晉西北不同植被類型土壤水分虧缺特征*

王玲，劉庚，馮向星，?？〗?/p>

(太原師范學(xué)院歷史地理與環(huán)境變遷研究所，山西 晉中 030619)

晉西北地處半干旱黃土丘陵區(qū)，該區(qū)水資源短缺、氣候干燥、降水稀少，土壤水分不足已成為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)與重建的關(guān)鍵影響因子[1-2]。自1998年起，國(guó)家在晉西北實(shí)施了大面積的退耕還林還草工程，取得了顯著成效[3-4]。然而，該區(qū)域“低降水、高蒸發(fā)”的氣候條件及植被恢復(fù)過(guò)程中配置不合理等原因，造成土壤含水量較低，甚至發(fā)育干層[5-6]，導(dǎo)致不同深度土層土壤水分出現(xiàn)虧缺現(xiàn)象[7-9]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)不同土地利用方式、不同植被類型的土壤水分虧缺評(píng)價(jià)進(jìn)行了相應(yīng)研究[10-12]，也有學(xué)者對(duì)土壤水分虧缺評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)等進(jìn)行探究，提出土壤干化指數(shù)[13]、土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)和樣地土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)[14-15]、土壤含水量與生長(zhǎng)阻滯含水量的差值[16]、以及基于水分消耗的土壤干化指標(biāo)[17]等土壤水分虧缺評(píng)價(jià)指標(biāo)，在土壤水分虧缺的半定量化及定量化評(píng)價(jià)方面取得了較大進(jìn)步。晉西北生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)該區(qū)域開展不同植被類型土壤水分干層和土壤水分虧缺評(píng)價(jià)研究，具有重要意義[18]。

研究人工植被土壤水分時(shí)、空分布特征，對(duì)認(rèn)識(shí)土壤水分虧缺狀況、防止新的生態(tài)退化、成功實(shí)施生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)林業(yè)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前對(duì)晉西北不同植被類型、土壤水分垂直剖面分布規(guī)律和空間分布規(guī)律等方面已有相關(guān)研究[19]，但對(duì)晉西北不同植被類型0～600 cm典型人工林地土壤水分虧缺程度的評(píng)價(jià)及不同季節(jié)儲(chǔ)水量特征的研究還比較鮮見。因此，本研究選擇晉西北典型人工林地檸條林、油松林為研究對(duì)象，以撂荒地作為對(duì)照，分析不同植被土壤儲(chǔ)水量剖面特征，定量評(píng)價(jià)不同植被類型5、7、9、11月0～600 cm土壤剖面水分虧缺現(xiàn)狀，以期為同類地區(qū)生態(tài)建設(shè)和科學(xué)管理提供理論指導(dǎo)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于晉西北的嵐縣嵐城鎮(zhèn)東河村，海拔高度約為1 287 m。嵐縣是汾河上游環(huán)境生態(tài)重點(diǎn)治理縣，也是國(guó)家生態(tài)環(huán)境建設(shè)重點(diǎn)縣。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，無(wú)霜期130 d，年平均氣溫6.8 ℃，極端最高氣溫36.4 ℃，最低為-30.5 ℃，年有效積溫2 948 ℃，年均降雨量為400 mm，分配極不均勻，主要集中在7-9月，占全年降水總量的70%左右。受氣候影響，該區(qū)代表性的植物有蘆草(Phragmitesaustralis)、狗尾草(Setariaviridis)、錦雞兒(Cartagenasinica)等，典型的人工植被有檸條(Cartagenakorshinskii)、小葉楊(Populussimonii)、油松(Pinustabuliformis)等。該縣屬于典型的半干旱黃土丘陵區(qū)，降水稀少、氣候干旱等自然因素導(dǎo)致了諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

