科爾沁沙地典型固沙人工林地土壤水分時(shí)空特征及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

廉泓林,李 衛(wèi),馮金超,楊文斌,熊 偉,*,于海蛟,敖鐵勝,張明亮,劉雅莉

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院,呼和浩特 010019

2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,北京 100091

3 赤峰市林業(yè)科學(xué)研究院,赤峰 024050

4 敖漢旗林業(yè)和草原局,赤峰 024300

土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)中水分循環(huán)和水資源形成與轉(zhuǎn)化等過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是影響干旱缺水地區(qū)眾多植物存活與分布的限制因子[1- 3]。土壤水分受到氣候、土壤、立地條件和植被等諸多自然要素的綜合影響,在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出強(qiáng)烈的異質(zhì)性[4- 5]。由于對(duì)土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征研究有助于建立水文過(guò)程與生態(tài)格局之間的定量關(guān)系,因而它已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等諸多領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[6]。

近幾十年內(nèi),對(duì)干旱區(qū)人工植被土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及其環(huán)境影響方面開(kāi)展了大量研究,并取得了階段性成果。一方面,認(rèn)為降雨量及其分布格局對(duì)不同土地利用類(lèi)型下土壤水分的動(dòng)態(tài)變化有著直接而深刻的影響。李玉山[7]基于降雨發(fā)生規(guī)律將關(guān)西旱塬地區(qū)土壤水分的變化劃分為冬春水分?jǐn)U散蒸發(fā)階段、春夏土壤上層干濕交替階段、雨季水分恢復(fù)階段和晚秋初冬水分毛管上升蒸發(fā)階段等四個(gè)時(shí)期；楊文治[8]認(rèn)為降水量的年際和季節(jié)變化影響著黃土高原土壤水分的季節(jié)性動(dòng)態(tài)；胡良軍等[9]認(rèn)為,土壤水分的年際變化主要取決于當(dāng)年降雨量,且與其季節(jié)變化基本一致。另一方面,在氣候等諸要素相對(duì)一致的情景下,植被類(lèi)型及其結(jié)構(gòu)則被認(rèn)為是影響土壤水分時(shí)空變化的關(guān)鍵因素[10]。研究表明：樹(shù)冠截留、樹(shù)木蒸騰和地表蒸發(fā)等過(guò)程都會(huì)使土壤水分的分配格局發(fā)生改變[11]；同時(shí),樹(shù)冠的遮陰作用還會(huì)影響土壤水熱條件和凍融過(guò)程等[12- 13]。于曉娜等[14]研究發(fā)現(xiàn)：在相同降雨條件下,沙地土壤水分的響應(yīng)深度因植被類(lèi)型而異；張北贏等[15]認(rèn)為土壤水分的剖面形態(tài)與分層特征受不同植被水分利用的影響顯著；張孝中等[16]則通過(guò)比較分析渭北旱塬裸地和農(nóng)田土壤剖面水分變化特征,將其劃分為活躍層、次活躍層和相對(duì)穩(wěn)定層。另外,由于人工植被具有短輪伐期和生長(zhǎng)快的特性而比天然植被具有更高的蒸散量[17],這可能會(huì)導(dǎo)致土壤水分的長(zhǎng)期虧缺或者形成土壤干層,且其干燥強(qiáng)度因植物種類(lèi)和生長(zhǎng)年限而定[18- 19]。如,Nan等[20]分析了黃土高原不同林齡刺槐人工林的土壤水分狀況,發(fā)現(xiàn)林分對(duì)土壤水分的消耗深度隨著年齡的增長(zhǎng)而加深。綜上所述,盡管目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域(如黃土高原)的土壤水分研究已經(jīng)形成了比較完整的體系,但多僅局限于土壤水分環(huán)境的本身問(wèn)題或者單一因素的影響,而缺乏對(duì)土壤水分與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其多因素(水、熱等)之間的系統(tǒng)研究[9,21]。同時(shí),大多數(shù)研究的觀測(cè)期僅限于生長(zhǎng)季,而對(duì)于非生長(zhǎng)季中水、熱等環(huán)境因素的影響(如凍融作用)也認(rèn)識(shí)不足。

