陜北黃土區(qū)人工林地土壤水分的垂直變化規(guī)律

王瑜， 朱清科， 趙維軍， 王利娜， 馬歡， 梁非凡， 趙興凱， 李安怡

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心，100083，北京；2.山東省泰山學(xué)院 山東省高校旅游與資源環(huán)境

重點實驗室，271021，山東泰安；3.北京沃爾德防災(zāi)綠化技術(shù)有限公司，100048，北京)

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陜北黃土區(qū)人工林地土壤水分的垂直變化規(guī)律

王瑜， 朱清科1?， 趙維軍2， 王利娜1， 馬歡1， 梁非凡1， 趙興凱1， 李安怡3

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心，100083，北京；2.山東省泰山學(xué)院 山東省高校旅游與資源環(huán)境

重點實驗室，271021，山東泰安；3.北京沃爾德防災(zāi)綠化技術(shù)有限公司，100048，北京)

摘要：不同林地類型土壤水分的垂直變化規(guī)律在一定程度上反映了林分消耗土壤水分及其穩(wěn)定性的特征。選取陜北黃土區(qū)3種典型人工林地—油松林、山杏林和沙棘林下土壤水分為研究對象，選取荒草地為對照組，分析研究其土壤水分在0～180 cm土層內(nèi)的垂直分布規(guī)律及剖面垂直分層特點。結(jié)果表明：人工油松林地及山杏林地土壤含水量隨土層深度的增加呈逐漸減少趨勢，減小速率分別是0.019 3、0.020 9%/cm，人工沙棘林地及荒草地土壤含水量隨土層深度的增加呈逐漸增加趨勢，增加速率分別為0.004 6、0.086 3%/cm；根據(jù)變異系數(shù)法，土壤水分垂直剖面可分為速變層、活躍層和次活躍層3個層次，分層結(jié)果與使用有序聚類法分類的結(jié)果較為一致。

關(guān)鍵詞：人工林； 土壤水分； 垂直變化； 黃土區(qū)

項目名稱： 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“黃土丘陵嚴重侵蝕區(qū)植被恢復(fù)和重建技術(shù)研究” (201104002-2)

半干旱黃土區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，降水資源先天不足且分布不均，土壤水分經(jīng)常處于虧缺狀態(tài)。土壤水分是制約當(dāng)?shù)刂脖簧L、恢復(fù)及影響當(dāng)?shù)亓址址€(wěn)定性的主要因子之一[1-2]。在特定的地形、土地利用方式及植被條件下，受降水、地面徑流、植物蒸騰及根系吸收等作用的影響，土壤水分會存在明顯的時空變化特征[3]。目前，國內(nèi)外對于土壤水分與土層深度的量化關(guān)系的研究報道比較少見。李洪建等[4]和邱揚等[5]通過對土壤水分垂直分布特點進行研究，發(fā)現(xiàn)土壤水分及其變異系數(shù)隨土層深度增加呈逐漸減少的規(guī)律。土壤水分剖面分層應(yīng)用較為廣泛的方法是經(jīng)驗法和變異系數(shù)法：李代瓊等[6]和阮成江等[7]通過經(jīng)驗法，將土壤水分的垂直分布自上而下分為根系微弱利用層、根系利用層、補充調(diào)節(jié)層和微弱調(diào)節(jié)層；王孟本等[8]等通過變異系數(shù)法，將土層分為速變層、活躍層、次活躍層和相對穩(wěn)定層。這些方法的劃分界限受主觀影響較大，缺乏嚴密的數(shù)學(xué)理論解釋。有序聚類法可在一定程度上減少主觀因素的影響，且其可運用于土壤水分垂直剖面的劃分中[9-10]。

