半干旱黃土區(qū)不同植被類型對(duì)土壤水分的影響

羅夢(mèng)嬌，艾 寧，，3*，劉長海，3，劉廣全，強(qiáng)大宏，李 陽

（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；3.延安大學(xué)陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000）

半干旱黃土區(qū)是我國乃至世界上水土流失最嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一。 該區(qū)域降水不足且分布不均，水資源相對(duì)匱乏。 因此，該區(qū)域土壤水分成為當(dāng)?shù)刂脖淮婊?、植被重建、生態(tài)恢復(fù)的主要限制因子[1]。 造成土壤水分差異的影響因素較多，包括降水、蒸散、土壤孔隙度、植物根系分布等[2]；同時(shí)，在不同的地形、土地利用方式及植被條件下，土壤水分也會(huì)存在明顯的時(shí)空變化特征[3]。 目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)黃土區(qū)的土壤水分研究多集中在時(shí)空動(dòng)態(tài)變化、不同植物群落水分生態(tài)環(huán)境以及不同植被類型對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)特征的影響等方面。王瑜等[4]通過研究陜北黃土區(qū)人工林地土壤水分的垂直變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)土壤水分垂直剖面可分為速變層、 活躍層和次活躍層3 個(gè)層次。王洪巖等[5]研究了甘肅省金塔縣天然胡楊林土壤含水量空間變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各層土壤水分變異系數(shù)差異明顯，且隨土層深度增加而增大。索立柱等[6]通過研究黃土高原不同土地利用類型的土壤水分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自南向北其土壤含水量有明顯遞減趨勢(shì)，與多年平均降雨量、潛在蒸散量、土壤質(zhì)地等的分布具有一致性； 同一地點(diǎn)不同土地利用類型下土壤水分也具有顯著差異。張建軍等[7]人研究了黃土高原不同水土保持林對(duì)土壤水分的影響，得出人工林地會(huì)消耗深層土壤水分，形成“干化層”，次生林主要消耗地表水，因此在干旱少雨的黃土高原進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)，應(yīng)多采取封山育林的造林方式。李琪等[8]選取陜西省境內(nèi)神木縣、米脂縣、綏德縣等5 個(gè)地點(diǎn)研究了不同降雨條件與黃土高原同級(jí)樹齡檸條林地土壤養(yǎng)分的關(guān)系，得出其不僅在降水梯度上空間變異性顯著，而且其含量也隨梯度的增加而增多。 本研究根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，系統(tǒng)的分析了半干旱黃土區(qū)吳起縣4 個(gè)年降雨量不同的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，喬、灌、 草共16 個(gè)典型植被群落與土壤水分的相互關(guān)系，特別是系統(tǒng)地對(duì)比了水平階整地造林下的土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，旨在探明半干旱黃土區(qū)不同植被類型對(duì)土壤水分的影響情況，為半干旱黃土區(qū)今后植被恢復(fù)重建以及優(yōu)化植被配置等方面提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省吳起縣，地處黃土高原腹地和毛烏素沙地南緣。 全縣地貌由“八川兩澗兩大山區(qū)”構(gòu)成，屬于典型的黃土梁狀丘陵溝壑區(qū)。吳起地處東經(jīng)107°38′57″～108°32′49″，北緯36°33′33″～37°24′27″，屬于中緯地帶，東部季風(fēng)濕潤區(qū)與內(nèi)陸干旱區(qū)的過渡地帶，海拔1 200～1 800 m，總面積3 791.5 km2，水土流失面積3 702.2 km2。 地勢(shì)呈東北高西南低，地勢(shì)起伏不大，土層較厚。 多年平均降水量為470 mm左右，降水年際變化大且時(shí)空分布不均，其中80%的降雨量集中在5—10月，年均氣溫7.8 ℃，干燥指數(shù)約為1.5，多年平均蒸發(fā)量為430 mm，屬于半干旱區(qū)。吳起縣從1999年響應(yīng)國家政策，率先開始退耕還林，經(jīng)過多年治理，生態(tài)環(huán)境得到極大改善，林草植被覆蓋度達(dá)到65%。 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，營造的人工林主要有刺槐（Robinia pseudoacacia）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）、油松（Pinus tabulacformis）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、小葉楊（Populus simonii）、山桃（Amygdalus davidiana）、檸條（Caragana Korshinskii Kom.）和山杏（Armeniaca sibirica）等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

