冀北壩上地區(qū)不同人工植被土壤水分變化特征

楊 越，吳才武，楊依天，武智勇，孫百生，張月叢

（河北民族師范學院 資源與環(huán)境科學系, 河北 承德 067000）

0 引 言

冀北壩上地區(qū)位于內蒙古高原南緣，北部與內蒙古高原相連，南部延伸至京北平原，是具有典型代表性的北方農(nóng)牧交錯帶。該區(qū)域水資源短缺、氣候寒冷干燥、降水稀少、生態(tài)環(huán)境脆弱，加之近年來不合理的人類活動，導致水土流失、土地退化等環(huán)境問題日益嚴重[1]。作為京津冀的生態(tài)屏障，冀北壩上地區(qū)從2000 年開始相繼實施退耕還林還草、京津風沙源治理、首都水源地保護等生態(tài)工程，歷經(jīng)20 年的努力建設，生態(tài)環(huán)境惡化的局面得以改善。然而，該區(qū)域“蒸發(fā)多，降水少”的氣候條件、地下水位持續(xù)下降以及不合理的土地利用方式等原因[2]，使得土壤水分始終是影響植被恢復與重建的關鍵因素。人工恢復植被能夠起到涵養(yǎng)水源、保持水土的作用[3-4]，植被覆蓋能夠改良土壤性質、增加土壤孔隙度[5]，對土壤含水率和分布產(chǎn)生較大影響[6]。郭彪等[7]研究表明黃土丘陵區(qū)不同類型植被（喬木類小葉楊林、灌木類沙棘林及撂荒地）旱、雨季的土壤含水率差異明顯，土壤表層到600 cm 深層含水率呈先增加后減少再增加的變化趨勢，而干燥化程度由強到弱依次表現(xiàn)為：小葉楊>沙棘>撂荒地。雷澤勇等[8]研究表明，遼西北風沙區(qū)土壤水分的季節(jié)性變化是降雨和植物生長、地下水位共同作用的結果；降雨和植物生長對表層土壤的含水率影響較大，而對深層土壤水分的作用不大；灌木林地表層土壤含水率最低，喬木林地深層土壤水分最低，草地類型含水率始終最高。郭偉等[9]通過研究晉北風沙區(qū)人工林土壤水分及粒度特征，表明沙棘林和檸條林有較強的水土保持能力，表層土壤水分較低，較深土層土壤水分受植物蒸騰耗水、根系分布深度及密度等因素影響。冀北壩上地區(qū)已有的研究[10-11]探討了不同土地利用類型表層0～30 cm 土壤含水率變化差異，表明草地表層土壤含水率普遍高于林地，灌木林地（沙棘、檸條）高于喬木林地（楊樹、榆樹），植被生長狀況與表層土壤含水率高低具有一致性；然而對于深層土壤水分動態(tài)變化研究相對較少。因此，為了進一步探究不同人工植被對土壤水分的影響，選取冀北壩上地區(qū)退耕還林地為研究對象，以退耕封育草地為對照，對比分析不同人工植被樣地（沙棘林、檸條林、榆樹林）0～100 cm 的土壤水分變化特征，為該地區(qū)植被恢復與生態(tài)建設提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處豐寧滿族自治縣境內，位于河北省北部、承德市西部，內蒙古高原—燕山山地—華北平原過渡帶上，北緯45°54′—42°01′，東經(jīng)115°55′—117°23′。地勢由東南向西北呈階梯形增高，分為壩下山地、接壩山地和壩上高原3 個地貌單元，平均海拔1 475 m，壩上地區(qū)海拔為1 200～1 400 m。屬于大陸季風型半濕潤、半干旱高原山地氣候，寒冷干燥，年均氣溫6.7 ℃，無霜期為80～140 d，年降水量350～500 mm，主要集中在6—9 月，年降水量變化大。土壤呈地帶性分布，主要有栗鈣土、風沙土、棕壤、褐土，壩上地區(qū)以栗鈣土為主。境內植物種類豐富，屬于暖溫帶半旱生落葉闊葉林和灌叢草原亞帶，但是受人為干擾破壞天然植被稀少。近年來隨著退耕還林還草、京津風沙源治理、水源地保護等生態(tài)工程的實施，營建大面積人工林，植被覆蓋顯著提高。

