黃土丘陵區(qū)檸條種植帶狀結(jié)構(gòu)對(duì)坡面土壤水分的影響

杜雨佳, 趙勇鋼, 劉小芳, 張星星, 任澤瑩, 賈佳瑜

(山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

黃土高原地區(qū)水資源匱乏、水土流失嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)極度脆弱，是我國退耕還林(草)生態(tài)工程實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域。在植被建設(shè)途徑中，通過人工林種植林草以加速植被恢復(fù)進(jìn)程已成為重要措施[1-2]。許多研究表明，人工植被恢復(fù)對(duì)于減輕水土流失、提高土壤質(zhì)量、改善生態(tài)環(huán)境起到了積極的作用[3]。其中，檸條(Caraganakorshinskii)由于其根系發(fā)達(dá)，抗逆性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的防風(fēng)固沙及保持水土的能力，是干旱半干旱地區(qū)廣泛種植的主要灌木樹種之一。但一些研究表明，人工檸條長期種植可能造成土壤水分虧缺，土層干燥化并上移下延，這反過來也限制檸條的生長[4]。張建軍等[5]研究了黃土高原不同林地對(duì)土壤水分的影響，指出人工林對(duì)土壤水分消耗較大，會(huì)形成“干化層”。郭忠升等[6]發(fā)現(xiàn)5 a生檸條林的干層厚度達(dá)到檸條利用水分的警戒線。李小芳等[7]通過EPIC模型對(duì)黃土丘陵區(qū)檸條土壤水分進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)檸條生長10 a后，根系下伸，土壤水分虧缺，水分生產(chǎn)力下降。

坡面是黃土高原地區(qū)土壤侵蝕泥沙的重要來源地，也是植被建設(shè)的主要地貌單元。坡面尺度的土壤水分受氣候、植被、土壤、地形等因素的綜合影響[8-10]。梁海斌等[9]研究了3個(gè)不同林齡檸條地土壤水分變化，得出隨林齡增加土壤水分存在顯著差異，且土壤干層范圍不斷擴(kuò)大。降水在坡面的再分配使不同坡位土壤含水量不同[11]。黃艷麗等[12]對(duì)黃土高原小流域不同坡面土壤水分進(jìn)行研究，得出坡腳土壤含水率高于坡腰，坡腰高于坡肩。董起廣等[13]對(duì)延安市黃土坡面土壤水分研究得出，隨坡位下降土壤水分含量升高，下坡位比上坡位高5.33%。此外，檸條在坡面多為等高線帶狀種植(也稱植物籬模式)，相鄰檸條帶多以荒草地間隔，構(gòu)成了灌草復(fù)合系統(tǒng)。袁久芹[14]、Fan[15]等提出帶狀種植檸條對(duì)防治水土流失有顯著效果，通過攔截地表徑流、改變土壤結(jié)構(gòu)，使植被快速適應(yīng)干旱環(huán)境，是防止土地退化，提高土壤生產(chǎn)力的理想模式。這種植被配置格局使坡面的光照、熱量、降水、徑流、土壤屬性等資源因子發(fā)生空間再分配，進(jìn)而影響土壤水分分布。如黨漢瑾等[16]通過對(duì)黃土丘陵區(qū)26 a生檸條植物籬各部位土壤水分研究，發(fā)現(xiàn)植物籬帶前和帶內(nèi)土壤含水率較高，帶后則較低。呂文強(qiáng)等[17]發(fā)現(xiàn)檸條植物籬土壤水分有效性隨距植被帶距離增大而提高。目前，種植年限、土層深度、地形等對(duì)檸條種植后土壤水分分布的影響，檸條等高線帶狀種植模式減少土壤侵蝕等，均已有較多研究。但將各影響因子與檸條的帶狀種植相結(jié)合解析坡面尺度土壤水分空間異質(zhì)性的研究還較少，且環(huán)境因子與土壤水分關(guān)系的定量表達(dá)還有待進(jìn)一步探究。因此，本研究以黃土丘陵區(qū)不同種植年限等高線帶狀種植的檸條坡地為研究對(duì)象，分析不同種植年限、坡位以及灌草部位對(duì)0—100 cm土壤水分的影響，旨在探明坡面土壤水分的空間分布情況及影響因素，以期為干旱半干旱地區(qū)植被建設(shè)和土壤水資源調(diào)控提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)固原市河川鄉(xiāng)中國科學(xué)院水土保持研究所上黃生態(tài)試驗(yàn)站(106°26′—106°30′E，35°59′—36°03′N)。海拔高度1 534～1 824 m，地貌類型屬典型黃土高原丘陵區(qū)，土壤多為黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土，土壤貧瘠，且遭受侵蝕。多年平均降水量為419.1 mm，年內(nèi)降水分配不均，7—9月降雨量可占到年降雨量的70%以上。多年平均氣溫6.9℃，屬溫帶半干旱氣候區(qū)，無霜期152 d。研究區(qū)天然植被以多年生草本為主，代表性植物有長芒草(Stipabungeana)、鐵桿蒿(Artemisiavestita)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、百里香(Thymusmongolicus)等，人工植被以檸條、山杏(Armeniacasibirica)等為主，其中人工檸條林栽植面積最大[18]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品測(cè)定

