遼西北風沙區(qū)典型利用類型下的土壤水分變化特征

摘要 選取科爾沁沙地南緣不同土地利用類型為研究對象，在2022年4—10月對0～150 cm土層土壤含水率進行測量，分析樟子松人工林、灌木林地、草地、農田、半固定沙地5種方式下土壤垂直剖面含水率分布特征、土壤儲水量變化特征、土壤蒸散發(fā)變化特征。結果表明：灌木林和草地的土壤含水率分布呈“W”形；樟子松人工林、半固定沙地的含水率分布呈“U”形；農田含水率分布呈倒“U”形，且含水率最小值位置與該土地利用類型植被根系分布情況有關。不同土地利用類型土壤儲水量具有明顯的季節(jié)性變化特征，且于降雨量變化基本一致。5種土地利用類型土壤水分皆為盈余狀態(tài)，其中草地的保墑效果最好。因此，該地區(qū)的生態(tài)植被應優(yōu)先考慮修復草本或疏林草地，以利于維護土壤水環(huán)境及其可持續(xù)利用。

關鍵詞 土壤含水率；土地利用類型；儲水量；蒸散發(fā)；變化特征；遼西北風沙區(qū)

中圖分類號 S 152.7 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）23-0062-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.23.014

Characteristics of Soil Moisture Changes Under Typical Utilization Types in the Windy and Sandy Areas of Northwest Liaoning

ZHANG Ri-sheng1， FAN Sheng-hao2， JIANG Tao1，3 et al

（1. Liaoning Institute of Sandy Land Control and Utilization， Liaoning Zhanggutai Desert Ecosystem Research Station， Fuxin， Liaoning 123000;2. Liaoning Provincial Water Resources Affairs Service Center， Shenyang， Liaoning 110003;3.National Agricultural Environment Zhangwu Experimental Station， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract Taking different land use types in the southern edge of Horqin Sandy Land as the research object， the soil moisture content of 0-150 cm soil layer was measured from April to October 2022， and the soil moisture content of 0-150 cm soil layer was measured from April to October 2022， and the distribution characteristics of soil vertical profile moisture content， soil water storage change characteristics and soil evapotranspiration change characteristics under five patterns of the vertical profile distribution characteristics， soil water storage change characteristics， and soil evapotranspiration change characteristics of soil moisture under five patterns of Pinus sylvestris var. mongolica forest land， shrubbery， grassland， farmland and semi fixed sandy land were analyzed. The results showed that the distribution of soil moisture content in shrublands and grasslands was in a “W” shape;the water content distribution of Pinus sylvestris plantation and semi fixed sandy land was “U” shape;the distribution of water content in farmland showed an inverted “U” shape， and the position of the minimum water content was related to the distribution of vegetation roots in the land use type. The soil water storage capacity of different land use types had obvious seasonal variation characteristics， and the changes in rainfall were basically consistent.All 5 types of land use had surplus soil moisture， among which grassland had the best entropy retention effect. Therefore， priority should be given to herbaceous plants for ecological vegetation restoration in the region， in order to facilitate the soil water environment and its sustainable utilization.

Key words Soil moisture content;Land use type;Water storage capacity;Evapotranspiration;Change characteristics;Windy and sandy areas of northwest Liaoning

基金項目 遼寧省農業(yè)科學院基本科研業(yè)務費計劃項目（2021HQ-1913）；遼寧省林業(yè)和草原局依托國家林草局科技創(chuàng)新平臺研發(fā)項目（LLC〔2022〕20）。

作者簡介 張日升（1976—），男，遼寧桓仁人，正高級工程師，碩士，從事荒漠化防治和森林培育研究。

收稿日期 2024-01-09

土壤水分是水循環(huán)重要的環(huán)節(jié)之一，對植物生長、生態(tài)環(huán)境建設以及水資源有效利用有著重要的影響［1］。土壤水分也是地下水、地表水、大氣水聯(lián)系的紐帶，在水資源形成、轉換、消耗和循環(huán)方面起著重要作用［2］?？茽柷呱车貧夂蚋稍铩⒔邓∩?、水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤水分是限制植被生長和生態(tài)恢復的主要因子。經過50多年固沙造林，科爾沁沙地南緣產生了多種土地利用類型，不同土地利用類型對土壤水分的影響機制不同。郎明翰等［3］通過比較科爾沁沙地樟子松人工林和草地水分差異，得出樟子松人工林生態(tài)系統(tǒng)具有較強的涵養(yǎng)水源、抑制土壤鹽漬化的功能。趙學勇等［4］通過對科爾沁沙地不同類型土壤水分在降雨后的空間變異特征，得出隨著植被覆蓋度的增加降雨后土壤水分含量變異幅度逐漸減小。

