長(zhǎng)江上游亞高山暗闊葉林流域土壤水分輸移的空間變化

長(zhǎng)江上游亞高山暗闊葉林流域土壤水分輸移的空間變化

1積分水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律森林地區(qū)的土壤水分滲透規(guī)律的研究是森林流域生產(chǎn)機(jī)制的基礎(chǔ)和前提。在確定土壤水分滲透參數(shù)及其特征對(duì)深入研究森林流域的水文過程的調(diào)節(jié)機(jī)制無疑是非常重要的。主要陰針葉林位于貢嘎山東壩河冷杉林，是長(zhǎng)江上游亞高山森林植被的主體，是中國(guó)保存最完好的自然生態(tài)系統(tǒng)之一。關(guān)于該地區(qū)的水文規(guī)律有幾種看法，但該地區(qū)的森林土壤水分運(yùn)動(dòng)沒有具體研究。該區(qū)域土壤的主要耕作母土是冰池、泥石流形成的坡積層，由第四紀(jì)和冰池形成，并以上升山的形式形成。這種土壤母土的特征也決定了土壤水分入滲特征的特殊性?；诖耍疚膶?duì)貢嘎山東坡亞高山黑針葉林生態(tài)系統(tǒng)水壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)定進(jìn)行了初步探討，該區(qū)域土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的特征為今后研究該區(qū)域土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及黑暗山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水分交換機(jī)制的可靠依據(jù)提供了土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律的規(guī)定和秘密生態(tài)系統(tǒng)水分交換機(jī)制的建立提供了可靠的基礎(chǔ)。以及冷杉。2研究區(qū)域和方法2.1亞高山5年生晚古生代演替類試驗(yàn)地設(shè)在貢嘎山東坡海拔2970～3240m的黃崩溜溝流域.本區(qū)主要受東南季風(fēng)影響,潮濕多雨,冬暖夏濕,云霧多,日照少,屬亞熱帶山地濕潤(rùn)型季風(fēng)氣候.年平均降水在1900mm左右,年均氣溫4.0℃,年雨日260d左右,年平均空氣相對(duì)濕度90%、蒸發(fā)量小(約300mm),氣候和植被景觀呈寒溫帶特點(diǎn).主要森林類型是以冷杉、云杉林為主的暗針葉林.研究流域內(nèi)從干河壩到三營(yíng)水文站的森林群落幾乎代表了泥石流跡地上整個(gè)亞高山暗針葉林森林類型的演替系列.試驗(yàn)點(diǎn)及取樣點(diǎn)分別布設(shè)在無林地(主要由灌草覆蓋或裸露地為主的區(qū)域)、30年生峨眉冷杉幼齡林,70～80年生峨眉冷杉中齡林,120年生峨眉冷杉成熟林、150年生峨眉冷杉過熟林5種典型的演替序列林地中.2.2土壤水分隨立地特點(diǎn)的變化規(guī)律在研究區(qū)峨眉冷杉林的不同演替階段的林分內(nèi)挖掘土壤剖面,每20cm分層取3個(gè)重復(fù)環(huán)刀土樣,室內(nèi)測(cè)定土壤容重、孔隙度、毛管持水量等土壤水分物理性質(zhì)以及土壤的機(jī)械組成.利用如圖1所示的水平放置在冷杉純林標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)的坡面中部的自制蒸滲儀(2m×1m×1m),根據(jù)瞬時(shí)剖面土壤水分再分布實(shí)驗(yàn)(CGA)原理測(cè)定土壤的非飽和導(dǎo)水率.