陜北地區(qū)不同緯度帶人工刺槐林土壤水分特征研究

鄭 郁，張 霞，辛向文，劉國彬，胡永紅

（1.陜西省環(huán)境科學研究院，西安710061；2.陜西省水利電力勘測設計研究院，西安710001；3.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；4.陜西安塞縣農技推廣站，陜西 延安717400）

陜北地區(qū)屬于典型的黃土高原溝壑區(qū)，水土流失嚴重，根據(jù)1979年水土保持統(tǒng)計資料，陜北地區(qū)劇烈侵蝕區(qū)和極強侵蝕區(qū)分別占20%和29%［1］，水土流失不僅破壞了當?shù)氐耐恋刭Y源和生態(tài)環(huán)境，也是黃河泥沙含量較高的原因之一。從20世紀60年代起，針對陜北地區(qū)水土流失的特點及當?shù)貧夂颦h(huán)境，已多次實施了水土保持治理措施，而刺槐（Robinia pseudoacacia L.）［2］以其適應性強、抗逆［3］、耐酸堿、速生耐瘠薄［4］等特點成為水土保持生態(tài)治理的先鋒樹種［5］，以刺槐為優(yōu)勢樹種的防護林在持續(xù)發(fā)揮水土保持作用的同時也帶來了一定的生態(tài)效益。近年來，隨著研究的深入，有學者指出由于刺槐與其他人工林對土壤水分的利用方式存在著顯著的差異［6］，尤其在干旱半干旱地區(qū)，刺槐林對土壤儲水的過度利用導致林下土壤層中存在著水分極低的土壤干層［7］（個別地區(qū)甚至低于凋萎濕度），且難以恢復。而針對黃土高原植被恢復的研究也已證明，土壤理化性質對黃土高原脆弱生態(tài)系統(tǒng)的演替、發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響［8］，而影響土壤理化性質的生物化學反應大多需要在水環(huán)境中進行［9－12］，因此土壤水分特征研究則成了黃土高原地區(qū)刺槐林生態(tài)環(huán)境研究的基礎［13－15］。本文以神木、榆林、綏德、安塞、宜川、淳化地區(qū)28～30 a刺槐林林下0—500 c m深度土壤為研究對象，分析不同深度土壤含水率和儲水量，探討不同區(qū)域刺槐林土壤水分與土層深度之間的關系，以期為進一步研究干旱半干旱地區(qū)刺槐林水分利用及生態(tài)功能提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文以陜北地區(qū)不同緯度帶刺槐林林下土壤為研究對象，研究區(qū)域包括神木、榆林、綏德、安塞、宜川、淳化6個地區(qū)，位于北緯34°47′57.41″—38°50′32.71″；東經(jīng)108°34′35.03″—110°29′29.35″的區(qū)域，從北向南依次是神木、榆林、綏德、安塞、宜川、淳化，分別為草原區(qū)、草原森林區(qū)、森林區(qū)［4］，所有天然植被已遭到嚴重破壞。

6個樣地均處在黃土高原溝壑區(qū)地帶，屬于溫帶大陸性半干旱氣候，除淳化縣外，其余5個地區(qū)年蒸發(fā)量均大于降水量，干燥度最小0.9，最大4.2，屬于典型的干旱缺水地區(qū)。人工林以刺槐、小葉楊、檸條錦雞兒和沙棘為主，土壤帶組成南北差異明顯：神木、榆林為風沙土；綏德為砂壤土、安塞為輕壤土、宜川為中壤土、淳化為重壤土和黏土，普遍存在抗沖抗侵蝕性較差的情況，水土流失嚴重［16］。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

為了解陜北黃土高原刺槐林的林下水分狀況，通過查閱歷史資料和現(xiàn)場調查、詢問等方式，根據(jù)黃土高原降水分布特征，從南到北選擇了6個樣點：淳化—宜川—安塞—綏德—榆林—神木，每個地點均選擇生長年限在30 a（神木為28 a）左右的刺槐林半陰坡上坡位為樣地，各樣地刺槐林生長狀況良好，選擇兩塊20 m×20 m樣方，樣方間距為150～200 m，坡度基本相同，每塊樣方選擇兩株刺槐，以刺槐主干為中心，徑向距離1 m處選擇兩個測點，每20 c m取樣，選在2008年8月下旬至9月上旬集中調查測定，為保證土壤條件的一致性，選擇采樣前連續(xù)7 d無降雨事件發(fā)生的時段進行采樣，樣地基本情況見表1。

