張娟娟, 單立山, 楊彩紅, 吳央寶才讓, 馮財(cái)林, 胡興玲, 史晶霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 蘭州 730070)

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黃土丘陵溝壑區(qū)紅砂灌叢土壤水分動(dòng)態(tài)研究

張娟娟, 單立山, 楊彩紅, 吳央寶才讓, 馮財(cái)林, 胡興玲, 史晶霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 蘭州 730070)

土壤水分是黃土丘陵區(qū)植被成活與正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)不同坡位紅砂灌叢土壤水分動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：不同坡位土壤容重均隨土層深度增加呈先增加后緩慢減小的變化趨勢(shì)，不同坡位的持水量表現(xiàn)為：上坡>下坡>中坡。土壤含水量季節(jié)變化表現(xiàn)為不明顯的“雙峰”曲線，6月份第一次達(dá)到最大值，8月略有增加。根據(jù)紅砂土壤水分變化情況和植物根系吸水狀況，土壤水分的垂直變化可分為3個(gè)層次：土壤水分活躍層、次活躍層和相對(duì)穩(wěn)定層。黃土丘陵溝壑區(qū)各月份均存在著不同程度的土壤干層，其中月份4月土壤干層最明顯，而各月0—20 cm土層土壤干層最嚴(yán)重，因此，在黃土丘陵溝壑區(qū)4月進(jìn)行造林，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)灌溉以滿足苗木對(duì)水分需求，且在雨季造林時(shí)密度不宜過大。

黃土丘陵溝壑區(qū); 紅砂; 土壤水分

黃土高原水土流失嚴(yán)重，植被覆蓋率低，干旱加劇，生態(tài)環(huán)境失調(diào)，生態(tài)系統(tǒng)抗御自然災(zāi)害的能力差，極大地限制了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。以水分動(dòng)態(tài)平衡為基礎(chǔ)的植被恢復(fù)和建設(shè)技術(shù)，不僅是我國(guó)北方地區(qū)實(shí)施退耕還林、天然林保護(hù)和防沙治沙工程的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是黃土高原水土流失綜合治理，提高流域生產(chǎn)力的重要理論支撐[2-4]。對(duì)黃土高原及其他區(qū)域土壤水分動(dòng)態(tài)的研究認(rèn)為：水分條件是植被生存、生長(zhǎng)的首要條件，高效利用降水資源，提高土壤水分利用率顯得尤為重要[5-7]。目前，對(duì)黃土高原及其他區(qū)域土壤水分動(dòng)態(tài)的研究成果較多。盧宗凡等[8]對(duì)黃土高原人工草地土壤水分的研究中將該地區(qū)土壤水分季節(jié)性變化分為三個(gè)時(shí)期：春季失墑期(4月初—6月上旬)，夏季增墑期(6月中旬—9月下旬)，秋末冬季緩慢失墑期(9月下旬—翌年3月下旬)。李洪建等[9]研究了晉西北黃土丘陵區(qū)人工林土壤水分變化規(guī)律，將土壤水分年內(nèi)變化分為三種類型：積累型,消耗型和平衡型。邱揚(yáng)等[10]的研究表明黃土高原總體上土壤平均含水量年際變化與年降水量年際變化一致。王孟本等[11]在對(duì)黃土高原河北楊林、刺槐林等林地土壤水分研究中，將土壤剖面按含水量變化幅度大小分為活躍層、次活躍層和相對(duì)穩(wěn)定層?？梢?，目前對(duì)黃土高原植被土壤水分動(dòng)態(tài)的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。