1.2 研究方法

根據(jù)豐寧滿族自治縣退耕還林主要模式、植被類型及其生長分布情況，選取生長年限相同（2003年種植）、生長狀況較好、地形相對平緩的沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）林、檸條（Caragana korshinskii.）林、榆樹（Ulmus pumila L.）林布設樣地，并以同期退耕封育草地（2003 年封育）對照。標準樣地大小為20 m×20 m，均采用羅盤儀定向，皮尺量距，GPS 定位。生長季進行植被調查，獲得不同類型樣地植被特征（表1）。為了反映雨季和旱季的土壤水分狀況，2017 年5—10 月每月進行1 次土壤樣品采集。土壤樣品采用土鉆法獲取，裝入鋁盒膠帶密封包裝，并遮光保存。每個樣地沿對角線按S 形路線選3 個樣點進行重復采樣，采樣深度為0～100 cm，樣品間距為10 cm。采用烘干法測定土壤含水率[7,12]。數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析采用Excel 和SPSS19.0 軟件，采用Excel 和Origin9.1 軟件繪制圖表。降水數(shù)據(jù)來源于豐寧縣氣象監(jiān)測站。

表1 不同類型樣地植被特征 Table1 Vegetation characteristics of different types of plots

2 結果與分析

2.1 不同植被類型土壤水分季節(jié)變化特征

圖1 為觀測期不同植被類型0～100 cm 土壤含水率。由圖1 可知，土壤含水率在7 月最高，6、8 月次之，9 月或10 月最低。旱季（5、9、10 月）不同植被類型土壤含水率大小順序是：封育草地（9.65%、9.14%、9.18%）＞沙棘林地（9.26%、8.54%、8.19%）＞檸條林地（8.81%、8.21%、7.52%）＞榆樹林地（8.32%、8.01%、7.41%）。雨季（6 月、7 月、8 月）不同植被類型土壤含水率大小順序是：榆樹林地（16.42%、17.54%、16.78%）＞檸條林地（16.21%、17.25%、16.46%）＞沙棘林地（16.04%、16.81%、16.24%）＞封育草地（14.15%、15.68%、14.76%）。

3 種退耕還林地與封育草地相比，旱季會消耗更多的土壤水分，喬木（榆樹）林耗水多于灌木（沙棘、檸條）林；而在雨季會在一定程度上保持土壤水分，且喬木（榆樹）林保水作用優(yōu)于灌木（沙棘、檸條）林。

圖1 不同植被類型土壤水分變化 Fig.1 Changes of soil moisture in different vegetation

所選樣地實施退耕還林后植被恢復狀況較好，土壤表層已經(jīng)形成枯落層。結合實地觀測（表1），封育草地枯落層厚度在1 cm 內，局部地區(qū)受人為干擾（偷牧）影響較大，植被恢復不夠穩(wěn)定導致土壤裸露，其含蓄降水和降低蒸發(fā)的作用有所削減。而人工恢復植被后，隨著喬木、灌木枯落物的不斷積累，檸條林地枯落層厚度1～2 cm，沙棘林地、榆樹林地枯落層厚度2～3 cm，土壤表層覆蓋較好；而且林木改良土壤效果明顯有助于降水下滲[3-4]，同時林木枝葉對降水具有較好的截留作用，其含蓄降水和降低蒸發(fā)的作用得以顯現(xiàn)。因此，研究區(qū)降水補給較好的時節(jié)，3 種退耕還林地0～100 cm 土壤含水率高于封育草地，而在降水補給不足的時節(jié)，由于林木生長需水量遠高于草本，3 種退耕還林地0～100 cm 土壤含水率低于封育草地，反而加劇土壤水分的消耗。

2.2 不同植被類型土壤水分垂直變化特征

不同植被類型在不同季節(jié)的土壤含水率隨土層深度的增加具有明顯趨勢特征[13-15]。為了便于比較試驗樣地0～100 cm 各層土壤含水率狀況，分別選取降水量最多的月份和降水量最少的月份加以分析。

