黃土丘陵區(qū)不同林齡喬灌林地土壤水分及持水性能研究*

周 萍,劉國彬,文安邦,賀秀斌,嚴(yán)冬春,龍 翼,鮑玉海

(1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,山地環(huán)境演變與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊陵712100)

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基本條件,是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。黃土高原歷史曾被廣袤的森林和草原所覆蓋,有著良好的自然生態(tài)系統(tǒng)[1]。隨著人口的激增及長(zhǎng)期不合理的經(jīng)營開發(fā)、濫牧過牧,使該區(qū)天然植被遭受了嚴(yán)重破壞,水土流失成為黃土高原最突出的生態(tài)問題。近年來,西部大開發(fā)和山川秀美工程的實(shí)施,造林種草和恢復(fù)植被等措施受到人們?nèi)找鎻V泛的認(rèn)可和重視,然而水分一直是制約該區(qū)植被建設(shè)的主要限制因子,它是“箍桶”效應(yīng)中的短板[2]。林地土壤水分指重力、分子吸力和毛管力保持在土壤中的水分,它是林地植物養(yǎng)分運(yùn)轉(zhuǎn)的溶劑、通氣調(diào)節(jié)劑及土壤中有毒物質(zhì)的稀釋劑,也是土壤徑流的供源[3-4]。衡量植被能否長(zhǎng)期穩(wěn)定生長(zhǎng)的重要標(biāo)準(zhǔn)就是看土壤的水分狀況能否適應(yīng)和滿足植被對(duì)水分的需求。了解土壤的水分物理性質(zhì)是認(rèn)識(shí)上述作用的前提和基礎(chǔ)。土壤水分物理性質(zhì)不僅決定土壤中水、氣、熱和生物狀況,而且影響土壤中植物營養(yǎng)元素的有效性和供應(yīng)能力,因此常被作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[5-8]。土壤的水分物理性質(zhì)主要包括土壤容重、土壤的各種孔隙度、透水性和各種持水量等指標(biāo)[3]。森林以其地上富集的枯落物層以及深厚的土壤層截留和儲(chǔ)蓄大氣降水,發(fā)揮著森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)和減少旱澇災(zāi)害的水文生態(tài)功能。其中灌木林作為森林資源的重要組成部分,具有特殊的生態(tài)功能,在維系區(qū)域水量平衡中也發(fā)揮著重要作用。尤其是在一些土壤結(jié)構(gòu)不良、肥力低、干旱缺水、喬木樹種生長(zhǎng)差、成林慢、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益低的地區(qū)。如果在這些地方栽植耗水量小、耐瘠薄、抗旱能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)有很強(qiáng)復(fù)壯更新和自然修復(fù)能力的灌木,能夠發(fā)揮很強(qiáng)的涵養(yǎng)水源和固沙保土的作用。

黃土丘陵區(qū)處于暖溫帶半濕潤氣候向半干旱氣候的過渡區(qū),土壤水分是該區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中的重要制約因素。已有研究證明,在黃土丘陵半干旱區(qū)大量植樹造林會(huì)使深層土壤水分枯竭,進(jìn)一步惡化植物生長(zhǎng)的土壤水分環(huán)境[9-10],而且土壤一旦形成干燥化土層,水分很難恢復(fù)[11]。本文對(duì)位于我國黃土丘陵區(qū)的紙坊溝流域不同林齡的喬木和灌林地土壤水分含量測(cè)定、土壤水分物理性質(zhì)及林地涵蓄水源能力進(jìn)行研究,旨在揭示林地與土壤水分的關(guān)系,控制與改善林地土壤水分狀況,為資源的合理經(jīng)營和科學(xué)管理以及水土保持綜合效益的分析提供科學(xué)依據(jù)[12],并為該區(qū)植被生態(tài)的恢復(fù)演替研究提供理論依據(jù)。其結(jié)果不僅對(duì)該地區(qū)水資源的保護(hù)和永續(xù)利用有著重要的指導(dǎo)意義,也可為植被涵養(yǎng)水源機(jī)理的深化研究提供一定依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省安塞縣紙坊溝流域,109°13′46″-109°16′03″E,36°42′42″-36°46′28″N,海拔1 100～1 400 m,流域面積8.27 km2,屬黃土丘陵溝壑區(qū)第2副區(qū),屬暖溫帶半濕潤氣候向半干旱氣候過渡地區(qū),年日照時(shí)間2 415.6 h。年輻射量552.7 kJ/cm2,年平均氣溫8.8℃,≥0℃積溫為3 733.5℃,≥10℃積溫3 113.9℃,無霜期 157～194 d。年平均降雨量542.5 mm,分布不均,7-9月降雨量占年降雨量的61.1%,且多暴雨。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇和樣品采集 為研究紙坊溝流域不同林齡的喬木和灌木林地土壤水分特征及土壤持水特征,以典型性和代表性為原則,于2006年9月中旬在梁坡上選取典型樣地14塊,樣地土壤質(zhì)地均為黃綿土,并用GPS定位,詳細(xì)記錄采樣點(diǎn)周圍的景觀信息,樣地具體特征見表1。

