高 亮, 高 永, 韓彥隆, 呂新豐

(1.內蒙古農業(yè)大學 沙漠治理學院, 內蒙古 呼和浩特010019; 2.內蒙古自治區(qū)水土保持工作站, 內蒙古 呼和浩特 010019)

在干旱半干旱的科爾沁沙地南緣，采取植物措施、工程措施等荒漠化防治手段，建立穩(wěn)定的人工植被、促進天然植被的更新、復壯，是該地區(qū)防治土地沙化的重要手段[1]。在沙區(qū)干旱的自然條件下，土壤水分是該地區(qū)重要的生態(tài)因子和限制因子[2-3]。土壤水分狀況不僅影響著建植短期內植被的成活率和保存率[4]，更與建植后植被長期的穩(wěn)定息息相關[5]。因此研究不同治理措施下的土壤水分狀況，對于確保固沙植被的生長與長期穩(wěn)定具有重要意義。

目前對土壤水分狀況的研究已有很多，石莎[6]、潘顏霞[7]、李傳榮[8]、史志華[9]等分別從植被狀況、群落動態(tài)、降水、土層厚度、相對高程等方面對土壤水分狀況做了詳盡而科學的分析闡述。但究其根本，上述研究紛紛以“土壤含水率”作為表征土壤水分狀況的指標，總體上可以歸納為對土壤含水率空間分布和時間動態(tài)兩個方面的研究，并未從土壤結構等自身特性入手，分析產生土壤水分狀況差異的客觀原因。由于土壤含水率是一個即時值，其受地形、氣象等因素影響巨大[10]，利用土壤含水率來說明土壤水分狀況具有一定的隨機性和局限性，并不能客觀反映出土壤本身水分持蓄性能。因此本文引入土壤水勢能的概念，即土水勢[11]，研究科爾沁沙地南緣不同的荒漠化治理措施下土壤含水率與土壤水勢的耦合變化規(guī)律，分別測算土壤有效水及過剩水含量，分析土壤水分狀況與土壤結構的相關關系，為解釋不同治理措施下土壤水分狀況差異找到科學的依據(jù)，也為該地區(qū)合理的選擇荒漠化防治措施提供有效的參考。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古自治區(qū)通遼市奈曼旗，是我國北方重要農牧交錯帶[12]、森林草原—干旱草原過渡帶[13-14]、半濕潤—半干旱過渡帶[15]交匯處的脆弱生態(tài)區(qū)，屬科爾沁沙地南緣，中心坐標為120°41′57″E，42°55′58″N，屬北溫帶大陸性季風干旱氣候，地形坨墊相間，平均海拔450 m，年平均氣溫6.0～6.5 ℃，多年平均降水量250～300 mm，多集中在夏秋兩季，占全年降水的70%～80%，年平均潛在蒸發(fā)量達1 500～2 500 mm。土壤以非地帶性棕壤、暗棕壤、黑壚土和地帶性的風沙土、草甸土、鹽堿土為主，其中風沙土所占比重最大，占土壤總面積的44%。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的布設及采樣方法 選擇該地區(qū)常見的治沙措施植物措施：樟子松(Pinussylvestris)人工林、小葉楊(Populussimonii)人工林，小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)群落(飛播)；工程措施：圍封；自然恢復：固定沙地為試驗樣地；以流動沙地為對照。樣地當前基本信息詳見表1。所選樣地在治理前均為流動沙地，治理年限為20～23 a，分布在以中科院寒旱所奈曼站為中心，東西3 km，南北4 km范圍內，采樣區(qū)域內地勢平緩，土壤類型單一(風沙土為主)，減少了因地形及氣候差異引起的地帶性差異。采用空間代替時間法與相鄰樣地比較法，在每種樣地類型下選取15 m×15 m的采樣區(qū)各6塊，在每塊樣區(qū)中隨機選取4個1 m×1 m樣方，挖取剖面，用環(huán)刀(Ф=5 cm)分別取0—10,10—20,20—40和40—60 cm層土樣，每層取樣一次，用于測定土壤干容重、土壤機械組成和土壤水分特征曲線。

1.2.2 樣品檢測方法 本研究中采用V-G模型描述土壤水分特征曲線。利用SEC-1500F1型15 bar壓力膜儀分別測定pF為0,1.3,1.6,1.7,1.9,2.0,2.5,2.6,2.9,3.0，3.5時的土壤含水量；烘干法(環(huán)刀Ф=5 cm)測定土壤容重；Mastersizer-3000測定土壤機械組成。土壤粒徑分級采用《國際制土壤顆粒分級標準》。

