太行山區(qū)不同植被條件下土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征研究*

司夢(mèng)可, 曹建生, 陽(yáng) 輝, 朱春雨

太行山區(qū)不同植被條件下土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征研究*

司夢(mèng)可1,2, 曹建生1 **, 陽(yáng) 輝1, 朱春雨1

(1. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

為了解太行山區(qū)主要植被類(lèi)型的土壤水分狀況, 選取太行山區(qū)4種典型植被——小麥/玉米(農(nóng)作物)、黃背草(草本)、荊條(灌木)和核桃(喬木), 利用大型稱(chēng)重式蒸滲儀, 監(jiān)測(cè)了4種植被2018年和2019年生長(zhǎng)季(4—10月)的土壤水分、深層滲漏和蒸散發(fā)要素, 并利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了土壤含水量的變化特征。結(jié)果表明, 2018年小麥/玉米、黃背草、荊條和核桃地平均土壤含水量分別為0.30 cm3×cm-3、0.35 cm3×cm-3、0.32 cm3×cm-3和0.36 cm3×cm-3, 而2019年平均土壤含水量分別為0.28 cm3×cm-3、0.26 cm3×cm-3、0.23 cm3×cm-3和0.31 cm3×cm-3, 相比于2017年生長(zhǎng)季末(11月)土壤含水量, 2018年小麥/玉米、黃背草、荊條和核桃地土壤含水量下降幅度分別為0.05 cm3×cm-3、0.04 cm3×cm-3、0.09 cm3×cm-3和0.05 cm3×cm-3, 2019年下降幅度分別為0.07 cm3×cm-3、0.13 cm3×cm-3、0.18 cm3×cm-3和0.10 cm3×cm-3, 荊條地土壤水分的下降幅度最大, 小麥/玉米地下降幅度最小。在垂直方向上, 4種植被土壤水分變化趨勢(shì)一致, 隨著土層深度的增加土壤含水量逐漸降低, 但對(duì)土壤水分的獲取深度有所差異。土壤水分獲取深度小麥/玉米主要為45~100 cm, 黃背草和核桃主要為100~150 cm, 荊條主要為150~180 cm。形成這一結(jié)果的原因可能是根系分布的差異, 小麥/玉米和黃背草為禾本科植物, 根系分布在淺層土壤, 雖然核桃為喬木, 但其為淺根植物, 而荊條在主根周?chē)植加胸S富的側(cè)根, 且主根延伸到土層深部, 能夠獲取深層土壤水分。這表明荊條是該地區(qū)主要耗水物種, 在太行山區(qū)綠化植被的選取和生態(tài)系統(tǒng)的管理和修復(fù)中, 應(yīng)盡量減少荊條的覆蓋面積。

太行山區(qū); 蒸滲儀測(cè)量; 土壤水分; 根系分布; 植被類(lèi)型

土壤水分是陸地水資源的重要組成部分, 也是地表水文過(guò)程的重要影響因子[1-2], 在干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)、群落演替過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[3]。受物種種類(lèi)、生長(zhǎng)模式和環(huán)境條件的影響, 植物對(duì)水資源獲取具有高度時(shí)空變異性[4-9]。受水資源空間分布特征變化的影響, 土壤水分正逐漸成為植被唯一可利用的有效水資源[10], 了解植被對(duì)土壤水分的獲取模式對(duì)植被的配置與生態(tài)系統(tǒng)的管理和修復(fù)具有重要意義。

降雨是土壤水分的主要來(lái)源。受氣候條件的影響, 在干旱與半干旱地區(qū)降雨時(shí)空分布不均勻, 具有較高的變異性[11-12]。因此在高強(qiáng)度降雨變異模式下, 植物能夠根據(jù)土壤水分狀況調(diào)整水分利用策略對(duì)于變化環(huán)境中的生存是極其重要的[13-14]。一個(gè)健康的植物-土壤系統(tǒng)要求植物對(duì)水分的利用不超過(guò)土壤水分的供應(yīng), 否則會(huì)導(dǎo)致土壤水分的虧缺[15]。多種研究已經(jīng)證明, 植被耗水狀況在不同物種和不同季節(jié)間有所差異[16-19]。草本和禾本科植物在生長(zhǎng)季更傾向于利用淺層土壤水分[1,20-21], 相比較而言, 喬木和灌木類(lèi)植物在生長(zhǎng)季更多地利用深層土壤水分[22-23]。在干旱季節(jié), 植物主要應(yīng)用深層土壤水分, 在濕潤(rùn)季節(jié), 植被水分獲取來(lái)源主要位于淺土層[1,24]。植被在干濕季節(jié)對(duì)水分獲取來(lái)源的轉(zhuǎn)變反映了其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力, 這對(duì)該植被在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生長(zhǎng)與分布具有重要意義。

