王松偉, 郭忠升,2

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

干旱、半干旱的黃土丘陵區(qū)水資源匱乏，植被覆蓋率低，且水土流失災(zāi)害嚴重、生態(tài)環(huán)境脆弱，是黃土高原建設(shè)和恢復(fù)植被的關(guān)鍵地區(qū)[1]?；謴?fù)和重建植被，并使其達到一定的標準，是進行水土保持、修復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)[2]。該區(qū)域內(nèi)僅靠降水補充的土壤水分是植物生長的主要水分來源，土壤水分很大程度上限制著植物的生長和生存[2-3]。同時，降水和植物的生長共同影響著土壤水分的變化，特別是恢復(fù)多年的成年人工檸條林，長期消耗土壤水分，甚至影響著深層土壤水分使其不能得以補充，造成土壤水分出現(xiàn)虧空“斷層”，進而造成土壤退化，將會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響，最終導致部分植物個體死亡，群落衰敗以及生態(tài)系統(tǒng)的退化[4]。

目前對土壤水分的研究，主要從土壤水分隨時間、垂直空間變化兩方面進行，根據(jù)土地利用方式、林分密度、植被類型和地形等不同對土壤水分的影響進行了深入的研究。孫雅楠等[5]對嵐縣地區(qū)楊樹、杏樹、玉米和土豆4種不同植被0—300 cm深度的土壤水分進行分析，得出4種不同種類植物變異系數(shù)都隨土層深度的增加而減小，不同植被的土壤含水量變化不同?？琢柘龅萚6]對晉西黃土區(qū)蔡家川流域4塊不同坡向(陰、陽坡)、不同密度刺槐樣地0—200 cm深度的土壤水分進行分析，得出坡向和密度對土壤水分具有顯著性影響，土壤水分隨著土層深度的增加先增加后減小最后趨于穩(wěn)定。王舒等[7]對晉西黃土丘陵溝壑區(qū)不同林齡(10 a，15 a，20 a)的人工刺槐林地0—400 cm土層土壤水分分布進行分析，得出隨著林齡的增加土壤水分隨坡位下降而增大的趨勢有所改變，成熟的刺槐林對坡面土壤水分空間分配有明顯調(diào)節(jié)作用。但是對已經(jīng)恢復(fù)的多年生成年人工林地土壤水分變化規(guī)律的研究較少，且多數(shù)只是對較淺層土壤剖面水分進行研究，難以反映多年生人工林根系對土壤水分的影響情況。

本研究以多年生成年人工檸條林為研究對象，對0—740 cm土層土壤水分進行觀測和分析，研究多年生人工林地土壤水分時空變化特征以及多年生年檸條林生長對不同深度土壤水分的影響，為水土保持林長期經(jīng)營和土壤水資源的可持續(xù)利用提供科學依據(jù)和理論指導。

1 研究區(qū)概況及方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏南部半干旱區(qū)的固原生態(tài)試驗站，屬于典型的黃土丘陵區(qū)(北緯35°59′—36°02′，東經(jīng)106°26′—106°30′)。區(qū)域內(nèi)溝沿線以上坡度為10°～25°，海拔高度為1 534～1 824 m，土壤侵蝕嚴重，侵蝕模數(shù)為1 000～8 000 t/km2。年均氣溫在7℃左右，最大年降水量634.7 mm(1984年)，最小年降水量為259.9 mm(2006年)，平均降雨量為414.9 mm，降水年變率為24.6%；年內(nèi)降水量分布不均，多集中在6—9月，占全年總降水的70%以上，無霜期152 d。土壤類型為黃綿土，植被類型由灌木草原到典型草原過渡，原生植物多以低矮禾草為主，并伴有少量灌木，代表性植被有長芒草(StipabungeanaTrin)、阿爾泰狗哇花(HeteropappusaltaicusWilld Novopokr)、茭蒿(ArtemisiagiraldiiPamp)以及百里香(ThymusmongolicusRonn)等。

1.2 材料和方法

研究區(qū)的供試林為2002年在沿山坡建立的長20 m、寬5 m，面積100 m2，坡度為9°的標準徑流小區(qū)上播種的檸條林，播種密度為1.5 kg/100 m2，已經(jīng)生長為16 a的成年人工檸條林，檸條林下有生長較好的草本植被覆蓋，經(jīng)測得檸條平均地徑為11.48 mm,平均株高為1.59 m。同等立地條件下的撂荒地作為對照，并以在小區(qū)中心地帶安置兩個長度為8 m，間距1 m的中子儀鋁合金套管，采用CNC503A(DR)型智能中子水分儀對林地剖面土壤含水量的長期定位測定觀測。在2018年多年生檸條林的生長季里(4—9月)每月月中進行觀測；觀測時，因中子儀所測的土壤容積含水量為范圍內(nèi)的平均值，故以距地表5 cm處記錄為第一個數(shù)據(jù)，20 cm處為第2個數(shù)據(jù)，以下土層每隔20 cm記錄一次，深度直至740 cm。降雨等氣象資料則來源于距試驗地附近氣象站以及周邊布設(shè)雨量器所記錄觀測。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

