山西臨縣不同樹齡棗樹坡林地土壤水分特征研究

肖夢(mèng)琳張鵬飛郜鵬暢張兆瑞戴燕燕李樂樂

(1.太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619；2.太原師范學(xué)院碳中和研究院，山西 晉中 030619；3.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007)

土壤水分是影響植物生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量的重要因子，是半干旱半濕潤(rùn)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)[1,2]。黃河中段是黃土丘陵生態(tài)脆弱區(qū)，研究該區(qū)土壤含水量及其對(duì)植被的影響是非常重要的。黃土高原是世界上最典型的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，因嚴(yán)重的水土流失而聞名于世[3]。臨縣位于黃土丘陵區(qū)，特殊土壤條件與環(huán)境因素導(dǎo)致黃土丘陵區(qū)地形條件復(fù)雜，地貌溝壑縱橫，生態(tài)環(huán)境惡劣而脆弱，在生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究中備受重視[4]。其中植被建設(shè)是防治水土流失的根本措施，也是黃土高原丘陵區(qū)保土持水的重要措施。臨縣位于黃河中游，生態(tài)環(huán)境脆弱，紅棗產(chǎn)業(yè)為區(qū)域主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，種植面積和產(chǎn)量均居全國(guó)之首，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)生計(jì)互促、增綠增收兼顧，多齡棗林交錯(cuò)分布是臨縣棗林空間分布的主要特征之一，研究表明不同樹齡棗樹土壤水分和根系分布存在顯著差異[5]，土壤水分不足和利用率低是普遍存在的問題，同時(shí)隨林齡的增加需水量增大，有限的土壤水分不能滿足植被生長(zhǎng)需求，出現(xiàn)了土壤干層等生態(tài)問題[2]，威脅區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與可持續(xù)性發(fā)展。包維斌等[2]經(jīng)冗余分析得出，坡度及樹齡等因素是導(dǎo)致土壤干燥的主要原因。鈔錦龍等[6]認(rèn)為，不同樹齡、坡度坡向?qū)ν寥篮亢屯寥栏蓪拥某潭群蜕疃纫膊煌?。辛小桂等[7]提出，隨著樹齡增長(zhǎng)梨棗林地土壤水分下降，土壤干層的分布深度和土壤干燥化強(qiáng)度趨于增加。趙西寧等[1]研究表明，淺層土壤水分充足時(shí)，棗樹主要吸收淺層水分，淺層土壤水分匱乏時(shí)，棗樹會(huì)增加對(duì)中層和深層土壤水分的吸收。因此，了解黃河臨縣段不同林齡下棗林地土壤水分變化與土壤干層變化規(guī)律，可為高效利用土壤水分、改善和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。本研究以十年生、三十年生、五十年生的棗樹林為研究對(duì)象，對(duì)不同樹齡棗樹林土壤水分分布特征以及土壤干層變化進(jìn)行研究，并提出了不同樹齡棗樹林水分利用建議，以期為生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黃河中游的晉西臨縣段，研究對(duì)象為10齡、30齡和50齡的棗樹林，土壤以黃綿土為主。該區(qū)年降水量較少(年平均降水量為518.8mm)，季節(jié)分布不均，且集中于夏秋兩季，蒸發(fā)量大于降水量，是降水量的4倍，縣內(nèi)水資源主要依靠降水補(bǔ)給。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤含水量

在黃河臨縣段河流坡地選擇立地條件和林分密度相同的十年生(10a)、三十年生(30a)、五十年生(50a)，長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng)?shù)?株棗樹作為一塊樣地，使用輕型人力鉆采取土壤樣品，每種樹齡取3個(gè)采樣點(diǎn)，分別為a、b、c，每個(gè)鉆孔取坡地中間位置，鉆孔直線距離15～20m。每孔取樣深度為5m左右，樣品間距為10cm，每個(gè)鉆孔共取50個(gè)樣品，用自封袋封裝，避免日光照射，盡快帶回室內(nèi)測(cè)定。土壤含水量采用烘干法測(cè)定，烘干溫度為105℃，烘干時(shí)間為24h，土壤含水量W計(jì)算公式：

