黃土高原人工林深層土壤水分利用研究

楊 敏, 趙西寧, 高曉東, 楊世偉

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室, 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.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤水分是干旱、半干旱區(qū)植物生長和生存的關(guān)鍵因子[1-2]。尤其是深層土壤水分作為植物生長利用的儲備水資源，在植物應(yīng)對長期干旱等極端氣候事件中起著至關(guān)重要的作用[3]。但是植被蒸騰耗水作用強(qiáng)烈，會對生態(tài)水文過程及區(qū)域水平衡產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[4]。因此，準(zhǔn)確認(rèn)識植被對深層土壤水分的影響對干旱、半干旱區(qū)植被恢復(fù)的可持續(xù)性具有重要意義。

黃土高原退耕還林(草)工程實施以來，刺槐林(Robiniapseudoacacia)、檸條林(CaraganaKorshinskiiKom.)等人工林得到大規(guī)模推廣種植，該區(qū)生態(tài)環(huán)境得到顯著改善[5]。但黃土高原干旱缺水，人工林的大規(guī)模發(fā)展改變了原有的水量平衡，水分消耗通常大于降水補(bǔ)給。近期研究表明黃土高原植被建設(shè)已接近水資源承受極限，土壤水分循環(huán)出現(xiàn)負(fù)平衡，導(dǎo)致深層土壤干燥化風(fēng)險增大[6]。

眾多學(xué)者就人工林對土壤水分的影響開展了大量研究[7-9]。郭忠升等[10]研究發(fā)現(xiàn)黃土丘陵區(qū)檸條隨著樹齡增加，對土壤水分利用深度逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致土壤水分虧缺嚴(yán)重；王力等[11]研究也發(fā)現(xiàn)深根系刺槐生長速率高、種植密度大，水分供需矛盾，為維持自身正常生長，需極大地消耗土壤深層儲水。黃土高原部分地區(qū)人工林常年水分收支負(fù)平衡，土壤水分利用深度逐年增加，形成了明顯的土壤干層[12]。但是目前有關(guān)人工林對土壤水分的影響大多針對單點試驗，缺乏不同氣候區(qū)之間的比較，而且多集中在5 m以上，5 m以下的研究相對匱乏。本文通過選取黃土高原半干旱偏旱區(qū)、半干旱區(qū)以及半濕潤區(qū)的刺槐林和檸條林，通過野外取樣，分析不同氣候區(qū)人工林對深層土壤水分的影響，定量評價人工林的深層干燥化現(xiàn)狀，為黃土高原人工林植被建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國黃土高原，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫3.6～14.3℃；多年平均降水量為150～800 mm，主要集中在6—9月份，占全年降水量的55%～78%；光能資源豐富，年總輻射量為5.0×109～6.7×109J/m2。根據(jù)黃土高原氣候分布特征，本研究選擇黃土高原北部半干旱偏旱區(qū)的子洲、中部半干旱區(qū)延安和南部半濕潤區(qū)的長武3個代表區(qū)域典型的植被類型人工喬木林(刺槐Robiniapseudoacacia)和人工灌木林(檸條CaraganaKorshinskiiKom)作為研究對象。子洲的多年平均降雨量為424 mm，年均氣溫9.2℃，土壤為黃綿土。延安的年均降雨量為530 mm，年均氣溫9.4℃，土壤為黃綿土。長武的年均降雨量為560 mm，年均氣溫9.1℃，土壤為輕壤—中壤質(zhì)黑壚土。3個代表區(qū)植被退化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)烈。研究進(jìn)行野外采樣同時記錄海拔、生長年限、樹高、胸徑、冠幅直徑和郁閉度等基本信息(表1)。

表1 采樣區(qū)基本樣地信息

注：“—”代表未發(fā)現(xiàn)，下表同。

1.2 采樣及測定方法

1.2.1 土壤樣品的采集與測定 采用土鉆法(d=40 mm)，采集土壤樣品，取樣深度要求如下：0—200 cm土層，每20 cm取一個土樣；200—800 cm土層，每40 cm取一個土樣。所采集土樣一分為三：一部分采用烘干法(105℃，10 h)測定土壤含水量；另外兩部分帶回實驗室測定顆粒組成和有機(jī)碳含量(土壤顆粒組成用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行測定；土壤有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀氧化法測定)。采樣時間從2018年5月25日—2018年7月5日，共42 d。

