半干旱黃土區(qū)山地棗林春季土壤水分動(dòng)態(tài)變化研究

艾寧，強(qiáng)大宏，劉長(zhǎng)海,*，李陽，羅夢(mèng)嬌，陳宗禮

（1. 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；2. 陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（延安大學(xué)），陜西 延安 716000；3. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100044）

半干旱黃土區(qū)氣候干旱，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失和土地退化嚴(yán)重。自1999年國家實(shí)施“退耕還林（草）工程”以來，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)迅速，生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益顯著提高[1]。研究表明，半干旱黃土區(qū)農(nóng)林業(yè)發(fā)展和植被恢復(fù)的主要限制因子為土壤水分[2-3]。棗樹(Zizyphus jujubaMill)是原產(chǎn)于我國的特產(chǎn)果樹，棗樹不僅在我國棗區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，更重要的是對(duì)棗區(qū)農(nóng)民脫貧致富、農(nóng)林業(yè)發(fā)展、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。目前，棗樹已成為半干旱黃土區(qū)經(jīng)濟(jì)林營造首選樹種之一；同時(shí)棗樹根系發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)快，串根萌生和萌蘗能力強(qiáng)，耐干旱、耐瘠薄，在半干旱黃土區(qū)荒山荒坡綠化、水土保持林營造和防風(fēng)固沙等方面發(fā)揮了巨大作用。由于棗樹在半干旱黃土區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，土壤水分又制約其生長(zhǎng)發(fā)育。因此，對(duì)于該區(qū)域棗林土壤水分進(jìn)行研究具有重要意義。

現(xiàn)有棗林與土壤水分間相關(guān)關(guān)系的研究主要集中在灌溉條件等方面[4]。例如，在半干旱黃土丘陵區(qū)滴灌密植棗林進(jìn)行的細(xì)根與土壤含水量的空間分布的研究過程中，認(rèn)為滴灌對(duì)密植棗林根系分布以及土壤水分具有顯著影響，滴灌有利于減輕深層土壤水分的消耗[5]；還有學(xué)者對(duì)干旱區(qū)棗樹研究發(fā)現(xiàn)，微噴灌灌溉方式可以補(bǔ)充淺層土壤水分，顯著提高了棗樹的果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量[6]。關(guān)于山地旱作棗樹的土壤水分動(dòng)態(tài)變化也是棗樹研究過程中的重點(diǎn)內(nèi)容，馬建鵬等[7]研究指出隨著棗樹樹齡的增加，棗林地耗水深度逐漸加深，且均出現(xiàn)不同厚度的干層；趙文舉等[8]研究指出在不同采樣幅度條件下，亞砂地棗樹土壤水分隨土層深度增加呈逐漸減小的趨勢(shì)。半干旱黃土區(qū)因其獨(dú)特復(fù)雜的地貌特征，在山地棗園微灌工程技術(shù)不能大范圍實(shí)施，據(jù)統(tǒng)計(jì)陜北黃土高原90%以上的棗園沒有灌溉條件，該區(qū)棗樹絕大部分還是以旱作為主[9]。因此，本文以半干旱黃土區(qū)山地棗林為研究對(duì)象，探討其春季土壤水分變化情況，以期為黃土高原旱作棗園土壤水分可持續(xù)利用和紅棗生產(chǎn)基地穩(wěn)定發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北黃土丘陵區(qū)延川縣，該區(qū)位于東經(jīng) 109°36′20″～110°26′44″、北緯 36°37′15″～37°5′55″，平均海拔850 m。地形復(fù)雜，溝壑縱橫。該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量500 mm左右，紅棗林生育期（5～10月）內(nèi)，降雨時(shí)空分布不均勻，主要集中于7～9月份，且多雷雨。年平均氣溫10.5 ℃，無霜期183 d，日照時(shí)數(shù)為6.99 h。土壤抗侵蝕性差，水土流失嚴(yán)重。該區(qū)土壤為黏黑壚土，侵蝕后在黃土上發(fā)育黃綿土。延川縣地帶性的植被為森林灌叢草原。

2 材料與方法

2.1 樣地布設(shè)

2018年3～5月在陜西省延川縣齊家山紅棗試驗(yàn)基地，采用野外調(diào)查與室內(nèi)分析相結(jié)合的辦法，按照典型性和代表性的原則，在實(shí)驗(yàn)區(qū)選取草地、果園以及紅棗林地，共計(jì)9塊樣地進(jìn)行調(diào)查取樣，采用GPS記錄地理信息數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄每個(gè)樣點(diǎn)的植被類型、海拔高度、坡位、坡向等屬性信息。樣地詳細(xì)信息見表1。土地利用類型以農(nóng)耕地、灌木地、蘋果園、草地為主。植被主要有山桃（Amygdalus davidiana）、檸條（Caragana KorshinskiiKom.）、山杏(Armeniaca sibirica)、蘋果（Malus pumila）和棗樹等。