1.2.2 土壤物理性質(zhì)的測(cè)定 土壤物理性狀采用環(huán)刀法于2006年9月在各樣地內(nèi)按土層深度0-20 cm、20-40 cm及40-60 cm分3層取原狀土,帶回室內(nèi)用烘干法測(cè)定干重,計(jì)算出容重、孔隙度、剖面土壤水分含量,每個(gè)樣地重復(fù)3次。

式中:g——環(huán)刀內(nèi)濕樣重(g);v——環(huán)刀容積(cm3);w——樣品含水量(%)。

表1 樣地的基本情況

土壤總孔隙度=(1-容重/比重)×100%,其中土壤比重取2.65。由于水分在土壤非活性孔中移動(dòng)極慢,但在毛管孔和通氣孔中移動(dòng)較快,因此,文中將土壤毛管孔與通氣孔的孔度合稱活性孔度。計(jì)算公式:活性孔度=土壤總孔隙度-非活性孔度,其中非活性孔度=凋萎含水量×土壤容重,黃綿土凋萎含水量取4.5%。

式中:g0——鋁盒重(g);g1——鋁盒+濕樣重(g);g2——鋁盒+烘干樣品重(g)。

1.2.3 土壤持水性能計(jì)算 土壤中的水分以兩種形式貯存,即吸持貯存和滯留貯存。吸持貯存的水分對(duì)蒸發(fā)和植被吸收有一定作用,但對(duì)河川徑流的調(diào)節(jié)關(guān)系不大。而滯留貯存的作用極大,特別是在大到暴雨時(shí)它可以阻止水分過快地形成地表徑流流失,為水分滲透到土壤下層贏得寶貴時(shí)間。因此在實(shí)際計(jì)算植被土壤水源涵養(yǎng)量時(shí),常常忽略吸持貯存。從而得到土壤持水量計(jì)算公式:

單位面積最大持水量(t/hm2)=10 000 m2×土壤總孔隙度%×土層厚度m×水比重t/m3。

單位面積有效持水量(t/hm2)=10 000 m2×土壤非活性孔度%×土層厚度m×水比重t/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重和孔隙度變化特征