表1 樣地基本信息

1.2.3 分析方法 土壤水分特征曲線V-G模型的具體表達式為：

(1)

式中：θ——土壤體積含水量(cm3/cm3);h——負壓水頭(-cm);θs,θr——土壤飽和含水量和殘余含水量(cm3/cm3);α——與土壤平均孔隙半徑有關的參數(shù)(cm);n——曲線形狀參數(shù)，m=1-1/n。本文以土壤水吸力值(+)替代壓力水頭(-)，h=10pF。利用DPS軟件進行V-G模型的參數(shù)求解。利用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Sigmaplot 12.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤質地

2.1.1 治理措施間土壤容重及機械組成差異性 對6種樣地土壤機械組成的方差分析顯示(表2)，樟子松和小葉楊樣地土壤機械組成類似，二者間差異不顯著，其余樣地間差異均顯著。其中沙粒含量最高的樣地為流動沙地，達到97.36%，含量最低的小葉錦雞兒群落為89.37%；粉粒含量與之相反，小葉錦雞兒群落為10.02%，流動沙地為2.53%；而黏粒含量最高的樣地類型為圍封草地。

與流動沙地相比較，不同治理措施均能起到增加土壤粉粒、黏粒含量，降低土壤沙粒含量的作用，這是因為植物的地上部分能起到增加地表粗糙度、降低風速作用，一方面減少風蝕粗?；F(xiàn)象，另一方面風沙流中沙物質因為植物的阻礙而沉積，增加細粒含量。5種治理措施下土壤容重因植物的根系作用均有所降低，對樣地容重的分析顯示，流動沙地容重最高且與其余樣地類型差異顯著。小葉楊樣地容重最低，與樟子松和固定沙地差異不顯著，與其他樣地差異均顯著。

表2 不同治理措施下沙地土壤0-60 cm容重及機械組成方差分析

注：同列小寫字母不同表示差異顯著(α=0.05)。

2.1.2 土壤機械組成垂直分布狀況 對土壤機械組成的垂直分布分析顯示(圖1)，不同治理措施下土壤沙粒含量隨土層深度的增加總體呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，具體表現(xiàn)為沙粒含量在10—20 cm層減小；土壤粉粒含量在則總體表現(xiàn)為在10—20 cm層增加，而后降低的趨勢(圖1)；土壤黏粒含量變化規(guī)律在治理類型間有所分異，其中圍封樣地土壤黏粒含量隨深度的增加而增加，其余樣地出現(xiàn)降低或者波動降低的趨勢；總體上，在6種治理措施下，土壤細粒物質含量在10—20 cm層出現(xiàn)增加的趨勢。土壤容重方面，除流動沙地外，其他樣地土壤容重峰值均出現(xiàn)在10—20 cm層，流動沙地土壤容重隨土層深度的增加而降低。

2.2 土壤持水特性

2.2.1 土壤水分特征曲線 土壤水分特征曲線可以反映土壤水勢和土壤含水率的關系(圖2)，當土壤水勢相同時，土壤含水率越高，則土壤對水分吸持能力越強。6種治理方式下不同土層土壤水分特征曲線變化趨勢基本相同，均為非線性過程，表現(xiàn)為“S”形。通過對曲線斜率進行求解，6種治理方式下土壤水分特征曲線大體上可分為4個部分： ① pF=0時對應的土壤含水量為土壤飽和持水量，02.0時，隨著pF的升高，土壤體積含水量下降并不明顯，水分與土壤結合較為緊密。由圖2可以看出，0—10 cm層土壤水分特征曲線分布較為集中，說明6種樣地類型該層土壤水分吸持能力相近。10—20 cm土壤分布開始分散，其中小葉錦雞兒群落與小葉楊人工林曲線右移明顯，水分吸持能力增強；流動沙地水分特征曲線位移最小，水分吸持能力與0—10 cm層基本相同。0—60 cm剖面土壤對水分的吸持能力整體呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。

