黃曉宇 韓永貴 韓磊

(寧夏大學(xué)，銀川，750021)

土壤水分作為區(qū)域水資源的重要組成部分，是聯(lián)系大氣水、地下水、地表水和生物水的紐帶[1]，并成為土壤-植被-大氣連續(xù)體中水循環(huán)的重要組成部分。沙區(qū)土壤水分狀況是氣候、植被、地形及土壤因素的綜合反映[2]，是影響植被生長(zhǎng)發(fā)育的重要指標(biāo)，并成為影響沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被演替的關(guān)鍵因素[3]。開(kāi)展沙區(qū)土壤水分時(shí)空變化的研究，是沙區(qū)土壤水資源研究的重要環(huán)節(jié)，對(duì)沙區(qū)植被恢復(fù)、區(qū)域水資源合理利用具有實(shí)踐意義[4-5]。寧夏河?xùn)|沙區(qū)位于毛烏素沙地西南緣，鄂爾多斯臺(tái)地東北部，西臨黃河，南靠黃土高原[6]，在空間上是我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)最具有過(guò)渡性地域特征的沙地[7]，該區(qū)域氣候干旱，生態(tài)脆弱，土壤水分已成為沙地植被恢復(fù)的主要限制因子[8]，加之水資源短缺、水土流失嚴(yán)重，研究干旱沙區(qū)人工林營(yíng)建對(duì)區(qū)域水分環(huán)境的影響具有重要意義。

土壤水分動(dòng)態(tài)變化不僅隨時(shí)間發(fā)生改變，同時(shí)也受植被類(lèi)型、大氣降水、地形、坡度等多種因素的影響。周宏飛等[9]在研究荒漠灌木梭梭(Haloxylonammdendron)時(shí)，發(fā)現(xiàn)土壤水分具有明顯的季節(jié)變化，春季土壤水分的影響最為強(qiáng)烈。趙文智[10]發(fā)現(xiàn)在相同環(huán)境條件下，不同植被差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)土壤水分差異顯著。張進(jìn)虎[11]研究發(fā)現(xiàn)，不同植物群落以及同一植被不同的立地類(lèi)型的土壤水分時(shí)空分布格局不同，各林地土壤含水量的季節(jié)變化差異顯著，而垂直分布上總體表現(xiàn)出明顯的分層特征。有學(xué)者研究了我國(guó)不同地區(qū)的植被造林密度對(duì)區(qū)域土壤水分的影響，發(fā)現(xiàn)隨著林分密度的增加，土壤含水率呈下降趨勢(shì)[12]，為此，本研究以寧夏河?xùn)|沙區(qū)典型防護(hù)林樹(shù)種檸條(Caraganakorshinskii)、刺槐(Robiniapseudocacia)、胡楊(Populuseuphratica)等樹(shù)種組成的人工林為研究對(duì)象，分析同一樹(shù)種的不同坡度條件下的土壤水分時(shí)空變化、不同林地土壤水分動(dòng)態(tài)變化及其與氣象因子之間的關(guān)系、區(qū)域小尺度土壤水分對(duì)典型旱區(qū)植物生長(zhǎng)的影響，以期為寧夏河?xùn)|沙區(qū)的植被恢復(fù)和生態(tài)工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于寧夏河?xùn)|沙區(qū)南緣的白芨灘國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(38°3′N(xiāo)，106°22′E；海拔1 150 m)，屬溫帶大陸性氣候。年均氣溫8.8 ℃，年均日照時(shí)間3 080.2 h，年均氣溫8.8 ℃。多年平均降水量209.7 mm，降水多集中在7—9月份，占年降水量的72.4%。多年平均蒸發(fā)量為1 800 mm，無(wú)霜期140～160 d[13]。

2 研究方法

2.1 土壤含水量測(cè)定

在不同林地內(nèi)分別布設(shè)6個(gè)20 m×20 m樣地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，樣地編號(hào)為A～F，觀測(cè)期為6—10月份，各樹(shù)種人工林樣地基本特征見(jiàn)表1。采用時(shí)域反射儀(TDR，IMKO，TRIME-PICO，Germany)于2018年6—10月份，每隔7 d，在晴天對(duì)樣地土壤含水率進(jìn)行測(cè)定，如遇陰雨天TDR測(cè)定延后。分別根據(jù)人工林樣地基本特征(表1)來(lái)進(jìn)行TDR探管埋設(shè)，每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇研究目標(biāo)并分別設(shè)置3次重復(fù)。測(cè)定深度為0～200 cm，其中0～120 cm每隔10 cm進(jìn)行觀測(cè)，120 cm以下每隔40 cm進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)期間利用試驗(yàn)地Vantage Pro 2(Davis Inc., USA)小型氣象站，每隔15 min對(duì)降水量、大氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行收集和存儲(chǔ)。