1.2.2 根系的收集與測定 采用根鉆法(d=75 mm)在距樹干40 cm處采集根系樣品，取樣深度間隔要求同土壤水分。各層鉆取的土樣用自來水仔細(xì)清洗，用0.5 mm篩網(wǎng)對懸浮液中的土壤進(jìn)行篩分，從篩后的土壤漿液中仔細(xì)挑選出細(xì)根(≤2 mm)，在吸濕紙上短時間風(fēng)干。利用掃描儀獲取根系圖像(300 dpi)，使用Delta-t scan圖像分析軟件分析根系圖像(Delta-t scan，Delta-T Devices Company, UK)，獲取細(xì)根根長。將掃描后各層細(xì)根75℃烘干，利用電子天平稱重，獲取細(xì)根干重。將獲得的各土層細(xì)根根長除以對應(yīng)取樣土體體積即為植物的各土層細(xì)根根長密度。

1.2.3 土壤水分狀況評價指標(biāo) 由于0—200 cm土層土壤水分受降雨入滲和植被蒸散發(fā)影響較大，因此不予考慮[13]。本研究將200 cm以下的土層定義為深層土壤，主要針對200—800 cm的深度范圍，探討人工林刺槐林和檸條林對深層土壤水分的影響。選取農(nóng)地作為參考，通過對比深層土壤含水量之間的差值間接判斷深層水分利用狀況是目前常用的方法[12]。研究使用以下方程來計算深層耗水量和深層消耗速率。土壤儲水量按公式(1) 計算：

Sms=0.1θ·ρ·H

(1)

式中：Sms為土壤儲水量(mm);θ為質(zhì)量含水量(%);ρ為土壤容重(g/cm3);H為土層深度(cm)。土壤耗水量為土壤初始儲水量和現(xiàn)有儲水量的差值，對照地(農(nóng)地)儲水量視為該地區(qū)土壤初始儲水量，即：

Wdeplete=Sinitial-Spresent

(2)

式中：Wdeplete為土壤耗水量(mm)；Sinitial為農(nóng)地儲水量(mm)；Spresent為土壤現(xiàn)有儲水量(mm)。深層耗水速率根據(jù)以下公式計算：

(3)

式中：Vdelepte為深層耗水速率(mm/a)；Tage為樹齡(a)。對于200—800 cm土層的容重(BD)，用以下公式進(jìn)行估算[14]：

(4)

式中：OM為有機(jī)質(zhì)；0.244為有機(jī)質(zhì)含量與土壤容重之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)；1.64為非有機(jī)質(zhì)含量與土壤容重之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，土壤有機(jī)質(zhì)含量(OM)通過以下公式計算得到：

(5)

式中：SOC為有機(jī)碳；0.58為有機(jī)碳含量與有機(jī)質(zhì)含量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2017(Microsoft，Redmond，USA)和SPSS 17.0(SPSS，Chicago，USA)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析ANOVA和多重比較LSD方法分析不同處理之間的差異。采用Origin 2017進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒組成和根系分布

3個地區(qū)刺槐林和檸條林0—800 cm土層的細(xì)根根長密度和土壤顆粒組成分布如圖1所示。同一地區(qū)不同植被類型土壤顆粒組成分布具有同質(zhì)性。子洲、延安和長武3個地區(qū)的剖面土壤平均黏粒含量變化范圍分別為11.61%～13.55%，16.58%～17.36%，24.19%～24.84%，平均砂粒含量變化范圍為27.80%～30.95%，17.60%～18.45%，9.74%～11.15%。而不同地區(qū)的土壤顆粒組成存在較大差異。黏粒含量變化趨勢為子洲<延安<長武，砂粒含量變化趨勢為子洲>延安>長武。

3個地區(qū)的刺槐林和檸條林的剖面細(xì)根根長密度分布表現(xiàn)出高度異質(zhì)性(圖1)。子洲和延安地區(qū)兩種植被0—300 cm土層的細(xì)根根長密度均明顯高于長武地區(qū)，300 cm以下則無顯著差異(p>0.05)。總體來看，3個地區(qū)兩種人工林的細(xì)根根長密度隨土層深度的增加而減小，最大細(xì)根根長密度均出現(xiàn)在0—60 cm土層。子洲、延安和長武地區(qū)，刺槐林0—300 cm土層中的細(xì)根根長密度分別占總根長密度的90%，94%，80%；而檸條林分別為83%，81%，83%，均顯著高于300 cm以下土層(p<0.05)。

2.2 人工林剖面土壤含水量垂直分布

不同地區(qū)人工林刺槐和檸條的土壤含水量垂直變化特征如圖2所示。受降雨、蒸散發(fā)的雙重影響，0—200 cm土層土壤水分波動較劇烈；隨著深度增加，降雨和蒸散發(fā)影響減弱，200—800 cm土層土壤含水量相對穩(wěn)定，呈現(xiàn)近似垂直分布。不同地區(qū)刺槐林和檸條林200—800 cm土層土壤含水量存在顯著差異(p<0.05)，均表現(xiàn)為子洲<延安<長武(表2)。同一地區(qū)刺槐林和檸條林200—800 cm土層土壤含水量無顯著差異，均顯著低于農(nóng)地(p<0.05)。

