強(qiáng)方方 魏天興 劉 崴

(1.延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，延安 716000； 2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083； 3.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100083)

水作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，直接控制陸地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展，并間接地驅(qū)動著地球表面、大氣和地下的非生物過程[1～2]，支撐著大多數(shù)陸生植物和人類生產(chǎn)活動，也是植物生長主要制約因素，影響區(qū)域植被群落生產(chǎn)力的變化[3～4]。在干旱缺水的晉西黃土區(qū)植被生長與恢復(fù)過程中，水的作用尤為重要[5]，因此研究該區(qū)域植被群落土壤水分狀況對當(dāng)?shù)刂脖簧L與恢復(fù)具有重要意義。

土壤水分變化是半干旱地區(qū)研究的熱點(diǎn)問題之一，研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域土壤水分主要是由植被類型、降雨量、林冠大小、林地內(nèi)凋落物數(shù)量、根系分布等決定[6～7]。Canton等[8]對西班牙半干旱區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分受植被類型和土壤質(zhì)地的影響。不同的植被群落可能導(dǎo)致不同的降雨—徑流響應(yīng)，從而導(dǎo)致土壤水分的時(shí)間變化，一般認(rèn)為土壤水分時(shí)間變化分為4個(gè)時(shí)期：土壤水分消耗期，土壤水分積累期，土壤水分消退期和土壤水分穩(wěn)定期，主要受降水季節(jié)分布影響[9～11]。Vivoni等[12]認(rèn)為植物可以調(diào)節(jié)土壤水分對降水的響應(yīng)，改變土壤水分的空間分布。Helmut等[13]對奧地利混合山毛櫸云杉和云杉純林研究得出不同植被類型下土壤水分垂直變化存在差異，可能與植物根系分布有關(guān)。土壤水分直接參與植物的生理過程，土壤水分的高低會影響植物生長發(fā)育，影響以土壤水為介質(zhì)的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累[6～7,12]。研究發(fā)現(xiàn)不同深度土壤水分的時(shí)間變化對植被有不同的響應(yīng)，并且與枯落物、根系分布、土壤營養(yǎng)物質(zhì)積累和吸收、微生物活動存在一定關(guān)系，在維持植被生長中發(fā)揮不同的作用[14～15]。

已有研究指出，黃土丘陵區(qū)在植被恢復(fù)過程中，不適宜的營林造林方式，將導(dǎo)致該區(qū)域土壤水分分布格局發(fā)生變化，易造成土壤水分虧缺，達(dá)不到涵養(yǎng)水源的功能[16～17]。然而，天然林土壤水分與植被生長間的關(guān)系則更穩(wěn)定合理[18]。因此，為了進(jìn)一步了解人工林與天然林土壤水分間關(guān)系，本文通過對晉西黃土區(qū)刺槐、油松人工和天然次生林設(shè)置固定樣地進(jìn)行土壤水分監(jiān)測，分析其土壤水分時(shí)空動態(tài)變化，以及土壤水分與氣象、土壤等因子間相關(guān)關(guān)系，從而進(jìn)一步明確人工林與天然次生林植被群落的土壤水分狀況，以期為今后晉西黃土區(qū)營林造林和植被恢復(fù)等林業(yè)生態(tài)工程提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

1.1 試驗(yàn)地位置及植被概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省西南部的吉縣蔡家川流域(110°27′～111°07′E、35°53′～36°21′N)，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，流域海拔為800～1 600 m。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量579.5 mm，降水量年際變化大，且季節(jié)分配不均勻，降水主要集中在7～10月，占全年總降水量的64.2%，年平均蒸發(fā)量約為1 729 mm，遠(yuǎn)大于降水量，年平均氣溫9.9℃，無霜期為172 d，多以南風(fēng)和偏南風(fēng)為主，多年平均風(fēng)速2 m/s。土壤類型為碳酸鹽褐土，黃土母質(zhì)。試驗(yàn)區(qū)主要喬木樹種有刺槐(Robiniapseudoacacia)、山杏(Armeniasasibiriea)、側(cè)柏(Platycladusorientails)、油松(Pinustabuliformis)、山楊(Populusdavidiana)、榆樹(UlmuspumilaL.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk)、遼東棟(Quercusliaotungensis)等；主要灌木樹種有沙棘(Hippophaerhamnoides)、胡枝子(Lespedezabicolor)等；主要草本植物有沙參(Adenophorastricta)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)等。該區(qū)植物資源豐富，流域森林覆蓋率約到72%。