許多學者從不同方面對土壤水分進行了研究［5-7］，但針對科爾沁沙地喬、灌、草、農等不同土地利用類型結合起來的土壤水分研究較少。該研究以遼西北風沙區(qū)樟子松人工林、灌木林地、草地、農田、半固定沙地為研究對象，系統(tǒng)分析了不同土地利用類型下0～150 cm土層土壤水分變化，揭示不同土地利用類型下土壤水分的垂直分布特征、季節(jié)性變化特征和蒸散發(fā)變化特征，以期為提高該地區(qū)水資源利用率提供科學依據(jù)，也為科爾沁沙地植被恢復與配置提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地選在遼寧省沙地治理與利用研究所章古臺實驗林場的試驗林內，屬中溫帶亞濕潤干旱地區(qū)，隸屬遼寧省阜新市彰武縣，主要氣候特點是干旱多風。1983—2022年年平均氣溫 6.64 ℃，年降水量490.8 mm，降水變化率大，各季節(jié)分配不均，70%以上集中在夏季；年蒸發(fā)量1 451 mm，相對濕度64%，旱季長達270 d。冬季以西北和偏北風為主，平均風速2.6 m/s；春季多南風、偏西南風，風力大，持續(xù)時間長。土壤類型以風沙土為主，占89.4%，土壤有機質及其他養(yǎng)分含量均較低。該地區(qū)主要分布的喬木樹種有樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、小鉆楊（Populus X），灌木樹種有興安胡枝子（Lespedeza davurica）、小葉錦雞兒（Caragana microphylla），草本植物有馬唐（Digitaria sanguinalis）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、披堿草（Elymus dahuricus）等。

1.2 試驗設計

選取樟子松人工林（成熟林）、灌木林地、草地、農田、半固定沙地5種土地利用類型為研究對象，詳見表1。每個樣地內間隔一段距離埋設 1 根測管，3 次重復；4—10月每月上、中、下旬利用便捷式土壤水分測量儀（TRIME-Pico 64/32 TDR）分別測定各樣地土層10、20、50、100、150 cm處的土壤含水率。另外在平整的、無遮擋物空地處放置雨量筒測定降雨量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤水分的標準差（S）和變異系數(shù)（CV）反映了不同土地利用類型水分活躍程度，二者越大，意味著該地區(qū)土壤水和大氣水的交替變換越頻繁。公式如下：

S=ni=1（xi-）21n-1（1）

CV=S×100%（2）

式中：n為樣本總個體數(shù)；xi為第i個土壤體積含水率（%）；為土壤含水率平均值（%）。

土壤儲水量（SWS）為一定厚度土壤中所含的水量，計算公式如下：

SWSi=θihi（3）

SWS=mi=1SWSi（4）

式中：SWSi為每層土壤儲水量（mm）；θi為土壤體積含水量（%）；hi為土層厚度（mm）；m為土壤層序號；SWS為土壤總儲水量（mm）。

土壤蒸散發(fā)的計算原理為水量平衡，公式如下：

ET=P-GW-ΔSWS（5）

ΔSWS=mi=1（SWSi+1-SWSi）（6）

GW=ΔHφ（7）

式中：ET為蒸散發(fā)（mm）；P為降雨量（mm）；GW為入滲量（mm）；ΔSWS為土壤儲水變化量（mm）；ΔH為地下水位差值（mm）； φ為土壤孔隙度，沙地土壤取值0.377。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型下土壤剖面水分變化