表1 研究區(qū)域基本氣象條件

2.2 樣地土壤水分測定

土壤水分采用土鉆法測定，測深500 c m（榆林為400 c m），每隔20 c m取樣，每樣地兩個重復。在有條件的地方，及時將土樣置于烘箱內，105℃下烘干12 h，測得土壤含水量。在野外不具備烘箱的條件下，采用燃燒法測定土壤含水量。在實驗室用烘干法和燃燒法對同一樣品土壤含水量進行測定，結果顯示，這兩種方法測定的土壤含水量差別很小。

2.3 計算公式

（1）土壤水分虧缺度

式中：k——水分虧缺度；θa——阻滯含水量；θ——土壤測定含水量。

（2）土壤儲水量

式中：Q——土層儲水量（mm）；d——土壤容重（g／c m3）；h——土層厚度（mm）；c——土層含水百分比。

3 結果與分析

3.1 土壤水分的剖面特征

通過對不同區(qū)域土壤含水量進行測定和分析，發(fā)現(xiàn)榆林、神木地區(qū)土壤水分隨土層深度的變化不明顯，最高含水量1.51%、最低0.4%，這兩個地區(qū)土壤含水量分別穩(wěn)定在0.52%和1.1%；而綏德地區(qū)土壤水分變化規(guī)律卻呈現(xiàn)出隨土層深度增加的趨勢，且變化梯度十分均勻，以加深20 c m深度土壤水分下降0.2%的規(guī)律遞減；安塞、淳化兩個地區(qū)土壤水分含量剖面特征較為明顯，從上至下呈現(xiàn)減少的趨勢，且具有3個代表性的分層，以淳化樣地最為典型，0—50 c m土壤水分呈現(xiàn)迅速減少的趨勢，土壤含水率從24.66%降至21.33%，平均含水率22.63%，該層屬于土壤剖面水分循環(huán)活躍層［9］；50—250 c m土壤水分含水率維持在一個較為穩(wěn)定的水平，但相比0—50 c m層已有明顯下降，其最高含水率22.42%，最低21.59%，平均含水率22.02%；250—500 c m 層與50—250 c m層土壤含水率有相似的特征，也維持在一個穩(wěn)定水平，最高含水率21.26%，最低19.61%，平均20.4%，但明顯低于50—250 c m層含水量（圖1）。造成這一分布特征的原因主要有以下幾個方面，0—50 c m層土壤水分受降水和蒸發(fā)影響顯著，含水量較高，但隨土層深度下降的趨勢也快［17］。由于刺槐林根系主要分布在深度為50—250 c m的土層中［18］，刺槐的高耗水特性［19］使得蒸騰作用十分強烈［20］，導致該層土壤水分含量明顯低于0—50 c m，而刺槐林根系對土壤水分的作用又使該層水分含量相對穩(wěn)定，沒有大的波動，具有強烈耗水層［9］的特性。黃土高原降雨集中在7—9月，占全年降水量的60%～80%，250—500 c m深層土壤水分除在這一時段內可以得到降水補給外，全年其他月份由于強烈的蒸發(fā)和植物蒸騰作用，降水很難入滲到達，水分難以得到補給，所以該層土壤水分含量受到的擾動很小，且在該層較深范圍內植物根系分布較少，由植物蒸騰作用帶來的水分損失也較小，造成該區(qū)域土壤水分含量較低且相對穩(wěn)定的狀態(tài)。淳化樣地位于（34°53′43.7″N；108°35′21.5″E）與馬娟霞［21］等人在銅川市耀州小丘鎮(zhèn)（34°54′20.9″N；108°47′58.5″E ）樣地的研究結果有較強的吻合性，這說明相同緯度刺槐林地土壤水分垂向分布具有普遍的規(guī)律性。

圖1 不同區(qū)域30 a人工刺槐林土壤水分剖面特征

易亮［9］的研究表明，不同植被地帶人工林地水分虧缺度表現(xiàn)為森林帶＜森林草原帶＜典型草原帶，虧缺度由森林帶的不虧缺逐漸增大到典型草原帶的61.52%，與本文的分析結果具有一致性。各樣地土壤水分虧缺度［9，22］分別為淳化－70.02%（不虧缺），宜川28.55%，安塞42.03%，綏德58.65%，神木87.26%，榆林93.81%（表2）。除淳化外其他5縣刺槐林土壤水分含量均低于生長阻滯 含水量［9，22－23］，存在中度和重度水分虧缺，刺槐林生長受到水分脅迫，刺槐屬于高耗水樹種［2］，其生長期對土壤水分過度利用是導致林下土壤水分含量遠低于田間持水量的主要原因。