W=(M1-M2)/M2×100%

式中，M1為烘干前土壤樣品重量；M2為烘干后土壤樣品重量。

1.2.2 土壤水分有效性分級(jí)

土壤水分有效性是指土壤水分能否被植物利用及其利用的難易程度，有效水的含量及分布狀況直接關(guān)系到植物成活率，從而影響植物發(fā)育[8]。劉文增等[9]將土壤有效水分為難效水(凋萎濕度到田間持水量的60%)、中效水(田間持水量的60%～80%)、易效水(田間持水量的80%以上)；張鵬飛等[10]將土壤有效水劃分為5級(jí)，在劉文增等基礎(chǔ)上增加了無效水(凋萎濕度以下)和重力水(田間持水量以上)；結(jié)合前人研究與實(shí)際情況，將黃河中段土壤水分有效性劃分為4個(gè)等級(jí)：無效水、難效水、中效水和易效水，如表1所示。

表1 土壤水分有效性分級(jí)

1.2.3 土壤干層

土壤干層是指土壤剖面中，在多年平均降水入滲層以下，因植被深層吸水且不能被雨季降水入滲恢復(fù)，由自然降水、土壤貯水和林草植被耗水關(guān)系失衡所導(dǎo)致的，其直接結(jié)果就是深層土壤的貯水量明顯減少，并形成具有較低土壤含水量范圍、位于降水入滲層以下、形成后具有持久性等一系列特點(diǎn)的土壤干層[11]。根據(jù)王力等[12]、張鵬飛等[10]對(duì)土壤干層的研究，可初步將土壤干層分為3級(jí)：輕度干層，含水量為9%～12%，對(duì)植物生長(zhǎng)的影響不大，基本可以滿足生長(zhǎng)所需水分；中度干層，含水量為6%～9%，對(duì)植物生長(zhǎng)的影響較嚴(yán)重；嚴(yán)重干層，含水量為6%以下，此時(shí)植物處于嚴(yán)重缺水狀態(tài)，嚴(yán)重影響植物正常生長(zhǎng)甚至導(dǎo)致植物死亡。上部2m土層的干層為臨時(shí)性干層，易受蒸發(fā)作用的影響而變干，因?yàn)榻涤耆霛B影響范圍在200cm之間，所以也較容易受到降水影響而得到補(bǔ)給，因此上部2m的土層變干是暫時(shí)性的，通常不叫土壤干層，而2m以下的干層不易得到降水補(bǔ)充，因此干層不容易恢復(fù)，所以干層一旦形成，往往經(jīng)過很多年也不能恢復(fù)，屬于永久性干層[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹齡棗林地土壤水分差異

根據(jù)圖1中10a樹齡3個(gè)采樣點(diǎn)鉆孔剖面土壤含水量分布結(jié)果可知，a剖面平均含水量為8.38%，土壤含水量變化范圍為4.82%～12.24%；b剖面平均含水量為7.98%，土壤含水量變化范圍為4.45%～13.60%；c剖面平均含水量為6.25%，土壤含水量變化范圍為4.25%～13.04%。10a樹齡的平均含水量為7.54%，土壤含水量變化范圍為4.83%～12.96%。

根據(jù)圖2中30a樹齡3個(gè)采樣點(diǎn)鉆孔剖面土壤含水量分布結(jié)果可知，a剖面平均含水量為8.27%，土壤含水量變化范圍為4.04%～13.08%；b剖面平均含水量為8.33%，土壤含水量變化范圍為4.79%～14.19%；c剖面平均含水量為9.33%，土壤含水量變化范圍為4.91%～15.68%。30a樹齡的平均含水量為8.64%，土壤含水量變化范圍為4.65%～13.96%。

根據(jù)圖3中50a樹齡3個(gè)采樣點(diǎn)鉆孔剖面土壤含水量結(jié)果可知，a剖面平均含水量為8.74%，土壤含水量變化范圍為5.92%～13.37%；b采樣點(diǎn)剖面平均含水量7.14%，土壤含水量變化范圍為3.67%～11.75%；c剖面平均含水量為7.20%，土壤含水量變化范圍為4.14%～12.21%。50a樹齡的平均含水量為7.69%，土壤含水量變化范圍為4.86%～12.18%。

