土壤水作为水资源的重要组成部分，是陆地生态系统中的最重要因素之一，土壤水分的研究一直是土壤-植被-大气系统领域的热点。表层土壤水分可能通过陆地-地表大气的反馈机制来调控地表水分分布过程(Kosher et al., 2003)。在中国黄土高原区，由于干旱缺水，广泛开展了植物与土壤水分关系研究，普遍认为植被覆盖度与土壤水分之间具有显著的相关关系(张晶晶等，2011；黄琳琳等，2011；梁超等，2011；颉登科等，2011)。在降雨与土壤水分关系方面，大气降水是土壤水变化的主导因素，降水量在很大程度上控制着土壤水分(李洪建等，2003；陈洪松等，2005；李毅等，2006)。在地表覆盖对土壤表层水分变异研究方面，侧重于0~30 cm土壤水分变化规律研究，例如，Juan等(2010)研究了半干旱地区不同林冠结构和凋落物覆盖下表层5 cm土壤的蒸发特征，表明具有凋落物覆盖的林下土壤对土壤蒸发具有控制功能，不受季节和物候的影响，而没有凋落物覆盖的林下土壤斑块，土壤蒸发受季节和物候影响很大；Zhang等(2011)研究了岩石覆盖对四川盆地紫色土蒸发和下渗的影响；在耕作方式上，Schwartz等(2010)研究了耕作对土壤水分再分配的影响以及对裸露土壤蒸发的影响，指出耕作与不耕作相比，表层土壤蒸发量在6—10月间增加了10 mm。

目前世界范围内区域居民安全的饮用水资源以水源涵养林基地建设区引水为最好。长三角城市群水资源匮乏，尤其目前水质性缺水尤为严重，对区域居民饮用水资源安全构成极大威胁。从发达国家历史经验来看，随着居民生活水平提高，必然对饮用水质量提出更高要求，水源涵养林基地建设仍然是保障长三角城市群未来居民饮用水资源安全的必然选择。目前在长江中下游地区广泛开展了森林水源涵养功能研究，如贺淑霞等(2010)通过对我国东部森林样带9种森林类型水源涵养监测数据的分析，研究了水热梯度下不同森林生态系统水源涵养功能，贾永正等(2011)研究了北亚热带苏南丘陵地区人工毛竹(Phyllostachys edulis)林林冠截留过程的特点，但是缺乏对植被耗水与土壤水分变化规律、影响因子的研究。同时国内开展土壤水分监测大多以坡面垂直变异为主，以个别事件作为一般规律归纳，缺少对表层土壤长期连续定位监测与季节变异规律分析。本项目选取杉木(Cunninghamia lanceolata)林、马尾松(Pinus massoniana)林、麻栎(Quercus acutissima)林、毛竹林与草地，定位观测不同层次土壤水分与空气温度、湿度等气象因子，对不同土地类型表层土壤含水量的时空动态特征及其与气象因子的相关性进行分析，为进一步揭示城市森林土壤水分运动的物理机制与建立土壤水分预报及蒸发散模型奠定基础，同时为城郊森林经营管理与林地抗旱、蓄水与森林防火等工作提供依据。在光、热、水条件一致情况下，土壤水分变异规律差异受植物蒸腾蒸发影响。草地为麻栎林采伐更新全垦整地后自然入侵植被，麻栎林与草地叶面积指数差异较大，本文从森林采伐后演替角度考虑，选取麻栎林与草地为土壤水分变异规律的研究对象。

1 试验区概况

南京市东善桥林场铜山分场(118°50′—118°52′ E，31°35′—31°39′ N)，属北亚热带季风气候区，年均温15.11 ℃，无霜期229天，年日照2 199 h，区内气候温和湿润，四季分明，雨热资源比较丰富，生长季长。年平均降水量1 100 mm，十分有利于农作物和林木的生长。地形为苏南丘陵，海拔在38~388 m，林分类型以杉木、马尾松、麻栎、毛竹林和茶(Camellia sinensis)园为主。试验地选取42年生麻栎林和草地，土壤类型为黄棕壤，麻栎林下植被为篌竹(Phyllostachys nidularia)、悬钩子(Rubus corchorifolius)、山胡椒(Lindera glauca)。麻栎林林龄42年，郁闭度0.8，密度425株·hm^-2，平均树高16.8 m，平均胸径24.3 cm，平均冠幅9.7 m，坡度18°。草地坡度14°，植被为裸露地自然恢复侵入的茅草(Imperata cylindrica)和少量悬钩子，高度30~50 cm，盖度0.75。2种土地利用类型坡向一致，为东北向，立地条件一致，土壤厚度均在60 cm左右，60 cm以下为砂岩风化母质层。海拔22 m，地下水位位于坡脚10 m以下。

