晉西黃土殘塬溝壑區(qū)土壤水分的時空變化研究

鄭芳,張建軍,2

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京100083;2.水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京 100083）

土壤水分是限制林木生長的重要因子[1-3]。尤其在降水資源有限且水土流失嚴(yán)重的黃土區(qū),土壤水分對植被恢復(fù)的影響作用更為重要。近年來國內(nèi)外學(xué)者對土壤水分進(jìn)行了廣泛的研究。如Penna[4]等采用相關(guān)分析等方法對土壤水分與地形因素的關(guān)系進(jìn)行研究,認(rèn)為坡度和地形濕度指數(shù)對土壤水分的空間變化有較大影響;Liang[5]等采用的土壤水分模型考慮了林地樹干莖流對樹木周圍土壤水分變化的影響,其模型模擬的結(jié)果與觀測結(jié)果極為一致;張建軍[6]等以水分虧缺量為依據(jù)提出了利用胸徑計算刺槐和油松林合理密度的公式,并以刺槐和油松林地的土壤水分含量、最低含水量和難效水頻率為指標(biāo)提出了黃土區(qū)適宜的刺槐和油松水土保持林的管理密度;陳海濱[7]等對黃土高原溝壑區(qū)林地土壤水分進(jìn)行了季節(jié)變化和垂直變化的分析;李世榮[8]等對不同密度刺槐林地土壤水分運動規(guī)律及年際變化特征進(jìn)行了研究,認(rèn)為土壤水分隨著林分密度增大而減小,而林下植被種類的數(shù)量亦隨林分密度的增大而減少,且逐步由中生植物向旱生植物過渡。不同降水年份條件下土壤水分時空變化的研究也有一定成果,如王孟本[9]等分析了極端降水條件對檸條灌木林地土壤水分循環(huán)水平和降水年滲深等方面的影響;李洪建[10]等對晉西北磚窯溝流域荒地7 a土壤水分與降水量關(guān)系進(jìn)行了定量分析。但對黃土殘塬溝壑區(qū)不同降水年份不同地類土壤水分時空變化的研究并不多。本文對偏澇年份和正常降水年份喬、灌、草植被的土壤水分時空變化規(guī)律進(jìn)行分析研究,以期為該區(qū)域的植被恢復(fù)、林分生產(chǎn)力的提高等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)是北京林業(yè)大學(xué)山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站所在地,位于呂梁山南端山西省吉縣紅旗林場,地理坐標(biāo)為110°45′-110°48′E,36°00′-36°05′N,屬于晉西黃土殘塬溝壑區(qū)。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候,冬季寒冷干燥,夏季溫度較高。夏季雨量集中在 6-9月,約占全年降水的70%,年均降雨量為494.7 mm。年均氣溫10℃,最高為38.1℃,無霜期170 d左右。風(fēng)以偏南為主,每年出現(xiàn)8級以上的大風(fēng)日約為6 d。當(dāng)?shù)刂饕寥李愋蜑楹滞?黃土母質(zhì)。森林覆蓋率為39.8%,主要造林樹種為刺槐(Robinia Pseudoacacia)和油松(Pinus Tabulae Formis),灌木樹種主要有虎榛子(Ostryopsis Davidiana)、沙 棘 (Hippophae Rhamnoides)等[11]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)是張建軍等人于1990年、1991年4-10月,在研究區(qū)內(nèi)的刺槐林地、荒坡草地和虎榛子林地以每周觀測一次的頻度采用烘干法測定,觀測土壤深度為1 m,分5個層次,分別為0-20,20-40,40-60,60-80,80-100 cm。研究地類的基本情況見表1。

降雨數(shù)據(jù)是用標(biāo)準(zhǔn)雨量筒實測得到,1990年的降雨量為572.1 mm,1991年的降雨量為452.8 mm。山西省氣象科學(xué)研究所根據(jù)年降水量與降水量平均值之差占降水量平均值的百分率P將年降水量劃分為5級:P在±15%之間為正常年,15%～40%為偏澇年,-15%～-40%為偏旱年,P在40%以上為特澇年,P在-40%以下為特旱年[12]。與研究地區(qū)的多年平均降雨量494.7 mm相比,1990年降雨量高出了15.6%,為偏澇年;1991年降雨量降低了8.5%,為正常年。