2.2 土壤水分干層分布特征

由圖4可知，10a樹齡棗林地a剖面在2～2.7m發(fā)育輕度干層，2.8～3.3m發(fā)育中度干層，3.4m以下發(fā)育嚴(yán)重干層；b剖面2～2.9m發(fā)育中度干層，3m以下發(fā)育嚴(yán)重干層；c剖面在2～2.4m發(fā)育中度干層，2.5m以下均發(fā)育嚴(yán)重干層。30a樹齡棗林地a剖面在2.4～2.8m為輕度干層，2.1～2.3m和2.9～3.7m發(fā)育中度干層，3.8m以下發(fā)育嚴(yán)重干層；b剖面在2～3.5m發(fā)育中度干層，3.6m以下均發(fā)育嚴(yán)重干層；c剖面在2～2.5m為輕度干層，2.6～3.8m為中度干層，3.9m以下全部發(fā)育嚴(yán)重干層。50a樹齡棗林地a剖面2m以下幾乎全部發(fā)育中度干層；b剖面在2～2.6m發(fā)育中度干層，在2.7～4.8m發(fā)育嚴(yán)重干層；c剖面在2～2.3m發(fā)育中度干層，2.4～5m全部發(fā)育嚴(yán)重干層。根據(jù)各樹齡3個(gè)剖面樣點(diǎn)的平均含水量可知，10a樹齡在2～3m發(fā)育中度干層，在3.1m以下發(fā)育嚴(yán)重干層；30a樹齡在2～3.7m發(fā)育中度干層，在3.8～5m發(fā)育嚴(yán)重干層；50a樹齡在2～2.7m發(fā)育中度干層，在2.8～5m發(fā)育嚴(yán)重干層。

圖1 10a樹齡棗林地土壤含水量曲線

圖2 30a樹齡棗林地土壤含水量曲線

圖3 50a樹齡棗林地土壤含水量曲線

2.3 土壤水分有效性

由圖4可知，10a樹齡棗林地a剖面在0～2.7m基本為中效水，2.8～3.3m為難效水，3.4～5m為無效水；b剖面在0～2m基本為中效水，2.1～2.9m為難效水，3～5m為無效水；c剖面在0～0.2m為易效水，0.3～0.7m為中效水，0.8～1m和1.7～2.4m為難效水，2.5～5m為無效水。30a樹齡棗林地a剖面在0～0.6m為易效水，0.7～1.6m和2.4～2.8m為中效水，1.7～2.3m和2.9～3.7m為難效水，3.8～5m為無效水；b剖面在0～0.7m為易效水，0.8～1.5m為中效水，1.6～3.5m為難效水，3.6～5m為無效水；c剖面在0～1.1m為易效水，1.2～2.5m為中效水，2.6～3.8m為難效水，3.9～5m為無效水。50a樹齡棗林地a剖面在0～1.2m為易效水，1.3～2.1m為中效水，2.2～5m為難效水，此剖面沒有無效水；b剖面在0～1.4m為中效水，1.5～2.6m和4.9～5m為難效水，2.7～4.8m為無效水；c剖面在0～1.3m為中效水，1.4～2.3m為難效水，2.4～5m為無效水。根據(jù)各樹齡3個(gè)樣點(diǎn)的平均值得出，10齡棗林地?zé)o易效水，在0～1.2m為中效水，1.3～3m為難效水，3.1～5m為無效水；30齡棗林地在0～0.8m為易效水，0.9～1.7m為中效水，1.8～3.7m基本為難效水，3.8m以下為無效水；50齡棗林地?zé)o易效水，在0～1.5m為中效水，1.6～2.7m基本為難效水，2.8m以下為無效水。

