張立俞, 邸 利, 任藝彬, 黃海霞, 倪 帆, 吳賢忠, 王安民, 汝海麗, 劉俊俊

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730070; 2.隴東學(xué)院 農(nóng)林科技學(xué)院,甘肅 慶陽(yáng) 745000; 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 蘭州 730070; 4.蘭州市城市學(xué)院, 蘭州 730070;5.平?jīng)鍪兴帘３挚茖W(xué)研究所, 甘肅 平?jīng)?744000; 6.涇川縣自然資源局, 甘肅 涇川 744300)

在黃土高原區(qū)國(guó)家先后啟動(dòng)了天然林保護(hù)、退耕還林(草)與“三北”防護(hù)林建設(shè)等一系列林業(yè)重點(diǎn)生態(tài)工程，其主要目的是恢復(fù)這一地區(qū)的生態(tài)植被；植被措施(植樹(shù)種草等)和農(nóng)業(yè)耕作措施與工程措施被認(rèn)為是水土保持三大措施[1]，措施的實(shí)施會(huì)影響土壤水分的動(dòng)態(tài)過(guò)程和靜態(tài)分布[2]；反之，土壤水分的分布和動(dòng)態(tài)發(fā)生變化，也會(huì)影響水土保持措施的實(shí)施及其效益[3]。目前有關(guān)水土保持措施對(duì)土壤水分的影響研究已有很多，不同林分密度的對(duì)比及林、草地的對(duì)比研究均有，但未見(jiàn)細(xì)化到不同地形部位林草地土壤水分的研究，也未見(jiàn)有關(guān)隴東黃土高原人工刺槐林土壤水分的系統(tǒng)研究。

在自然狀態(tài)下，土壤水分在氣候、土壤、地形及植被的共同作用下表現(xiàn)出極大的時(shí)空異質(zhì)性及很強(qiáng)的尺度效應(yīng)[4-5]。不同的地表形態(tài)水分的靜態(tài)分布和動(dòng)態(tài)過(guò)程不同，從而引起土壤含水率的變化[6]。在土壤垂直剖面上，不同植被類(lèi)型土壤含水量受外界環(huán)境(氣溫、降水、土壤蒸發(fā))與植被生長(zhǎng)(植被蒸騰、植被根系吸收)的共同影響，表現(xiàn)出不同的變化特征[7]。近年來(lái)關(guān)于黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤水分的效應(yīng)、動(dòng)態(tài)變化、影響等方面的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已進(jìn)行了廣泛研究[8]。有研究表明，在大尺度上土壤含水量的空間異質(zhì)性主要受降水等大氣屬性的影響；在小尺度范圍地形、植被、土地利用類(lèi)型、土壤理化性質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量等是土壤含水量的主要控制因素[9-11]。土壤水分在多因子的影響下具有極大的時(shí)空異質(zhì)性，氣候(溫度、降雨等)、地形(坡向、坡度、坡位等)、土地利用、植被等對(duì)土壤水分的時(shí)空異質(zhì)性皆有重要影響[12-13]。楊海軍等[14]研究了晉西黃土殘塬溝壑區(qū)水土保持林地的水量平衡后認(rèn)為:大氣垂直降水量是黃土區(qū)水土保持林地的唯一水分輸入量;刺槐、油松等喬木林的蒸散量超過(guò)同期降水量，易于發(fā)生土壤干旱;造林密度過(guò)大是造成林地蒸散量大的直接原因。楊新民等[15]研究了陜北黃土丘陵溝壑區(qū)刺槐林地的水量平衡，認(rèn)為該區(qū)的林冠截留量、徑流量和蒸散量之和已等于大氣降水量，大氣降水沒(méi)有多余的水量可補(bǔ)給林下土壤來(lái)儲(chǔ)存，土壤水分經(jīng)常處于虧缺狀態(tài)。馬玉璽等[16]研究了丘Ⅱ區(qū)刺槐林的材積生長(zhǎng)與水分生態(tài)條件的關(guān)系，表明當(dāng)年的降水沒(méi)有或僅有少量得到利用；刺槐由于蒸散量大，生產(chǎn)力過(guò)高，惡化了土壤水分環(huán)境，加劇了土壤的干燥，而不利于刺槐林后期的生長(zhǎng)。