經(jīng)實(shí)地調(diào)查選擇研究區(qū)內(nèi)檸條種植15 a(2004年)，25 a(1994年)，35 a(1984年)沿坡地的樣帶各一條，并以相鄰撂荒40 a以上荒草坡地作為對(duì)照。坡面檸條種植為等高線帶狀種植模式，伴有約3°反坡臺(tái)整地，平均階面寬0.5～1 m，相鄰檸條帶間為2～3 m的自然荒草坡面。將各樣地沿坡面由上至下依次分為5個(gè)坡位(坡頂、坡肩、坡上、坡中、坡下)，坡肩距坡頂約15 m，坡肩至坡下相鄰坡位間相距40～60 m。各坡位水平設(shè)置3個(gè)10 m×10 m樣方，樣方間距約10 m且樣方內(nèi)均包含完整檸條灌草部位。分別在各樣方內(nèi)選取4個(gè)采樣點(diǎn)，為檸條帶間中點(diǎn)(距檸條莖干1～1.5 m)、檸條帶前(距檸條莖干0.5～0.8 m)、檸條帶內(nèi)(距檸條莖干0.1 m)、檸條帶后(距檸條莖干0.5～0.8 m)。采樣點(diǎn)示意圖見圖1。同時(shí)測(cè)量樣方內(nèi)每株檸條高度，進(jìn)行植被調(diào)查并收集地上鮮生物量和干生物量，測(cè)定每個(gè)樣點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向等環(huán)境因子[19](表1)。

圖1 采樣點(diǎn)位示意圖

于2019年7月29日—31日進(jìn)行土壤樣品采集，取樣前7 d和取樣期間采樣區(qū)并無降雨發(fā)生。各采樣點(diǎn)取樣深度均為100 cm，用土鉆按照0—10，10—20，20—30，30—40，40—60，60—80，80—100 cm分7層取土，各土層重復(fù)3次取樣，采得土壤樣品裝入鋁盒密封。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，采用烘干法[20]測(cè)定土壤含水量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析，利用單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)不同種植年限、坡位及灌草部位下的土壤含水量差異，并用最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行多重比較，顯著性水平為0.05。采用OriginPro 9.0軟件進(jìn)行圖形繪制。用冗余分析(RDA)分析環(huán)境因子對(duì)土壤含水量的影響，用CANOCO 5.0軟件完成。

表1 樣地基本情況

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量基本統(tǒng)計(jì)特征

隨著檸條種植年限的增加，土壤含水量平均值逐漸降低，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，變異性逐漸變小(表2)。25 a和35 a檸條地土壤含水量顯著低于15 a檸條地和荒草地(p<0.05)。從坡位看，土壤含水量表現(xiàn)為坡頂最高，坡中和坡下次之，坡上顯著低于其他坡位(p<0.05)；坡肩的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均為最高。從灌草部位看，土壤含水量平均值表現(xiàn)為帶間、帶前和帶內(nèi)無顯著差異(p>0.05)，但均顯著高于帶后(p<0.05)，帶后的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均最高，帶前則最低。不同種植年限、坡位和空間位置的變異系數(shù)均為中等變異(10%≤CV≤100%)。

