全 文 ：林 业 科 学研究 , 科
户 ￡
文章编号 一 仪巧 切 峨拓
祁连 山水源涵养林土壤水文特征研究
党宏忠‘ , 周泽福‘ , 赵雨森 , , 杨洪学 ,
中国林业科学研究院林业研究所 , 国家林业局林木培育重点实验室 , 北京 叉
东北林业大学林学院 , 黑龙江 哈尔滨 只
摘要 通过对祁连山水源涵养林区的苔醉 一 青海云杉林 、亚高山灌丛 、灌木 一 青海云杉林 、 中低山灌木林和祁连圆柏
以及牧草地等 种植被土壤水分物理性质的测定与计算 , 比较分析了不同植被的水源涵养能力 , 建立了主要土壤类
型的人渗模型 、土壤水分消退方程 , 评价了不同植被土壤层水文特征及其与植被间的关系 。 祁连山区主要森林的平
均土壤密度均小于
· 一 ’ , 土壤的蓄水能力很强但各植被间差异较大 。 各种森林植被土壤均表现出较高的人渗
性能 , 土壤初渗率 、稳渗率及蓄水能力从大到小的次序均为 苔醉 一 青海云杉林 、亚高山灌丛 、灌木 一 青海云杉林 、 中
低山灌木林 、祁连圆柏林和牧草地 。 在相同的环境条件下 , 森林土壤 山地灰褐土 的保水能力较高 , 水势消退曲线
呈凸形 , 而牧草地土壤 山地栗钙土 的保水能力相对较弱 , 水势消退曲线呈凹形 。 土壤含水量相同时 , 后者所持水
分的有效性更大 。
关键词 祁连山 水源涵养林 土壤 水文
中图分类号 巧 文献标识码
一口心
, 扣 , , 月竹 一 矿 , 一
, 曰 汀 叮 二 飞 , ’ , 〕以刃 ,
,
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脚
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一
, 叩 ,
, 叮 邵
灯 盯
收稿日期 《 玛一
基金项 目 “ 十五 ”国家科技攻关项 目 犯一 部分研究内容
作者简介 党宏忠 一 , 男 , 甘肃定西人 , 博士 一 】 肠此 ‘ 石
林 业 科 学 研 究 第 卷
在森林生态系统不同界面间的水分传输中 , 土
壤层通过人渗
、 蓄纳等作用 , 对降水资源分配格局
形成
、
转化及消耗等过程 产生的影响最为明显 ,
成为联系地表水与地下水的纽带 , 故有 “ 土壤库 ” 之
说〔’
,
,
。 林地土壤层的水文作用主要表现在透水和
贮水性能两方面 。 水分只有在土壤中得到充分的涵
蓄 , 才能有效的减弱地表径流的产生 , 调理河川径
流 , 达到涵养水源的目的 。 林地土壤的水文特征不
仅是气候 、植被 、地形及地质等自然条件综合作用的
结果 , 而且也是森林生态系统水分小循环中林分结
构与功能特征的综合体现 。 研究林地土壤的水文特
征 , 是科学认识和评价土壤水文机理和功能大小的
基础 。
祁连山位于三大高原的交汇地带 , 地理位置特
殊 , 自然环境独特 , 森林生态系统脆弱 , 是国家级重
点 自然保护区 。 区内大面积的水源涵养林处于 “ 冰
源水库 ” 和河川水系之间 , 对调蓄 、涵养水源起着巨
大作用 , 并与冰川共同构成了巨大的复合天然水库 ,
每年约有 亿 砰 的出山水通过石羊河 、黑河和
疏勒河 三大内陆河水系 , 还有不少通过外陆河水系
进人黄河支流 ’ 。 祁连山区属于半干旱森林草原气
候带 , 森林植被垂 直分布特征 明显 , 分布于 海拔
八 · 《 〕 的广阔范围内 , 在长期的演替中不
仅形成 厂随生境变化 特别是垂直高度与坡向 而
分布的典型森林植被群落 , 也发育了与植被群落相
对应的上壤 , 长期以来 , 人们偏重于对青海云杉
、, 扣 她
· 、 祁连 圆柏 肠
等乔木树种林分土壤水文特征的研究风 , 。
本文就区域内不同群落土壤水文特征的对比研究将