隴東黃土高原屬典型的黃土溝壑區(qū)，在流域尺度，地形是影響土壤水分空間異質(zhì)性的重要因素[17-20]。鑒于前人的研究成果，本文以隴東黃土丘陵溝壑區(qū)的中溝小流域不同植被措施(高、中、低密度人工刺槐林與次生草地)的土壤水分觀測(cè)為基礎(chǔ)，綜合考慮不同土地利用方式(林地、草地)土壤水分特征及大面積退耕還林(尤其是人工純林)的林分密度這一植被治理措施下的土壤水分差異。力爭(zhēng)明確不同地貌部位適宜種植的植被類(lèi)型與種植密度，為該區(qū)植被措施的合理布局與配置提供土壤水分依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)就設(shè)在位于隴東黃土高原涇川縣官山林場(chǎng)中溝小流域(107°31E，35°20′N(xiāo))內(nèi)，該小流域面積2.09 km2，海拔1 072～1 351 m，年日照時(shí)數(shù)2 315.4 h，年平均氣溫10℃，無(wú)霜期174 d，降雨量年度變化較大且年內(nèi)分布不均勻，全年降水主要集中于7—9月份，年平均降雨555 mm，年蒸發(fā)量1 181.6 mm，干燥度0.95～1.28；土層深厚，日照充足，但地形破碎，有塬面、梁坡、溝臺(tái)和溝谷。因地處森林草原過(guò)渡帶，植被覆蓋率低，現(xiàn)有林地均是近40 a來(lái)人工營(yíng)造，草地為林間撂荒草地，主要樹(shù)種為刺槐(Robiniapseudoacacia)，占整個(gè)林分面積的92%。其他造林樹(shù)種有楊樹(shù)(Populustremula)、旱柳(Salizmatsudana)、泡桐(Paulowniafortunei)、側(cè)柏(Biotaorientalis)和華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)等。林下草本植物主要為鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、沙棘(Hippophaerhamnoideslinn.)、短花針茅(Stipabreviflora)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、狗尾草(Setariafaberii)、多花胡枝子(Lespedezafioribunda)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與采樣

試驗(yàn)于2018年4—10月在涇川縣官山林場(chǎng)進(jìn)行。依據(jù)前期林分結(jié)構(gòu)調(diào)查的結(jié)果，將研究區(qū)內(nèi)10個(gè)林地樣地(表1)劃分為高(≥4 000株/hm2)、中(2 000～4 000株/hm2)、低(1 000～2 000株/hm2)3個(gè)密度等級(jí)；同時(shí)在流域內(nèi)主要的地表形態(tài)(塬面、梁坡、溝臺(tái))上選擇林地(4個(gè))與草地(3個(gè))樣地，采用傳統(tǒng)的土鉆采樣法對(duì)土壤進(jìn)行分層采樣，以測(cè)定土壤的含水率。

表1 樣地信息

測(cè)定的土層深度為0—120 cm，按照0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm，100—120 cm分層，每層取3個(gè)重復(fù)，即在無(wú)人為擾動(dòng)的自然狀態(tài)下，隨機(jī)選取樣地上、中、下3個(gè)采樣點(diǎn)。在105～108℃下烘烤8 h至恒重，測(cè)定各土壤樣品的含水量，每層土壤含水量取其算數(shù)平均值。

土壤質(zhì)量含水率=(濕土質(zhì)量-烘干土質(zhì)量)/烘干土質(zhì)量×100%

(1)

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行分析，使用Origin 2019軟件繪制圖形，采用SPSS 9.1進(jìn)行單因素方差分析，以此來(lái)研究不同水土治理方式和不同林分密度刺槐林地土壤水分含量的差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分密度刺槐林地土壤含水量隨土層深度與時(shí)間的變化

