王 玲，馮向星，劉 庚，牛俊杰

(太原師范學院 歷史地理與環(huán)境變遷研究所，山西 晉中 030619)

人工油松林地土壤水分虧缺和補給動態(tài)變化規(guī)律

王 玲，馮向星，劉 庚，牛俊杰*

(太原師范學院 歷史地理與環(huán)境變遷研究所，山西 晉中 030619)

為探究降雨對人工林土壤水分的影響，對黃土丘陵區(qū)人工林草植被進行土壤水分監(jiān)測，結果表明：該區(qū)自然條件下降雨的最大入滲深度為140 cm；雨季降雨過后，油松林和撂荒地分別在0～30、0～40 cm土層植物水分虧缺得到完全補償，深層土層植物水分虧缺僅依靠降雨不能得到完全恢復；試驗地人工林和撂荒地土壤剖面水分整體呈難效水狀態(tài)，土壤水分對植被生長有一定的抑制作用。降雨能提高最大入滲深度以內土層的土壤水分有效性。

土壤水分虧缺；降雨；人工林；黃土丘陵區(qū)

在水資源短缺、氣候干燥、降雨季節(jié)分配不均、土層深厚的晉西北地區(qū)，土壤水分收支各項中，植物蒸騰是水分平衡中最主要的輸出項，而降水是唯一的水分輸入項[1-2]。為改善生態(tài)環(huán)境，減少水土流失，該區(qū)實施了大面積的退耕還林還草工程，森林覆蓋率得到迅速提高[3]。由于在林草植被建設中，重視選擇喬木樹種和經濟林等，以及不合理的種植密度導致該區(qū)出現(xiàn)土壤“干層”現(xiàn)象[4-5]。土壤水分長期不足成為影響植物正常生長和發(fā)育的關鍵因子，并導致植物群落衰退，在晉西北地區(qū)出現(xiàn)了“小老頭樹”現(xiàn)象[6]。土壤水分不僅是限制生態(tài)重建和農林業(yè)發(fā)展的生態(tài)因子，而且是限制因子[7]。目前圍繞土壤水分與降雨的關系及土壤水分與植被適宜性等研究成為國內外許多學者關注的熱點[8-11]。也有學者提出土壤水分植被承載力概念，指出某地區(qū)的土地植被承載力實質上是土壤水分植被承載力[7]。針對晉西北地區(qū)植被生態(tài)環(huán)境的恢復與重建問題，研究和分析該區(qū)人工林地土壤水分特征，對于調控水分關系有重要指導意義。本研究對晉西北地區(qū)天然降雨對人工林的最大補給深度、人工油松林植物水分虧缺度與補償度以及人工林土壤水分有效性的動態(tài)變化進行了分析，旨在為晉西北地區(qū)人工林對土壤水分環(huán)境的影響及自然條件下降雨對人工林的補給程度研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)屬汾河上游環(huán)境生態(tài)重點治理區(qū)域，樣點采集區(qū)域位于嵐縣石家莊村北的皇姑梁，海拔1450 m。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，無霜期130 d，年平均氣溫6.8 ℃，極端最高氣溫36.4 ℃，最低為-30.5 ℃，年有效積溫2948 ℃·d，年均降雨量為400 mm，分配極不均勻，主要集中在7、8、9月，占全年降水總量的70%左右。受氣候影響，該區(qū)代表性的植物有蘆草(Phragmitesaustralis)、狗尾草(Setariaviridis)、錦雞兒(Cartagenasinica)等，典型的人工植被有檸條(Cartagenakorshinskii)、小葉楊(Populussimonii)、油松(Pinustabuliformis)等。該縣屬于典型的半干旱黃土丘陵區(qū)，降水稀少、氣候干旱等自然因素導致了諸多生態(tài)環(huán)境問題。

1.2 樣點采集與分析

選取當?shù)鼐哂写硇缘娜斯び退闪值睾蛯φ諛拥亓袒牡刈鳛檠芯繉ο蟆Ｓ退闪铸g為15 年，平均樹高11 m，平均樹干徑13 cm，平均冠幅3.5 m。于2016年6月22～26日在野外采集土壤樣品，并在8月成功把握1次雨季連續(xù)降雨機會，在降雨過后進行歷時3 d的入滲采樣。采樣時間設置在雨前、雨后1 h、雨后26 h、雨后72 h 4個時間點。每個樣地選3個樣點進行重復采樣。土壤樣品采用輕型人力鉆采取，樣品采集深度為0～300 cm，采樣間距為10 cm，共計360個樣品。采用烘干法測定土壤含水量，烘干時間為24 h以上。儲水量通過公式計算，田間持水量和土壤容重采用環(huán)刀法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 植物水分虧缺與補償度計算 為定量研究人工林剖面土壤水分的虧缺與恢復程度，本文采用植物水分虧缺度(deficit degree of plant water，DPW)和雨季植物水分補償度(compensation degree of plant water，CPW)進行分析[12]，計算模型定義如下：

