黃土高原溝壑區(qū)杏樹林地土壤水分時空動態(tài)變化及適宜性研究

張思祖,李凱榮,易 亮,時亞坤

（西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院,陜西楊陵 712100）

黃土高原溝壑區(qū)降水主要集中在夏秋季,且多暴雨,降雨強度大,歷時短,一旦植被遭到破壞,地表土壤極易流失,溝坡系統(tǒng)土壤侵蝕尤為嚴重[1]。植被恢復(fù)是控制本區(qū)水土流失的重要途徑。本區(qū)具有土層深厚、熱量充足、晝夜溫差大等特點,適宜發(fā)展經(jīng)濟林果,因此,發(fā)展經(jīng)濟林果是黃土高原溝壑區(qū)植被恢復(fù)的主要措施。杏樹耐旱、耐瘠薄,對立地條件要求不高,是本區(qū)重要的商品果樹[2]。

水分是限制植被恢復(fù)的主要因子[3],一方面導(dǎo)致造林成活率、保存率、生長量低,林分生長不穩(wěn)定,造成林地土壤干化;另一方面在植被建設(shè)中缺乏水量平衡的基礎(chǔ),林分密度與土壤水分承載力不相適應(yīng),往往由于過載使林分水量平衡失調(diào)而形成低效低產(chǎn)林,影響生態(tài)經(jīng)濟效益的發(fā)揮。任何水分只有轉(zhuǎn)化為土壤水才可以為植物吸收利用,黃土高原溝壑區(qū)果園多無灌溉條件,土壤水主要來源于降雨補給,降雨除部分形成徑流和深層滲漏外,主要為土壤顆粒和孔隙吸附,形成土壤水庫,并緩慢釋放供林木生長的需要。目前已有較多關(guān)于黃土高原土壤水分的研究,多側(cè)重土壤水分動態(tài)變化、有效性及生態(tài)位研究[4-14],然而,將土壤水分的時空動態(tài)變化與植物需水的生理過程結(jié)合起來的研究尚且不多。在此基礎(chǔ)上,本文研究了黃土高原溝壑區(qū)不同坡向土壤水分的時空動態(tài)變化特征,并通過引用水分生態(tài)位適宜度指標來分析土壤水分與最佳土壤含水量之間的貼近程度,從而了解土壤水分滿足杏樹生長的程度,以期為植被恢復(fù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗區(qū)與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于黃土高原南部的淳化縣泥河溝流域的西坡村 ,地理坐標為 108°43′-35°03′E 、34°43′-35°03′N,海拔630～ 1 809 m,,屬黃土高原溝壑地貌。氣候?qū)俅箨懶约撅L氣候,多年平均降水量604.8 mm,平水年(50%)600.6 mm,偏枯水年(75%)513.0 mm,枯水年(95%)433.9 mm,其中6-9月降水量占全年的65%以上,冬季干旱嚴重。年平均氣溫9.18℃,全年日照時數(shù)2 372 h,≥10℃的活動積溫為3 281℃,無霜期138 d。溝坡以自然植被為主,多為草本和灌木,塬面以種植經(jīng)濟林為主。土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土,地帶性黑壚土僅分布在塬心,土壤肥力中等,田間持水量22.05%,干容重1.35 g/cm3,地下水埋深在40 m以下,植被很難吸收利用。

1.2 研究方法

1.2.1 標準地選擇 根據(jù)研究內(nèi)容,選擇本試驗區(qū)陰坡、陽坡水平梯田的杏園各3塊作為樣地,樣地基本情況及杏樹生長特征見表1。

1.2.2 土壤水分測定 土壤水分于2009年3-11月每月月初采用烘干法進行測定。在每個標準地中選取標準木并固定作為水分觀測點,取樣點位于樹冠邊緣距樹干2/3處,取樣深度為5 m,0～2 m深度內(nèi)以20 cm為1個層次,2～5 m深度內(nèi)以50 cm為一個層次,每一土層重復(fù)取樣3次,取其平均值作為該土層的平均含水量,水分的計算公式為