太行山是華北平原重要的水源補(bǔ)給區(qū)、京津冀地區(qū)重要的生態(tài)屏障和國(guó)家京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的水源涵養(yǎng)功能區(qū)。長(zhǎng)期以來(lái)由于亂砍亂伐、陡坡開(kāi)荒和過(guò)度放牧, 導(dǎo)致該地區(qū)水土流失嚴(yán)重[25]。為了恢復(fù)退化的生態(tài)系統(tǒng), 自1986年我國(guó)實(shí)施太行山綠化工程以來(lái), 通過(guò)封山育林、人工造林和飛播造林等措施增加森林覆蓋面積, 但由于植被恢復(fù)在很大程度上取決于土壤水分的時(shí)空分布狀態(tài)[26-27], 不適宜的造林方式會(huì)導(dǎo)致土壤水分條件惡化, 加劇土壤水分虧缺狀況[28-29]。因此確認(rèn)不同植被的水分獲取模式是實(shí)施區(qū)域植被恢復(fù)的關(guān)鍵。

確認(rèn)植物對(duì)土壤水分獲取模式的方法有很多, 包括根系系統(tǒng)挖掘、樹(shù)干液流技術(shù)、同位素示蹤技術(shù)等[30-32], 這些方法都能夠在一定程度上確認(rèn)植被對(duì)土壤水分的獲取模式, 但在本研究中, 我們利用大型稱(chēng)重式蒸滲儀, 基于水量平衡原理對(duì)水文過(guò)程中各要素包括降雨、土壤水分、深層滲漏以及植被蒸散發(fā)過(guò)程進(jìn)行連續(xù)觀測(cè), 更全面地探究植被對(duì)水資源的獲取狀況。盡管之前已對(duì)不同植被在不同季節(jié)的土壤水分變化特征進(jìn)行了研究, 但這些研究一方面采樣的土層較淺, 另一方面觀測(cè)植被大多集中于單一類(lèi)型植被如喬木、灌木或者草本, 缺乏對(duì)不同類(lèi)型之間土壤水分變化的研究。本研究選取太行山區(qū)4種典型植被類(lèi)型——小麥()/玉米()(作物)、黃背草(, 草本)、荊條(, 灌木)和核桃(, 喬木), 利用大型稱(chēng)重式蒸滲儀, 對(duì)0~200 cm土層深度土壤水分進(jìn)行連續(xù)兩年(2018—2019年)定位觀測(cè), 分析了不同季節(jié)、不同土層深度上土壤水分的變化過(guò)程。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在中國(guó)科學(xué)院太行山山地生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行(114°15′50″E, 37°52′44″N), 試驗(yàn)站所處小流域海拔高度在350 m左右, 屬于低山丘陵區(qū), 坡度10°~45°, 受半干旱大陸性季風(fēng)型氣候影響, 多年平均降雨量和多年平均氣溫分別為560 mm和13 ℃, 多年平均蒸發(fā)量為1 600 mm[33], 80%的降雨集中在6—8月份, 降雨量年際變化較大。對(duì)于大多數(shù)植物來(lái)說(shuō), 生長(zhǎng)季在4月初開(kāi)始, 10月初結(jié)束。春季和夏季初期降雨量較少, 更易遭受干旱。研究區(qū)土壤主要為由花崗片麻巖成土母質(zhì)發(fā)育而成的山地褐土, 土層薄, 有機(jī)質(zhì)含量低。太行山區(qū)歷史上為以油松()()為主的森林生態(tài)系統(tǒng)[25]。受人類(lèi)活動(dòng)干擾, 植被退化嚴(yán)重, 現(xiàn)為以喬灌草為主的農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。植被類(lèi)型主要為次生低矮喬木刺槐(), 灌木荊條和酸棗(var.), 草本有黃背草和白羊草(), 人工經(jīng)濟(jì)林有核桃、石榴(), 作物主要為小麥和玉米[34]。

研究區(qū)2018年和2019年降雨量分別為381.81 mm和395.48 mm, 較多年平均降雨量(1987—2019年)低26.53%和23.90%, 屬于降雨量較少年份; 相較于2017年降雨量分別減少22.30%和19.62%。生長(zhǎng)季內(nèi)降雨量分別為373.38 mm和382.28 mm, 占全年降雨量的97.87%和96.66%。2018年和2019年最大月降雨量分別為163.83 mm (8月)和100.07 mm (8月), 占生長(zhǎng)季降雨量的43.88%和26.18%。2018年和2019年降雨量年內(nèi)分布狀況與多年平均降雨量有所差異(圖1), 2018年降雨量較為集中, 表現(xiàn)為8月份降雨量的第1峰值和4、5月份降雨量的第2峰值; 2019年降雨量分布較為均勻, 4月、7月、8月和10月降雨量均相對(duì)較多。2018年和2019年月平均氣溫相似且變化趨勢(shì)一致。