表1 研究地類的基本情況

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地類土壤水分的季節(jié)動態(tài)

圖1為偏澇年份不同地類土壤水分的季節(jié)變化情況。從圖1中可以看出,偏澇年份(1990年)降雨分布不均,7-9月降雨占全年降雨的59.64%。不同地類土壤水分的季節(jié)動態(tài)總體呈凹型曲線:即土壤含水量先減小后增大,最后趨于平穩(wěn)。進(jìn)入4月后,隨著氣溫的逐步升高,植物生理活動日趨活躍,植物蒸騰和土壤蒸發(fā)作用逐漸增強,從而導(dǎo)致土壤含水量逐漸減少。進(jìn)入7月后降雨量增多,土壤含水量逐漸增加。但7月降雨量達(dá)到最大時,各地類土壤含水量仍然處于較低水平。這可能是因為各樣地均處于陽坡,在7月高溫下,地表土壤蒸發(fā)更加旺盛,且植被蒸騰耗水大,使得土壤水分的消耗量仍然大于雨水的補給量,故土壤含水量仍然較低。直到8月,土壤含水量才迅速增加。這說明降水對土壤水分的補償具有一定的滯后性,土壤含水量的季節(jié)變化落后于降雨的季節(jié)變化。進(jìn)入9月后降水逐漸減少,氣溫也開始降低,林木蒸騰和地面蒸發(fā)作用均減弱,土壤耗水量和補給量處于相對平衡穩(wěn)定狀態(tài),各地類的土壤含水量基本上趨于穩(wěn)定。從整體上看,偏澇年份(1990年)降水對土壤水分的補償作用比較顯著。在整個生長季內(nèi)(4-10月),荒草坡的土壤含水量高于刺槐林地和虎榛子林地,說明刺槐林地和虎榛子林地的耗水量高于荒草坡?；㈤蛔恿值卦谏L季初期和末期的土壤含水量較高,但在生長季中期土壤含水量卻處于較低水平,整個生長季內(nèi)虎榛子林地土壤含水量的波動幅度(9.18%～17.18%)大于荒草坡(10.96%～16.37%)和刺槐林地(10.42%～14.52%)。這是因為虎榛子灌木林的水土保持作用有限,生長季中期正值降雨較多的季節(jié),降雨時有更多的雨水以地表徑流的形式流走,而虎榛子林地的旺盛生長又要消耗大量土壤水分,使其土壤含水量低于荒草坡和刺槐林地;而生長季初期和末期氣溫不高,虎榛子展葉晚,落葉早,對土壤水分的消耗不大,因而虎榛子林地土壤含水量又處于較高水平。

圖1 1990年(偏澇年份)不同地類0-100 cm土壤含水量季節(jié)變化

圖2為正常降水年份(1991年)不同地類土壤水分的季節(jié)變化情況。從圖2可見,正常降水年份(1991年)的降雨量雖然較偏澇年份(1990年)明顯偏少,但降雨的年內(nèi)分布比較平均,只有7月降水比較突出。從整個年生長季來看,不同地類土壤水分總體均呈下降趨勢,這主要是受生長季后期降水量偏少、蒸發(fā)量仍然較大的影響所致。7月份后在降雨的影響下土壤水分開始有所積累,但由于降水量少,生長季后期增加的土壤水分仍然不能彌補生長季前期消耗的土壤水分,因此到10月底各地類的土壤含水量仍未能恢復(fù)到4月的水平。在正常降水年份條件下不同地類的土壤水分季節(jié)動態(tài)基本一致?；㈤蛔恿值赝寥篮康哪晟L季內(nèi)波動幅度(9.14%～19.28%)仍然大于荒草坡(7.07%～16.97%)和刺槐林地(7.92%～14.53%)。