圖4 土壤干層與土壤水分有效性分布

3 討論與結(jié)論

坡地是黃土丘陵區(qū)主要的地貌類型之一，黃土丘陵區(qū)土質(zhì)疏松，坡地植被稀疏的地方在降雨的沖刷下易形成水土流失，因而坡地是黃土丘陵區(qū)水土流失的主要源地，在坡地進(jìn)行植被建設(shè)對(duì)保持水土尤為重要[13]。土壤水分是影響植物生長(zhǎng)和植被重建的主要限制因子，而不同樹齡植被的土壤水分也存在差異[4]。

本研究結(jié)果表明，不同樹齡的棗林地土壤水分隨深度增加而逐漸降低；不同樹齡棗林地在0～5m土壤水分平均值隨樹齡增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，即30a(8.64%)>10a(7.54%)>50a(7.69%)，這與馬鵬毅等[14]研究一致。其中，30a樹齡土壤含水量最高的原因可能是30a棗樹冠幅均較大，郁閉度較高，可減少陽光直射地面，增加地表濕度等，從而降低地面蒸發(fā)，因而30a樹齡的棗樹土壤含水率也較高[5]。50a樹齡棗樹土壤含水量最低可能是因?yàn)闂棙涓瞪锪枯^大，需要吸收更多的土壤水分[7]。

辛小桂等[7]認(rèn)為，隨著棗樹樹齡增加，土壤干層厚度增加。對(duì)比3種不同林齡棗林地土壤水分平均值可以發(fā)現(xiàn)，2m以下全部為中度及嚴(yán)重干層，土壤嚴(yán)重干層厚度從大到小為50a(2.2m)>10a(1.9m)>30a(1.2m)。不同樹齡的植被根系發(fā)育程度不同，對(duì)土壤水分的吸收也有差異，李藍(lán)君等[15]認(rèn)為，根系吸水能力隨樹齡增大而增大，50a樹齡棗樹土壤干層最嚴(yán)重主要是由于隨著棗樹生長(zhǎng)年限增加，根系向深層延伸，對(duì)深層土壤水分利用加劇，從而使深層土壤水分虧缺[7]。而30a樹齡棗樹土壤干層程度要低于10a樹齡棗樹的原因可能是，30a樹齡棗樹冠層較大，減少了土壤表層水分的蒸發(fā)，從而土壤干層厚度較小。

土壤水中的中效水和難效水雖能夠被植物吸收利用，但在一定程度上受土水勢(shì)的影響，從而在一定程度上抑制棗樹的生長(zhǎng)，而無效水則表明植物不能吸收利用此部分水分[10]。結(jié)果表明，10a樹齡棗樹土壤中能被植物吸收利用的水分較少，30a樹齡棗樹土壤中有易效水，能被植物吸收利用的水分較多，50a樹齡棗樹土壤中從2.8m起為無效水，無效水厚度從大到小為50a(2.2m)>10a(1.9m)>30a(1.2m)，棗樹吸收土壤水分受到抑制，不利于棗林生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高。

綜合考慮，10a樹齡棗樹正值生長(zhǎng)旺盛期，植被的蒸騰量和需水量都較大，土壤含水量減少；30a樹齡棗樹生長(zhǎng)穩(wěn)定，根系向下延伸，根系生物量增加，降雨隨根系滲深加大，土壤含水量增大，加之30a樹齡棗樹冠層蓋度大，減少了土壤水分的蒸發(fā)，另外，30a樹齡棗樹位于陰坡，陰坡棗林地溫度低于陽坡，土壤水分蒸發(fā)能力弱，所以土壤水分含量較高[6]；而50a樹齡棗樹可能已進(jìn)入衰敗期，蒸騰量及水分消耗量均加大，深層土壤水分被大量消耗，導(dǎo)致土壤含水量減少[11]。其中，30a樹齡棗林地基本能滿足生長(zhǎng)水分需求，10a樹齡棗林地加大治理力度，也可滿足一定的水分需求。不同樹齡的棗林地在0～5m深的土層中，2m以下均發(fā)育中度干層，因此需要進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充灌溉或降低種植密度，增加表層土壤水，降低深層土壤水分的利用，從而防止土壤干層等問題[14]。