为全面揭示群落 、流域生态系统的水文机理与特征
提供重要依据 。
有以高山柳 “ 汉 、 杜鹃属 山
击耐沁 等为主的湿性亚高山灌丛 。 中 、低山
地带分布有绣线菊 助 如 、 金露梅
卢与切几名 户 、箭叶锦鸡儿 肠了口 “
,’
等耐旱灌木 。
研 究地概况
研究地选择在祁连山东端旱泉沟流域 , 行政隶
属于天祝县朵什乡 , 地理位置 ’ ” ‘
, “ ‘ “ ’ ” , 海拔
, 年平均气温 ℃ , 生长期 , 生长季
积温 。 ℃ , 年均降水量 , 蒸发量
, 属大陆性寒温半湿润半干旱气候 。 森林
植被以分布在阴坡 、半阴坡的青海云杉纯林为主 , 海
拔 《》 左右的阴坡 、半阴坡分布有青海云杉灌木
混交林 。 在青海云杉林分布上限的阳坡 、半阳坡小
块状分布有祁连圆柏 , 海拔 以上主要分布
研究方法
选择典型森林植被群落苔醉 一 青海云杉林 山
地灰褐土 、灌木 一 青海云杉林 山地淋溶灰褐土 、
亚高山灌丛 亚高山灌丛草甸土 、 中低山灌木林
山地灰褐土 种林分为研究对象 〕, 并以牧草地
山地栗钙土 为对照 , 各设置 固定标准地
块 , 进行以下项 目的测定
土壤水分物理性质 在固定标准地内分别
设置 , 样地并随机布设 个点 , 各点均分
层 、 、 、 、 、
取样 , 运用环刀取样法 。 , 测定土
壤孔隙度 、土壤持水量和土壤密度 , 测定及计算方法
采用国家标准《森林土壤水分 一 物理性质的测定 》
一 。
土壤人渗特性 在上述样地 内随机布设
个点 , 扫去枯枝落叶层和用利铲除掉苔辞层 保
证土壤结构不 破坏 , 将双环测 渗仪 外环 直径
功 , 内环直径 , 高 打人土壤内
, 将 个精度为 的直尺立于内环 的内 、外
壁 , 同时快速往外 、 内环 中灌水 , 水层厚度
时即刻读取秒表 , 记录水分人渗量及时间 , 水层
为零时迅速填水至 处 , 记录下渗的时间与
高度 。 计算表层土壤初渗速率 、 稳渗时间及稳渗
速率等指标 , 计算方法采用 国家标准《森林土壤
渗透性的测定 》 一 。
土壤水分消退过程曲线测定 以典型森林
苔鲜 一 青海云杉林 土壤类型 山地灰褐土 和牧
草地土壤类型 山地栗钙土 为研究对象 。 挖取
高 直径 的圆柱形原状土柱 , 装人特
制的纤维袋内 保证土壤结构不破坏 , 充分浇灌
后插人调试好的土壤水分张力计 , 置于 自然状态
下失水 模拟自然状态下的土壤蒸发失水过程 , 下雨
时用篷布遮盖 。 每天清晨观测张力计读数 土壤
水势 , 在同层 处取土样用烘干法测定土壤水分含
量 , 连续测定直至土壤水势无明显变化时为止 。 土
壤水势的测定方法采用国家标准《森林土壤土水势
的测定 》 一 。 室 内分析土壤水分消退
第 期 党宏忠等 祁连山水源涵养林土壤水文特征研究
过程 。
结果与分析
土壤水分物理性质
从表 可 以看出 , 苔鲜 一 青海云杉林 、亚高山
灌丛 、灌木 一 青海云杉林和 中低山灌木林地土壤
的非毛管孔隙度 、非毛管持水量均较祁连圆柏林
和牧草地高 , 说明青海 云杉和灌木对林地土壤结
构的改善作用更高 , 增加 了土壤 的渗透性能 。 土
壤密度可说明土壤的松紧程度及孔隙状况 , 除牧
草地土壤密度较大
· 一 ’ 外 , 其余均小
于
· 一 ’ , 反映了林地土壤具有 良好结构 。
祁连圆柏土壤密度大 , 土壤坚实 , 这与其分布生
境条件差 , 林分结构不 良 , 土壤非毛管孔 隙度小
等特点是一致的 。
表 不同植被类型 土层的土坡水分物理性质
植被类型
平均孔隙度
总孔隙 非毛管孔隙 最大持水量
平均持水量
非毛管持水量
平均土壤密度
田间持水量
苔醉 一 青海云杉林
亚高山灌丛
灌木 一 青海云杉林
中低山灌木林
祁连圆柏林①