3.1.1 不同林分密度刺槐林地土壤水分隨土層深度的變化 從土壤平均含水量在土壤垂直剖面上的變化曲線(xiàn)(圖1)可以看出，高、中、低3個(gè)密度等級(jí)的人工刺槐林地土壤水分的變化趨勢(shì)基本一致，均為在近地表(0—60 cm)隨土層深度增加而減少(其中在0—40 cm土層范圍內(nèi)是迅速減少，40—60 cm減少的幅度有所放緩)，60 cm處出現(xiàn)拐點(diǎn)之后，3個(gè)密度林地的土壤含水量隨深度的變化趨于緩和(中密度林地幾乎不變，而低密度和高密度略有增加)；同時(shí)在近地表(0—60 cm)中、低密度刺槐林土壤水分差異最小，但明顯高于高密度刺槐林，大約高出3.50%；土壤含水量最大值出現(xiàn)在近地表0—15 cm的中密度林地(20.76%)。

圖1 不同林分密度刺槐林地土壤含水量隨土層深度的變化

3.1.2 不同林分密度土壤水分含量季節(jié)性變化 由圖2可以看出，隨著時(shí)間的變化，高、中、低林分密度土壤水分含量變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)出幾乎對(duì)稱(chēng)的變化狀態(tài)(4—6月緩慢下降，6—7月快速上升，7—8月迅速下降，8—10月緩慢上升)，且6—8月變化幅度大，而4—6月和8—10月變化較為和緩；3個(gè)密度等級(jí)中高密度林地土壤水分含量的變化幅度最大(7.31%)，并在8月份后仍然在緩慢下降(其他2個(gè)密度的林地這一時(shí)期土壤水分含量是略有所上升的)；低、中密度林地的土壤水分含量在7—8月非常接近。詳細(xì)分析中密度等級(jí)的人工刺槐林土壤水分含量隨著時(shí)間的變化還可以看出：中密度刺槐林地在生長(zhǎng)季(4—6月)土壤含水量的下降幅度高于低密度與高密度。

圖2 不同林分密度刺槐林地土壤水分含量隨時(shí)間的變化

3.2 草地和林地的土壤水分垂直分布差異

考慮到地表形態(tài)對(duì)土壤水分的影響，研究分別選取了塬面、梁坡與溝谷3種地形部位的刺槐林地與草地進(jìn)行比較。

3.2.1 塬面林地和草地土壤含水量隨土壤剖面深度的變化 由圖3A可以看出，塬面林草地土壤含水量隨土層深度的變化趨勢(shì)非常相似，均為隨著土層深度的增加而減小；但林地土壤含水量明顯要大于草地，其變化幅度也大，在0—40 cm范圍內(nèi)呈現(xiàn)銳減狀態(tài)，40 cm處出現(xiàn)拐點(diǎn)，從大于20%一直下降到13%左右，減少了近8%，之后略有增加便基本保持穩(wěn)定；而草地土壤水分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于林地，大約低10.57%，在0—10 cm的淺表層土壤含水量大于6%，80 cm處最低，在3%左右，并草地土壤含水量隨土層深度的變化幅度明顯小于林地，在0—40 cm范圍內(nèi)是緩慢減少的，之后變幅更小。

3.2.2 梁坡林地和草地土壤含水量隨土壤剖面深度的變化 從圖3B可以看出，梁坡上林地與草地土壤含水量的變化在表層是相反的；在0—40 cm范圍內(nèi)林地土壤水分含量一直在下降達(dá)，到40 cm下降到最低點(diǎn)；而草地0—40 cm范圍內(nèi)是隨著土層深度的增加而逐漸增加的；40 cm以下林地與草地土壤含水量的變化都趨于和緩；梁坡林地和草地深層土壤水分的含量是最為接近的。

