不同立地條件下沙棘土壤水分分布特征及動態(tài)生長研究

閔梓驍，張建新，范文波，楊海梅，喬長錄，許忠宇

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院，新疆 石河子 832000)

土壤水是水文循環(huán)的重要組成部分，是植物生長的重要影響因素，同時也是SPAC中不可或缺的紐帶。土壤水分受到地域、氣候及季節(jié)變化的影響使其具有明顯的時空變異性，并且在偏小的區(qū)域范圍內(nèi)，不同地形基準(zhǔn)下土壤水分存在顯著空間異質(zhì)性。新疆地處西北邊陲，干旱少雨，日照時間長且蒸發(fā)較大，土壤含水情況常年處于虧缺狀態(tài)，天然降雨為該地區(qū)主要土壤水分補給。沙棘針狀落葉形灌木，有著抗旱耐寒，可在鹽漬化土地生存和需水量少等特點。用作水土保持、荒漠化治理和防風(fēng)林的先鋒樹種被廣泛種植于干旱半干旱地區(qū)，尤其是新疆。由此探究沙棘土壤水分分布對改善其生長環(huán)境有著重要意義。

目前，前人對于土壤水分的研究大多在于植物年限對土壤水分的影響，土地類型與土壤水分的關(guān)系以及土壤水分對不同林地類型和種植密度的響應(yīng)等。羅珠珠等研究發(fā)現(xiàn)，隨著紫花苜蓿栽種年限的增長，土壤水分消耗速率加劇，其中3年苜蓿的水分消耗速率最大；馬鵬毅等對不同蘋果樹齡土壤水分情況進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，8年蘋果樹土壤水分情況較好，土壤貯水量較高，17年及25年蘋果樹的水分情況則明顯降低；唐敏等基于不同土地類型土壤水分變化開展研究顯示，枯水年土壤水分情況為梯田>草地>耕地，平水年為草地>梯田>耕地；杜康等揭示了不同土地利用方式有著顯著的時間特征和滯后效應(yīng)，其土壤水分情況為梯田>草地>林地；趙丹陽等研究水分對不同林地類型的響應(yīng)認(rèn)為，天然次生林的年平均土壤儲水量情況均優(yōu)于人工刺槐林；王莉等研究認(rèn)為，在青海高寒地區(qū)華北落葉林適宜種植在水分較虧缺地區(qū)作為水土保持樹種，青海云杉則適宜種植在水分條件較好地區(qū)作為水源涵養(yǎng)林；程一本等揭示了黃土丘陵風(fēng)沙區(qū)土壤水分垂直分布規(guī)律，提出該區(qū)域檉柳的合理種植密度為1 923株/km。但是針對立地條件的基準(zhǔn)下土壤水分變化的研究較少。因此，本文選用沙棘作為試驗樹種，研究其在不同立地條件下的土壤水分分布特征及生長情況，以期為該地區(qū)荒山治理、造林選地和生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

瑪納斯縣地屬新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州，屬于典型的中溫帶大陸性干旱半干旱性氣候，冬季嚴(yán)寒且時間長，夏季干旱且時間短。年日照時間長達(dá)2 750 h。由圖1可知，降雨主要集中在5—9月，年平均降水量173.3 mm，占全年降水量的27%，年均蒸發(fā)量約1 500～2 000 mm；年平均氣溫為4.7～5.7 ℃，且季節(jié)性氣溫相差較大，夏季極端氣溫高達(dá)43.1 ℃，冬季極端氣溫低達(dá)-42.8 ℃。

圖1 試驗地氣象數(shù)據(jù)

1.2 試驗地布置

開始機(jī)械整地前對試驗地土壤環(huán)境進(jìn)行分析，做好整地的各項準(zhǔn)備工作，為林木的生長發(fā)育提供一個較為良好的環(huán)境。用小型挖掘機(jī)在造林地挖出排列整齊的樹坑，后通過人工將樹坑修筑成規(guī)格為60 cm×60 cm×80 cm的魚鱗坑。由于造林地為坡地，所以根據(jù)坡向在魚鱗坑的下側(cè)部分填筑較多的土，防止雨水沖垮，上側(cè)部分則不需要填土。魚鱗坑的行間距為3 m×2 m，在魚鱗坑的上側(cè)部分進(jìn)行整平，兩側(cè)進(jìn)行填土加高，使其修筑成長為2 m、寬為1 m的長方形集水區(qū)，同時覆蓋集水膜，使天然降水能夠匯流在魚鱗坑上側(cè)的集水區(qū)，沿地勢向下流動，在集水區(qū)匯集流入魚鱗坑。為滿足集水區(qū)需面積一致的試驗要求，對集水區(qū)的整平及覆蓋集水膜均需進(jìn)行核驗。

