对匮乏的地区进行水土保持植被恢复时，建议采取水平阶等整地措施并栽植侧柏，有利于实现林水平衡。