2 研究方法 2.1 土壤含水量、土壤温度、空气温度、空气湿度测定

试验分别选用美国Decagon公司制造的ECH2O土壤含水量传感器、ECT温度传感器，对麻栎林地和草地5，15，30，60，100 cm深度的土壤含水量及土壤温度进行测量。此外分别选用EHT温度/湿度传感器对距地表 2 m高处的空气温度与湿度进行测量。测量期间为2010年6月1日—2011年5月31日。仪器每日0:00开始每隔15 min记录一组数据。5，15，30 cm土层的日平均含水量(daily average soil volumetric water content，DASVWC)为一天内不同时刻实测数据的平均值。考虑样地中土壤水分在水平方向的变异，在水平方向、土壤与光照条件相同、3 m距离处重复设置观测点1个，栎林测点设置在数株树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。由于60，100 cm土层透水性较差，土壤水分变化极小，本研究仅限于土壤表层5，15，30 cm 3个层次土壤水分变化特征研究。麻栎林与草地各设2个定位观测站点，每个站点讨论0~30 cm内5，15，30 cm土层的日平均含水量变异规律。样本数总计210 240个。

2.2 降雨量测定

试验选用翻斗式雨量计远程信息传输系统，每1 mm降雨量通过卫星平台远程发送信息1次。

2.3 土壤物理属性与有机质测定

1) 土壤样品选取：分别在2种土地利用类型内在水平方向选取与土壤水分探头埋设点相同区域各3处，按0~10，10~20，20~30 cm土层用环刀取样。2) 土壤物理属性测定：土壤密度、空隙度等采用环刀法。3) 土壤有机质测定：采用重铬酸钾氧化-外加热法。

2.4 数据分析方法

土壤日平均含水量的计算采用EXCEL软件统计，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。

3 结果与分析 3.1 不同土地利用类型土壤物理属性与有机质

由表 1可知，栎林、草地表层与其他层次比较，土壤密度较低，非毛管孔隙度较大，有机质含量明显较高。

3.2 土壤日平均含水量水平空间变异程度分析

Adam等(2011)对坡面植物与土壤水分关系模拟研究表明：植物生物量和根系分布异质性对坡面土壤水分、温度和蒸发的空间分布都有很大影响。本文侧重于研究土壤根系层水分变化规律。同一土地利用类型观测点土壤与地表植物类型尽可能保持一致。

选择2010年6月1日—2011年5月31日1年期间的麻栎林与草地5，15，30 cm深度土壤日平均含水量数据与相应重复层次进行差异显著性检验，以麻栎林与草地5 cm土壤水分方差分析为例表明：2种土地利用类型5 cm土壤层次与相应重复层次间差异不显著(栎林F=0.54，n=365；草地F=0.94，n=365)。其他2层次土壤水分方差分析结果与5 cm土层具有相似性。

3.3 2种土地利用类型不同深度日平均土壤含水量在1年内的变化规律

1) 日平均土壤含水量的时空动态特征受外界环境的影响，土壤中水分每天都处在运动状态，日平均土壤含水量在时刻变化。图 1，2反映自2010年6月1日—2011年5月31日1年期间的麻栎林与草地日平均土壤含水量变化曲线。2种土地利用类型各个层次的含水量变化趋势基本保持一致。在降雨时，雨水下渗进入土壤各个层次，日平均土壤含水量会明显增加。当处于蒸发阶段，深层水分运动至表层进入大气，日平均土壤含水量会逐渐减小。