1.3 研究方法

1.3.1 氣象資料 查詢中國氣象網(wǎng)，每日記錄最高氣溫、最低氣溫、降水量等信息。

1.3.2 土壤水分測定 于2021年3月25日在每塊樣地魚鱗坑內(nèi)布置TRIME—TDR測管，同年5—9月采用TRIME—TDR測定儀測定土壤體積含水率，分別于每月上旬、中旬及下旬對土壤體積含水率進(jìn)行測定，監(jiān)測最大深度為1 m，10 cm為1層監(jiān)測指標(biāo)，重復(fù)3次，采用土鉆取土樣，取土深度與儀器監(jiān)測深度相同，采用烘干法對儀器探頭所測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方程為：=-00062+01822+19415，=0.956。

1.3.3 生長指標(biāo)測定 平均地徑：采用十字交叉法(東西、南北方向)對植株逐一掛牌標(biāo)記測量試驗植株地徑；新枝長度：每個處理選取長勢均勻的3棵沙棘，從新枝開始生長時，在不破壞新枝生長的狀況下在每棵試驗樹種上標(biāo)記一處新枝用卷尺進(jìn)行長度積累量觀測；植株株高：將試驗植株逐一自地表到株冠測定高度；存活率=存活沙棘數(shù)/沙棘總數(shù)

1.3.4土壤儲水量 計算公式為：

式中：為一定深度的土壤儲水量(mm)；為劃分的土壤層數(shù)；為土層體積含水率(%)；為第層土壤厚度(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用SPSS 20軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析、單因素方差分析及Duncan多重統(tǒng)計分析，采用Origion 2018軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 立地條件下沙棘土壤水分的時間分布

2.1.1 坡向?qū)ι臣寥浪謺r間的變化影響 由圖2可知，陰陽兩坡土壤儲水量大體呈正弦趨勢變化，5—6月土壤儲水量呈不同速率的下降趨勢，陽坡較陰坡下降速度快；6—7月土壤儲水量開始一致大幅度提高；7—9月土壤儲水量表現(xiàn)出不同程度波動，其中陽坡下降幅度較大。

圖2 不同坡向土壤儲水量

在0—100 cm的土層中，隨著時間變化，不同月份下土壤儲水量陰坡均大于陽坡，2塊沙棘樣地土壤儲水量的峰值皆出現(xiàn)在7月，其中陰坡最大儲水量為183.07 mm，較陽坡的最大儲水量多11.14 mm，土壤儲水量的谷值均出現(xiàn)在5月底，其中陽坡的最小儲水量為121.10 mm，較陰坡的最小儲水量少16.19 mm。兩坡向土壤儲水量振幅由大到小分為陰坡(31.62 mm)，陽坡(29.70 mm)，土壤平均儲水量陰坡為157.82 mm，陽坡為146.47 mm。采用單因素方差分析法對陰陽兩坡沙棘土壤儲水量進(jìn)行分析，結(jié)果顯示差異性極顯著(<0.01)，表明陰坡更有利于蓄積土壤水分。

2.1.2 坡位對沙棘土壤水分時間的變化影響 由圖3可知，坡頂、坡中及坡底沙棘土壤儲水量大體呈正弦變化趨勢，5—6月，3塊樣地土壤儲水量呈不同速率下降趨勢，下降速率由大到小分別為坡頂、坡中和坡底；6—7月，土壤儲水量開始一致快速上升；7—9月，儲水量逐漸降低，其中坡底和坡中下降較快。

圖3 不同坡位土壤儲水量

在0—100 cm的土層中，隨著時間變化，坡底沙棘土壤儲水量顯著高于坡頂，坡頂沙棘的平均土壤儲水量為111.34 mm，坡中沙棘為126.87 mm，坡底為146.47 mm，在5個月中坡底的儲水量均高于坡中及坡底。研究區(qū)內(nèi)的3塊樣地土壤儲水量的峰值均出現(xiàn)在7月，分別為171.93，155.82，138.66 mm；6月均出現(xiàn)土壤儲水量的谷值，分別為121.10，96.43，73.48 mm。3塊樣地土壤儲水量振幅由大到小分為坡底(32.59 mm)、坡中(29.70 mm)、坡頂(25.42 mm)，采用單因素方差分析法和Duncan多重統(tǒng)計分析對坡頂、坡中及坡底沙棘土壤儲水量進(jìn)行分析，差異性極顯著(<0.01)，坡底沙棘的土壤儲水量明顯高于坡頂(<0.01)，其他樣地之間差異性不顯著(>0.05)，表明坡底土壤水分較好。