圖1 多年平均降雨(1987—2019年)及2018年和2019年月降雨與氣溫分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置

本研究所用設(shè)備為大型稱(chēng)重式蒸滲儀(LYSI-DS, 北京時(shí)域科技有限公司), 每臺(tái)蒸滲儀蒸發(fā)面積為2 m′2 m, 土柱深度為2.3 m (包括2.0 m土層和0.3 m滲漏層)。在土體5 cm、15 cm、45 cm、100 cm、150 cm和180 cm處安裝土壤水分傳感器(CS610, 北京天諾基業(yè)科技有限公司), 測(cè)量精度為±2.5%(干土)和0.6%(飽和土), 觀測(cè)期為2018—2019年。蒸滲儀內(nèi)的土壤為均質(zhì)回填土壤, 沙粒(2~0.02 mm)、粉粒(0.02~0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)所占比例分別為56.00%±0.2%、42.28%±1.5%和1.72%±2.3%, 土壤容重為(1.33±0.07) g×cm-3, 飽和導(dǎo)水率和田間持水量分別為(53.21±3.12) cm×d-1和41.76%±2.78%, 地下滲流由翻斗式流量計(jì)測(cè)得, 每斗為5 mL, 測(cè)量間隔為1 h, 滲漏量為1 h內(nèi)數(shù)據(jù)。研究區(qū)東側(cè)20 m處建有標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)(AR5 Automatic Weather Station, Avolon Scientific, USA), 能夠?qū)ρ芯繀^(qū)降雨量和溫度等氣象要素進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

稱(chēng)重式蒸滲儀共4臺(tái), 于2017年10月選擇生長(zhǎng)狀況良好的黃背草、荊條和核桃?guī)г瓲钔烈浦踩胝魸B儀內(nèi), 小麥/玉米的種植與大田同步, 荊條和黃背草觀測(cè)期間無(wú)人工管理, 小麥/玉米除在播種和收獲期外, 其余時(shí)間無(wú)人工管理, 核桃種植區(qū)除進(jìn)行雜草清理外, 無(wú)其余人工管理。4種植被類(lèi)型生長(zhǎng)狀況如表1所示:

為避免移植初期土壤理化性質(zhì)和植被生長(zhǎng)狀況對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響, 本研究所用數(shù)據(jù)為2018年和2019年生長(zhǎng)季(4—10月)內(nèi)數(shù)據(jù), 土壤含水量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)均于每月月底采集, 土壤水分為1 h內(nèi)平均值, 降雨量數(shù)據(jù)為1 h內(nèi)累計(jì)值。

表1 蒸滲儀內(nèi)植被生長(zhǎng)狀況

1.2.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.2.3.1 土壤儲(chǔ)水量

土壤儲(chǔ)水量(SWS, mm)為一定厚度土壤中所含的水量。土壤儲(chǔ)水量與降雨、土壤蒸發(fā)和植被蒸騰等因素有關(guān), 是影響植被生長(zhǎng)的主要因素, 分析不同植被條件下土壤儲(chǔ)水量對(duì)于太行山區(qū)植被恢復(fù)具有重要意義, 其計(jì)算公式為[35]:

式中:θ為第層(共層)土壤的體積含水率(cm3×cm-3),h為第層土壤的厚度(mm)。

1.2.3.2 土壤水分虧缺度

土壤水分虧缺度(, %)表示土壤水分對(duì)植被生長(zhǎng)的虧缺程度, 當(dāng)土壤水分虧缺度較大時(shí), 會(huì)使生物產(chǎn)量下降, 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致生物死亡。土壤水分虧缺度計(jì)算公式為[36]:

式中:a為水分虧缺量, mm;為田間持水量, mm。>0表示水分虧缺,<0表示水分虧缺得到改善。

本研究使用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理, 利用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 圖形繪制使用Origin 8.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類(lèi)型土壤含水量變化

由表2可知, 2018—2019年, 各植被類(lèi)型土壤含水量均有所降低, 2018年4種植被類(lèi)型土壤含水量核桃>黃背草>荊條>小麥/玉米, 2019年土壤含水量則為核桃>小麥/玉米>黃背草>荊條。