從沙地不同利用類型2022年4—10月不同土層平均土壤含水率變化（圖1）可以看出，灌木林和草地的土壤含水率分布呈“W”形，10 cm土層的土壤含水率較高，20 cm土層土壤含水率較低，隨后升高，到50 cm土層土壤含水率最高，然后下降，至100 cm土層后再次升高。樟子松人工林的各土層土壤含水率分布呈“U”形，0～20 cm表層土壤含水率高，然后下降，土層深度100 cm時，土壤含水率上升，這是因為樟子松的水平根發(fā)達，主要分布于20～100 cm土層中［8］，因此對這一層次的水分利用多，造成土壤含水率較低。半固定沙地10 cm表層土壤受2022年6—8月降水多的影響含水率較高，但因半固定沙地的土壤保水性差，半固定沙地的草本植物根系多分布于土層20 cm深度左右，因此20 cm土層的土壤含水率最低，向下各層土壤含水率逐漸升高。農田（玉米）10 cm土層的土壤含水率較低，到20 cm深度時土壤含水率最高，向下各層土壤含水率逐漸下降，形成倒“U”形，產生這種現(xiàn)象的原因可能與農田耕作產生犁底層，降水難以入滲到20 cm以下土層有關。從當?shù)刂参锷L季4—10月0～150 cm土層平均含水率來看，灌木樣地的含水率最高（11.88%），其次是樟子松人工林（9.67%）、半固定沙地（9.18%）、草地（8.61%），農田（7.45%）最低。

2.2 不同土地利用類型下土壤儲水量

在2022年4—10月對研究區(qū)樟子松人工林、灌木林、半固定沙地、草地、農田0～150 cm土層水分進行監(jiān)測，結果表明（圖2），5種土地利用類型總的土壤儲水量從大到小依次為灌木林＞草地＞半固定沙地＞樟子松人工林＞農田。2022年降雨主要集中在6—8月，降雨分布極其集中，同時5種土地利用類型的土壤儲水量具有明顯的季節(jié)性變化特征。4月降雨量極低，樟子松人工林的土壤儲水量最低，為78.35 mm；5—10月（除7月）農田土壤儲水量均為最低；灌木林土壤儲水量在各月份始終最高。在觀測期內，7月為降雨量最大月份，但各土地利用類型土壤儲水量最高值均未出現(xiàn)在7月，這可能是由于前期降雨量過大，降雨對土壤水分的補充能力超過土壤水分入滲的能力，即使8月份雨量有所降低，但土壤水分始終以緩慢的速度上升；4月為降雨量最低月，但土壤儲水量最低主要集中在9月，這可能是由于前一年降雨充足，2022年開春土壤中儲存了大量的凍結水，在4月份隨著溫度的上升，凍結水逐漸釋放，提高了土壤的儲水量?？傮w來看，降雨量為各土地利用類型土壤儲水量的主要影響因子，但由于不同土地利用類型的植被類型存在較大的差異，導致土壤儲水量季節(jié)變化特征出現(xiàn)了較大的差異。

2.3 不同土地利用類型下土壤蒸散發(fā)

利用水量平衡的原理，計算樟子松人工林、灌木林、半固定沙地、草地、農田5種土地利用類型的年蒸散發(fā)。5種土地利用類型蒸散發(fā)從大到小依次為半固定沙地＞農田＞灌木林＞樟子松人工林＞草地。半固定沙地的年蒸散發(fā)最高，為540.25 mm，其蒸散系數(shù)為0.675，草地的年蒸散發(fā)最低，為330.08 mm，蒸散系數(shù)為0.413。由此可知，植被覆蓋度會明顯降低蒸散發(fā)，農田植被覆蓋度雖然高，但是農作物是依據(jù)氣候進行耕作、收獲，農田存在著長時期的地表裸露狀態(tài)，這恰恰是增加農田全年蒸散發(fā)的原因。同時，蒸散發(fā)由植物蒸騰和地表蒸發(fā)組成，草地蒸散發(fā)相對于林地更低的原因可能是其蒸騰量更低，導致整體蒸散發(fā)不如林地高。

3 討論

不同土地利用類型下土壤水分循環(huán)是降雨入滲、地表蒸發(fā)和植物蒸騰的過程，在沙地不同土地利用類型的土壤剖面上水分變異和動態(tài)表現(xiàn)出一定的層次性和差異性［9］。除了受耕作影響較大的農田土壤外，樟子松人工林土壤剖面含水率最低位置為100 cm處，草地、灌木林、半固定沙地土壤剖面含水率最低位置為20 cm處；根據(jù)相關研究在科爾沁沙地樟子松和灌木的根系主要分布在0～100 cm土層［8，10-11］，而草本主要分布在0～20 cm土層，因此認為植被根系是決定土壤剖面水分線形的主要影響因子之一。這與趙傳普等［12］的研究結果相似，不同植被類型下土壤水分垂直剖面分布具有較大差異，土壤水分時間變異系數(shù)與植被根系分布趨勢相一致。對于水土流失嚴重的科爾沁沙地南緣，土壤水分限制是該地區(qū)植被恢復的主要因子。在該地區(qū)，砂質土土質疏松，土壤水分變化主要受控于降雨量及時空分配［13］。王晶等［14］研究認為林地的土壤蓄水量具有明顯的季節(jié)性變化，并將生長季內土壤蓄水量的變化劃分為土壤水分恢復期、土壤水分消耗期、土壤水分補充期3個時期，這一結論也可以解釋該研究中土壤儲水量的季節(jié)變化。