科爾沁沙地是我國(guó)的四大沙地之一,過(guò)去人工植被的建設(shè)使該區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了顯著改善,但成片固沙林在生長(zhǎng)多年后由于土壤水分虧缺開(kāi)始出現(xiàn)“小老頭樹(shù)”甚至導(dǎo)致衰敗死亡。令人擔(dān)憂(yōu)的是,相較于黃土區(qū),該區(qū)的砂質(zhì)土壤持水性低,入滲快而儲(chǔ)水能力低,所以對(duì)樹(shù)木生理需水的調(diào)節(jié)作用相對(duì)較差,因而對(duì)于固沙林土壤水分時(shí)空變化特征的研究則顯得尤為重要。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和檸條(Caraganakorshinskii)是該區(qū)的兩個(gè)主要造林樹(shù)種,兩者存在著明顯的形態(tài)差異,可為不同植被覆蓋下土壤水分及其環(huán)境影響研究提供良好的條件。盡管對(duì)這兩種林分不同密度、林齡和地形條件下的土壤水分變化已有報(bào)道[22- 26],但還缺乏對(duì)不同植被組成條件下土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)及其環(huán)境因素影響的綜合分析。因此,本文選擇科爾沁沙地南緣的樟子松固沙林和檸條固沙林為對(duì)象,通過(guò)定位觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析等方法,來(lái)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)兩種林地土壤水分時(shí)空特征及其對(duì)降雨、凍融和潛在蒸散(ET0)的響應(yīng),為該沙區(qū)人工植被的建設(shè)與生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)位于科爾沁沙地南緣的內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗東北部治沙林場(chǎng)東勝作業(yè)區(qū)(42°47′N(xiāo),120°17′E),見(jiàn)圖1。試驗(yàn)區(qū)屬溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū),海拔300—1250 m,年均氣溫5—7℃,年降水量310—460 mm,年日照時(shí)數(shù)2850—2950 h,年均風(fēng)速3.8 m/s,大風(fēng)集中在3—5月。土壤以風(fēng)沙土為主,肥力較為瘠薄,地下水達(dá)15 m以下。天然植被多為稀疏、低矮的小灌木和雜草,以黃柳(Salixgordejevii)、沙蒿(Artemisiaordosica)和檸條等為主,人工植被則以樟子松林、檸條林和楊柴林(Hedysarumlaeve)為主。

圖1 研究區(qū)地理位置圖 Fig.1 Location of the study site at the south edge of Horqin Sandy Land

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)定

在敖漢旗治沙林場(chǎng)25年生的樟子松人工林和19年生的檸條人工林內(nèi)各建立1個(gè)樣地,大小為20 m × 20 m；前者屬于固定沙地,后者為半固定沙地。樟子松人工林：種植密度225株/hm2,郁閉度0.6,樹(shù)高(10.07±1.02)m,冠幅(3.27±1.61)m,胸徑(19.14±5.02)cm,枝下高(3.29±1.45)m。檸條人工林：種植密度425株/hm2,蓋度22.55%,株高(1.57±0.37)m,冠幅(2.61±0.54)m,地徑(1.63±0.43)cm,分枝數(shù)(18±8)枝。

在兩個(gè)樣地各選擇1處土壤溫度和濕度觀測(cè)點(diǎn),在距地表10、20、60、120、160 cm和200 cm深處用ECH2O- 5探頭(Decagon Devices Inc.,USA)測(cè)定土壤各層的體積含水量；在距地表10、20、60 cm和200 cm深處用RR10T探頭(北京雨根科技有限公司,中國(guó))測(cè)定土壤各層的溫度；在地面1.0 m高處用AV- 3665R傳感器(Avalon Inc.,USA)測(cè)定降雨量；用CR200X數(shù)據(jù)采集器(Campbell Inc.,USA)記錄以上數(shù)據(jù)。在樟子松人工林林緣空曠處安裝氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(北京雨根科技有限公司,中國(guó))同步測(cè)定微氣象因子,包括AV- 10T空氣溫濕度傳感器(12層輻射罩)、AV- 20P輻射傳感器、AV- 30WS風(fēng)速傳感器、AV- 30WD風(fēng)向傳感器,用數(shù)據(jù)采集器RR- 1016(北京雨根科技有限公司,中國(guó))收集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)每10 min記錄1次。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

用Wu等[27]提出的電壓值法對(duì)測(cè)定土壤體積含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正,模型如下。

y=0.1516-1.501×10-3x+3.218×10-6x2

(1)