2.2 不同種植年限檸條坡地土壤水分分布

不同年限人工檸條地坡面土壤水分分布特征如圖2所示。整體而言，各樣地土壤含水量均隨土層深度的增加而降低，且0—40 cm土層變化較為明顯，40—100 cm土層含水量基本趨于穩(wěn)定。土壤含水量隨種植年限的增加逐漸降低，且荒草地和檸條15 a的0—40 cm土層含水量顯著高于檸條25 a和檸條35 a。各土層含水量均為坡頂最高，坡下、坡中次之，坡肩、坡上最低。且?guī)?nèi)各土層含水量普遍最高，帶后普遍最低。

表2 土壤含水量基本統(tǒng)計(jì)特征

種植年限、坡位對(duì)土壤含水量有顯著影響(圖3)。土壤含水量在各坡位均表現(xiàn)出隨種植年限的增長而降低的趨勢(shì)；荒草地和檸條種植15 a樣地在坡頂、坡中和坡下無顯著差異(p>0.05)，但在坡肩和坡上有顯著差異(p<0.05)，且在各坡位均顯著高于檸條種植25 a和35 a樣地；檸條種植25 a和35 a樣地與荒草地和檸條種植15 a樣地呈相反規(guī)律。同一樣地不同坡位土壤含水量表現(xiàn)為荒草地為坡下最高，坡頂、坡肩次之，坡中最低。其他樣地均為坡頂最高，坡中、坡下次之，坡肩、坡上最低。

注：橫軸編號(hào)1表示帶間，2表示帶前，3表示帶內(nèi)，4表示帶后。

注：不同大寫字母表示同一樣地不同坡位差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示同一坡位不同樣地差異顯著(p<0.05)，相同字母表示無顯著差異。

不同種植年限檸條條帶結(jié)構(gòu)對(duì)土壤水分影響如圖4所示。種植15 a樣地帶內(nèi)水分最高，帶后最低；種植25 a樣地各位置無顯著差異；種植35 a樣地帶后顯著低于其他位置。各位置含水量均隨種植年限增加而減少，各樣地帶間、帶前和帶內(nèi)差異不顯著，但均顯著高于帶后(p<0.05)。

注：不同大寫字母表示同一樣地不同灌草部位間差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示同一灌草部位不同樣地間差異顯著(p<0.05)。

灌草部位對(duì)土壤含水量空間分布的影響見圖5。從檸條條帶各灌草部位的坡位差異看，各年限樣地的灌草部位均表現(xiàn)為坡頂最高，坡肩、坡上最低，其中種植15 a樣地(圖5A)和種植25 a樣地(圖5B)各部位的坡位差異顯著(p<0.05)，35 a樣地(圖5C)僅在帶內(nèi)和帶后位置坡位差異顯著(p<0.05)。從檸條條帶各坡位的灌草部位差異看，各年限樣地均表現(xiàn)為坡頂、坡肩各部位差異不顯著，坡上、坡中、坡下均表現(xiàn)為帶后顯著低于其他部位(p<0.05)。

注：不同大寫字母表示同一灌草部位不同坡位差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示同一坡位不同灌草部位差異顯著(p<0.05)，相同字母代表無顯著差異。