2017年8月，采用野外調(diào)查與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，根據(jù)典型性和代表性的原則，依據(jù)不同的植被類型和立地條件，在實(shí)驗(yàn)區(qū)即吳起縣4 個(gè)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)選取荒草地、沙棘林、小葉楊林、山桃林、山杏林、刺槐、油松林、檸條林以及混交林等16 塊樣地，進(jìn)行調(diào)查取樣。 樣地詳細(xì)信息見表1。

土壤樣品采用土鉆法進(jìn)行取樣，每個(gè)樣點(diǎn)分別于土壤垂直剖面0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm，共5 個(gè)土壤層次，分層取土樣，3 個(gè)重復(fù)，裝入專用土壤鋁盒，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤水分測(cè)定。

1.3 試驗(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：

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information of the research sites

W=（W1-W2）/W2×100

式中：W 為所測(cè)樣品的土壤含水量，%；W1為烘干前鮮土樣質(zhì)量；W2為烘干至恒重后土壤樣品質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與計(jì)算統(tǒng)計(jì)特征值； 采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）和Duncan 法多重比較（P＜0.05）；采用origin 8.0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型對(duì)土壤水分變化的影響

表2為不同植被類型土壤含水量的統(tǒng)計(jì)特征值，所選荒草地、山桃林、小葉楊林、檸條林樣地都位于同一采樣地的中坡位且坡向都是陰坡。 可以看出退耕地不同植被類型的土壤水分含量存在明顯的差異，0～100 cm 土層平均值介于16.69%～20.15%，且荒草地＞小葉楊＞山桃＞檸條。 變異系數(shù)介于4.30%～6.10%，根據(jù)變異系數(shù)≤10%為弱變異，介于10%～100%之間為中等變異，≥100%為強(qiáng)變異[9]可知，所 選4 種植被類型土壤含水量皆為弱變異。

表2 退耕地不同植被類型土壤水分的統(tǒng)計(jì)特征值Table 2 Statistical characteristics of soil moisture in different vegetation types in farmland

退耕地不同植被類型土壤水分變化情況如圖1所示，土壤水分含量隨植被類型的不同而變化。土層深度在0～100 cm 范圍內(nèi)，整體而言，土壤水分含量表現(xiàn)為荒草地＞山桃＞小葉楊＞檸條林地。 在黃土高原區(qū)，土壤含水量隨土層深度變化的趨勢(shì)不僅可表現(xiàn)為增長型[10]，還可表現(xiàn)為降低型[11]。 隨著土層深度的增加，除檸條林外，其他植被類型土壤水分總體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。 不同的植被類型其土壤含水量比較復(fù)雜，荒草地0～20 cm 土層土壤水分最高，土層深度越往下，土壤水分總體逐漸降低，但在60～80 cm 土層水分偏高； 山桃和小葉楊林土壤水分整體上差異不大，但在40～60 cm 土層土壤水分突然變大，其主要原因是在這一土層有其根系分布，影響了土壤含水量。 在研究區(qū)內(nèi)，檸條林地土壤水分表現(xiàn)為在0～100 cm 土層內(nèi)，隨著深度加深而逐漸增大。

圖1 退耕地不同植被類型土壤水分含量的變化Figure 1 Changes of soil moisture in different vegetation types in farmland

如表3所示，對(duì)退耕地不同植被類型土壤水分進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示不同植被類型對(duì)土壤含水量存在極顯著差異（P＜0.01）。山桃、小葉楊與檸條林這3 者相比較土壤水分差異不大，但皆與荒草地土壤水分存在顯著差異。 由此可見不同植被類型對(duì)土壤水分的影響不同，因此能夠說明植被類型是影響半干旱黃土區(qū)土壤水分的一個(gè)因素。

表3 退耕地不同植被類型土壤水分方差分析Table 3 The analysis of variance of soil moisture in different vegetation types in farmland

2.2 不同立地條件對(duì)土壤水分變化的影響

2.2.1 不同坡位的沙棘林土壤水分變化

表4為不同坡位的沙棘人工林土壤水分變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出坡底平臺(tái)的沙棘土壤水分含量和其他立地類型相比差異較大，而下坡位和中坡位水平階的土壤水分含量差異較小。 土壤含水量平均值介于14.17%～16.93%，變異系數(shù)介于3.03%～6.56%之間，變異系數(shù)＜10%，皆為弱變異。