1.2 樣地設(shè)置

根據(jù)典型性和代表性原則，本試驗(yàn)選取坡度、坡向和海拔相近的油松人工林、刺槐人工林和天然次生林等3種植被群落為研究對象并設(shè)置20 m×20 m的固定樣地，且在樣地外圍附近位置埋設(shè)100 cm深的土壤水分固定監(jiān)測點(diǎn)，每年4～10月進(jìn)行土壤水分監(jiān)測。同時(shí)，課題組于2013年對這3個(gè)固定樣地，采用每木檢尺的方法進(jìn)行了全面調(diào)查，樣地詳細(xì)信息見表1。

表1 2013年樣地基本信息

1.3 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)：研究區(qū)安裝自動氣象站記錄降水量和氣溫等氣象要素。

土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)：采用烘干法和時(shí)域反射測定儀(TDR)，對研究區(qū)固定樣地土壤水分進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測深度為0～100 cm，由地表開始每20 cm為1層，共分5層。土壤水分，每月觀測3次，間隔為10天，期間如有降雨發(fā)生，推遲4～7天。本文分析中，采用兩套土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，即2004～2013年生長季(4～10月)研究區(qū)植被群落平均土壤水分含量以及2011年11月～2013年1月(共15月)所采集的研究區(qū)樣地土壤水分連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。

土壤根系數(shù)據(jù)：通過對固定樣地每目檢尺，計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)木，在樣地外選取標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，進(jìn)行根系挖掘取樣。

土壤化學(xué)性質(zhì)分析：將固定樣地采集而來的土壤，進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)分析；采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定土壤有機(jī)碳，凱氏定氮法測定全氮，鉬銻抗比色法測定全磷，火焰光度計(jì)法測定全鉀[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用單因素方差分析法進(jìn)行不同植被群落土壤水分差異性分析；采用Pearson相關(guān)分析，進(jìn)行土壤水分與降雨量、氣溫、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀之間的相關(guān)關(guān)系分析。

本文所有統(tǒng)計(jì)分析和做圖均在SPSS 18.0、origin和Excel等軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 近10年研究區(qū)降雨量及不同植被群落生長季土壤水分變化

通過對研究區(qū)2004～2013年生長季4～10月降雨量統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)4～10月平均降雨量為470 mm；且降雨分布不均勻，表現(xiàn)為降雨前期不足(4～6月)，集中在后期(7～10月)。由圖1可知，降雨量與油松、刺槐和次生林土壤水分變化基本呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。整個(gè)生長季內(nèi)，3種植被群落土壤水分變化均表現(xiàn)出與降雨量相似的季節(jié)性變化，且不同植被群落間季節(jié)變化差異不顯著，即前期(4～6月)土壤水分較低，7月顯著上升，后期(7～9月)土壤水分達(dá)到整個(gè)生長季高峰。通過對刺槐、油松和次生林10年內(nèi)生長季土壤水分變化分析發(fā)現(xiàn)，刺槐各月土壤水分均值分別為14.90%、15.00%、15.17%、15.72%、17.25%、17.80%、17.35%，油松各月土壤水分均值分別為14.49%、14.18%、13.81%、15.48%、17.16%、17.24%、17.50%，天然次生林各月土壤水分均值分別為17.98%、16.38%、14.79%、16.25%、19.55%、19.16%、19.75%。方差分析表明，近10植被群落生長季，次生林土壤水分最大，刺槐土壤水分最小，與天然次生林土壤水分存在顯著差異，兩者均與油松林地差異不顯著。

2.2 不同植物群落植物根系分布特征

由圖2可知，研究區(qū)3種植被群落0～60 cm土層中植被根系分布存在差異，其中0～20 cm各植被群落根系分布最多，40～60 cm土層植被根系分布相對較少，且不同土層間根系分布存在顯著差異；不同植被群落間則表現(xiàn)出，在0～20 cm土層中，天然次生林占比最大，油松林最小，但是三者間不存在顯著差異；20～40 cm土層中，天然次生林根系占比最小，油松林最大，天然次生林與油松林和刺槐林存在顯著差異，油松和刺槐林地間差異性不顯著；40～60 cm土層中，天然次生林根系分布最多，且與油松和刺槐林地存在顯著差異。

圖1 2004～2013年(4～10月)植被群落土壤水分與降雨量月變化圖Fig.1 Monthly variation of soil moisture and rainfall in vegetation communities from 2004-2013(April-October)

圖2 研究區(qū)不同植被群落0～60 cm土層植被根系分布方差分析 大寫字母A、B、C表示不同土層植被群落根系分布在P<0.05下的差異顯著性；小寫字母a、b、c表示同一土層不同植被群落間根系分布在P<0.05下的差異顯著性。Fig.2 Variance analysis of root percent at 0-60 cm soil layer in different plant communities A, B and C indicate that the root distribution of different soil vegetation communities is significantly different at P<0.05; a, b and c indicate the significant difference of root distribution between different vegetation communities in the same soil layer at P<0.05.

