Surface volume soil water content in grasslands versus bamboo stands in a Nanjing suburb

南京市东善桥林场铜山分场（31°35′~31°39′N，118°50′~118°52′E），属北亚热带季风气候区，试验区基本情况见相关研究^[11]。试验地选取毛竹林和千金子草地，千金子草地少量小白酒草Conyza canadensis入侵，土壤类型为黄棕壤。土壤水分测量试验地点选择考虑毛竹林点不受林缘和林窗影响，郁闭度0.8以上。2种土地利用类型坡向一致，东北向，立地条件一致，土壤厚度均为60 cm左右，60 cm以下为砂岩风化母质层，坡度略有差异，海拔26.0 m，地下水位位于10.0 m以下。2种土地利用类型基本特征如表 1。表 1反映毛竹林与草地表层土壤与其他层次比较，初表层容重略低，10~40 cm层由于毛竹根系密度大，土壤紧实，容重基本一致。毛竹林各土壤层次非毛管孔隙度与有机质含量与草地相比明显较高，其中10~20 cm土壤层次有机质达到14.8 g·kg^-1，是草地相应层次的2倍。

由于林地和草地地表千差万别，考虑样地中土壤水分在水平方向有变异，选择土壤与光照条件相同水平方向3 m距离各设置重复观测点1个，毛竹林点设置考虑位于数株毛竹组成的多边形的中心，土壤水分探头附近10 cm内无直径0.5 cm以上树根分布。每个土地利用类型、每个土壤深度共设置2个观测点。毛竹林点地表覆盖2 cm厚度毛竹凋落物。2种土地利用类型3个土壤深度总计12个土壤体积含水量观测探头。土壤温度、空气温度、空气湿度测定与土壤物理属性与有机质测定见文献^[11]。

土壤日平均含水量的计算采用Excel软件，方差分析与多重比较、多元线性回归以及相关性分析使用DPS软件。

选择2010年6月1日到2011年5月31日期间的毛竹林与草地5，15，30 cm深度土壤体积含水量数据与相应重复层次结果进行差异显著性检验。以毛竹林与草地5 cm土壤水分方差分析为例表明，2种土壤类型各土壤层次与相应重复层次间有微小差异，但是不显著（毛竹林P值为0.36，草地为0.24）。其他层次土壤含水量水平空间变异方差分析具有相似性，变异均不显著。

将毛竹林和草地观测期间各层次土壤体积含水量按照日平均统计，得到2种土地利用类型1 a内的土壤体积含水量变化过程（图 1与图 2）。

Figure 1.  DASVWC of 5-30 cm depth in bamboo forest during one year

Figure 2.  DASVWC of 5-30 cm depth in grassland during one year

图 1与图 2表明：具有凋落物覆盖的毛竹林各土壤层次土壤含水量为18%~50%，显著（P=0.05）高于草地（9.1%~30%）。2种土地利用类型1 a内土壤体积含水量变化均可以分为2个阶段：5-9月，土壤对强降水、蒸发响应的剧烈波动阶段；1-3月，10-12月，土壤对弱降水响应上升缓慢、对蒸发响应下降缓慢的波动阶段。毛竹林5 cm与30 cm土壤体积含水量在6-10月基本重合且显著（P=0.05）高于15 cm土壤体积含水量。草地15 cm与30 cm土壤体积含水量显著（P=0.05）高于5 cm土壤体积含水量。

方差分析与多重比较表明（表 2），毛竹林与草地土壤日平均含水量于1 a内在3个层次间均具有极显著差异（P < 0.01）。毛竹林5 cm层土壤年平均含水量最高，30 cm层次之，15 cm层最低。毛竹林根系主要集中于0~30 cm土壤深度，0.5~5.0 mm根系可以达到3.5 t·hm^-2，长度达到669.88 km, 占根系总质量和长度的95%以上^[12]，0~30 cm抗冲指数是同地区马尾松Pinus massoniana-杉木Cunninghamia lanceolata林的1.5~2.0倍，草地的3.0倍^[13]。抗侵蚀指数与水稳性团聚度是同类区域马尾松林-杉木林的土壤的2.0倍以上，草地的3.0倍以上^[14]，土壤紧实，吸水率低与渗透速率极低。10 cm以下土壤毛竹细根系盘根错节、土壤紧实，下渗速率与蓄水能力均比较低。30 cm土壤含水量低于5 cm层而显著高于15 cm。草地土壤5 cm层年平均含水量显著低于毛竹林土壤水分，草地土壤表层最低为19.58%，毛竹林5 cm层最高为33.02%，前者为后者的59.25%。草地15 cm土壤年平均含水量为毛竹林15 cm的84.22%，草地30 cm土壤年平均含水量为毛竹30 cm层次土壤的69.17%。以5 cm土壤年平均含水量代表0~10 m，15 cm土壤年平均含水量代表 10~20 cm，30 cm土壤年平均含水量代表 20~40 mm，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%。表明毛竹林5 cm与30 cm层土壤吸持水分的能力优于草地，凋落物覆盖的毛竹林地土壤具有显著高于草地的水分储备和供应能力。