本文采用回歸分析法對土壤水分與土層深度的量化關(guān)系作了進一步研究，分別選取以陜北黃土區(qū)吳起縣人工油松(Pinustabuliformis)林、山杏(Armeniacasibirica)林、沙棘(Hippophaerhamnoides)林為代表的典型闊葉林、針葉林、灌木林為研究對象，運用有序聚類法對陜北黃土區(qū)3種典型人工林地及荒草地土壤水分剖面進行了劃分，以期得到林下土壤水分在垂直方向上的變化規(guī)律，為指導(dǎo)該區(qū)合理營造人工林提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省吳起縣(E 107°38′57″～108°32′49″，N 36°33′33″～37°24′27″)，屬于典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，海拔1 233～1 809 m，總面積3 791.5 km2，水土流失面積3 702.2 km2。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候，多年平均氣溫7.8 ℃，無霜期96～146 d，多年平均降水量478.3 mm，年際變化大且時空分配不均，雨季(7—9月)降雨量可占全年降水量的50%～80%，屬半干旱地區(qū)。土壤類型為黃綿土，質(zhì)地為輕壤。植被類型為森林草原向草原過渡類型。主要喬木種有油松、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、山杏、刺槐(Robiniapseudoacacia)、小葉楊(Populussimonii)等，主要灌木種有檸條(Caraganaintermedia)、沙棘等，主要草本物種有鐵桿蒿(Artemisiagmelinii) 、茭蒿(Artemisiagiralaii) 、長芒草(Stipabungeana) 、達烏里胡枝子(Lespidezadavurica)等。

2數(shù)據(jù)獲取及研究方法

2.1實驗設(shè)計

以油松林、山杏林、沙棘林3類典型的人工林種為研究對象，選取整地方式、植物蓋度及坡向等立地條件一致的樣點作為監(jiān)測點(表1)，并選取與監(jiān)測點立地條件一致的荒草地作為對照樣點。監(jiān)測點垂直埋設(shè)長度為2 m的PVC管，采用時域反射計(TRIME-HD)手持式讀表高精度TDR定點監(jiān)測，每20 cm深度1層，每層重復(fù)測定3次取平均值，每次重復(fù)探針在水平方向上旋轉(zhuǎn)120°。觀測了2010年8月至2013年6月各監(jiān)測點0～180 cm土層范圍內(nèi)的土壤水分狀況。在測定時間段內(nèi)，每月月中及月末各測定1次，為避免降水對土壤含水量的影響，每次觀測時保證連續(xù)3日內(nèi)無明顯降水，監(jiān)測時段共計35個月，監(jiān)測樣本共計70組。

表1　各監(jiān)測點基本情況(2010—2013年)

2.2有序聚類法

有序聚類法是聚類分析方法的一種，其與系統(tǒng)聚類法和逐步聚類法的主要區(qū)別在于：分類結(jié)果不會打亂樣本次序[11-12]。本文使用有序聚類法中的最優(yōu)分割法，使各段樣品之間的差異最大，而各段樣品內(nèi)部的差異最小[3]。筆者為反映研究區(qū)內(nèi)土壤含水量在8個土層的變化情況，將土壤水分層的深度為排序軸，用DPS軟件中的有序聚類分析按照土壤水分含量進行聚類，使聚類結(jié)果保持深度上的排序。

2.3數(shù)據(jù)處理

本文使用SPSS 17.0及Excel 2010軟件對不同人工林及荒草地各深度土壤含水量進行描述性統(tǒng)計分析，用Origin 8.0對不同人工林地土壤水分垂直分布特征、土壤水分含量與土層深度的關(guān)系、土壤水分聚類分析碎石圖進行繪制，使用DPS v7.05軟件對土壤水分進行有序聚類分析。

3結(jié)果與分析

3.1土壤水分垂直分布規(guī)律

分別對觀測期間不同人工林地及荒草地土壤含水量體積分數(shù)及變異系數(shù)進行分析(圖1)。從土壤含水量垂直變化(圖1(a))可以看出，荒草地0～170 cm土層土壤含水量及其變化范圍較3種人工林地大?；牟莸?～170 cm土層土壤含水量變化范圍為11.38%～23.36%，而油松林、山杏林、沙棘林3種人工林下土壤含水量的變化范圍分別為11.98%～14.71%、9.60%～13.29%、11.91%～13.65%。在垂直方向上，油松林地及山杏林地土壤含水量隨土層深度增加呈遞減趨勢；人工沙棘林地土壤含水量呈“S”型分布，其土壤水分最低值、最高值分別出現(xiàn)在20～40、100～120 cm土層；荒草地土壤含水量在20～60 cm土層隨土層深度增加呈遞減趨勢，而在60～170 cm隨土層深度增加呈遞增趨勢。