圖3 研究區(qū)不同植被群落土壤水分的時(shí)空動態(tài)變化Fig.3 Temporal and spatial dynamics of soil moisture in different plant communities

2.3 不同植被群落土壤水分時(shí)空化分析

由圖3可知，研究區(qū)植被群落土壤水分具有明顯分層現(xiàn)象。表土層土壤水分(0～40 cm)變化較大，而40～100 cm土層土壤水分變化波動較小，相對于表土層較穩(wěn)定，基本維持在10%～15%。其中，各林地內(nèi)淺層土壤(0～40 cm)在5～6月份時(shí)，土壤水分均處于最小值，且隨土層深度的遞增土壤水分有增加的趨勢，可能是由于林地植被開始生長，根系開始大量吸收土壤水分，土壤水分消耗量比較大；7～8月份，由于降雨量增加，雖然表土層土壤水分仍處于比較低的水平，但在0～40 cm土層，油松林、刺槐林和次生林的土壤水分較6月份分別增加了4.0%、3.4%和2.7%，各林地40～100 cm土層土壤水分差異不顯著；9～10月份，降雨量減少，影響到表層土壤水分的下降，各林地表層土壤水分均下降，然而次生林的下降幅度較小，且各土層土壤水分保持在15%左右。

在生長季，各林地表層(0～40 cm)土壤水分均較低，隨深度的遞增而增加，刺槐林表層土壤水分最低(7.3%)，次生林最高(12.9%)。研究區(qū)3種林地在生長期土壤水分均出現(xiàn)0～40 cm土層的土壤水分較低的現(xiàn)象，由圖2可知0～40 cm土層中，植被根系分布油松林達(dá)到88.4%，刺槐林達(dá)到90.2%，天然次生林76.1%，均超過70%，且通過回歸分析得出植被群落根系在0～40 cm的分布與土壤水分呈顯著負(fù)相關(guān)(R2=-0.71，P<0.05)。

2.4 土壤水分與氣象、土壤因素關(guān)系及植被間差異

研究區(qū)內(nèi)的降雨主要分布在7、8和9月份，其中0～40 cm土層土壤水分對降雨響應(yīng)較好；40～100 cm土層土壤水分對降雨的響應(yīng)較差。降雨量與各植被群落不同深度土壤水分的相關(guān)分析(表2)表明，在0～40 cm土層深度各林種的土壤水分與降雨量相關(guān)系數(shù)都較高，呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，其中油松林地的相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

表2降雨量與土壤水分的Pearson相關(guān)系數(shù)及植被間差異

Table2Correlationbetweensoilmoistureandprecipitation

植被類型Vegetation type土層深度Soil depth(cm)0～2020～4040～6060～8080～100油松林P.tabuliformisplantation相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient0.560*0.652**0.611*-0.009-0.271顯著性psig.0.0300.0080.0160.9730.328刺槐林R.pseudoacaciaplantation相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient0.4630.549*0.453-0.015-0.106顯著性psig.0.0820.0340.0900.9570.707天然次生林Natural secondaryforest相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient0.4300.600*0.575*0.2890.165顯著性psig.0.1100.0180.0250.2960.556

注：**為0.01水平上顯著相關(guān)；*為0.05水平上顯著相關(guān)，下同。

Note:**correlation is significant at the 0.01 level;*correlation is significant at the 0.05 level. The same as below.

根據(jù)圖2植被根系分布，分別選取0～40 cm各林地土壤含水量為研究對象，進(jìn)行降雨、氣溫與土壤水分關(guān)系研究；選取0～100 cm各林地土壤含水量為研究對象，進(jìn)行全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)與土壤水分關(guān)系研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表3和圖4)，研究區(qū)3種植被群落的土壤水分與降雨有顯著正相關(guān)關(guān)系，而氣溫只與次生林的土壤水分呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，其他植被群落未達(dá)到顯著水平；土壤水分與有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀均存在正相關(guān)關(guān)系，其中磷含量相關(guān)度最高(R2=0.46)，這與Binkley和Hart[20]研究結(jié)果一致。

表30～40cm土層土壤水分與氣象因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

Table3Correlationbetweensoilmoistureandmeteorologicalfactorat0-40cmsoillayer

植被類型Vegetation type氣溫Temperature降雨Rainfall油松林P.tabuliformisplantation相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient0.4840.652**顯著性pSig.0.0670.008刺槐林R.pseudoacaciaplantation相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient0.1990.549*顯著性pSig.0.4770.034天然次生林Natural secondary forest相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient0.543*0.600*顯著性pSig.0.0370.018

圖4 土壤水分與0～100 cm土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K擬合分析Fig.4 Correlations between the soil moisture content and the relation effect of C,N,P and K contents

