石建周，劉賢德，田 青，于澎濤，王彥輝

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所，北京 100091；3.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000)

土壤水分作為土壤-植被-大氣連續(xù)體的一個(gè)重要組分［1］，是限制干旱半干旱區(qū)森林植被恢復(fù)和生長的關(guān)鍵因子［2］。大氣降雨作為土壤水分的重要來源［3］，深刻影響著土壤含水量的大小和其坡位差異，進(jìn)而影響森林植被的穩(wěn)定性［4］。

近年來，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注旱區(qū)的土壤水分變化及其降雨響應(yīng)特征，例如在黃土丘陵區(qū)，天然草地坡面的土壤水分明顯存在下坡＞中坡＞上坡的坡位差異［5］；隨著土層深度的增加，喬木林地土壤含水量先迅速降低后趨于平穩(wěn)，灌木林地土壤含水量呈先降低后升高，而撂荒草地和農(nóng)地土壤含水量先逐漸升高后趨于穩(wěn)定［6］；農(nóng)耕地的土壤含水量始終高于撂荒地，同時(shí)其土壤含水量增量和響應(yīng)深度均隨降雨量增加而呈增大趨勢［7］；在太行山區(qū)南麓，降雨是土壤水分的主要來源，降雨量是影響土壤水分補(bǔ)給深度的決定因素，對應(yīng)0～10 mm、10～25 mm、25～50 mm、＞50 mm 的4 個(gè)降雨量級，荊條灌叢土壤水分補(bǔ)給深度分別為10 cm、20 cm、60 cm、80 cm［8］；在荒漠草原區(qū)，降雨的土壤水分影響主要集中在淺層（0～40 cm），而在深層影響較?。?］。目前，對土壤水分動(dòng)態(tài)及其降雨響應(yīng)的研究集中在荒漠草原和黃土高原等干旱半干旱區(qū)［8］，而在六盤山這樣的土石山區(qū)研究森林坡面的土壤水分降雨響應(yīng)還較少。

六盤山區(qū)是我國西北地區(qū)的主要水源地和水源林區(qū)，在這里已開展了有關(guān)土壤水分變化的一些監(jiān)測與研究，如在半干旱區(qū)，表層土壤含水量對降雨響應(yīng)明顯，且各土層的降雨響應(yīng)存在時(shí)間滯后，同時(shí)在大雨條件下有明顯的側(cè)向流發(fā)生［10］；土壤前期的含水量會(huì)影響到土壤含水量對降雨響應(yīng)的時(shí)間［11］。但這些研究集中在樣地尺度上，還缺乏坡面尺度上的土壤含水量降雨響應(yīng)研究。坡面是森林植被恢復(fù)、林業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃、流域內(nèi)水資源和森林植被綜合管理的基本空間單位［12］，旱區(qū)坡面上的森林植被生長特征的坡位差異與土壤水分條件緊密相關(guān)。因此，研究坡面土壤水分的降雨響應(yīng)，對合理確定不同坡位的土壤水分植被承載力以及指導(dǎo)基于水分承載力的林水協(xié)調(diào)管理有重要意義。

本研究在寧夏六盤山半干旱區(qū)疊疊溝小流域，選擇華北落葉松林的典型坡面，探討在生長季內(nèi)不同坡位的土壤含水量動(dòng)態(tài)變化及其對次降雨量的響應(yīng)，量化降雨量大小對土壤水分的補(bǔ)給作用，以期為理解旱區(qū)森林坡面上土壤含水量的降水響應(yīng)規(guī)律提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏六盤山北部的疊疊溝小流域（106°4′55″～106°9′15″E，35°54′12″～35°58′33″N），小流域面積為25.4 km2，海拔為1975～2615 m，坡度變化范圍約10°～42°，土壤類型為灰褐土和黃土。氣候?qū)儆诎敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫7.9 ℃，年均降水量451 mm，降雨主要集中在6—9月，無霜期130 d（2002—2019年，固原氣象站）。

