黃土丘陵區(qū)棗林土壤溫濕度特征研究

李皖寧，陳子惟，顧雷蒙，季春孝，司欣玉，唐 敏，張 超

（揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

1 研究背景

土壤濕度是反映林地土壤水分條件的一個(gè)重要指征，其數(shù)值的高低及分布情況可影響土壤性狀而間接作用于植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程[1]。土壤溫度作為土壤的主要物理特性，對(duì)植被的生長(zhǎng)發(fā)育起決定性作用，直接影響根系生長(zhǎng)和根系對(duì)水分、礦物營(yíng)養(yǎng)的吸收以及根系其他代謝活動(dòng)的進(jìn)行[2]。因此，研究土壤水分和溫度的動(dòng)態(tài)變化過程對(duì)于明晰植被對(duì)土壤水熱環(huán)境的適應(yīng)性尤其重要。

黃土高原區(qū)域干旱少雨、生態(tài)惡劣。長(zhǎng)久以來，農(nóng)業(yè)的大力擴(kuò)展導(dǎo)致地表植被破壞嚴(yán)重，加重了水土流失和生態(tài)環(huán)境退化[3]。自1999 年我國(guó)實(shí)施退耕還林政策以后，黃土丘陵區(qū)棗林栽植范圍迅速擴(kuò)大，僅陜西省榆林地區(qū)面積高達(dá)6.67×104hm2，為推動(dòng)區(qū)域農(nóng)林經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)起到了重要作用[4]。然而該地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏，土壤水分是制約該地區(qū)農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[5]。地表蒸發(fā)是土壤中水分散失的主要途徑，而地溫是影響地表蒸發(fā)的主要因子之一[6]。有研究表明，黃土高原氣溫日變幅及季節(jié)溫差大[7]，而土壤溫度對(duì)氣溫的變化較為敏感，其隨氣溫變化而波動(dòng)，進(jìn)而影響土壤濕度。近年來，關(guān)于黃土丘陵半干旱區(qū)棗林地土壤水分特征已有較多的研究[8]，對(duì)棗林地土壤水分動(dòng)態(tài)變化有了一定認(rèn)識(shí)，但目前的研究中長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)資料較少，主要以人工測(cè)量為主，不僅測(cè)量密度低，而且觀測(cè)時(shí)間短，尤其是關(guān)于黃土丘陵區(qū)旱作棗林土壤溫度變化的研究鮮有報(bào)道，這些都制約了對(duì)棗林土壤水熱特征的深入理解。

本研究以12 年生旱作棗林為對(duì)象，通過對(duì)土壤水分和溫度的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)闡明了棗林土壤水分和溫度的季節(jié)性變化規(guī)律以及土壤剖面水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律和逐層土壤溫度變化規(guī)律，以期為黃土丘陵區(qū)棗林科學(xué)管理以及制定適宜的覆蓋和工程措施提供重要的理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在陜北榆林市清澗縣店則溝鎮(zhèn)園則溝小流域紅棗試驗(yàn)基地進(jìn)行。該地位于黃土高原中部偏北，地形溝壑縱橫交錯(cuò)，水土流失嚴(yán)峻，生態(tài)環(huán)境惡劣。該區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降雨稀少，水分蒸發(fā)嚴(yán)重。多年平均氣溫8.5℃，多年平均降雨量497mm，且7-9月的降雨量占整年降雨量的70%。研究區(qū)土壤主要為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土，入滲能力較強(qiáng)，田間持水率為25%（體積含水率，下同）。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)在棗林內(nèi)具有代表性的典型坡面上，試驗(yàn)樹種為12 年生梨棗（Ziziphus jujube Mill.），株、行距2m×3m，棗樹平均高度2m，冠幅直徑1.4m。棗林采取矮化密植型修剪栽培模式，各棗樹施肥種類和用量均與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

2.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

采用RR-7210 土壤溫濕度自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置于2014年3 月安設(shè)于棗林地，土壤溫度傳感器埋藏深度分別為10、20、40、60、100cm，測(cè)量精度±0.2℃，測(cè)量分辨率0.02℃；土壤水分傳感器埋藏深度依次為10、20、40、60、100、160、220、280cm，測(cè)量精度±3%，測(cè)量分辨率0.1%。于2014-2016 年連續(xù)3 年對(duì)棗林地土壤溫度和水分連續(xù)測(cè)定，測(cè)量和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔分別為2min 和10min。

2.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Microsoft Excel 2010 和MATLAB R2015b 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 18.0 軟件實(shí)現(xiàn)，采用Excel 2010 和Origin 8.0 軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分時(shí)空變化規(guī)律