表2 2018年和2019年研究區(qū)不同植被類(lèi)型0~200 cm土層年平均土壤含水量

由表3可知, 在小麥/玉米種植區(qū), 5 cm和15 cm深度上土壤含水量?jī)赡觊g無(wú)變化, 在45 cm、100 cm、150 cm和180 cm土層深度上土壤含水量2019年比2018年分別下降0.03 cm3×cm–3、0.03 cm3×cm–3、0.02 cm3×cm–3和0.02 cm3×cm–3, 與其他土層深度相比, 45 cm和100 cm深度上土壤含水量降低較多; 在黃背草種植區(qū), 6個(gè)深度上土壤含水量2019年比2018年均有所下降, 其中以100 cm和150 cm深度上土壤含水量下降幅度最大, 分別為0.13 cm3×cm–3和0.12 cm3×cm–3; 在荊條種植區(qū), 5 cm和15 cm深度土壤含水量2019年比2018年分別上升0.01 cm3×cm–3和0.02 cm3×cm–3, 150 cm和180 cm深度上土壤含水量較其他深度下降幅度更大, 分別為0.09 cm3×cm–3和0.10 cm3×cm-3, 在核桃種植區(qū), 除5 cm深度外, 其他各深度土壤含水量均有所降低, 其中以100 cm和150 cm深度上土壤含水量下降幅度最大, 分別為0.07 cm3×cm–3和0.08 cm3×cm–3。綜上可知, 從2018年到2019年, 黃背草種植區(qū)土壤含水量下降幅度最大, 作物種植區(qū)下降幅度最小。在不同植被類(lèi)型下, 土壤含水量最大下降幅度所處土壤深度也有所差異, 在作物種植區(qū), 為45~100 cm, 在黃背草和核桃種植區(qū), 為100~150 cm, 在荊條種植區(qū), 為150~180 cm。

表3 2018和2019年4種植被類(lèi)型各土層深度土壤含水量變化

由圖2可知, 2018年和2019年各植被類(lèi)型土壤含水量變化趨勢(shì)較為一致。在5 cm和15 cm深度上, 土壤含水量受降雨-入滲和蒸散發(fā)影響波動(dòng)劇烈; 在45 cm深度上, 僅在遭遇強(qiáng)降雨后土壤含水量會(huì)明顯上升(例如: 2018年8月8日, 日降雨量47.75 mm; 2019年8月4日, 日降雨量72.64 mm); 在100 cm深度上, 除荊條外, 其余3種植被類(lèi)型在遭遇連續(xù)強(qiáng)降雨時(shí)(2019年8月4—9日, 總降雨量91.95 mm), 土壤含水量均有所上升, 但土壤含水量上升趨勢(shì)有所差異, 在降雨前, 小麥/玉米、黃背草和核桃100 cm土層深度土壤含水量分別為0.38 cm3×cm–3、0.22 cm3×cm–3和0.25 cm3×cm–3, 降雨后3種植被土壤含水量上升幅度分別為0.04 cm3×cm–3、0.01 cm3×cm–3和0.10 cm3×cm-3, 分別在降雨開(kāi)始后11 h、69 h和35 h土壤含水量開(kāi)始上升。由此可知, 小麥/玉米種植區(qū)的入滲速率最快, 核桃種植區(qū)土壤含水量上升幅度最大。形成這一結(jié)果的原因可能是小麥/玉米種植區(qū)在耕作作用下, 土壤孔隙度更多, 土壤疏松, 有利于水分下滲; 在核桃種植區(qū), 由于植被蓋度相比其他植被小, 冠層對(duì)降雨的截留作用更小, 因此有更多的降雨轉(zhuǎn)化為了土壤水分; 在荊條種植區(qū), 降雨前土壤含水量為0.25 cm3×cm–3, 較黃背草種植區(qū)土壤含水量高, 但該土層深度降雨后土壤含水量無(wú)上升, 出現(xiàn)這種情況的原因是荊條種植區(qū)上層土壤含水量較低, 在5 cm、15 cm和45 cm土層深度上土壤含水量均為0.23 cm3×cm–3。由上可知, 某一土層深度土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)過(guò)程受該土層深度含水量和其上層土壤含水量的影響。在150 cm和180 cm土層深度上, 僅在作物種植區(qū)遭遇強(qiáng)降雨時(shí)土壤含水量有所上升, 其他3種植被類(lèi)型種植區(qū)土壤含水量基本保持不變, 形成這一結(jié)果的原因可能是淺層土壤含水量的差異, 在2019年8月3日, 4種植被類(lèi)型中, 5 cm土層深度上作物種植區(qū)土壤含水量為0.28 cm3×cm–3, 明顯高于其他3種植被, 而在15 cm、45 cm和100 cm土層深度上, 土壤含水量分別為0.25 cm3×cm–3、0.29 cm3×cm–3和0.39 cm3×cm–3, 高于黃背草和荊條種植區(qū), 雖在15 cm和45 cm土層深度上較核桃種植區(qū)土壤含水量略低, 但是在100 cm土層深度上明顯高于核桃種植區(qū)。由此可知, 表層土壤含水量對(duì)于降雨入滲過(guò)程具有重要影響。

