遼寧西部山區(qū)林地土壤水分試驗研究

郭瑞鵬

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

從宏觀角度進(jìn)行分析，地形結(jié)構(gòu)的不同也會導(dǎo)致氣候條件出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響土壤內(nèi)部水分的分布情況與水分含量[1]。通過對降水再分配、太陽光照強度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠?qū)ν寥赖乃趾窟M(jìn)行有效控制[2]。與此同時，地區(qū)的坡度因子對于土壤水分排放、滲透以及地表徑流構(gòu)成、地表徑流速度會產(chǎn)生一定的影響。通常情況下，地處坡度越大，則區(qū)域土壤含水量越低，兩者呈負(fù)相關(guān)。在坡地上添加地表植被，有助于削弱其對土壤水分含量的負(fù)面影響[3]。通過對不同整地作業(yè)方式所產(chǎn)生的通氣度、毛管孔隙度、林間持水量、最大持水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)短期整地作業(yè)有助于增強微生物在土壤中的活躍度，強化養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、分解力度，增強土壤透氣性，改善土壤物理性狀，能夠為區(qū)域內(nèi)樹木根系的縱向、橫向延伸營造良好條件[4]。土壤水分的季節(jié)性、垂直性變化，林木蒸騰和土壤蒸發(fā)等受制于氣象因子的主導(dǎo)因素呈有規(guī)律的季節(jié)性消長變化[5]。來水和耗水矛盾的此起彼伏，促使土壤水分這一始終處于動態(tài)變化和不斷運動之中的“瓶頸”，成為半干旱地區(qū)植被生長、分布以及林業(yè)生態(tài)建設(shè)的主要角色[6]。有研究成果表明[7-11]，在遼寧西部半干旱區(qū)，土壤含水量與坡度的負(fù)相關(guān)性顯著，而林地土壤水分含量與坡度的相關(guān)性不明顯，坡度、降水和地表植被等各種影響因子綜合作用的結(jié)果表明[12-15]，在干旱半干旱水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，不同整地方式對山區(qū)林地水土保持功能影響差異性較大。需要通過對不同整地方式的林地土壤水分進(jìn)行試驗研究，從而確定山區(qū)林地最優(yōu)整地方式，降低林地整地方式對區(qū)域水土保持功能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 整地方式簡介

按照局部和全面對整地方式進(jìn)行劃分。帶狀和塊狀2種整地方式均為局部整地方式。對林地的所有土壤進(jìn)行全面翻墾為全面整地方式，在平坦區(qū)域主要采用全面整地的方式。對林地部分土壤進(jìn)行翻墾為局部整地方式。呈長條狀的林地土壤翻墾為帶狀整地方式。常用的帶狀整地方式有平溝和梯田，主要分布在山地區(qū)域，而在平坡區(qū)域主要采用高壟及犁溝等方式翻墾造林整地。在山地主要采用穴狀或魚鱗坑的塊狀整地方式。在平坡區(qū)域主要采用坑狀和高臺的塊狀整地方式。本文主要選用山地局部和全面整地方式，以遼寧西部山地為研究區(qū)域，對采用不同整地方式的林地土壤水分進(jìn)行試驗。

1.2 試驗地與材料

試驗區(qū)域位于遼寧西部建平縣，在該區(qū)域內(nèi)主要種植油松林，試驗林面積為2hm2。采用機械方式整地的優(yōu)點為翻墾強度較高，且在整地過程中因為裝有安全裝置所以接觸障礙物后能防止對機械部件的損壞。采用機械方式整地可以打破林地土壤層犁底層，并對林地耕作層土壤進(jìn)行恢復(fù)，從而提高土壤水的蓄持能力，降低病蟲害以及部分雜草對林地土壤的破壞。

1.3 試驗設(shè)計

分別采用全面、帶狀、塊狀3種整地方式。各種方式的整地深度均在30cm之內(nèi)，在試驗區(qū)采用等距方式進(jìn)行塊狀墾地試驗，帶狀整地方式主要選擇寬度為1.0m、場地為30m的試驗小區(qū)進(jìn)行，相隔1m呈帶狀分布。按照長度和寬度均為40cm、深度為30cm進(jìn)行全面整地方式的試驗小區(qū)塊狀翻土。對各試驗林均采用同步試驗方式進(jìn)行不同整地方式的土壤水分測定試驗。各試驗小區(qū)的長度為35m、寬度為30m，且采用相同的管理措施。

1.4 調(diào)查方法

整地前、后1、6及12個月后分別進(jìn)行理化性狀的調(diào)查：在各試驗小區(qū)的4個重復(fù)林區(qū)內(nèi)隨機選5個點取0～20cm的土層，共20個樣本，混合均勻后測定土壤中的化學(xué)性狀；選擇各重復(fù)小區(qū)內(nèi)有代表性的地點，隨機選5點挖取土壤剖面，用環(huán)刀取0～20cm土層中間原狀土用于土壤物理性狀的測定。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 3種整地方式的土壤含水量