牧草地
,
注 ①引自傅辉恩等 〕。
表 还表明 , 在 土层 内 , 苔鲜 一 青海云
杉林 、亚高山灌丛 、灌木 一 青海云杉林 、 中低山灌木
林和祁连圆柏林 种森林植被林地土壤持水能力都
较高 , 最 大持水 量 依 次 分别 为 、 、
、 和 , 反映了土壤贮蓄水分
潜力的相对大小 。 在评价森林土壤的水文效应时 ,
非毛管持水量对水文的贡献最大最为直接 , 经换算
种森林植被土壤 的非毛 管持水 量依次分别 为
、 、 、 和 , 而对
照牧草地平均为 。 苔鲜 一 青海云杉林单
位厚度的土壤蓄水能力最高 , 其次依次为亚高山灌
丛 、灌木 一 青海云杉林 、 中低山灌木林 、祁连 圆柏林
和牧草地 , 后二者均小于
· 一 ’。
土壤入渗特征分析
森林土壤人渗性能的高低对森林生态系统涵
养水源的能力影响最大 。 测定结果表明 表 ,
祁连 山各主要类 型 的森林植被林地 土壤初始人
渗速率均高于牧草地 , 其大小依次为苔醉 一 青海
云杉林 、亚高山灌丛 、 灌木 一 青海 云杉林和 中低
山灌 木 林 , 均 高 于 祁 连 圆 柏 林
·
一 ‘ ’〕和牧草地 。 苔鲜 一 青海云杉林活地被
物发育 良好 , 特别是苔鲜对土壤结构改 良作用更
大 , 土壤有机质含量和 团聚化程度均高 , 初始人
渗速率最高 。 主要 由金露梅 、 绣线菊等阳性灌木
组成的灌木林林分结构单一 , 对土壤结构改 良作
用较差 。 牛羊 的频繁践踏也使表层土壤 的坚 实
度增大 , 降低了土壤的初始人渗速率 。 祁连圆柏
林非 毛 管孔 隙度 最 低 , 土 壤 初 始 人 渗 速 率 也
最低 。
表 入渗模型估计的稳渗速率与观测值的比较
植被类型 相关系数 解释方差 参数
稳渗速率
·
而 一 ’
预估值 观测值
初始人渗速率
·
而 一 ’
,,
矛︸、︺‘,山,,,︸,,︸
⋯
苔醉 一 青海云杉林
灌木 一 青海云杉林
亚高山灌丛
中低山灌木林
牧草地 剑
测定结果还表明 表 , 各林地土壤稳渗速率
的相对大小具有与初始人渗速率相似的排序 , 其大
小依次为苔辞 一 青海云杉林
· 一 ‘ 、亚
高山灌丛
· 一 ‘ 、 灌木 一 青海云杉林
杯 业 料 字 饼 咒
, ,
· 一 ’ 和 中低 山灌木林
·
,
一 ‘ , 均高于祁连圆柏林
· 。 一 ’ ’〕和
牧草地
· 一 ’ , 这说明除祁连圆柏林地
和牧草地对照外 , 其余林地均具有较高的稳定入渗
速率 , 降水强度很少能达到或超过稳定人渗速率的
水平而产生超渗径流 , 在长时间降水后产流将主要
以蓄满产流和壤中流为主 , 这与黄土高原区土壤的
产流特征有很大的不同 川 。
为进一步阐述不同植被土壤的人渗特征 , 以常
用的 种模型进行不同林地土壤人渗过程的模拟 ,
公式表达式如下
,
入渗公式 。 一 ‘
,
, 入渗公式
, 二 一关 。 一 “
‘ 一 ’ 〕综合公式
,
· 一 ’
、 一 ’ 〕人渗公式
‘ 二 一 ’ 关
蒋定生 年 川 公式
关 一
式 中 关 为第 分 钟末 的人 渗速率
·
一 ’ , 为初始入渗速率 , 为 时刻的人渗速
率 , 关为稳渗速率 , 为时间 , 、 、 、 为待定参数 。
从表 看出 , 从相关系数比较看 , 各林地土壤人
渗模型均以 一 综合公式拟合效
果最好 , 其次依次为 人渗公式 、 人
渗公式 。 人渗公式与蒋定生人渗公式中包含
有初始与稳定人渗速率值参数 , 因而更具有直观的
物理学意义 。 尤其是在实际测定中 , 土壤的初始人
渗速率相对较容易测定 , 而平稳人渗时刻较难掌握 ,
根据数理统计原理 , 单参数的最优估计为算术平均
值 , 但对动态过程采用简单的平均方法是难处理的 ,