圖2 2018年和2019年生長(zhǎng)季(4—10月)不同植被覆蓋條件下土壤含水量季節(jié)變化

2.2 不同植被類(lèi)型土壤儲(chǔ)水量狀況

由圖3可知, 2018年生長(zhǎng)季4種植被類(lèi)型土壤儲(chǔ)水量整體呈下降趨勢(shì), 在黃背草、荊條和核桃種植區(qū), 4—7月土壤儲(chǔ)水量迅速下降, 8月受降雨量補(bǔ)充, 土壤儲(chǔ)水量有所上升, 9、10月, 由于降雨量較少和植被對(duì)土壤水分的消耗, 土壤儲(chǔ)水量呈下降趨勢(shì), 其中, 黃背草種植區(qū)和核桃種植區(qū)月土壤儲(chǔ)水量相近且變化趨勢(shì)一致, 而荊條種植區(qū), 4—6月與黃背草和核桃土壤儲(chǔ)水量相近, 6月之后土壤儲(chǔ)水量下降幅度增加, 表明此時(shí)荊條比黃背草和核桃蒸散發(fā)作用強(qiáng)烈, 對(duì)土壤水分消耗量增大。在小麥/玉米種植區(qū), 4—6月土壤儲(chǔ)水量呈下降趨勢(shì), 6—8月土壤儲(chǔ)水量有所上升, 但上升幅度較小, 8—9月土壤儲(chǔ)水量基本保持不變, 9—10月土壤儲(chǔ)水量有明顯下降趨勢(shì)。與其他植被類(lèi)型相比, 小麥/玉米種植區(qū)6—7月土壤儲(chǔ)水量上升的原因可能是小麥在6月進(jìn)行收割, 6—7月無(wú)植被對(duì)土壤水分的消耗, 降雨除用于淺層土壤蒸發(fā)作用外, 其余均轉(zhuǎn)化為土壤水分, 因此土壤儲(chǔ)水量有所上升, 9—10月是玉米生長(zhǎng)旺盛時(shí)期, 蒸散發(fā)作用強(qiáng)烈, 對(duì)水分的消耗量大, 因此土壤儲(chǔ)水量呈明顯下降趨勢(shì)。2019年生長(zhǎng)季, 4種植被類(lèi)型土壤儲(chǔ)水量整體均無(wú)明顯下降趨勢(shì), 但各月土壤儲(chǔ)水量由于降雨分布狀況及不同植被類(lèi)型下蒸散發(fā)作用的差異而有所不同。小麥/玉米種植區(qū), 除6—7月土壤儲(chǔ)水量有輕微上升外, 其他月份土壤儲(chǔ)水量基本保持穩(wěn)定; 在黃背草種植區(qū), 4—8月土壤儲(chǔ)水量呈持續(xù)下降趨勢(shì), 8—10月受降雨的補(bǔ)充作用土壤儲(chǔ)水量有所上升; 在荊條種植區(qū), 除5—6月和7—9月土壤儲(chǔ)水量變化較為明顯外, 其他月份土壤儲(chǔ)水量基本保持穩(wěn)定; 在核桃種植區(qū), 4—6月土壤儲(chǔ)水量呈迅速下降趨勢(shì), 6—8月由于降雨補(bǔ)充, 土壤儲(chǔ)水量快速回升并保持在較高水平。