1.2　樣點(diǎn)采集與分析

選取當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘臋帡l、油松林地，以撂荒地為對(duì)照樣地，樣地均設(shè)在低緩坡地上。檸條林齡為13 a，平均樹高1.5 m，冠幅約為2 m，檸條林地表層為雜草；油松林齡為15 a，平均樹高10 m，平均冠幅3.5 m，油松林地表層有10～15 cm的枯落物層。該縣12月初至次年4月上旬土壤處于凍土狀態(tài)，因此選擇該區(qū)2014年5、7、9和11月的22-26日在野外采集土壤樣品，之所以選擇這幾個(gè)測(cè)定日是因?yàn)?、9和5、11月可以分別反映該區(qū)雨季和非雨季的土壤水分狀況。土壤樣品采用輕型人力鉆采取，每種植被樣地選3個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)采樣，樣品采集深度為0～600 cm，土壤樣品間距為10 cm，共計(jì)2 160個(gè)樣品。采用烘干法測(cè)定土壤含水量，烘干時(shí)間為24 h以上。儲(chǔ)水量通過(guò)公式計(jì)算，田間持水量和土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。表1為分層測(cè)定不同植被0～60 cm的土壤容重，60 cm以下同一植被類型的土壤質(zhì)地基本一致，下層土壤取各植被0～60 cm土壤容重的平均值。降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自研究區(qū)的氣象站。

1.3　數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1土壤儲(chǔ)水量指土壤中含水的絕對(duì)數(shù)量即在一定厚度、一定面積土壤中所含水量相當(dāng)于相同面積水層的厚度，一般可用水深表示。其計(jì)算公式為：

表1　不同植被類型土壤容重(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 1　Volume weight of soil of different vegetation types

Wi=Mi×Di×h×10÷100

(1)

式中，Wi為土壤儲(chǔ)水量(mm)；Mi為土壤含水量(%)；Di為土壤容重(g/cm3)；h為土層深度(cm)；i為土層序列。

1.3.2單個(gè)樣地不同土層土壤水分相對(duì)虧缺程度通過(guò)土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為[15]：

(2)

式中，CDi為不同林地第i土層土壤水分相對(duì)虧缺值；i為采樣土層系列；Ci為對(duì)照樣地即多年撂荒地第i層土壤含水量(%)；Wm為萎蔫系數(shù)(%)。

1.3.3不同樣地間土壤水分相對(duì)虧缺程度通過(guò)樣地土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為[15]：

(3)

式中，PD為樣地土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)；WCi為對(duì)照樣地即多年撂荒地第i層土壤儲(chǔ)水量(mm)；Wi為樣地第i土層土壤儲(chǔ)水量(mm)；Wwm為萎蔫系數(shù)對(duì)應(yīng)的土壤儲(chǔ)水量(mm)；k為樣地土層的分層數(shù)。

1.3.4土壤有效儲(chǔ)水量是指植物可利用的土壤水的上限與下限的差值。計(jì)算公式為[15]：

(4)

式中，EWi為第i土層土壤有效儲(chǔ)水量(mm)；Fc為田間持水量(mm)；EW為土壤有效儲(chǔ)水量(mm)。

1.3.5為量化分析不同植被恢復(fù)的土壤水分狀況采用土壤水分相對(duì)虧缺量來(lái)表示，計(jì)算公式為[15]：

(5)

式中，DW為土壤水分相對(duì)虧缺量(mm)；WCi為對(duì)照地第i土層土壤儲(chǔ)水量(mm)。

采用OriginPro8.0制圖，利用SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同植被類型土壤剖面儲(chǔ)水量特征

2種人工林地與撂荒地不同季節(jié)土壤剖面儲(chǔ)水量特征如圖1所示。3種植被在不同季節(jié)的土壤儲(chǔ)水量隨土層深度增加有較明顯的趨勢(shì)特征，總體上表現(xiàn)出先降低后升高的規(guī)律，但土壤儲(chǔ)水量變化隨植被類型、月份變化也有差異。除5月外，不同植被類型0～60 cm深度范圍內(nèi)的土壤儲(chǔ)水量隨土層深度增加呈明顯降低趨勢(shì)，這是土壤水分的補(bǔ)給與消耗綜合作用的結(jié)果。上層土壤受天然降水的直接補(bǔ)給，并從上向下滲透，同時(shí)表層土壤受植物蒸騰與土壤蒸發(fā)影響，水分消耗較快[20]。100～600 cm土層的土壤儲(chǔ)水量變化隨植被類型和月份不同而有一定差異性。檸條林地100～300 cm土層土壤儲(chǔ)水量變化趨勢(shì)因月份不同而有較大差異，整體表現(xiàn)為在雨季有所增加，在非雨季呈降低趨勢(shì)或趨于穩(wěn)定；檸條300～600 cm土層深度的土壤儲(chǔ)水量在雨季7月、9月為升高趨勢(shì)，而400～500 cm土層在5月和11月為波動(dòng)性下降趨勢(shì)。5月、11月油松林地0～60 cm土層土壤儲(chǔ)水量低于檸條，7和9月該層土壤儲(chǔ)水量均較檸條林地高； 60～500 cm土層深度的土壤儲(chǔ)水量變化趨勢(shì)與檸條接近，500～600 cm土層深度的土壤儲(chǔ)水量整體呈降低趨勢(shì)。撂荒地0～80 cm土層深度的土壤儲(chǔ)水量為降低趨勢(shì)，80～600 cm土層深度的土壤儲(chǔ)水量為明顯的升高趨勢(shì)。

