李衛(wèi)珍

（山西省黑茶山國(guó)有林管理局，山西 呂梁 033000）

在干旱和半干旱地區(qū)，土壤水分是生態(tài)重建的主要限制性因子之一[1]。土壤水分受氣候和下墊面因素的影響，具有明顯的地帶性和周期性[2]。有關(guān)黃土高原對(duì)土壤水分的研究較多，高思遠(yuǎn)[3]基于對(duì)晉西黃土區(qū)典型人工林地土壤含水量的長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)，定量分析了晉西黃土區(qū)不同植被類(lèi)型的土壤水分動(dòng)態(tài)變化。趙丹陽(yáng)[4]以晉西黃土區(qū)5 種典型林地土壤為研究對(duì)象，對(duì)其土壤水分年內(nèi)時(shí)空變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究；土壤水分是黃土高原植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境重建的決定因子。王云強(qiáng)等人[5]利用網(wǎng)格布點(diǎn)，在黃土高原小流域中73 個(gè)樣點(diǎn)，對(duì)0～500 cm 的土壤水分的空間異質(zhì)性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明土壤水分在水平和垂直方向都表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，受到土地利用方式、植被類(lèi)型、地形要素、土壤質(zhì)地等多因素綜合影響。強(qiáng)大宏等[6]以鄂爾多斯市煤礦復(fù)墾區(qū)沙棘人工林為研究對(duì)象，開(kāi)展了不同林齡的中國(guó)沙棘和大果沙棘人工林土壤水分時(shí)空分布特征研究，結(jié)果表明煤礦復(fù)墾區(qū)沙棘林地土壤水分差異較大，生產(chǎn)中需要根據(jù)具體的林齡、樹(shù)木品種和土壤空間差異，采取適宜的水分管理措施。郭湘宇[7]采用不同取樣技術(shù)，并運(yùn)用了示蹤技術(shù)，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)方法，研究了黃河流域不同土地利用類(lèi)型土壤干層的空間分異及主控因子等方面。白曉[8]借助Hydrus-1D 模型，以黃土高原典型黃土區(qū)為研究區(qū)域，表明人工引種高耗水植被會(huì)引起深層土壤干燥化，威脅恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)性。盡管不同學(xué)者在不同區(qū)域，采用不同方法，在不同尺度等方面對(duì)土壤水分開(kāi)展了多種研究，但也必須指出，土壤水分異質(zhì)性、土壤水分運(yùn)動(dòng)機(jī)制、土壤水分（低基質(zhì)勢(shì)）對(duì)植被生長(zhǎng)的有效性等方面的研究以及土壤水分測(cè)定方法的準(zhǔn)確性、便利性等方面仍存在諸多問(wèn)題需要解決[9]。

近20 a 來(lái)，晉西北開(kāi)展了大規(guī)模的生態(tài)重建，取得了明顯的成就。生態(tài)重建對(duì)于減輕區(qū)域水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、改良土壤結(jié)構(gòu)及美化人居環(huán)境起到了不可替代的作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，油松作為晉西北人工栽植的主要喬木樹(shù)種，在生態(tài)重建中發(fā)揮了突出的作用。

以往的研究著重于不同土地利用方式或不同植被類(lèi)型對(duì)于林地土壤水分的影響。本研究針對(duì)晉西北近20 a 來(lái)大面積種植人工油松林，并獲得較大的生態(tài)建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況選擇單一樹(shù)種、不同林齡和不同立地條件下黑茶山人工油松林地土壤水分變化為研究對(duì)象，采用定位測(cè)驗(yàn)方法，對(duì)林地土壤容重、儲(chǔ)水量及入滲進(jìn)行測(cè)定，分析不同林齡油松林地土壤水分在時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)變化，以期為該區(qū)域油松林的經(jīng)營(yíng)管護(hù)和水資源的有效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于呂梁市嵐縣石橋林場(chǎng), 地屬黃河流域。該林場(chǎng)為黑茶山國(guó)有林管理局下屬基層林場(chǎng)之一；為溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫3～5℃，無(wú)霜期105～135 d；多年平均降水量約450 mm，多集中于7-9 月。海拔1 000～1 550 m，地勢(shì)較高，氣候寒冷，生長(zhǎng)期短，氣溫、降水等垂直變化明顯。春旱和秋霜為影響林木栽植、越冬的主要自然災(zāi)害。境內(nèi)變質(zhì)巖廣泛分布，新生界松散土壤覆蓋面甚廣。林地主要土壤類(lèi)型為棕壤和褐土。主要植被類(lèi)型包括喬木樹(shù)種油松、云杉、側(cè)柏、山西楊、山楊、遼東櫟、山桃等；灌木樹(shù)種黃刺玫、杠柳、荊條等，草本主要有冰草、黃花蒿等。