2.1.3 立地條件下土壤水分季節(jié)性劃分 觀察土壤儲水量的變化可以將土壤水分按照季節(jié)劃分，結(jié)果為消耗期(5—6月)、快速補充期(6—7月)和消退期(7—9月)。消耗期：氣溫升高，土壤蒸發(fā)加快伴隨著植株的生長，開始消耗土壤儲水量；快速補充期：7月氣溫升高，雖然沙棘的蒸騰耗水和土壤表層的蒸發(fā)消耗大量的水分，但是降雨量的增大對土壤中的水分充分補給并且提高，使得儲水量達(dá)到最高峰值；消退期：8月氣溫達(dá)到峰值同時降雨減少，土壤蒸發(fā)和沙棘蒸騰耗水旺盛，導(dǎo)致土壤水分減小，9月降雨量減少，土壤蒸發(fā)減弱，沙棘耗水減小，沙棘即將進(jìn)入休眠期停止生長，土壤儲水量進(jìn)入消退期。

2.2 立地條件下沙棘土壤水分垂直分布

2.2.1 坡向?qū)ι臣寥浪执怪弊兓挠绊?圖4為研究區(qū)內(nèi)沙棘生長季(5—9月)不同坡向的土壤水分垂直分布情況。5月土壤水分垂直變化顯著，陰坡沙棘于0—40 cm土層的含水率持上升狀態(tài)，40—100 cm土層的含水率持下降狀態(tài)；陽坡于0—50 cm土層含水率持上升狀態(tài)，50—100 cm土層持下降狀態(tài)；6月土壤水分垂直變化劇烈，陰坡沙棘0—60 cm土層含水率快速上升，60 cm后土壤含水率快速下降；陽坡沙棘10—50 cm土層含水率快速上升，50 cm后土壤含水率快速下降；7月土壤水分垂直分布變化明顯，陰坡沙棘于0—40 cm土層土壤含水率呈上升狀態(tài)，40—60 cm土層土壤含水率呈快速下降狀態(tài)，后60—100 cm土層呈穩(wěn)步下降趨勢；陽坡沙棘于0—70 cm土層土壤含水率上升后下降，70—100 cm土層呈穩(wěn)步下降；陽坡含水率在0—60 cm隨土層深度的加深呈快速增加后再迅速下降，60—100 cm土層呈穩(wěn)定下降趨勢。9月陰陽坡土壤水分變化趨勢大致相同，陽坡含水率呈先增大后減小趨勢，陰坡土壤含水率在0—30 cm土層之間出現(xiàn)波動，呈先增大后穩(wěn)步減小的趨勢。

圖4 不同坡向沙棘土壤水分垂直分布

在0—100 cm的土層中，陰坡沙棘平均含水率為18.47%，陽坡沙棘平均含水量為16.88%，陰陽坡沙棘含水率最大值均出現(xiàn)在40—60 cm土層，最小值均出現(xiàn)在100 cm土層。采用單因素方差分析法分析陰陽坡沙棘在垂直方向?qū)ν寥篮什町愃?，結(jié)果顯示差異性極顯著(<0.01)，證明土壤水分的垂直分布變化在坡向不同的基礎(chǔ)上具有顯著影響，同時表明陰坡沙棘土壤含水率均高于陽坡。

2.2.2 坡位對沙棘土壤水分垂直變化的影響 圖5為試驗區(qū)內(nèi)沙棘樣地不同坡位土壤在5—9月的垂直分布情況。5月，坡頂沙棘0—50 cm土層土壤含水率快速上升，在50—70 cm土層則呈下降趨勢，70—100 cm下降速度變緩；坡中沙棘在0—50 cm呈波動增長，50—100 cm含水率波動下降；坡底沙棘土壤含水率于0—50 cm呈不同速率增長，50 cm后緩慢下降；6，7，8月，不同坡位的土壤水分垂直分布趨勢相似。6月坡頂?shù)纳臣?—50 cm土壤含水率增大，50—100 cm逐步減小，坡中及坡底沙棘于0—60 cm土壤含水率快速上升，60—100 cm下降；7月坡頂、坡中及坡底土壤含水率較6月和5月總體增大，其土壤含水率在0—50 cm增大，50—100 cm減??；8月土壤含水率較7月減小，0—50 cm坡頂、坡中及坡底土壤含水率增長呈遞增狀態(tài)，50—100 cm減少；坡頂、坡中及坡底減小速率呈遞減狀態(tài)；9月土壤水分垂直分布大致呈波動增長后快速減小趨勢，坡頂沙棘10—50 cm快速增長，隨后至100 cm減??；坡中及坡底于0—60 cm呈不同程度增長，坡底增長速率明顯高于坡中，60—100 cm呈不同速率減小，坡中減小速率明顯高于坡底。