紅砂(Reaumuriasoongorica)是檉柳科紅砂屬小灌木，具有抗鹽堿、抗旱、抗寒、耐瘠薄等特點(diǎn)，也是黃土高原西部荒漠草原區(qū)的優(yōu)勢(shì)植物和建群植物之一[12]。目前對(duì)紅砂自身特性的報(bào)道較多，石松利等[13]運(yùn)用酶聯(lián)免疫吸附法比較分析了鹽分生境下長(zhǎng)葉紅砂其近緣種紅砂葉片中內(nèi)源激素的含量差異，并對(duì)其在不同生境間的差異性進(jìn)行了研究。劉玉冰等[14]研究了參與非生物脅迫原活化蛋白激酶PKMA基因在紅砂中的抗旱作用。然而，有關(guān)紅砂灌叢土壤理化性質(zhì)和土壤水分動(dòng)態(tài)的研究報(bào)道極少。本研究以黃土丘陵溝壑區(qū)不同坡位紅砂灌叢為研究對(duì)象，通過對(duì)其土壤物理性質(zhì)及土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行研究，以便為該地區(qū)生態(tài)工程建設(shè)與林草植被恢復(fù)提供必要的理論依據(jù)。

1　研究地區(qū)與研究方法

1.1研究地區(qū)概況

試驗(yàn)地位于蘭州北山，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔1 550～1 950 m?？倸夂蛱攸c(diǎn)：干燥寒冷，溫差大，冬季長(zhǎng)，年降水量少且分布不均，蒸發(fā)量大，日照強(qiáng)。該區(qū)年平均氣溫9.1℃，1月平均溫度-6.9℃，7月平均氣溫22.2℃，≥10℃活動(dòng)積溫3 354.6℃，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-23.1℃；年平均降水量327 mm，降水主要集中在7—9月，年蒸發(fā)量1 600～1 800 mm，為年降水量的5倍多，年相對(duì)濕度58%；年日照時(shí)數(shù)2 607.6 h，無霜期186 d[15]。試驗(yàn)地內(nèi)的土壤種類主要為淡灰鈣土，屬濕陷性黃土，質(zhì)地疏松，抗侵蝕能力弱，易崩塌。山坡地帶由于侵蝕強(qiáng)烈，植被稀疏，成土過程緩慢，原始土壤已殘存無幾，現(xiàn)所見土壤基本為黃土母質(zhì)或淡灰鈣土下殘存的鈣積層，腐殖質(zhì)缺乏，有機(jī)質(zhì)含量低，土壤肥力和保水保肥能力極差。本區(qū)由于受氣溫、降水、土壤等因素的影響，山地植被類型基本屬典型草原向荒漠草原的過渡類型，植被覆蓋稀疏，種類貧乏，地表植被主要由旱生和鹽生類型的植物所組成。灌木主要有白毛錦雞兒(Caraganaleucophloea)、紅砂(R.soongorica)、合頭草(Sympegmaregelii)、珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、白刺(Nitrariatangutorum)、中國(guó)枸杞(Lyciumchinenses)、蒙古蕕(Caryopterismongholica)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)等；草本植物有本氏針茅(Stipabungeana)、戈壁針茅(S.gobica)、驢驢蒿(Artemisiadalailamae)、駱駝蓬(Peganumharmala)、堿蓬(Suaedaglauca)等。其中，檸條、檉柳、側(cè)柏在人工林中重要值最高；枸杞、紅砂在各類天然灌木林中重要值較高，分布最廣。整個(gè)植被類型中，特別是天然植被類型中，紅砂為主要的優(yōu)勢(shì)種和建群種，其蓋度5%～80%[16]。

1.2研究方法

為了避免不同地貌部位和地形等對(duì)土壤水分的影響，均選地貌、坡向和坡度相近的同一個(gè)直型山坡上的上坡、中坡、下坡3個(gè)樣地，樣地面積為10 m×10 m。在每個(gè)樣地隨機(jī)布設(shè)3～6個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，分6層(取樣深度分別為0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm)，取回的土壤在室內(nèi)105℃烘干稱重。并根據(jù)《森林土壤水分物理性質(zhì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》采用環(huán)刀分層取土測(cè)定不同坡位土壤容重、最大持水量(飽和持水量)、毛管持水量、最小持水量(田間持水量)[17]，各樣地重復(fù)數(shù)為3。萎蔫濕度采用盆栽的方法測(cè)定，重復(fù)三次。測(cè)得萎蔫系數(shù)為2.17%。從4月開始取樣，每月采樣一次，9月份結(jié)束。