200—800 cm土層土壤含水量與細(xì)根根長密度和土壤顆粒組成相關(guān)性見表3。整體來看，除延安地區(qū)刺槐林外，3個地區(qū)兩種人工林的土壤含水量與黏粒含量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。此外，子洲和長武地區(qū)刺槐林和檸條林的深層土壤含水量與細(xì)根根長密度均呈負(fù)相關(guān)，而在延安地區(qū)與細(xì)根根長密度呈正相關(guān)。

注：A，B，C代表子洲、延安和長武的刺槐林；D，E，F(xiàn)代表子洲、延安和長武的檸條林。
圖1 顆粒組成和細(xì)根根長密度垂直分布

注：A，B，C分別代表子洲、延安和長武。
圖2 人工林的土壤含水量垂直分布

表2 不同地區(qū)各土地利用類型200-800 cm土層土壤含水量

注：不同小寫字母表示同一地區(qū)不同植被土壤含水量存在顯著性差異；不同大寫字母代表同一植被不同地區(qū)土壤含水量存在顯著性差異。

2.3 人工林的深層耗水量和深層耗水速率垂直分布特征

不同地區(qū)刺槐林和檸條林200—800 cm土層耗水量存在明顯差異(圖3)。除延安地區(qū)檸條林的部分土層外，3個地區(qū)刺槐林和檸條林均存在明顯的深層土壤水分消耗(圖3)。其中子洲地區(qū)刺槐林和檸條林深層耗水量(200—800 cm)最大，其值分別為808，698 mm，顯著高于延安和長武地區(qū)兩種人工林深層耗水量(p<0.05)(表4)。刺槐林和檸條林在子洲和長武地區(qū)深層耗水量變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)200—400 cm，600—800 cm土層耗水量高，400—600 cm土層耗水量低的趨勢。延安地區(qū)刺槐林200—800 cm各土層耗水量較穩(wěn)定，無明顯波動；而檸條林深層耗水量隨深度的增加而增加，至680—720 cm土層達(dá)到最大值55.97 mm。

黃土高原不同地區(qū)人工林深層耗水速率差異如圖4所示。3個地區(qū)刺槐林和檸條林深層(200—800 cm)耗水速率垂直分布規(guī)律與深層(200—800 cm)耗水量大致相似，最大值均出現(xiàn)在子洲地區(qū)，其值分別為32.33，31.76 mm/a，顯著高于延安和長武地區(qū)兩種人工林深層耗水速率(表4)。刺槐林在子洲、延安200—800 cm土層的剖面深層耗水速率均較穩(wěn)定，無明顯波動；在長武地區(qū)呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢，最低值出現(xiàn)在560—600 cm土層，為0.68 mm/a。檸條林在子洲和長武地區(qū)深層(200—800 cm)耗水速率則呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢，最低值分別出現(xiàn)在600—640 cm和440—480 cm土層，為1.66，0.41 mm/a；在延安地區(qū)，深層(200—800 cm)耗水速率隨深度增加而逐漸增加，至680—720 cm土層達(dá)到最大值2.43 mm/a。

圖3 人工林的深層耗水量垂直分布 圖4 人工林的深層耗水速率垂直分布

表3 不同地區(qū)各土地利用類型深層土壤含水量(200-800 cm)與黏粒、粉粒、砂粒含量和細(xì)根根長密度的相關(guān)性

注：*表示存在顯著相關(guān)(p<0.05)，**表示存在極顯著相關(guān)(p<0.01)。

表4 不同地區(qū)刺槐林和檸條林200-800 cm土層耗水量和耗水速率

注：不同小寫字母表示同一植被不同地區(qū)的深層土壤耗水量、耗水速率存在顯著性差異(p<0.05)。

3 討 論

降水是黃土高原植被恢復(fù)與生態(tài)建設(shè)的主要水分來源[15]。群落密度過大、生產(chǎn)力過高導(dǎo)致人工林植被對土壤水分的消耗嚴(yán)重超出天然降雨的補(bǔ)償能力，極大地影響了生態(tài)系統(tǒng)的水平衡。本研究表明目前黃土高原不同氣候區(qū)人工林土壤水分均出現(xiàn)了不同程度的虧缺現(xiàn)狀，所得結(jié)論與以往研究相似[16-20]。