2 研究方法

選擇不同造林時(shí)間、不同海拔和坡向的油松人工林地作為土壤水分監(jiān)測(cè)樣地。樣地面積20 m×20 m；樣地基本信息見(jiàn)表1。

（1）土壤容重和含水量測(cè)定

在不同的油松林樣地內(nèi)，開(kāi)挖土壤剖面，用環(huán)刀（100 cm3）分層采樣（重復(fù)3 次），采集層次分別為0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-80cm、80-100 cm、100-120 cm?，F(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)重（天平感量為0.1 g）并記錄，將環(huán)刀及其內(nèi)土壤一起帶回實(shí)驗(yàn)室后，采用烘干法測(cè)定土壤容重和含水量。

土壤容重計(jì)算公式采用

ρ=（m1-m2）/v

式中：ρ——土壤容重（g/cm3）；

m1——環(huán)刀及其內(nèi)土壤干重（g）；

m2——環(huán)刀重（g）；

V—環(huán)刀容積（cm3）。

土壤儲(chǔ)水量計(jì)算公式采用

Wi=θi×hi

式中：hi——土層厚度（cm）；

θi——各土層的土壤體積含水量（%）。

θi＝θm×ρ

其中θm為質(zhì)量含水量：θm＝（m3－m4）/m4，式中：m3為濕土質(zhì)量（g），m4為干土質(zhì)量（g）。

土層總儲(chǔ)水量W（mm）為各層土壤儲(chǔ)水量之和，即：W＝∑Wi。

（2）土壤水分入滲測(cè)定

采用雙環(huán)（高30 cm，內(nèi)徑10 cm，外徑20 cm）法測(cè)定土壤水分入滲，即在固定樣地內(nèi)選擇3 個(gè)具有代表性的樣點(diǎn)，測(cè)定樣點(diǎn)的初始土壤含水率后，將雙環(huán)壓入土體內(nèi)，雙環(huán)高出土壤表面5 cm 為止。將水同時(shí)倒入內(nèi)環(huán)和外環(huán)中，并分別保持約1 cm 的水深。內(nèi)環(huán)加入1 cm 水后使用秒表記錄入滲時(shí)間；當(dāng)環(huán)內(nèi)水位下降0.5 cm 后再次加水至1 cm，保持水分入滲時(shí)間記錄的連續(xù)性；直至3 次入滲率接近時(shí)，方停止入滲測(cè)驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林地土壤容重變化分析

林地的土壤水分變化受成土母質(zhì)、氣候和植被及人類(lèi)活動(dòng)等綜合影響，表現(xiàn)出不同程度的時(shí)空變異性[10]，是評(píng)估林地土壤蓄持水分性能和水土保持能力的重要依據(jù)。其中，土壤容重是評(píng)價(jià)林地土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣及其儲(chǔ)水能力高低的重要指標(biāo)。林地土壤緊實(shí)，容重偏大，則會(huì)導(dǎo)致降水不能及時(shí)下滲，產(chǎn)生較多地表徑流，誘發(fā)林地土壤侵蝕；同時(shí)也會(huì)造成油松對(duì)當(dāng)季降水的利用效率下降等后果。相反，林地土壤疏松，容重偏小，則在林地內(nèi)形成地表徑流的機(jī)會(huì)減少，更多的水分會(huì)蓄存至土體內(nèi)部，供油松及其林下植物利用，從而提高了水分利用效率。

