陜北黃土區(qū)退耕還林后不同植被類型土壤含水量動態(tài)研究

強(qiáng)大宏 艾 寧, 劉長海 劉廣全 羅夢嬌 強(qiáng)方方

(1.延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100044)

陜北黃土區(qū)是我國乃至世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，由于長期人為干擾和自然因素作用，該區(qū)植被遭到嚴(yán)重破壞，加之氣候干旱、生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重，人民的生命財(cái)產(chǎn)和生態(tài)安全受到嚴(yán)重的威脅。自1999年我國實(shí)施 “退耕還林 (草) 工程” 后，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到了很大的改善，植被恢復(fù)效果顯著[1]。已有研究表明，在植被恢復(fù)過程中土壤含水量不僅起到?jīng)Q定性作用，還限制著生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和功能的全面發(fā)揮[2-4]；同時，在了解不同時空尺度下自然界水文過程時，土壤含水量也是一個關(guān)鍵因素[5-6]。因此，全面深入研究該區(qū)退耕還林18 a后植被類型土壤含水量時空特征，對于今后陜北黃土區(qū)植被恢復(fù)重建有著極其重要的作用。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對土壤含水量影響因素做了大量研究工作[7-10]，賈小旭等[11]指出植被和坡度是影響土壤含水量空間分布的主要因素；馬建業(yè)等[12]指出不同植被恢復(fù)方式下降水和坡向?qū)ν寥篮坑酗@著影響； Cantón等[13]通過連續(xù)18個月對西班牙半干旱地區(qū)不同植被類型下的土壤含水量變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土壤含水量的空間變異主要是由地表植被類型的不同以及土壤質(zhì)地引起的；艾寧等[14]研究指出黃土區(qū)不同植被類型在雨季的土壤含水量主要受當(dāng)前以及前一個月降雨量的影響；傅子洹等[15]研究指出植被類型對土壤含水量動態(tài)特征與剖面分布具有明顯影響；李謙等[16]研究指出在黃土區(qū)，草地、農(nóng)地等小流域的土壤含水量及其隨時間變化規(guī)律主要受降雨影響；姚雪玲等[17]指出土壤含水量的空間異質(zhì)性主要表現(xiàn)在不同植被類型之間。盡管國內(nèi)外學(xué)者對降雨量、地形地貌、植被類型與土壤含水量關(guān)系的研究較多，但是系統(tǒng)的對陜北黃土區(qū)不同降雨帶退耕地不同植被恢復(fù)下土壤含水量空間變化特征的研究還較少。因此，本研究通過對陜北黃土區(qū)不同降雨帶退耕地不同植被類型土壤含水量動態(tài)變化進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨在分析該區(qū)域不同降雨帶中降雨量、坡位、不同林地和土地利用類型對土壤含水量空間分布的影響，從而為區(qū)域植被恢復(fù)以及生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為陜北黃土丘陵溝壑區(qū)的吳起縣，位于東經(jīng)107°43′49″～108°12′50″、北緯36°50′41″～37°13′34″，海拔1 233～1 809 m。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候，年平均降雨量470 mm左右，但是時空分布極度不均，主要集中在7—9月，占全年降雨量的61%，年平均氣溫7.8 ℃，無霜期120～155 d，年平均蒸發(fā)量為400～450 mm，土壤主要以綿沙土為主，占全縣面積的87.62%，地勢南高北低，橫向單一。黃土粒相對較粗，易侵蝕，保水性差，植被恢復(fù)難度大。水土流失嚴(yán)重，是黃河中游水土流失重點(diǎn)縣之一，屬于強(qiáng)度水土流失區(qū)。植被屬于森林草原過渡帶或稀樹草原帶，由于濫砍濫伐，過度放牧，吳起縣原有植被遭到很大破壞，原生天然植被基本不存在，零星分布有河北楊 (Populushopeiensis) 和小葉楊 (Populussimonii) 林；土地利用形式以農(nóng)地、喬木、灌木、草地為主。人工植被主要有刺槐 (Robiniapseucdoacacia)、沙棘 (Hippophaerhamnoides)、山桃 (Amygdulusdavidiana)、山杏 (Armeniacasibirica)、檸條 (Caraganakorshinskii) 等。自從實(shí)施 “三北防護(hù)林”、 “退耕還林 (草)” 等林業(yè)生態(tài)工程以來，逐漸形成喬灌草混交林，其中灌木以沙棘、山杏、山桃為主，搭配落葉闊葉林以及常綠針葉樹種油松 (Pinustabulacformis)、側(cè)柏 (Platycladusorientalis) 等。