試驗采用Microsoft Excel 2019和SPSS 23.0處理分析數(shù)據(jù)，Origin進行繪制土壤水分垂直分布圖。利用變異系數(shù)CV對土壤水分垂直變化層次進行劃分，表示各層次土壤水分的穩(wěn)定性。指標變異系數(shù)CV和標準差S的計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：x為觀測樣本(土壤容積含水量)平均值；n為樣本總個數(shù)；xi為樣本的第i個觀測值。

2 結(jié)果與分析

2.1 多年生人工林地土壤水分垂直變化規(guī)律

試驗區(qū)檸條于4月下旬開始發(fā)芽，生出幼苗，逐漸展葉；從5月中旬到6月中旬快速生長達到展葉盛期；6月下旬到8月初果實成熟；其后9月中旬生長速度減緩進入落葉硬化期[8-9]。同時，該區(qū)域內(nèi)年降水主要集中在6—9月，占到全年降水量的75%。因而在此期間，土壤水分的變化極為敏感[8]。土壤水分得到大量的補充又受到高度的消耗，其垂直變化表現(xiàn)出不同規(guī)律。以2018年檸條生長期所測土壤剖面水分數(shù)據(jù)為例，并以同等條件下的撂荒地為對照，研究土壤容積含水量在垂直方向上的變化規(guī)律。由圖1看出，檸條林地和撂荒地土壤容積含水量具有相同的變化趨勢。在0—200 cm土層深度，撂荒地和檸條林地每個月的土壤容積含水量都具有較大的變化幅度，均為先增加后減??；而在200—400 cm，二者容積含水量均以相近的變化幅度穩(wěn)定增加；在土層深度400 cm之后，撂荒地和檸條林地的土壤容積含水量均表現(xiàn)出快速恢復(fù)的趨勢。并且，在0—200 cm土層深度時，撂荒地和檸條林地的土壤水分含量基本上接近。其后土層深度為200—400 cm，檸條林地的土壤水分含量接近撂荒地，二者含量幾乎相同。隨著土層深度的增加，撂荒地的土壤水分含量逐漸高于檸條林地。特別是在400 cm以下的土層中，二者均呈現(xiàn)出波折上升后趨于穩(wěn)定，可以看出撂荒地的土壤水分含量顯著高于檸條林地土壤水分含量。

分析其原因，是由于在地面到200 cm深的土層內(nèi)，較淺層的土壤更易受到降水的補充或是蒸發(fā)散作用的消耗，使得土壤容積含水量的變化較大。而深層土壤水分不易受到蒸發(fā)散和大量植物根系吸收的消耗，進而含有較高的土壤容積含水量。該區(qū)域內(nèi)降水稀少，但卻是土壤水分唯一的補充來源，而且發(fā)生入滲具有一定的滯后性。強且密集的連續(xù)降水對深層土壤水分才有一定的補給[10]，在發(fā)生最大降雨量(623.3 mm)之后的第二年達到最大入滲深度，僅為290 cm[11]。深層土壤水分難以得到補充，加之檸條具有更長的根系，消耗更深土層的土壤水分。另外，多年生人工檸條林地中的林下植被，較撂荒地上所生長的植被而言，更為茂密，長勢更好。進而，也加劇了對植被對土壤中水分的消耗利用。

由于該區(qū)域降水的主要補給是通過降雨，而降雨具有一定的季節(jié)性，以至于土壤水分含量在季節(jié)的變化中呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。由圖1所示，檸條林地平均土壤容積含水量在9月份時最多為8.63%，其次是7月份為8.18%，4月份和8月份的含水量分別為7.90%和7.82%，最少的是5月、6月份7.44%和7.41%。在而撂荒地平均土壤容積含水量則在7月份時最多為9.15%，其次為9月份和8月份分別為9.08%，9.06%，5月份和6月份的平均土壤容積含水量分別為8.49%，8.14%，4月份最少為7.88%。由于在檸條林的生長季內(nèi)有大量降雨的補給，加之降雨對土壤水分補給的滯后性，加之9月份后檸條林生長變緩，使得土壤水資源在9月份最多。而7月、8月份的土壤含水量遠高于5月、6月份的土壤含水量，其原因一方面是檸條在5月、6月處于速生階段，需水量遠遠大于降雨對土壤的補給量；另一方面，在7月、8月份，均有過次降雨量超過50 mm的暴雨級別降雨，土壤水分得以補充。而撂荒地土壤水分各個月份的差異，則主要是受到降雨季節(jié)變化的影響。