圖 2 1991年(正常降水年份)不同地類0-100 cm土壤含水量季節(jié)變化

2.2 不同降水年份土壤水分的比較

對比圖1和圖2可見,偏澇年份(1990年)和正常降水年份(1991年)土壤含水量的季節(jié)變化趨勢并不一致,尤其是從雨季開始,兩者的變化差異較大,說明年降水量及雨季降水分布對土壤水分影響較大。表2為偏澇年份(1990年)和正常降水年份(1991年)生長季土壤平均含水量及生長季初期、末期土壤含水量表。從表2可見,正常降水年份(1991年)的土壤含水量總體上低于偏澇年份(1990年)。在偏澇的1990年,刺槐林地、荒草坡、虎榛子林地的土壤平均含水量分別比正常降水年份的 1991年高出 16.61%、20.08%、0.14%,生長季末期的土壤含水量分別比正常降水年份的1991年高出5.24%、10.28%、7.57%。但各地類在正常降水年份(1991年)生長季初期的土壤含水量較高,這是由于偏澇年份(1990年)降水較多,導(dǎo)致年末土壤中蓄積的水分較多的緣故?？梢娗耙荒杲涤炅繉Ξ?dāng)年生長季初期土壤含水量有一定的影響,這與李洪建等[12]的研究結(jié)果一致。從表2還可以看出,不論是在正常降水年份還是在降水較多的偏澇年份,各地類生長季末期的土壤含水量均低于生長季初期的土壤含水量,尤其是降水相對較少的1990年各地類生長季初期和末期土壤含水量的差值更大?？梢娫诟珊蛋敫珊档狞S土高原地區(qū),生長季內(nèi)土壤水分一直處于虧缺狀態(tài),這勢必嚴(yán)重影響植物的正常生長發(fā)育。因此,在黃土高原地區(qū)必須采取水土保持措施有效攔蓄地表徑流,增加土壤水分,同時應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)膿嵊芾泶胧?調(diào)整林分密度,降低植物的蒸騰耗水。

表2 1990年(偏澇年份)和1991年(正常降水年份)生長季土壤平均含水量及生長季初、末期土壤含水量 %

2.3 不同地類土壤水分的垂直變化特征

表3為各地類不同層次土壤水分特征值的統(tǒng)計表。從表3可見,刺槐林地和虎榛子林地土壤含水量的均值隨土層深度的增加呈下降趨勢,虎榛子林地各層的土壤含水量均高于刺槐林地,說明虎榛子灌木林的耗水量小于刺槐喬木林?；牟萜峦寥篮侩S土層深度的增加變化不大,這正是荒草坡和林地土壤水分垂直分布的主要區(qū)別。

表3 各地類不同層次土壤水分的特征值

從表3可見,各地類土壤含水量的最小值、最大值隨土層深度的變化趨勢基本一致,即最小值自上而下增加,最大值則相反。偏度表示數(shù)據(jù)相對平均值的分散程度。偏度小于0,說明小于土壤含水量平均值的數(shù)據(jù)分布較為分散;偏度大于0,說明大于土壤含水量平均值的數(shù)據(jù)分布較為分散;偏度接近零則可以認(rèn)為數(shù)據(jù)分布為正態(tài)分布。偏度值越大,則數(shù)據(jù)分布越分散?；牟萜赂鲗拥钠戎稻∮诹?刺槐林地0-60 cm土層的偏度值大于零,60-100 cm土層的偏度值小于0;虎榛子林地0-60 cm土層的偏度值小于0,60-100 cm土層的偏度值大于0。各地類土壤含水量偏度的絕對值都在40-60 cm土層處達(dá)到最大,這可能是因為在40-60 cm土層處植物根系活動最強烈,導(dǎo)致植物耗水引起的土壤水分差異在這一土層處達(dá)到最大。

對各地類土壤含水量的變異系數(shù)CV與土層深度的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析得到表4。從表4可見,各地類土壤含水量的CV值與土層深度呈負(fù)相關(guān)。從95%置信區(qū)域上下界變化范圍來看,各地類土壤含水量的變化幅度均自上而下逐漸變小,說明隨土層深度的增加,土壤水分值趨于穩(wěn)定、集中。