通过对2种土地利用类型1 a内的土壤不同层次含水量统计，得到反映毛竹林与草地不同层次土壤季节平均含水量变异系数（图 3）。图 3表明：草地表层5 cm土壤水分变异系数在春、夏季节显著（P=0.05）高于其他层次（包括毛竹林），其中夏季达到24.70%，而其他层次变动于9.60%~10.90%，区别较小，秋季变动于7.50%~12.12%。夏自强^[16]研究指出，土壤不同深度的平面空间上, 土壤含水量变异性同土壤的含水量大小有关，含水量大时其变异系数小，含水量小时其变异系数大。本研究表明，同一土地利用类型土壤含水量变异性同土壤含水量显著相关。土壤含水量年平均变异系数在草地和毛竹林内均和年平均土壤含水量呈显著负相关（图 4），回归关系式分别为草地：y=-3.494 9x+85.03，R²=0.99;毛竹林：y=32.527e^{-0.026 9x}，R²=0.77。草地0~30 cm土壤年平均含水量变动于19.6%~21.9%，土壤年平均含水量变异系数变动于8.70%~16.80%，表现为土壤含水量变动幅度区间窄，年平均含水量变异系数波动幅度大。毛竹林0~30 cm土壤年平均含水量变动于26.16%~30.60%，土壤年平均含水量变异系数变动于13.90%~16.40%，表现为土壤含水量变动幅度区间较草地大，年平均含水量变异系数波动幅度较草地小的特点。

Figure 3.  Seasonal CV variation of DASVWC at 5-30 cm soil depth in grassland and bamboo forest

Figure 4.  Annual CV variation of DASVWC at 5-30 cm soil depth in grassland and bamboo forest

谢志清等^[15]研究指出，不同类型的下垫面条件下，夏季土壤水分在湿润研究区呈明显的单峰偏态分布，且以β分布拟合效果为最好，且湿润的研究区域夏季土壤水分在时间上呈显著的10~25 d的周期变化。降水间隔期间，土壤含水量随时间呈指数式消减^[16-17]，可用θ=αe^-kt来表示，α与土壤含水量正相关，k为消退指数。k值越大，说明土壤失水速率越大。选择10日以上连续无降水期间，以时间（d）为横坐标，以日平均土壤体积含水量为纵坐标，得到草地与毛竹林不同季节日土壤含水量退水曲线（图 5）。对2种土地利用类型5~30 cm层日平均含水量随时间消减（图 5）进行模拟，得到了2种土地利用类型土壤含水量与时间的极显著指数关系（表 3）。图 5表明：夏季毛竹林5 cm与30 cm层土壤体积含水量显著（P=0.05）高于其他层次，是同期毛竹林15 cm层、草地15 cm与30 cm层土壤体积含水量的1.5倍左右，是草地5 cm层土壤体积含水量的2.0~3.0倍（图 5a和图 5b），秋冬季毛竹林5，30与15 cm层土壤体积含水量呈2.5%左右间距平行排列（图 5c），均高于草地各层次，消退指数k在0.01以上，高于草地5 cm表层土壤的0.008 3。草地15 cm与30 cm层秋冬季土壤k值极低，分别为0.003 2和0.001 9，土壤蒸腾以5 cm表土层为主。春季毛竹林5 cm与30 cm层土壤体积含水量在降水间隔期呈2.50%左右间距排列，15 cm与30 cm层土壤体积含水量近似重合（图 5d），显著区别于夏、秋冬季节。草地春季5 cm和15 cm层土壤k值与秋冬季近似，分别是夏季k值的27.0%和10.0%；30 cm层土壤消退指数k值为0.004 5，是夏季k值的15.0%，较秋冬季增加了136.9%。

Figure 5.  Deterioration of DASVWC at 5-30 cm soil depth in grassland and bamboo forest