根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)和黃土丘陵溝壑區(qū)實(shí)地情況，一般坡位分為卯頂、上坡位、中坡位、下坡位，坡底等。這里選取同一坡向即半陰坡的沙棘林為研究對(duì)象，從圖2中可以看出，處于同是半陰坡但位于中坡位、中坡位水平階、下坡位、坡底平臺(tái)的沙棘林土壤水分變化情況。 在0～100 cm 土層深度區(qū)間內(nèi)，總體上坡底平臺(tái)沙棘的土壤水分要明顯高于中坡位原狀坡和下坡位原狀坡。在表層即0～20 cm 土層處，沙棘林土壤水分為坡底平臺(tái)＞下坡位＞中坡位水平階＞中坡位。退耕地沙棘林隨著土層深度的增加，土壤水分含量總體差異不大，且呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。從圖2中可以看出沙棘林土壤水分大致呈“S”型分布，這主要是與沙棘自身屬性有關(guān)，其根蘗性強(qiáng)，根系盤根錯(cuò)節(jié)，非常發(fā)達(dá)，能扎進(jìn)很深的土層。圖3為不同坡位沙棘林在0～100 cm 各層土壤水分垂直變化情況，可以看出針對(duì)不同土層，土壤水分皆呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)，即為坡底平臺(tái)＞中坡位水平階＞下坡位＞中坡位。如表5所示，方差分析結(jié)果顯示坡位對(duì)同一坡向的沙棘林土壤水分含量存在極顯著差異（P＜0.01）。中坡位原狀坡、 下坡位原狀坡沙棘土壤水分差異不大，但兩者皆與坡底平臺(tái)土壤水分存在顯著差異。因此坡位和整地方式是影響該區(qū)沙棘土壤水分的主要因素。

表4 不同坡位沙棘林土壤水分的統(tǒng)計(jì)特征值Table 4 Statistical characteristics of soil moisture in Hippophae rhamnoides with different slope positions

圖2 不同坡位沙棘林土壤水分變化Figure 2 Changes of soil moisture in Hippophae rhamnoides with different slope positions

2.2.2 水平階整地對(duì)不同植被土壤水分變化的影響

由表6可以看出在水平階整地方式下退耕地不同植被類型的土壤水分含量差異很小，其平均值介于15.42%～16.64%之間。 油松林的變異系數(shù)＜10%，為弱變異；另外3 者皆為中等變異，其土壤水分隨土層深度波動(dòng)較大。

在半干旱黃土區(qū)水分是植被能否存活和成材的重要限制因子，這一點(diǎn)對(duì)喬木來說尤其重要，因此在該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)、退耕還林、水土流失治理過程中，采取適宜的整地方式和灌溉措施就很有必要[12]。 黃土區(qū)整地方式包括梯田、水平階、魚鱗坑和水平溝等坑穴等，不同整地方式對(duì)植被生長作用存在明顯差異。 本研究選取的是同一坡向即半陽坡且都是水平階整地方式的刺槐、油松、油松山杏混交以及山杏刺柏混交林為研究對(duì)象。

從圖4中可以看出，同是水平階整地方式下的不同植被土壤水分變化情況。在0～100 cm 土層范圍內(nèi)，總的來說，單一植被林地土壤水分含量差異不大，但混交林則呈波動(dòng)趨勢(shì)且變化較大。在0～20 cm土層內(nèi)，混交林的土壤水分含量要大于單一植被林，具體表現(xiàn)為油松山杏混交林＞刺槐林＞山杏側(cè)柏混交林＞油松林。油松林土壤水分含量總體上隨著土層的加深而逐漸增大，而表層土壤水分含量最少。方差分析結(jié)果如表7所示，這4 種植被類型在水平階整地方式下0～100 cm 土層中土壤水分差異不顯著。

2.2.3 不同坡向?qū)θ斯ば∪~楊林土壤水分變化的影響

由表8可知不同坡向小葉楊林土壤水分變化顯著，陰坡土壤水分含量最大，陽坡的最少，說明太陽光照對(duì)土壤水分影響顯著，含水量平均值介于13.00%～20.44%之間，其中陰坡的變異系數(shù)＞10%，為中等變異；其余3 者皆為弱變異。