3 討論

近10年研究區(qū)降雨分布極不均勻，表現(xiàn)為降雨前期不足(4～6月)，集中在中后期(7～9月)，這與其他學(xué)者對于該區(qū)域降雨分布分析得出相似的結(jié)論[21]。研究區(qū)3種植被群落土壤水分特征均隨不同時(shí)期的降雨量補(bǔ)給、林地蒸散消耗等因素出現(xiàn)不同的變化趨勢，總體來說5～6月處于土壤水分過度消耗階段，7～9月處于土壤水分補(bǔ)充階段，這與以往研究結(jié)果較一致[12～13]。通過對近10年，研究區(qū)3種植被群落生長季土壤水分研究得出，天然次生林土壤水分最大，刺槐林最小，且兩者存在顯著差異，但均與油松林地差異不顯著，這與其他學(xué)者通過對天然次生林與人工林土壤水分差異的結(jié)果相似[18,22]。

植被根系分布對土壤水分有一定影響[23～24]。研究表明，研究區(qū)3種植被群落0～60 cm土層中根系分布存在差異。其中，同種植被群落不同土層間根系分布均存在顯著差異；不同植被群落中，天然次生林與油松、刺槐林的根系分布在20～60 cm土層，存在顯著差異。分析發(fā)現(xiàn)，在林地土壤水分補(bǔ)充階段(7～8月)，各林地不同深度土壤水分均出現(xiàn)不同程度的增加，其中0～40 cm刺槐林的增長幅度最大，而40～100 cm次生林土壤水分增加幅度大，這與根系分布規(guī)律結(jié)果一直，相關(guān)研究也表明樹木根系數(shù)量和大小等性狀的增加，土壤通透性等也會增加，導(dǎo)致土壤儲水量能力增大，土壤儲水量增多[9]。但是，整體分析發(fā)現(xiàn)表土層(0～40 cm)土壤水分變化與植被根系分布呈顯著負(fù)相關(guān)。

土壤水分受植被類型、氣象、土壤性質(zhì)等因素影響。研究表明，土壤水分與降雨呈顯著正相關(guān)，且油松林地相關(guān)系數(shù)最高；氣溫只與次生林的土壤水分呈顯著正相關(guān)；土壤水分與有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀存在正相關(guān)，其中與全磷相關(guān)度最高。Amodor[25]等和張麗萍[25]研究表明土壤水分和有機(jī)碳、氮、磷等養(yǎng)分之間的有機(jī)耦合是通過水分狀況調(diào)節(jié)土壤微生物過程及其土壤粘粒而實(shí)現(xiàn)。Binkley和Hart[20]也認(rèn)為土壤水分增加可能導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)等酸性物質(zhì)富集，增加土壤對磷的吸附和積累。對于土壤水分與土壤的粉粒和粘粒含量及養(yǎng)分含量之間的關(guān)系還需進(jìn)一步分析。因此，土壤水分與土壤養(yǎng)分的具有較高相關(guān)性。

4 結(jié)論

(1)通過對研究區(qū)近10年生長季降雨量統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)降雨分布極不均勻，表現(xiàn)為降雨前期不足(4～6月)，集中在后期(7～10月)。降雨量與油松、刺槐和次生林土壤水分變化基本呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，且均表現(xiàn)出相似的季節(jié)性變化。近10年植被群落生長季，天然次生林土壤水分最大，刺槐林土壤水分最小，與天然次生林土壤水分存在顯著差異，兩者均與油松林地差異不顯著。

(2)研究區(qū)3種植被群落0～60 cm土層中根系分布存在差異。其中0～20 cm各植被群落根系分布最多，同種植被群落不同土層間根系分布存在顯著差異。不同植被群落0～20 cm土層中，根系分布不存在顯著差異；20～60 cm土層中，天然次生林與油松、刺槐林的根系分布存在顯著差異。

(3)研究區(qū)植被群落土壤水分具有明顯分層現(xiàn)象。表土層土壤水分(0～40 cm)變化較大，而40～100 cm土層土壤水分變化波動較小，基本維持在10%～15%。表土層土壤水分變化與植被根系分布有關(guān)，在0～40 cm土層中，油松林達(dá)到88.4%，刺槐林達(dá)到90.2%，天然次生林76.1%，均超過70%，且與土壤水分呈顯著負(fù)相關(guān)。

(4)通過對土壤水分與降雨、氣溫、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀等因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土壤水分對降雨響應(yīng)較好，呈顯著正相關(guān)，其中油松林地的相關(guān)系數(shù)最高；氣溫只與次生林的土壤水分呈顯著正相關(guān)，與其他植被群落未達(dá)到顯著水平；土壤水分與全磷含量相關(guān)度最高。