黃土高原退耕還林措施對深層土壤含水率的影響

焦 瑞，趙 英，司炳成，蘭志龍，張建國，3

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院／農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌712100；

2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；3.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌712100）

黃土高原退耕還林措施對深層土壤含水率的影響

焦 瑞1，趙 英1，司炳成2，蘭志龍1，張建國1，3

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院／農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌712100；

2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；3.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌712100）

深層土壤水分分布狀況對于黃土高原植被恢復(fù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。對陜北黃土區(qū)不同退耕還林措施（1979年種植的側(cè)柏林、油松林和蘋果林）及農(nóng)地（對照）20 m深土壤剖面的土壤水分、根系分布狀況及土壤粘粒含量進行了取樣分析。結(jié)果表明：退耕還林措施顯著降低了土壤含水率，總體表現(xiàn)為農(nóng)地（11.30%）＞蘋果林（6.66%）≈油松林（6.48%）≈側(cè)柏林（5.92%）。深層土壤含水率同時受植物根系和土壤質(zhì)地的影響，植物根系是影響4～10m土壤含水率的主要因素，根系通過吸水作用降低了土壤含水率，但隨著深度的增加，根系對土壤含水率的影響逐漸減弱，土壤質(zhì)地對土壤含水率的影響逐漸增強，土壤含水率與土壤粘粒含量之間呈正相關(guān)關(guān)系。側(cè)柏人工林根系影響土壤水分深度可達18m，油松林的影響深度為16m，35 a樹齡的蘋果林耗水深度為19m左右。

深層土壤水分；退耕還林；土壤質(zhì)地；植物根系；黃土高原

土壤水分是黃土高原植被生長最主要的水源［1］，也是影響植被和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的主要限制因子［2－3］。退耕還林（草）政策使黃土高原土地利用呈現(xiàn)多種方式，不同土地利用方式會影響土壤水分的含量及其分布規(guī)律［4－6］，因此充分認識各利用類型條件下土壤水分的變化規(guī)律是土地資源高效利用的前提［7］。人工林草在控制黃土高原水土流失中具有重要的作用，但現(xiàn)有的喬木［8］、果園［9－12］和高產(chǎn)農(nóng)地［13－14］對土壤水分的消耗超過了降雨的補給，使得深層土壤趨于干燥化，造成土壤干層［15］。土壤干燥化不僅對植被自身的生長造成不利影響，而且對陸地水文循環(huán)產(chǎn)生了一定的影響［16］。

目前關(guān)于退耕還林類型對土壤水分特征的影響研究較多，但對于深層土壤水分變化的研究較少。農(nóng)地多以2～3m土層深度為主，林地大多集中在6 m以上，而對10 m以下的土壤水分特征了解較少。目前對于深層土壤水分垂直分層的研究僅依據(jù)含水率的變化并未結(jié)合根系分布和土壤剖面質(zhì)地特征，而植被根系和土壤顆粒含量是影響深層土壤含水率的主要因素。本文通過對陜北高西溝地區(qū)農(nóng)地及不同退耕還林類型土壤深層水分特征進行分析，同時結(jié)合根系和質(zhì)地的分布規(guī)律，進一步探究不同退耕還林措施對土壤水分的利用深度以及影響深層土壤水分利用的主要因素，以期為該地區(qū)土地利用方式的優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

表1 不同退耕還林類型采樣點基本情況Table 1 Characteristics of the soil sampling plots under different conversion of cropland to forestmeasures

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省米脂縣東北方向20 km處的高西溝（37°87′N，110°18′E）。該區(qū)屬于典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，年平均氣溫8.4℃，年均降雨量440 mm，且主要集中在7—9月，約占全年降水的75%。高西溝是國家級水土保持示范區(qū)，自20世紀50年代實施退耕還林措施至今，退耕還林類型多樣，主要樹種有人工檸條林、人工側(cè)柏林、人工油松林及蘋果林等。