圖3 2018年和2019年生長(zhǎng)季不同植被類(lèi)型0~180 cm土層土壤儲(chǔ)水量變化

2.3 不同植被類(lèi)型土壤水分虧缺狀況

已有研究表明, 在0~60 cm土層為荊條根系主要分布區(qū)[37]; 冬小麥根長(zhǎng)密度和根質(zhì)量密度在0~50 cm土層內(nèi)分別占57.7%和66.7%[38]; 0~60 cm土層為玉米根系生長(zhǎng)活躍區(qū)[39], 多年生(5—8年)核桃根系主要分布在10~60 cm土層內(nèi)[40]; 對(duì)試驗(yàn)站內(nèi)自然生長(zhǎng)狀態(tài)下黃背草根系進(jìn)行挖掘, 發(fā)現(xiàn)根系主要分布在0~60 cm土層范圍內(nèi)?；谝延醒芯? 本研究將整個(gè)研究土層剖面分為0~72.5 cm的根系主要分布區(qū)和72.5~200 cm深度的根系次要分布區(qū)。如圖4所示, 2018年4—7月, 0~72.5 cm土層深度黃背草、荊條和核桃覆蓋條件下土壤水分虧缺度呈上升趨勢(shì); 小麥覆蓋條件下土壤水分虧缺度呈先上升后下降趨勢(shì), 在6月份土壤水分虧缺度達(dá)到最大值。8月份, 各植被覆蓋條件下土壤水分虧缺度均迅速降低, 在9月和10月又迅速上升。在72.5~100 cm土層深度上, 4臺(tái)蒸滲儀內(nèi)土壤水分虧缺狀況均呈連續(xù)上升趨勢(shì), 其中作物覆蓋條件下土壤水分虧缺度增長(zhǎng)量較小, 荊條覆蓋條件下土壤水分虧缺度增長(zhǎng)量最大?？傮w來(lái)說(shuō)各植被覆蓋條件下土壤水分虧缺關(guān)系為: 小麥/玉米>荊條>黃背草>核桃。2019年4—7月, 在0~72.5 cm土層深度小麥/玉米、黃背草和荊條覆蓋條件下土壤水分虧缺狀況保持穩(wěn)定, 而核桃覆蓋條件下土壤水分虧缺度呈上升趨勢(shì); 8月, 土壤水分虧缺度與2018年變化趨勢(shì)一致, 但9月和10月, 小麥/玉米、黃背草和荊條覆蓋條件下土壤水分虧缺度呈先上升后下降趨勢(shì), 而核桃覆蓋條件下土壤水分虧缺度呈連續(xù)上升趨勢(shì)。在72.5~200 cm土層深度上, 4臺(tái)蒸滲儀內(nèi)土壤水分虧缺狀況各不相同, 在小麥/玉米覆蓋條件下, 土壤水分虧缺度在4—7月和9—10月保持穩(wěn)定, 但在8月土壤水分虧缺度迅速下降至接近于0; 在黃背草覆蓋條件下, 從4—10月, 土壤水分虧缺度呈逐漸上升趨勢(shì); 在荊條覆蓋條件下, 土壤水分虧缺度始終保持穩(wěn)定狀況; 在核桃覆蓋條件下, 土壤水分虧缺度呈單峰曲線(xiàn), 并在7月達(dá)到峰值。總體來(lái)說(shuō), 4臺(tái)蒸滲儀內(nèi)土壤水分庫(kù)虧缺度大小關(guān)系可表示為荊條>黃背草>小麥/玉米>核桃。

圖4 2018年和2019年生長(zhǎng)季不同植被類(lèi)型0~72.5 cm和72.5~200 cm土層土壤水分虧缺度

3 討論

3.1 植被對(duì)土壤水分變化特征的影響

除氣象因素外, 植被自身的屬性是影響土壤水分變化的重要因素[41]。根系吸水是土壤水分消耗的主要途徑, 這在許多研究中已得到證實(shí)[42-45]。本研究中, 2018年和2019年生長(zhǎng)季降雨總量基本一致(圖1), 但兩個(gè)生長(zhǎng)季植被蒸散發(fā)量相差較大(圖5), 由于蒸散發(fā)量的差異, 在2019年生長(zhǎng)季末, 不同植被覆蓋條件下土壤水分虧缺狀況差異明顯(圖4), 整體表現(xiàn)為核桃覆蓋條件下土壤水分虧缺度最小, 這與前人研究結(jié)果一致[46]。但荊條覆蓋條件下土壤水分虧缺狀況最嚴(yán)峻, 這與前人研究有所差異[47-48], 在徐學(xué)華等[48]和孫吉定等[47]的研究中, 與其他群落相比, 荊條群落土壤含水量更高, 相比于草地具有更強(qiáng)的水源涵養(yǎng)功能, 荊條根系對(duì)土壤水分的獲取方式可能是形成差異性結(jié)果的原因, 在自然條件下, 太行山區(qū)土層薄弱, 風(fēng)化巖體層發(fā)育, 這種巖土二元結(jié)構(gòu)的土壤持水能力差, 因此土壤含水量較低, 而荊條根系具有較強(qiáng)的生態(tài)可塑性[8], 當(dāng)土壤含水量豐富時(shí), 荊條根系可以從周?chē)h(huán)境中獲取大量水分供給自身生長(zhǎng)發(fā)育, 當(dāng)土壤含水量匱乏時(shí), 荊條根系則從土壤中吸收較少水分維持生長(zhǎng)存活, 在本研究中也可得出相似結(jié)論。

3.2 改善太行山區(qū)土壤水分狀況的措施

通過(guò)分析2018年和2019年太行山區(qū)典型小流域內(nèi)不同植被條件下土壤水分狀況可知, 蒸散發(fā)量過(guò)高是導(dǎo)致該地區(qū)土壤水分虧缺的主要原因, 為了降低該區(qū)域的蒸散發(fā)量, 我們提出了對(duì)荊條灌叢管理利用來(lái)緩解該地區(qū)土壤水分虧缺狀況的措施。