2019年1月—2020年5月對不同降水量下全面、帶狀、塊狀3種整地方式的土壤體積含水率進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，不同整地方式的土壤體積含水率季節(jié)變化特征具有相似性，和試驗區(qū)降雨季節(jié)變化特征相同步，這主要是因為試驗區(qū)降雨是林地土壤水的重要補給來源，因此受降雨變化影響較為明顯。3種整地方式中塊狀整地方式的土壤水含量最高，明顯高于其他2種整地方式的土壤含水量。而全面與帶狀的土壤水體積含水率差異程度較低。受試驗區(qū)域坡度平緩影響，降水下滲率較高，產(chǎn)流量相對較小，因此全面和帶狀2種整地方式的土壤表層受人為干擾影響程度相對較低，加大了林地表層土壤水分的蒸發(fā)速率。

圖1 2019年1月—2020年5月不同整地方式的土壤體積含水率變化過程

2.2 不同整地方式林地的土壤水分垂直變化

對3種整地方式林地土壤水分垂直分布的差異進(jìn)行試驗分析，試驗結(jié)果見表1。

從表1 可以看出，不同整地方式的試驗區(qū)林地0～15cm表層土壤垂向含水率均值變化具有極為明顯的差異度，其中全面整地方式下的變異系數(shù)最大，其次為帶狀和塊狀2種整地方式。全面與塊狀整地方式在15～20cm土層含水率變化差異程度較低，但這2種整地方式的變異系數(shù)均要高于塊狀整地方式的垂向平均含水率的差異系數(shù)。3種整地方式對于30～50和40～60cm土層垂向含水率也存在極為明顯的差異度。就變異系數(shù)而言，帶狀整地方式最大，其次為全面和塊狀整地方式。這也表明，在0～40cm土層土壤垂向平均含水率總體表現(xiàn)為全面整地方式最高，其次為帶狀整地方式，塊狀整地方式最低。而由50～90cm土壤垂向含水率變化可看出，塊狀整地方式的土壤含水率最高，其次為帶狀整地方式，全面整地方式在50～90cm土壤含水率最低，不同垂向深度土壤水分交換主要受到人為整地不同程度的影響，人為影響程度越大水分交換頻次越高。塊狀整地方式在0～90cm土層的土壤含水率均值總體可達(dá)到27.63%，土壤水總的容量可達(dá)到243.25mm。帶狀和全面2種整地方式的土壤水垂向變化差異度相對較低，2種方式林地垂向土壤水含率均值分別為18.25%和19.35%，土壤水總的容量分別可達(dá)到164.23和172.39mm。這也說明采用帶狀整地方式的林地在試驗期間的土壤含水率可提高林地生長以及生物量，但土壤水消耗程度也相對較高，不同整地方式的林地喬木層生物量與土壤含水率變化總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

表1 不同整地方式的試驗區(qū)林地土壤垂向含水率變化特征分析結(jié)果

2.3 不同整地方式的林分生物量與林地各層土壤的土壤體積含水率相關(guān)性分析

將3種整地方式的林分生物量與林地各層土壤的土壤體積含水率作相關(guān)分析，其結(jié)果可見表2。

表2 不同整地方式、不同土壤深度土壤含水率與林分生物量相關(guān)分析結(jié)果

從不同整地方式、不同土壤深度的土壤含水率與林分生物量相關(guān)分析結(jié)果可看出，全面、帶狀以及塊狀3種整地方式的林地土壤含水率與其林地平均單株生物含量總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化，但不同整地方式的相關(guān)系數(shù)變化較大。全面整地方式0～40cm表層土壤含水率和生物量均值的相關(guān)系數(shù)要低于深度為40～90cm的土壤含水率與單株生物含量均值的相關(guān)系數(shù)。土壤層深度為60～80cm其生物含量均值與土壤含水率的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)變化。帶狀整地方式的林地土壤含水率隨著土壤深度的遞增，其與生物含量的相關(guān)系數(shù)也逐步加大，但總體相關(guān)性相對較低。10～30、30～50和40～60cm帶狀整地方式的土壤含水率與生物平均含量的相關(guān)系數(shù)要高于其他土壤深度的相關(guān)系數(shù)，其中30～50cm土壤層深度的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，且具有較為明顯的負(fù)相關(guān)性。

2.4 不同整地方式的土壤水源涵養(yǎng)功能分析

選用6種特征指標(biāo)對不同整地方式的土壤水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行試驗分析，分析結(jié)果見表3。