表2 不同區(qū)域人工刺槐林土壤水分虧缺度

神木和榆林位于毛烏素沙地邊緣，流域地貌為片沙覆蓋的梁峁狀丘陵區(qū)，按照黃土高原刺槐生長區(qū)劃屬于刺槐生長次適應區(qū)和非適應區(qū)的交錯地帶；綏德屬于黃土高原草原區(qū)，安塞樣地位于森林草原區(qū)［4］南部，宜川代表森林區(qū)北部，淳化位于森林區(qū)南部。6地均屬黃土高原水土流失區(qū)，成熟刺槐林地土壤水分更具代表性，如表2所示，6地30 a生刺槐林0—500 c m土層剖面土壤含水量表現(xiàn)為：淳化＞宜川＞安塞＞綏德＞神木＞榆林，與地理位置由南向北排列順序一致，降雨量由南向北也依次減少。神木、榆林及綏德樣地刺槐土壤水分呈現(xiàn)重度虧缺，水分脅迫作用明顯，易出現(xiàn)“小老樹［2］”現(xiàn)象。淳化人工刺槐林地土壤含水量遠大于其他5地，剖面平均含水量為21%，與田間持水量相當，均為有效水，屬于刺槐適宜生長區(qū)。安塞、宜川屬于森林草原交錯帶，土壤水分呈現(xiàn)中度虧缺，因此該區(qū)域為刺槐的隱域生境，較難發(fā)現(xiàn)成片生長的刺槐林。造成這一現(xiàn)象的主要原因是降水量長期不能滿足植物生長需求，整個研究區(qū)域平均降雨量僅為498 mm，而平均蒸發(fā)量達到了1 475 mm，遠大于降雨量，因此土壤水分長期處于不飽和狀態(tài)，這一地區(qū)的地下水深埋，導致土壤水分得不到及時補充。在黃土地區(qū)發(fā)生徑流和滲漏的幾率很小，所以土壤水分平衡支出的諸項中，蒸發(fā)和蒸騰占主導地位［24］，是影響土壤水分含量的主要因素。6個研究樣地中，只有淳化降雨量和蒸發(fā)量持平，其他5地蒸發(fā)量均遠大于降雨量，在有植被覆蓋的條件下土壤總蒸發(fā)量等于土壤蒸發(fā)量與植物蒸騰量之和，降水量不足蒸發(fā)時由土壤儲水中吸取補充，刺槐林的高耗水習性加快了土壤水分散失的速度，使深層土壤水分虧缺量不斷增大，導致了干層的形成。

3.2 土壤水分的緯度特征

對比不同區(qū)域刺槐林土壤剖面儲水量和累積儲水量（圖2—3）可見，0—500 c m土層剖面土壤儲水量表現(xiàn)為：淳化＞宜川＞安塞＞綏德＞神木＞榆林，剖面平均儲水量分別為：53.31，21.66，15.99，9.79，2.78 mm和1.26 mm；0—500 c m的累積儲水量6地分別為1 344，549，402，248，72 mm 和26 mm（0—400 c m）。從累積儲水量與土壤深度關系圖（圖3）可以看出，各樣地土壤累計儲水量呈線性增加，說明不同深度土層儲水量變化不大，無顯著性差異，但不同地區(qū)累積儲水總量差異顯著。

圖2 不同區(qū)域30 a刺槐林地土壤儲水量

為了研究累積儲水量與緯度及凈降雨量之間的關系，采用最小二乘法對兩者的散點關系圖進行線性擬合（圖4—5），累計儲水量與緯度關系擬合R2值達到0.921 6；累積儲水量與凈降雨量關系擬合R2值為0.754，均為顯著性相關。說明緯度帶特征是造成不同區(qū)域刺槐林下土壤儲水量差異的主要原因。隨著緯度的增加，降雨量逐漸減少，土壤水分含量及儲水量顯著降低。

圖3 不同區(qū)域30 a刺槐林地土壤累積儲水量

圖4 土壤累積儲水量與研究地區(qū)緯度關系

圖5 土壤累積儲水量與凈降雨量關系

4 結論

（1）對不同樣地刺槐林水分進行測定，并結合田間持水量進行土壤水分虧缺度的計算，結果顯示，除淳化外其余5地均存在水分虧缺，且呈現(xiàn)出較為顯著的供需矛盾。

（2）土壤水分含量幾乎在所有土層深度都呈現(xiàn)為淳化＞宜川＞安塞＞綏德＞神木＞榆林的特征，這與6地所處的緯度變化一致，充分說明土壤水分含量與緯度密切相關。

（3）通過對不同緯度帶降水曲線和刺槐林土壤水分曲線的擬合，發(fā)現(xiàn)刺槐林土壤累積儲水量與該地區(qū)凈降雨量呈顯著相關性，降水量與土壤水分含量均呈現(xiàn)由南至北減少的趨勢，說明緯度是造成土壤水分含量差異顯著的主導因素。

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