W=(M1-M2)/(M2-M3)×100%(1)式中:W——土壤水分含量(%);M1——烘前鋁盒及土壤重(g);M2——烘后鋁盒及土壤重(g);M3——烘后空鋁盒重(g)。

表1 試驗樣地基本情況

2 結(jié)果與分析

2.1 杏樹林地土壤水分時空變化特征

2.1.1 土壤水分時間變化特征 圖1為0-500 cm土層深度土壤平均含水量的年內(nèi)變化過程?？梢钥闯?不論陰坡還是陽坡,杏樹林地土壤含水量年內(nèi)變化均呈現(xiàn)不對稱的雙峰曲線,5月與7月出現(xiàn)土壤含水量的低值,6月與8月出現(xiàn)土壤含水量的高值,且一年當中第二高峰峰值明顯高于第一高峰峰值。春季隨著氣溫上升,土壤解凍,地表土壤水分蒸發(fā)也逐漸增加,同時林木萌芽和展葉,植物蒸騰從無到有并逐漸增強,而春季降雨量稀少,遠遠不足以滿足地表土壤蒸發(fā)與植物蒸騰的水分需求,不足之處靠消耗土壤水分的存量來補償,因此淺層土壤不斷失墑,土壤含水量不斷降低,并于5月達到一年當中第一個波谷值。而從6月開始,雖然由于溫度升高,土壤蒸發(fā)與植物蒸騰強度繼續(xù)增加,但是隨著黃土高原雨季的到來,降雨量較春季有了明顯增多,降雨對土壤水的補充開始大于用于樹木蒸騰和土壤蒸發(fā),因此土壤含水量有所回升,但7月是一年當中溫度最高的季節(jié),而且渭北黃土高原地區(qū)7月中下旬時常出現(xiàn)“伏旱”降水較少,天氣晴朗,因此杏樹林地土壤與植被蒸發(fā)蒸騰量迅速上升,大于降雨對土壤水分的補給,因此6月杏樹林地土壤水分出現(xiàn)了一年當中第一個波峰值,而7月出現(xiàn)了一年當中第二波谷值。8月,隨著盛夏暴雨的來臨,降雨對土壤水的補給再一次超過蒸發(fā)蒸騰對土壤水的消耗,因此8月杏樹林地土壤含水量迅速提高,而渭北地區(qū)由于受到華西秋雨的影響,降水量仍然較多,而同期,溫度已有所降低,蒸發(fā)蒸騰量減少,因此9月杏樹林地土壤含水量仍在增加,并達到一年當中的最低值。10月當?shù)赜昙窘Y(jié)束,土壤水分進入一個新的消散階段,因此不斷下降。從11月開始至第二年3月,渭北地區(qū)進入冬季,雖然該期降水明顯減少,但是由于溫度較低,樹葉枯落,因此蒸騰耗水和地表蒸發(fā)都保持在一個很低的水平,土壤含水量變化也趨于穩(wěn)定,直到第二年春季開始一個新的年內(nèi)循環(huán)。

圖1 不同坡位杏樹林地土壤水分年內(nèi)變化過程

2.1.2 土壤水分空間變化特征 圖2為不同坡向杏樹林年內(nèi)土壤含水量的空間垂直變化特征,從圖2中可看出,無論是陰坡還是陽坡,杏樹林地在年內(nèi)各時期的淺層土壤水分變化比較活躍,而深層土壤水分變化相對較小?？傮w來看,陰坡土壤水分變化較陽坡的小。

圖2 不同時期杏樹林地土壤水分的垂直分布特征

在統(tǒng)計學中用偏差系數(shù)來反映統(tǒng)計數(shù)據(jù)偏離平均值的相對大小,在本試驗中引用此概念來反映土壤含水量隨土層深度變化的強弱程度。陽坡林地與陰坡林地土壤含水量偏差系數(shù)的計算結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可看出陰坡杏樹林地在距地表250 cm以內(nèi)的土層中,土壤含水量變化幅度較大;而陽坡林地土壤含水量只在150 cm深度內(nèi)變化較大。土壤含水量變化幅度較大的土層可以被稱為土壤含水量活躍帶,由此可知,土壤含水量活躍帶厚度陰坡大于陽坡,分別為250 cm和150 cm,這主要是由于陰坡蒸發(fā)量較小,降雨可以較多地補充深層土壤水所致。