1.3數(shù)據(jù)處理方法

利用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用單因素方差(one-way ANOVA)分析地形對(duì)各層土壤含水量和儲(chǔ)水量的影響，同時(shí)采用LSD多重比較檢驗(yàn)不同坡位土壤含水量之間的差異。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤容重

土壤容重說明土壤的松緊程度，是土壤物理性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響其他土壤肥力因素和植物生長(zhǎng)狀況[18]。從圖1可以看出，在整個(gè)土壤剖面，土壤容重的平均值按地形高低依次為：下坡位(1.21 g/cm3)>中坡位(1.19 g/cm3)>上坡位(1.17 g/cm3)。不同坡位紅砂灌叢土壤容重在0—60 cm均隨土壤深度的增加而逐漸增加，這可能由于在該地區(qū)植被根系主要集中該土壤層，通過根系的改良作用，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較多，結(jié)構(gòu)疏松土壤容重相對(duì)較?。辉?0—100 cm各坡位土壤容重隨土壤深度的增加而逐漸減少，且差異顯著(p<0.05)。這在一定程度上說明黃土丘陵溝壑區(qū)紅砂灌叢土壤水源涵養(yǎng)和理水調(diào)洪能力主要體現(xiàn)在上層土壤。

圖1紅砂灌叢不同坡位土壤容重垂直分布

2.2土壤持水量

土壤的持水特性決定于土壤物理性質(zhì)及物理化學(xué)性質(zhì)。土壤深度在0—100 cm內(nèi)，不同坡位的最大持水量、毛管持水量、最小持水量(田間持水量)差異明顯(表1)，表現(xiàn)為：上坡>下坡>中坡。對(duì)各坡位不同土壤持水量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)紅砂灌叢土壤上層(0—40 cm)其持水量均比下層(40—100 cm)要大，這可能與紅砂灌叢上層土壤根系多、枯落物多、有機(jī)質(zhì)含量高有關(guān)。

表1　不同坡位紅砂灌叢土壤物理性質(zhì)比較

2.3土壤水分變化

2.3.1土壤含水量季節(jié)變化動(dòng)態(tài)對(duì)不同坡位紅砂灌叢下土壤水分季節(jié)變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)不同坡位土壤含水量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為不明顯的“雙峰”曲線(圖2)，6月份第一次達(dá)到最大值。7月的土壤含水量呈降低趨勢(shì)，這可能因?yàn)闅鉁剌^高，紅砂在該時(shí)期生長(zhǎng)旺盛，植被蒸騰和土壤蒸發(fā)較大所致。8月土壤含水量略有上升，雖該時(shí)期土壤蒸發(fā)和植被蒸騰較強(qiáng)，但此時(shí)期土壤水總的特點(diǎn)是補(bǔ)給大于消耗從而使8月土壤含水量第二次達(dá)到高峰，9月份隨著降雨量的減少，土壤含水量稍有下降。對(duì)不同月份土壤含水量平均值分析表明，不同坡位紅砂灌叢0—100 cm深度的土壤含水量表現(xiàn)為上坡位(6.26%)>下坡位(5.54%)>中坡位(5.07%)。

圖2紅砂灌叢不同坡位100 cm平均含水量及降雨量動(dòng)態(tài)變化

2.3.2土壤含水量垂直變化從圖3可以看出：不同坡位上層土壤含水量(0—40 cm)變幅較大，而40—100 cm土壤含水量保持相對(duì)穩(wěn)定，這可能是上層土壤含水量受太陽輻射和降水變化影響的結(jié)果。從圖3還可以看出，4月不同坡位紅砂灌叢土壤含水量均隨深度的增加持續(xù)增加，在0—10 cm內(nèi)土壤含水量低于萎蔫系數(shù)(2.17%)，此階段植物生長(zhǎng)未萌動(dòng)，且降雨少風(fēng)大，表層含水量低可能是風(fēng)干而蒸發(fā)。6月不同坡位土壤含水量表層含水量均最大，在0—60 cm內(nèi)土壤含水量急劇減小，在60—100 cm基本趨于穩(wěn)定。5月、7月、8月、9月不同坡位土壤含水量隨土壤深度的增加上層有所波動(dòng)，在60—100 cm趨于穩(wěn)定，這可能是在黃土丘陵溝壑區(qū)其植被根系主要分布在上層(0—40 cm)，在其生長(zhǎng)過程中改變了土壤水分狀況，同時(shí)該地區(qū)上層的土壤水分來源主要來源于降水，因根系的生長(zhǎng)和降水的波動(dòng)從而使該地區(qū)上層(0—40 cm)土壤水分呈現(xiàn)出波動(dòng)情況。