圖1　不同植被類型在不同季節(jié)的土壤儲(chǔ)水量Fig.1　Soil water content of different vegetation types in different seasons

2.2　不同植被類型的土壤儲(chǔ)水量虧缺

為方便比較不同植被在不同季節(jié)土壤儲(chǔ)水與虧缺狀況，在研究區(qū)土地類型、采樣深度和采樣時(shí)間均相同的條件下測(cè)定不同季節(jié)土壤儲(chǔ)水量，采取多樣本取平均值法進(jìn)行分析，增加數(shù)據(jù)的可信度。結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，在相同月份，不同植被類型的土壤儲(chǔ)水量、土壤有效儲(chǔ)水量差異均較大，而土壤儲(chǔ)水量與有效儲(chǔ)水量變化趨勢(shì)基本一致，各月土壤儲(chǔ)水量和土壤有效儲(chǔ)水量均表現(xiàn)為：撂荒地>檸條>油松，撂荒地、檸條林、油松林的土壤有效儲(chǔ)水量分別占土壤儲(chǔ)水量的35.58%、10.05%、4.15%。撂荒地作為對(duì)照樣地，其土壤儲(chǔ)水量與土壤有效儲(chǔ)水量均較高，這可能與撂荒地植被覆蓋以草地為主，同期消耗土壤水分較少有關(guān)；土壤水分相對(duì)虧缺量表現(xiàn)為：油松>檸條>撂荒地，檸條、油松林地7月土壤水分相對(duì)虧缺量最大，分別為393.07 mm、452.34 mm。撂荒地除5月土壤水分相對(duì)虧缺外(虧缺量為19.57 mm)，其它月份土壤水分均有蓄積，這可能是由于5月氣溫快速回升，蒸發(fā)量較大，且降水稀少造成的；3種植被類型不同月份的土壤儲(chǔ)水量均表現(xiàn)為：5月>11月>7月>9月。

2.3　同一植被類型不同土層的土壤水分虧缺評(píng)價(jià)

圖2為2種人工林地剖面土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)。CDi值越大，表明土壤水分虧缺越嚴(yán)重，若值小于0，表示土壤水分沒(méi)有虧缺。檸條、油松林地0～600 cm土層CDi剖面分布特征較為相似，0～280 cm土層范圍內(nèi)CDi值隨土層深度增加波動(dòng)較大，280～600 cm土層CDi值波動(dòng)范圍較小，土壤水分接近凋萎濕度，平均CDi高達(dá)0.92。檸條林地0～40 cm土層受降雨影響虧缺程度較輕，40～280 cm土層虧缺程度隨深度增加而加劇，土壤水分出現(xiàn)嚴(yán)重虧缺的土層為140～250 cm，其次為260～360 cm；土壤水分出現(xiàn)嚴(yán)重虧缺的土層范圍隨月份變化而改變，不同月份的CDi值波動(dòng)范圍為-3.26～4.95， 5月200～400 cm土層土壤水分相對(duì)虧缺嚴(yán)重，7月上移到50～200 cm土層，8月又下移至140～260 cm土層，11月繼續(xù)下移至160～290 cm土層；與其他月份相比，11月份土壤水分虧缺最嚴(yán)重。油松林地300 cm以下土層均存在水分虧缺現(xiàn)象，40～120 cm土層土壤水分虧缺程度較檸條林地低；5月、11月土壤水分虧缺程度相對(duì)較輕，CDi隨土層深度增加而降低；7月、9月土壤水分虧缺隨土層深度增加呈先增加后降低的趨勢(shì)；5月0～70 cm土層土壤水分虧缺較嚴(yán)重，7月下移至40～140 cm土層，9月繼續(xù)下移至110～240 cm，11月上移至0～150 cm。