圖5 不同坡位土壤水分垂直分布

在0—100 cm的土層中，坡頂、坡中及坡底沙棘平均含水率分別為14.32%，16.72%和18.84%。3塊樣地土壤含水率峰值皆出現(xiàn)在50—60 cm土層范圍內(nèi)，谷值則皆出現(xiàn)在100 cm處。采用單因素方差分析法和Duncan多重統(tǒng)計分析對坡頂、坡中及坡底沙棘土壤含水率垂直剖面進(jìn)行分析，結(jié)果顯示差異性極顯著(<0.01)，證明土壤水分的垂直分布變化在坡位不同的基礎(chǔ)上具有顯著的影響，同時表明坡底水分條件較好，坡中及坡頂次之。

2.2.3 立地條件下土壤水分垂直分層 根據(jù)宋小林等、李增堯等和韓曉陽等對土壤水分垂直分布的劃分研究，結(jié)合沙棘的根系分布情況，采用變異系數(shù)法對研究區(qū)內(nèi)各個沙棘樣地0—100 cm土層進(jìn)行垂直劃分，分別為顯著變化層(Cv>0.2)、次變化層(0.2>Cv>0.1)及相對穩(wěn)定層(Cv<0.1)，劃分情況見表1和表2。

表1 不同坡向沙棘年生長季平均土壤含水率及變異系數(shù)

表2 不同坡位沙棘年生長季平均土壤含水率及變異系數(shù)

顯著變化層：天然降雨進(jìn)入該土層，使得土壤含水率快速增加，降雨結(jié)束，土壤水分的下滲、土層的蒸發(fā)以及植株根系吸水導(dǎo)致形成顯著的變化層；該層對植株的生長作用影響不大，水分的利用效率不高，因此也被稱為水分弱利用層；次變化層：降雨后雨水下滲到該土層，對該土層進(jìn)行水分補給，同時林木根系主要吸水也是在該土層，次變化層因受降雨水分補給和根系吸水時水分消耗的2種作用，在干旱時期土壤水分虧缺，進(jìn)入雨季土壤水分得到補充，具有明顯的季節(jié)性變化，該層對植株的生長具有重要的作用，被稱為水分高效利用層；相對穩(wěn)定層：天然降水難以下滲到該土層，同時植株的根系數(shù)量在該層減少，土壤的蒸騰作用也減弱，土壤含水率較低但較其他2層穩(wěn)定，在豐水年時充沛的降水可深入該土層，在枯水年時可以向上層提供水分以保證植株的存活，是干旱年時對林木的保障層。

表3和表4為不同立地條件沙棘土壤水分剖面根據(jù)變異系數(shù)數(shù)值劃分，結(jié)果顯示，顯著變化層為陰坡沙棘和坡底沙棘0—20 cm土層、陽坡、坡頂和坡中0—40 cm土層；次變化層為坡頂沙棘40—60 cm土層、陽坡和坡中40—80 cm土層及陰坡和坡底20—80 cm土層；相對穩(wěn)定層為坡頂沙棘60—100 cm土層、陰陽坡、坡中和坡底80—100 cm土層。

表3 不同坡向沙棘樣地土壤水分垂直劃分

表4 不同坡位沙棘樣地土壤水分垂直劃分

2.3 立地條件下沙棘的生長狀況影響

經(jīng)過試驗記錄不同坡向?qū)ι臣拇婊盥始爱?dāng)年生長量，結(jié)果顯示陰坡情況較好，樣地內(nèi)陰坡沙棘的平均地徑為21.42 cm，新枝長度為18.40 cm，植株株高為154 cm，存活率為86%；樣地內(nèi)陽坡沙棘的平均地徑為12.77 cm，新枝長度為11.30 cm，植株株高為123 cm，存活率為67%。同時不同坡向沙棘的存活及生長經(jīng)過多重比較分析，差異性均達(dá)極顯著水平(表5)。