2 材料與方法

2.1 樣地布設(shè)

于2017年7月15日至7月26日，選取農(nóng)田、草地、小葉楊、沙棘、檸條、山桃以及混交林等典型退耕地植被類型或土地利用類型，4個采樣地點(diǎn)共選取15個標(biāo)準(zhǔn)地。地理信息數(shù)據(jù)采用GPS進(jìn)行記錄，同時記錄每個樣點(diǎn)的植被類型、海拔高度、坡位、坡向等屬性信息，見表1。

2.2 樣品采集

用直徑為6 cm的土鉆進(jìn)行土壤取樣，取樣深度為100 cm，分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，共5層。每層取3個樣品作為重復(fù)，對于當(dāng)天所采集的土樣，用烘干法測定其土壤含水量。

2.3 分析方法

采用SPSS 22.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和Duncan法多重比較，用Excel 2010以及SigmaPlot 14.0軟件進(jìn)行圖表繪制。

表1 采樣點(diǎn)基本情況Table 1 Basic conditions of sampling points

3 結(jié)果與分析

3.1 草地土壤含水量對降雨量的響應(yīng)

降雨是黃土高原地區(qū)植被生長的主要水源補(bǔ)給[18]，不同草地采樣點(diǎn) (樣點(diǎn)1～4) 0～100 cm土層含水量平均值與采樣點(diǎn)年均降雨量的關(guān)系見圖1。

圖1不同降雨量草地土壤含水量變化
Fig.1 Variation of soil water content in different rainfall grasslands

由圖1可知，土壤含水量與降雨量呈正相關(guān)，不同采樣點(diǎn)當(dāng)降水量范圍為310～480 mm，草地土壤含水量大小表現(xiàn)為金佛坪 (7.41%)> 大吉溝 (6.78%)> 王洼子 (4.29%)> 前小澗 (3.21%)。降雨量差異較小的金佛坪和大吉溝土壤含水量差異不明顯，但與王洼子、前小澗差異明顯。

不同降雨量草地0～100 cm土壤含水量見圖2。

圖2不同降雨量草地0～100cm土壤含水量
Fig.2 Soil water content of 0-100 cm in different atmospheric rainfall grasslands

由圖2可知，不同降雨量的草地其0～100 cm土層中土壤含水量空間分布存在差異。0～20 cm土層各樣點(diǎn)土壤含水量介于3.68%～9.08%，差異較大，金佛坪和前小澗相差達(dá)5.40%，4個采樣點(diǎn)之間均存在顯著差異 (P< 0.05)；20～40 cm、40～60 cm土層降雨量差異性較小的王洼子和前小澗的土壤含水量差異不顯著，但與金佛坪和大吉溝差異顯著 (P< 0.05)，金佛坪與大吉溝差異不顯著；60～80 cm土層，金佛坪和大吉溝土壤含水量差異不顯著與其他樣點(diǎn)差異顯著 (P< 0.05)；80～100 cm土層前小澗與其他3個樣點(diǎn)差異顯著 (P< 0.05)?？梢?，隨著土層深度的增加，土壤含水量差異逐漸減小。草地0～20 cm土層的土壤含水量空間分布差異明顯，隨著降雨量從南至北減少而呈現(xiàn)出南高北低的趨勢。艾寧等[14]指出在黃土區(qū)雨季不同植被類型的土壤含水量主要受當(dāng)月和前一個月降水的影響，且草地0～20 cm深度土壤含水量受當(dāng)月降雨量影響最大。因此，研究區(qū)降雨量差異對草地土壤含水量具有顯著正向影響，且對草地表層 (0～20 cm) 土壤含水量影響最為顯著。