圖1　不同人工林地土壤水分垂直分布特征Fig.1　Vertical distribution of soil moisture in different artificial forests

從圖1(b)可以看出，3種人工林地及荒草地下，土壤水分變異系數(shù)均隨土層深度增加總體呈遞減趨勢。說明表層土壤含水量變化活躍，水分交換較多，深層土壤含水量變化緩慢，水分交換較少。其中：油松林地土壤水分變異系數(shù)隨土層深度增加呈逐漸降低趨勢；而山杏林地60～160 cm土層的土壤水分變異系數(shù)呈逐漸增大趨勢；沙棘林地及荒草地下土壤水分變異系數(shù)在0～60 cm土層隨土層深度增加呈逐漸增加趨勢，在60～160 cm土層呈逐漸降低趨勢。

3.2土壤含水量垂直變化趨勢

為了進一步探究土壤含水量隨土層的變化趨勢，采用各人工林地土壤含水量與土層深度進行回歸分析(圖2)。

圖2　土壤水分含量與土層深度的關(guān)系Fig.2　Relationship of soil moisture content y (%) and soil depth x (cm)

結(jié)果表明，油松林地及山杏林地土壤含水量與土層深度呈顯著負相關(guān)關(guān)系，即土壤含水量隨土層深度的增加呈逐漸減少趨勢。二者的減小速率分別是0.019 3和0.020 9%/cm，且相關(guān)程度較高，其中，油松林地土壤含水量與土層深度的相關(guān)程度(R2=0.941 5)高于山杏林地的相關(guān)程度(R2=0.743 4)，說明油松林地土壤水分隨土層深度的變化趨勢較顯著。沙棘林地及荒草地土壤含水量與土層深度呈正相關(guān)關(guān)系，即土壤含水量隨土層深度的增加呈逐漸增加趨勢。二者的增加速率分別為0.004 6及0.086 3%/cm，其中，荒草地土壤含水量與土層深度相關(guān)程度較高(R2=0.843 6)，說明荒草地土壤水分隨土層深度的增加趨勢較顯著；而沙棘林的相關(guān)程度較低(R2=0.026 6)，說明沙棘林地土壤水分隨土層深度的增加趨勢不明顯。

3.3土壤水分垂直分層

3.3.1變異系數(shù)法分層根據(jù)陳洪松等[13]對土壤水分垂直變化的層次的劃分標準——土壤水分變異系數(shù)30%以上為速變層，介于20%～30%之間為活躍層，介于10%～20%之間為次活躍層，介于0～10%之間為相對穩(wěn)定層。使用目前廣泛應(yīng)用的變異系數(shù)法對荒草地及不同人工林地0～180 cm土層進行分層(表2)。結(jié)果表明，隨土層深度的增加，荒草地及3種人工林地土壤水分變異系數(shù)呈逐漸減小，土層從上至下依次可劃分為速變層、活躍層和次活躍層3個層次。

表2　土壤水分剖面垂直分層

注：FCL為速變層；AL為活躍層；SL為次活躍層。Note: FCL fast chamging layer; AL: active layer; SL: sub-active layer.

3.3.2有序聚類法分層不同人工林及荒草地下0～180 cm土層土壤水分觀測值，構(gòu)成向量有序樣品x(1)，x(2)，x(3)，…，x(9)；其中1，2，3，…，9為0～20，20～40，40～60，…，0～180 cm土層的編號。使用DPS軟件對各測點0～180 cm土層進行有序聚類分層。如表3所示，在0～180 cm土層范圍內(nèi)，土壤剖面水分垂直變化可分為2～9類的結(jié)果，且隨著分類數(shù)的增加，誤差函數(shù)依次減??；因此，確定各測點土壤水分的最優(yōu)分類數(shù)是聚類分析的關(guān)鍵。

表3　土壤水分的有序聚類結(jié)果

本文利用碎石圖確定最優(yōu)分類數(shù)：分別以油松林、山杏林、沙棘林及荒草地誤差函數(shù)為y軸、分類數(shù)為x軸作碎石圖(圖3)。結(jié)果表明，各人工林及荒草地的誤差函數(shù)與分類數(shù)的擬合關(guān)系均呈指數(shù)分布規(guī)律，且決定系數(shù)較大，分別為0. 985 1、0.998 3、0.993 8和0.998 8。由圖3可以看出，分別當(dāng)油松林、山杏林、沙棘林及荒草地土層土壤水分的分類數(shù)為3、3、4、3時，各分類間的誤差函數(shù)差異較??；因此，油松林、山杏林、沙棘林及荒草地土層土壤水分的最優(yōu)分類數(shù)分別為3、3、4、3。