本项研究采用野外长期定位监测，与传统人工采样监测土壤含水量相比，对土壤坡面破坏性小，确保了数据准确、连续、系统性，避免了采样点变换导致的样本间差异。通过对1 a间毛竹林与草地表层不同层次土壤体积含水量、空气温度、湿度监测数据, 采用方差分析以及非线性回归分析，得出结论：南京城郊毛竹林与草地表层不同层次土壤体积含水量年变化可以划分为2个阶段：5-9月，土壤对强降水、蒸发响应的剧烈波动阶段，1-3月，10-12月，土壤对弱降水响应上升缓慢、对蒸发响应下降缓慢的波动阶段。

不同土地利用类型由于不同层次土壤受植物根系和凋落物影响差异，土壤体积含水量差异很大。毛竹林5，15，30 cm土壤年平均体积含水量分别为33.02%，26.16%和30.60%，表现为和土壤物理属性对应的土壤紧实区低，表层和土壤紧实区以下高的特点。草地5，15，30 cm土壤年平均体积含水量分别为19.59%，22.00%和21.21%，显著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%，凋落物覆盖的毛竹林地土壤具有显著高于草地的水分储备和供应能力。

土壤含水量年平均变异系数在草地和毛竹林内均和年平均土壤含水量呈显著负相关，草地土壤年平均含水量变异系数变动于8.70%~16.80%，毛竹林土壤年平均含水量变异系数变动于13.90%~16.40%，下限显著低于草地，表明毛竹林地土壤具有显著高于草地的水分涵养能力。

2种土地类型在不同降雨间隔期的各层次土壤体积含水量与天数呈随时间呈指数式消减函数关系，用θ=αe^-kt模拟效果显著，R²均大于0.900。与土壤体积含水量相对应，毛竹林α值为22.05~39.96，远远大于草地的19.22~24.51。毛竹林土壤体积含水量随时间消退指数k值为0.007 0~0.029 2，草地为0.001 9~0.029 2。不同层次土壤含水量降雨间隔期与时间呈指数显著相关指数关系消退，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。

土壤水分分布与土地利用方式密切相关，不同土地利用方式会引起土壤水分垂直分层差异，同时也会影响土壤水分垂直方向上的季节变化。不同土地利用类型各层土壤水分变异系数不同，而变异系数的垂直变化也因利用类型的不同存在差异。

与干旱区相比，长江中下游由于降水充足，植被根系和凋落物层对土壤具有极大的改造作用，在表层土壤含水量变异规律上表现出很大不同：①同一土地利用类型土壤含水量变异性同土壤含水量显著负相关适用于同一土地利用类型不同土壤层次（0~30 cm），在不同土地利用类型之间比较时并不适合。②毛竹林5，15，30了cm土壤年平均体积含水量表现出和土壤物理属性对应的土壤紧实区低，表层和土壤紧实区以下高的特点，尚需要在以后研究中增加观测土壤不同层次根系生长过程特征，进一步研究解析其影响土壤含水量的物理学意义。

随着全球气候变暖正成为现实，森林的碳汇功能在世界范围内得到广泛认可，但是在森林水文功能方面，仍然存在森林增加和减少径流争议^[18-19]。一些区域为经济目的砍伐森林而导致去森林化或者建立无枯枝落叶以及灌木覆盖的地表裸露的人工原料林，忽略森林土壤水分经营管理在森林生态服务功能中的重要性，难以估量由于森林减少或者森林质量降低导致水源涵养功能丧失而加剧的持续干旱给与区域带来的巨大灾难和损失^[20]，而干旱能够使得森林巨大碳汇功能转化为碳源。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^[21]。森林对于损伤干旱压力的水力安全边际十分狭窄，在全球范围内具有一致性，由于干旱减少森林不只发生在干旱地区，在湿润区域也时常发生^[22]。遥感监测表明，非洲和澳大利亚土壤湿度从1998-2008年一直下降，从而使得这些区域日益增加的土壤湿度限制因素成为全球蒸散降低趋势的原因^[23]。因此，有效的区域森林土壤水分经营管理以及碳汇林业、区域干旱控制以及水资源林业建设均迫切需要开展植被演替与径流组分变异机制研究。本研究表明：凋落物覆盖的毛竹林地土壤具有显著高于草地的水分储备和供应能力。毛竹林作为重要林种，在碳汇林业、区域干旱控制以及水资源林业建设具有重要的地位和推广价值。