3.2 坡位對土壤含水量的影響

選取同一采樣點(diǎn)小葉楊和撂荒地 (樣點(diǎn)5～8)，對其不同坡位土壤含水量進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表2～3。

表2 不同坡位小葉楊土壤含水量方差分析Table 2 Variance Analysis of Soil water content of P.simonii at different slope positions

表3 不同坡位撂荒地土壤含水量方差分析Table 3 Analysis of variance of soil water content in abandoned lands at different slopes

由表2～3可知，不同坡位的小葉楊林地土壤含水量在垂直方向的差異極顯著 (P< 0.01)，而撂荒地則差異不顯著。由此可見，在坡度、坡向基本一致的情況下，坡位對土壤含水量的影響與植被類型有關(guān)。

研究區(qū)小葉楊和撂荒地不同坡位土壤含水量變化情況見圖3～4。

圖3不同坡位小葉楊土壤含水量變化
Fig.3 Variation of soil water content ofPopulussimoniiat different slope positions

圖4不同坡位撂荒地土壤含水量變化
Fig.4 Variation of soil water content in abandoned lands at different slope positions

0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土層中坡位小葉楊與下坡位小葉楊土壤含水量差異顯著 (P< 0.05)，中坡位撂荒地與下坡位撂荒地土壤含水量差異顯著 (P< 0.05)；80～100 cm土層中坡位小葉楊與下坡位小葉楊土壤含水量差異顯著 (P< 0.05)，撂荒地則不顯著。撂荒地的中坡位、下坡位土壤含水量平均值分別為7.39%和7.66%，小葉楊中坡位、下坡位土壤含水量分別為6.26%和15.78%。撂荒地不同坡位間的土壤含水量差異為0.27%，差異不明顯；小葉楊不同坡位的土壤含水量差異為9.52%，差異明顯。這可能是因?yàn)樾∪~楊林冠較大，且地表枯落物較多，增加了土壤孔隙度，使得降雨的入滲能力增強(qiáng)，土壤持水能力增強(qiáng)，降雨的徑流量減少；撂荒地的降雨在地面的徑流量明顯高于小葉楊，土壤入滲能力也低于小葉楊林地，水土流失也更為嚴(yán)重。撂荒地中坡位、下坡位植被沒有明顯差別，小葉楊下坡位植被較中坡位的豐富，生物量與土壤含水量呈正相關(guān)[19]，土壤含水量高促進(jìn)了植物的生長，同時植被蓋度也在增加，相應(yīng)的土壤水分蒸發(fā)量降低，土壤含水量提高。同時，降雨落到地面產(chǎn)流后在重力作用下向下運(yùn)移，使得下坡位土壤含水量高于中坡位。因此，在降雨量一樣的情況下，坡位對撂荒地土壤含水量影響較小，而對小葉楊林地土壤含水量影響較大。

3.3 不同林地對土壤含水量的影響

通過對同一采樣地陽坡且坡位為中坡位的沙棘、山桃、檸條、混交林樣地 (樣點(diǎn)9～12) 0～100 cm土壤垂直剖面上土壤含水量采樣研究，4種林地平均土壤含水量表現(xiàn)為混交林 > 山桃 > 沙棘 > 檸條，沙棘林、山桃林、檸條林和混交林均為退耕地。由此可知，在降雨和地形條件相似情況下，植被類型的差異是造成土壤含水量差異的主要原因，且混交林相較于純林，土壤保水效果更好，這也與其他學(xué)者得出的結(jié)論相似[17]。0～100 cm土層含水量平均值介于3.14%～4.48%，變化范圍比較小。變異系數(shù)介于11.66%～24.01%，根據(jù)變異系數(shù) ≤10%為弱變異，介于10%和100%為中等變異，≥100%為強(qiáng)變異[20]可知，所選4種林地平均土壤含水量皆為中等變異。