2.2 檸條林地與撂荒地土壤水分比較

通過經(jīng)典統(tǒng)計學方法得出的土壤體積含水量的描述性特征(表1)。在檸條林的生長期內(nèi)，檸條林地和撂荒地不同深度的土壤體積含水量均值分別在4.18%～14.67%和2.87%～15.01%，二者均隨著深度的增加其土壤體積含水量表現(xiàn)出先增加—后減小—再增加的趨勢。在變異系數(shù)上而言，除了撂荒地160—180 cm、檸條林地120—140 cm土層深度的較其他深度突然升高外，其余土層的土壤體積含水量變異系數(shù)都隨著深度的增加而減小，其中撂荒地的變化區(qū)間為為7.39%～34.63%，檸條林地的變化區(qū)間為3.27%～31.12%。按照剖面土壤水分垂直變化變異系數(shù)劃分：速變層(CV≥30%)、活躍層(CV:20%～30%)、次活躍層(CV:10%～20%)以及相對穩(wěn)定層(CV≤10%)[12-13]。因而，對檸條林地和撂荒地土壤體積含水量垂直變異分層分別為：0—40 cm為速變層，40—100 cm為活躍層，100—160 cm為次活躍層，160—220 cm為穩(wěn)定層；0—40 cm為速變層，40—80 cm為活躍層，80—140 cm為次活躍層，180—220 cm為穩(wěn)定層。因二者的土層深度均達到220 cm時，其各自變異系數(shù)均小于10%達到穩(wěn)定層，且220 cm以下土層變化均不顯著為穩(wěn)定層，故可用0—220 cm深度土層的土壤體積含水量變異系數(shù)代表整個研究深度土層(0—760 cm)。由表一看出，在0—40 cm土層土壤體積含水量的變異系數(shù)最大，均為速變層，原因是受到地表降水的入滲補充、溫度、通風狀況以及蒸騰等外部作用使得該層土壤變化頻繁。接著到達活躍層，在該層林木根系耗水和降水是影響其土壤含水量的變化主要因素，當土壤含水量受到植被消耗時，在水勢梯度的作用下，深層土壤水分朝上轉(zhuǎn)移，植被生長需要得以保障。因撂荒地沒有檸條蒸騰作用的影響，并且所覆蓋的植被根系深度不及檸條根系，對土壤水分的消耗較少，故比檸條林地在深度上更早的到達次活躍層。隨后更深的土層受到外界干擾因素較少，其水分變化幅度小，含量較為穩(wěn)定。

表1 檸條林地和撂荒地土壤水分的統(tǒng)計特征

2.3 多年生人工檸條林的生長對土壤水分的影響

營造人工林的初衷是為了形成現(xiàn)實生產(chǎn)力并且能夠改善生態(tài)環(huán)境的功能，而這些功能的發(fā)揮則需以群落或林分體系來實現(xiàn)，因而達到有效植被群落質(zhì)量標準是建設(shè)人工林的基本要求[14]。同2002年該檸條林地密度65株/m2相比較[15]，多年生的檸條林地密度減少了32株/m2，降低幅度為49.2%。人工林地植株密度的降低，由于檸條林間個體對水肥的競爭，導致競爭能力弱的個體死亡；另外，該區(qū)域植物生長需水的唯一來源就是土壤水分，植物根系吸水、蒸發(fā)、蒸騰作用的耗水，加之不能及時得到降水的補充，導致土壤水分不斷下降，形成土壤干層，造成植物的萎蔫甚至永久的衰敗。對2018年檸條林地檸條生長期內(nèi)土壤容積含水量的平均值進行分析，研究二者土壤容積含水量總體垂直變化特征。如圖2所示，在淺土層0—200 cm處，二者的土壤容積含水量總體上隨著土層深度的增加經(jīng)歷了先增加后減少的過程。在0—20 cm土層深度的土壤，是中子源的部分中子在近地面發(fā)生逸散現(xiàn)象；另一方面，該層次土壤受到外界影響大，具有強烈的蒸散作用，進而導致該層土壤容積含水量偏低。在其后的土層中，二者土壤容積含水量因降水補充的影響逐漸減弱呈現(xiàn)出下降的趨勢，多年生的人工檸條林根系最深可超過500 cm，主要根系還是分布于0—150 cm土層[16]。因而，在20—200 cm土層內(nèi)，植物根系對該土層間的水分大量消耗利用，使得在其含水量急劇下降。在200 cm土層深度左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，土壤容積含水量逐漸增多。其原因在于，蒸發(fā)散作用對深層土壤水分的影響作用甚微，以及水分受到重力的作用向下不斷入滲。但在200 cm后的土層深度里，撂荒地土壤容積含水量與檸條林地土壤含水量的差量逐漸擴大，而在該層次深度的土壤中變異性弱，幾乎不受外界環(huán)境的影響，可推斷檸條林根系也影響著深層土壤水分。張文文等[17]于2012年通過CNC503 A(DR)型智能中子水分儀，對該區(qū)域即10 a生檸條林地和撂荒地土壤容積含水量總體變化進行全年定位觀測。利用2012年檸條林地全年土壤容積含水量的平均值，所得出多年生的人工檸條林地和撂荒地土壤容積含水量，在不同深度土層的含量，以及隨土層深度增加而呈現(xiàn)出的規(guī)律性變化與本文相同，即檸條林地土壤容積含水量隨著土層深度的增加而減少，在200 cm土層深度時土壤容積含水量發(fā)生轉(zhuǎn)折，開始隨著土層深度的增加而增大，在土層深度450 cm左右時突破并一直高于萎蔫系數(shù)。而2012年僅是檸條林地的土壤容積含水量出現(xiàn)低于萎蔫系數(shù)的情況，撂荒地并未出現(xiàn)。與2018年檸條林地和撂荒地的土壤容積含水量均出現(xiàn)在萎蔫系數(shù)之下的情況不同，2018年檸條林地土壤容積含水量開始高于萎蔫系數(shù)時的土層深度，較2012年檸條林地土層深度更深。