表5 不同坡向?qū)ι臣拇婊盥始爱?dāng)年生長量與多重比較分析

通過對比不同坡向?qū)ι臣拇婊盥始爱?dāng)年生長量試驗以坡底情況較好，試驗區(qū)內(nèi)坡頂沙棘平均地徑為11.80 cm，新枝長度為11.20 cm，植株株高為122.20 cm，存活率為62%；試驗區(qū)內(nèi)坡中沙棘平均地徑為16.42 cm，新枝長度為14.30 cm，植株株高為140.4 cm，存活率為80%；試驗區(qū)內(nèi)坡底沙棘平均地徑為21.30 cm，新枝長度為18.20 cm，植株株高為152.00 cm，存活率為82%。對不同坡位沙棘的地徑、新枝長度、新枝長度及存活率4個指標(biāo)進(jìn)行多重比較分析，其差異性均呈極顯著水平(表6)。

表6 不同坡位對沙棘的存活率及當(dāng)年生長量與多重比較分析

3 討 論

研究土壤水分時間變化顯示，季節(jié)性變化差異顯著。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)沙棘生長季天然降雨的分布趨勢(低—高—低)，將水分按季節(jié)劃分為消耗期(5—6月)、快速補充期(6—7月)和消退期(7—9月)。在消耗期(5—6月)因冬季融雪和少量的降雨雖然使得土壤水分得到補充，但是在生長季的初期沙棘對水分的需求較大，水分補充小于根系吸水，加之溫度升高，導(dǎo)致土壤蒸騰耗水，使得土壤水分不增反減，這與陳珊珊等的研究結(jié)果相似；快速補充期(6—7月)降水量大大提升使得土壤水分得到充分的補充，補充大于消耗使得土壤水分達(dá)到生長季中的峰值，與王帥兵等的研究結(jié)果一致；消退期(7—9月)降水量減少，沙棘進(jìn)入生長季的末期，氣溫達(dá)到最高，土壤蒸騰最大，土壤含水率逐漸減小。土壤水分變化及季節(jié)劃分受到研究地區(qū)不同、降雨分配不同及樹種不同等方面的影響，不同立地條件對水分的影響具有一定的差異性，因此對于土壤水分季節(jié)劃分與張敏等和孔凌霄等的研究結(jié)果不同。

土壤水分垂直變化分布存在相似的趨勢，均為先增大后減小，降雨對土壤水分顯著變化層和次變化層影響較大。降雨使得雨水下滲，土壤蒸騰使得水分上升，根系吸水消耗，使得土壤水分在2個變化層呈波動狀，而相對穩(wěn)定層對此則影響不大，根據(jù)變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，與陳洪松等和蘇瑩等的變異系數(shù)隨著土層深度的增大而減小的結(jié)果相同，與張曉梅等的研究結(jié)果不同，這可能是與當(dāng)?shù)貧夂驐l件不同以及土層深淺不同相關(guān)。

陰坡較陽坡土壤水分較高，陰坡沙棘長勢及存活情況明顯高于陽坡，因陽坡光照時長及強度高于陰坡，使得陽坡土壤水分蒸發(fā)較大，土壤儲水量較和坡頂沙棘長勢及存活情況低于坡中和坡底，因坡底地勢較低，受到重力的影響，有利于水分匯集及下滲，使得坡底土壤水分條件較好，這與朱海等研究結(jié)果相同。

綜上所述，新疆瑪納斯地區(qū)沙棘種植中應(yīng)當(dāng)考慮立地條件對土壤水分的影響，建議在陰坡坡底種植，此時土壤水分情況適宜，對土壤水分利用較好。土壤水分分布及動態(tài)生長不僅與降水有關(guān)，還應(yīng)考慮種植密度、樹齡、林木種類等眾多影響因素。因此，在今后的研究中還需綜合考慮多個影響因子，以期使研究結(jié)果更加深入，更加完善。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)內(nèi)季節(jié)性變化分為消耗期、快速補充期和消退期，主要影響因素為天然降水量的分配情況。

(2)樣地內(nèi)土壤水分垂直劃分層次為土壤水分顯著變化層、土壤水分次變化層和土壤水分相對穩(wěn)定層，隨著土層的加深，土壤水分含量皆呈先增大后減小的變化趨勢。

(3)立地條件對于沙棘存活和生長情況具有顯著影響，陰坡土壤水分情況優(yōu)于陽坡，坡位越低土壤水分越好，植株生長及存活情況與土壤水分情況趨勢相同。