不同人工油松林地土壤容重平均值大小順序?yàn)镚Y1（1.46 g/cm3）＞ZY1（1.42 g/cm3）＞GY2（1.37 g/cm3）＞DY1（1.34 g/cm3）＞ZY2（1.31 g/cm3）＞DY2（1.30 g/cm3）；不同人工油松林地的土壤容重分布存在較大的空間異質(zhì)性（表2）。從土層深度來(lái)看，隨著土層加深，土壤容重存在明顯的增大趨勢(shì)；結(jié)合不同造林年份，尤其在GY1 和GY2 兩個(gè)較高海拔地帶，土壤剖面開(kāi)挖較為困難，甚至因?yàn)榈[石存在無(wú)法進(jìn)行取樣。結(jié)合植樹(shù)造林時(shí)間來(lái)看，石橋林場(chǎng)在2007-2017 年先后進(jìn)行了數(shù)次大規(guī)模的人工造林，造林時(shí)遵循的一個(gè)原則是先易后難，即在海拔較低、立地條件較好的區(qū)域先行造林。因此較低海拔立地條件下土體較為深厚，土壤容重變異性較弱，而在較高海拔區(qū)域，土層相對(duì)較淺，且土層中含有較多礫石，導(dǎo)致容重變異性較大。

表3 不同林地類(lèi)型土壤入滲特征

3.2 不同林地土壤儲(chǔ)水量變化分析

土壤儲(chǔ)水量受到降水量、林地土壤、林木生長(zhǎng)及氣溫等因素共同影響。本研究表明（圖1），在2022年10 月中旬，研究區(qū)進(jìn)入雨季末期，油松人工林6 個(gè)樣地0～120 cm 深度的土壤儲(chǔ)水量介于205.62 mm～231.59 mm；不同林地年內(nèi)平均土壤儲(chǔ)水量按照排序?yàn)镈Y2（231.59mm）＞ZY2（223.52mm）＞DY1（216.14mm）＞ZY1（213.98mm）＞GY2（206.74mm）＞GY1（205.62mm）?？梢?jiàn)，低海拔區(qū)域的人工油松林地DY2 土壤儲(chǔ)水量最高，較高海拔區(qū)域的人工油松林GY1 儲(chǔ)水量高出12.63%。同時(shí)可以看出，隨著土層深度增加，不同林地的土壤儲(chǔ)水量基本呈現(xiàn)出較為一致的規(guī)律，即隨著土層加深，土壤儲(chǔ)水量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，且基本在40～60 cm 層次間達(dá)到峰值。同一海拔范圍內(nèi)，位于陽(yáng)坡林地的土壤儲(chǔ)水量均小于陰坡的土壤儲(chǔ)水量。

圖1 不同林地平均土壤儲(chǔ)水量變化特征

3.3 不同林地土壤入滲特征分析

石橋林場(chǎng)人工油松林位于黃土丘陵區(qū)，土壤厚度不均一。地下水位埋深較大，土壤結(jié)構(gòu)疏松，降水產(chǎn)生地表徑流多為超滲產(chǎn)流形式。土壤蓄水特性決定于土壤水分入滲過(guò)程。為了了解不同油松人工林的土壤入滲特性，分別進(jìn)行土壤入滲測(cè)定野外試驗(yàn)。由于土壤初始含水量會(huì)明顯影響到土壤初始入滲速率，因此本開(kāi)始入滲實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)土壤初始含水量進(jìn)行了測(cè)定。

結(jié)果表明，不同立地類(lèi)型的土壤初始入滲速率差異較大，處于3.62～5.21 mm/min，穩(wěn)滲率維持在1.06～2.26 mm/min。GY1 的初始入滲速率最高，達(dá)到5.21 mm/min，而穩(wěn)滲率為2.14 mm/min，初始入滲率和穩(wěn)滲率均維持在較高水平，這可能與該立地條件下土壤下層含有較大的砂礫石有關(guān)。相比之下，DY1林地的初始入滲速率為4.13 mm/min，而穩(wěn)滲率為1.06 mm/min，在6 種立地條件下土壤穩(wěn)滲率最低。

以往的研究結(jié)果表明，某一類(lèi)型土壤入滲達(dá)到穩(wěn)滲階段主要受控于土壤質(zhì)地，即土壤容重及孔隙度等的影響。6 種立地條件下，土壤容重與孔隙度較大的立地范圍內(nèi)，土壤入滲速率也較高。除了受土壤本身質(zhì)地影響外，林地表面枯落物累積，根系對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、結(jié)構(gòu)的改良也促進(jìn)了土壤的入滲能力。較高的土壤入滲速率雖然可以在一定程度上促進(jìn)了地表水向地下水的轉(zhuǎn)化，降低了地表徑流的形成，減緩了土壤侵蝕。但是，由于較多的水分向深層次滲漏，也會(huì)降低當(dāng)季水分的利用效率。