荊條是太行山區(qū)分布最為廣泛的植被類(lèi)型, 在未開(kāi)墾的荒坡均為單一的荊條灌叢群落, 形成這一分布方式的原因是由荊條自身特性決定的, 荊條灌叢根系分布較深, 在淺層土壤水有限的情況下, 可以通過(guò)根系利用深層土壤水分; 荊條灌叢生命力旺盛, 在生長(zhǎng)季蒸散發(fā)量較大, 由研究結(jié)果可知, 荊條灌叢的土壤儲(chǔ)水量在4種植被中最低, 表明對(duì)水分的消耗嚴(yán)重, 如果不對(duì)荊條灌叢加以管理和利用, 不僅會(huì)加劇該地的土壤水分虧缺狀況, 也阻礙了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)修復(fù)進(jìn)程, 基于此, 我們提出了一種對(duì)荊條灌叢管理與利用的方法(圖6)以改善太行山區(qū)土壤水分虧缺狀況。

圖5 2018年和2019年生長(zhǎng)季不同植被類(lèi)型蒸散發(fā)量分布狀況

利用荊條灌叢改善土石山區(qū)水分虧缺狀況的措施, 共分為3部分。首先, 在雨季過(guò)后對(duì)荊條灌叢進(jìn)行收割, 收集灌叢枝條和地表枯落物進(jìn)行粉碎作為后續(xù)過(guò)程中的填充基料, 對(duì)荊條灌叢進(jìn)行收割后, 在灌叢收割區(qū)巖土表層進(jìn)行機(jī)械鉆孔, 鉆孔方式如圖7和圖8所示; 其次, 將粉碎灌叢枝條、枯落物進(jìn)行孔內(nèi)回填, 并在回填過(guò)程中添加自主配制的生物菌劑輔料; 再次, 對(duì)填充有生物材料的鉆孔內(nèi)定時(shí)添加水分并在孔隙口覆蓋可降解膜, 為土壤動(dòng)物和微生物提供適宜的生存環(huán)境, 加快填充孔隙內(nèi)粉碎枝條和枯落物的分解進(jìn)程。

該措施改善土壤水分狀況的原理為, 在9月下旬對(duì)荊條灌叢進(jìn)行人工收割, 灌叢收割位置為距離地表10~20 cm處, 優(yōu)選15 cm, 既可發(fā)揮灌叢植被在雨季保持水土的功能, 又可降低雨季過(guò)后荊條對(duì)土壤水分的消耗, 此外, 根系的保存有利于植被萌發(fā)生長(zhǎng), 在下一年雨季中持續(xù)發(fā)揮荊條灌叢水土保持功能。雨季過(guò)后對(duì)灌叢枝條進(jìn)行收割后, 收集灌叢枝條和地表枯落物并粉碎填充到鉆孔中, 改變自然狀態(tài)下枯落物水平分布方式為垂向分布方式, 減少了干旱季節(jié)灌叢及枯落物儲(chǔ)存量, 降低森林火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn); 鉆孔及粉碎枝條、枯落物的填充增加了地表凹陷程度, 減小了地表徑流量, 增加土壤水分入滲效率; 生物菌劑和水分的添加及覆膜增溫能加快粉碎枝條、枯落物分解速率, 改善土壤結(jié)構(gòu), 提高土壤持水能力, 增加土壤肥力。這一措施改變了自然狀態(tài)下灌叢及枯落物分布的方式, 有利于發(fā)揮灌叢植被的生態(tài)價(jià)值, 降低非雨季蒸騰耗水量, 減小地表徑流、增加土壤水分入滲能力, 改善土壤結(jié)構(gòu), 提高土壤有機(jī)質(zhì)含量, 能夠?qū)μ猩絽^(qū)土壤水分虧缺狀況起到改善作用。

圖6 對(duì)荊條灌叢管理與利用以改善區(qū)域土壤水分狀況的流程圖

圖7 坡地孔隙開(kāi)挖剖面圖

圖8 坡地孔隙開(kāi)挖方式俯視圖

4 結(jié)論

本研究圍繞太行山區(qū)土壤水分虧缺、植被生長(zhǎng)狀況差等問(wèn)題, 對(duì)不同植被條件下土壤水分變化特征進(jìn)行分析, 得出以下結(jié)論:

1)在初始土壤含水量相近的背景下, 經(jīng)過(guò)2018年和2019年連續(xù)兩個(gè)干旱年, 核桃土壤含水量最高,黃背草土壤含水量次之, 農(nóng)用地(小麥/玉米)深層土壤含水量雖較高, 但整體土壤含水量低于黃背草群落, 荊條群落土壤水分狀況最差。

