摘 要

本文选择南京市城郊毛竹 Phyllostachys edulis 林和千Leptochlochinen地，分别在地下土壤5，15，30cm深度埋设土壤水分探头，在2.0 m高度处测定空气温度和湿度，所有数据按照15min间隔连续记录。研究了降雨间隔期不同植被土壤水分变异规律。结果表明：①不同土地利用类型受植物根系和凋落物影响， 相应层次间土壤体积含水量差异很大。草地相应层次土壤年平均体积含水量显著（P＝0.05）低于毛竹林相应层次，有凋落物覆盖的毛竹林 0~40 cm 土壤年平均含水量比草地多 9.12%， 提高 43.41%。 ②土壤含水量年平均变异系数在各土地利用类型内均和年平均土壤含水量呈显著（毛竹林: R2＝0.77; 草地: R2=0.9864）负相关，草地土壤年平均含水量变异系数变动为8.70%~16.80%，毛竹林土壤年平均含水量变异系数变动为 13.9%~16.4%，下限显著高于草地，波动幅度小，表明毛竹林地土壤具有显著高于草地的水分涵养能力，适合作为水源涵养林建设林种。③不同层次土壤含水量降雨间隔期呈指数显著（R2＞0.9）相关关系消退。利用不同季节不同层次间土壤含水率指数模型，可以预测森林抗旱能力并依次作出经营管理预案。

关键词：生态学；土壤学；毛竹林；草地；土壤含水量；降雨量等

Study on variation law of rainfall infiltration in different mulching bamboo forest soil

ABSTRACT

In order to evaluate the water conservation function under forest soil,a Phyllostachys edulis bamboo stand and a Leptochloa chinensis grassland in the Tongshan Forestry Farm of Nanjing were selected with four sets （2 replications） of Decagon Em50 Data Loggers used to measure daily average soil Volumetric Water Con-tent （VWC） at depths of 5, 15, and 30 cm with air humidity measured at a 2.0 m height for a year. All data were recorded continuously every 15 minutes. Results in the bamboo stand and grass land showed that （1）daily average soil VWC at 5 cm was 33.02%, at 15 cm was 26.16%, and at 30 cm was 30.60% with the lowest（at 15 cm） having the greatest root weight, root length, and soil compaction. In the grassland daily average soil VWC at corresponding depths was lower than the bamboo stand. For the 0－40 cm soil layer, the average annual VWC in the bamboo stand with thick litter on the ground was 9.12% higher than the grassland， improving by 43.41%.（2） For each land use type the average annual CV for daily average soil VWC was negatively and significantly correlated （R2＞0.9, P＜0.001） to average annual soil VWC, varying between 8.70%－16.80% in the grassland and 13.9% －16.4% in the bamboo stand. Thus, due to plant roots and litter, daily average soil VWC in corresponding soil layers of the bamboo stand had better water conservation capabilities than the grassland. It is believed to be useful in water conservation forest construction with bamboo. （3） Simulated with exponential function model, seasonal daily average soil VWC correlated significantly （R2＞0.9, P＜0.001）with rain day interval for different soil layers, which could be used to help predict drought and to assist in drought control management.

Key words: Ecology; Soil science; Bamboo forest; Grassland; Daily average soil VWC; Land use

目录

目录 1

1 前言 3

1.1土壤水的概念 3

1.2入渗的具体过程 3

1.3毛竹的生态功能 3

1.4毛竹耗水特性研究 4

1.5入渗与降雨强度的一般规律 4

1.6研究背景 5

2 国内外同类研究概况 7

3 研究内容与方法 9

3.1研究地概况 9

3.2研究内容 10

3.2.1主要林分土壤水分变化规律 10

3.2.2主要林分土壤水对降雨的响应 10

3.3研究方法 10

3.3.1数据采集 10

3.3.2数据处理 11

4结果与分析 12

4.1两种土地类利用型土壤含水量水平空间变异程度分析 12

4.2 两种土地利用类型不同深度土壤含水量在1a内的变化规律 12

4.3在小雨条件下不同土壤层次土壤含水率对降雨的响应 14

4.4在中雨条件下不同土壤层次土壤含水率对降雨的响应 15

4.5在大雨条件下不同土壤层次土壤含水率对降雨的响应 16

4.6土壤含水量与不同层次土壤覆盖的变异规律 16

讨 论 19

结 论 20

致 谢 21

参考文献 22

1 前言

1.1土壤水的概念

土壤水是指吸附于土壤颗粒和存在于土壤孔隙中的水，在不同气象条件下液态水、固态水（寒冷季节形成）及汽态水都可能存在^[1] 。植物的整个生命周期都需要从土壤中吸收水分以维持其生长，降水、地表水和地下水都必须在形成土壤水之后植物才能加以利用。土壤水分作为联系降水、地表水和地下水的纽带，通过限制植被蒸散与光合作用进而影响水、能量以及地球生物化学循环^[2]。土壤水分的变化很大程度上受到降水的影响^[3]，同时又是降雨-径流响应的主要控制因素，因此，研究土壤水分降雨响应变异规律极其重要。