如圖2 所示，雨季（7 月）不同植被類型0～100 cm 土壤含水率垂直變化幅度較大，除榆樹林地外，隨著土層深度增加呈先降低后增加再減少的“S”形變化趨勢。0～10、10～20、20～30 cm 土層含水率以封育草地最低，分別為16.36%、14.72%、15.45%；30～40 cm 土層含水率以沙棘林地最低，為15.53%；40～50、50～60 cm 土層含水率以檸條林地最低，分別為15.53%、16.45%；60～70 cm 土層含水率以榆樹林地最低，為16.02%；70～80、80～90、90～100 cm土層含水率以封育草地最低，分別為14.18%、12.97%、11.89%。結合自然環(huán)境條件和植被生長需水分析，雨季降水補給有所改善，但地表蒸發(fā)強烈、植物蒸騰作用較強。封育草地以草本為主，含蓄降水和降低蒸發(fā)的作用不足，而草本根系又集中分布在0～20 cm 土層，導致淺表層土壤含水率下降明顯，同時草本難以觸及深層土壤，其土壤水分補給有限。3 種退耕還林地植被恢復較好，枯落層較厚，能夠含蓄降水和降低蒸發(fā)，喬灌木又能改良深層土壤，有效補給土壤水分；但喬灌木生長需水較大，蒸騰作用更加劇烈，進而對土壤水分產(chǎn)生影響。沙棘根系主要分布在0～40 cm 土層，所以沙棘林地0～40 cm土層水分消耗明顯；檸條為深根性灌木，根系可以達到120 cm 以上[16]，其對30～60 cm 土層水分消耗明顯；榆樹根系從20 cm 土層開始分布，主根系在60 cm 以下，能夠消耗深層土壤水分，導致土壤含水率持續(xù)下降。

圖2 雨季（7月）不同植被類型土壤含水率垂直變化 Fig.2 Vertical variation of soil moisture in different vegetation types during the rainy season（July）

如圖3所示，旱季（9月）不同植被類型0～100 cm土壤含水率垂直變化幅度依然明顯，但相對雨季（7月）有所減弱且存在差異。

圖3 旱季（9月）不同植被類型土壤含水率垂直變化 Fig.3 Vertical variation of soil moisture in different vegetation types during the dry season（September）

0～10、10～20 cm土層含水率以封育草地最低，分別為7.14%、7.09%；20～30、30～40 cm土層含水率以沙棘林地最低，分別為7.29%、6.73%；40～50 cm土層含水率以檸條林地最低，為7.32%；50～100 cm各土層含水率以榆樹林地最低，分別為7.32%、7.05%、6.53%、6.01%、5.57%。從不同植被類型0～100 cm土壤含水率隨著深度增加變化趨勢來看，封育草地先增加后減少，沙棘林地先降低后增加再減少，檸條林地和榆樹林地淺表層相對穩(wěn)定但在30 cm以下土壤水分下降明顯。與雨季（7月）相比，旱季（9月）降水補給大大減少，地表蒸發(fā)和植物蒸騰作用導致土壤水分不斷消耗，各層土壤含水率大幅度下降；尤其是60 cm以下土層幾乎得不到有效降水補給，深根性灌木（檸條）和喬木（榆樹）會加劇深層土壤水分消耗[17-18]，因此榆樹林地、檸條林地60 cm以下土層含水率明顯低于沙棘林地、封育草地。