結(jié)果表明，利用有序聚類法對油松林、山杏林、沙棘林及荒草地0～180 cm土層土壤水分垂直分層的結(jié)果與用變異系數(shù)法進行分層的結(jié)果較為一致，從而說明利用有序聚類法對土壤水分剖面進行分層的方法是合理的。這與前人的研究結(jié)果[3]一致。

4討論

人工油松林地下0～180 cm土層土壤水含量自上而下呈顯著減少的趨勢，減小速率為0.019 3%/cm，80 cm以下土層土壤含水量較低，可能是人工油松林消耗80 cm以下土層土壤水分較多。相關(guān)研究表明，半干旱黃土丘陵區(qū)油松林地土壤含水量自上而下呈逐漸減少趨勢[14]，尤其是100 cm以下土層土壤水分虧損嚴重[15]。人工山杏林地0～180 cm土層土壤水含量自上而下呈顯著減少的趨勢，減小速率為0.020 9%/cm，100 cm以下土層土壤含水量急劇下降，在180 cm處降至9.6%，人工山杏林林分穩(wěn)定性可能會減弱。張益望等[16]認為人工山杏林地土壤含水量自上而下呈逐漸減少趨勢，杏樹林地土壤水分虧損嚴重[17]。本研究發(fā)現(xiàn)人工沙棘林地0～180 cm土層土壤含水量呈“S”型分布，土壤水分隨土層深度的增加趨勢不明顯。這與從心海等[18]的研究結(jié)果相似。

油松林、山杏林、沙棘林下，土壤水分變異系數(shù)隨土壤深度的加深總體呈減少趨勢，這和前人的研究結(jié)果一致[19-20]。這主要是因為表層土壤受降雨、地表蒸發(fā)、植物蒸騰和植物根系吸收等因素對土壤水分的影響較大，而深層土壤水分入滲較少，植物根系分布較少。其中，山杏林地60～160 cm土層的土壤水分變異系數(shù)呈緩慢增加的趨勢，而此層的土壤水分呈逐漸減少的趨勢，這可能與山杏根系的分布及土壤中各孔徑分布的變異性有關(guān)[21]。沙棘林地下土壤水分變異系數(shù)在0～60 cm土層隨土層深度增加呈逐漸增加趨勢，而在60～160 cm土層呈逐漸降低趨勢。這可能是由于0～60 cm土層中沙棘根系分布較多[18]，對土壤水分影響較大。

有序聚類法數(shù)學(xué)理論嚴密，能在很大程度上減少主觀因素的影響。本文使用有序聚類法及變異系數(shù)法對3種不同人工林地及荒草地0～180 cm土層土壤水分剖面進行垂直分層，結(jié)果顯示有序聚類法進行分層的結(jié)果與變異系數(shù)法的分層結(jié)果基本一致，說明有序聚類法可用于對土壤水分的分層研究，這與前人的研究結(jié)果[3,9]基本一致。

5結(jié)論

1)研究區(qū)油松林及山杏林林地0～180 cm土層土壤含水量隨土層深度加深呈遞減趨勢，且其80 cm以下土層土壤含水量遠小于相同條件下荒草地土壤含水量，油松林及山杏林可能對80 cm以下土層土壤水分消耗較大，在該區(qū)栽植密度為1 600株/hm2的油松及山杏林是否會破壞當(dāng)?shù)赝寥浪址€(wěn)定性有待進一步研究。該區(qū)沙棘林地0～180 cm土層土壤含水量隨土層深度的增加呈不顯著遞增趨勢，但其80 cm以下土層土壤含水量也遠小于荒草地下土壤含水量，沙棘林是否會消耗陜北黃土區(qū)80 cm以下土層土壤水分有待進一步研究。