3.2.3 溝臺(tái)林地和草地土壤含水量隨土壤剖面深度的變化 由圖3C可得，溝臺(tái)地林草在0—20 cm深度范圍內(nèi)變化趨勢(shì)一致，均隨著土層深度的增加而下降；但林地是一直下降，直到60 cm埋深處才降到最低點(diǎn)，而草地在20 cm左右轉(zhuǎn)為升高，即林地與草地土壤水分隨著土層深度的增加逐漸下降的態(tài)勢(shì)只是在表層，20 cm以下隨著土層深度的增加，林草的變化趨勢(shì)相反，在20—60 cm范圍內(nèi)，草地是逐漸增加的，而林地是繼續(xù)下降；60 cm以下隨著土層深度的增加林地與草地土壤水分變化不再明顯；溝臺(tái)地林地土壤水分隨著土層深度變化的總趨勢(shì)最明顯，基本上一直為減少狀態(tài)。

圖3 不同地形溝臺(tái)林地和草地月平均含水量隨土層深度的變化

3.3 林地和草地土壤水分的季節(jié)變化特征

由圖4可知，林地和草地土壤含水量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，變化趨勢(shì)基本一致，從4月到10月整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)大致表現(xiàn)為：緩降—急升—速降—緩升，整個(gè)地貌部位大體呈現(xiàn)出同一規(guī)律的動(dòng)態(tài)變化(4—6月土壤水分含量緩慢降低，6—7月土壤水分含量直線(xiàn)迅速上升，7—8月土壤水分含量迅速下降，9—10月份土壤含水量緩慢下降)，6—8月有較大變幅，7月份達(dá)到最大值并在不同地貌部位，土壤水分含量多為林地高于草地。

圖4 不同地形林地和草地0-120 m平均土壤含水量季節(jié)性變化規(guī)律

3.4 不同植被類(lèi)型土壤水分隨土層深度剖面的差異性

分析表2可知，不同地貌部位林地的變異系數(shù)均大于草地。綜合分析表明：在0—60 cm范圍內(nèi)隨著土層深度的增加，在不同地形部位(塬面、梁坡和溝臺(tái))，林地的土壤含水量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而草地變化沒(méi)有林地明顯。對(duì)0—20 cm土壤平均含水量進(jìn)行分析顯示：塬面林地土壤含水量比草地土壤高，溝臺(tái)的差異較小，梁坡差異較大；在40—120 cm土層深度范圍，塬面林地土壤含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草地的土壤含水量，梁坡林地和草地的土壤含水量非常接近，溝臺(tái)草地土壤含水量遠(yuǎn)高于溝臺(tái)林地。不同密度人工刺槐林土壤含水量在不同埋深多表現(xiàn)為：低密度林分>中密度林分>高密度林分，但近地表(0—60 cm)中、低密度刺槐林土壤水分差異很小，并明顯高于高密度刺槐林；同時(shí)生長(zhǎng)季開(kāi)始高、中、低密度刺槐林土壤水曲線(xiàn)呈現(xiàn)緩降—急升—速降—緩升的變化；3個(gè)密度等級(jí)在夏季(6—8月)最為接近，6—7月土壤含水量快速上升，7月達(dá)到峰值，之后迅速下降，并7—8月中密度和低密度刺槐林的土壤含水量幾乎一致，曲線(xiàn)基本重合。