表4 各地類土壤水分變異系數(shù)與土層深度的關(guān)系方程

表5 1990年不同地類各層土壤含水量的比較

表6 1991年不同地類各層土壤含水量的比較

2.4 不同降水年份條件下土壤含水量垂直變化分析

從表5、表6中可以看出,各地類不同降水年份下土壤含水量的垂直剖面變化并不一致?；㈤蛔恿值卦谄珴衬攴?1990年)0-40 cm土層的土壤含水量高于正常降水年份(1991年),而40-100 cm土層的土壤含水量均低于正常降水年份(1991年)。這可能是因為偏澇年份(1990年)強降雨較多,而虎榛子林地的攔蓄作用有限,使得大量雨水以地表徑流形式流失,對深層土壤水分的補償較小,且虎榛子根系耗水較大,導(dǎo)致表層土壤水分高,深層土壤水分卻仍然較低;而正常降水年份(1991年)降雨強度較小,虎榛子林地能夠有效攔蓄雨水,并滲入土壤深層,使虎榛子林地正常降水年份(1991年)的土壤含水量垂直變化幅度遠(yuǎn)小于偏澇年份(1990年)。經(jīng)多重比較(LSD法),虎榛子林地在偏澇年份(1990年)0-20 cm土層與其他各層土壤含水量存在顯著差異,20-40 cm土層與0-20,60-80,80-100 cm土層土壤含水量也存在顯著差異;在正常降水年份(1991年)各層土壤含水量無顯著性差異。

刺槐林地偏澇年份(1990年)和正常降水年份(1991年)深層(60-100 cm)土壤含水量均較低,尤其在正常降水年份(1991年)深層土壤水分虧缺更大,這顯然對刺槐林的生長極為不利。因此在黃土干旱半干旱區(qū),應(yīng)對刺槐林適當(dāng)采取撫育管理措施,如適當(dāng)進(jìn)行間伐,以避免因刺槐根系耗水過度引起的深層土壤干層現(xiàn)象。經(jīng)多重比較,刺槐林地在偏澇年份(1990年)和正常降水年份(1991年)0-20 cm土層與40-60,60-80,80-100 cm土層的土壤含水量存在顯著差異,20-40 cm土層與60-80,80-100 cm土層的土壤含水量存在顯著差異。

荒草坡在偏澇年份(1990年)20-40 cm土層的土壤含水量為100 cm土層內(nèi)的最高值,在40-100 cm土層深度范圍內(nèi)隨土層深度增加而略有降低;而在正常降水年份(1991年)20-40 cm土層的土壤含水量在整個土層深度范圍內(nèi)最低,40 cm土層深度以下隨土層深度增加而略有增加。這說明偏澇年份(1990年)強降雨條件下能夠有效滲入到40 cm以下土層的雨水較少,從而使40 cm以下土層的土壤含水量逐漸減少;而在降雨相對較少的正常降水年份(1991年),長歷時、低強度降雨形式的雨水能有效滲入深層土壤,從而形成40 cm以下土層的土壤含水量逐漸增加。經(jīng)多重比較分析,不論偏澇年(1990年)還是正常降水年(1991年),荒草坡各層土壤含水量之間均不存在顯著差異。

3 結(jié)論

(1)不同降雨年份的土壤水分季節(jié)動態(tài)并不一致。偏澇年份(1990年)各地類土壤水分季節(jié)變化均呈凹型曲線,即先減小后增大,最后趨于穩(wěn)定;正常降水年份(1991年),各地類土壤水分季節(jié)變化均表現(xiàn)為W型曲線,這一年的土壤含水量總體呈下降趨勢。

(2)無論偏澇年份(1990年)還是正常降水年份(1991年),荒草坡土壤含水量均高于林地。虎榛子灌木林土壤水分條件明顯好于刺槐喬木林。

(3)正常降水年份(1991年)土壤含水量總體低于偏澇年份(1990年)。無論偏澇年(1990年)還是正常降水年(1991年),各地類生長季末期的土壤含水量均低于生長季初期的土壤含水量,這說明該地區(qū)生長季內(nèi)土壤水分一直處于虧缺狀態(tài),這對林木的生長極為不利。因此必須采取適當(dāng)?shù)乃帘３执胧┖蛽嵊芾泶胧?以增加林地的土壤水分。

(4)在不同降水年份下,各地類土壤含水量在垂直剖面上的變化不盡相同?；牟萜峦寥篮看怪弊兓^小,在偏澇年份(1990年)各層土壤含水量均高于正常降水年份(1991年);虎榛子林地在偏澇年份(1990年)的土壤含水量垂直變化幅度遠(yuǎn)大于正常降水年份(1991年);刺槐林地深層土壤含水量較低,尤其在降水相對較少的1991年深層土壤水分虧缺更大,這勢必影響刺槐林的生長。因此必須采取撫育管理措施,以減緩刺槐林地深層土壤水分繼續(xù)虧缺的趨勢。

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