式中,x為電壓,單位(mv),y為矯正后體積含水量,單位(%)。

ET0采用Penman-Monteith模型公式[28]進(jìn)行計(jì)算,具體為：

(2)

式中,ET0為潛在蒸散量(mm/d)；△為飽和水汽壓-溫度曲線(xiàn)斜率(kPa/℃)；Rn為參考作物表面凈輻射(MJ m-2d-1)；G為土壤熱通量密度(MJ m-2d-1)；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)；T為平均氣溫(℃)；U2為2m高處風(fēng)速(m/s)；es為飽和水汽壓(kpa)；ea為實(shí)際水汽壓(kpa)。

原始數(shù)據(jù)應(yīng)用EXCEL軟件進(jìn)行整理與分析；土壤水分對(duì)降雨、潛在蒸散和凍融的響應(yīng)分析應(yīng)用SPSS 25.0軟件進(jìn)行分析；圖2—8應(yīng)用Origin 2019軟件進(jìn)行繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象要素變化特征

3.1.1大氣降雨

研究期(2018年11月14日至2019年11月14日)內(nèi)共發(fā)生了58次降雨,總降雨量236.6 mm；降雨集中在7—9月,累計(jì)133.6 mm,占總降雨量56.47%。圖2表明：≤5 mm降雨39次,累計(jì)47.2 mm,占總降雨量19.95%；5—10 mm降雨11次,累計(jì)72 mm,占總降雨量30.43%；10—20 mm降雨7次,累計(jì)97.2 mm,占總降雨量41.08%；≥20 mm降雨1次,累計(jì)20.2 mm,占總降雨量8.54%。

圖2 研究期內(nèi)降雨頻次及雨量大小分布 Fig.2 Frequency distributions of gross rainfall percentages and amounts for the 58 rainfall events during the study period

3.1.2 潛在蒸散(ET0)

研究期內(nèi)ET0的季節(jié)變化趨勢(shì)總體呈現(xiàn)出單峰值曲線(xiàn),在5月24日達(dá)到峰值(8.2 mm/d)；冬季(2018年12月—2019年2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)的平均ET0分別為0.49、3.47、5.28、1.72 mm/d,見(jiàn)圖3?？傮w來(lái)看,生長(zhǎng)季(5—10月)ET0維持在較高的水平,累計(jì)789.2 mm,占總ET0的78.34%。

圖3 試驗(yàn)區(qū)林地日潛在蒸散量的季節(jié)變化 Fig.3 Seasonal changes in potential evapotranspiration (ET0) during the study period

3.1.3土壤溫度

樟子松人工林和檸條人工林地土壤剖面各層溫度均呈現(xiàn)出與ET0相似的季節(jié)變化特征,分別于冬季和夏季達(dá)到最低值和最高值,見(jiàn)圖4。表1表明：林地各層土壤溫度與大氣溫度均呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。檸條人工林地土壤剖面各層相關(guān)系數(shù)略高于同層的樟子松人工林地,這可能與樟子松人工林的樹(shù)冠遮陰作用有關(guān)。

圖4 樟子松和檸條人工林地各層土壤溫度的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal changes in soil temperature at the different layers in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

表1 樟子松和檸條人工林地各層土壤溫度與大氣溫度的相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlation between air temperature and soil temperature at the different layers in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

3.2 土壤含水量的時(shí)空變化特征

由圖5知,在研究期內(nèi)樟子松和檸條人工林地土壤水分的季節(jié)變化可劃分為凍結(jié)期(2018年11月下旬—2019年2月)、補(bǔ)充期(3—4月)、消耗期(5—9月)和穩(wěn)定期(10—11月上旬)。在凍結(jié)期內(nèi)凍結(jié)的土壤剖面含水量變化穩(wěn)定,基本在5%以下；在補(bǔ)充期內(nèi),隨著氣溫回升、解凍,各層土壤含水量范圍分別達(dá)到4.6%—12.3%(樟子松林)和5.3%—12.0%(檸條林)；在消耗期內(nèi),由于樹(shù)木旺盛生長(zhǎng)和蒸騰以及降雨的補(bǔ)給等綜合作用導(dǎo)致了土壤水分的劇烈波動(dòng),其值在2.6%—12.2%(樟子松林)和1.0%—13.9%(檸條林)之間；穩(wěn)定期內(nèi)樹(shù)木逐漸進(jìn)入休眠期,加之蒸發(fā)較低而使土壤含水量穩(wěn)定,樟子松林維持在2.5%—7.4%,檸條林在1.8%—7.0%之間。圖6表明：在凍結(jié)期、補(bǔ)充期樟子松林地平均含水量要顯著高于檸條林地(P<0.05),消耗期內(nèi)差異不顯著(P>0.05),而穩(wěn)定期內(nèi)檸條林顯著高于樟子松林(P<0.05)。