3.1.1 土壤水分垂直變化規(guī)律。由圖1 結(jié)果可知，對(duì)于棗林0～280cm 土層，土壤含水量在垂直方向上的分布規(guī)律基本相同，土壤含水量的變異性隨著土壤深度的增進(jìn)逐漸減小，土壤含水量變化整體呈倒S 型。

按照土壤水分在垂直剖面上的多寡及變異性可分成2 個(gè)層次：即土壤水分劇烈變化層（0～100cm）和土壤水分緩和變化層（100～280cm）。在0～100cm 土層，各土層土壤含水量變化都頗為劇烈，各土層的變異系數(shù)（Cv）均在14%以上。10、20、40、60cm 土壤含水量3 年的平均Cv 分別達(dá)到46.93%、31.16%、27.13%、20.14%。在100～280cm 土層，盡管隨著土層加深，土壤含水量變異性逐漸減弱，但是Cv 仍高于2%。該土層土壤含水量的拐點(diǎn)出現(xiàn)在160cm 處，2014-2016 年該深度土壤含水量分別為（14.47±1.08）%、（14.30±0.36）%和（12.95±0.33）%，均高于上、下土層的含水量。0～280cm各土層含水量的變化是降水入滲和棗樹根系吸水綜合作用的結(jié)果，0～160cm 土層相對(duì)較淺，更易于受到降水補(bǔ)充，有時(shí)甚至超過根系吸水，因此該土層土壤水分表現(xiàn)出積累趨向；在160cm 以下土層，降水的補(bǔ)充效應(yīng)削弱乃至消散，在根系吸水的影響下，土壤水分含量逐漸減小。也就是說，160cm 以上土層土壤水分變化的首要主宰因子是降水，而160cm 以下的土層則是根系吸水。

由圖1 可知，盡管2014-2016 年土壤含水量變化規(guī)律相似，但在不同降水年型下，各土層尤其是上層土壤水分含量的變化依舊差異鮮明。2014 年棗樹生育期（5-10 月）降水量多，土壤水分含量整體比較高，因此0～20cm 土層含水量高于10%長(zhǎng)達(dá)105d，尤其是在7月10 日，0～20cm 土層含水量高達(dá)19.05%，達(dá)到3 年以來的最高值。2015 年生育期降雨較少，僅有206.4mm，觀測(cè)到表層0～20cm 土壤含水量大于10%的天數(shù)只有31d，并且表層最大土壤含水量?jī)H有17.15%。雖然2014-2016 年0～280cm 土壤含水量變化規(guī)律基本相同，Cv 均隨著土層深度增進(jìn)而減低，但在同一土層的Cv 值卻在逐年增加。2014 年棗樹生育期40、100、220cm 處土壤含水量Cv 分別為20.68%、7.47%、2.40%，2015 年分別提升至24.08%、14.29%、9.57%，2016 年再次增大，分別為36.62%、15.27%、10.53%。這主要?dú)w因于棗林內(nèi)采取了魚鱗坑覆蓋組合措施，使棗林土壤蓄水保墑的能力有所提升，降水對(duì)土壤水分的作用得以增加。表明采用適宜的土壤管理措施尤其是蓄水保墑措施，能夠更好地改進(jìn)棗林土壤水分環(huán)境，提升棗林的蓄水功能，這對(duì)干旱和半干旱區(qū)域的果園管理具有重要作用。

圖1 土壤含水量垂直變化

3.1.2 土壤水分年際變化規(guī)律。鑒于土壤水分在0～100cm 土層變化較為強(qiáng)烈（圖1b），因此對(duì)0～100cm土層水分含量進(jìn)行主要剖析，發(fā)現(xiàn)在棗樹生育期內(nèi)土壤含水量因?yàn)槭艿浇涤旰透滴墓餐绊懚尸F(xiàn)強(qiáng)烈波動(dòng)的態(tài)勢(shì)，在棗樹休眠期（11 月至翌年4 月）土壤含水量基本維持穩(wěn)定（圖2）。2014、2015、2016 年棗樹生育期內(nèi)降雨量分別是377.4、206.4、374mm，依次占當(dāng)年降水量的83.91%、63.08%、78.94%。同一時(shí)期土壤水分變化受降雨的影響明顯，生育期內(nèi)土壤含水量在降水后快速上升，這與高曉東等[9]研究黃土高原中北部不同土地利用類型土壤剖面水分時(shí)空變化所得結(jié)論相同，在雨量豐沛的2014 年，棗樹生育期內(nèi)平均土壤含水量為11.12%，至生育末期土壤含水量升高了3.72%，0～100cm 土層的儲(chǔ)水量增長(zhǎng)了37.2mm。而在雨水相對(duì)匱乏的2015 年，棗樹生育期內(nèi)平均土壤含水量?jī)H有8.76%，生育末期土壤儲(chǔ)水量相比早期減少了23.7mm。豐水年（2014 年）不只土壤含水量較高，并且受降雨作用土壤含水量變異性也較大（Cv=24.87%），在2014 年7 月10 日土壤含水量到達(dá)全年最大值16.80%，主要是由于7 月8-10 日這3d 累積降水量高達(dá)86.8mm，并且最高值遠(yuǎn)大于干旱年2015 年的最高值12.43%。