根據(jù)土壤水分變化情況和植物根系吸水狀況，土壤水分的垂直變化可分為土壤水分活躍層、次活躍層和相對(duì)穩(wěn)定層3個(gè)層次。

(1) 土壤水分活躍層(0—20 cm)，該層的土壤水分變異系數(shù)下坡最大為0.557，上坡次之0.485，中坡最小0.485?？赡苁且?yàn)樵搶油寥朗艽髿庥绊懽畲?，又是植物根系的主要分布層，所以土壤水分變幅大，其上限可達(dá)飽和含水量以上，下限能到凋萎系數(shù)。土壤水分的增減和季節(jié)干濕變化基本一致，這些特點(diǎn)0—20 cm的淺層尤為明顯。

(2) 土壤水分次活躍層(20—80 cm)，該層土壤水分變異系數(shù)下坡為0.354，中坡0.165，上坡為0.116，較土壤水分活躍層(0—20 cm)小，土壤水分相對(duì)穩(wěn)定層(80—100 cm)大?？赡苁且?yàn)樵搶油寥朗艽髿庥绊憸p小，土壤蒸發(fā)的耗水強(qiáng)度降低，所以變幅比土壤水分活躍層(0—20 cm)稍小。但是從6月底至7月中旬，該層土壤含水量下降較快，可能是植物蒸騰耗水量較大所致，說明它對(duì)植物的供水起著重要的作用。

(3) 土壤水分相對(duì)穩(wěn)定層(80—100 cm)，該層土壤水分的變異系數(shù)下坡最大為0.342，上坡次之為0.186，中坡最小為0.113，說明土壤水分受季節(jié)干濕變化的影響較小。該層貯存的水分一方面為植物生長(zhǎng)后期直接供水，另一方面通過毛管上升水給土壤上層供水。

表2　紅砂灌叢不同坡位土壤水分變異系數(shù)

2.4土壤干層

根據(jù)王力等[19]研究認(rèn)為土壤干層的量化指標(biāo)上限應(yīng)以田間穩(wěn)定持水量為宜，將該值以下的水分虧缺全部看作土壤干層的范疇。從表3中可以看出，紅砂灌叢都存在著不同程度的干層，大部分為中度和嚴(yán)重土壤干層；從月份看，4月的干層最為嚴(yán)重，從不同深度看，0—20 cm嚴(yán)重，嚴(yán)重地影響到了紅砂灌叢的更新和生長(zhǎng)。

圖3　紅砂灌木不同坡位土壤含水量的垂直變化

坡位深度/cm田間穩(wěn)定持水量/%土壤含水量/%4月5月6月7月8月9月0—1014．891．035．9512．176．026．754．9210—2014．242．455．2912．324．707．135．9620—4019．513．785．299．355．534．254．37下坡位40—6013．313．865．237．915．254．283．5860—8013．934．035．088．235．514．302．7180—10013．444．614．958．405．184．212．520—10014．893．295．309．735．375．574．010—1010．582．703．854．534．815．014．5810—2011．366．035．194．624．514．754．9720—4010．5513．3910．576．535．325．054．69中坡位40—608．855．544．604．263．693．433．4860—8010．257．986．994．313．823．974．2080—1009．944．514．734．463．963．633．930—10010．254．255．017．594．175．214．20