從表3可看出，不同整地方式在各試驗時間段，其土壤的物理指標(biāo)出現(xiàn)不同程度的變化。土壤容重隨著時間的變化總體呈現(xiàn)先遞減后遞增的變化，其他指標(biāo)則隨著時間的增加而逐步遞增變化。12個月內(nèi)相比于整地前林地土壤各物理指標(biāo)差異變化均通過了0.05水平的顯著性檢驗。采用全面和帶狀整地方式，除土壤容重指標(biāo)外，其他指標(biāo)隨著時間的遞增均呈現(xiàn)先遞增后遞減的變化趨勢，其中6月采用帶狀整地方式的林地土壤的各項物理指標(biāo)均可以達(dá)到最大值，其他整地方式的土壤物理指標(biāo)的差異程度均通過了0.05水平的顯著性檢驗。采用全面整地方式的土壤各項物理指標(biāo)的最高值出現(xiàn)在整地后的2個月內(nèi)，相比于整地前各項物理指標(biāo)出現(xiàn)較為明顯的差異變化，通過0.05水平的顯著性檢驗。這也說明不同整地方式在較短的時間內(nèi)可以改善土壤微生物的活性，提高土壤養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化，加大土壤透氣程度，極大程度改善土壤的物理各項指標(biāo)，為土壤水分的橫向和縱向延伸創(chuàng)造良好的土壤條件。帶狀和全面2種整地方式經(jīng)過相對較長的時間后林地土壤物理指標(biāo)性能有所降低，說明以上2種整地方式并不能長期維持土壤性能，需要在一定時段內(nèi)對林地土壤進(jìn)行重新整地。

表3 不同整地方式對林地土壤水源涵養(yǎng)功能試驗分析結(jié)果

2.5 土壤含水量月變化分析

在不同季節(jié)遼寧西部山地土壤水分具有較為明顯的變化特征。通過試驗測定，遼寧西部山地土壤水季節(jié)變化主要分為4個時期，第一個時期為從10月到次年的3月上旬為冬季土壤水凍結(jié)時期，這一時期土壤水凍土層深度介于100～130mm，進(jìn)入夏季后隨著降水量的滲入，土壤水得到較為充足的補給。進(jìn)入冬季后土壤水縱向產(chǎn)生凍凝。土壤下層水分收到溫度階梯變化影響逐步向上進(jìn)行水分的傳導(dǎo)以及凍結(jié)變化，土壤水分在傳輸過程中進(jìn)入凍土層孔隙后能逐步形成冰屑。

通過分析測定，土壤水分隨著凍結(jié)過程逐步增加，多年均值在40mm左右，土壤解凍后這些水分逐步提高土壤水含量，是遼寧西部地區(qū)主要的土壤水資源，也是春旱水分的來源之一。春季土壤溫度升高后受蒸發(fā)影響大量的土壤水在3—5月逐步解凍，是春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要保障，一般主要分為3個時期，第一個時期為期3月10日—4月1日為頂凌期，這一時期土壤水開始解凍融化，土壤水消耗較低，是保持土壤水分的重要階段。第二個時期為4月1—20日，為返漿期，這一階段土壤溫度逐步提升，凍融范圍逐步加大，融凍水逐步擴充土壤孔隙。在毛管水影響下上層主要分布尚未融化的冰層含水量，這部分水量逐步向下層進(jìn)行輸送，第一個含水量峰值主要出現(xiàn)在深度為0～20cm的土層，春季農(nóng)業(yè)耕種就需要利用這部分土壤水保障早播的正常進(jìn)行。第三個時期為4月20日—5月1日，為煞漿期，這一階段土壤溫度迅速提升，且由于較大的風(fēng)速，土壤凍土層水量逐步融化，在毛管力影響較低的程度下土壤水分開始逐步運動，逐步形成干土層，這個時期不宜進(jìn)行整地，建議采用碾壓方式見土壤表層進(jìn)行間層的密實處理，將土壤水分進(jìn)行有效封閉。進(jìn)入夏季后受降水量增多，降水入滲量加大的影響，這一階段若采取合理的整地方式可以有效將土壤水進(jìn)行存儲和補充，使得進(jìn)入秋季土壤溫度下降后，經(jīng)過一段時期的整地后，土壤水變化相對較為緩慢。

3 試驗結(jié)論

(1)對于遼寧西部山地而言，林地土壤各物理性狀可通過短時間整地進(jìn)行有效改善，土壤含水率也可得到有效提高，但較長時間整地會降低土壤水涵養(yǎng)能力，因此建議在每隔6個月可進(jìn)行一次整地，以提高山區(qū)林地的土壤水涵養(yǎng)能力。

(2)土壤上下層水分交換可通過整地進(jìn)行一定程度的促進(jìn)，水分交換頻次隨著整地干擾程度加大而增加，塊狀整地方式在0～90cm土層的土壤含水率均值總體可達(dá)到27.63%，土壤水總的容量可達(dá)到243.25mm，建議作為遼寧西部山區(qū)林地主要整地方式。

(3)本文未對不同整地組合方式的遼寧西部山地土壤水影響程度進(jìn)行分析，存在不足，在后續(xù)研究中還應(yīng)針對不同土層的深度進(jìn)行最優(yōu)組合整地方式的林地土壤水變化試驗分析。