黃土丘陵溝壑區(qū)植被恢復(fù)過程中水保林地土壤水分變化

王輔　何倩　趙強　沙小燕　張鶴　韓芬

［關(guān)鍵詞］水保林；土壤水分；植被恢復(fù)；黃土丘陵溝壑區(qū)；葫蘆河流域

［摘要］為分析黃土丘陵溝壑區(qū)植被建設(shè)對土壤水分的影響，選擇平?jīng)鍪泻J河流域分批建設(shè)的水保林為研究對象，設(shè)置50個典型樣方，采用TRIME-PICO IPH2型土壤水分傳感器對水保林0～100 cm土層的土壤含水率進行測定，分析黃土丘陵溝壑區(qū)水保林地植被恢復(fù)過程中不同恢復(fù)時間、不同林分結(jié)構(gòu)特征（林分類型、林分密度、郁閉度、生物量）及不同立地條件下水保林地不同土層深度土壤含水率變化，結(jié)果表明：不同恢復(fù)時間條件下水保林地平均土壤含水率的變化大致呈現(xiàn)幾個階段，在恢復(fù)35 a后水保林開始受到土壤水分脅迫的影響，而受到水分脅迫影響的首先是土壤中間層；地形因子中影響最為直接的因子是坡向，平均土壤含水率陰坡最高，半陰坡和半陽坡次之，陽坡最低，結(jié)合坡度因子，為提高植被成活率宜選擇坡度20°以內(nèi)的陰坡、半陰坡宜林地；林分類型對各土層深度土壤含水率的影響總體上表現(xiàn)為純林地>混交林地，但也存在區(qū)域差異；林分密度2 000～2 200株/hm2時平均土壤含水率最高，達到8.33%；郁閉度0.75～＜0.80時水保林遮陰保水效果明顯，平均土壤含水率達到最大值8.18%；刺槐林樣方生物量3～＜4 kg/m2時平均土壤含水率達到最大值8.96%。因此，營建水保林進行植被恢復(fù)時，應(yīng)根據(jù)不同樹種冠層結(jié)構(gòu)選擇合理的栽植密度，保持合理的郁閉度和生物量，以利于保持足夠的土壤水分促進植物生長。

［中圖分類號］ S718.5［文獻標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1000－0941（2023）08－0017－05

在我國西北黃土高原地區(qū)，水分是植被生長的主要限制因素和決定土壤生產(chǎn)力的主要因素[1]。長期以來降水不足且分布不均，使土壤水分處于虧缺狀態(tài)，旱季植被生長所需水分主要依賴于土壤深層儲水[2-3]。近年來隨著大量植被恢復(fù)項目的實施，為了提高植被成活率、改善植被恢復(fù)效果、避免水保林大量損耗地下水資源，植被恢復(fù)與土壤水分之間的關(guān)系研究已成為黃土高原地區(qū)水土保持和植被恢復(fù)中水分利用研究的熱點[4-5]。作為典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，本研究選取甘肅省平?jīng)鍪泻J河流域為研究對象，分析黃土丘陵溝壑區(qū)植被建設(shè)對土壤水分的影響，對于協(xié)調(diào)降雨與土壤水分、植被覆蓋與土壤水分之間的關(guān)系具有重要意義，可為黃土高原同類型地區(qū)植被恢復(fù)過程中不同立地條件下林草植被的優(yōu)化配置和水分管理提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

平?jīng)鍪形挥诟拭CHYPERLINK"http：//baike.baidu.com/view/8461.htm"省中東部，被六盤山自北向南分為東西兩部分，其中西部為葫蘆河流域。葫蘆河流域地處華家?guī)X以東、六盤山以西、關(guān)山西麓，地理坐標(biāo)為35°00′36″～35°45′00″N、105°20′24″～106°24′00″E，東西長約102.36 km，南北寬約81.68 km，流域總面積3 701.67 km2，行政區(qū)劃上屬于靜寧縣和莊浪縣范圍。地貌類型屬隴中黃土丘陵溝壑區(qū)，丘陵及溝壑呈多級階狀分布，山梁與河谷相間，形成掌狀洼地黃土丘陵、剝蝕堆積黃土丘陵、低山侵蝕黃土丘陵、侵蝕堆積河谷4種地貌類型，由山丘、梁、峁、坡、溝、河漫灘、峽谷、河谷川地等多種地貌單元復(fù)合組成，相對高差200～300 m，溝壑密度1.5～2.0 km/km2，溝谷多呈U形，下切深度30～50 m。受大陸性季風(fēng)氣候影響，屬隴中中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季干旱少雨，夏秋季多東南風(fēng)、雨量多而集中，冬季多西北風(fēng)、干旱少雨雪，年均氣溫7.9 ℃，年均降水量484.7 mm，年均水面蒸發(fā)量880.7 mm，干旱指數(shù)1.83。受氣候和人類因素影響，流域內(nèi)林草覆蓋率僅為28.63%，遠低于黃土高原地區(qū)的平均水平。為恢復(fù)流域植被，近40多a來在流域內(nèi)分階段栽植了以刺槐、小葉楊、山杏、山毛桃、沙棘為主的大量水保林，其中人工刺槐林種植最為廣泛。