方差分析与多重比较表明：对于栎林，土壤日平均含水量于1年内在3个层次间均具有极显著差异(P < 0.01)，其中15 cm层最高，30 cm层次之，5 cm层最低。草地各层次间含水量较为复杂，在夏季，土壤日平均含水量在3个层次间具有极显著差异(P < 0.01)，受降雨的影响，5 cm层含水量可能高于其他2层；受强烈的蒸发作用影响，15 cm层的含水量也可能低于30 cm层。在冬季，5 cm层含水量最低且与15，30 cm层具有极显著差异(P < 0.01)，而15 cm层与30 cm层的含水量并无显著差异(P >0.05)。主要由于草地植物根系集中于表层10 cm范围内，10 cm以下植物根系较少，在降雨间隔期内土壤水分主要以水汽和毛管水的方式向上移动，植物蒸腾对该土层日平均土壤含水量的影响极小。2种土地利用类型5 cm层含水量最低是由于该层接近地表，受外界环境因子影响极大，下渗、蒸散等水分运动剧烈，很难有大量的水分蓄积，因此日平均含水量相对较低。栎林在15 cm层有较多灌木类植物的根系分布，使得土壤持水能力增强，因此含水量相对较高，而草地中多为1年生草本植物的细小根系，层次间土质差异较小，气象因素对含水量的影响更大。

通过对2种土地利用类型1年内的土壤不同层次含水量统计，得到反映栎林与草地不同层次土壤日平均含水量统计参数(表 2，3)。对比草地与栎林的日平均土壤含水量，发现1年内栎林与草地各层的日平均含水量均具极显著差异(P < 0.01)。张建兵等(2009)、张晶等(2011)、黄琳琳等(2011)通过对北方黄土高原区植被与土壤含水量变化研究，认为不同植被覆盖下土壤平均含水量的垂直变化特征是覆盖度越高，其表层土壤(0~20 cm)的含水量越高。表 4，5表明：栎林各层日平均土壤含水量较草地低，表明长江流域栎林与草地土壤表层水分变异规律不同于北方黄土高原区。

栎林地表面有较多的枯落物，其中丰富的多糖类、腐殖质等物质对土粒有强烈的胶结作用，使得土壤中黏粒形成黏团，黏团进一步再聚合形成团粒，大大增加森林土壤孔隙度，提高水分下渗至土壤深处的能力。另外林内茂盛的植物蒸腾强烈，会消耗土壤大量的水分，因此栎林日平均土壤含水量相对草地较低。对比栎林与草地2010年6—9月与2010年12月—2011年3月土壤日平均含水量，发现同一土地类型在冬、夏之间并无显著差异(P>0.05)，说明日平均土壤含水量季节变化较小。

2) 日平均土壤含水量变异程度的时空动态特征由于受降水、蒸发、下渗等因子影响，以及土壤的利用类型、质地与结构的不同，日平均土壤含水量在垂直方向上会有一定的动态变化。采用样本变异系数(CV)可以衡量不同层次日平均土壤含水量的相对变异程度。变异系数越大，说明日平均土壤含水量变化越剧烈，变异系数越小，说明日平均土壤含水量越稳定。

结合表 2，3发现，栎林日平均土壤含水量的变异系数在5 cm层最大，15 cm层最小，30 cm层居中，草地与栎林相似，但6—9月15 cm层与30 cm层的变异系数差异较小，这一结果与杜鹏飞等(2009)对北方农牧区不同深度的土壤含水量变化研究结果相反。北方农牧区不同深度的土壤含水量变化幅度较小，但仍体现出上层偏小、下层偏大的特点。此外，栎林在同一层次的变异系数较草地大。5 cm层距地表较近，外界环境因素影响强烈，导致变异系数大于其他2层。栎林土壤疏松，透水性好，变异系数大于草地。但是由于栎林15 cm处有灌木根系分布，土壤相对紧实，持水能力增强，变异系数较其他2层小，而草地15，30 cm层土质差异小，变异系数相近。为此发现总体上日平均土壤含水量越高，变异系数越小，含水量越低，变异系数越大，这反映了土壤水分状态对自身变异性的影响。在不同季节，2种土地利用类型不同土层含水量的变异系数也不同。总体来说冬季变异系数小，夏季变异系数大。这是由于夏季降水多、强度大，蒸散作用强烈，日平均土壤含水量变化剧烈，而冬季则与此相反，因而含水量变化较小。