圖5 樟子松和檸條人工林地土壤水分的時(shí)空變化特征Fig.5 Characteristics of spatiotemporal variation of soil moisture in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

圖6 不同時(shí)期樟子松和檸條人工林地土壤體積含水量的對(duì)比分析Fig.6 Comparison of soil volumetric water content during the different phases between P. sylvestris var. mongolica stand and C. korshinskii stand不同小寫(xiě)字母表示兩處林地的土壤體積含水量存在顯著差異(P<0.05)

為量化認(rèn)識(shí)兩種林地土壤剖面水分的垂直動(dòng)態(tài)分布,分析了生長(zhǎng)季內(nèi)土壤各層含水量變化的特征(表2),并結(jié)合圖5,可將其大致分為3個(gè)層次,即：1)易變層(0—20 cm),土壤水分等值線(xiàn)最為密集,表明變化十分強(qiáng)烈,其含水量分別為2.9%—11.5%(樟子松林)和3.5%—14.0%(檸條林)。2)活躍層(樟子松林20—100 cm和160—200 cm,檸條林20—180 cm),土壤水分等值線(xiàn)相對(duì)密集,受水分入滲和根系吸水等過(guò)程影響而使含水量變化活躍,其中,樟子松林又可分為活躍層(20—100 cm,含水量2.6%—9.3%)及次活躍層(160—200 cm,含水量6.4%—12.2%)；檸條林含水量范圍為1.0%—10.5%。3)穩(wěn)定層(樟子松100—160 cm,檸條180—200 cm),樟子松和檸條林各層土壤含水量分別為3.1%—4.3%和5.5%—6.8%。

表2 樟子松和檸條人工林地土壤剖面各層含水量的變化特征Table 2 Characteristics of seasonal changes in soil moisture at the different layers across 0—200 cm profile in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

3.3 土壤水分對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)

3.3.1大氣降雨的響應(yīng)

在生長(zhǎng)季內(nèi),兩種林地對(duì)大氣降雨的響應(yīng)均隨土層深度加深而減弱,見(jiàn)圖7。受降雨影響,林地10—60 cm層土壤水分波動(dòng)較為頻繁,而120—200 cm層較為穩(wěn)定且存在滯后響應(yīng)。為進(jìn)一步量化兩者之間的關(guān)系,選擇林地同期內(nèi)累計(jì)降雨量與土壤水分的變化量進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明：生長(zhǎng)季內(nèi),降雨事件對(duì)樟子松林0—20 cm層土壤含水量影響極顯著(P<0.01)；對(duì)檸條林0—10 cm層土壤含水量影響極顯著(P<0.01),20—60 cm層影響顯著(P<0.05)；而對(duì)其余各層均無(wú)顯著影響(P>0.05),見(jiàn)表3。

表3 樟子松和檸條人工林地土壤含水量變化與降雨量的相關(guān)分析Table 3 Correlation between soil moisture and rainfall in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

圖7 樟子松和檸條人工林地各層土壤含水量對(duì)大氣降雨的響應(yīng)Fig.7 Response of soil moisture at the different layers to precipitation in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

3.3.2凍融作用的響應(yīng)

研究期內(nèi),樟子松人工林和檸條人工林土壤含水量均表現(xiàn)出“凍結(jié)迅速減少、融化迅速增加”的凍融循環(huán)模式,但兩種林地在凍融周期及其影響深度有一定差異。冬季當(dāng)土壤剖面各層溫度降至0℃后,土壤水分開(kāi)始自表層向下“單向凍結(jié)”；樟子松林和檸條林最大凍結(jié)深度分別為170 cm和190 cm左右(圖5)。進(jìn)入春季隨太陽(yáng)輻射增強(qiáng)和土溫上升,地表的熱量收入大于支出,同時(shí)土壤深層的熱量也開(kāi)始向上傳導(dǎo),故而表現(xiàn)出由上層、下層到中層“雙向融化”的土壤解凍特征,這可從地表和深層土壤含水量的增加要早于中間層(120 cm)得到印證。樟子松林10 cm層土壤解凍時(shí)間比檸條林晚11 d,可能與前者樹(shù)冠遮陰引起的地表溫度差異有關(guān)。圖8分析了凍融循環(huán)期內(nèi)0℃以下土壤溫度與含水量之間的關(guān)系,結(jié)果表明：在凍融期內(nèi),土壤含水量隨著土壤溫度增加而呈極顯著的指數(shù)增加(P<0.01)。