2研究方法

2.1樣方設(shè)置

以近40 a來平?jīng)鍪泻J河流域分階段栽植的水保林為研究對象，設(shè)置調(diào)查總樣方50個，研究黃土丘陵溝壑區(qū)水保林植被恢復(fù)過程中的土壤水分變化。各樣方中，按林齡（恢復(fù)時間，a）分，6～15 a樣方5個，16～20 a樣方8個，21～25 a樣方8個，26～30 a樣方18個，31～35 a樣方8個，36～40 a樣方3個；按林種分，刺槐林地樣方26個、山杏林地樣方6個、山毛桃林地樣方15個、小葉楊林地樣方12個、旱柳林地和云杉林地樣方各1個，其中混交林地樣方重復(fù)11個；按林分類型分，純林地樣方39個、混交林地樣方11個；按不同區(qū)域分（流域內(nèi)黃土丘陵溝壑區(qū)不同區(qū)域地貌類型不同），其中北部樣方25個、中部樣方13個、南部樣方12個。

2.2土壤含水率測定

土壤含水率測定時間選在2022年5月30日至2022年6月18日。選擇這個時間段，是因為在一年中這個時間段研究區(qū)天氣最為穩(wěn)定，同時調(diào)查樣方測定前1個月內(nèi)無降雨，水保林地土壤尤其深層土壤含水率處于最穩(wěn)定的狀態(tài)，有利于提高土壤含水率測定的可靠性。

采用德國IMKO公司生產(chǎn)的TRIME-PICO IPH2型剖面土壤水分傳感器，在調(diào)查樣方內(nèi)適當(dāng)位置清除表面枯落物，用土鉆垂直鉆至100 cm深度，插入100 cm長測管，再將傳感器插入，通過配套的手機軟件依次讀取傳感器插入深度分別為0～＜20、20～＜40、40～＜60、60～＜80、80～100 cm的數(shù)據(jù)，最后將手機內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦進行分析，取得50個樣方的土壤含水率數(shù)據(jù)共計250組。采用Excel軟件統(tǒng)計并對全部樣方中土壤含水率測定數(shù)據(jù)根據(jù)分析組別進行均值化處理，使用OriginPro 9.1軟件制作土壤水分剖面圖。

3結(jié)果與分析

3.1恢復(fù)時間對土壤水分變化的影響

研究區(qū)不同恢復(fù)時間不同土層深度土壤含水率見表1。相同恢復(fù)時間條件下，隨著土層深度增加，各土層深度平均土壤含水率整體均呈增加趨勢，這種變化有利于深層植物根系吸收相對充足的水分以促進植物生長，特別是對于主根發(fā)達的喬木林和灌木林更加有利，同時也反映出相對于深層土壤，淺表層土壤含水率更容易受到水分蒸發(fā)的影響。