不同林地土壤垂直剖面各土層土壤含水量見圖5。

圖5退耕地不同林地土壤垂直剖面各土層平均水分含量
Fig.5 Average soil water content of each soil layer in vertical section of different woodland

由圖5可知，山桃林和檸條林土壤含水量大小變化趨勢相似，混交林的土壤含水量在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層均顯著高于其他林地 (P< 0.05)，隨著土層深度的增加，與其他3種林地土壤含水量差異逐漸減少。在0～20 cm土層，混交林的土壤含水量顯著高于其他3種林地，而山桃的土壤含水量相對較低；該層土壤易受地表覆蓋度、降水以及其他因素影響?；旖涣值乇砜萋湮镙^多，改善了土壤的孔隙度，水分入滲率提高；而山桃群落蓋度小，植被較為單一，日照強(qiáng)度大，導(dǎo)致表層土壤含水量大量蒸發(fā)；在0～20 cm和20～40 cm土層，沙棘的土壤含水量均顯著高于檸條 (P< 0.05)，說明檸條在生長季中比沙棘耗水。降雨的入滲可以為植物自身生長提供充足的水分，其余的還可以儲存在土壤中。黃土高原區(qū)降雨最大入滲深度為100～150 cm[21]；在40～100 cm土層，山桃的土壤含水量呈增加趨勢，與混交林的土壤含水量無顯著差異。由于沙棘樹齡較小，根系分布較淺，生長只需吸收淺層水分。沙棘林在0～80 cm土層中土壤含水量隨著深度的增加逐漸減少，波動幅度較少。沙棘在生長季中，耗水能力增強(qiáng)；80～100 cm土層中土壤含水量則高于表層，研究指出沙棘根系對沙棘林地的影響較大，根系未到達(dá)的土層含水量高于沙棘根系所達(dá)到的土層。檸條在60～100 cm時，土壤含水量高于0～40 cm層的，變化也較為緩和，檸條的林冠對降水具有很強(qiáng)的截留能力，且根系發(fā)達(dá)，可以改善土壤物理性質(zhì)[22]。

3.4 土地利用變化對土壤含水量的影響

不同土地利用類型 (樣點(diǎn)13～15) 土壤含水量變化見圖6。

圖6不同土地類型和深度土壤含水量
Fig.6 Soil water content in different land use types and depths

由圖6可知，0～100 cm土壤剖面內(nèi)，農(nóng)田和撂荒地土壤含水量變化最大，灌木地土壤含水量變化較為平緩。0～20 cm、20～40 cm土層農(nóng)田土壤含水量與撂荒地和灌木林地土壤含水量差異顯著 (P< 0.05)，撂荒地與灌木林地土壤含水量差異不顯著；40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層3種植被土壤含水量差異顯著 (P< 0.05)。與其他2種植被相比，農(nóng)田的土壤含水量最高。在0～20 cm土層不同土地利用類型間土壤含水量差異較大，農(nóng)田 (11.05%) 和撂荒地 (6.02%) 土壤含水量相差5.03%，其主要是因?yàn)檗r(nóng)田經(jīng)過長期耕作，表層土壤質(zhì)地較為疏松，孔隙度增大，雨水更容易下滲和儲藏，土壤含水量補(bǔ)給最大且植物蒸騰作用耗水少，所以較其他2種植被土壤含水量最高[18]。撂荒地和沙棘灌叢由于其地表覆蓋度較大，光照強(qiáng)度大，導(dǎo)致植物蒸騰作用引起的水分耗散增多，撂荒地和沙棘灌叢較農(nóng)田顯著干旱。