在該小流域內(nèi)，喬木林多分布在水分條件相對較好的陰坡或半陰坡，約占小流域面積的6.1%，以華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）、油松（Pinus tabuliformis）、白樺（Betula platyphylla）、青海云杉（Picea crassifolia）等人工林為主；灌叢約占小流域面積的18.4%，以自然生長的沙棘（Hippophae rhamnoides）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）等為主；天然草地主要分布在陽坡和半陽坡，約占小流域面積的58.7%，主要種類包括披針葉苔草（Carex lancifolia）、穗花馬先蒿（Pedicularis spicata）和鐵桿蒿（Artemisa vestita）等［10］。

1.2 樣地設(shè)置

在疊疊溝小流域，選擇了一個(gè)半陰坡、平均坡度27°的華北落葉松人工林典型坡面，在其上坡、中坡和下坡坡位，各布設(shè)1 個(gè)20 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)樣地（表1）。該坡面的林分平均密度為1792株·hm-2，林齡32 a，林冠郁閉度平均為0.75；平均樹高7.81 m，平均胸徑10.7 cm，平均枝下高2.3 m，平均冠幅直徑為2.9 m。林下灌木主要有繡線菊（Spiraea salicifolia）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、薔薇（Rosa multiflora）等，蓋度約5%；林下草本層主要有針葉苔草（Carex lancifolia）、穗花馬先蒿（Pedicularis spicata）等，總蓋度約80%，草本生物量約3.85 t·hm-2；枯落物平均厚度3.46 cm，枯落物生物量約為9.89 t·hm-2。

表1 研究坡面不同坡位的華北落葉松人工林樣地信息Tab.1 The plot information of Larix principis-rupprechtii plantation on different slope positions

1.3 降雨量測定

在林外開闊處，安裝一臺(tái)Wheatherhawk-232（Campbell Scientific，美國）自動(dòng)氣象站，連續(xù)定位監(jiān)測降雨量等氣象因子，數(shù)據(jù)記錄頻率為5 min 1 次。本研究觀測時(shí)段為2021年5月1日至10月31日。

根據(jù)Zhu 等［13］在黃土高原等地區(qū)的研究，規(guī)定將時(shí)間間隔＞6 h 的降雨作為2 次獨(dú)立降雨事件。根據(jù)國家氣象局劃分標(biāo)準(zhǔn)，日降雨量＜10 mm 為小雨，10～25 mm為中雨，25～50 mm為大雨，＞50 mm為暴雨。本文參照研究期間降雨等級分布，從50場降雨事件中選取至少前一天無降雨的小雨5 場（5/36場）、中雨6 場（6/11 場）、大雨2 場（全部）、暴雨1 場（全部），分析土壤水分含量對不同降雨事件的響應(yīng)過程。

1.4 土壤含水量測定

考慮到華北落葉松的根系主要分布在60 cm土層以內(nèi)，于2020年5月在研究坡面的上坡、中坡、下坡3 個(gè)樣地，按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 土層深度，布設(shè)土壤水分監(jiān)測儀器5-TE（Decagon，美國），并用EM50 數(shù)據(jù)采集器（Decagon，美國）記錄各層土壤含水量變化，數(shù)據(jù)記錄頻率與降雨量監(jiān)測頻率同步。為減少土壤擾動(dòng)影響土壤水分監(jiān)測，傳感器安裝在相應(yīng)位置后，將原來的土壤回填，使用數(shù)據(jù)時(shí)間段為2021年5月1日至10月31日。