圖2 檸條林生長期內(nèi)平均土壤容積含水量變化

3 討 論

3.1 多年生人工林地土壤水分垂直變化規(guī)律

總體上來看，撂荒地各個深度土層的土壤容積含水量普遍高于檸條林地同等深度土層土壤容積含水量，由淺及深土壤容積含水量先增加后減少再增加，呈現(xiàn)出“N”型規(guī)律。該區(qū)域雨季與檸條生長季同期，土壤水分含量受到檸條林的生長和降水的共同影響。

3.2 檸條林地與撂荒地土壤水分變異系數(shù)比較

按照剖面土壤水分垂直變化變異系數(shù)劃分：速變層(CV≥30%)、活躍層(CV:20%～30%)、次活躍層(CV:10%～20%)以及相對穩(wěn)定層(CV≤10%)[12-13]。總體而言，同前人研究結(jié)果[17-19]相同，土壤容積含水量變異系數(shù)隨著土層深度增加而逐漸減小直至趨于穩(wěn)定。這是由于，在研究區(qū)內(nèi)土壤水分的變化主要通過降雨補充和蒸騰發(fā)散消耗來實現(xiàn)的，而越深層的土壤水分受到降水補充以及蒸發(fā)散消耗影響將會越小。因此，土壤容積含水量變異系數(shù)將會隨著土層深度的增加而減小。

3.3 多年生人工檸條林的生長對土壤水分的影響

同前人研究結(jié)論[20-21]一致，即檸條隨著林齡的增加其吸收根的深度也會增加。在整個生長季里，撂荒地和檸條林地土壤容積含水量均出現(xiàn)在萎蔫系數(shù)之下的情況，但是撂荒地土壤含水量較檸條林地，出現(xiàn)低于萎蔫系數(shù)的土層深度更淺，在最大入滲深度的范圍內(nèi)。而多年生的檸條林地則遠超最大入滲深度，難以通過降水補充土壤水分，將會發(fā)展成為土壤干層。只有通過科學的土壤水分植被承載力理論，對人工檸條林進行干預(yù)，解決好檸條林生長及對深層土壤水分的消耗，實現(xiàn)土壤水資源的可持續(xù)利用，進而發(fā)揮出人工林保土固沙，改善生態(tài)環(huán)境的作用效果。

4 結(jié) 論

(1) 撂荒地各個深度土層的土壤容積含水量普遍高于成年檸條林地同等深度土層土壤容積含水量，由淺及深土壤容積含水量先增加后減少再增加，呈現(xiàn)出“N”型規(guī)律。

(2) 成年人工檸條林地同撂荒地二者的土壤容積含水量變異系數(shù)都隨土層深度增加而逐漸減小，表層土壤水分具有強的變異性，而深層土壤變異性較弱(變異性)，是該區(qū)域土壤容積含水量變異系數(shù)所具有的共性。

(3) 成年人工檸條林的生長受到土壤水分的限制，同時也影響著土壤容積含水量的變化。在生長期內(nèi)土壤容積含水量變化趨勢同撂荒地類似先增加后減少再增加，但檸條林對深層土壤水分的消耗影響深遠。