土壤容重是土壤物理性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo),影響土壤的透水性、通氣性、入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移特征、抗侵蝕能力及根系伸展時(shí)阻力大小[13-14]。由圖1-A可以看出,在30 a的喬灌林地中表層土壤容重大小順序?yàn)槔茄来蹋加退?紫穗槐＜油松＜刺槐＜刺槐-紫穗槐＜檸條＜果園。狼牙刺天然灌木林地表層土壤容重最小,這主要是由于狼牙刺的根系分布較喬木根系分布淺,且灌木林下草本生長(zhǎng)旺盛,使其表層土壤中的根系分布相對(duì)集中,根系在土壤中的穿插,延伸有利于土質(zhì)疏松和土壤結(jié)構(gòu)改良?；旖涣挚梢悦黠@地改善植物對(duì)水分、養(yǎng)分以及資源空間利用的有效性[15],改良土壤,從而提高林分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,減少地表徑流的發(fā)生,起到保持水土的作用[16-17]。這在我國西部植被恢復(fù)重建中有重要作用。針葉-灌木混交林地(油松-紫穗槐)土壤的枯落物層較厚,且針葉枯落物表層含油脂,不易分解,使得林下地表溫度較低,土壤水分蒸發(fā)較慢,土壤表層根系分布較純林多,表層土壤容重較油松針葉純林和刺槐闊葉純林小。這與龐學(xué)勇等[18-19]研究得出的地上植被生長(zhǎng)所營造的微生境,通過改變林地光照、水分等條件對(duì)土壤性質(zhì)有重要作用的結(jié)論相符。而本研究中的刺槐-紫穗槐闊灌混交林地的容重較刺槐林地的大,主要是因?yàn)榇袒?紫穗槐林地的坡度較刺槐林的陡且坡位更高,使得該混交林地土壤溫度較高,供水不足,植被生長(zhǎng)較純林的差,地下根系不發(fā)達(dá),進(jìn)而影響了表層土壤容重。檸條人工灌木林地地表枯落物較喬木林地的少,其土壤容重也較喬木林地的大。果園表層土壤的容重最小,這主要是因?yàn)楣麍@除草較勤,地表幾乎無枯落物覆蓋,且果園的土壤耗水能力也較強(qiáng),根系分布較深,造成其表層土壤容重最大。在25 a的喬灌林地中,表層土壤容重變化順序?yàn)樘烊还嗄玖值兀紗棠玖值兀既斯す嗄玖值亍?0 a的喬灌林地表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì),從圖中也可看出,隨著林齡的增加,喬灌林地表層土壤容重均表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)。這說明黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)演替過程中,隨著恢復(fù)年限的增加,無論是天然植被還是人工植被的土壤容重均表現(xiàn)為逐漸減小,土壤結(jié)構(gòu)得到改良,這又促進(jìn)了植被恢復(fù)演替的進(jìn)行。

20-40 cm土層土壤容重變化規(guī)律與表層土壤容重的變化規(guī)律相似。隨著林齡的增加,狼牙刺天然灌木林地在該土層的土壤容重減小最明顯。而40-60 cm土層的結(jié)構(gòu)及質(zhì)地主要受成土母質(zhì)的影響較大,地上植被對(duì)其影響不大,因此各樣地該層土壤容重的變化規(guī)律不明顯。

圖1 樣地各層的土壤容重

土壤物理性質(zhì)主要反映在土壤的固相、液相和氣相3方面,三者之間相互協(xié)調(diào)、比例適當(dāng)時(shí),土壤才表現(xiàn)出植被生長(zhǎng)所需的最好物理性質(zhì)。土壤孔隙比是反映土壤孔隙狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo),土壤活性孔度的大小、數(shù)量對(duì)土壤中水分運(yùn)動(dòng)有著重要的影響。土壤活性孔度及非活性孔度的大小決定土壤最大、最小持水量。從圖2可以看出,表層土壤的總孔隙度變化規(guī)律與表層土壤的容重變化規(guī)律相反,30 a喬灌林地中表層土壤總孔隙度大小順序?yàn)槔茄来蹋居退?紫穗槐＞油松＞刺槐＞刺槐-紫穗槐＞檸條＞果園,從植被類型變化來看,表層土壤總孔隙度變化順序?yàn)樘烊还嗄玖值兀締棠玖值兀救斯す嗄玖值兀竟麍@,且隨著植被恢復(fù)演替年限的延長(zhǎng),表層土壤的總孔隙度表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì),土壤總孔隙度的增加,使得土壤通氣透水性能的增強(qiáng),改善了土質(zhì)結(jié)構(gòu)。表層土壤活性孔度和土壤孔隙比的變化規(guī)律與總孔隙度變化規(guī)律相一致,而非活性孔度的變化趨勢(shì)則相反。20-40 cm土層土壤總孔隙度的變化特征與此層土壤的容重變化規(guī)律相反,土壤總孔隙度隨林齡的增加呈增加趨勢(shì),最大的為30 a狼牙刺天然灌木林地。20-40 cm土層的土壤活性孔度變化規(guī)律與總孔隙度變化規(guī)律相一致,而非活性孔度的變化趨勢(shì)則相反。40-60 cm土層土壤的總孔隙度也表現(xiàn)出與上層土壤相似的變化規(guī)律,但規(guī)律沒有上層土壤表現(xiàn)的明顯。