DPW(%)=Da/Fc×100%

(1)

式(1)中：Da為植物水分虧缺量(mm)，Da=0.6Fc-Wc；Fc為土壤田間持水量(mm)；Wc為土壤實際貯水量(mm)。

CPW(%)=△W/Dac×100%

(2)

式(2)中：△W為雨季末土壤貯水增量(mm)，△W=Wcm-Wcc；Wcc為雨季初土壤實際貯水量(mm)；Wcm為雨季末土壤實際貯水量(mm)；Dac為雨季初土壤貯水虧缺量，Dac=0.6Fc-Wcc。

1.3.2 土壤剖面含水量變異系數(shù) 研究表明，變異系數(shù)能夠良好地反映各土層土壤水分的穩(wěn)定性[13]，變異系數(shù)(Cv)和標準差(SD)的計算公式如下：

(3)

(4)

1.3.3 土壤水分有效性評價 結合實際將土壤水分有效性劃分為4級，見表1。

表1 土壤水分有效性分級

2 結果與分析

2.1 油松林地降雨入滲

降雨條件下，土壤水分變化存在降雨入滲和降雨結束后再分布兩個階段。小范圍內自然降水空間分布均勻，土壤水分空間分布主要受控于雨后土壤水分再分配[14]。再分配的土壤水分受重力和土壤吸力作用，濕潤鋒緩慢下移，因此雨后不同時間測定的次降水入滲深度不同[15]。降雨強度、降雨量和土壤前期含水量等因素都會影響土壤水分入滲過程[16]。研究區(qū)人工林植被立地條件為低平緩坡，降雨入滲階段以垂直入滲為主。小雨量降雨大部分耗散于土壤蒸發(fā)，入滲深度較淺，當降雨量超過一定臨界值時才發(fā)生下滲。通過對降雨前后油松林地剖面土壤含水量變化的觀測和分析，2次測定剖面的土壤含水量的交點即為次降水的入滲深度，最大降雨深度可能出現(xiàn)在幾次較大連續(xù)降雨之后，2次測定的土壤剖面儲水量之差即為入滲量[15]。

2016年為豐水年，7月下旬到8月中旬出現(xiàn)了連續(xù)降雨。降雨后，氣溫降低，蒸騰量下降，表層土壤首先得到補償，水勢差引起高含水土層水分的下移，入滲1 h后濕潤鋒下移至40 cm，土壤儲水量增加10.75 mm；入滲26 h后的土壤剖面含水量曲線與入滲72 h后的剖面含水量曲線在90 cm深度處相交，濕潤鋒繼續(xù)向土水勢較低的深層土層移動，一直向下推移至110 cm，土壤儲水量增加79.41 mm(圖1)。3次入滲時間間隔內均有降雨，3次入滲采樣的土壤剖面含水量極差分別為3.54%、12.28%、12.23%。為進一步說明土壤含水量的垂直剖面變化，用變異系數(shù)表示降雨對剖面土壤水分的影響程度。從表2可以看出，不同深度土壤含水量的變異程度受降雨入滲影響有明顯差異，隨土層深度增加，變異系數(shù)呈明顯降低趨勢。0～30 cm土層范圍內，土壤含水量變異系數(shù)比其它土層大，為強變異；300 cm深度處，變異系數(shù)最小，為0.08；其他層為中等變異。

2.2 自然狀況下人工林植物水分虧缺與補償特征

植物生長的最適宜含水量為田間持水量的60%，低于這一含水量，植物生長會受到一定的脅迫，或者說植物水分虧缺[13]。本文采用植物水分虧缺度和植物水分補償度來分析試驗地植物水分虧缺的補償與恢復。植物水分虧缺度與土壤田間持水量和土壤實際貯水量有關，用來反映雨季前土壤貯水的虧缺程度，也可反映雨季末土壤貯水虧缺的恢復程度。植物水分補償度與雨季降雨量、入滲深度及雨季初土壤