1.2 樣地選擇

分別選擇1979年種植的農(nóng)地（對照）、側(cè)柏林、油松林和蘋果林4種退耕還林類型，每種類型2個重復(fù)（注為a點和b點），共8個采樣點。4種類型在1979年之前均為耕地，其中農(nóng)地種植作物為馬鈴薯和大蔥。為使不同退耕還林類型之間含水率有可比性，各樣點均選在峁坡中部或下部，坡度相近，坡向為東坡或東南坡。同一樹種的長勢基本相同，且具有一定的規(guī)模，樣地植被覆蓋度約為70%～80%。

1.3 土壤樣品采集及測定

試驗于2015年7月15日開始，采樣順序為農(nóng)地、側(cè)柏林、油松林和蘋果林，平均每2 d采集一個樣點，采樣時間共8 d。在上述采樣地按照圖1所示的采樣位置，采用深剖面土鉆人工取土的方法取0～20 m深度范圍內(nèi)的土壤樣品，每隔20 cm采集1個土壤樣品。

土壤含水率采用烘干法測定，測定間隔為20 cm，烘箱內(nèi)于105℃下烘干12 h至恒重，土壤質(zhì)地采用吸管法測定，測定間隔為50 cm；土壤容重采用環(huán)刀法，測定深度為50 cm；土壤貯水量［17］采用公式（1）進行計算：

式中，Wc為土壤貯水量（mm）；θm為土壤質(zhì)量含水率（g·g－1）；ρ為土壤容重（g·cm－3）；h為土層深度（cm）。

圖1 林地采樣點位置示意圖Fig.1 Diagram of forest land sampling point

1.4 根系調(diào)查方法

在同一個土柱上將采集的0～10m土壤樣品通過孔徑為1 mm的網(wǎng)篩用清水沖洗，得到植物根系測定間距為20 cm。采用WinRHIZO根系分析軟件計算植物根系密度。

1.5 人工林根系耗水深度

王志強等［18］研究表明，深層土壤含水率年際變化較小，主要受植被和質(zhì)地的影響。因此，農(nóng)地土壤含水率主要受質(zhì)地的影響，林地土壤含水率受土壤質(zhì)地和林地植被的影響。通常，為了研究林地植被根系對土壤含水率的影響，確定人工林的耗水深度，必須排除質(zhì)地對土壤含水率的影響［19］。參照王志強［18］的研究方法，首先建立深層土壤含水率和質(zhì)地的相關(guān)關(guān)系；其次依據(jù)林地土壤質(zhì)地，估算林地在只受質(zhì)地作用的情況下，深層土壤含水率的理論值；最后通過對比人工林地理論含水率與實際測定的含水率，得出林地在只受根系影響下的耗水量，確定林地植被的耗水深度［20］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退耕還林類型下土壤水分垂直分布特征

土壤剖面水分受降雨、蒸發(fā)、植物吸水、地形條件以及土壤質(zhì)地等因素的影響，表現(xiàn)出明顯的垂直差異性。在0～20 m范圍內(nèi)，同一林齡退耕還林地的土壤含水率大小表現(xiàn)為農(nóng)地＞蘋果林≈油松林≈側(cè)柏林（表 2）。

表2 不同退耕還林類型下0～20m土壤含水率Table 2 Soilmoisture of0～20m depth under different conversion of cropland to forestmeasures

從圖2的土壤剖面水分分布曲線可以看出，0～2m的土層土壤含水率變化較劇烈，農(nóng)地、側(cè)柏林、油松林和蘋果林土壤平均含水率表現(xiàn)為農(nóng)地（8.83%）＞油松林（7.36%）＞側(cè)柏林（5.45%）＞蘋果林（3.85%）。由于0～2 m土層是植物根系的主要分布層，同時也是水分的主要消耗層，受降雨和蒸發(fā)的影響較大，因此土壤含水率變化較大。對于2～10m深土層，農(nóng)地的含水率顯著高于林地，3種林地之間無顯著差異（P＞0.05）（圖 2）。4種退耕還林類型土壤平均含水率分別為11.48%、5.77%、4.75%和5.30%，其中農(nóng)地土壤平均含水率約為林地的2.2倍。2～10m受外界氣候條件的影響較小，土壤水分消耗的差異主要是由植物根系的吸水作用所致。在10～20m土層中，土壤含水率隨深度的增加呈逐漸上升趨勢，不同退耕還林類型表現(xiàn)為農(nóng)地＞側(cè)柏林＞蘋果林＞油松林。由公式（1）可推算出農(nóng)地0～20m土壤貯水量為3 266.0mm，側(cè)柏林、油松林和蘋果林0～20m土壤貯水量分別為1 670.0、1 858.4mm和1 905.6 mm。與農(nóng)地相比，不同林地土壤0～20m貯水量依次減小了1 596、1 407.6 mm和 1 360.4mm。