3) 日平均土壤含水量日变化量的时空动态特征土壤含水量日变化量因降雨、蒸发、初始含水量、林地类型而异。降雨期间，土壤含水量增加，其日变化量既与降雨量有关，也与本身持水状态有关。6月上旬5 cm层土壤缺水，含水量仅5%~9%，在降雨量为22 mm的情况下含水量2日内增加14.85%，而在7月上旬，连续的降雨已经使土壤含水量达到饱和状态，在降雨量为65.5 mm的情况下含水量在2日内仅增加7.08%。据尚松浩等(2009)研究，耕层土壤含水量增减量与期间耕层土壤含水量、期间降水量和期间蒸发量呈极显著多元直线相关关系。森林土壤水分文献多侧重于量的变化规律研究，少见土壤水分变化与相关因子关系研究。本研究计算6—9月35个降雨日5 cm层含水量日变化量的平均值，栎林为2.53%，草地为2.38%；0~30 cm土壤含水量日变化量的平均值栎林为1.43%，草地为1.21%。方差分析表明在相同的降雨日内栎林与草地间含水量日变化量无显著差异(P>0.05)。

降雨间隔期间，日平均土壤含水量随时间呈指数式消减(徐宗学，2009)，可用θ=a exp^(-kt)来表示，a与土壤初始含水量有关，k为消退指数。k值越大，说明土壤失水越强烈。对5 cm层日平均含水量进行模拟，得到日平均土壤含水量与时间呈极显著指数关系(表 4)(P < 0.01)。表 4表明：在同一降雨间隔期内栎林的k值均高于草地，说明在这一时期栎林5 cm层日平均土壤含水量以较快的速度散失，这是栎林植物蒸腾作用强，表层土壤疏松，孔隙丰富，导水性好所致。综合以上分析，栎林土壤吸持水分的能力优于草地，但蒸发水分的能力也较强，降雨期内水分以较快的速率被土壤吸纳并下渗至深处，降雨结束后，水分也会以较快的速率从深层到达表层供植物利用。

4) 降雨间隔期土壤含水量日减少量与日平均土壤含水量及气象因子的相关性影响蒸发的气象要素包括太阳辐射、气温、湿度、风和气压等，而土壤蒸散又会引起土壤含水量的改变，尝试对不同降雨间隔期内土壤含水量日减少量与含水量及气象因子进行多元线性回归分析。相关分析(表 5)表明：在绝大多数时间段，草地土壤含水量变化量与土壤日平均含水量呈正相关(4—8月极显著正相关)，与空气湿度、空气温度、土壤温度呈负相关；而栎林土壤含水量变化量与土壤日平均含水量呈负相关(6—8月显著负相关)，与空气湿度呈正相关，与空气温度、土壤温度相关不显著。土壤含水量日减少量与含水量、空气温度、空气湿度、土壤温度之间具有极显著的多元线性关系(P < 0.01)，而这种关系随时间的差异模式具有多样性(表 6)。

5) 不同层次间日平均土壤含水量的拟合一定时间内，土壤3个层次间的含水量可以进行线性拟合。表 7为2010年7月24日—2010年8月14日3个层次间含水量的拟合结果，层次间含水量具极显著线性关系(P < 0.01)。通过观察发现用草地5 cm拟合30 cm的R²为0.884 0，而其他以5 cm和15 cm模拟30 cm，5 cm模拟15 cm，15 cm模拟30 cm，其R²均高于0.95，表明不同层次间土壤含水量具有极显著相关性。

3.4 土壤含水量日变化规律

以2010年6月21日为例分析栎林与草地不同层次的土壤含水量变化规律。降雨间隔期，土壤与外界的水分交换主要是蒸散，在这个较长的时间段内，土壤日平均含水量逐渐减小。但若以1天为周期考察土壤含水量，则发现其在当天日平均含水量高低的变化规律具有一致性。草地5 cm层在7：00—13：00含水量增加，13：00—19：00迅速下降，夜间维持稳定状态，15 cm层趋势与此相似，但时间上会滞后，30 cm层基本呈持续下降趋势。栎林5 cm层含水量白天下降，夜间缓慢上升，15 cm与30 cm层基本呈下降趋势，但中间会有保持相对稳定的阶段。在短期(如1天)内考察土壤各层含水量变化，除需要了解蒸散、降水等系统与环境之间的水分交换作用外，也需要从土壤内部角度分析各层间水分运动的具体情况，这是探讨土壤含水量日变化规律时需深入研究的内容。处于降雨后的相对干旱期，水汽传输在土壤水热交换中扮演着重要的角色，Rose (1968)曾经证明水汽通量的方向会随着1天之内温度梯度的改变而产生变化，白天水汽向下运输，夜间水汽向上运输，土壤表层的这种水汽变化可用正弦波拟合。而本次研究表明：不同土地利用类型因不同植被覆盖导致土壤蒸散差异而改变水汽通量的方向。