1.2入渗的具体过程

入渗是指水分进入土壤形成土壤水的过程，它是降水、地面水、土壤水和地下水相互转化的一个重要环节。研究这一问题对于减少地表径流、增加土壤入渗、防止土壤侵蚀和搞好生态环境建设等方面具有重要的理论意义和现实意义。

1.3毛竹的生态功能

毛竹林^[4]下根系集中稠密，交错相连，网络土壤，林冠浓密，拦截降雨能力强，是营造水土保持林的优良竹种，候小金和丁访军均对毛竹进行过蒸腾耗水方面的研究，但随着地理区域以及气候条件的变化，毛竹的耗水特征将有着显著的差异。毛竹作为苏南丘陵区的主要造林树种，需要准确了解其耗水特征。据第七次森林资源清查^[5],竹子多分布在我国南方的丘陵地区,同时也起着非常重要的生态作用。

1.4毛竹耗水特性研究

林木蒸腾耗水量^[6]是区域水量平衡的重要组成部分，同时对于人工林的经营管理以及地区水资源的合理调控具有重要指导意义。林木蒸腾耗水量大小通常是树木自身生物学特性和外界环境因子综合作用的结果，目前，国内外对于森林植被蒸腾耗水的研究多集中在4 个尺度上，即叶片尺度、单木尺度、林分尺度和区域以及更高的尺度，其中研究叶片尺度的蒸腾耗水是为了了解蒸腾作用的生理过程及其对环境条件的适应能力，单木尺度的研究主要反映其冠层的蒸腾作用，可以用来进行个体间的差异比较分析，其测定结果可以更准确地反映蒸腾过程并进行林分尺度的扩展。利用热技术测定树干液流进行林木蒸腾耗水规律的研究成为热点。利用热扩散探针研究了蒸腾对降雨的响应以及土壤含水率对蒸腾的影响，研究了桉树(Eucalyptus parramattensis)的树干液流特征^[7]，涂洁等利用热扩散式探针对江西千烟洲木荷(Schima superba)树干液流速率^[8]进行连续监测并分析了其与环境因子的关系，李新宇等研究了银杏蒸腾耗水与环境因子的关系。毛竹林下根系集中稠密，交错相连，网络土壤，林冠浓密，拦截降雨能力强，是营造水土保持林的优良竹种，候小金和丁访军均对毛竹进行过蒸腾耗水方面的研究，但随着地理区域以及气候条件的变化，毛竹的耗水特征将有着显著的差异。毛竹作为苏南丘陵区的主要造林树种，需要准确了解其耗水特征，因此，本文采用Li－6400光合系统和热平衡技术，结合环境因子的同步观测，研究了苏南丘陵区毛竹蒸腾耗水特征及其与环境因子的关系，以期掌握该区域毛竹的耗水规律，为该区域造林设计提供帮助。

1.5入渗与降雨强度的一般规律

滑坡和泥石流的产生与降雨关系密切是早为人知的事实，人们对这种关系的内部机制进行了较多的研究。在研究降雨对土坡稳定性影响时，必须涉及如何计算雨水入渗引起的斜坡暂态渗流场^[9]。目前，一般的方法是通过较为成熟的饱和-非饱和理论（即广义达西渗透定律）计算土坡内部的水分分布和基质吸力的变化，然后通过向非饱和延伸的摩尔-库仑准则和极限平衡法进行土坡稳定分析。但是，这一方法中存在一个较大的问题，就是在非饱和入渗过程中，降雨的水分有多少能够进入土坡内部，在计算中仍然存在较大的疑问，而进入土坡内部雨量的多少是对稳定性产生直接影响的重要因素。因此，降雨入渗量的问题仍被认为是非饱和渗流中的关键问题之一。采用Green-Amp入渗模型^[10]进行研究干土坡在大降雨强度雨水入渗形成坡面径流过程中,气压势的变化由0增长到222 Pa超过了本算例的进气值196 Pa,随着时间的进行气压势还有增加的趋势。入渗率由无穷大,随着时间而不断减小。