為描述土壤含水量的降雨響應(yīng)程度，用土壤水分增量（VWCad，mm）表征次降雨的土壤水分補(bǔ)給。

式中：VWCa為某次降雨后的土壤體積含水量的峰值（m3·m-3）；VWCb為某次降雨前的土壤體積含水量（m3·m-3）；h為土層厚度（mm）。

1.5 土壤物理性質(zhì)測定

2021年6月，在每個(gè)坡位樣地中，沿對角線挖3個(gè)土壤剖面（寬0.8 m、長1 m、深1 m），土壤厚度不足1 m 時(shí)挖深至基巖風(fēng)化層，然后記錄土壤分層結(jié)構(gòu)，并利用機(jī)械分層的方法在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 處，使用100 cm3環(huán)刀取原狀土，每層3 個(gè)重復(fù)，帶回室內(nèi)測定土壤水分、容重、孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量等水文物理性質(zhì)（表2）。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 21 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析比較不同坡位各土層土壤含水量之間的差異顯著性，采用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征

在2021 年生長季（5—10 月），疊疊溝小流域發(fā)生降雨事件50 次，總降雨量443.7 mm，但各月降雨量分配不均，在5—8 月降雨稀少，累計(jì)降雨量僅147.7 mm（占33.3%）；而在9—10 月降雨較集中，累計(jì)降雨量296 mm（占66.7%）（圖1a）。

圖1 2021年生長季內(nèi)降雨分布及華北落葉松林坡面不同坡位各層土壤含水量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Rainfall distribution in the growing season of 2021 and the variation of soil water content in different soil layers at different positions on the slope covered by Larix principis-rupprechtii plantations

研究期間以＜10 mm 的小降雨事件為主，共36場，占總降雨場次的72%；累計(jì)降雨量138.7 mm，占總降雨量的31.3%。降雨量10～25 mm 的中雨共11場，累計(jì)降雨量173 mm，占總降雨量的39%。降雨量25～50 mm的大雨共2場，降雨量分別為34 mm和41 mm，占總降雨量的16.8%；降雨量＞50 mm 的暴雨共1場，降雨量57 mm（圖2）。

圖2 2021年生長季內(nèi)的降雨特征Fig.2 Rainfall characteristics during the 2021 growing season

2.2 土壤含水量時(shí)空變化特征

0～60 cm土層的平均土壤含水量有明顯的生長季內(nèi)變化（圖1），整體表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢。其中，在5—8 月土壤含水量持續(xù)降低，其平均值為0.149 m3·m-3，變化范圍為0.109～0.226 m3·m-3；在降雨較集中的9—10月，土壤水分整體得到補(bǔ)充，平均值為0.196 m3·m-3, 變化范圍為0.136～0.236 m3·m-3。

各土層平均土壤含水量在不同坡位之間差異顯著（表3）。其中，上坡0～60 cm土層平均土壤含水量（0.191±0.044）m3·m-3顯著高于中坡（0.158±0.045）m3·m-3，中坡顯著高于下坡（0.146±0.034）m3·m-3，上坡、中坡和下坡的0～60 cm 土層平均土壤含水量變化范圍分別為0.132～0.278 m3·m-3、0.095～0.238 m3·m-3和0.097～0.210 m3·m-3。

表3 2021年生長季不同坡位處的各層土壤含水量特征Tab.3 Characteristics of soil water content in each layer at different slope positions in growing season of 2021

土壤含水量隨土層加深而逐漸增大（圖1）。其中0～10、10～20 cm 土層的土壤含水量波動(dòng)劇烈，平均值分別為0.121 m3·m-3、155 m3·m-3，變化范圍分別為0.065～0.222 m3·m-3、0.099～0.235 m3·m-3；20～40 cm、40～60 cm 土層的土壤含水量對降雨響應(yīng)不敏感，土壤含水量相對穩(wěn)定，平均值分別為0.178 m3·m-3、0.206 m3·m-3，變化范圍分別為0.117～0.243 m3·m-3、0.146～0.274 m3·m-3。

2.3 各層土壤含水量對降雨量的響應(yīng)

