黃土高原植被演替過(guò)程中土壤水分虧缺

張永旺,萬(wàn)珊珊,王 俊,魏瑤瑤,屈亞潭,

劉世鵬1,常海飛1,王 妍1,上官周平2

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,陜西 延安 716000;2.中國(guó)科學(xué)院 教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心,陜西 楊陵 712100)

土壤水分是影響陸地植被生態(tài)系統(tǒng)和生物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子[1]，位于中國(guó)中部偏北部的黃土高原，屬于干旱大陸性季風(fēng)氣候，是世界水土流失最嚴(yán)重和生態(tài)最脆弱的地區(qū)之一。近年來(lái)我國(guó)雖在大規(guī)模實(shí)施退耕還林還草項(xiàng)目上取得了顯著成果[2-3]，但由于該地區(qū)“低降水，高蒸發(fā)”的氣候條件，以及植被恢復(fù)過(guò)程中分配不合理，導(dǎo)致土壤含水量低，甚至出現(xiàn)干層現(xiàn)象[4-5]，造成不同深層土壤虧缺現(xiàn)象嚴(yán)重的情況[6-8]。這一現(xiàn)象對(duì)于黃土高原植被恢復(fù)與生態(tài)修復(fù)非常不利。目前不同土地利用方式的土壤水分虧缺的研究在國(guó)內(nèi)外都是熱點(diǎn)[9-11]，學(xué)者在評(píng)價(jià)土壤水分虧缺的探究中提出了土壤干化指數(shù)[12]。開(kāi)展植被恢復(fù)過(guò)程中不同植被類型的土壤水分虧缺研究對(duì)陜北高原生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有重要意義。

研究不同植被土壤水分的時(shí)空分布特征[13]對(duì)于了解土壤缺水狀況、防止生態(tài)環(huán)境退化，并合理有效地發(fā)展林業(yè)和進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)非常重要。目前有關(guān)黃土高原不同植被類型、土壤水分剖面垂直分布和空間分布格局的研究較多[14]，但對(duì)植被恢復(fù)過(guò)程中的不同植被類型的土壤水分虧缺的評(píng)價(jià)和差異及季節(jié)性儲(chǔ)水特征的研究存在不足。因此，本研究選擇黃土高原植被恢復(fù)過(guò)程中的撂荒草地、次生山楊林、沙棘林和遼東櫟林作為研究對(duì)象，探究植被恢復(fù)過(guò)程中的土壤儲(chǔ)水量的時(shí)空變化特征，分析雨季和非雨季0—500 cm土壤剖面水分虧缺狀況，以期為研究區(qū)的植被恢復(fù)和水資源管理提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于黃土高原子午嶺林區(qū)的甘肅省合水縣連家砭林場(chǎng)(108°31′—108°32′E,36°03′—36°05′N)，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。全年降雨量560～590 mm，主要集中在7—9月份，海拔1 211～453 m。土壤為次生黃土[15]。本次研究選取撂荒草地、次生山楊林、沙棘林和遼東櫟林進(jìn)行土壤水分測(cè)定，分別測(cè)定其在5月、7月、9月、11月的土壤儲(chǔ)水量和水分虧缺值。

1.2 試驗(yàn)方法

于2018年5—11月每月月初采用土鉆取土。在每個(gè)樣地中選取標(biāo)準(zhǔn)木，然后在樹(shù)冠邊緣距樹(shù)干2/3處打鉆取土樣，取樣深度為10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300，320，340，360，380，400，420，440，460，480，500 cm。采用烘干法測(cè)定土壤含水量，在105℃高溫條件下，烘6～8 h，達(dá)到恒重即可。

1.3 土樣采集與分析

研究區(qū)主要植被為闊葉林和針葉林，頂級(jí)群落為遼東櫟(QuercusliaotungensisKoidz)，群落覆蓋度為80%～95%，在子午嶺林區(qū)，歷史資料記載天然次生林是從18世紀(jì)60年代棄耕地上開(kāi)始發(fā)展[16]。所以本次研究主要選取撂荒草地、山楊、沙棘、遼東櫟為研究對(duì)象，在每個(gè)群落設(shè)樣方5個(gè)，設(shè)喬木樣方為20 m×20 m，灌木樣方為5 m×5 m，撂荒地樣方為2 m×2 m，共設(shè)樣方15個(gè)。樣地信息可見(jiàn)表1。

表1 樣地信息

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

1.4.1 土壤儲(chǔ)水量指土壤中含水的絕對(duì)數(shù)量[17]