不同恢復(fù)時間條件下，水保林地平均土壤含水率的變化大致呈現(xiàn)幾個階段。第一階段幼林期（6～20 a），隨恢復(fù)時間增加，各土層深度土壤含水率整體呈增加趨勢。第二階段幼林后期（21～25 a），隨恢復(fù)時間增加，各土層深度土壤含水率出現(xiàn)波動，相比幼林期末期，除20～＜40 cm外，其他各土層深度土壤含水率均有所減少。這說明隨著恢復(fù)時間增加，水保林快速生長造成的土壤水分消耗開始增加。第三階段進入中林期（26～35 a），隨恢復(fù)時間增加，相比幼林后期，各土層深度平均土壤含水率又有所增加，各土層深度平均土壤含水率在26～30 a時達到最大值8.19%，其中40～＜60、60～＜80 cm土壤含水率也達到最大值， 這說明當(dāng)水保林恢復(fù)到26～30 a時，也就是黃土高原地區(qū)水保林開始進入中林階段時，隨著恢復(fù)時間增加，植被不斷生長，水保林自表層向深層產(chǎn)生并積累的腐殖質(zhì)含量持續(xù)增加，提高了土壤有機質(zhì)含量，深層土壤理化性質(zhì)得到改善，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使深層土壤水穩(wěn)性團聚體含量升高，吸水和儲水能力得到改善。第四階段中林后期（36～40 a），隨恢復(fù)時間增加，相比上階段末期，除表層（0～＜20 cm）和深層（80～100 cm）土壤外，中間土層深度（20～＜80 cm）土壤含水率均有所減少，這說明水保林在恢復(fù)35 a后開始受到土壤水分脅迫的影響，而受到水分脅迫影響的首先是土壤中間層。

3.2林分類型對土壤水分變化的影響

不同類型的水保林地林分結(jié)構(gòu)不同，根系密度、冠層結(jié)構(gòu)及冠幅總面積存在差異，從而導(dǎo)致土壤蒸發(fā)量和植被蒸騰量不同，土壤水分存在不同程度的差異。研究區(qū)全體樣方各土層深度土壤含水率總體上表現(xiàn)為純林地>混交林地，見圖1（a）。這是因為混交結(jié)構(gòu)下水保林根系密度和冠層表面積相比純林結(jié)構(gòu)都要大，增強了葉面蒸騰作用，導(dǎo)致耗水量較大，土壤含水率較低。但是也要看到，林分結(jié)構(gòu)對土壤含水率的影響具有空間差異性，表現(xiàn)為：研究區(qū)南部的樣方，0～＜40 cm土層土壤含水率純林地>混交林地，40～100 cm土層混交林地>純林地，見圖1（b），并且出現(xiàn)隨土層深度增加，混交林地土壤含水率明顯增加，純林地波動變化并趨于減少的變化趨勢，這種情況極有可能導(dǎo)致南部地區(qū)純林地先于混交林發(fā)生土壤干燥化并出現(xiàn)土壤干層現(xiàn)象；北部的樣方，各土層深度土壤含水率純林地＞混交林地，見圖1（c）；中部的樣方，各土層深度土壤含水率純林地＜混交林地，見圖1（d）。由此，建議根據(jù)研究區(qū)不同地域的降水等氣候條件配置適宜的林分結(jié)構(gòu)。

3.3地形因子對土壤水分變化的影響

3.3.1坡度

對水保林地不同坡度（≤5°、＞5°～15°、＞15°～20°、＞20°～25°、＞25°～30°、＞30°）各土層深度土壤含水率數(shù)據(jù)進行均值化處理，見圖2。結(jié)果表明：隨坡度增大各土層深度土壤含水率整體呈先增加后減少的變化趨勢，其中：坡度≤20°時土壤含水率隨坡度增大而增加，在坡度＞15°～20°時達到最大值8.78%；坡度＞20°時土壤含水率隨坡度增大而減少，在坡度＞30°時出現(xiàn)最小值6.42%。由此可見，在研究區(qū)進行植被恢復(fù)時，為最大限度地利用自然降雨提高土壤含水率、避免出現(xiàn)土壤干層、提高植被成活率，應(yīng)盡可能選擇坡度20°以內(nèi)的宜林地。

3.3.2坡向

對不同坡向（半陰坡、陰坡、半陽坡、陽坡）各土層深度土壤含水率數(shù)據(jù)進行均值化處理，結(jié)果見圖3。整體來看，不同坡向水保林地各土層深度平均土壤含水率排序為陽坡（5.88%）<半陽坡（6.38%）<半陰坡（7.82%）＜陰坡（8.35%）。在相同降雨條件下，相比陽坡和半陽坡，半陰坡和陰坡接受的太陽輻射量較少，導(dǎo)致地溫低，土壤水分蒸發(fā)少，因此平均土壤含水率較高，說明在黃土丘陵溝壑區(qū)陰坡和半陰坡更有利于保持土壤水分和實施植被恢復(fù)。