圖3 杏樹林地不同深度土壤含水量的偏差系數(shù)

通過聚類分析方法,將杏樹林地不同坡向年內(nèi)土壤含水量的垂直分布分為4種基本類型,如表2所示。

春季解凍后,由于溫度上升,蒸發(fā)蒸騰量迅速增加,而此時降水稀少,因此淺層土壤水分入不敷出,嚴重失墑,在整個垂直剖面上,土壤含水量都保持較低的水平,且深層土壤含水量高于淺層土壤含水量,在整個垂直剖面上土壤含水量分布呈現(xiàn)出上小下大的態(tài)勢,因此在基質(zhì)吸力的作用下,深層土壤上升補給淺層水。同時,存在伏旱的7月,由于天氣晴朗、氣溫高、蒸發(fā)蒸騰旺盛而降水量較少,垂直剖面上的土壤水分特征也表現(xiàn)為淺層土壤失墑、深層水分上升補給。同時由于陰坡春季升溫較慢,淺層土壤解凍失墑發(fā)生的時間也要比陽坡晚一些。隨著雨季的開始,降水量增加使淺層土壤水分得到補充,因此淺層土壤含水量增加,但由于土壤水的滲入與再分配需要一定的時間,因此在垂直剖面上含水量最低處開始向較深處運動,這就是土壤含水量分布的第二個基本類型——雨季降水補給淺層土壤水分型,在陰坡林地,該階段非常典型,出現(xiàn)在6月與8月,即兩個多雨季節(jié)開始的月份。第三個土壤含水量分布的基本類型——即土壤含水量最高型,不論陽坡還是陰坡都出現(xiàn)在9月,9月雖然降雨強度較盛夏已有所減弱,但蒸發(fā)量也在下降,因此土壤水分補給仍大于消散,直到土壤含水量達到最大,在土壤含水量垂直分布上突出表現(xiàn)為水分活躍層土壤含水量較其他時期以及下層有了明顯增加,而且在水分活躍層內(nèi)可能存在幾個土壤含水量的高值區(qū),這是雨季幾次顯著的暴雨與其間短時期炎熱蒸發(fā)旺盛的天氣共同作用的結(jié)果。雨季結(jié)束后,土壤含水量垂直動態(tài)進入了一年當中第四個階段,即雨季后淺層土壤水分入滲,淺層土壤含水量開始下降,但土壤含水量空間分布仍保持上大下小的格局,同時隨著土壤水分的再分布,土壤含水量空間分布曲線開始變得相對光滑?？傮w而言,一年當中土壤水分變化會經(jīng)過四個階段:雨季補給,雨后淺層土壤水分入滲和再分布,雨前淺層土壤失墑、深層土壤水上升。不論陽坡還是陰坡,土壤水補給期都是3個月,但陰坡開始得較早;而淺層土壤失墑期,陽坡開始得較早,且時期較長。

表2 土壤水分垂直分布的聚類分析

2.2 生態(tài)位適宜度模型

2.2.1 生態(tài)位適宜度模型 水分是制約干旱、半干旱地區(qū)植物生長發(fā)育的主要生態(tài)因子,根據(jù)生態(tài)位適宜度理論[5,16]可將林木生長需要的理想的土壤水分情況作為目標值,通過一定的數(shù)學方法計算實際的土壤含水量空間分布與目標值的相似情況,建立水分生態(tài)位適宜度模型,以判斷土壤水分分布與林木最適宜水生態(tài)位的貼近度。

土壤水分空間分布是由無數(shù)個點的含水量組成的,無窮多個數(shù)據(jù)之間無法計算,因此必須從中選擇出一些具有代表性的點,以其含水量構(gòu)成向量,再計算與目標向量之間的貼近程度。可以表示為

