陜北黃土區(qū)典型植被土壤水分虧缺特征

［關鍵詞］ 植被類型；土壤水分；貯水量；水分虧缺；陜北黃土區(qū)

［摘 要］ 在陜北地區(qū)，土壤水分是限制植被生長的主要因素之一。為了解陜北黃土區(qū)不同植被類型土壤水分變化情況，給研究區(qū)林業(yè)生態(tài)工程建設提供科學依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐，選取吳起縣廣泛分布的7種典型退耕還林植被，經(jīng)單因素方差分析和Duncan多重比較，結(jié)果顯示：研究區(qū)土壤含水量隨季節(jié)變化總體表現(xiàn)為春季＞秋季＞夏季；在7種植被類型中，土壤含水量和土壤貯水量均表現(xiàn)為河北楊最高，草地次之，刺槐山杏混交林最低；研究區(qū)在2020年秋季至2021年夏季土壤水分處于持續(xù)虧缺狀態(tài)，且各植被類型春季土壤貯水虧缺補償度明顯小于冬季。研究表明：研究區(qū)土壤水分受植被類型影響明顯，在陜北選擇合理的植被配置模式進行退耕還林十分重要。

［中圖分類號］ S152.75；S714.7" [文獻標識碼] A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.05.018

陜北地區(qū)位于黃土高原腹部，受氣候條件、地形地貌、土壤性質(zhì)、植被狀況和人類活動的影響，是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱、水土流失最為嚴重、風沙災害最為頻繁的地方之一[1]。為緩解生態(tài)脆弱、水土流失及風沙災害等問題，提高植被覆蓋率，自1999年起國家對黃土高原實施了退耕還林還草工程[2]。伴隨著植被覆蓋率的增加，不合理的植被配置模式帶來的弊端也日漸顯現(xiàn)，如植被蒸騰量增加、土壤水分消耗加劇、土壤干層狀況日漸突出等[1，3]。面對大面積的退耕還林還草，陜北地區(qū)土壤水分會發(fā)生怎樣的變化，土壤水分補充是否能滿足其消耗，這些問題亟待我們進行作答與解決。

土壤水分作為土壤-植被-大氣連續(xù)體中不可或缺的重要組成部分，是影響植被生長發(fā)育和生態(tài)恢復的關鍵因子[4]，直接影響著植被根系的吸收與利用[5]。以往研究表明，土壤水分垂直變化主要受外界環(huán)境（氣溫、降水、土壤蒸發(fā)等）和植被生長（植被蒸騰、植被根系吸收等）的影響[6-7]。張立俞等[8]對黃土高原隴東地區(qū)小流域不同植被土壤水分垂直變化進行分析，發(fā)現(xiàn)在地下0～60 cm土層，林地和草地土壤水分均隨著深度的增加而遞減；李青林等[9]對貴州的喬木、灌木和草地土壤水分進行分析，認為土壤水分在雨季喬木＞草地＞灌木，旱季灌木＞草地＞喬木。為更好地探究退耕還林地的土壤水分變化，以往學者還使用土壤貯水量[10]、土壤水分相對虧缺指數(shù)[11]、土壤貯水虧缺補償度[12]對退耕還林工程下的土壤水分進行了評測。艾寧等[10]對半干旱黃土區(qū)喬木林地和撂荒草地土壤貯水能力進行對比，發(fā)現(xiàn)喬木林地貯水能力遠大于撂荒草地。張永旺等[13]對不同植被的土壤水分虧缺進行分析，認為植被種類、土壤性質(zhì)和土層深度是影響土壤水分虧缺的主要因素。王玲等[14]對晉西北不同植被土壤貯水虧缺補償進行研究，發(fā)現(xiàn)200 cm以下土壤水分虧缺補償呈波動上升趨勢。

本研究在已有研究成果的基礎上，選取吳起縣廣泛分布的7種典型植被類型，系統(tǒng)分析其在不同季節(jié)間的土壤水分變化情況，特別是不同植被類型間土壤水分虧缺、補償狀況，旨在明確研究區(qū)植被類型與土壤水分的相互關系，以期為今后研究區(qū)林業(yè)生態(tài)工程建設與植被選擇提供數(shù)據(jù)支撐與科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市吳起縣（107°38′57″～108°32′49″E，36°33′33″～37°24′27″N），海拔1 233～1 809 m，地形復雜，屬黃土高原梁狀丘陵溝壑地貌，土壤主要為黃綿土。全縣氣候?qū)侔敫珊禍貛Т箨懶约撅L氣候，四季分明；年均氣溫7.8 ℃，極高、極低溫度出現(xiàn)在7月和1月，分別為37.1 ℃和－25.1 ℃；降水主要集中于7—9月，年均降水量為483.4 mm；無霜期為146 d。吳起縣主要植被類型包括小葉楊（Populus simonii）、山杏（Prunus sibirica）、山桃（Prunus davidiana）、河北楊（Populus × hopeiensis）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等。