圖2 不同退耕還林措施下土壤水分垂直分布Fig.2 Soilmoisture distribution under different conversion of cropland to forestmeasures

2.2 植被細根根系密度對土壤含水率的影響

通過對比不同退耕還林類型下的土壤水分分布（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，表層土壤含水率變化較為劇烈，2～10 m土層的平均含水率最低且無顯著變化，但10～20m土層平均含水率變異較大。每個采樣點除植被覆蓋類型不同，其它自然因素（氣候、海拔、坡向、地形）基本一致，因此土壤含水率主要是受植物根系吸水能力和土壤性質(zhì)（質(zhì)地）的影響。由圖3可知，蘋果林、油松林和側(cè)柏林最大細根密度均出現(xiàn)在0～20 cm淺層土壤，分別為 0.24、0.72 cm·cm－3和1.32 cm·cm－3。0～2 m為土壤水分活躍層，土壤含水率與氣候條件密切相關(guān)，受降雨、溫度等影響較大，且大多數(shù)植物的根系也分布在這一層，這有利于植物對雨水的吸收，也同樣會對土壤水分特別是深層土壤水分的重新分布產(chǎn)生重要影響。蘋果林、側(cè)柏林、油松林在2～10 m土層的平均細根密度分別為 0.041、0.045 cm·cm－3和 0.0031 cm·cm－3，該層土壤含水率受根系影響較大。蘋果林在4～10 m土層根系密度較小，并且土壤含水率相對較大，但變化較??；油松林在6.3m處根系密度突然增加，此深度的含水率也因此變??；側(cè)柏林在6.2 m和8.3 m深度的根系密度最大，而土壤含水率在此深度則是由大變小。由于沒有灌溉條件，有限的降水是研究區(qū)土壤水分的唯一來源，其補給深度有限［21］，同時由于0～2 m土層的強烈蒸發(fā)作用和根系耗水作用，使得該層土壤水分不能夠及時有效地向下補給，當(dāng)根系的耗水量長期高于補給量時必然造成深層土壤出現(xiàn)干層。

圖3 不同退耕還林措施下植被根系密度分布Fig.3 Root density distribution under different conversion of cropland to forestmeasures

2.3 土壤粘粒含量對土壤含水率的影響

由圖4土壤含水率與土壤質(zhì)地之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，除農(nóng)地外，在0～10m的土層中含水率受土壤質(zhì)地的影響較小。在10～20m的土層中，土壤含水率的變化受質(zhì)地的影響較大。蘋果林14～16 m土壤含水率變化與粘粒含量變化一致，油松林11～19 m土壤含水率變化趨勢與粘粒含量變化一致，側(cè)柏林土壤含水率在14.5 m和19 m處出現(xiàn)峰值，此深度的土壤粘粒含量也相對較大。農(nóng)地、油松林、蘋果林和側(cè)柏林的含水率峰值分別出現(xiàn)在13～15 m、11～13m、15～16 m和17～19 m之間，此時的土壤粘粒含量也基本處于峰值。通過分析土壤粘粒含量和土壤含水率之間的關(guān)系得出二者之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，并且隨著土層深度的增加，土壤質(zhì)地對含水率的影響增大（圖5）。

2.4 不同退耕還林類型植被耗水深度及耗水量

由圖2可以看出，表層的土壤含水率受外界氣候的影響較大，而4 m以下的土壤含水率受外界環(huán)境因素的影響較小。因此本研究以農(nóng)地4m以下的土壤實測含水率為基準(zhǔn)，建立農(nóng)地土壤含水率與土壤粘粒之間的關(guān)系式（圖5）。依據(jù)此關(guān)系式，通過不同林地的土壤粘粒含量來推算不同林地深層土壤含水率的理論值，對比林地土壤含水率理論值與實測值，即可得出在只有根系作用下的土壤含水率。