2.3.1 小雨條件下的各層土壤含水量響應(yīng) 由圖3可知，10 mm 以下的小降雨事件僅能補(bǔ)給0～20 cm土層的土壤水分，對20 cm 以下土層無明顯的水分補(bǔ)給作用。降雨的土壤水分補(bǔ)給在不同坡位之間有明顯差異，小雨對上坡、中坡、下坡0～20 cm 土層土壤水分均有補(bǔ)給作用，使每10 cm 土層平均土壤水分分別增加3.4 mm、2.5 mm、3.0 mm?？傮w而言，小降雨事件的水分補(bǔ)給作用對上坡最強(qiáng)，其次是下坡，中坡最弱；同時(shí)，隨著降雨量的增加，土壤水分的補(bǔ)給作用逐漸增強(qiáng)。

圖3 小雨條件下各層土壤含水量對降雨量的響應(yīng)Fig.3 Response of soil water content to rainfall depth under light rainfall events

2.3.2 中雨條件下的各層土壤含水量響應(yīng) 由圖4可知，中雨（10～25 mm）對上坡、下坡20 cm以上土層均有明顯的水分補(bǔ)給，但對20 cm 以下土層土壤水分無明顯補(bǔ)水作用；在中坡，對0～60 cm土層土壤水分均有明顯補(bǔ)給。在中雨條件下，使上坡0～10 cm、10～20 cm 土層土壤水分分別平均增加4 mm、3.8 mm；下坡相應(yīng)土層土壤水分分別平均增加4.2 mm、1.5 mm；使中坡0～60 cm各層平均土壤水分每10 cm土層分別增加2.2 mm、2.3 mm、2.6 mm、3.6 mm。隨著土層加深，上坡、下坡的土壤水分補(bǔ)給作用均逐漸減弱，但中坡的土壤水分補(bǔ)給作用逐漸增強(qiáng)。表明中坡的土壤含水量可能受到優(yōu)先流或坡面徑流匯集的影響。

圖4 中雨條件下土壤含水量對降雨量的響應(yīng)Fig.4 Response of soil water content to rainfall depth under moderate rainfall events

2.3.3 大雨條件下的各層土壤含水量響應(yīng) 大雨（25～50 mm）事件有2 次，其對上坡、中坡和下坡0～60 cm 土層的土壤水分有明顯補(bǔ)給作用（圖5a、圖5b）。2次大雨事件對土壤水分補(bǔ)給作用在下坡（及41 mm 降雨事件中的上坡）表現(xiàn)為隨土層加深而減弱，但在中坡表現(xiàn)為隨土層加深先增加后減少（34 mm 降雨事件）或一直增加（41 mm 降雨事件），在上坡表現(xiàn)為先減小后增加。

圖5 大雨（a、b）、暴雨（c）條件下各層土壤含水量對降雨量的響應(yīng)Fig.5 Response of soil water content to rainfall depth under heavy rain events(a,b)and rainstorm event(c)

當(dāng)單場降雨量為34 mm 時(shí)，上坡0～60 cm 各土層土壤水分分別增加7.0 mm、6.9 mm、0.6 mm、10.2 mm，中坡相應(yīng)增加2.1 mm、2.4 mm、3.6 mm、2.0 mm，下坡相應(yīng)增加7.6 mm、1.8 mm、1.3 mm、0.8 mm；當(dāng)單場降雨量為41 mm 時(shí)，上坡0～20 cm 各土層土壤水分分別增加11.9 mm、11.2 mm，中坡0～60 cm各土層土壤水分分別增加5.0 mm、6.5 mm、6.1 mm、7.4 mm，下坡0～40 cm 各土層土壤水分分別增加11.4 mm、3.9 mm、1.7 mm。表明中坡的（10～20 cm）土壤含水量在大雨條件下可能受到優(yōu)先流或坡面徑流匯集的影響。