貯水量有關，如果雨季末土壤貯水增量△W≤0，則植物水分補償度CPW≤0，表示土壤水分虧缺在雨季后未得到補償，甚至出現(xiàn)負補償；如果補償度CPW等于100%，則表明土壤水分虧缺得以完全補償與恢復[17]。

圖1 不同入滲時間土壤水分的剖面變化

土層深度/cm最小值/%最大值/%均值/%標準差/%Cv偏度峰度105.2118.5212.736.760.53-0.24-4.63204.9418.8211.876.910.580.00-5.10305.1316.469.644.980.521.110.74605.6111.158.102.690.330.27-4.19905.727.816.741.200.180.00-5.981206.168.737.341.260.170.20-4.501506.648.477.800.800.10-1.522.602006.658.507.710.870.11-0.51-2.802507.3111.538.771.930.221.491.933007.669.138.150.680.081.562.21

從圖2可以看出，人工油松林和撂荒地土壤水分均有不同程度的虧缺，油松林地與撂荒地0～300 cm植物水分虧缺度垂直剖面變化走勢相似，虧缺度隨土層深度增加均呈現(xiàn)降低趨勢。雨季初撂荒地植物水分虧缺度高于油松林地，這可能是由于6月氣溫回升較快，風力較大，加之植物進入生長初期，土壤水分消耗量增大，而油松林表層約15 cm厚的枯枝落葉層能有效減少表層土壤水分的蒸散消耗。撂荒地0～90 cm土層平均虧缺度高達42.43%，虧缺度隨土層深度增加變異性較大；290～300 cm虧缺度降至最低，平均值為9.65%。油松林0～90 cm植物水分虧缺度變異性較撂荒地小，平均值為26.46%，隨土層深度增加，虧缺度呈緩慢降低趨勢；200～270 cm土層范圍內平均虧缺度最低，為13.27%；270 cm深度以下虧缺度略有升高。

雨季后，土壤水分得到一定補充，油松林與撂荒地植物水分補償度隨深度增加呈先急劇下降后波動上升趨勢。0～30 cm土層油松林地和撂荒地的植物水分補償度分別為144.22%、135.42%，30～60 cm土層補償度急劇降低，油松林地補償度最大下降幅度為132.70%，撂荒地為105.58%。油松林在90～190 cm土層范圍內出現(xiàn)低補償范圍，平均補償度為3.21%，造成此現(xiàn)象的原因可能是油松屬深根性喬木，根系分布區(qū)域耗水較多，且下層土壤受降雨補給影響較小，土壤含水量降低。200～300 cm土層范圍內補償度呈先增大后降低趨勢，平均補償度為24.83%，且250 cm深度處為其轉折點，這可能是因為250 cm以下土層土壤水分在土水勢作用下向上運移，從而進一步加劇了深層土壤水分虧缺。撂荒地120～250 cm土層為低補償范圍，平均補償度為5.16%，并在210 cm深度處出現(xiàn)負補償，250～300 cm土層范圍內補償度再次升高，平均補償度為25.87%。

2.3 不同土層土壤水分有效性評價

根據(jù)土壤水分對植物生長的有效性原理，按照凋萎濕度、生長阻滯持水量和田間持水量對土壤水分進行有效性分級[18-19]。低于穩(wěn)定凋萎濕度的土壤水分為無效水，土壤中的這部分水分不能為植物吸收利用。田間持水量是土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量，是大多數(shù)植物可利用的土壤水上限。土壤含水量高于田間持水量時，多余的水分不能被毛管所吸持，受重力作用沿土壤的大孔隙向下滲透，這部分受重力支配的水稱為重力水。生長阻滯持水量是田間持水量的60%，從植物生長的角度看，當土壤含水量低于生長阻滯持水量時，植被生長將受到一定的影響。難效水是指從穩(wěn)定凋萎濕度到生長阻滯持水量的土壤水分，植物需要克服較大基質吸力才能從土壤中吸收水分，難效水對植物生長的阻滯性的大小與含水量的多少有關，含水量越少，阻滯性越大。易效水對植物的生長發(fā)育不會造成水分脅迫。植物吸收利用中效水，在一定程度上會受土水勢的影響[20]。