2)研究區(qū)油松林、山杏林、沙棘林及荒草地下，土壤水分變異系數(shù)均隨土層深度增加呈遞減趨勢。使用變異系數(shù)法可將不同人工林及荒草地下0～180 cm土層劃分為速變層、活躍層和次活躍層3個層次。利用有序聚類法對3種人工林及荒草地下0～180 cm層土壤水分進行垂直分層，其結(jié)果與用變異系數(shù)法進行分層的結(jié)果較為一致，將該區(qū)0～180 cm土層劃分為3個層次較合理。

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(責(zé)任編輯：程云郭雪芳)

Vertical distribution of soil moisture in artificial forests

in loess region of northern Shaanxi

Wang Yu1, Zhu Qingke1, Zhao Weijun2, Wang Lina1, Ma Huan1, Liang Feifan1, Zhao Xingkai1,Li Anyi3

(1.Engineering Research Center of Forestry Ecological Engineering of Ministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China; 2.Key

Laboratory of Tourism and Resources Environment in Colleges and Universities of Shandong Province, Taishan University, 271021, Taian,

China; 3.Beijing World Hazard Preventing Tech. Co., Ltd, 100048, Beijing, China)

Abstract:Soil moisture is one of the main factors that restrict vegetation growth, vegetation restoration and stand stability on the Loess Plateau in northern Shaanxi province.It also shows obvious temporal-spatial characteristics under different land use types, topography and geomorphology, and vegetation conditions due to the effects of rainfall, surface runoff, plant transpiration, root absorption and so on. The vertical distribution of soil moisture in artificial forests reflects the characteristics of soil water consumption and stability of forest lands. Thus, the study of soil moisture in vertical profiles is important for understanding the utilization of soil moisture in artificial forests. The aim of this study was to investigate the distribution and the hierarchical characteristics of soil moisture at the 0-180 cm layer in vertical profiles. In order to analyze it,three types of typical artificial forests on the Loess Plateau in northern Shaanxi province,namely Pinus tabulaeformis, Armeniaca sibirica and Hippophae rhamnoides, were selected as the research object. Meanwhile, waste grassland in the same stand conditions was used as a reference group. The time domain reflection (TDR) was chosen to measure the soil moisture between 0 cm and 180 cm in vertical profiles. During the period from August 2010 to June 2013, the soil moisture contents were measured 3 times in every 20 cm layer.Moreover, in each observation, the probe of TDR was rotated 120° in horizontal direction. The sequential clustering method and the variation coefficient method were combined in this study in order to classify the soil layer by moisture. Results show that the soil moisture contents of Pinus tabulaeformis and Armeniaca sibirica forests were decreased respectively by 0.019 3%/cm and 0.020 9%/cm with increasing soil depth (0-180 cm), while the soil moisture contents of Hippophaer hamnoides forest and waste grassland were increased with the rate of 0.004 6%/cm and 0.086 3%/cm, respectively. Nevertheless, the soil moisture contents of the three types of artificial forests were all less than those of waste grassland between 80 cm and 180 cm in vertical profiles. Thus, studies should pay more attention to soil moisture below the 80cm soil layer in the Loess Plateau of northern Shaanxi province and determining whether it will be absorbed by the root system of the three kinds of artificial forests. Using variation coefficient method, our observation also suggests the soil layers in 0-180 cm vertical profiles can be divided into three groups, which are quickly changing layer, active layer and sub-active water layer. Moreover, the soil layers can also be divided into three groups using sequential clustering method. And the grouping result is comparatively consistent with that by variation coefficient method and by sequential clustering method. Thus, the sequential clustering method is likely to be reasonable when used in classification of soil layer. The result of this research wouldprovide basic theory for selecting species in near-natural afforestation.

Keywords:plantation; soil moisture; vertical variation; Loess Plateau

通信作者?簡介： 朱清科(1956—)，男，教授，博士(后)，博士生導(dǎo)師。主要研究方向: 林業(yè)生態(tài)工程學(xué)與水土保持學(xué)。E-mail:zhuqingke@sohu.com

作者簡介：第一 王瑜(1989—)，女，碩士研究生。主要研究方向：林業(yè)生態(tài)工程學(xué)。E-mail:wangyu0427@sohu.com

收稿日期：2015-04-07修回日期： 2015-10-30

中圖分類號：S152.7+2

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3007(2015)06-0054-07