植物水分吸收和根系分布密切相關(guān)[21-22]。分析3個地區(qū)兩種人工林細(xì)根根長密度發(fā)現(xiàn)，半干旱偏旱區(qū)(子洲)和半干旱區(qū)(延安)細(xì)根根長密度較半濕潤區(qū)(長武)發(fā)達(dá)，原因可能是半干旱區(qū)降水補(bǔ)給不足，土壤水分條件差，植物通過發(fā)展更為發(fā)達(dá)的根系來吸收水分維持其生長。這與Collins等[23]研究結(jié)果相似，干旱、半干旱地區(qū)遭受水分脅迫的植物往往存在更深更發(fā)達(dá)的根系分布。Jackson等[24]研究發(fā)現(xiàn)盡管深層根系分布較少，但其根系吸水效率很高，潛力巨大。當(dāng)發(fā)生水分脅迫時，植物通過其深層根系吸收水分來提高生存能力。也有研究表明植物根系可以通過水力提升作用將深層土壤水分分配到淺層土壤緩解水分脅迫[25]。此外，土壤質(zhì)地也是影響深層土壤水分狀況的關(guān)鍵因素[26]。半干旱偏旱區(qū)(子洲)深層(200—800 cm)土壤耗水量顯著高于半濕潤區(qū)(長武)(表4)。皮爾遜相關(guān)分析表明，深層土壤含水量與黏粒含量呈正相關(guān)，與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)(表3)。半干旱偏旱區(qū)(子洲)的砂粒含量(30%左右)顯著高于半濕潤區(qū)(長武)的砂粒含量(10%左右)，土壤持水性和土壤結(jié)構(gòu)相對較差，加之該區(qū)潛在蒸散發(fā)大，導(dǎo)致淺層土壤水分大量損失，植物通過增加吸水深度吸收利用大量深層土壤水分來維持其生長，這與蘭志龍等[27]的發(fā)現(xiàn)一致。

本研究通過分析不同氣候區(qū)兩種人工林深層耗水規(guī)律發(fā)現(xiàn)，由于生長速度快且根系發(fā)達(dá)，當(dāng)淺層土壤水難以滿足其正常需求時，人工林會通過深根吸水消耗大量的深層土壤水分，導(dǎo)致深層土壤干燥化，尤以半干旱偏旱區(qū)最為嚴(yán)重。這和已有研究得出結(jié)果相似。程積民等[28]發(fā)現(xiàn)由于深根系灌木檸條種植密度大導(dǎo)致較高的深層耗水速率，加劇了黃土高原深層土壤水分虧缺現(xiàn)狀。Liang等[29]對不同樹齡刺槐林土壤水分研究發(fā)現(xiàn)，隨樹齡增加土壤含水量逐漸降低，10～20齡左右刺槐林深層耗水速率最大。在黃土區(qū)未來暖干化背景下，大規(guī)模的人工林種植可能并不是植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)的最佳辦法，尤其在半干旱偏旱區(qū)，造林加速土壤干燥化，不利于生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。因此，有必要采取科學(xué)合理的管理措施來調(diào)控人工林的土壤水分狀況。魚鱗坑、修梯田等水土保持工程措施可以有效攔截降雨、增加土壤水分入滲，改善人工林土壤水分狀況；同時可以考慮調(diào)整人工植被密度，選擇合理的人工植被配置模式，輔以有效的水土保持工程措施，在達(dá)到植被恢復(fù)的同時盡可能減少對土壤水分的消耗。此外，降水通過補(bǔ)給淺層土壤水來改變植物的水分利用模式，進(jìn)而影響植物對深層土壤水分的利用，因此不同降雨年型人工林深層耗水規(guī)律如何有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

(1) 黃土高原不同氣候區(qū)不同土地利用方式0—800 cm土層土壤平均含水量均表現(xiàn)為農(nóng)地>刺槐林>檸條林。其中，半干旱偏旱區(qū)(子洲)、半干旱區(qū)(延安)及半濕潤區(qū)(長武)的刺槐林平均土壤含水量分別為6.64%，9.42%，11.01%，檸條林平均土壤含水量分別為6.38%，12.52%，11.41%。

(2) 3個氣候區(qū)刺槐林和檸條林在200—800 cm土層均發(fā)生了不同程度的土壤干燥化。兩種人工林200—800 cm土層的深層耗水量、深層耗水速率最大值均出現(xiàn)在半干旱偏旱地區(qū)，其值分別為808 mm，698 mm以及32.33 mm/a，31.76 mm/a，該區(qū)的深層土壤干燥化最嚴(yán)重。

(3) 影響植被深層土壤含水量的因素主要有植物根系和土壤質(zhì)地。不同地區(qū)同一植被根系分布情況存在差異，半干旱偏旱和半干旱區(qū)的刺槐林和檸條林根系分布均較半濕潤區(qū)發(fā)達(dá)。不同地區(qū)的同一植被土壤質(zhì)地也存在明顯差異，半濕潤區(qū)土壤黏粒含量最高，砂粒含量最低，半干旱偏旱區(qū)相反；黏粒含量與土壤含水量呈正相關(guān)，一定程度上，黏粒含量越高，土壤含水量越高。