3 討 論

3.1 不同植被類型土壤水分季節(jié)變化特征

土壤水分受到區(qū)域氣候特征與植物生長規(guī)律的影響，與降水量、植物耗水、土壤蒸發(fā)等因素密切相關。研究區(qū)不同植被類型土壤水分具有典型的季節(jié)變化特征，土壤含水率與降水量的變化趨勢基本一致，這與已有的研究結果[19]相近。郭彪等[7]研究表明，黃土丘陵區(qū)不同類型植被土壤含水率雨季均明顯大于旱季，土壤的干、濕季與氣候的干、濕季相一致。馬婧怡等[20]對黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤水分變化特征的研究也表明，土壤貯水量的季節(jié)變化趨勢與降水量的季節(jié)性變化相協(xié)同。觀測期研究區(qū)6月降水量（95.4 mm）開始明顯增多，7月降水量達到最大（132.7 mm），雨季降水量（353 mm）是旱季降水量（123.3 mm）的近3倍，此階段氣溫明顯升高，植被逐漸進入生長季，盡管植被蒸騰和土壤蒸發(fā)也隨之增強，但是植被能夠含蓄降水和降低蒸發(fā)，因此雨季相對較多的降水補給有利于土壤水分的貯存，而旱季降水補給不足導致土壤水分的消耗。另外，本文受試驗條件所限未能觀測蒸散等數(shù)據(jù)，結合相關研究干旱區(qū)榆樹林地年蒸散量在400 mm左右[21]，沙棘林地、檸條林地年蒸散量分別為250、200 mm左右[22]，而觀測期研究區(qū)降水量476.3 mm，初步判斷土壤水分收支基本穩(wěn)定。

3.2 不同植被類型土壤水分垂直變化特征

土壤水分受到降水、植被根系分布、地下水位等因素的影響，在垂直剖面上表現(xiàn)出一定的差異性[15,20]。研究區(qū)不同植被類型0～100 cm土壤水分隨土層深度的變化具有明顯的趨勢特征且存在較大差異，土壤含水率隨土層深度的增加變化逐漸減弱。王玲等[13]研究表明晉西北不同植被類型0～100 cm土層深度的土壤儲水量變化差異較大，不同植被類型在不同季節(jié)的土壤剖面儲水量隨土層深度增加，呈劇烈—緩和趨勢。主要原因是淺層土壤易受降雨入滲、植物強烈的蒸騰作用等影響。孫曉輝[17]對遼西北風沙區(qū)不同人工植被土壤水分變化特征研究表明草本植物類型和喬灌植物類型0～100 cm的土壤水分差異明顯，根系分布狀況是造成土壤水分差異的重要原因。

3.3 不同植被類型地區(qū)適宜性

冀北壩上地區(qū)降水少蒸發(fā)多、氣候寒冷，土壤水分補給不足，嚴重制約著植被恢復與生態(tài)建設。3種退耕還林地植被（沙棘、檸條、榆樹）具有耐旱、耐寒、耐瘠薄的特性，基本能夠適應當?shù)匕敫珊禋夂?，普遍長勢尚可，灌木沙棘、檸條優(yōu)于喬木榆樹。但從研究結果分析來看，旱季退耕還林地植被會加劇土壤水分的消耗，倘若冀北壩上地區(qū)遭遇連續(xù)干旱等極端天氣變化，會嚴重影響植被生長，進而導致生態(tài)退化。因此，在當?shù)丶词故沁x擇耐旱、耐寒的植被開展生態(tài)建設，也需要科學合理布局，不宜盲目大規(guī)模種植。

4 結 論

1）不同人工植被土壤水分隨季節(jié)變化存在顯著差異。雨季3 種退耕還林地0～100 cm 土壤含水率高于封育草地，有利于保持土壤水分；含水率排序為：榆樹林地＞檸條林地＞沙棘林地＞封育草地。旱季則低于封育草地，加劇土壤水分消耗；含水率排序為：封育草地＞沙棘林地＞檸條林地＞榆樹林地。

2）不同人工植被土壤含水率隨土層深度變化具有明顯趨勢特征。降水補給、地表蒸發(fā)、植物需水等因素影響土壤含水率變化，封育草地0～20 cm 土層含水率下降明顯，沙棘林地0～40 cm 土層水分消耗明顯，檸條林地30～60 cm 土層水分消耗明顯，榆樹林地20～100 cm 土層水分持續(xù)消耗。

3）冀北壩上地區(qū)干燥寒冷、生態(tài)脆弱，人工恢復植被必須充分考慮區(qū)域降水、溫度、土壤等環(huán)境條件，遵循自然地帶性規(guī)律，因地制宜合理布局；避免大規(guī)模植樹造林引起土壤水分消耗過度而導致生態(tài)退化。