4 討論與結(jié)論

晉西北黃土高原地區(qū)的土壤含水量主要受到氣象因素和下墊面因素共同影響。其中降水量是晉西北地區(qū)植被恢復(fù)和生態(tài)重建的制約因素，研究區(qū)雨水入滲深度與土壤水分通量運(yùn)移的活躍層主要在120 cm 以上土層，這也是大多數(shù)植被根系的主要分布區(qū)域。區(qū)域年降雨量較低時(shí)土壤蓄水量會(huì)明顯減少，甚至在一定土壤范圍內(nèi)幾乎無(wú)水分補(bǔ)給，從而形成土壤干化層次。由于土壤水分受降水影響明顯，且土壤水分季節(jié)變化和降水的季節(jié)變化基本一致。因此，一些研究在長(zhǎng)時(shí)間定位監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，采用聚類(lèi)分析方法將全年土壤水分變化分為干濕兩季或消耗期—補(bǔ)償期—穩(wěn)定期三個(gè)時(shí)期，甚至有的研究還進(jìn)一步劃分為消耗期—積累期—消退期—穩(wěn)定期四個(gè)時(shí)期[11]。

本研究表明，六種油松人工林地土壤儲(chǔ)水量介于205.62～231.59 mm；較低海拔地區(qū)的林地土壤儲(chǔ)水量高于較高海拔的土壤儲(chǔ)水量；且陽(yáng)坡林地土壤儲(chǔ)水量均低于陰坡。這在一定程度上體現(xiàn)出人工油松林純林作為當(dāng)?shù)氐闹饕炝謽?shù)種，其林地土壤的蓄持水分能力與造林時(shí)間有關(guān)，也與海拔等因素有關(guān)。通常情況下，造林時(shí)間越早，林地土壤結(jié)構(gòu)會(huì)在植物根系及土壤微生物或動(dòng)物的影響下，其蓄持水分性能會(huì)提高。海拔增高可能會(huì)帶來(lái)增雨效果，也可能會(huì)降低植物蒸騰和土壤水分蒸發(fā)，其對(duì)林地土壤水分的影響需要更先進(jìn)的手段和更長(zhǎng)時(shí)間的定位監(jiān)測(cè)才可能得出準(zhǔn)確結(jié)論。同時(shí)也表明地形影響林地土壤的儲(chǔ)水量。這與地形和土壤質(zhì)地是影響土壤儲(chǔ)水量的主要因素研究結(jié)論較為接近[12]。

本研究中大部分林地土壤體積含水量在20～40cm會(huì)出現(xiàn)增加現(xiàn)象，這可能是在雨季末期，植物蒸騰減弱，加上近幾年秋季降水偏多，使得林地近表層土壤水分得到更多補(bǔ)充，加上林下植被和枯落物層的覆蓋減少了土壤蒸發(fā)，因此水分的積累大于消耗。隨著土層深度增加，得到有效水分的補(bǔ)充機(jī)會(huì)減少，且根系吸水以及蒸騰作用耗水，使得土壤儲(chǔ)水量變小[13]。

土壤的入滲性能可通過(guò)原狀土定位測(cè)試來(lái)獲取，植被恢復(fù)或生態(tài)重建可顯著影響土壤入滲性能。以往研究表明，不同植被類(lèi)型和種植密度可對(duì)土壤平均入滲速率、穩(wěn)滲率及入滲量形成有顯著增加作用[14]。本研究表明，成林時(shí)間越長(zhǎng)，其達(dá)到穩(wěn)滲率所需時(shí)間越長(zhǎng)，下滲水量越大，穩(wěn)滲率趨于較低，滯留在土壤中的水分越多，能為植被當(dāng)季利用的可能性越高，這對(duì)于水土保持和植被重建較為有利。同時(shí)，也表明建植時(shí)間越長(zhǎng)，林地內(nèi)枯落物將趨于積累，從而減緩了林地土壤水分無(wú)效蒸發(fā)，這對(duì)于提高林地水分利用效率有利，應(yīng)該在今后的管護(hù)過(guò)程中予以重視。