圖4 不同退耕還林措施下土壤水分剖面水分及質(zhì)地分布特征Fig.4 Soilmoisture and texture distribution under different conversion of cropland to forestmeasures

圖5 農(nóng)地4m以下土壤含水率與粘粒含量關(guān)系Fig.5 Relationship between soilmoisture concentration and clay concentration in 4～20m soil layer of cropland

人工植被土壤含水率的變化受多種因素的影響，研究區(qū)域的主要影響因素為氣候條件、土壤性質(zhì)（質(zhì)地）和植被耗水。由圖6可知，人工林的實測值和基于質(zhì)地的理論值在一定深度范圍內(nèi)基本保持平行，隨著深度的增加，差距逐漸減小至基本相交。各林地實測值和理論值差距較大的土層深度分別為2～13m（側(cè)柏林）、2～10 m（油松林）、2～9 m（蘋果林），說明在該深度的土壤含水率受植被耗水的影響較大。隨著深度的增加，植被對土壤含水率的影響逐漸減小。通過比較實測值和理論值可得到人工林的近似耗水深度，人工側(cè)柏林耗水深度為18 m，油松林為16 m，蘋果林為19 m。由理論值和實測值的差值，可計算得出人工植被在4 m至最大耗水深度的耗水量分別為 1 514.8 mm（側(cè)柏林）、1 015.1 mm（油松林）和 1 252.5mm（蘋果林）。

3 討 論

本研究通過分析植物細根根系密度發(fā)現(xiàn)，不同植被在深層土壤剖面根系分布差異較大，其中油松林根系密度最小，側(cè)柏和蘋果林根系密度基本相同。測定不同林地的深層土壤含水率發(fā)現(xiàn)，土壤含水率的變化呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。通過對比土壤含水率與植被根系分布規(guī)律可以得出，不同植被根系的分布情況與土壤含水率的變化有一定的相關(guān)性。Qiu等［22］研究結(jié)果表明，不同植被類型的根系均分布在0～1m土層，因此土壤含水率分布僅與植被類型有關(guān)。Wang等［23］研究了草地、林地以及農(nóng)地0～5 m的土壤含水率發(fā)現(xiàn)，不同植被類型的土壤含水率存在顯著差異，并且植被對土壤含水率的影響較大，這與本文的研究結(jié)果基本一致。

深層土壤含水率不僅受植被根系的影響，同時也受到質(zhì)地的影響。質(zhì)地和根系同時影響著深層土壤含水率，當(dāng)林地的理論含水率和實際含水率的曲線較為接近，則證明質(zhì)地對土壤水分的影響較大，反之則是根系對土壤水分的影響較大。王志強等［24］和楊文治等［25－26］的研究表明，粘粒含量與土壤含水率呈顯著正相關(guān)，與砂粒含量呈極顯著負相關(guān)。本研究通過對比土壤顆粒含量與土壤含水率也發(fā)現(xiàn)，粘粒含量越高土壤含水率越大。造成這種現(xiàn)象的原因是細顆粒土壤有更強的持水能力，土壤粘粒含量越高，其持水能力則越強。

曹裕等［27］研究指出蘋果樹的耗水深度超過12 m。王亞莉等［28］測定了黃土高原旱作蘋果園0～10 m土壤含水率結(jié)果表明，果園隨著種植年限的增長，土壤含水率逐漸降低，在24 a后，達到土壤凋萎濕度。王銳等［29］研究得出20 a的蘋果樹的耗水深度可達19m。上述研究分析的土壤剖面水分特征及植被耗水深度，僅從土壤含水率方面進行了分析，但并沒有考慮質(zhì)地對土壤水分的影響。本文得出人工側(cè)柏林根系對土壤水分的影響深度可達18 m，油松林的影響深度為16 m，蘋果林影響深度為19 m左右。測得的細根根系深度與確定的耗水深度有一定偏差，這一方面可能是由于采樣方法的缺陷導(dǎo)致更深層的根系未采集到，另一方面則是由于10m以上的土壤含水率過低，使得10m以下的水分不斷向上補給。