圖2 土壤含水量年際動(dòng)態(tài)變化

3.2 土壤溫度的變化特征

3.2.1 土壤溫度的年際變化規(guī)律。對(duì)棗林10、20、40、60、100cm 的地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，由圖3 可見，各土層溫度表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，2014-2016年3 個(gè)試驗(yàn)?zāi)陜?nèi)均呈現(xiàn)為正弦曲線，這與氣溫的年際變化特征一致。春季（3-5 月）0～100cm 各土層溫度整體呈上升趨勢(shì)；夏季（6-8 月）土壤溫度基本處在高溫穩(wěn)定階段，2014—2016 年夏季0～100cm 土層平均土壤溫度分別為22.78、24.03、23.89℃；秋季（9-11 月）不同深度土壤溫度均呈現(xiàn)下降走勢(shì)；冬季（12 月-翌年2 月）各土層溫度居于低溫穩(wěn)定階段，2014 年和2015 年冬季0～100cm 土層平均溫度分別為2.30、1.45℃。由地表往下0～100cm 各個(gè)深度土壤溫度都有鮮明的季節(jié)變化特點(diǎn)，這也說明了氣溫變化最少影響到了地下100cm 處土壤溫度。淺層土壤因?yàn)楹涂諝饨佑|較為直接，受氣溫季節(jié)變化作用顯著，地溫波動(dòng)較大；而在深層的土體由于和大氣交換不及淺層土壤強(qiáng)烈，因而溫度的周年變化相對(duì)較小，且越往深層波動(dòng)越小。2014 年冬季10cm 和20cm 深度處土壤溫度到達(dá)0 ℃的時(shí)間分別滯后于空氣1d 和13d；2015 年冬季10、20、40cm 土壤溫度到達(dá)0 ℃的時(shí)間分別滯后于空氣22、49、60d。由此可見，土壤溫度從地面往下依次落后于氣溫變化，通常土層越深，遲延時(shí)間越長(zhǎng)。

圖3 土壤溫度年際變化

3.2.2 土壤溫度垂直分布特征。圖4 是根據(jù)不同土層溫度的月平均值作出的2014-2016 年土壤溫度時(shí)空分布圖。由圖4 可知，在2014 年和2015 年，10、20、40cm深處溫度均在7 月達(dá)到最高，60cm 和100cm 處地溫最高值顯現(xiàn)的時(shí)間遲延到8 月，“槽線脊線”表現(xiàn)出右傾趨勢(shì)。地溫變化之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，是由于上下土層間存在熱量交換，通常情況下，在冬季地表凈輻射是負(fù)值，表層土壤散失大量熱量，深層土壤的熱量逐步向表層土壤輸送，因此土壤溫度隨土層加深而升高，而在夏季情況則相反。

圖4 土壤溫度垂直分布

此外，3-8 月土層自上而下，土壤溫度呈遞減趨勢(shì)，圖上表現(xiàn)為隨深度增加，色調(diào)逐漸變冷；10 月-翌年2 月則呈現(xiàn)相悖的態(tài)勢(shì)。在季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)期（3 月和9月），0～100cm 土壤溫度垂向變異較小，分布也較為均勻；4 月開始從地表往下土壤溫度的垂直梯度逐漸增長(zhǎng)，特別是60 cm 以下深層土壤溫度的垂直梯度變化更加顯著，因此表明季候變化時(shí)由太陽輻射引發(fā)的地溫變化對(duì)深層土壤溫度的作用較小。

4 結(jié)論

（1）旱作棗林0～280 cm 土層水分波動(dòng)在垂直方向上隨土層加深而減小。棗樹生育期內(nèi)0～100cm 土壤含水率波動(dòng)劇烈，而休眠期相對(duì)穩(wěn)定。在平水年（2014年）該層土壤儲(chǔ)水量增加了37.2mm，而在干旱年（2015年）土壤儲(chǔ)水量減少了23.7mm。

（2）0～100cm 各層土壤溫度年變化均具有正弦曲線的特點(diǎn)，淺層土壤受隨機(jī)氣象因素影響波動(dòng)較大。不同深度土壤溫度季節(jié)變化特征格局相似，在1-2 月到達(dá)一年中的最小值，且到達(dá)年最低土壤溫度的時(shí)間隨著土層的加深依次滯后，2 月初始土壤溫度開始上升，于8 月初到達(dá)最高值。2014-2016 年不同土層地溫最大值、均值以及變異系數(shù)均隨土層的加深而逐步降低。