自制蒸滲儀分為3部分,分別按土層剖面回填取自成熟林地的坡積物(A,100cm深)、(B,50cm深)和取自過熟林地的冰磧物(C,20cm深).每一部分中間埋入中子水分儀測(cè)定鋁管.分別在A、B兩部分的10、20、40、60、80cm土層深處埋設(shè)一組張力計(jì).實(shí)驗(yàn)測(cè)定前對(duì)土體充分灌水,盡量使其達(dá)到飽和,土壤表層覆蓋塑料膜,防止土壤水分蒸發(fā).然后利用中子水分儀和負(fù)壓計(jì)定時(shí)同步觀測(cè)同一土層的土壤含水量(θV)和土壤水勢(shì)(ψ).分群落、分土層取原狀土,利用定水頭法測(cè)定各類土壤各土層的飽和導(dǎo)水率.3結(jié)果與分析3.1過熟林林地不同土層深度的土壤容重和貯水量黃崩溜溝流域各演替序列林地間的土壤質(zhì)地差異較小,大部分土壤屬于壤質(zhì)砂土.由于土壤主要發(fā)育自冰川側(cè)磧體、泥石流跡地和以花崗巖為主的山體崩塌坡積物,土壤砂粒含量均較高,質(zhì)地較粗,具體土壤物理性質(zhì)測(cè)定結(jié)果列入表1和表2.由表1可見,若從不同演替序列林地土壤的機(jī)械組成來看,隨著演替的發(fā)展,土壤砂粒含量逐漸降低,粉、粘粒含量逐漸增加,以過熟林的粉粘粒含量為最高,在27%以上,而無林地則僅在5%左右.就坡積物而言,隨土層深度的增加,砂粒含量逐漸增加,粘粒含量逐漸減小.0～30cm深度的土層沙粒含量為74.26%,粘粒含量為25.74%,而80cm以下土層砂粒含量增加到80.44%,相應(yīng)的粘粒含量為19.56%.由表2可以看出,不同演替階段林地、不同土層深度的土壤的水分物理性質(zhì)是有較大差異的.隨演替的發(fā)展,土壤的容重逐漸減小,無林地的容重為1.01,而過熟林林地表層土壤的容重僅為0.36.隨土層深度的增加,土壤容重也增加,中齡林林地的土壤0～20cm和20～40cm深土層的容重分別為0.42和1.17,成熟林林地的容重從表層的0.64增加到100cm以下土層的0.76.土壤入滲能力的大小,是與土壤的毛管和非毛管孔隙度密切相關(guān)的.表2表明,隨森林演替的進(jìn)展,土壤的孔隙度是逐漸增大的.其中,過熟林林地的表層土壤的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分別為95.32%、83.47%和11.86%,而無林地的僅分別為45.83%、35.13%和10.70%.隨土層深度的增加,孔隙度的主要區(qū)別在于毛管孔隙度和非毛管孔隙度占總孔隙度的比例上,表現(xiàn)為毛管孔隙度所占比例逐漸減小,非毛管孔隙逐漸增大.就坡積物而言,表層土壤的毛管孔隙度和非毛管孔隙度分別占總孔隙度的94%和6%,而100cm土層以下的分別為98%和2%.森林土壤貯水力一直被作為森林調(diào)節(jié)水文過程的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo).從研究區(qū)的分析結(jié)果來看,隨森林演替的進(jìn)展和土壤深度的減小,土壤貯水量逐漸增大.過熟林林地和無林地0～20cm土層的土壤貯水量分別為107.24mm和30.91mm,成熟林林地0～20cm土層和100～120cm土層的土壤貯水量分別為76.16mm和48.51mm.3.2土壤水分特征曲線土壤水分特征曲線不僅可以衡量土壤水分的能量水平,而且可以推算土壤中孔隙分布和比水容量.由于土壤水力傳導(dǎo)函數(shù)以及土壤水分?jǐn)U散率函數(shù)可以由土壤水分特征函數(shù)加以推導(dǎo),因此土壤水分特征曲線的測(cè)定就是采用土壤水分運(yùn)動(dòng)流方程模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)的前提.