2.3.4 暴雨條件下的各層土壤含水量響應(yīng) 暴雨事件僅觀測到1次，其降雨歷時(shí)為4 h，降雨量為57 mm（圖5c、圖6），對上坡、下坡0～40 cm 土層均有明顯的土壤水分補(bǔ)給，但40 cm 以下土層的土壤水分無響應(yīng)；在中坡，對0～60 cm土層均有土壤水分補(bǔ)給作用。使上坡0～40 cm 各層土壤水分每10 cm 土層分別增加9.0 mm、8.5 mm、10.2 mm；下坡0～40 cm各層土壤水分每10 cm 土層分別增加9.1 mm、4.4 mm、2.5 mm；中坡0～60 cm各層土壤水分每10 cm土層分別增加3.3 mm、3.7 mm、6.2 mm、4.9 mm。同時(shí)，隨著土層深度增加，土壤含水量開始響應(yīng)降雨的時(shí)間越來越滯后。

圖6 不同坡位樣地的各層土壤含水量對暴雨降雨過程的響應(yīng)Fig.6 Response of soil water content in different soil layers at different slope positions to a rainstorm event

3 討論

3.1 土壤含水量坡位差異的影響因素

在華北落葉松生長季內(nèi)，坡面0～60 cm土層土壤含水量坡位差異顯著，表現(xiàn)為：上坡位＞中坡位＞下坡位，這是因?yàn)橥寥篮渴軞庀螅ń涤?、氣溫、潛在蒸散等）、植被類型、林分結(jié)構(gòu)以及土壤物理性質(zhì)等多種因素的影響［14-15］。本研究區(qū)生長季降雨量443.7 mm，平均土壤含水量19.3%，是田間持水量（38.6%）的50%，屬于干旱年，且研究坡面的高差相對較?。ㄉ舷缕挛粯拥氐暮０胃叨葍H差105 m），大氣降水量輸入基本一致。同時(shí)林分結(jié)構(gòu)（林分密度、郁閉度、冠幅、林下草本蓋度以及草本生物量等）表現(xiàn)為：下坡位＞中坡位＞上坡位（表1），林分蒸騰的坡位變化與林分結(jié)構(gòu)一致［16］；而0～60 cm 土層土壤物理性質(zhì)（飽和持水率、毛管持水率、田間持水率）對土壤含水量的坡位變化影響較小（表2）。因此，林分結(jié)構(gòu)通過影響林分蒸騰，進(jìn)而使得土壤含水量存在明顯的坡位變化。蘇子龍等［17］在典型黑土區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量在下坡最高、其次為上坡，中坡最低，這與本研究結(jié)果不同，可能是因?yàn)橹脖唤Y(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)地不同導(dǎo)致土壤持水能力存在坡位差異。劉澤彬等［18］在六盤山半濕潤區(qū)研究了華北落葉松林坡面土壤含水量的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)林分結(jié)構(gòu)的坡位差異導(dǎo)致了植被蒸騰耗水量的不同，尤其在干旱年份土壤水分不足時(shí)，使植被蒸騰耗水成為導(dǎo)致土壤水分坡位差異的主要原因，這與本研究結(jié)果一致。因此，土壤水分的坡位差異主要是由植被蒸散耗水量的坡位差異所導(dǎo)致的。

3.2 不同的次降雨量對坡面土壤水分的補(bǔ)給差異

大氣降雨對土壤水分的補(bǔ)給量和水分入滲深度均受降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)和前期土壤含水量的主導(dǎo)調(diào)控［19-20］，同時(shí)植被截留、根系分布和土壤物理性質(zhì)等因素也能影響土壤水分再分配［21-22］。10 mm 以下的小降雨事件僅能補(bǔ)充淺層（0～20 cm）土壤水分，大降雨事件才能影響到20～40 cm 和40～60 cm 土層的土壤水分，這是因?yàn)槿A北落葉松林的冠層和林下草本層（及枯落物層）對降雨有較大截留作用［23］。本研究發(fā)現(xiàn)，在小降雨事件中，當(dāng)降雨量達(dá)到7 mm 時(shí)，淺層土壤水分才明顯增加，這與王正安等［10］的研究結(jié)果一致。但趙榮瑋等［24］研究黃土區(qū)人工林土壤水分的降雨響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在降雨量9.6 mm的小降雨事件下，人工側(cè)柏純林和混交林20 cm以上土層的土壤水分均有響應(yīng)，而人工刺槐林僅在10 cm 土層以內(nèi)的土壤水分有響應(yīng)，這與本研究結(jié)果存在差異，這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)域、研究樹種、林分結(jié)構(gòu)等存在不同，從而導(dǎo)致林冠層和枯落物層對降雨截持能力產(chǎn)生差異，使達(dá)到土壤表面的雨量不同。因此，對本研究地點(diǎn)的林地而言，只有降雨量達(dá)到7 mm時(shí)才算是有效降雨。