2.2 樣品采集

在每個(gè)樣點(diǎn)處挖取100 cm深土壤剖面。利用環(huán)刀分5層采集原狀土壤樣品，分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，共 5個(gè)土壤層次。分層取土樣，3個(gè)重復(fù)，對(duì)于當(dāng)天所采集的原狀土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其含水量和容重等土壤物理性質(zhì)。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定

土樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用烘干法測(cè)定：在105℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干10～12 h左右，烘至恒重，然后進(jìn)行稱重。土壤含水量由以下計(jì)算公式得到：

式中：W為所測(cè)樣品的土壤水分含量（%）；W1為烘干前土壤樣品質(zhì)量（g）；W2為烘干后土壤樣品質(zhì)量（g）。

土壤蓄水量計(jì)算公式為：

式中：E為蓄水量（mm）；M為土壤體積含水率（%）；H為土壤厚度（mm）。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS（22.0）軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）和Duncan法多重比較(P＜0.05)，用Origin（8.0）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 不同坡向紅棗土壤水分變化分析

選取不同坡向的紅棗林地，分析其土壤剖面土壤含水量差異。由圖1可知，在0～20 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm土壤含水量為陰坡＞陽坡（P＜0.05或P＜0.01）；在20～40 cm時(shí)，三種坡向土壤水分無顯著差異（P＞0.05）；在40～60 cm時(shí)，陽坡與半陽坡差異顯著（P＜0.05或P＜0.01），其他土層無顯著差異（P＞0.05）；在 0～20 cm 和 40～60 cm 時(shí)，陰坡與半陽坡土壤水分差異顯著（P＜0.05或P＜0.01），其他土層無顯著差異（P＞0.05）。

如圖1所示，在0～100 cm土壤垂直剖面內(nèi)3種坡向土壤水分大小變化趨勢(shì)相似。但太陽對(duì)不同坡向的能量輻射存在差異，具體表現(xiàn)為陽坡＞半陽坡＞陰坡，高的太陽輻射增加了土壤的蒸散量，降低了土壤含水量，從而導(dǎo)致各坡向土壤水分存在差異[10]。從圖1可以看出，處于下坡位且位于不同坡向的紅棗林地土壤水分大小順序?yàn)殛幤拢景腙柶拢娟柶?。馬非等[11]指出半干旱黃土區(qū)土壤水分的主要輸出形式是生態(tài)系統(tǒng)中的蒸散作用。由于蒸散量不同，土壤水分變化隨著土壤深度的增加表現(xiàn)為陰坡＞半陽坡＞陽坡。

圖1 不同坡向紅棗林地土壤水分含量方差分析Fig. 1 AVNOA analysis of soil moisture at different slopes of jujube forest

LSD多重比較如表2所示，結(jié)果顯示不同坡向?qū)t棗林地土壤水分存在顯著差異（P＜0.05）。由此可以得出，坡向是該區(qū)紅棗土壤剖面土壤水分空間變異的主要影響因素。

表2 不同坡向土壤水分多重比較Table 2 Multiple comparisons of soil moisture between different slope directions

3.2 不同坡位土壤水分變化分析

由圖2可以得出，土層深度為0～20 cm時(shí)，下坡位與中坡位、上坡位土壤水分含量差異顯著，中坡位與上坡位差異不顯著。土層深度為20～40 cm時(shí)，中坡位與上坡位、下坡位土壤水分含量差異顯著，下坡位與上坡位差異不顯著。土層深度為40～60 cm時(shí)，三個(gè)坡位土壤水分含量差異顯著。在土層深度為60～80 cm和80～100 cm時(shí)，三個(gè)坡位土壤水分含量差異不顯著。紅棗林地下坡位、中坡位以及上坡位三個(gè)坡位平均土壤含水量分別為12.77%，12.50%，10.90%，紅棗林地三個(gè)坡位點(diǎn)之間的土壤平均含水量差異都小于2%。由此可見，春季坡位對(duì)棗樹林地表土層0～60 cm土壤水分影響較大，其他土層影響較小。

3.3 不同整地方式下土壤水分變化分析

圖2 不同坡位紅棗林地0～100 cm土壤水分含量Fig. 2 Soil moisture at 0～100 cm soil layer of jujube forest land with different slope positions

在干旱半干旱黃土區(qū)，水資源制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境建設(shè)，在植被恢復(fù)重建過程中，為了加大對(duì)有限土壤水分的持續(xù)利用，把黃土高原地區(qū)原始坡面逐漸被改變?yōu)樗綔?、魚鱗坑以及水平溝和反坡臺(tái)等多種整地方式，且被廣泛使用，形成了微地形與植被恢復(fù)耦合下的新景觀[12]。