土壤水分特征曲線的確定一般是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定有限的離散的土壤體積含水量及其對(duì)應(yīng)的土壤水勢(shì)擬合出具有連續(xù)變化的土壤水勢(shì)-土壤含水量關(guān)系.通過同步觀測(cè)的坡積物土壤水分含量和土壤水勢(shì)資料點(diǎn)繪該區(qū)的土壤水分特征曲線(圖2).土壤水吸力(S)和土壤體積含水量(θv)之間存在如下冪函數(shù)關(guān)系:R2=0.7884(1)S=10.07θv-0.74由式(1)可以得到該土壤的水容為:C(θv)=0.10v0.26(2)由圖2可以看出,研究區(qū)坡積物土壤的土壤水分特征曲線可分為急速下降、平緩下降和過渡區(qū)3個(gè)明顯的階段.急速下降階段主要受土壤質(zhì)地的影響,而平緩下降階段則主要受土壤結(jié)構(gòu)的影響.總體而言,研究區(qū)坡積物土壤水分特征曲線的斜率主要受土壤質(zhì)地確定,物理性粘粒含量愈大,則曲線愈陡峭.3.3不同土層深度的土壤非飽和導(dǎo)水率,實(shí)際樣品率隨土鑒于過熟林所在的冰磧物成土的土層很薄,試驗(yàn)中只利用蒸滲儀中的100cm土柱和50cm土柱測(cè)定了坡積物成土土壤的非飽和導(dǎo)水率,測(cè)定結(jié)果繪成等值線圖3.從試驗(yàn)結(jié)果來看,在同一土壤含水量條件下,土壤的非飽和導(dǎo)水率隨土層深度的增加而逐漸緩慢地減小.以土壤含水量為20%的情況為例,土壤表層0～30cm深度的土壤非飽和導(dǎo)水率為0.53mm·min-1,90cm深度土層的非飽和導(dǎo)水率僅為0.17mm·min-1.這是因?yàn)橥寥辣韺邮艿桨滇樔~林枯落物和根系的影響,土壤質(zhì)地較細(xì),團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較好,粉、粘粒含量相對(duì)較高的緣故.另外,在同一土層深度,土壤的非飽和導(dǎo)水率隨土壤含水量的增加而增加,就0～100cm土層深度的平均值而言,在土壤含水量為10%的時(shí)候,土壤的非飽和導(dǎo)水率僅僅在0.03mm·min-1左右,而當(dāng)土壤含水量達(dá)到35%時(shí),土壤的非飽和導(dǎo)水率達(dá)到了2.37mm·min-1.這種土壤非飽和導(dǎo)水率隨土壤含水量變化的規(guī)律可以用冪函數(shù)來擬合,將實(shí)驗(yàn)獲得的一系列土壤非飽和導(dǎo)水率K(θ)值以及與之對(duì)應(yīng)的土壤體積含水量(θ)值擬合為函數(shù)形式(表3).因?yàn)橥寥赖臄U(kuò)散率為土壤的導(dǎo)水率和土壤水容的比值,所以聯(lián)合式2和表3可以得到坡積物在0～100cm土層的平均土壤擴(kuò)散率隨土壤體積含水量變化的函數(shù)為:D(θ)=924.6θv3.24(3)結(jié)果表明,土壤非飽和導(dǎo)水率并不是一個(gè)定值,而是要同時(shí)受到土壤含水量、土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等眾多因子的影響.本文對(duì)該流域土壤非飽和導(dǎo)水率的測(cè)定進(jìn)行了簡(jiǎn)化,僅對(duì)土層較厚的坡積物進(jìn)行了測(cè)定.由于泥石流跡地和冰磧物臺(tái)地的土層非常薄(約為20cm左右),20cm以下又主要是以石礫堆砌和大孔隙為主,進(jìn)行實(shí)地非飽和導(dǎo)水率的測(cè)定就受到一定限制,所以運(yùn)用CGA法測(cè)定土壤非飽和導(dǎo)水率需謹(jǐn)慎處理.3.4土層深度對(duì)土壤水分滲透率的影響利用定水頭原狀土垂直維的方法測(cè)定了流域內(nèi)不同林齡的冷杉林林地的土壤入滲過程(表4).