圖8 凍融循環(huán)期內(nèi)樟子松和檸條人工林地各層土壤含水量與土壤溫度的相關(guān)關(guān)系Fig.8 Relationships between soil temperature and soil moisture at different layers in the P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands during soil freeze-thaw period

3.3.3ET0的響應(yīng)

ET0表示某一地區(qū)水分供應(yīng)不受限制時(shí)下墊面可能達(dá)到的最大蒸發(fā)量,它可通過(guò)控制樹(shù)木蒸騰、土壤蒸發(fā)和凍融等作用而間接影響土壤含水量。用生長(zhǎng)季內(nèi)兩場(chǎng)降雨間隔期內(nèi)的土壤含水量變化量與同期ET0進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明：ET0與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與檸條林0—60 cm層和樟子松林0—20 cm、200 cm層的土壤含水量呈極顯著相關(guān)(P<0.01),與樟子松林60 cm和160 cm層的土壤含水量呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05),見(jiàn)表4。

表4 樟子松和檸條人工林地土壤含水量變化與ET0的相關(guān)分析Table 4 Correlation between soil moisture and potential evapotranspiration in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

4 討論

4.1 土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征

本研究將樟子松和檸條人工林的土壤水分季節(jié)變化劃為凍結(jié)期、補(bǔ)充期、消耗期和穩(wěn)定期,雖然劃分的階段略有差異,但總體規(guī)律與其它文獻(xiàn)相似[29- 30]。除消耗期外,兩種林地土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)出顯著性差異,說(shuō)明由于樹(shù)種組成與密度等結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了兩種林地土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)的差異。與樟子松相比較,檸條的樹(shù)冠較小、冠層郁閉程度較低,因而凍結(jié)期內(nèi),受氣溫影響其林地的土壤溫度更低而導(dǎo)致含水量顯著偏低；在消耗期內(nèi),雖然檸條單株的蒸騰耗水量要低于樟子松,但較大的密度(425株/hm2)所影響的林分總蒸騰量會(huì)使兩種林地土壤水分的差異不顯著；進(jìn)入穩(wěn)定期后,樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)土壤水分的需求逐漸降低,且由于檸條林地表干沙層(約5 cm厚)的存在減緩了土壤蒸發(fā)速率[31],從而導(dǎo)致了其土壤水分含量大于樟子松林。

在研究期內(nèi),樟子松固沙林和檸條固沙林土壤剖面各層土壤水分的動(dòng)態(tài)變化存在著明顯差異,尤其是其活躍層分布的差別較為明顯。對(duì)于樟子松人工林而言,主要存在兩個(gè)土壤水分變化的活躍層：20—100 cm層和160—200 cm層。一方面,樟子松的主要根系分布在100 cm土層以?xún)?nèi)[32],生長(zhǎng)季內(nèi)由于降雨入滲、土壤蒸發(fā)、樹(shù)木根系吸水與樹(shù)木蒸騰等綜合作用會(huì)使該層土壤含水量劇烈變化；另一方面,本研究發(fā)現(xiàn)200 cm土層含水量的變化仍較為活躍并總體呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),其值從期初12.2%下降至期末6.4%。這是由于觀測(cè)期總降雨量?jī)H為236.6 mm,遠(yuǎn)小于年均降雨量310 mm,這使得其主要根系分布層的土壤水分遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足樹(shù)木蒸騰耗水量需求,從而來(lái)消耗深層土壤的水分所致[24],這與在章古臺(tái)地區(qū)樟子松林地的研究結(jié)果是基本一致的[33]。相對(duì)而言,檸條人工林的活躍層集中在20—180 cm范圍之內(nèi),而研究期內(nèi)200 cm土層含水量總體保持在穩(wěn)定水平,這說(shuō)明檸條雖然是深根性灌木樹(shù)種,與樟子松相比較而言,其對(duì)土壤水分的消耗量相對(duì)較低,但同時(shí)也說(shuō)明淺層和深層土壤水分都是該樹(shù)種重要的水分來(lái)源[34]。