表1 寧夏河?xùn)|沙區(qū)典型人工林樣地特征

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，數(shù)據(jù)后同列不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)；其中檸條測(cè)定地徑指標(biāo)，刺槐、胡楊測(cè)定胸徑指標(biāo)。

2.2 變異系數(shù)計(jì)算

為研究土壤水分時(shí)間異質(zhì)性，利用變異系數(shù)(Cv)公式計(jì)算土壤水分變異系數(shù)。

Cv=σ/μ；

式中：Cv為土壤水分變異系數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為土壤水分平均值；Xi為各層土壤水分平均值。根據(jù)文獻(xiàn)[14]、[15]，土壤剖面可劃分為相對(duì)穩(wěn)定層(變異系數(shù)≤0.1)、次活躍層(0.1<變異系數(shù)≤0.2)、活躍層(0.2<變異系數(shù)≤0.3)和激變層(變異系數(shù)>0.3)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0對(duì)不同坡度的各個(gè)林地土壤含水率進(jìn)行表述統(tǒng)計(jì)和正態(tài)檢驗(yàn)，然后進(jìn)行單因素方差分析，并用LSD進(jìn)行多重比較分析；采用Pearson相關(guān)性分析不同林地土壤含水率與大氣環(huán)境因子的關(guān)系；采用Surfer 10.0繪制土壤含水率及其變異系數(shù)等值線圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 生長(zhǎng)季降水與氣溫變化特征

試驗(yàn)地6—10月份平均降水量為28.52 mm，其中7—9月份分別為73.0、33.4、25.7 mm，占觀測(cè)期內(nèi)總降水量的92%，單日最大降水量為13.1 mm。研究期內(nèi)7月份出現(xiàn)最高月均溫，為24.9 ℃，最高氣溫35.9 ℃，10月份出現(xiàn)最低月均溫，為10 ℃，最低氣溫-5.3 ℃。研究區(qū)7月份降水量和月均溫達(dá)到最大值，8—10月份整體呈下降趨勢(shì)，降水量減少，氣溫急劇下降。

3.2 不同林地土壤水分特征及變異系數(shù)

由圖1所示，土壤水分具有明顯的分層變化特征。不同坡度檸條林地(A、B、C)0～200 cm土壤含水率相對(duì)較低，而同一坡度下檸條林地(D)、刺槐林地(E)、胡楊林地(F)土壤含水率相對(duì)較大且各土層變化明顯。其中樣地A平均土壤含水率為3.2%，表層含水率相對(duì)較小，50 cm土壤含水率達(dá)到最低值(1.07%)，而深層土壤含水率(80～200 cm)相對(duì)較高，最高可達(dá)5.48%。樣地B土壤垂直含水率差異不明顯，平均為2.8%。樣地C平均土壤含水率為1.27%，土壤表層和深層含水率較高，而60～120 cm土壤含水率呈相反趨勢(shì)。D、E、F樣點(diǎn)平均土壤含水率分別為6.72%、7.49%、5.78%，40～140 cm土壤含水率較高，而表層土壤和深層土壤趨勢(shì)與之相反。不同林地土壤含水率表明，降水對(duì)較淺層土壤含水率影響明顯，對(duì)深層土壤含水率影響不明顯，而人工灌溉對(duì)40～140 cm土壤含水率影響相對(duì)顯著。不同林地土壤水分變異系數(shù)整體隨土壤深度增加而變小，具體分層見(jiàn)圖2。

3.3 不同坡度土壤水分動(dòng)態(tài)