3.3.3坡位

對不同坡位（坡頂、坡上、坡中、坡下）水保林地各土層深度土壤含水率數(shù)據(jù)進行均值化處理，見圖4。坡頂平均土壤含水量最高，達8.81%，其次分別為坡上7.81%、坡中6.67%，坡下最低，僅為5.97%。其原因可能與不同坡位處的地面坡度有關(guān)。黃土丘陵溝壑區(qū)梁峁頂一般比較平緩，降雨徑流流速較慢，通過土壤入滲進入土層的水分相對更充足，因此土壤含水率較高；而梁坡中部和下部一般坡度較大，徑流流速較快，減少了地表水分入滲，因此土壤含水率較低。這與野外典型樣方調(diào)查中實際觀察到大部分水保林分布于梁峁頂和梁峁帶是一致的。

3.4生物量對土壤水分變化的影響

以刺槐林地樣方為例，分析生物量（<1、1～＜2、2～＜3、3～＜4、4～5 kg/m2）對刺槐林地土壤含水率的影響，見表2。刺槐生物量＜4 kg/m2時，平均土壤含水率隨著生物量的增加呈遞增趨勢，在生物量3～＜4 kg/m2時達到最大值8.96%，之后生物量繼續(xù)增加至4～5 kg/m2時，平均土壤含水率又有所減少。這表明在研究區(qū)生物量較大時植物會吸收更多的土壤水分，造成土壤含水率下降，使土壤變得更加干燥化。生物量在一定程度上反映了水保林栽植密度，而密度效應(yīng)可能是造成上述土壤水分差異的主要原因。因此，在植被恢復(fù)過程中，為了促進生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，可以通過調(diào)整栽植密度維持合理的生物量，使水保林地土壤保持一定的含水率。

相同生物量條件下，刺槐林地土壤含水率整體上隨著土層深度增加而增大，這可能與刺槐林生長期受到當(dāng)?shù)馗珊得{迫有關(guān)。隨著刺槐不斷生長發(fā)育，表層土壤由于蒸發(fā)最先出現(xiàn)干燥化，在干旱脅迫影響下刺槐主要通過根系吸收深層土壤水分來維持其正常生長。這一結(jié)果與實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)林下灌叢及草本因表層土壤極其干旱出現(xiàn)大量枯死的情況相符。

3.5林分密度對土壤水分變化的影響

對不同林分密度（300～800、1 000～1 200、1 300～1 500、1 600～1 800、2 000～2 200、2 400～2 500、2 800～3 300株/hm2）各土層深度土壤含水率數(shù)據(jù)進行均值化處理，見圖5。結(jié)果表明，各林分密度水保林地表層平均土壤含水率僅為4.39%，更嚴重的是林分密度為1 000～1 200株/hm2時只有2.48%，致使表層土壤長期處于極度干燥狀況，而深層土壤含水率相對較高。具體來說，林分密度300～800株/hm2時平均土壤含水率最低，僅為5.94%，這可能是低密度水保林植株比較稀疏，導(dǎo)致林間更高的風(fēng)速和接受更多的太陽輻射，加劇了土壤水分蒸發(fā)，造成土壤含水率下降；之后隨著密度增加，土壤含水率波動增加，依次為1 000～1 200株/hm2（7.45%）、1 300～1 500株/hm2（7.27%）、1 600～1 800株/hm2（7.86%）；林分密度2 000～2 200株/hm2時平均土壤含水率最高，達到8.33%；再之后隨著林分密度增加，平均土壤含水率出現(xiàn)波動減少，依次為2 400～2 500株/hm2（6.80%）、2 800～3 300株/hm2（7.10%）。由此可見，過大或過小的栽植密度均會導(dǎo)致土壤含水率較低，研究區(qū)水保林栽植密度控制在2 000～2 200株/hm2時是基本合理的，既能夠最大限度地維持較高的林分生產(chǎn)力，達到防風(fēng)固土、凈化空氣的生態(tài)功能和涵養(yǎng)水源、保持水土的水土保持效果，又能夠維持一定的土壤水分保障植被可持續(xù)更新與恢復(fù)。另外，這一數(shù)據(jù)也接近陜北地區(qū)最優(yōu)林分密度研究成果1 670～2 000株/hm2。