對不同土地利用類型土壤含水量變化進(jìn)行方差分析，結(jié)果見圖7。

圖7不同土地利用類型土壤含水量
Fig.7 Soil water content in different land use types

由圖7可知，不同土地利用類型土壤含水量存在顯著差異 (P< 0.05)。撂荒地、灌木林地與農(nóng)田土壤含水量差異顯著 (P< 0.05)，撂荒地與灌木林地土壤含水量差異不顯著，表明人工干預(yù)是有效利用大氣降水資源的重要途徑。

4 結(jié)論與討論

1) 降雨量差異對草地土壤含水量具有重要的正向影響，主要表現(xiàn)為南部高，北部低，并且從南到北具有逐漸減少的趨勢，且表層 (0～20 cm) 土壤含水量受到的影響最為顯著。陜北黃土區(qū)土壤含水量的空間分布格局與該區(qū)降雨量的空間分布規(guī)律基本一致[8]。

2) 降水是半干旱黃土區(qū)土壤含水量補(bǔ)給主要形式，年均降雨量稀少，夏季多暴雨且分布不均衡。小葉楊和撂荒地不同坡位土壤含水量變化情況表現(xiàn)為不同坡位的小葉楊林地土壤含水量在垂直方向的差異顯著 (P< 0.05)，而撂荒地則差異不顯著。造成不同坡位水分差異是降雨后水分通過地表徑流和降水下滲向低洼地帶轉(zhuǎn)移積累，這是造成下坡位土壤含水量較高的主要原因之一；其次下坡位受到自然干擾較低，風(fēng)力較小也降低了地表蒸發(fā)量；最后下坡位高的土壤含水量為植物生長提供了充足的水分供應(yīng)，保證了植物的正常的生長。植物覆蓋度的提高也降低了土壤含水量的散失，這與郭忠升等[21]研究結(jié)果相似。

3) 土壤含水量是影響植物生長的主要因素，由于土壤含水量條件不同，其根系在土壤中的分布深度及密度存在著差異，造成土壤蒸發(fā)和植被蒸騰的情況不同，導(dǎo)致土壤干燥化程度和土壤含水量的分布也不同[9]。不同人工林地土壤含水量存在顯著的差異，這可能是因?yàn)榛旖涣謽涔诮亓裟芰^強(qiáng)，地面上具有較多的地表枯草層，蒸散量較小，因此土壤水庫儲存量就比較高，這與楊永東等的研究結(jié)果相似[23]。在這一過程中，降雨是黃土高原地區(qū)植被生長的主要水源補(bǔ)給[18]。植被根系可以改善土壤環(huán)境，減少地表水土流失，從而增加保水蓄水能力。因此在植被恢復(fù)過程中，通過植物根系的穿插作用和對土壤特性的改善，可以提高降水的入滲速率，補(bǔ)償土壤含水量。

4) 土壤含水量與土地利用類型之間的時空關(guān)系，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。土地利用是影響土壤含水量變異的重要因素之一，不同土地利用方式下土壤含水量狀況存在明顯差別，農(nóng)田土壤含水量最高，其次是灌木林地，撂荒地土壤含水量最低。陜北黃土高原地區(qū)農(nóng)田的耕作方式主要分布在表層0～20 cm，20 cm以下的土壤含水量大都表現(xiàn)出其原有特征，固其變異系數(shù)最??；另一方面，灌木林地和撂荒地由于植被類型的差異導(dǎo)致其種群結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，其根系分布的差異又會使深層土壤含水量有所不同，進(jìn)而影響到陜北黃土區(qū)的土壤含水量空間分布格局。在陜北黃土區(qū)，選取合適的土地利用類型應(yīng)結(jié)合植被耗水特征、土地耕作方式以及水土保持效益，從而達(dá)到充分利用降雨的目的，這與王云強(qiáng)等[18]研究結(jié)果一致。

5) 由于土壤含水量研究年限較短，研究土層較淺，所以不同植被類型、土地利用類型不能完全反應(yīng)水分動態(tài)及坡位和降雨量對土壤含水量的影響。為了更加明確不同植被類型對土壤含水量的影響，以便對水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)的生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)，還需要對這方面進(jìn)一步研究。