Wi=Mi×Di×h×10/100

(1)

式中：i表示土層序列；Wi表示土壤儲(chǔ)水量(mm)；Di表示土壤容重(g/cm3)；h表示土層深度(cm)；Mi表示土壤含水量(%)。

1.4.2 不同樣地間土壤水分相對(duì)虧缺程度[17]

(2)

式中：PD表示樣地土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)；Wi表示樣地第i土層土壤儲(chǔ)水量(mm)；WCi表示對(duì)照樣地即多年撂荒地第i層土壤儲(chǔ)水量(mm)；Wm表示萎蔫系數(shù)對(duì)應(yīng)的土壤儲(chǔ)水量(mm)；k表示樣地土層的分層數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)分析使用Excel 2019，利用SPSS 16.0進(jìn)行單因素(ANOVA)方差分析，利用Sigmaplot 10.0和OriginPro 8進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型土壤含水量特征分析

如圖1所示，沙棘、山楊和遼東櫟林的土壤含水量隨土層深度的增加呈先增加后緩慢下降趨勢(shì)，撂荒地呈不穩(wěn)定狀態(tài)，但所有林地整體隨土層深度增加一直處于上升趨勢(shì)，遼東櫟含水量最低。在5月份非雨季的這種現(xiàn)象表現(xiàn)的最明顯，從折線圖可以看出5月份3種林地的土壤含水量的峰值大都集中在160 cm，范圍為15%～25%。進(jìn)入雨季的7月份土壤含水量顯著高于非雨季的5月份，峰值分布點(diǎn)不一樣，沙棘林出現(xiàn)在140 cm，山楊林出現(xiàn)在100 cm，而遼東櫟林出現(xiàn)在80 cm，范圍為17%～30%。雨季7月份的土壤含水量在過(guò)了峰值點(diǎn)之后隨土層深度增加而下降的趨勢(shì)較明顯。雨季9月份的土壤含水量是4個(gè)月份中最穩(wěn)定也是最高的月份，除地表含水量低外其余深度含水量都較高且穩(wěn)定。非雨季11月份含水量相較于雨季9月份呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。除遼東櫟外，0—500 cm土層雨季9月份和非雨季11月份的平均土壤含水量為25%左右。撂荒地在土層深度300 cm以下時(shí)，其土壤含水量明顯高于其他3種林地。整體從4個(gè)月份來(lái)看，撂荒地的土壤含水量一直都處于較高水平，其次是沙棘林，然后是山楊林，遼東櫟林的土壤含水量最低。

圖1 不同植被類型不同月份土壤含水量

2.2 不同植被類型土壤儲(chǔ)水量的特征分析

從圖2折線圖可以看出3種林地的土壤儲(chǔ)水量隨土層深度變化的趨勢(shì)與含水量隨土層深度變化的趨勢(shì)一致，隨著土層深度的增加呈先增加后緩慢下降的趨勢(shì)，撂荒地呈現(xiàn)不穩(wěn)定且隨土層深度呈上升趨勢(shì)。圖中土壤儲(chǔ)水量的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在100 cm深度這一點(diǎn)后3種林地與撂荒地的儲(chǔ)水量都出現(xiàn)了急速上升的趨勢(shì)(原因是因?yàn)?00 cm之前都是以10 cm為測(cè)量單位，100 cm之后變成了20 cm)，上升之后又出現(xiàn)了緩慢下降的趨勢(shì)。從儲(chǔ)水量分布圖來(lái)看，撂荒地的最高，次之是沙棘，然后是山楊，最后是遼東櫟，與含水量情況一致。從圖3不同植被每米深度土壤儲(chǔ)水量可以看出，撂荒地的土壤含水量在非雨季和雨季都呈現(xiàn)隨土層加深而升高的現(xiàn)象，但是此現(xiàn)象在非雨季較雨季更顯著，且300 cm以下土層每米的土壤儲(chǔ)水量撂荒地是最高的。在0—500 cm的5個(gè)土層中，隨著植被恢復(fù)從灌木林(沙棘)到喬木林初始階段(山楊林)再到喬木林頂級(jí)階段(遼東櫟林)呈顯著下降的趨勢(shì)，除非雨季5月份的0—100 cm土層外，遼東櫟的儲(chǔ)水量是最低的；400 cm以上，3種植被的雨季和非雨季的沙棘的土壤儲(chǔ)水量是最高的，山楊次之?？偟膩?lái)說(shuō)，3種植被在雨季的土壤儲(chǔ)水量高于非雨季。