2)不同植被對(duì)土壤剖面水分利用狀況有所差異, 農(nóng)用地主要吸收45~100 cm土層深度土壤水分, 荊條對(duì)150~180 cm土層深度土壤水分利用較多, 黃背草對(duì)100~150 cm土層深度土壤水分的利用多于其他土層, 核桃地中, 除0~45 cm土層深度外, 對(duì)其余土層水分利用較為均衡。

綜上所述, 荊條作為太行山區(qū)主要耗水物種, 因其高度的生態(tài)可塑性能夠在半干旱環(huán)境中保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì), 但不利于區(qū)域群落演替。因此應(yīng)對(duì)荊條灌叢進(jìn)行管理和利用, 改變空間結(jié)構(gòu), 減小荊條覆蓋面積以降低對(duì)土壤水分的過(guò)度消耗, 提升區(qū)域水源涵養(yǎng)功能, 加速生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程。

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Soil water variation of different vegetation community in Taihang Mountain Area*

SI Mengke1,2, CAO Jiansheng1**, YANG Hui1, ZHU Chunyu1

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Soil water storage and movement are highly heterogeneous across ecosystems. However, variation characteristics of soil moisture are not well understood at present, due to the high heterogeneity of environmental conditions. The Taihang Mountain region is an important water collection area of the North China Plain, and a functional area for water conservation in the national Beijing-Tianjin-Hebei coordinated development strategy. However, little is known about the soil water regime of the main plant species that inhabit this region. In this study, the soil water content for four representative vegetation types,/,var.,var.and,that are widely distributed in the semi-arid area of the Taihang Mountain, were observed using large scale weighing lysimeters, during the growing season (April to October) in 2018 and 2019. Weighing lysimeters systematically measured the soil water content, seepage, and evapotranspiration among different vegetation communities, and the collected data on the variation characteristic of soil moisture content for four vegetation types were analyzed by means of statistical analysis. The results showed that average soil water content for/,,,andwere 0.30 cm3×cm-3, 0.35 cm3×cm-3, 0.32 cm3×cm-3and 0.36 cm3×cm-3in 2018, and 0.28 cm3×cm-3, 0.26 cm3×cm-3, 0.23 cm3×cm-3and 0.31 cm3×cm-3in 2019, respectively. Similarly, the decrease of soil water content for/,,andwere 0.05 cm3×cm-3, 0.04 cm3×cm-3, 0.09 cm3×cm-3, and 0.05 cm3×cm-3in 2018, and 0.07 cm3×cm-3, 0.13 cm3×cm-3, 0.18 cm3×cm-3, and 0.10 cm3×cm-3in 2019, respectively, compared to the soil water content at the end of growing season (December) of 2017. The decrease of the soil water content forwas greatest, and that for/was the smallest, among the four vegetation types. The direction of vertical gradient of soil water content was consistent among the four vegetation types, with the soil water content decreasing as the depth of soil increased. However, the depth of water uptake from soil was discrepant. In/fields, the main depth was between 45-100 cm. Inandfields, the main soil depth was between 100-150 cm. Infields, the main soil depth was between 150-180 cm. These results may be due to differences in root distribution./andare from Gramineae family, and their root systems are distributed in shallow soil. Althoughis arboreal, it has shallow-rooted plants.has lateral roots radiating out from the main root crown, one or more deeply penetrating tap (sinker) roots, and can uptake water from deep soil. This indicated thatwas the species with the greatest water consumption. The pattern of plant water consumption needs to be considered in plant species selection, ecological management, and restoration of semi-arid ecosystems in the Taihang Mountain region.

Taihang Mountain; Lysimeter measure; Soil water content; Root distribution; Vegetation type

, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

Mar. 8, 2020;

Jul. 21, 2020

S157.2

10.13930/j.cnki.cjea.200172

司夢(mèng)可, 曹建生, 陽(yáng)輝, 朱春雨. 太行山區(qū)不同植被條件下土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(11): 1766-1777

SI M K, CAO J S, YANG H, ZHU C Y. Soil water variation of different vegetation community in Taihang Mountain Area[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(11): 1766-1777

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC0406501-02)、國(guó)家自然基金項(xiàng)目(41877170)、河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(20324203D)和河北省創(chuàng)新能力提升計(jì)劃項(xiàng)目(20536001D)資助

曹建生, 主要從事山地生態(tài)水文過(guò)程與降水資源調(diào)控機(jī)制研究。E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

司夢(mèng)可, 主要研究方向?yàn)樯降厣鷳B(tài)水文過(guò)程研究。E-mail: 13253671220@163.com

2020-03-08

2020-07-21

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2018YFC0406501-02), the National Natural Science Foundation of China (41877170), the Key Research and Development Project of Hebei Province, China (20324203D), and the Promotion Project of Creation Ability of Hebei Province, China (20536001D).