黃土丘陵區(qū)不同林地土壤水分動態(tài)變化

王 晶，朱清科，劉中奇，鄺高明，趙 薈

（北京林業(yè)大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083）

黃土高原是世界上水土流失最嚴重與生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一，近年來在黃土高原地區(qū)不斷開展退耕還林、植被恢復與建設(shè)以改善生態(tài)環(huán)境［1］。而在干旱半干旱的黃土丘陵區(qū)，土壤水分是該區(qū)最寶貴的自然資源之一，也是影響作物生長和植被恢復的主導因子。土壤水分受降雨、地形、土壤、植被和不同土地利用方式等因素的影響，同時也影響地表蒸發(fā)、地表徑流、植被蒸騰和土壤內(nèi)的水分交換等［2－4］。通過了解土壤水分狀況，掌握土壤水分動態(tài)，提高土壤水分的利用效率，對于改善干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有著極為重要的意義。目前眾多學者對干旱半干旱區(qū)的土壤水分進行了研究，而對于黃土丘陵區(qū)退耕還林地的不同植被恢復土壤水分的研究還很少。本文通過對退耕還林地的不同植被下的土壤水分動態(tài)特征的研究，旨在為黃土丘陵溝壑區(qū)退耕還林地合理地進行植被恢復與配置、提高土地生產(chǎn)力、充分發(fā)揮該區(qū)域的生態(tài)和經(jīng)濟效益提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

陜西省吳起縣位于東經(jīng) 107°38′57″－108°32′49″，北緯36°33′33″－37°24′27″，屬黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū)，海拔1233 ～1809 m，總面積3791 .5 km2，水土流失面積3702 .2km2，占土地總面積的97.16%。氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶愿珊导撅L氣候，春季干旱多風，夏季旱澇相間，秋季溫涼濕潤，冬季寒冷干燥，年均氣溫7.8℃，無霜期96～146d，多年平均降雨量478.3mm，年際變化大、季節(jié)分配不均，64%以上集中在7－9月，多年平均陸地蒸發(fā)量400～450mm，屬干旱、半干旱地區(qū)。土壤類型為黃綿土，質(zhì)地為輕壤。

2 研究方法

在退耕還林流域選取典型植被油松、沙棘、山杏和河北楊進行生長季土壤水分動態(tài)的研究，樣地基本情況如表1所示。

2008年5－10月，采用時域反射儀進行定位監(jiān)測土壤體積含水量，每月5日、15日、25日各測定一次，每遇降雨天氣則單次向后推遲1～2d，測定深度2m，測定時按地表以下每20cm分為一層，每層測定重復3次，每次之間TDR探頭旋轉(zhuǎn)120°，進行人工記錄和儀器自動記錄結(jié)合，以保證數(shù)據(jù)完整保留。土壤蓄水量按下式計算:

式中:W——土壤儲水量 （mm）；h——土層深度（cm）；θv——土壤體積含水量（%）。

表1 樣地基本基本情況

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林地生長季的土壤蓄水量

從表2可以看出，0－200cm土層中沙棘林地的平均體積含水量最高，達12.9%，蓄水量可達257.8 mm，河北楊林和油松林地次之，其中河北楊林地的蓄水量大于油松林地的蓄水量，而山杏林地最低，平均體積含水量僅有9.8%，蓄水量只有196.2mm。

表2 不同林地的生長季的平均蓄水量 mm

對于喬木林河北楊和油松地不同深度土層的蓄水量（表3）進行分析可見:河北楊地0－200cm土層的蓄水量為255.1mm，油松林地的蓄水量只有232.6 mm，油松林比河北楊林多消耗22.5mm。而在0－40cm、0－60cm和0－80cm土層中油松林的蓄水量大于河北楊林的蓄水量，河北楊林和油松林0－100cm土層的蓄水量分別為110.5mm和108.6 mm，可見油松林和河北楊林消耗的土壤水分相差較小，僅為1.9mm，0－120cm土層河北楊林和油松林的蓄水量分別為138.5mm和130.9mm，油松林比河北楊林多消耗7.5mm的土壤水分，因此可以認為0－200cm土層中油松林比河北楊林多消耗的22.5 mm土壤水分主要是消耗深層（100cm以下）土壤水分引起的，即油松林比河北楊林相比消耗更多的深層土壤水分。

對于灌木林沙棘和山杏地不同深度土層的蓄水量（表3）進行分析可見:沙棘林地0－200cm土層的蓄水量為257.8mm，山杏林地的蓄水量只有196.2 mm，山杏林比河北楊林多消耗61.6mm。沙棘林和山杏林0－60cm土層的蓄水量分別為64.7mm和57.5mm，山杏林比沙棘林多消耗7.3mm的土壤水分，0－100cm土層沙棘林和山杏林的蓄水量分別為114.2mm和98.9mm，山杏林比沙棘林多消耗15.3 mm的土壤水分，因此可以認為0－200cm土層中山杏林比沙棘林多消耗的61.6mm土壤水分主要是消耗80cm以下土層的土壤水分引起的。