表2　不同植被類型土壤儲(chǔ)水量與降雨量Table 2　Soil water content of different vegetation types and rainfall　mm

圖2　不同人工林土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)Fig.2　Compared soil water deficit index of different artificial forestland

2.4　不同植被類型的土壤水分相對(duì)虧缺特征

樣地土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)適用于不同樣地之間土壤水分虧缺程度的對(duì)比，PD值越大，表明樣地土壤水分虧缺程度越高，若PD值小于0，則表明土壤水分有所補(bǔ)充。由表3不同植被類型PD值可以看出，檸條林地0～600 cm土層土壤水分整體呈虧缺狀態(tài)，水分相對(duì)虧缺程度介于油松和撂荒地之間，0～100 cm土層相對(duì)虧缺程度最低，100～200 cm土層相對(duì)虧缺較嚴(yán)重，平均PD值達(dá)到0.24，檸條林地11月相對(duì)虧缺最嚴(yán)重。油松林地PD值隨土層深度增加呈先減小后增大趨勢(shì)，500～600 cm土層，水分相對(duì)虧缺程度達(dá)到最大，其原因可能是由于油松根系集中分布的土層耗水較多，土水勢(shì)較低， 500～600 cm土層土壤水分在水勢(shì)差作用下向上運(yùn)移，且地下水埋藏較深，該深度土層土壤水分難以得到補(bǔ)給造成的。5～11月0～600 cm土層平均PD值為0.69，11月油松土壤水分相對(duì)虧缺較輕，是由于該時(shí)期植被已停止生長(zhǎng)，土壤水分消耗降低。撂荒地7月土壤水分相對(duì)充足，從7月初到9月底，該時(shí)期植被生長(zhǎng)耗水增量大，蒸發(fā)強(qiáng)烈，但天然降雨集中，土壤水分蓄積效應(yīng)較強(qiáng)。撂荒地7月、9月PD值分別為-0.62、-0.13，0～100 cm土層范圍內(nèi)PD值分別為-0.78、-0.28，土壤水分不虧缺；5月、11月PD值接近零，分別為0.05、-0.04，土壤水分存在較輕的虧缺；撂荒地11月土壤水分虧缺主要集中在表層，0～100 cm土層范圍內(nèi)PD值最高，為0.11。

表3　不同植被樣地土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)1)Table 3　Plot compared soil water deficit index of different vegetation types

1)PDa- PDf分別代表0～100，100～200，200～300，300～400，400～500，500～600 cm土層深度的PD值。

3　討　論

1)3種植被0～100 cm土層深度的土壤儲(chǔ)水量變化差異較大，其主要原因是淺層土壤易受降雨入滲、植物強(qiáng)烈的蒸騰作用等影響[21]，造成不同植被不同季節(jié)在該深度土層的土壤儲(chǔ)水量變化范圍較大。文中研究結(jié)果顯示，100～600 cm深度范圍內(nèi)，撂荒地土壤儲(chǔ)水量明顯高于檸條、油松林地； 500～600 cm深度范圍內(nèi)，檸條林儲(chǔ)水量高于油松林，且油松林地在該層的土壤儲(chǔ)水量變化均為降低趨勢(shì)。從土壤儲(chǔ)水量剖面變化特征來(lái)看，撂荒地主要消耗0～80 cm深度的土壤水分，深層土壤水分均有蓄積；檸條林地耗水深度達(dá)400 cm；油松林耗水深度已超過(guò)600 cm。3種植被5月0～300 cm土層深度的土壤含水量略高于其他季節(jié)，其原因可能與該區(qū)土壤在4月中旬解凍后，積雪融水補(bǔ)給土壤水分有關(guān)。不同植被類型在不同季節(jié)的土壤剖面儲(chǔ)水量隨土層深度增加，呈劇烈—緩和趨勢(shì)，表明深層土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性通常較淺層土壤水分更強(qiáng)。