圖3 不同整地方式草地土壤水分變化Fig. 3 Changes of soil moisture of grassland with different land preparation methods

圖4 不同整地方式紅棗土壤水分變化Fig. 4 Changes of soil moisture of jujube forest with different land preparation methods

圖3和圖4表示研究區(qū)草地和紅棗林地不同整地方式下土壤水分變化情況。草地在0～20 cm土層各樣點(diǎn)土壤水分含量介于9.74%～13.36%，呈顯著差異（P＜0.05）。在20～100 cm土層中，各土層之間土壤水分差異較小，不存在顯著差異。紅棗林地在0～20 cm土層時(shí)，兩種整地方式下土壤水分含量介于13.30%～18.82%，差異呈極顯著（P＜0.01）。在土層深度為20～40 cm和40～60 cm時(shí)，水平間紅棗土壤水分顯著高于原狀坡（P＜0.05），在土層深度為60～80 cm和80～100 cm時(shí)，土壤水分之間無顯著性差異?？梢?，隨著土層深度的增加，土壤水分差異性逐漸減小。降雨是該區(qū)土壤水分的主要補(bǔ)給方式，采樣期間正值春季來臨，天氣逐漸變暖，氣溫逐漸升高，土壤開始解凍，而此時(shí)植被根系吸收的水分主要來源于去年以冰晶形式存在的土壤表層0～60 cm的凍結(jié)水，大氣降雨較少。因此，不同整地方式下，山地棗林0～60 cm土層土壤水分間存在差異顯著性，但60 cm以下土層則差異性不顯著。不同的整地方式對(duì)土壤含水量的大小有重要的影響，因?yàn)檎乜梢愿纳仆寥牢锢硇再|(zhì)，減小土壤容重和增加土壤孔隙度的作用，位于水平階草地和紅棗的土壤水分均高于原狀坡，微地形改造后，對(duì)土壤水分進(jìn)行了重新分配，很大程度上提高了土壤持水能力，減緩了土壤水分的消退。本研究結(jié)果與谷麗萍等[13]的研究結(jié)果相似。

3.4 不同植被類型土壤水分變化

圖5表示同是水平階整地方式下三種不同植被0～100 cm土壤水分變化情況。在0～20 cm時(shí)，紅棗與草地和蘋果園的土壤水分差異顯著，草地與蘋果園土壤水分差異不顯著；在20～40 cm和60～80 cm時(shí)，三種植被土壤水分差異顯著；在40～60 cm和80～100 cm時(shí)，蘋果園與草地土壤水分差異顯著，與紅棗差異不顯著，紅棗與草地差異不顯著。紅棗林地表層土壤經(jīng)過翻新，質(zhì)地較為疏松，土壤水分補(bǔ)給最多，所以在土層深度為0～40 cm時(shí)，紅棗的土壤水分含量顯著高于草地和蘋果園；隨著土壤深度的增加，蘋果園土壤水分含量逐漸增加。草地隨著土層深度的增加，土壤水分呈現(xiàn)出先減少后增大的趨勢(shì)，草本植被的根系一般集中于0-40 cm，故土壤水分含量變化幅度較大。

圖5 水平階整地不同植被土壤水分變化Fig. 5 Changes of soil moisture of horizontal terrace under different vegetations

3.5 不同植被類型土壤蓄水量變化

圖6表示同是水平階整地方式下三種不同植被0～100 cm土壤蓄水量變化情況。樣地不同植被類型下0～100 cm土壤總蓄水量依次為紅棗（153.03 mm）＞蘋果園（149.26 mm）＞草地（98.76 mm）。3種植被類型在垂直方向土壤蓄水量分布特征不同。紅棗土壤蓄水量在0～60 cm土層逐漸減少，60～100 cm趨于穩(wěn)定，在0～40 cm時(shí)，紅棗土壤蓄水量顯著高于草地與蘋果園；草地土壤蓄水量在0～100 cm呈先減小后增大趨勢(shì)，20～40 cm土壤蓄水量最低；蘋果園蓄水量0～60 cm逐漸增加，40～60 cm土壤蓄水量最高，60～100 cm變化不大，在40～80 cm時(shí)，蘋果園蓄水量顯著高于草地和紅棗林。不同植被土壤水分垂直分布的差異主要與植被類型、根系分布、耗水特征有關(guān)[14-15]。

圖6 水平階整地不同植被土壤蓄水量變化Fig. 6 Changes in soil water storage capacity of different vegetations in horizontal terrace