式中:y——水分生態(tài)位適宜度值;ai——第i層的權(quán)重因子;xi——第 i層(i=1,2,…,n)土壤中水分生態(tài)因子實測值;xia——第i層土壤中水分生態(tài)因子最適值,土壤水分生態(tài)因子最適值應(yīng)根據(jù)試驗實地觀測確定,在干旱半干旱地區(qū),土壤含水量相對較低,當土壤含水量大于田間持水量的80%,即水分含量達到易效水時,植物生長旺盛,故取田間持水量的80%作為土壤水分生態(tài)因子最適值。

2.2.2 生態(tài)位權(quán)重因子確定 水分生態(tài)位權(quán)重因子直接取決于植物根系的分布,試驗測得試驗區(qū)杏樹林的根系分布,求得其權(quán)重因子。以各層次根系質(zhì)量占總量的百分數(shù)為依據(jù),總結(jié)分析并最終確定第i層的權(quán)重因子ai,見表3。

表3 土壤水生態(tài)位權(quán)重

2.2.3 生態(tài)位適宜度分析 杏樹根系多分布在距離地表1 m之內(nèi)的土層中,因此只分析了1 m土層內(nèi)的水分生態(tài)位適宜度情況。研究區(qū)土壤田間持水量約為21.5%,通過公式(1)計算,得出一年內(nèi)不同時期杏樹林地土壤水分生態(tài)位適宜度,見表4。

表4 土壤水生態(tài)位適宜度分析結(jié)果

從表4結(jié)果分析可以看出,3-11月杏樹林地的平均水生態(tài)位適宜度在0.2左右,陰坡好于陽坡。陽坡3月與7月,陰坡4月、5月與7月水生態(tài)位的適宜度均為0,說明杏樹生長處于水分脅迫之中,水分條件惡劣,嚴重阻礙植物的生長,這可能是由于氣候干旱所致。陰坡6月和11月土壤水生態(tài)位的適宜度較高,達到了0.503與0.591,而陽坡9月的土壤水生態(tài)位適合度最高為 0.628,其次是3月的 0.378與0.312。陽坡水生態(tài)位低下的主要原因是由于土壤含水量較低,低于最適宜的土壤含水量(田間持水量的80%)甚至適宜含水量的下限(田間持水量的60%),陰坡除土壤含水量較低外,還與整個土壤剖面上含水量分布不均有關(guān),如雨季的8月和9月,由于降雨較為集中,降雨沒有充分的時間在土壤剖面上再分布,表層土壤含水量過高,如8月0-40 cm土壤、9月0-20 cm土壤含水量都超過了適宜含水量的上限(即田間持水量)。

3 結(jié)論

(1)黃土高原溝壑區(qū)杏樹林地土壤含水量年內(nèi)變化為不對稱雙峰曲線,波谷為5月與7月,波峰為6月與8月,且第二高峰峰值明顯高于第一高峰峰值。

(2)陽坡與陰坡土壤水分在空間垂直分布上存在顯著的差異,陰坡土壤水分高于陽坡,這與陰坡蒸發(fā)量較小,降雨補給深層土壤水有關(guān)。

(3)不論陽坡還是陰坡,年內(nèi)土壤水的空間垂直分布可分為4個階段,分別代表降雨補給土壤水、淺層土壤水入滲和再分布、雨前淺層土壤失墑及深層土壤水上升階段。陰坡降雨補給土壤水開始的早,而陽坡土壤嚴重失墑開始的早。

(4)陰坡的水生態(tài)位適宜度要好于陽坡,但不論陽坡還是陰坡,水生態(tài)位的適宜度均較低。土壤水的時空動態(tài)變化是影響水生態(tài)位適宜度的主要原因。加強土壤水庫調(diào)控,提高降雨、徑流入滲及補給深層土壤水分有助于改善水生態(tài)位適宜度,實現(xiàn)杏樹林地的高產(chǎn)高效[17]。

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