續(xù)表3

坡位深度/cm田間穩(wěn)定持水量/%土壤含水量/%4月5月6月7月8月9月0—1014．542．665．1414．987．687．805．5110—2019．232．986．1812．974．757．226．5820—4016．595．636．297．505．716．575．58上坡位40—6017．676．256．135．785．645．924．8060—8017．836．566．116．006．004．614．8080—10018．246．346．045．166．005．164．770—10017．355．076．268．735．966．215．34

3　結(jié) 論

(1) 紅砂灌叢的土壤容重隨深度的增加，呈先增加后逐漸減小的變化趨勢(shì)。在0—100 cm深度內(nèi)，不同坡位的土壤持水量大小順序表現(xiàn)為：上坡位>下坡位>中坡位。

(2) 蘭州北山紅砂灌叢土壤水分季節(jié)變化表現(xiàn)為不明顯的“雙峰”曲線，6月份達(dá)第一次高峰，8月份達(dá)第二次高峰。在不同月份間，紅砂灌叢的土壤水分變化具有明顯的季節(jié)特征，這是植物生長(zhǎng)規(guī)律和當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)共同作用的結(jié)果。

(3) 根據(jù)蘭州北山紅砂土壤水分變化情況和植物根系吸水狀況，土壤水分的垂直變化可分為3個(gè)層次：土壤水分活躍層(0—20 cm)、次活躍層(20—80 cm)和相對(duì)穩(wěn)定層(80—100 cm)3個(gè)層次。不同坡位隨著深度的增加，上層土壤水分變化幅度大于下層，這與其他研究者[20-21]的研究結(jié)果一致。

(4) 蘭州北山紅砂灌叢在4—9月均存在著不同程度的土壤干層，且4月的干層最為嚴(yán)重，從深度來看，各月0—20 cm干層嚴(yán)重，因此，黃土丘陵溝壑區(qū)在4月進(jìn)行造林應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓喔纫詽M足苗木早期對(duì)水分的需求。同時(shí)，該地區(qū)不同季節(jié)均存在土壤干化現(xiàn)象，在造林時(shí)造林密度不宜過大，以保證土壤水分的科學(xué)合理利用。

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Soil Moisture Dynamics of Reaumuria soongorica shrubs in Loess Hill and Gully region

ZHANG Juanjuan, SHAN Lishan, YANG Caihong, Wuyangbaocairang,FENG Cailin, HU Xingling, SHI Jingxia

(College of Forestry, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

Soil moisture is the key factor for the growth and survival of vegetation in the loess hilly region. Soil moisture dynamics ofReaumuriasoongoricapopulation was monitored under different slope positions in the loess hill and gully region in Gansu Province of northwest China. The results showed that: (1) soil bulk density tended to increase at first and then decreased with increase of soil depth in different slope positions, the water holding capacity decreased in the order: upper slope>down slope>mid slope: (2) seasonal changes of soil moisture were expressed as dual peaks curve, and reached to the maximum at the first time in June, then increased a bit in August, according to soil moisture changes and plant root water absorption conditions, the vertical variation of soil moisture would be divided into three levels: active layer, less active layer and relative stable layer; (3) there were various degrees of dry soil layers in each month in loess hilly region, Dry soil layer is the most obvious in April and in the soil depth of 0—20 cm. Therefore, it is necessary to appropriately irrigate in April in the loess hilly and gully region when afforestation was carried out, and the density of planted trees should not be too large when afforestation was launched in rainy season.

loess hill and gully region;Reaumuriasoongorica; soil water

2014-08-27

2014-10-08

國(guó)家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(41361100,31360205,41461044,31460180);甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310733016);國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2012DFR30830);甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(1204NKCA084)

張娟娟(1990—),女,甘肅天水市人,在讀本科生,主要研究方向?yàn)榛哪参锷砩鷳B(tài)。E-mail:1123596649@qq.com

單立山(1975—),男(蒙古族),湖南衡陽市人,博士后,副教授,主要從事荒漠植物生理生態(tài)等方面研究。E-mail:shanls@gsau.edu.cn

S152.7

A

1005-3409(2015)04-0029-05