2 研究材料與方法

2.1 采樣點布設

課題組于2017年對吳起縣金佛坪流域進行了全面的勘察與調(diào)研，于2018年根據(jù)研究區(qū)立地條件和植被類型分布狀況，布置了7個3 m深的土壤水分固定監(jiān)測管，監(jiān)測樣點基本情況見表1。本研究數(shù)據(jù)為研究區(qū)2020年9月（秋季）、2021年4月（春季）和7月（夏季）采用時域反射儀（Time Domain Reflectometry，TDR）測定的土壤水分數(shù)據(jù)。采用TDR進行土壤水分測定時，每隔20 cm深為一層進行測量，測量后沿水平方向依次順時針旋轉(zhuǎn)120°，進行第2次、第3次的土壤水分數(shù)據(jù)采集。同時，在監(jiān)測樣點周邊挖取1 m深土壤剖面，采用環(huán)刀法取樣進行土壤密度、土壤持水量等指標的計算。

2.2 土壤指標數(shù)據(jù)計算

土壤貯水量[10]公式為

Wc=M×H（1）

式中：Wc為土壤貯水量，單位mm；M為土壤體積含水量；H為土層厚度，單位mm。

土壤貯水虧缺度[12]公式為

DSW=DaFc×100%（2）

式中：DSW為土壤貯水虧缺度；Fc為田間持水量，單位mm；Da為土壤貯水虧缺量，Da=Fc－Wc，單位mm。

土壤貯水虧缺補償度[12]公式為

CSW=ΔWDac×100%（3）

式中：CSW為土壤貯水虧缺補償度；ΔW為土壤水分補償前后土壤貯水量之間的差值，ΔW=W后－W前，W前、W后分別為土壤水分補償前、后土壤貯水量，單位mm；Dac為土壤水分補償前土壤貯水虧缺量，Dac=Fc－W前，單位mm。

本研究冬季CSW是指2020年秋至2021年春之間的CSW，春季CSW是指2021年春至2021年夏的CSW。

變異系數(shù)[15]公式為

S=∑ni=1（Xi-X）2n-1（4）

CV=SX×100%（5）

式中：n為所計算的樣本總數(shù)；Xi為第i層土壤貯水量實測值；X為各層土壤貯水量的平均值；S為標準差；CV為變異系數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 365進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 24進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan多重比較（顯著性水平取0.05），臧凱旋等：陜北黃土區(qū)典型植被土壤水分虧缺特征采用OriginPro 2021進行圖形繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型土壤水分動態(tài)變化及其差異性分析

由圖1可知，不同季節(jié)各植被土壤含水量總體上表現(xiàn)為春季最高，秋季次之，夏季最低。其中：秋季各植被土壤含水量是刺槐山杏混交林最高，各土層平均值為12.55%，刺槐沙棘混交林最低，平均值為9.06%；春季各植被土壤含水量是河北楊最高，平均值為15.95%，刺槐山杏混交林最低，平均值為8.08%；夏季各植被土壤含水量是河北楊最高，平均值為13.33%，刺槐山杏混交林最低，平均值為6.07%。各植被類型土壤含水量在0～100 cm土層變化劇烈，在＞100～300 cm土層趨于穩(wěn)定。

不同植被類型土壤含水量差異性見圖2。對3個季節(jié)土壤含水量進行單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)：各植被類型中，河北楊土壤含水量最高（13.05%），顯著高于其他6種樣地類型（P＜0.05）；草地次之（10.63%），顯著高于沙棘、刺槐和刺槐山杏混交林（P＜0.05）；刺槐山杏混交林最低（8.59%），顯著低于河北楊、小葉楊、刺槐沙棘混交林和草地（P＜0.05）。

3.2 不同植被類型土壤貯水量及其差異程度

對不同植被類型2020年秋季至2021年夏季各土層土壤貯水量平均值進行分析（見圖3），可知在0～300 cm土層，不同植被類型土壤貯水量表現(xiàn)為河北楊最高（398.72 mm），草地其次（323.18 mm），刺槐山杏混交林最低（267.03 mm）。根據(jù)變異系數(shù)≤10%為弱變異、介于10%～100%之間為中等變異、≥100%為強變異[16]可知，在不同植被類型不同的土層中，除沙棘＞200～300 cm土層、河北楊和刺槐＞160～180 cm土層、刺槐沙棘混交林＞280～300 cm土層為弱變異，草地0～60 cm為強變異外，其他均為中等變異。

3.3 不同植被類型土壤貯水虧缺度

由圖4可知，研究區(qū)各植被類型3個季節(jié)DSW基本為正值，說明研究區(qū)從2020年秋季至2021年夏季土壤水分處于持續(xù)虧缺狀態(tài)。由于水分消耗度因植被而異，所以各植被類型DSW在季節(jié)上存在差異，沙棘、草地DSW表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季，小葉楊、刺槐、刺槐山杏混交林DSW表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季，河北楊、刺槐沙棘混交林DSW表現(xiàn)為秋季＞夏季＞春季。