表3 各林地不同土層的蓄水量

3.2 不同林地土壤水分月動態(tài)特性

在不同月份間，植被的土壤水分變化具有明顯的季節(jié)特征，土壤蓄水量變化具有相似性，這是植物生長規(guī)律和當?shù)匚锖蛱攸c共同作用的結(jié)果。5－7月植被的土壤蓄水量變化與降雨變化相一致，土壤蓄水量隨著雨水的增加（減少）而增加（減少）；8月植被進入生長旺季，同時氣溫也逐步升高，植被蒸騰和土壤蒸發(fā)強度也隨之增加，盡管這時期有降雨補給土壤，但土壤水分蒸散量大于補給量，此時植被的土壤蓄水量均達到最低值。9－10月植被進入生長末期，雨水補給量大于植被蒸騰和土壤蒸發(fā)，土壤蓄水量逐步增加，10月達到最大值。

圖1顯示了生長季中不同植被下的土壤蓄水量變化，由圖1可以看出不同植被下的土壤蓄水量大小順序為:沙棘林＞河北楊林＞油松林＞山杏林，這與黃奕龍等研究結(jié)果基本一致［6］，河北楊高于油松和山杏林地，是因為河北楊林地處于較低坡位，而對于黃土區(qū)來說，低坡位處會因為土壤水分垂直向下運動而得到聚集，使其含水量得到長時間持續(xù)補充［7－10］；沙棘林和山杏林的土壤蓄水量變化趨勢較明顯，河北楊林和油松林的土壤蓄水量變化趨勢較平緩，說明沙棘林和山杏林對土壤水分利用強度大，河北楊林和油松林對土壤水分利用強度相對較小。

圖1 生長季不同林地的蓄水量及降雨量變化

從不同林地5－10月0－200cm土層蓄水量的動態(tài)變化（表4）可以看出，不同林地表層（0－60cm）蓄水量的最低值出現(xiàn)的時間并不一致，油松林和山杏林的蓄水量6月最低，河北楊林的蓄水量7月最低，沙棘林的蓄水量5月最低，這主要是由于6月降雨后，油松林和山杏林的樹冠截流作用明顯，減少雨水入滲量，沙棘5月處于花期，從而更多地消耗了表層土壤水分。在外界氣候變化與植被生理活動的共同影響下，各林地的深層（100－200cm）相對穩(wěn)定在一個動態(tài)的較低水平，說明林木根系對深層水分消耗很大，但其根系也增加了土壤入滲性能［5］，從而使林地深層土壤水分保持一定的活躍性。

3.3 不同林地土壤水分垂直變化

各林地土壤剖面水分變異系數(shù)見表5，從表可以看出，0－200cm土層土壤水分變異系數(shù)大小依次為山杏林、河北楊林、沙棘林、油松林。在表層（0－20 cm）的土壤水分變異系數(shù)中，河北楊林地最大為0.38，這可能是由于位于下部坡面，降雨時承接較多的雨水，而雨后由于植被蒸騰和土壤蒸發(fā)消耗表層的土壤水分。0－60cm土層中含水量的變化主要是由降水入滲、土壤蒸發(fā)、林木根系吸水造成的，因此，0－60cm土層含水量變化可以反映降水入滲、蒸發(fā)、蒸散對土壤水分的綜合影響，由表5可以看出0－60cm土層中山杏林的土壤水分變異系數(shù)與其它林地相同土層的變異系數(shù)較大。可見，在雨水入滲、蒸發(fā)、蒸散的共同作用下山杏林地在0－60cm土層含水量的變化明顯大于其它林地。油松林和河北楊林在80cm以下的土層中土壤水分變異系數(shù)均小于0.1，說明土壤水分處于穩(wěn)定狀態(tài)，土壤水分受外界條件的影響較??；沙棘林和山杏林在80cm以下的土層中土壤水分變異系數(shù)均小于0.2，說明土壤水分處于次活躍狀態(tài)，外界條件的變化和根層活動對深層土層水分還是有一定的影響。

4 結(jié)論

（1）不同林地在生長季中土壤蓄水量具有顯著差異，其順序為:沙棘林＞河北楊林＞油松林＞山杏林。對于喬木林，油松林比河北楊林多消耗的土壤水分主要來自100－200cm土層；對于灌木林，山杏林比沙棘林多消耗的土壤水分主要是消耗80cm以下土層的土壤水分引起的，由此可見，喬灌林都消耗更多深層的土壤水分。

（2）林地的土壤蓄水量變化具有明顯的季節(jié)性，根據(jù)生長季內(nèi)土壤蓄水量的變化，可以將土壤水分變化分為3個時期:土壤水分恢復期、土壤水分消耗期、土壤水分補充期。

表4 不同林地5－10月各土層蓄水量 mm

表5 各林地土壤剖面水分變異系數(shù)特征值

（3）各林地0－200cm土層土壤水分變異系數(shù)從小到大為:山杏林＞河北楊林＞沙棘林＞油松林。在雨水入滲、蒸發(fā)、蒸散的共同作用下山杏林地在0－60cm土層含水量的變化明顯大于其它林地。油松林和河北楊林在80cm以下土層土壤水分受外界條件的影響較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)；沙棘林和山杏林在80 cm以下的土層土壤水分處于次活躍狀態(tài)。

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