圖2 植物水分虧缺度與補償度垂直剖面變化

本研究表明，人工油松林地土壤含水量均低于田間持水量，各土層土壤水分基本都處于難效水狀態(tài)(表3)，油松林吸收土壤中水分會不同程度地受到抑制。雨季初油松林地0～30 cm土層土壤含水量均低于穩(wěn)定凋萎濕度，為無效水。若持續(xù)干旱，油松林地60～120 cm土層土壤水分易由難效水下降為無效水。撂荒地雨季初0～120 cm土壤水分有效性均呈現(xiàn)為無效，120～300 cm為難效，250～300 cm土層土壤水分接近中效水。撂荒地與油松林地土壤水分有效性存在一定差異。油松林地120～300 cm土層土壤含水量均低于撂荒地，難效水對油松林的阻滯作用較撂荒地大，油松生長狀況較差。在水分消耗期，表層0～30 cm土層土壤水分有效性易由中效變?yōu)闊o效，甚至由易效變?yōu)闊o效。在生長季隨耗水延續(xù)，油松林逐漸消耗深層土壤水分，200～300 cm土層土壤難效水對油松利用土壤中水分的阻滯作用變大。受雨季降水影響，僅0～120 cm土層土壤水分有效性呈現(xiàn)一定變化，120～300 cm土層土壤水分有效性一直呈現(xiàn)難效。油松林0～30 cm土層土壤水分的有效性有所提高，由雨季初的無效恢復為易效。撂荒地0～60 cm土層土壤水分有效性恢復為中效，60～120 cm土層土壤水分有效性恢復為難效。

表3 土壤水分有效性評價

3 結論

自然條件下降雨后，人工林土壤水分最大入滲深度達140 cm。按變異程度，油松林土壤剖面含水量大致可分為速變層(0～30 cm)、活躍層(30～120 cm)和次活躍層(120～300 cm)，參與土壤水分循環(huán)的速變層和活躍層大致在0～120 cm。速變層土壤含水量變化最劇烈，最大入滲深度為活躍層土壤含水量變化劇烈的下限。

雨季初人工油松林和撂荒地植物水分虧缺度隨土層深度增加呈降低趨勢，植物水分虧缺與補償度的變化主要發(fā)生在降雨的最大入滲深度范圍以內，2種植被0～120 cm土層植物水分虧缺度變異性較大。雨季后，油松林和撂荒地分別在0～30 cm土層、 0～40 cm土層范圍內植物水分虧缺得到完全補償與恢復，且仍有富余土壤水分向下運移補償，50 cm以下土層范圍內土壤植物水分虧缺得不到完全補償，甚至出現(xiàn)負補償。因此要使試驗地人工林植物水分虧缺狀況得到改善，單純依賴該區(qū)的天然降水是達不到的。

人工油松林地土壤水分基本呈難效水狀態(tài)，土壤水分缺乏對油松林生長具有嚴重抑制作用。對照樣地撂荒地0～120 cm土層土壤含水量低于油松林，土壤水分呈無效水狀態(tài)，但120～300 cm土層土壤水分明顯高于油松林地，說明人工林一方面對淺層土壤具有涵養(yǎng)水源的功效，另一方面也加劇了深層土壤水分的消耗。為實現(xiàn)試驗區(qū)土壤水資源可持續(xù)利用，在今后植樹造林過程中應注重淺根性植被和灌草植被的建設。

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(責任編輯：許晶晶)

Dynamic Changes in Water Consumption and Supply of Soil in ArtificialPinustabuliformisLand

WANG Ling, FENG Xiang-xing, LIU Geng, NIU Jun-jie*

(Institute of Historical Geography and Environmental Change, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619, China)

To explore the influence of rainfall on the soil moisture of artificial forest, the author monitored the soil moisture of artificial forest vegetations in loess hilly area. The result showed that: under the natural conditions, the maximum depth of rainfall infiltration was 140 cm in this area. After the rainfall during the rainy season, the water deficit in 0～30 cm and 0～40 cm soil layer of bothPinustabuliformisforest land and wasteland was completely compensated; while the water deficit in the deeper soil layer could not be fully recovered only by the rainfall. The water in the soil profile of artificial forest land and wasteland was generally difficult to be absorbed, and soil moisture had a certain inhibitory effect on the growth of vegetation. Meanwhile, rainfall could improve the water availability within its maximum infiltration depth of soil layer.

Soil water deficit; Rainfall; Artificial forest; Loess hilly area

2016-12-12

國家自然科學基金項目“晉西北生態(tài)重建優(yōu)勢種林地土壤水分研究：以沙棘和檸條為例”(41171423)、“顧及污染物向異 性特征的土壤有機污染物三維空間分布預測方法研究”(41401236)。

王玲(1992─)，山西武鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向為生態(tài)恢復。*通訊作者：牛俊杰。

S152.7

A

1001-8581(2017)03-0080-05