退耕地人工小葉楊林土壤水分的變化如圖5所示，可見都處于下坡位原狀坡但坡向不同的小葉楊林土壤水分含量高低排序情況為：陰坡＞半陰坡＞半陽坡＞陽坡。 在0～100 cm 土層范圍內(nèi)，半陰坡、半陽坡和陽坡小葉楊林土壤水分含量差異不大，陰坡的則呈現(xiàn)波動(dòng)較大趨勢(shì)，在20～60 cm 土層，土壤水分突然增大，但從60 cm 土層往下土壤水分又減小，這可能是因?yàn)樵谥虚g土層有小葉楊根系存在，從而影響了土壤水分的分布。 在表層土壤水分從大到小依次為：陰坡＞半陰坡＞半陽坡＞陽坡。

圖3 不同坡位沙棘林土壤水分垂直變化Figure 3 Vertical changes of soil moisture in Hippophae rhamnoides with different slope positions

表5 不同坡位沙棘林土壤水分方差分析Table 5 The analysis of variance of soil moisture in Hippophae rhamnoides with different slope positions

表6 退耕地水平階整地不同植被土壤水分的統(tǒng)計(jì)特征值Table 6 Statistical characteristics of soil moisture in different vegetations in level bench region in farmland

圖4 退耕地水平階整地不同人工植被土壤水分變化Figure 4 Changes of soil moisture under different artificial vegetations in level bench region in farmland

表7 水平階整地方式下不同植被類型土壤水分方差分析Table 7 The analysis of variance of soil moisture under different vegetation types in level bench region

如表9所示，對(duì)不同坡向退耕地小葉楊人工林土壤水分變化進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示不同坡向?qū)π∪~楊林土壤水分存在顯著差異（P＜0.05）。陽坡、半陽坡與半陰坡小葉楊林土壤水分差異不顯著，半陰坡與陰坡土壤水分差異也不顯著，但土壤水分陽坡與陰坡相較而言，差異顯著。 因此，不同坡向是小葉楊林土壤水分的一個(gè)影響因子。

表8 不同坡向小葉楊土壤水分的統(tǒng)計(jì)特征值Table 8 Statistical characteristics of soil moisture in different slopes of Populus simonii

圖5 不同坡向小葉楊林土壤水分變化Figure 5 Changes of soil moisture in different slopes ofPopulus simonii

表9 不同坡向小葉楊林土壤水分方差分析Table 9 The analysis of variance of soil moisture in different slopes of Populus simonii

3 討論

3.1 不同植被的土壤水分變化

不同的植被群落，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水分的分布也不同[13]。 在半干旱黃土區(qū)退耕地所選同一采樣地中坡位且都是陰坡的不同人工植被下，土壤水分表現(xiàn)為荒草地＞山桃＞小葉楊＞檸條，這可能是因?yàn)榱值貥涔谡趄v耗水量大，草地根系較淺且冠層較小[14]，以荒草為主的自然恢復(fù)地由于地上缺乏植被，水分利用深度和程度較小，地面雜草叢生，枯草層較厚，因此蒸散量較小、土壤水庫儲(chǔ)存量就比較高[15]，土壤水分也大些，這與梁超等的研究結(jié)果相似[16]。在這一過程中，土壤的淺層水分主要依靠降雨補(bǔ)償[17]。檸條水分含量隨著土層深度的增加而增大，主要是因?yàn)闄帡l這一樹種的林冠對(duì)降水截留能力較強(qiáng)，根系十分發(fā)達(dá)，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，這與J.S.Singh[18]對(duì)美國西部科羅拉多州多個(gè)土層深度土壤水分的研究結(jié)論相似，因此在植被恢復(fù)過程中，通過植物根系的穿插作用和對(duì)土壤特性的改善，可以提高降水的入滲速率，補(bǔ)償土壤水分。