2.3 土壤含水量影響因子

以RDA排序圖表示各環(huán)境因子對(duì)土壤含水量的影響程度(圖6)。通過對(duì)檸條種植年限、海拔、坡度、坡位、灌草部位5個(gè)環(huán)境因子和土壤含水量進(jìn)行冗余分析，檸條種植年限對(duì)土壤含水量影響程度最大，海拔和坡度的影響程度次之，坡位和灌草部位的影響程度最小。此外，海拔與土壤含水量呈正相關(guān)，且相關(guān)性隨土層增加而減小。年限、灌草部位與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性隨土層增加而減小。坡度與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)，坡位對(duì)0—30 cm土層土壤含水量有負(fù)向相關(guān)性，30—100 cm 土層土壤含水量有正向相關(guān)性，但影響較小。變異分割分析(Variation Partitioning Analyses,VPA)檢測(cè)結(jié)果顯示，年限、海拔、坡度對(duì)土壤含水量的解釋量分別為4.8%，3.6%，2.3%，坡位為0.3%，而灌草部位對(duì)其的解釋量不足0.1%，各環(huán)境因子的交互作用對(duì)土壤含水量變異的綜合效應(yīng)的解釋量為65.2%。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，隨著檸條種植年限的增加(尤其在15 a后)，土壤含水量及其變異性均逐漸減少，說明檸條種植15 a后對(duì)0—100 cm土層含水量整體消耗增加。這與已有的研究結(jié)果相似，李小芳等[7]通過對(duì)黃土丘陵區(qū)檸條土壤水分研究發(fā)現(xiàn)檸條生長10 a后，隨其根系的下伸，土壤水分虧缺加劇，水分生產(chǎn)力下降。自然生長的草本植物根系分布較淺且水分利用程度小，與自然恢復(fù)的撂荒草地相比，人工植被根系較草本植物分布深，隨種植年限增長，根系越為發(fā)達(dá)，耗水能力增強(qiáng)導(dǎo)致土壤水分逐漸減少。植被恢復(fù)過程中高耗水人工植被的引入會(huì)改變土壤水分空間結(jié)構(gòu)，降低其空間異質(zhì)性[21-22]。邵明安等[23]對(duì)黃土高原人工檸條林的根系分布研究也表明，大部分根系主要分布在地表0—150 cm 土層范圍內(nèi)，毛根主要分布在0—20 cm 土層范圍內(nèi)。畢建琦等[24]指出0—60 cm土層集中了60%的根系生物量，與本研究結(jié)果相似。

注：實(shí)心箭頭代表土層，空心箭頭代表影響因子；EL(Elevation)表示海拔，SG(Slope gradient)表示坡度，SA(Stand age)表示檸條種植年限，SP(Slope position)表示坡位，P(Position)表示灌草部位。

坡面不同坡位的土壤含水量差異也是土壤水分空間異質(zhì)性的重要部分。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量表現(xiàn)為坡頂最高，坡中和坡下次之，坡上顯著低于其他坡位，這一結(jié)果與前人研究結(jié)果并不完全一致。蘇子龍[25]和葛翠萍[26]等的研究表明，黑土區(qū)坡面土壤含水量沿坡長增加方向呈先降低后升高的趨勢(shì)，且坡中含水量最低，坡腳含水量最高。而在其他地區(qū)，單一土地利用結(jié)構(gòu)坡面土壤水分隨坡長增加而增加[27-29]。本研究坡頂水分含量最高，可能由于坡頂?shù)貏?shì)較為平緩，降水入滲量較大。但坡肩、坡上、坡中含水量均低于坡下是相似的，主要由于重力作用使水分向低處坡下匯集，加之高坡位所受太陽輻射較強(qiáng)導(dǎo)致水分蒸發(fā)量大于低坡位[30]。

在本研究中，無論在各樣地還是不同坡位，灌草部位對(duì)土壤水分分布產(chǎn)生了顯著影響，帶后位置的土壤水分含量均為最低。黨漢瑾等[16]研究表明，降雨后檸條植物籬100 cm土層內(nèi)水分含量整體為帶內(nèi)>帶前>帶間>帶后，水分向帶內(nèi)匯聚的趨勢(shì)明顯。呂文強(qiáng)等[17]研究表明，檸條植物籬系統(tǒng)只有帶間土壤水分不虧缺，帶后、帶前、帶內(nèi)均為虧缺。本研究也顯示，檸條條帶各空間位置顯著差異主要出現(xiàn)在坡上、坡中、坡下，各空間位置含水量均為0—40 cm土層變化范圍較大且?guī)чg較其他位置偏高，40—100 cm基本趨于穩(wěn)定且?guī)?nèi)較其他位置偏高。各樣地、各坡位、各土層帶后位置水分均虧缺，且檸條種植35 a樣地0—40 cm土層虧缺嚴(yán)重，坡肩、坡下虧缺嚴(yán)重。有研究認(rèn)為，隨土層增加，地形因子對(duì)土壤水分作用減小[31]，因此40—100 cm水分含量基本趨于穩(wěn)定。土壤淺層含水量主要為降水補(bǔ)給，由于樣品采集坡面檸條種植為反坡臺(tái)地形，可蓄積水分，且檸條根系分布較深，自身對(duì)降水及地表徑流有一定攔蓄作用，故40—100 cm帶內(nèi)較其他位置偏高?？赡苡捎跈帡l根系沿坡面向下伸長，根系耗水能力較強(qiáng)，且由于檸條攔蓄作用，水分未能及時(shí)補(bǔ)給，使帶后土壤水分含量降低。