圖2 不同土層土壤孔隙度特征

2.2 喬灌林地土壤水分特征

土壤的水分特征是氣候、土壤和下墊面特征的綜合反映。從圖3可以看出,0-50 cm土層土壤含水量變化順序?yàn)楣麍@＞刺槐＞檸條＞狼牙刺,這是由于狼牙刺灌木林地的草本層生長(zhǎng)旺盛,草本的根系分布較淺,0-50 cm土層耗水量大,使其在此土層含水量最小。而喬木林根系在土層中扎伸的較深且喬木在此土層根系分布相對(duì)較少,使其土壤水分含量較灌木林地高。50-500 cm土層土壤含水量的變化則是刺槐林地的最小,說明刺槐喬木林地對(duì)深層土壤水分的利用較高。50-200 cm深度的土層中檸條和狼牙刺土壤含水量變動(dòng)幅度較大,200-350 cm檸條土壤含水量小于狼牙刺,而350-500 cm狼牙刺的土壤含水量又小于檸條。原因是檸條造林前進(jìn)行了水平階整地措施,但由于檸條林地的種植密度較狼牙刺的密度大,使得檸條土壤水分消耗較大。而狼牙刺天然灌木林地由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶每年砍伐平茬,人為加速了狼牙刺的水分消耗,使其土壤干層有向下延伸的趨勢(shì),在350-500 cm土層的土壤含水量有所降低且小于該層的檸條土壤含水量。由此可見,人工林種植密度和人為干擾措施均會(huì)加強(qiáng)植被對(duì)土壤的干化作用,這與王國梁等人的研究結(jié)論相一致[20]。因此,在該區(qū)的植被恢復(fù)和造林進(jìn)程中,這些因素都是需要考慮的。蘋果園 0-500 cm土層的土壤含水量最大,這是由于蘋果園經(jīng)過隔坡梯田整地措施后,不僅減小了種植密度,還具有收集雨水的作用,土壤供水力強(qiáng),所以林下土壤水分含量較高。與喬木林相比,灌木林地對(duì)土壤的干化作用較輕,總體表現(xiàn)為灌木林地土壤水條件較喬木林地土壤水分條件要好。因此“提倡灌木優(yōu)先”是該區(qū)植被恢復(fù)的首要措施。

2.3 土壤持水能力特征

土壤持水能力是評(píng)價(jià)土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水分循環(huán)的重要物理指標(biāo),能較好地反映林地土壤的保水、供水能力,并影響到凋落物分解與土壤表層的物質(zhì)和能量及其土壤鹽基養(yǎng)分的淋溶[19-20]?？煞譃樽畲蟪炙⒚艹炙?、非毛管持水。其中最大持水能力即土壤總蓄水量,反映了土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力;而毛管持水能力包括土壤含有的吸濕水、膜狀水和毛管水等;非毛管持水量也稱為有效持水量,一般認(rèn)為其與土壤的入滲能力和水文調(diào)節(jié)功能具有更加直接的關(guān)系,但土壤的這種由非毛管孔隙來體現(xiàn)的貯水,只是土壤水分達(dá)到飽和時(shí)的瞬時(shí)水量,受重力作用的影響,會(huì)不斷向土壤深層滲透,因而這種貯水能力實(shí)際上是暫時(shí)的[4]。由表2可以看出,表層0-20 cm土層土壤的總持水量順序?yàn)樘烊还嗄玖值兀居退?紫穗槐混交林＞純喬木林地＞人工灌木林地,且隨著林齡的增加,土壤總的持水量也隨之增加。而有效持水量卻表現(xiàn)出與總持水量相反的變化趨勢(shì),容重越低,土壤有效持水性越強(qiáng)。20-40 cm土層及40-60 cm土層的總持水量和有效持水量也表現(xiàn)出與表層土壤相似的規(guī)律,但由于其土壤質(zhì)地還受到成土母質(zhì)的影響,變化規(guī)律沒有表層土壤的明顯。