表2 不同植被類(lèi)型土壤水分隨土層深度剖面的差異

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

總的來(lái)看，不同林分密度與不同植被類(lèi)型樣地土壤水分含量均表現(xiàn)為隨土層深度的增加先降低后上升，并隨著土層深度的增加上層土壤水分含量的波動(dòng)程度大于下層。這王迪海[21-22]、李劍[23]、胡小寧[24]等前期在這一地區(qū)的研究結(jié)果相一致，但他們的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，土壤含水量是從100 cm開(kāi)始隨土層深度的增加緩慢增大，而我們的研究則顯示：近地表0—60 cm土壤水分波動(dòng)較大，在60 cm附近有明顯的拐點(diǎn)，這一變化趨勢(shì)在不同密度林地、梁坡與溝臺(tái)林草地土壤水分垂直變化中均表現(xiàn)明顯；由此表明：從2007—2018年10 a的時(shí)間隴東黃土高原土壤水分速變層(Cv>0.3)變淺，土壤水分受外界條件的影響程度逐漸減輕，結(jié)合氣象條件可深入分析這一地區(qū)經(jīng)過(guò)40余年的植被恢復(fù)土壤水分條件的變化。土壤水分含量隨土層剖面深度的增加呈先降低后上升的變化趨勢(shì)也與孔凌霄[25]、安文明[26]、張瑞[27]、易彩瓊[28]、祝倩[29]等的研究結(jié)果相一致，表明半干旱地區(qū)雨季土壤水分向深層入滲的滯后性，使表層土壤水分含量大于深層。

雖然不同密度刺槐林，無(wú)論隨著土層深度的增加還是隨著時(shí)間的變化，土壤含水量表現(xiàn)為：低密度林分>中密度林分>高密度林分，但也并非林分密度越低土壤含水量越高，鑒于在近地表(0—60 cm)中、低密度刺槐林土壤水分差異很小、土壤含水量最大值出現(xiàn)在近地表0—15 cm的中密度林地及低、中密度林地的土壤水分含量在7—8月非常接近等現(xiàn)象，我們認(rèn)為中密度等級(jí)人工刺槐林生態(tài)耗水在近地表與夏季7—8月接近甚至低于低密度林地，從生態(tài)效益的角度來(lái)看在隴東黃土高原更適宜中密度林的種植；今后在區(qū)域植被建設(shè)和土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，要充分考慮植被類(lèi)型和地形的交互作用，開(kāi)展混交林的研究，選擇出適宜種植的混交林及其種植密度；同時(shí)完善土壤侵蝕觀測(cè)，細(xì)化密度等級(jí)，以找出不同地形條件下更加適宜的種植密度；并關(guān)注中密度刺槐林地在4—6月土壤含水量的下降幅度高于低密度與高密度的事實(shí)，加強(qiáng)春季用水管理。

4.2 結(jié) 論

(1) 在近地表(0—60 cm)處，無(wú)論是不同密度的林地，還是不同地表形態(tài)的林地與草地土壤含水量隨土層深度的增加而降低，并且表層土壤含水量變異系數(shù)大于深層，0—60 cm土壤水分變異系數(shù)呈快速減小的趨勢(shì)，土壤水分波動(dòng)較大，變化較劇烈，而在60 cm土層以下土壤水分趨于穩(wěn)定。

(2) 不同密度刺槐林，無(wú)論隨著土壤剖面的各個(gè)深度還是不同時(shí)段，土壤含水量多表現(xiàn)為：低密度林分>中密度林分>高密度林分；但中、低密度刺槐林土壤水分在近地表(0—60 cm)差異很小，并且7—8月份這2個(gè)密度等級(jí)林地的含水量非常接近。從生態(tài)效應(yīng)的角度，我們認(rèn)為隴東黃土高原區(qū)林地種植密度在2 000～4 000株/hm2為宜。

(3) 不同地貌類(lèi)型林地和草地土壤含水量隨著土層深度的變化不一，塬面：林地>草地；梁坡：0—40 cm土壤范圍內(nèi)林地>草地，40 cm以下林地與草地土壤含水量基本保持在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，二者差異很小，草地略高于林地；溝臺(tái)：0—20 cm土壤范圍內(nèi)林地>草地，20 cm以下草地>林地；塬面土層深厚林地較草地具有較強(qiáng)的涵養(yǎng)水源的作用而更為適宜種植，梁坡在表層林地含水量大于草地，40 cm以下兩者差異很小，以及梁坡地5月份土壤水分回升快，因此適宜種植林木，溝臺(tái)則種草優(yōu)于種樹(shù)。