利用這種方法測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值實(shí)際上是穩(wěn)定入滲率,但因其接近于土壤的飽和導(dǎo)水率,通常就被用來代替土壤的飽和導(dǎo)水率.土壤飽和導(dǎo)水率是一個(gè)重要的土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù),在一定程度上可作為衡量各種土壤的滲透性指標(biāo).從測(cè)定結(jié)果來看,中齡以上的冷杉林林地土壤的滲透性能要高于幼齡林林地土壤的滲透性,這是因?yàn)橹旋g以上的冷杉林根系發(fā)育好,根量多,能夠提供較豐富的枯枝落葉,同時(shí),在老齡林的土壤層可以形成很多的大小孔道,孔隙度的增加不僅有利于土壤中縱向的水分滲透,而且也加速了橫向的水分滲透,縮短了滲透時(shí)間,能夠?qū)ν寥浪譂B透創(chuàng)造良好的條件.另外,由于土層愈深,土壤有機(jī)質(zhì)含量愈少,礦質(zhì)成分比例相應(yīng)增加,容重增大,以及土壤孔隙度和通氣度隨土層深度遞增而遞減的緣故,隨著土層深度的增加,土壤的飽和導(dǎo)水率呈負(fù)指數(shù)形式的遞減規(guī)律(式4),從土壤表層的3.16mm·min-1降低到1.64mm·min-1.而且各土層到達(dá)穩(wěn)滲的時(shí)間也存在差異,隨土層深度的增加,穩(wěn)滲時(shí)間也增加,平均約在110min左右.Ks=3.55e-0.007ZR2=0.9655(4)式中,Ks為土壤飽和導(dǎo)水率;Z為土層深度.由表4可看出,隨森林演替的進(jìn)展和土壤深度的減小,飽和導(dǎo)水率逐漸增加.這與前述土壤質(zhì)地分析和水文物理性質(zhì)分析是一致的.結(jié)果還表明,長(zhǎng)江上游亞高山暗針葉林帶的地表水分入滲速率屬于高入滲性能的土壤.各土壤類型和土層深度的平均飽和導(dǎo)水率均在1mm·min-1以上.而且隨著森林演替的進(jìn)展,土壤表層飽和導(dǎo)水率也從無林地的1.02mm·min-1驟升為過熟林林地內(nèi)土壤的7.29mm·min-1.由此可見,該研究區(qū)即使是無林地,其飽和導(dǎo)水率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)亟涤甑淖畲笥陱?qiáng)(7.06mm·min-1,1997-8-15).這也是該流域?yàn)槭裁春苌僖姷狡旅鎻搅骰虻乇韽搅?而大部分以壤中流、回歸流和地下滲漏等徑流形式出現(xiàn)的主要原因.4不同土層深度土壤非飽和導(dǎo)水率的變化4.1長(zhǎng)江上游以峨嵋冷杉為主的亞高山暗針葉林流域-黃崩溜溝流域的土壤砂粒含量高,質(zhì)地較粗,大部分屬于壤質(zhì)砂土.土壤質(zhì)地和土壤水分物理性質(zhì)均隨林地類型和土層深度的變化而異,隨著森林演替的進(jìn)展、土層深度減小,土壤質(zhì)地逐漸變細(xì),容重逐漸減小,土壤孔隙度和土壤貯水力逐漸增大.4.2研究區(qū)土壤非飽和導(dǎo)水率與土壤的含水量之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系,土壤表層0～30cm深度土壤非飽和導(dǎo)水率明顯低于30cm以下土壤非飽和導(dǎo)水率,而在30cm以下,非飽和導(dǎo)水率差異不明顯.4.3土壤的飽和導(dǎo)水率隨著土層深度的增加呈負(fù)指數(shù)遞減,不同林地、不同土