圖3 喬灌木林地0—500 cm土層土壤含水量特征

表2 0-60 cm土層土壤單位面積持水能力特征

3 結(jié)論與討論

對(duì)黃土丘陵區(qū)紙坊溝流域主要喬灌林地土壤容重、水分特征和持水能力分析表明,土壤容重對(duì)于土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)有較好的指示作用,下墊面特征特別是地下根系的數(shù)量、分布和活動(dòng)范圍不僅影響土壤結(jié)構(gòu),同時(shí)也通過蒸發(fā)散對(duì)土壤水分進(jìn)行量的分配。

(1)不同類型的喬灌林地的表層土壤容重表現(xiàn)出天然灌木林地＜針葉-灌木混交林＜針葉林＜闊葉林＜人工灌木林＜果園,且隨著林齡的增加,容重呈減小趨勢(shì)。20-40 cm土層的土壤容重變化規(guī)律與表層土壤容重的變化規(guī)律相似,而40-60 cm土層的結(jié)構(gòu)及質(zhì)地主要受成土母質(zhì)的影響較大,各樣地該層土壤容重的變化規(guī)律不明顯。

(2)土壤孔度的大小、數(shù)量影響土壤質(zhì)地、土壤中水分運(yùn)動(dòng)、水熱傳導(dǎo)能力、通透性及抗蝕性,使得土壤的理化性質(zhì)變化,最終影響土地生產(chǎn)力。紙坊溝流域主要喬灌林地表層土壤的總孔隙度與表層土壤容重和非活性孔度變化規(guī)律相反,與土壤活性孔度和土壤孔隙比變壞基本一致。下層土壤的孔隙變化特征與表層土壤的變化規(guī)律相似,但不如表層的規(guī)律明顯,這主要是下層土壤結(jié)構(gòu)還受到成土母質(zhì)的影響。

(3)從主要的喬灌林地0-500 cm土壤水分特征來看,0-50 cm土層土壤含水量變化順序?yàn)楣麍@＞刺槐＞檸條＞狼牙刺,50-500 cm土層土壤含水量則是刺槐林地的最小,檸條和狼牙刺土壤含水量在50-200 cm土層中變動(dòng)幅度較大,200-350 cm檸條土壤含水量小于狼牙刺,原因是檸條林地的種植密度較狼牙刺天然灌叢的密度大,土壤水分消耗較大。而狼牙刺天然灌木林地,由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶每年砍伐平茬,人為加速了狼牙刺的水分消耗,使其土壤干層有向下延伸的趨勢(shì),因此350-500 cm土層的土壤含水量有所降低且小于該層的檸條土壤含水量。說明人工林種植密度和人為干擾措施均會(huì)加強(qiáng)植被對(duì)土壤的干化作用,這在該區(qū)植被恢復(fù)和造林進(jìn)程中需要考慮。灌木林地土壤水條件較喬木林地土壤水分條件要好,因此該區(qū)提倡“宜林則林,宜灌則灌,灌木先行”的植被恢復(fù)措施是必要的。

(4)土壤持水能力是衡量土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水分循環(huán)的指標(biāo)之一,能較好地反映林地土壤保水、供水能力。隨著林齡的增加,0-20 cm表土層土壤的總持水量隨之增加,總持水量變化順序?yàn)樘烊还嗄玖值兀締棠玖值兀救斯す嗄玖值?有效持水量卻表現(xiàn)出與總持水量相反的變化趨勢(shì),容重越低,土壤有效持水性越強(qiáng)。下層的持水特性表現(xiàn)出與表層土壤相似的規(guī)律,但受成土母質(zhì)的影響變化規(guī)律不明顯。

(5)圍繞土壤水分特征及持水特性對(duì)紙坊溝流域主要林地的土壤水分特征進(jìn)行了分析,但關(guān)于土壤水分傳輸功能及其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選等尚需做進(jìn)一步的研究。且土壤水分的空間變異性隨取樣尺度的不同而有所不同[21],所選表征群落土壤水分含量的指標(biāo)也不統(tǒng)一,這也是今后研究中應(yīng)考慮的問題。

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