3.3.1 垂直變化

由表2可見(jiàn)，檸條林地不同坡度間不同層次土壤含水率差異較大。坡度為10°時(shí)(樣地A)，全剖面與激變層和活躍層土壤含水率變化差異顯著(P<0.05)，而與次活躍層差異不顯著(P>0.05)；坡度為16°時(shí)(樣地B)，各土層之間差異不顯著；坡度為24°時(shí)(樣地C)，全剖面與激變層和活躍層差異顯著(P<0.05)，與次活躍層差異不顯著(P>0.05)，而活躍層與次活躍層差異顯著(P<0.05)。在全剖面層，樣地C與樣地A和樣地B存在顯著性差異(P<0.05)，樣地A和樣地B無(wú)顯著性差異；在活躍層，樣地A、B、C存在顯著性差異(P<0.05)；在次活躍層，樣地C與樣地A和樣地B存在顯著性差異(P<0.05)，樣地A和樣地B無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

表2 寧夏河?xùn)|沙區(qū)不同坡度檸條林地土壤含水率差異

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同樣地間差異顯著(P<0.05)。

3.3.2 時(shí)間變化

不同坡度檸條林地各月份土壤含水率變化呈先增加后減少的趨勢(shì)，其中7月份土壤含水率最高(圖3)。坡度為10°時(shí)(樣地A)，土壤含水率整體呈帶狀分布，0～70 cm土壤含水率相對(duì)較低，>70～100 cm變化趨勢(shì)相對(duì)平緩，各月份變化幅度不大，>100～200 cm土壤含水率相對(duì)較高，6—10月份深層土壤含水率呈遞減趨勢(shì)。6—10月份平均土壤含水率分別為3.24%、3.89%、3.30%、2.94%、2.41%。6—8月份土壤含水率相對(duì)集中，其中7月份達(dá)到最高值。坡度為16°時(shí)(樣地B)，檸條林地的季節(jié)性差異相對(duì)顯著。6—10月份平均土壤含水率分別為3.08%、4.18%、2.57%、1.44%、2.18%，6、7月份平均土壤含水率呈上升趨勢(shì)，8、9月份平均土壤含水率迅速遞減。其中7月份和9月份0～80 cm土壤含水率呈相反趨勢(shì)，而6、8、10月份垂直土壤含水率相對(duì)平緩。坡度為24°時(shí)(樣地C)，6—10月份平均土壤含水率分別為0.61%、2.19%、1.32%、1.32%、0.85%，其中表層(0～40 cm)土壤含水率在垂直剖面上相對(duì)較高，>40～120 cm土壤含水率相對(duì)在垂直剖面上相對(duì)較低，而>120～160 cm土壤含水率又有平穩(wěn)提升。6月份土壤含水率整體平穩(wěn)呈較低狀態(tài)，7月份土壤含水率達(dá)到最高值，8—10月份土壤含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)遞減。結(jié)果表明，不同坡度對(duì)土壤含水率的影響顯著，并存在一定差異。

3.4 氣象因子對(duì)不同林地土壤水分時(shí)間差異的影響

3.4.1 不同林地土壤水分時(shí)間差異

分別選取相同灌溉條件和相同坡度的檸條(D)、刺槐(E)以及胡楊(F)林地，分析不同林地6—10月份的土壤含水率時(shí)間差異。根據(jù)表3所示，6月份檸條林地土壤水分與7—10月份土壤水分存在顯著差異(P<0.05)，6、10月份胡楊林地土壤水分與7—9月份土壤水分存在顯著差異(P<0.05)，而刺槐林地土壤水分季節(jié)差異不顯著(P>0.05)，觀測(cè)期間7—9月份各個(gè)林地之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。其中，不同林地平均土壤含水率由大到小依次為刺槐林地(7.49%±0.92%)、檸條林地(6.72%±1.46%)、胡楊林地(5.78%±0.76%)。

表3 寧夏河?xùn)|沙區(qū)不同林地土壤水分差異性

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

3.4.2 不同層次土壤水分與氣象因子之間的關(guān)系

由表4可知，不同林地各層土壤含水率與氣象因子具有一定相關(guān)性。各個(gè)林地與降水量和相對(duì)濕度均呈顯著正相關(guān)，與風(fēng)速均呈顯著負(fù)相關(guān)。觀測(cè)期間氣象因子中相對(duì)濕度的影響因素較大，并且各林地深層土壤水分與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)。相關(guān)性分析結(jié)果表明，不同林地和不同層次土壤含水率受氣象因子影響程度差異較大。