2)土壤儲(chǔ)水量的大小可表征不同植被水文生態(tài)功能對(duì)調(diào)節(jié)干旱、減弱并防止土壤侵蝕作用的強(qiáng)弱[22]。由表2可見，雨季降雨量明顯高于非雨季，不同月份土壤儲(chǔ)水量和有效儲(chǔ)水量變化趨勢(shì)一致，與人工林生長(zhǎng)季強(qiáng)烈耗水和雨季土壤水分補(bǔ)給具有較大相關(guān)性。檸條、油松林地儲(chǔ)水量均變現(xiàn)為：5月>11月>7月>9月，撂荒地則為5月>7月>11月>9月，都是在土壤解凍后上升，進(jìn)入生長(zhǎng)季后逐漸下降，隨著雨季的到來(lái)，逐步升高或升高后再降低。由圖1和表2可見，油松林地和檸條林地消耗土壤水分遠(yuǎn)大于撂荒地，而0～60 cm油松林地土壤儲(chǔ)水能力較檸條林強(qiáng)，這可能是因?yàn)橛退闪值乇韺油寥乐袏A雜未分解或半分解的枯枝落葉，枯落物層土壤疏松多孔，導(dǎo)致土壤密度較低，孔隙度較高[23]，在自然降水后水分可充滿孔隙并依靠表面張力維持在枯落物層中，具有較強(qiáng)的持水能力[24]，這與大多數(shù)研究一致。

3)植被類型決定植被根系分布深度和密度，對(duì)植被有效利用土壤水分的程度有較大影響。何福紅等[25]研究認(rèn)為不同植被類型土壤含水量變化為：農(nóng)地>草地>果園>林地；劉庚等[26]通過(guò)分析撂荒地、檸條林、小葉楊林3種植被4-7月份0～600 cm深度剖面土壤水分的時(shí)空異質(zhì)性特征，發(fā)現(xiàn)撂荒地的土壤水分在不同月份的最小值明顯都高于檸條、小葉楊林。由圖2和表3可見，撂荒地在雨季土壤儲(chǔ)水量蓄積效應(yīng)最強(qiáng)，而非雨季表層土壤水分虧缺較深層土層嚴(yán)重。檸條林地主要消耗的土壤水分為0～400 cm土層，200～400 cm土壤虧缺程度較高。油松林地土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)和樣地土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)均高于檸條林地和撂荒地。綜合來(lái)看，油松林耗水量和耗水深度均高于檸條林。

4　結(jié)　論

1)3種植被類型各月土壤剖面儲(chǔ)水量變化趨勢(shì)不同。從總體來(lái)看，撂荒地土壤剖面儲(chǔ)水量較人工林高，且隨土層深度增加呈增長(zhǎng)型。0～60 cm土層土壤儲(chǔ)水量受降雨量變化影響較大，雨季該層土壤儲(chǔ)水量油松高于檸條；檸條林地100～500 cm土層土壤儲(chǔ)水量較油松林地高；油松林地與檸條林地在500～600 cm土層土壤儲(chǔ)水量變化趨勢(shì)相反，油松林為降低型，檸條林為增長(zhǎng)型，說(shuō)明不同植被類型人工林主要對(duì)深層土壤水分的垂直分布產(chǎn)生影響。

2)撂荒地0～600 cm土層土壤水分相對(duì)虧缺量最小，7月、9月、11月土壤水分不虧缺；油松林地各月份土壤水分相對(duì)虧缺量較檸條林地高。2種人工林植被土壤儲(chǔ)水量均表現(xiàn)為非雨季高于雨季，且雨季油松林表層的枯落物層儲(chǔ)水能力較強(qiáng)。

3)2種人工林植被存在明顯的土壤水分虧缺現(xiàn)象，且不同植被類型的土壤水分虧缺深度不同，嚴(yán)重虧缺土層隨季節(jié)變化在一定范圍的土層深度內(nèi)移動(dòng)，檸條林地基本表現(xiàn)為：雨季向淺層土壤移動(dòng)，非雨季向深層土壤移動(dòng)，而油松林地嚴(yán)重虧缺土層表現(xiàn)為連續(xù)向深層土壤移動(dòng)的趨勢(shì)，土壤水分虧缺最嚴(yán)重。

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