为此将 入渗公式中的稳定人渗速率 作为
参数进行拟合 , 拟合结果表明 表 , 用该模型预估
的稳定人渗速率与观测值很接近 , 可见用 人
渗公式作为土壤人渗模型更具有物理学意义 。
表 不同模型模拟土坟入渗速率
植被类型 阮
一 综合公式 人渗公式 人渗公式 此 一 人渗公式 蒋定生公式
苔醉 一 青海云杉林
灌木 一 青海云杉林
亚高 一灌丛
中低山灌木林
牧草地 一
图 是以 模型模拟土壤人渗过程而绘制 饱和 , 下渗速率由递减较快趋于稳定 。 这一阶段主
的人渗曲线图 , 反映了各林地土壤不同时刻的人渗 要是包气带内土壤孔隙水分的充填过程 。
速率变化情况以及达到平稳人渗的时刻和稳渗率 。 稳渗期 以后 土壤孔隙被水分充
根据土壤水分所受的作用力和运动特性 , 林地土壤 满 , 水分在重力的作用下 向下做渗透运动 。 这一阶
入渗曲线的总趋势大致可分为 个阶段 段包气带 内的孔隙全部为水分所充满而形成饱水
· 快速渗润期 为人渗过程的初 带 , 并由土粒和水分的二相系统组成 。 此时下渗速
始阶段 , 水分一方面主要在分子力的作用下 , 被土粒 率接近常量 , 苔鲜 一 青海云杉林 、亚高山灌丛
、灌木
快速吸附成为薄膜水 , 另一方面快速填满表层土壤 一 青海云杉林 、 中低山灌木林分别为 、
、
的子隙 , 并形成一定的水压 水势梯度 , 下渗锋面 和
· 一 ’ , 而牧草地仅为
·
快速延伸 。 该阶段受不同土壤类型土壤水分物理性 一 ’。
质差异的影响较大 。 苔鲜 一 青海云杉林 、 亚高山灌 土壤稳定人渗速率是反映充分供水时土壤水分
丛 、灌木 一 青海云杉林和中低山灌木林 末的 饱和时人渗性能的良好指标 , 在入渗过程中下层土
入渗速率分别为 巧 、 、 和
·
壤由于受透水性弱的影响 , 水分的增加使得土壤胶
一 ’ , 牧草地为
· 一 ’。 体膨胀 , 同时被水侵蚀下沉的土壤微粒填人孔隙 , 使
、渗漏期 下渗水分在毛管力和 土壤孔隙量逐渐减少 。 土壤稳渗率是能反映土壤孔
重力的作用下 , 在土壤孔隙中向下不稳定流动 , 并逐 隙结构状况并与前期含水量间无明显直接关系的可
步填充表层以下土壤孔隙 , 直至全部孔隙为水分所 靠指标 。
第 期 党宏忠等 祁连山水源涵养林土壤水文特征研究
狱 。
山,尺藕书璐洲
。 土坡含水量
口 土坡水势
一
‘。
。 一 一 ·
、反二二二二二
一 ’
一 占一 一‘一‘习 ·
八“了工︸弓,‘
︵,罗自︶、喇节如咽唱璐州
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·
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时间乃正
时间
山地栗钙土
﹄︺受积书璐州
,
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任王争‘匕︵,的洲巴、啊书如嘲唱璐
叫。 灌木 一青海云衫林
又知
八
、
长羚洲例
公习
。 土坡含水量
“ 。、 。 土壤水势
久
︵叮昌自日丫哥侧炜
减长长 斌 试长减
时间护七
时间
山地灰褐土
图 用 模型模拟不同林地土壤人渗曲线 图 土壤水分消退过程曲线
土壤水分消退过程分析
土壤水分消退过程反映了土壤保水能力的强
弱 , 这一特征可 以从对充分饱和后 的土壤在 自然
状态下模拟水分蒸发 试验研究来 阐述 。 图 表
明 , 在饱和或近饱 和状态下 , 山地灰褐土 和 山地
栗钙土的土壤水分早期消退都较快 , 此时土壤水
分主要在重力作用下 向下传输 , 一般小 于 ,
为无效水分 , 这 部分水排除越快 , 越有利 于提高
林地的水源涵养能力 。 后 山地栗钙土土壤质
量含水量降为