環(huán)境因子對(duì)坡面土壤水分的影響較復(fù)雜，各因素間通常具有一定的關(guān)系[32]。已有研究表明，土壤水分的空間異質(zhì)性是坡地尺度(海拔[33]和坡位[34])、立地尺度(坡度[35])、土地利用[32]等環(huán)境因子共同作用的結(jié)果[36]。本研究通過對(duì)檸條種植年限、海拔、坡度、坡位、灌草部位5個(gè)環(huán)境因子和土壤含水量進(jìn)行冗余分析，發(fā)現(xiàn)種植年限、海拔、坡度對(duì)土壤含水量的影響程度較大，這與已有研究相似[34]，而灌草部位對(duì)其的影響程度最小，究其原因，可能在于其與其他環(huán)境因子相比尺度過小，掩蓋了其差異性。此外，相鄰檸條帶間距也可能影響土壤含水量。許德生[37]在對(duì)內(nèi)蒙古陰山北麓5，10，16 m帶間距檸條林土壤水分的研究中表明，檸條帶間距對(duì)土壤含水量垂直(土層)方向和水平(距檸條帶)方向均有顯著影響，其變化與檸條的根系質(zhì)量分布有關(guān)，認(rèn)為10 m帶間距更有利于檸條的生長。由于本研究樣地相鄰檸條帶間距較為統(tǒng)一(2～3 m)，對(duì)土壤含水量的影響可能主要與檸條根系分布和耗水有關(guān)。但關(guān)于不同檸條帶間距是否對(duì)灌草部位土壤水分分布產(chǎn)生影響，以及坡面檸條種植相關(guān)的適宜帶間距等問題在未來工作中可以進(jìn)一步研究。

本研究測(cè)定的土層深度為0—100 cm，該深度土壤水分變化既有檸條吸收利用水分導(dǎo)致含水量降低的負(fù)效應(yīng)，也有檸條帶攔蓄水分促進(jìn)徑流入滲的正效應(yīng)，該深度還不足以說明檸條種植導(dǎo)致土壤出現(xiàn)干層的具體特征，在檸條植物籬系統(tǒng)下深層土壤水分特征有待進(jìn)一步研究。此外，以往研究還發(fā)現(xiàn)人工植被對(duì)土壤水分的過度消耗導(dǎo)致土壤水分虧缺，是引起林地退化的原因之一[38]。因此，在半干旱黃土區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)應(yīng)充分結(jié)合立地條件考慮條帶性人工植被的選擇問題，依據(jù)土壤水分的植被承載力考慮其長期適宜區(qū)域降水量的問題，提高土壤水分入滲率，有效減少坡面土壤侵蝕，以更好地維持植被恢復(fù)的可持續(xù)性。

4 結(jié) 論

(1) 黃土丘陵區(qū)檸條種植年限>15 a后坡面土壤含水量減少了44.30%～48.42%，并且降低了0—100 cm土層間分布的異質(zhì)性。坡頂土壤含水量最高，坡中和坡下次之，坡上最低。灌草部位的帶間、帶前和帶內(nèi)土壤含水量無顯著差異(p>0.05)，但顯著高于帶后(p<0.05)。

(2) 冗余分析和變異分割分析結(jié)果表明，種植年限是坡面尺度土壤含水量的主控因素，海拔和坡度次之，坡位和灌草部位最小，各環(huán)境因子交互作用對(duì)土壤含水量變異綜合效應(yīng)的解釋量為65.2%。

(3) 檸條種植帶狀結(jié)構(gòu)對(duì)不同種植年限樣地和坡位下的空間小尺度土壤水分產(chǎn)生了明顯的影響。因此，在半干旱黃土區(qū)進(jìn)行檸條植被建設(shè)和土壤水分環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)充分考慮其種植結(jié)構(gòu)及其與坡面環(huán)境因子的耦合關(guān)系。