用变异系数CV考察每层变异程度的差异，发现每一层的日变异程度并不相同。表 8为2010年6—9月2种土地类型不同层次土壤含水量的1天内的变异系数，对于同一层次的含水量，栎林与草地在5 cm层的日变异系数具有显著差异(P < 0.05)，栎林的变异程度更大，在15，30 cm层无显著差异(P>0.05)；同一土地类型下同一土层的日变异系数在降雨期与降雨间隔期间具有显著差异(P < 0.05)，降雨期内变异程度更大。对各层变异性作对比发现，5 cm层变异性较大，且与其他2层普遍具显著差异(P < 0.05)；15 cm与30 cm层在降雨间隔期内变异性小于1%(栎林30 cm层除外)。在降雨期内介于4.1%~6.7%，2层之间并无显著差异(P>0.05)。

4 结论

采用长期定位短间隔连续定位监测与传统人工采样监测土壤含水量相比，数据全面、准确、系统。通过对2010年6月—2011年5月1年间栎林与草地表层土壤进行不同层次水分研究，得出以下结论。

1) 蒸发会使日平均土壤含水量减少，具体表现为日平均土壤含水量在降雨间隔期内呈指数式消减，2种土地利用类型下土壤含水量日减少量与日平均土壤含水量、空气温度、空气湿度、土壤温度等具多元线性关系，栎林日平均土壤含水量减少速率大于草地。

2) 2种土地利用类型下各层日平均土壤含水量在1年内变化趋势基本相同，但各层含水量保持在不同的水平。栎林5 cm层日平均含水量最小，15 cm层最大，30 cm层居中；草地5 cm层最小，15 cm层与30 cm层冬季差异不显著，夏季差异极显著，各层间日平均土壤含水量具极显著线性关系。2种土地利用类型日平均土壤含水量的季节差异不显著。

5 讨论

在较长的降雨间隔期内，渗透量极少，因此日平均土壤含水量减少量基本代表植被和土壤蒸腾量。2010年6月11—30日和2010年7月30日—8月14日期间，栎林日土壤含水量减少量与日平均土壤含水量分别呈显著或极显著负相关，表明栎林植物蒸腾作用受日平均土壤含水量影响较小，而与空气温度呈正相关，与空气湿度呈正相关。其中2010年6月11—30日与2011年4月10日—5月2日期间栎林日土壤含水量减少量与日平均土壤含水量分别呈显著和极显著正相关，相关系数分别为0.51和0.71。在适宜的土壤水分条件下，较高的空气温湿度是否有利于栎树生长，还需要在未来树干液流研究中进一步证实。而草地土壤含水量减少量与日平均土壤含水量呈正相关，冬季(2010年12月17日—2011年1月2日)期间，栎林与草地土壤含水量日减少量与土壤含水量均呈负相关，表明栎林落叶期间与草地一样以地表地被植物和土壤蒸腾为主。

与干旱区相比，长江中下游由于降水充足，表层日平均土壤含水量变异规律表现出很大不同：1) 与黄河流域土壤表层水分变异规律不同，栎林与草地土壤表层5 cm土壤水分变异程度高于15 cm和30 cm；2) 栎林与草地土壤日平均含水量日变化表明：由于植被覆盖差异和土壤蒸散差异而改变水汽通量的方向；3) 栎林与草地相比，其土壤日平均含水量较低，含水量变异性较高，水分下渗速率较快，表现出植被覆盖度增加导致土壤表层水分降低。今后还需要结合树干液流定位监测、植物单位生产力耗水量测定进一步开展水分运动机制的研究。