1.6研究背景

土壤水分是连接地表水与地下水的纽带，在水资源的形成、转化及消化过程中有重要作用。近年来，由全球变暖引起的土壤含水量减少，预计将影响全球的植物群落。许多土壤和水的保护措施已经实施，以减少水土流失，防止土地退化。土壤和水的养护不仅可以减少土壤和水的亏损，也改变了这部分土地表面，影响生态系统的结构和职能。所以，如何提高林分的水源涵养功能，防止水土流失，保护生态环境已成为人们非常关注的问题。土壤含水率的测量^[11]是很困难且费时的一个过程。一些研究者已经在广泛的空间范围和时间尺度上观察土壤含水率的稳定性。每场降雨中，都有部分水沿着土壤内的空隙渗入到土壤内部形成土壤水，然后形成壤中流。壤中流^[12]是坡地径流的重要组成部分，对流域径流产生、养分流失，水土流失等有重要影响。壤中流对重力侵蚀起到了促发作用，与以往研究表明的长江流域坡面以面蚀为主的结论有所不同，甚至有壤中流促发的侵蚀量要远远高于片蚀、沟蚀等坡面侵蚀形式。壤中流受地形、土层厚度、土地利用等多种因素的影响，已对壤中流的产生机制、优先路径、临界性和非线性，以及壤中流的影响因子进行了广泛的研究。土壤含水率的时间动态变化和深度变化受降雨过程的严重影响，降雨后土壤表层水分发生剧烈变化，表层水分含量迅速增加，在蒸散和下渗作用下表层土壤含水率缓慢减小，继而影响深层土壤含水率，随着深度的加深，土壤含水率对降雨响应程度也减小。降雨时浅层次有优势流现象出现,受到土壤结构影响和降雨量大小控制。目前，林地土壤水文特征研究以蓄满稳渗特征为主，缺乏林地野外土壤水分变异规律以及对降雨响应实际特征研究。很多研究是在饱和供水坡度为零条件下总结出的规律，与野外坡面自然降水条件差异巨大。林地坡面与以上研究模拟条件相比更加复杂。因此，开展林地坡面自然降雨状态下的土壤水分响应变异过程^[13]，对于揭示森林水源涵养功能与机制，具有实际的理论指导意义。长江中下游地区山地丘陵面积大，历史上长期受人为强度干扰，水土流失造成的土地退化和洪涝灾害严重制约了地方经济、社会的稳定和谐发展。本研究以南京城郊毛竹林为研究对象，着重研究自然状态下土壤水分对主要林分降雨的响应特征。这对于探究南京地区主要林分水源涵养机制，降低由于林地经营而导致水土流失的影响有重要意义，从而为南京丘陵地区经济社会发展和新农村建设的决策提供理论与实践依据。

2 国内外同类研究概况

国内外学者对土壤水做了大量的研究工作，研究内容主要涉及土壤水分与植物的关系、土壤水分与土壤呼吸、生物土壤结皮对降水再分配过程的影响、土壤水分时空动态及其运动机理、土壤水分监测技术等几个方面。

在国内研究中，He^[14]等定量分析了祁连山脉亚高山带草地和草甸不同深度土壤水分对不同强度降雨事件的响应方式；Wang等以黄土高原一个植被修复的流域为例，研究了土壤水分对降雨的响应关系并分析了不同植被覆盖对于降雨下渗的影响；曹建生等针对太行山地区进行了人工降雨径流实验研究，从不同的前期土壤含水量、深度、地表覆盖等方面比较了土壤水分对降雨的响应特征；张秋英等探讨在无覆盖、秸秆覆盖和石子覆盖条件下太行山区土壤水对降水的响应，结果表明，当30cm土层土壤含水量低于20%时，单次降水很难入渗至30cm以下；傅斌等^[9]在川中平原的紫色土进行了人工降雨试验研究，认为入渗率随雨强增大，中耕有利于入渗；张光辉等、刘新平等分别讨论了干旱的沙丘地区和半干旱的华北平原降雨补给地下水过程中包气带的影响，定量研究了雨强和水势梯度对下渗的影响；刘宏伟等在太湖西侧通过野外坡面试验来研究地表和地下剖面上土壤水分对降雨过程的响应模式。总之，目前国内关于土壤水对降雨响应方面的研究表现为室内试验多，野外观测少；平原地形多，丘陵地区少；半干旱地区多，湿润地区少；宏观现象多，机理研究少；均质流研究多，优势流研究少；人工模拟条件下试验较多，自然状态下降雨对土壤水的试验少。