本研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨量超過有效降雨閾值時(shí)，隨著降雨量增加，土壤水分的補(bǔ)給深度和補(bǔ)給量逐漸增加。同一降雨事件的土壤水分補(bǔ)給作用在不同坡位有明顯差異，小雨對上坡土壤水分的補(bǔ)給作用最強(qiáng)，其次是下坡，中坡的補(bǔ)給作用最弱，這可能與中坡樹木生長最好和枯落物層生物量最大有關(guān)（表1），因?yàn)閱棠竟趯咏爻趾涂萋湮飳咏爻纸涤陼?huì)降低到達(dá)礦質(zhì)土壤地表的有效雨量。中雨（10～25 mm）只增加了中坡20～60 cm 土層土壤含水量，對上坡、下坡的20 cm以下土層的土壤水分卻無明顯補(bǔ)給作用，這一方面可能是因中坡土壤毛管孔隙度較小和土壤持水能力較差（表2），從而有利于降雨過程中的土壤水分下滲的更深；另一方面，中坡樣地土壤的非毛管孔隙度較高，即土壤大孔隙發(fā)達(dá)，因此較深土層的土壤含水量可能受到優(yōu)先流的影響，或同時(shí)受沿坡面向下匯集的坡面徑流的影響，在研究結(jié)果部分也看到了在大雨、暴雨及部分中雨條件下（可能取決于前期土壤含水量大?。┑闹衅?0～20 cm 及40～60 cm 土層的土壤水分補(bǔ)給量大于其上面土層水分補(bǔ)給量的情況。

4 結(jié)論

在2021年生長季（5—10月）對六盤山半干旱區(qū)疊疊溝小流域華北落葉松人工林典型坡面不同坡位（上坡、中坡、下坡）0～60 cm土層土壤含水量的研究表明：

（1）生長季內(nèi)土壤含水量呈先降低后升高的季節(jié)變化，在5—8 月逐漸降低，其平均值為0.149 m3·m-3；在9—10月逐漸上升，其平均值為0.196 m3·m-3。

（2）土壤含水量存在明顯的坡位差異，具體表現(xiàn)為上坡最高（0.191±0.044）m3·m-3、中坡次之（0.158±0.045）m3·m-3、下坡最低（0.146±0.034）m3·m-3。因本研究年份5—8 月降雨稀少，植被蒸騰量大，引起土壤含水量坡位差異的主要原因是植被蒸騰的坡位差異。

（3）在相同次降雨量條件下，土壤含水量對降雨量的響應(yīng)存在坡位差異，中坡最敏感，其次是上坡，下坡最不敏感，這主要與土壤物理性質(zhì)（孔隙度、持水率）、林分結(jié)構(gòu)、林地枯落物層生物量等的坡位差異有關(guān)。

（4）研究區(qū)的降水以＜10 mm 的小降雨事件為主。降雨量達(dá)到7 mm 后即可明顯補(bǔ)充0～20 cm 土層的土壤水分，土壤水分的補(bǔ)給深度和補(bǔ)給量隨著降雨量增加而逐漸增加。在大雨和暴雨條件下，優(yōu)先流和坡面匯流對土壤含水量的影響可能在某些坡位的某些土層出現(xiàn)，尤其是坡面中部。