3.2 不同立地條件對(duì)土壤水分的影響

3.2.1 不同坡位沙棘林土壤水分變化

退耕地沙棘人工林土壤水分呈現(xiàn)為坡底平臺(tái)＞下坡位＞中坡位水平階＞中坡位，主要因?yàn)榘敫珊迭S土高原區(qū)降雨量稀少，多暴雨且分布不均衡，而該區(qū)土壤水分補(bǔ)給主要形式就是降水。 造成沙棘林不同坡位水分差異是和降水的下滲以及地表蒸發(fā)有關(guān)系，在坡底一方面雨水匯集，徑流速度減緩從而加大了降水下滲速率，另一方面風(fēng)力較小也降低了地表蒸發(fā)量，所以土壤水分最高。中坡位原狀坡由于坡度相較而言較大一定程度上加大了地表徑流，流速過快而不利于降水的下滲，故土壤水分不如下坡位原狀坡和坡底平臺(tái)。有研究表明，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，一般降水到達(dá)林地后，少部分入滲到土壤中，大部分則形成地表徑流，向下坡位流動(dòng)，在同一坡向，下坡位原狀坡貯水能力更強(qiáng)，這與郭忠升等[19]研究結(jié)果相似。

3.2.2 水平階整地方式下不同植被土壤水分變化

退耕地油松人工林地表層的水分含量最少，這可能是林下植物群落單一，生物量較少，生物多樣性稀缺，地表有結(jié)皮出現(xiàn)，土質(zhì)較干有關(guān)。 松杏和杏柏混交林土壤水分在0～100 cm 區(qū)間則波動(dòng)很大，有研究表明土壤水分在9%～12%之間為輕度干層，對(duì)植物生長影響不大，但基本能正常生長。該區(qū)水資源及其匱乏，它們的生長在一定程度上消耗著深層土壤水，進(jìn)而導(dǎo)致土質(zhì)干化這種土地退化現(xiàn)象，其原因主要是油松、山杏、側(cè)柏這3 種植被作為黃土丘陵溝壑區(qū)植樹造林的主要樹種，耗水特性強(qiáng)；側(cè)柏屬于淺根水平分布型植物，主要依靠根系在水平空間的拓展來吸收水分[20]；而刺槐為深根垂直分布型植物，主要依靠主根垂直向下延伸吸收水分[21]。對(duì)于混交林地，由于刺槐和側(cè)柏根系形態(tài)的差異，這有助于混交林合理充分的占據(jù)和利用土壤空間，來吸收各土層土壤水分，這與張建軍等[7]研究結(jié)果一致。所以，為防止黃土高原地區(qū)深層土壤“干化”，應(yīng)該營造混交林和淺根水平分布型樹種來保水保土。

3.2.3 不同坡向小葉楊林土壤水分變化

坡向不同，受到的太陽輻射不同，造成陰坡的土壤厚度比陽坡大，溫度較低，水分蒸發(fā)量也較少。 由于不同坡向接受的太陽輻射強(qiáng)度不同，使得地面土壤蒸發(fā)強(qiáng)度和植物蒸騰程度不同，進(jìn)而影響了土壤的水分分布狀況存在差異。從降水與蒸發(fā)綜合考慮，黃土高原區(qū)陽坡降水大于陰坡，但是陽坡蒸發(fā)也大于陰坡，綜合起來陽坡的土壤水分條件往往比陰坡更干旱，因此陽坡的植被土壤水分要低于陰坡，這與馬娟霞、梁超等[16，22]研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

①同一坡度、坡向、降雨條件下荒草地、山桃、小葉楊和檸條林地，土壤水分存在顯著差異，表現(xiàn)為荒草地＞小葉楊＞山桃＞檸條； 不同坡位沙棘林地土壤水分呈“S”型分布且存在極顯著差異，表現(xiàn)為坡底平臺(tái)＞下坡位原狀坡＞中坡位水平階＞中坡位原狀坡。可見不同植被類型深刻影響著該區(qū)土壤水分變化，坡位和整地方式是影響沙棘土壤水分的重要因素。

②水平階上的喬木純林與喬灌混交林間土壤水分差異不顯著，且人工純林在土壤水分垂直變化差異不大，混交林呈波動(dòng)趨勢(shì)且變化較大。 可見，半干旱黃土區(qū)水平階整地營造的喬木純林與喬灌混交林土樣水分差別不大。

③不同坡向的小葉楊林地土壤水分存在極顯著差異，表現(xiàn)為：陰坡＞半陰坡＞半陽坡＞陽坡，且在陽坡與陰坡間表現(xiàn)尤為突出，可見坡向是半干旱黃土區(qū)小葉楊林土壤水分的一個(gè)主要影響因子。