4 討論

4.1 坡向、坡位對(duì)棗樹土壤水分變化的影響

陜北黃土丘陵溝壑區(qū)植物的生存受到地形地貌的影響，主要表現(xiàn)在海拔高度（大地形因子）對(duì)溫度的影響，坡向（小地形因子）不同導(dǎo)致太陽輻射分布存在差異，進(jìn)一步影響土壤水分和植被覆蓋。陽坡接受太陽輻射較多，土壤較為干燥，土壤水分含量相對(duì)較低，半陽坡和陰坡則相反，本研究選取同一采樣地不同坡向紅棗林為研究對(duì)象，研究了不同坡向?qū)ν寥浪值挠绊?。研究表明，研究區(qū)不同坡向紅棗土壤含水量大小順序表現(xiàn)為陰坡＞半陽坡＞陽坡。這與梁超等[16]、馬建業(yè)等[17]研究結(jié)果相一致。在土層深度為0～100 cm時(shí)，不同坡向之間土壤含水量差異顯著，各坡向土壤水分含量變化趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)為逐漸降低。

研究區(qū)同一坡向不同坡位的紅棗林地在0～100 cm土層土壤水分含量差異不顯著，土壤水分按照坡位從上到下有所增加。研究指出，在土壤和植被覆蓋相對(duì)一致的情況下，自上而下由于地表徑流和壤中流的作用，土壤水分含量有規(guī)律的增加[18]。由于陜北黃土高原地形復(fù)雜，土壤水分逐漸趨向于均質(zhì)化，使得地形對(duì)土壤水分起到削弱作用[19]。在土層深度為100 cm時(shí)，下坡位土壤水分未顯著高于中坡位和上坡位。

4.2 植被類型對(duì)土壤水分和儲(chǔ)水量的影響

植物通過根系對(duì)土壤水分進(jìn)行吸收與利用，莫保儒等[20]研究表明陜北黃土區(qū)降雨入滲深度一般為1～3 m，不同植被類型根系的空間分布與不同層次的土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征密切相關(guān)，也決定著不同植被類型土壤水分在垂直剖面內(nèi)的變異程度。果園在0～100 cm深度土壤水分表現(xiàn)為先減少后增大的趨勢(shì)，在0～60 cm范圍內(nèi)土壤水分變化幅度較大，這主要是由于陜北黃土區(qū)果園表層60 cm以上土壤水分容易受到外界降水、蒸發(fā)等環(huán)境因素的影響，在60～100 cm區(qū)間，蘋果園的土壤水分逐漸增大并出現(xiàn)一個(gè)峰值。紅棗在0～100 cm深度土壤水分先減少后趨于穩(wěn)定。研究指出3年生的棗林根系主要聚集在0～60 cm土層，約占整個(gè)土層的70%以上[21]。

土壤水分是陜北黃土區(qū)植被生長(zhǎng)的主要限制因子，蘋果園與紅棗土壤蓄水量均顯著高于草地，其植被生長(zhǎng)狀況較好，說明灌木樹種可以顯著提高土壤蓄水性能，提高土壤蓄水性能使土壤接納降雨能力顯著增加，從而為植被生長(zhǎng)提供良好的生存環(huán)境。此外，有效的植被恢復(fù)可顯著減少黃土高原水土流失[22]。

5 結(jié)論

1）研究區(qū)春季不同坡向棗樹林地土壤水分存在差異性，陰坡土壤水分最高，其次為半陽坡，陽坡最低，且不同坡向不同土層間存在差異顯著性；不同坡向土壤水分垂直變化趨勢(shì)相似。因此，坡向是影響該區(qū)域山地棗樹林地土壤水分的主要因素，但對(duì)土壤水分垂直變化趨勢(shì)影響較小。

2）研究區(qū)春季坡位對(duì)棗樹林地表土層0～60 cm土壤水分影響較大，隨著土層深度的增加，坡位對(duì)其土壤水分的影響減小，差異性不顯著。

3）研究區(qū)春季山地棗林0～60 cm土層內(nèi)，不同整地方式對(duì)其土壤水分影響較大，且不同整地方式間存在顯著差異；隨著土層深度的增加，不同整地方式間土壤水分差異性減少，不顯著。

4）研究區(qū)春季不同植被類型間土壤水分存在差異。其中，0～40 cm土層，棗樹林地土壤水分含量最高，且與蘋果園、草地土壤水分差異顯著；40～100 cm土層，蘋果園土壤含水量最大，且與棗園、草地顯著差異。因此，半干旱黃土區(qū)水平階整地，進(jìn)行合理經(jīng)濟(jì)林營造有助于土壤水分的利用且不會(huì)造成土壤水分虧缺，相反進(jìn)行撂荒則反而會(huì)使土壤水分含量降低。

5）研究區(qū)3種植被類型0～100 cm土層土壤蓄水量表現(xiàn)為紅棗（153.03 mm）＞蘋果園（149.26 mm）＞草地（98.76 mm），說明林地土壤水分涵蓄能力強(qiáng)，而撂荒草地土壤蓄水能力較弱。