圖1 不同治理措施下沙地土壤機械組成及土壤容重垂直分布

圖2 不同治理措施下沙地土壤水分特征曲線

2.2.2 土壤有效水和土壤過剩水含量 通常來講，將pF=4.2時的土壤含水率看作是永久凋萎點含水率，此時的土壤水分已經很難被植物吸收利用，因此本文將pF≥4.2的土壤水分看作為無效水；飽和持水量與田間持水量間的水分稱為過剩水，因為不能被土壤有效吸持而迅速下滲，因此可以在一定程度上反映出樣地對地下水的補充能力；田間持水量與永久凋萎點含水量間的水分可以直接供植物生長所需，被稱為有效水。本文通過對土壤水分特征曲線進行求解，計算出土壤有效含和過剩水總量及對應的土壤含水率范圍，需指出的是上述兩指標為理論值，并不是直接測量得到的土壤實時含水率。

圖3中柱狀的高低反映了土壤有效水和過剩水含量所對應的土壤體積含水率上的分布范圍，柱狀的長短代表二者含量的多少。不同樣地間相同的土壤體積含水率能對植物起到的作用不同。對于小葉錦雞兒群落和圍封草地，15%左右的土壤含水率是可供植物有效利用的部分，而其他4種樣地類型在該含水率下，土壤水分則處于過剩狀態(tài)；同樣，當土壤含水率降至5%～10%范圍內時，小葉錦雞兒群落和圍封草地已經達到干旱狀態(tài)，而其他樣地類型土壤則能繼續(xù)對植物供水。

圖3 不同治理措施下沙地土壤有效水和過剩水含量

6種樣地類型間過剩水比例最低的為小葉錦雞兒群落(0.2 cm3/cm3)，對應的土壤含水率范圍為19.80%-39.68%，其次為圍封草地(0.21 cm3/cm3)，對應的土壤含水率范圍為18.19%～39.35%，二者間差異不顯著，與剩余4種樣地類型差異顯著(α=0.05，下同)。過剩水比例最高的樣地類型為流動沙地(0.30 cm3/cm3)，對應的土壤含水率范圍為6.41%～36.62%。小葉楊樹林、樟子松林、固定沙地間過剩水比例差異不顯著。有效水比例最高的樣地類型為小葉錦雞兒群落0.05 cm3/cm3，對應的土壤體積含水率上下限14.84%～19.80%；最低的流動沙地0.02 cm3/cm3，對應范圍為4.42%～6.41%，二者間差異顯著，其余樣地類型間差異不顯著。有效水比例和過剩水比例的相對大小，在一定程度上反映了土壤對水分的持續(xù)能力，在6中樣地類型中，小葉錦雞兒群落和圍封草地土壤對水分的吸收、保持能力較強，能有效儲存較多水分，其他4中樣地類型土壤透水性較好，在降水充足情況下對地下水補充能力較好。

2.3 土壤質地對土壤持水性能的影響

對6種治理措施下土壤水分特征曲線和土壤機械組成的分析出現(xiàn)一個共同特征，即土壤水分特征曲線在10—20 cm明顯右移，同時該層土壤機械組成沙粒含量降低，粉、黏粒含量增加，尤其粉粒含量增加明顯。因此，本文分別以6種樣地土壤有效水含量、土壤過剩水含量為因變量，土壤沙粒、粉粒、黏粒含量以及容重為自變量進行回歸分析。得到如下結果：

(1) 土壤機械組成和容重構建的有效水含量回歸方程為：

AW=0.35Si+2.54Cl-0.02ρb+0.03

(2)

式中：AW——有效水含量(cm3/cm3)；Si——粉粒體積分數(shù)(%)；Cl——黏粒體積分數(shù)(%)；ρb——土壤容重(g/cm3)。

結果顯示，土壤有效水含量與土壤粉粒、黏粒含量呈正相關關系，土壤黏粒這一指標的回歸系數(shù)達到2.54，是影響土壤有效水含量的主要因素，黏粒含量的增加對提高土壤有效水比例有較大的貢獻；與土壤容重呈負相關關系，回歸系數(shù)為0.02，說明研究區(qū)土壤容重只在較小程度上引起土壤有效水的變化。土壤沙粒含量由于未通過假設檢驗而被排除。有效水含量的回歸方程判決系數(shù)R2為0.71，即土壤有效水含量的變化在70%程度上可由土壤粉粒、黏粒以及土壤容重來解釋。

(2) 土壤機械組成和容重構建的過剩水含量回歸方程為：

EW=0.42-1.04Si-2.65Cl-0.05ρb

(3)