· 一 ‘ , 接近 田 间持水量
土壤含水量平均每 日降低
· 一 ’ ,
土壤的毛管作用仍然强烈 , 水分 以毛管悬着水为
主 间土壤水分流失速率较低 , 含水量
平均每 日减少
· 一 ’ , 土壤水分的毛管作用
渐减 , 而分子力作用仍较强烈 后土壤含水
量变化很小 , 土壤水分主要 以分子力结合 。 土壤
水势下降曲线呈 凹形 , 一 开始下 降就较快 , 水势
以压力势为主 , 巧 水势下降 , 之
后水势下降平缓 , 平均每 日降低 , 水分
与土粒结合加强 , 水分 以基模势为主 , 这表 明 山
地栗钙土保水性能较弱 , 水分流失快 。
山地灰褐土质地 、结构良好 , 土壤吸附表面积和
孔隙直径的大小均优于山地栗钙土 , 饱和持水量较
高 , 后土壤含水量下降到
· 一 ’ , 才接
近 田间持水量 , 土壤含水量平均每 日降低
·
一 ’。 山地灰褐土土壤水势的变化曲线与山地栗钙
土不同 , 呈凸形 , 一开始下降较平缓 , 水势
仅降低 , 之后水势下降相对较快 ,
平均每天下降 朋 。
在 自然物理蒸发失水的情况下 , 后 种类
型土壤水势下降速度均明显减小并趋于一致 ,
后水势约为 。 测定期间山地灰褐土的水
分流失 量
· 一 ’ 略 高 于 山地 栗 钙 土
· 一 ‘ , 但此时山地灰褐土土壤含水量
· 一 ‘ 大大高于 山地栗钙土
·
一 ’ , 进一步说明山地灰褐土的持水性能远比山地
栗钙土的高 。
多种函数拟合比较的结果表明 , 指数模型为土
壤水分消退过程拟合优化模型
山地灰褐土 二 一“
·
, 人 , ‘ 。 。,
山地栗钙土 一 , “
林 业 科 学 研 究
二 , 人 二 , 。 二 。 。
式中 为土壤含水量
· 一 ‘ , 为水分饱
和后消退时间 , 为相关系数 , 为剩余 自由
度 , 。 二 。 。, 为显著性临界水平 。
结
一
论
在土壤的水分物理性质中 , 苔鲜 一 青海云
杉林
、亚高山灌丛
、
灌木 一 青海云杉林 、 中低山灌木
林和祁连圆柏 种森林植被土壤的非毛管孔隙度 、
非毛管持水量均较对照牧草地高 , 土壤密度均小于
· 。 一 ’ , 在 土层厚度内土壤最大持水
量依次分别为 、 、 、 和
, 非 毛管持水量 依 次分别 为 、
、 、 和 , 反映了森林植
被特别是青海云杉与灌木树种对改善林地土壤结
构 , 增加土壤蓄水能力方面的巨大作用 。 祁连圆柏
林和牧草地单位厚度土 层非毛管蓄水量均小 于
⋯ 一 生。
种森林植被的初始人渗速率与稳渗速率
均具有相似的排序 , 依次分别为 括号内为稳定人渗
速率 苔醉 一 青海云杉林
· 一 ’ 、
亚高山灌丛
· 一 ‘ 、灌木 一 青海云
杉林
· 一 ’、 中低 山灌木林
,
· 一 ‘和祁连圆柏林
·
而 一 ’ , 高入渗速率使得在长时间降水后产流以蓄满
产流和壤中流为主 , 这与黄土高原区土壤的产流特
征 主要为超渗产流 有很大的不同。
林地土壤下渗过程大致可分为 个阶段 , 即
快速渗润期 、渗漏期 稳渗
期 以后 。 林地土壤人渗曲线模型均 以
一 综合公式拟合效果最好 , 其次
依次为 人渗公式 、 人渗公式 。
人渗公式作为土壤人渗模型更具有物理学意义 。
在相同的 自然物理蒸发 环境 中 , 山地栗
钙土土 壤含水量 的下 降 比 山地 灰褐 土 的快 , 持
水 、 蓄水性能低于 山地灰褐 土 。 在土壤含水量相
同的情况下 , 山地灰褐 土保持水分的能力明显高
于 山地栗钙土 , 这表 明随着质地变细 , 土壤 的持
水能力加大 , 但相同水分含量时所保持水分的有
效性会降低 。
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