4.2 土壤水分對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

本研究中,樟子松人工林和檸條人工林地土壤水分對(duì)天然降雨的響應(yīng)均隨土層加深而減弱,這與前人的研究是一致的[35]。樟子松人工林10 cm土層含水量對(duì)降雨的響應(yīng)要比檸條人工林更為敏感,這可能是由于后者樣地中存在干沙層會(huì)阻擋一部分雨水入滲的緣故[36]。在20—60 cm土層,樟子松人工林土壤含水量對(duì)于天然降雨的響應(yīng)要弱于檸條林,可能與前者具有較大樹(shù)冠和郁閉度從而具有較高的冠層截留量有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)樟子松人工林和檸條人工林地土壤凍融現(xiàn)象均表現(xiàn)為“單向凍結(jié)”和“雙向融化”的特征,這與陳仁升等的研究結(jié)果是基本一致的[37]。本研究表明：與檸條灌木林相比較,樟子松人工林土壤最大凍結(jié)深度為170 cm(比檸條林淺20 cm)且10 cm層土壤解凍時(shí)間較檸條林延長(zhǎng)11 d,這可能與樟子松林地內(nèi)有一定厚度枯枝落葉層的保溫以及高大樹(shù)冠的遮陰作用有關(guān)。據(jù)Chen等報(bào)道,與農(nóng)田相比較,人工林由于高大樹(shù)冠的遮陰作用會(huì)使凍結(jié)土壤消融出現(xiàn)滯后,同時(shí)會(huì)避免凍土層在凍融周期內(nèi)出現(xiàn)大的波動(dòng)[13],這與本研究結(jié)論是相似的。

本研究中ET0的最高值出現(xiàn)在5、6月份,可能與7、8月份降雨頻繁而太陽(yáng)輻射較低而有關(guān),這與李霞等人研究結(jié)果相一致[38]。ET0與樟子松林和檸條林淺層的土壤水分含量相關(guān)性密切,說(shuō)明了由于ET0增加所導(dǎo)致的樹(shù)木蒸騰和土壤蒸發(fā)的雙重作用而顯著影響了土壤的含水量。然而,ET0對(duì)樟子松人工林地160—200 cm土層含水量也存在著極為密切的相關(guān)性(P<0.01),這是由于在欠水年100 cm以上土壤水分無(wú)法滿(mǎn)足樟子松林分較強(qiáng)的蒸騰量,從而導(dǎo)致可能消耗深層(200 cm)土壤水分的情況[24,33],但這還需更為深入地研究。

5 結(jié)論

(1)樟子松和檸條人工林地土壤水分的季節(jié)變化可劃分為凍結(jié)期(2018年11月下旬—2019年2月)、補(bǔ)充期(3—4月)、消耗期(5—9月)和穩(wěn)定期(10—11月上旬)；其剖面在垂直方向上可分為：易變層(0—20 cm層)、活躍層(樟子松20—100 cm層和160—200 cm層,檸條20—180 cm層)和穩(wěn)定層(樟子松100—160 cm層,檸條180—200 cm層)。

(2)兩種林地對(duì)大氣降雨的響應(yīng)均呈現(xiàn)出隨土層深度加深而減弱的趨勢(shì),但響應(yīng)深度有所不同。降雨對(duì)樟子松林0—20 cm層的影響極顯著(P<0.01)；對(duì)檸條林0—10 cm層影響極顯著(P<0.01),20—60 cm層顯著(P<0.05)；其余各層均不顯著。

(3)兩種林地土壤表現(xiàn)為“單向凍結(jié)”和“雙向融化”的特點(diǎn),但兩者凍融周期和對(duì)土壤影響深度有一定差異。樟子松林和檸條林最大凍結(jié)深度分別為170 cm和190 cm左右；樟子松林10 cm層土壤解凍時(shí)間較檸條林延長(zhǎng)11 d。在凍融期內(nèi),土壤溫度是影響土壤含水量的關(guān)鍵因素,兩者呈極顯著的指數(shù)增加關(guān)系。

(4)ET0對(duì)兩種林地的土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中與檸條林0—60 cm和樟子松林0—20 cm、200 cm層呈極顯著相關(guān)(P<0.01),與樟子松林60 cm和160 cm層呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。