圖2 不同植被類型不同月份土壤儲(chǔ)水量

圖3 不同植被每米深度土壤儲(chǔ)水量

2.3 不同植被類型不同虧缺指數(shù)特征研究

不同植被的土壤水分虧缺指數(shù)可以用來(lái)表示土壤水分的虧缺程度。從圖4不同植被不同月份土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)來(lái)看，不論那個(gè)月份遼東櫟的虧缺指數(shù)都是最高的，虧缺指數(shù)越大，虧缺現(xiàn)象越明顯，缺水情況越嚴(yán)重，其次是山楊，最后是沙棘，這與圖1和圖2呈現(xiàn)的遼東櫟林土壤含水量與儲(chǔ)水量最低，沙棘最高，山楊次之相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明植被的土壤水分虧缺程度與其儲(chǔ)水量和含水量呈反比。從圖中可以看出，土壤水分虧缺指數(shù)在非雨季的5月份和11月份要低于雨季的7月份和9月份，說(shuō)明在植被生育期內(nèi)的旺盛生長(zhǎng)期且是雨季的7月份和9月份的土壤虧缺情況較5月份和11月份嚴(yán)重。相較撂荒地而言，遼東櫟林的土壤從5月份到11月份處于持續(xù)虧缺狀況，但其虧缺狀況有變化，從5月份到7月份虧缺加重，從7月份往后虧缺有所減緩；而沙棘和山楊只在7月份和9月份的300 cm以下的土層中稍見(jiàn)虧缺，在所有月份中300 cm以上的土層中土壤虧缺指數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明不存在虧缺現(xiàn)象。雨季的土壤虧缺狀況從整體來(lái)看要比非雨季的嚴(yán)重。

圖4 不同植被不同月份土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)

2.4 分析不同植被相同深度相對(duì)虧缺顯著性差異

從圖5不同植被每米土層深度相對(duì)虧缺指數(shù)可以看出，在非雨季5月份0—100 cm土層中，山楊虧缺顯著高于沙棘和遼東櫟，且遼東櫟沒(méi)有虧缺現(xiàn)象，而在100 cm以下土層中，遼東櫟的虧缺值顯著高于沙棘和山楊，100—200，200—300 cm土層中，沙棘顯著低于山楊，在400—500 cm土層中，沙棘顯著高于山楊；在雨季7月份、9月份和非雨季11月份，0—500 cm的所有土層中都呈現(xiàn)出遼東櫟林的虧缺值顯著高于沙棘和山楊林，100—200，200—300 cm(9月份除外)土層中，沙棘顯著低于山楊，在400—500 cm土層中，沙棘顯著高于山楊。

圖5 不同植被每米土層深度相對(duì)虧缺指數(shù)

3 討 論

3.1 植被對(duì)土壤水分特征的影響

不同植被由于其根系密度和深度的差異導(dǎo)致其消耗土壤水分的深度和強(qiáng)度不同，從而形成了不同植被林下土壤水分的差異[18]。研究中，土壤含水量和土壤儲(chǔ)水量隨著自然植被恢復(fù)從撂荒草地到灌木林地再到喬木林地呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，其原因可能是由于隨著植被恢復(fù)地上部生物量逐漸增大，枝葉更加繁茂，樹(shù)體的蒸騰能力逐步增強(qiáng)，降水截留增多，樹(shù)干徑流增加，另外，地下部根系逐漸增多，分布增廣，對(duì)土壤水分的吸收和消耗隨之增多，從而引起土壤含水量和儲(chǔ)水量的整體下降[19-20]。研究中，不同植被的土壤水分虧缺現(xiàn)象，與撂荒草地相比，處于自然植被恢復(fù)頂級(jí)群落的遼東櫟林的土壤水分相對(duì)虧缺顯著高于植被恢復(fù)中期階段的沙棘林和山楊林，且各植被的土壤在雨季和非雨季都呈現(xiàn)出深層的虧缺程度較淺層嚴(yán)重，這是由于植被生長(zhǎng)與土壤水分是相互作用的，遼東櫟林較沙棘和山楊林消耗更多的水分，且降水由于其較強(qiáng)的樹(shù)冠截留和降水的補(bǔ)給量較少，降水資源對(duì)土壤虧缺的緩解能力大大下降，更加不能對(duì)深層次的土壤補(bǔ)充水分，從而導(dǎo)致了深層次土壤的虧缺現(xiàn)象的加重，這與郭忠升和程積民等的研究結(jié)果[21-22]一致，高宇等認(rèn)為在黃土高原不同區(qū)域，由于植物耗水量高于降水量導(dǎo)致植物消耗大量土壤儲(chǔ)水而可能出現(xiàn)土壤水分負(fù)平衡現(xiàn)象[18]，這也是產(chǎn)生土壤水分虧缺現(xiàn)象的一個(gè)重要原因。陳洪松等的研究結(jié)果也表明土壤儲(chǔ)水量出現(xiàn)負(fù)補(bǔ)償?shù)纳疃葧?huì)達(dá)到300 cm左右[23]，王力等的研究結(jié)果表明黃土高原的耗水量大于補(bǔ)充量所造成的虧缺現(xiàn)象是普遍存在的，其土壤特性和氣象因子是造成虧缺的決定因素，并不是由生物利用導(dǎo)致的[24]。