結果顯示，土壤過剩水含量與土壤粉粒含量、黏粒含量以及土壤容重均呈負相關關系。與土壤有效水類似，黏粒仍是影響土壤過剩水含量的主要指標，黏粒含量的增加會顯著減少土壤當中過剩水比例；土壤粉粒對過剩水含量的貢獻率與有效水相比有大幅提高，土壤容重對其的影響仍在小尺度上發(fā)揮作用。土壤沙粒含量由于未通過假設檢驗而被排除?；貧w方程判決系數(shù)R2=0.89。說明土壤過剩水的變化可以在近90%程度上用土壤粉粒、黏粒、容重來解釋。從上述3個指標與土壤有效水、土壤過剩水比例的相關系數(shù)可以判斷，土壤黏粒含量、土壤粉粒含量及土壤容重對土壤過剩水的影響效果要更加明顯。

3 討 論

在對土壤水分的研究中，土壤飽和持水量和土壤田間持水量一般采用環(huán)刀法進行測量，對于吸水過程需要人為判斷，具有一定的主觀性，還有學者利用馬歇爾公式計算土壤飽和持水量[16]，由于公式中涉及的土壤指標較多，需要對土壤總孔隙度、土壤容重以及土壤密度分別進行測量，較為復雜和不便。本文利用土壤水分特征曲線，通過對比曲線形狀和分布情況，不僅能直觀的展現(xiàn)各樣地土壤不同壓力水頭下對水分吸釋能力，而且能更精確的計算出飽和持水量和田間持水量，使研究結果更為科學可信。

在對土壤過剩水和土壤有效水的回歸分析中，土壤沙粒含量均被排除，這是由于研究區(qū)處于科爾沁沙地，所選擇的6種樣地類型土壤母質均為風沙土，沙粒含量背景值本身較大，而其變化范圍僅在5%左右，同時土壤水分運移情況主要受到土粒表面能的影響[17]，土壤顆粒越小，所具有的表面能越大，對水分的吸附能力越強。土壤過剩水和土壤有效水本質就是不同水勢下土壤的持水能力，因此受土壤細粒物質含量影響最大。不同的治理措施通過改變地表覆蓋情況，影響風沙侵蝕情況，改變土壤機械組成，增加土壤細粒物質含量，進而改變土壤水分持蓄能力，改善土壤水分狀況。

4 結 論

(1) 治理措施能明顯改善土壤水分狀況。與流動沙地相比，治理措施下土壤水分特征曲線均有右移趨勢，在10—20 cm層表現(xiàn)最為明顯；各治理措施下土壤有效水含量及對應含水率范圍均有提高，過剩水含量降低，土壤對水分吸存能力增加。小葉錦雞兒群有效水含量為各治理措施中最高，達到0.05 cm3/cm3，對應土壤含水率范圍為14.84%～19.80%。

(2) 治理措施對土壤結構的影響差異顯著?？傮w上各治理措施土壤沙粒含量降低，粉粒、黏粒含量增加；沙粒含量降低最多為小葉錦雞兒群落，較流動沙地減少7.99%；粉粒含量增加7.49%，為各治理措施中最高；圍封措施下土壤黏粒含量為各治理措施間最高，達到1.08%。同時治理措施能有效降低0—60 cm層土壤平均容重，除圍封外，其他措施與流動沙地土壤容重差異顯著。

(3) 土壤過剩水含量的回歸方程為：AW=0.35Si+2.54Cl-0.02ρb+0.03，判決系數(shù)為0.71；土壤過剩水含量的回歸方程為EW=0.42-1.04Si-2.65Cl-0.05ρb，判決系數(shù)為0.89。土壤黏粒含量是影響土壤有效水和土壤過剩水的主要因素，回歸系數(shù)分別達到2.54和-2.65，土壤粉粒含量和土壤容重也均對土壤有效水和過剩水含量產生影響。

(4 ) 土壤黏、粉粒含量是改善沙化土地土壤結構及水分吸持能力的主要因素。小葉錦雞兒和圍封措施下土壤細粒物質含量增加明顯，水分持蓄能力的提高更多的有效水分能供給植物生長、更新所用，是本研究中較為理想的治理方式；其他治理措施下土壤過剩水仍較高，可供植物利用的土壤水分較少，但同時對地下水能起到較好的補充作用。