表4 寧夏河?xùn)|沙區(qū)不同林地各層土壤含水率與氣象因子的相關(guān)性

注：** 表示在0.01水平顯著；*表示在0.05水平顯著。

4 結(jié)論與討論

4.1 坡度對(duì)各林地土壤水分的影響

在干旱半干旱地區(qū)，坡度是影響植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵地形因素[16]。本研究對(duì)比不同坡度條件下檸條林地土壤水分變化情況，認(rèn)為檸條林地平均土壤含水率隨坡度增加而下降。Hawley et al.[17]和蔡慶空等[18]研究也表明，坡度較為直觀地影響了土壤水分保蓄量與運(yùn)移過(guò)程，是影響土壤水分的主要控制因素。當(dāng)坡度較小時(shí)，土壤水分在深層聚集，深層土壤水分因重力作用[19]下滲嚴(yán)重，活躍層土壤含水率相對(duì)較大；而坡度較大時(shí)，活躍層和次活躍層土壤含水率較小，原因可能是隨著坡度增加，降水徑流系數(shù)變大，入滲到土壤中的水量減少[20]，土壤含水率相對(duì)較低。本研究結(jié)果與祁文燕[21]研究結(jié)果不同，祁文燕認(rèn)為0～40 cm深度土壤蓄水量受降水、蒸發(fā)和下滲等因素的影響，使得表層土壤含水率比深層土壤含水率低，且不同時(shí)段、坡面的土壤蓄水量可能會(huì)出現(xiàn)明顯空間自相關(guān)性，蓄水量隨土壤深度有所變化。

4.2 氣象因素對(duì)各林地土壤水分的影響

土壤水分時(shí)空變異是由多重尺度上的土地利用、氣象、土壤、地形等多種因子多重作用的結(jié)果[22]。而土壤水分時(shí)空變異受環(huán)境因素影響強(qiáng)烈，并且在時(shí)間尺度上，土壤水分的變化主要受氣象因子的調(diào)控[23-24]。耿燕等[25]研究表明，平均風(fēng)速與土壤水分呈負(fù)相關(guān)，整體看中層(30～40 cm)相關(guān)性最為顯著。徐慶華等[26]研究表明，土壤水分蒸發(fā)量與氣象因子有較大的關(guān)系，其中與光合有效輻射和風(fēng)速呈正相關(guān)，與露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。不同林地的次活躍層較深，土壤水分蒸發(fā)量相對(duì)較小，因此與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)。徐勇峰等[27]研究楊樹(shù)土壤水分變化及其與氣象因子的關(guān)系同樣發(fā)現(xiàn)，土壤水分的變化與相對(duì)濕度和土壤溫度呈正相關(guān)(P<0.01)，與平均風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。而本研究結(jié)果表明，氣象因子中相對(duì)濕度的影響因素較大，并且各林地深層土壤水分與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，不同林地和不同層次土壤含水率受氣象因子影響程度差異較大。

4.3 各林地土壤水分時(shí)間性差異

由于入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)以及地形等因素的共同作用，沙地土壤水分具有明顯的時(shí)間變化規(guī)律。本研究表明，6—7月份是土壤水分的補(bǔ)給期，8—10月份是土壤水分的耗損期。7—9月份3種林地土壤含水率差異不顯著(P>0.05)；10月份胡楊林地與檸條林地、刺槐林地存在顯著性差異(P<0.05)，檸條林地與刺槐林地?zé)o顯著性差異(P>0.05)。陳洪松等[28]研究表明，降水入滲及再分布是土壤水分運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化機(jī)制的重要影響因素。由于研究區(qū)7月份降水集中，大量降水入滲補(bǔ)給土壤水分，土壤含水率相對(duì)較高。在7月份后，氣溫迅速升高導(dǎo)致土壤蒸發(fā)加劇，另一方面隨著植物葉面積增加蒸騰耗水量增大，致使土壤水分消耗迅速，隨時(shí)間改變土壤含水率呈整體下降趨勢(shì)。而10月份后，降水量減少，隨著氣溫逐步降低，植物蒸騰速率減小，土壤水分整體下降且趨于穩(wěn)定狀態(tài)。谷忠厚等[29]研究表明，土壤含水率是影響植物蒸騰的最主要因素，當(dāng)水分充足時(shí)，葉片蒸騰速率隨著光合有效輻射強(qiáng)度和溫度的升高而增加。不同林地土壤水分受降水、氣溫以及蒸騰散發(fā)等影響，季節(jié)變化差異顯著，但降水入滲補(bǔ)給深度、植物根系耗水和土壤水分沿坡面的再分布有待進(jìn)一步研究。