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(yán)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]。恢復(fù)和重建植被,并使其達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn),是進(jìn)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(bǔ)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(bǔ)充,造成土壤水分出現(xiàn)虧空“斷層”,進(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。孔凌霄等[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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

　　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(yàn)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(yán)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(Stipa bungeana Trin)、阿爾泰狗哇花(Heteropappus altaicus Willd Novopokr)、茭蒿(Artemisia giraldii Pamp)以及百里香(Thymus mongolicus Ronn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yàn)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(yàn)采用Microsoft Excel 2019和SPSS 23.0處理分析數(shù)據(jù),Origin進(jìn)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(jìn)行劃分,表示各層次土壤水分的穩(wěn)定性。

　　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(yàn)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(dá)到展葉盛期;6月下旬到8月初果實(shí)成熟;其后9月中旬生長速度減緩進(jìn)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(bǔ)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?jǐn)?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,均為先增加后減小;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(bǔ)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(jìn)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(bǔ)充來源,而且發(fā)生入滲具有一定的滯后性。強(qiáng)且密集的連續(xù)降水對深層土壤水分才有一定的補(bǔ)給[10],在發(fā)生最大降雨量(623.3 mm)之后的第二年達(dá)到最大入滲深度,僅為290 cm[11]。深層土壤水分難以得到補(bǔ)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(jìn)而,也加劇了對植被對土壤中水分的消耗利用。

　　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(xué)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(dá)到220 cm時,其各自變異系數(shù)均小于10%達(dá)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(bǔ)充、溫度、通風(fēng)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(dá)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(dāng)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(dá)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。

　　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[17,18,19]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(bǔ)充和蒸騰發(fā)散消耗來實(shí)現(xiàn)的,而越深層的土壤水分受到降水補(bǔ)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(yuǎn)超最大入滲深度,難以通過降水補(bǔ)充土壤水分,將會發(fā)展成為土壤干層。只有通過科學(xué)的土壤水分植被承載力理論,對人工檸條林進(jìn)行干預(yù),解決好檸條林生長及對深層土壤水分的消耗,實(shí)現(xiàn)土壤水資源的可持續(xù)利用,進(jìn)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(qiáng)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(yuǎn)。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[3] 楊文治.黃土高原土壤水資源與植樹造林[J].自然資源學(xué)報,2001,16(5):433-438.

　　《多年生人工檸條林生長對土壤水分的影響》來源：《水土保持研究》，作者：王松偉;郭忠升