3.6郁閉度對土壤水分變化的影響

不同郁閉度（＜0.70、0.70～＜0.75、0.75～＜0.80、0.80～＜0.85、≥0.85）水保林地平均土壤含水率變化見表3。郁閉度＜0.70時，平均土壤含水率最小，僅為6.08%；隨著郁閉度增加，平均土壤含水率逐漸增加，在郁閉度0.75～＜0.80時達到最大值8.18%，說明足夠高的郁閉度林分具有明顯的遮陰效應(yīng)，能大大降低太陽輻射，使林下保持較低的溫度，從而減少土壤水分蒸發(fā)；之后，當(dāng)郁閉度≥0.80時，隨郁閉度增加平均土壤含水率開始下降，這是因為冠幅增加會大大提升葉面蒸騰，植物根系需要吸收更多的水分，從而導(dǎo)致土壤含水量降低。因此，應(yīng)根據(jù)不同樹種的冠層結(jié)構(gòu)特點選擇合理的栽植密度，使其保持合理的郁閉度，從而保持足夠的土壤水分以促進植物長期生長，過低或過高的郁閉度均不利于林下土壤保持較高的含水率。

4結(jié)論

在甘肅省平?jīng)鍪泻J河流域開展植被建設(shè)對土壤水分的影響研究，對于黃土丘陵溝壑區(qū)水保林建設(shè)中林草植被優(yōu)化配置和水分管理具有重要意義。通過在研究區(qū)設(shè)置的50個不同林齡、林種、林分等的樣方，采集0～100 cm不同土層深度土壤含水率，對試驗結(jié)果進一步分析表明：①相同恢復(fù)時間條件下，隨著土層深度增加，各土層深度平均土壤含水率整體均呈增加趨勢。不同恢復(fù)時間條件下，水保林地平均土壤含水率的變化大致呈現(xiàn)幾個階段，水保林在恢復(fù)35 a后開始受到土壤水分脅迫的影響，而受到水分脅迫影響的首先是土壤中間層。②林分類型對土壤水分的影響總體上表現(xiàn)為純林地>混交林地，但也存在區(qū)域差異，因此應(yīng)根據(jù)研究區(qū)不同地域的氣候條件配置適宜的林分結(jié)構(gòu)。③過大或過小的栽植密度均會導(dǎo)致水保林地土壤含水率降低，不利于保持土壤水分。研究區(qū)水保林栽植密度控制在2 000～2 200株/hm2是基本合理的，既能夠最大限度地維持較高的林分生產(chǎn)力，又能夠達到防風(fēng)固土、凈化空氣的生態(tài)功能和涵養(yǎng)水源、保持水土的水土保持效果。④坡度、坡向、坡位等地形因子對水保林地土壤含水率的影響最為復(fù)雜多變，其中影響最為直接的是坡向因子，相同降雨條件下陰坡的土壤含水率最高，半陰坡、半陽坡次之，陽坡最低。這幾乎與黃土高原地區(qū)所有研究結(jié)論一致。結(jié)合坡度因子分析結(jié)果，在黃土丘陵溝壑區(qū)營造水保林進行植被恢復(fù)時，為最大限度地利用自然降雨提高土壤含水率、避免出現(xiàn)土壤干層、提高植被成活率，應(yīng)盡可能選擇坡度20°以內(nèi)或陰坡、半陰坡宜林地。⑤受自然降雨限制，生物量較大時植物會消耗更多的土壤水分，造成土壤含水率下降，使土壤變得更加干燥化，因此研究區(qū)刺槐林生物量控制在＜4 kg/m2為宜。⑥合理的郁閉度使水保林具有明顯的遮陰保水效應(yīng)，能夠有效降低太陽輻射，使林下保持較低的溫度，從而減少土壤水分蒸發(fā)，但過高的郁閉度也可能導(dǎo)致土壤含水率降低。研究區(qū)林分郁閉度控制在＜0.80以內(nèi)是比較合理的。綜上所述，研究區(qū)在營建水保林進行植被恢復(fù)過程中，應(yīng)根據(jù)不同樹種冠層結(jié)構(gòu)選擇合理的栽植密度，保持合理的郁閉度并維持合理的生物量，從而保持足夠的土壤水分以促進植物生長，即過低或過高的密度、郁閉度和生物量均不利于水保林地土壤保持較高的含水率。

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收稿日期： 2023-04-23

基金項目： 平?jīng)鍪锌萍加媱濏椖浚ㄆ娇迫巫浴?021〕2號）

第一作者： 王輔（1969—），男，甘肅靜寧人，高級工程師，學(xué)士，長期從事黃土高原水土保持與生態(tài)環(huán)境建設(shè)研究工作。

E-mail： 2640189616@qq.com

（責(zé)任編輯李楊楊）