3.2 土壤特性對(duì)土壤水分特征的影響

土壤水分除了受植被類型的影響外，還受土層深度、顆粒組成、入滲和季節(jié)等的影響。Yang等的研究表明，隨著植被恢復(fù)，土壤含水量顯著降低，不同植被下土壤水分在表層差異不顯著，在深層卻顯著不同，且在土壤深層的土壤水分表現(xiàn)一定的時(shí)間穩(wěn)定性[25]，這與本研究的結(jié)果一致，本研究中，撂荒草地的土壤含水量與儲(chǔ)水量呈逐漸上升的趨勢(shì)，這可能由于隨著土層的加深，草地的根系越來(lái)越少，對(duì)水分的消耗就相應(yīng)地減少了，而沙棘、山楊和遼東櫟林的土壤含水量和儲(chǔ)水量呈先升高后下降的趨勢(shì)，而拐點(diǎn)在150 cm左右的土層深度，這可能是由于在150 cm左右深度的土層中，根系逐步變得密集，并且其入滲深度有限，不能及時(shí)地補(bǔ)充到下層土壤中，從而使下層的土壤含水量不斷下降，甚至出現(xiàn)干層。另外，本研究中的非雨季的土壤儲(chǔ)水量顯著低于雨季的土壤儲(chǔ)水量，但與撂荒草地相比，灌木林地和喬木林地在雨季的土壤水分虧缺現(xiàn)象比非雨季的明顯，表明雨季的降水資源較非雨季增多，較多的降水在一定程度上增加了土壤表層的儲(chǔ)水量，緩解了表層的虧缺狀況，但是其入滲深度不夠，加之雨季雖降水較多，其正值旺盛生長(zhǎng)期，耗水量較非雨季要多，所以其深層次的虧缺狀況并沒(méi)有明顯改善，在雨季深層次的土壤儲(chǔ)水量要低于非雨季。另外，相同土層撂荒草地的土壤含水量要高于灌木林地和喬木林地，這與Yang等的研究結(jié)果[26]一致，這可能是由于土壤黏粒含量在撂荒草地中較高，而砂粒在灌木林地和喬木林地中較高，黏粒較砂粒能吸收更多的水分[27]，這也是導(dǎo)致灌木林地和喬木林地的土壤水分虧缺高于撂荒草地的另一個(gè)原因。因此，植被類型、土壤質(zhì)地和土層深度是影響植被演替過(guò)程中土壤水分虧缺狀況的關(guān)鍵因子。

4 結(jié) 論

(1) 沙棘、山楊和遼東櫟林的土壤含水量隨土層深度的增加呈先增加后緩慢下降趨勢(shì)，撂荒草地呈不穩(wěn)定狀態(tài)，但整體隨土層深度增加一直處于上升趨勢(shì)。在雨季和非雨季，撂荒草地的土壤含水量一直都處于較高水平，其次是沙棘林，然后是山楊林，遼東櫟林的土壤含水量最低，從非雨季到雨季，草、灌和喬木林地的剖面土壤含水量的峰值逐漸上移。

(2) 與撂荒草地相比，遼東櫟林的土壤水分虧缺狀況最嚴(yán)重，且從5月份到11月份處于持續(xù)虧缺狀況，其次是山楊，最后是沙棘，另外，植被生育期內(nèi)的旺盛生長(zhǎng)期且是雨季的7月份和9月份的土壤虧缺情況較5月份和11月份嚴(yán)重，植被類型、土壤質(zhì)地和土層深度是影響植被演替過(guò)程中土壤水分虧缺狀況的關(guān)鍵因子。