3.4 不同植被類型土壤貯水虧缺補償度的季節(jié)變化

從圖5中可以看出，研究區(qū)各植被類型CSW春季明顯小于冬季。冬季河北楊、刺槐沙棘混交林、草地CSW＞0，說明土壤水分得到正向補充，貯水補充量大于貯水消耗量；沙棘、小葉楊、刺槐、刺槐山杏混交林CSW＜0，說明貯水補充量小于貯水消耗量。春季所有植被類型CSW均小于0，說明春季所有植被類型貯水全部處于負補償狀態(tài)。

4 討論

土壤水分作為植被生長發(fā)育不可或缺的重要因子，是限制陜北地區(qū)退耕還林工程進行的主要因素[17]REF_Ref97905776rh*MERGEFORMAT。陜北地區(qū)土壤水分補充主要來自大氣降水，深居內(nèi)陸、水汽難以到達使得陜北地區(qū)降水具有嚴重的季節(jié)性[17]。因此，在陜北地區(qū)植被系統(tǒng)的構建中，合理的土壤水分利用顯得尤為重要。研究區(qū)土壤含水量季節(jié)性差異明顯，總體上表現(xiàn)為春季＞秋季＞夏季。陜北地區(qū)的降水主要集中在7—9月，占全年降水量的50%～80%，但夏季氣溫高、水分蒸發(fā)量大，同時植被生長較好，蒸騰作用較強，對土壤水分利用、消耗較大，且研究區(qū)2021年4—7月降雨較少（研究區(qū)自設氣象站監(jiān)測降雨量僅有110.4 mm，特別是7月僅有7.4 mm），使得研究期內(nèi)研究區(qū)夏季土壤含水量顯著低于秋季和春季。各植被類型在0～100 cm土層土壤水分變化強烈，這是因為降水因素如降水頻率、降水強度、降水維持時間等嚴重影響著表層土壤水分變化動態(tài)[18]。

除刺槐山杏混交林外，土壤貯水量變異系數(shù)最大值總體上出現(xiàn)在研究區(qū)淺層土壤。淺層土壤較深層土壤更易受到氣溫、降水入滲和植物呼吸、蒸騰作用的影響，土壤貯水量季節(jié)間變化較大，故土壤貯水量變異系數(shù)大，隨著土層的加深，土壤貯水量受氣溫、降水入滲和植物呼吸、蒸騰作用的影響減小，土壤貯水量及其變異系數(shù)減小[19-21]。

本研究選取的7種典型植被類型，土壤含水量和土壤貯水量變化均表現(xiàn)為河北楊最高（平均土壤含水量13.05%，0～300 cm土壤貯水量398.72 mm），草地次之（平均土壤含水量10.63%，0～300 cm土壤貯水量323.18 mm），刺槐山杏混交林最低（平均土壤含水量8.59%，0～300 cm土壤貯水量267.03 mm）。其原因主要為：①河北楊是陜北地區(qū)鄉(xiāng)土樹種之一，研究區(qū)內(nèi)的河北楊均為次生演替植被，分布于溝底或者切溝內(nèi)，且處于幼林階段[22]，其密度與郁閉度均較低，植被冠層對降水的截留作用弱，增加了降水對土壤水分的補充，土壤表層又多形成地衣，減少了土壤水分的蒸散，所以河北楊林地土壤含水量較高；②灌木林、混交林郁閉度高，根系密集，生物量高，植被對土壤水分的消耗量大，導致土壤含水量較低[23-24]；③草本植物莖葉矮小，根系較淺，生長所消耗的土壤水分少[25]。吳元芝等[26]研究表明，隨著植物群落演替的進行，草本群落土壤含水量高于其他灌木群落，與本研究結(jié)果一致。

5 結(jié)論

1）研究區(qū)土壤含水量隨季節(jié)變化總體上表現(xiàn)為春季＞秋季＞夏季。

2）在7種植被類型中，土壤含水量和土壤貯水量均表現(xiàn)為河北楊最高，草地次之，刺槐山杏混交林最低。。

3）研究區(qū)在2020年秋季至2021年夏季土壤水分處于持續(xù)虧缺狀態(tài)。

4）研究區(qū)各植被類型春季土壤貯水虧缺補償度明顯小于冬季。

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基金項目： “十四五”國家重點研發(fā)計劃項目（2023YFF130510401）；國家自然科學基金項目（U2243601）；陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2021JQ-982）；延安大學資政育人重點項目（YDZZZD22-01）

第一作者： 臧凱旋（1998—），女，山東安丘人，碩士研究生，主要研究方向為林業(yè)生態(tài)工程與水土保持。

通信作者： 艾寧（1989—），男，陜西子長人，副教授，博士，主要研究方向為林業(yè)生態(tài)工程與水土保持。E-mail： aining@yau.edu.cn

（責任編輯 徐素霞）

［引用格式］ 臧凱旋，劉登強，劉廣全，等.陜北黃土區(qū)典型植被土壤水分虧缺特征[J].中國水土保持，2024（5）：63-68.