由于研究區(qū)地下水位埋藏深達50 m，不能補給植物，因此10～20m土層的水分主要通過降水入滲來補給，而10m以上土層由于根系的影響必然會降低深層土壤水分的補給。根系的影響深度越深造成的土壤干層現(xiàn)象越嚴重，要補給該土層的土壤水分，所需的貯水量為1 000 mm以上，這在特大豐水年也難以實現(xiàn)。因此，從植被長期的生長狀況來看，尚不能達到涵養(yǎng)水源的效果。

4 結(jié) 論

（1）在20 m土層的范圍內(nèi)土壤平均含水率為農(nóng)田＞蘋果林≈油松林≈側(cè)柏林，其值分別為11.3%、6.66%、6.48%、5.92%。農(nóng)田含水率的最大值為19.02%，出現(xiàn)在13m深處，蘋果林的最大值為13.61%，出現(xiàn)在18.6 m的深度，油松林和側(cè)柏林最大值分別為12.31%和16.37%，分別出現(xiàn)在11 m和19m。

（2）農(nóng)田的土壤含水率遠高于林地。在0～20 m的剖面中，農(nóng)田的土壤平均含水率比林地高4.95%，由此可以推算林地土壤貯水量在0～20 m的剖面至少減少了1 454.7mm。

（3）影響深層土壤含水率的因素主要有植物根系和土壤質(zhì)地。不同植物的根系影響范圍也不相同，通過公式可以大致估算其影響深度側(cè)柏林為18 m，油松林為16m，蘋果林為19m左右。在0～10m的范圍根系相對活躍，對土壤水分影響較大。隨著深度的增加，根系對水分的影響逐漸減弱，質(zhì)地在一定程度上影響土壤含水率，即粘粒含量越高，土壤含水率也越高。

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Effects of conversion of cropland to forestmeasures on deep soilmoisture in Loess Plateau

JIAO Rui1，ZHAO Ying1，SIBing-cheng2，LAN Zhi-long1，ZHANG Jian-guo1，3
（1.College of Nɑturɑl Resourcesɑnd Environment，Northwest A＆F University，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ；2.College ofWɑter Resourcesɑnd Architecturɑl Engineering，Northwest A＆F University Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ；3.Stɑte Key Lɑborɑtory of Soil Erosionɑnd Drylɑnd Fɑrming on Loss Plɑteɑu，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ）

Deep soilwater distribution has great significance for vegetation restoration and sustainable development of agriculture in Loess Plateau.In this study，soil samples in a depth of20m profile under different conversion of cropland to forestmeasures（artificial Chinese Arborvitae forest，artificial Chinese Pine forest and apple forest planted in 1979）and cropland（as contrast）were collected.The soilmoisture concentration，roots distribution and soil clay concentration weremeasured.The results demonstrated that the conversion of cropland to forestmeasures significantly reduced soilmoisture concentration.Cropland had the highestmoisture concentration（11.30%）in the four types of land use，whereas there are small differences of soilmoisture concentration among artificial apple forest（6.66%），Chinese Pine forest（6.48%）and Chinese Arborvitae forest（5.92%）had little differences in soilmoisture concentration.Soil moisture concentration was influenced by plant roots and soil texture.Plant rootswere themain factors affecting the deep soilmoisture concentration，roots through the suction effectof reducing the soilmoisture concentration.With the increasing of soil depth，the effects of roots on soilmoisture concentration was graduallyweakened whereas soil texture effectbecomesmore significant.The influence of depth is18m for Chinese Arborvitae forest，16m for Chinese Pine forestand is 19m for old apple forest.

deep soilwater；conversion of cropland to forest；soil texture；plant roots；Loess Plateau

S157.2

A

1000-7601（2017）05-0129-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.19

2017-01-06

2017-03-29

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2014KJXX－44）；國家自然科學(xué)基金（4137124，41371233，41471222）和中國科學(xué)院水利部水土保持研究所人才專項共同資助

焦 瑞（1991—），女，黑龍江人，碩士研究生，研究方向為土壤水分高效利用。E-mail：ruijiao0103＠163.com。

張建國（1981—），男，黑龍江人，博士，主要從事土壤水鹽運移和荒漠化防治研究。E-mail：zhangjianguo21＠nwsuaf.edu.cn。