該研究以水量平衡為原理，基于土壤水分動態(tài)變化數(shù)據(jù)對蒸散發(fā)進行估算。5種土地利用類型蒸散發(fā)從大到小依次為半固定沙地＞農田＞灌木林＞樟子松人工林＞草地。蒸散發(fā)與降雨量比值即為蒸散系數(shù)，蒸散系數(shù)體現(xiàn)著研究區(qū)該土地利用類型水分收支狀況，該研究5種土地利用類型水分收支狀況皆為盈余。其中草地、樟子松人工林、灌木林地植被覆蓋條件較好的土地利用類型蒸散系數(shù)較低，半固定沙地、農田等植被覆蓋條件較差的土地利用類型蒸散系數(shù)較高。較好的植被覆蓋條件可以明顯地改善當?shù)氐耐寥浪謼l件，適當?shù)卣{整植被覆蓋條件，可以達到土壤保濕保墑的效果。

4 結論

（1）不同土地利用類型的土壤含水率垂直剖面特征相差較大，除了受耕作影響較大的農田土壤外，樟子松人工林土壤剖面含水率最低位置為100 cm處，草地、灌木林、半固定沙地土壤剖面含水率最低位置為20 cm處。

（2）整體而言，土壤儲水量動態(tài)變化與降雨量變化基本一致，具有明顯的季節(jié)性變化特征。

（3）不同土地利用類型的土壤蒸散系數(shù)從大到小依次為半固定沙地＞農田＞灌木林＞樟子松人工林＞草地，植被覆蓋度越高，其對土壤保墑效果越好。

參考文獻

［1］ 黃奕龍，陳利頂，傅伯杰，等.黃土丘陵小流域植被生態(tài)用水評價［J］.水土保持學報，2005，19（2）：152-155，194.

［2］ YANG L，CHEN L D，WEI W，et al.Comparison of deep soil moisture in two re-vegetation watersheds in semi-arid regions［J］.Journal of hydrology，2014，513：314-321.

［3］ 郎明翰，張日升，韓輝，等.科爾沁沙地南緣樟子松人工林對土壤水鹽的影響［J］.水土保持學報，2023，37（5）：370-376.

［4］ 趙學勇，左小安，趙哈林，等.科爾沁不同類型沙地土壤水分在降水后的空間變異特征［J］.干旱區(qū)地理，2006，29（2）：275-281.

［5］ 韓輝.科爾沁沙地東南緣3種固沙林土壤水分時空變化的比較［J］.東北林業(yè)大學學報，2015，43（5）：102-104.

［6］ 白雪峰，王國晨，韓輝，等.不同利用方式下沙地的水熱變化［J］.遼寧農業(yè)科學，2005（3）：15-17.

［7］ 阿拉木薩，裴鐵瑤，蔣德明.科爾沁沙地人工固沙林土壤水分與植被適宜度探討［J］.水科學進展，2005，16（3）：426-431．

［8］ 孟鵬，張柏習，王曼.科爾沁沙地赤松和樟子松根系生物量分配與構型特征［J］.生態(tài)學雜志，2018，37（10）：2935-2941.

［9］ 樊軍，郝明德，邵明安.黃土旱塬農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤深層水分消耗與水分生態(tài)環(huán)境效應［J］.農業(yè)工程學報，2004，20（1）：61-64.

［10］ 黃剛，趙學勇，趙玉萍，等.科爾沁沙地兩種典型灌木獨生和混交的根系分布規(guī)律［J］.中國沙漠，2007，27（2）：239-243.

［11］ 王娟.半干旱區(qū)沙地小葉錦雞兒和黃柳人工灌木林碳匯功能研究［D］.呼和浩特：內蒙古農業(yè)大學，2016.

［12］ 趙傳普，徐學選，高朝俠，等.黃土丘陵區(qū)不同植被類型下土壤水分動態(tài)［J］.水土保持通報，2015，35（1）：68-72.

［13］ 邵臻，張富，陳瑾，等.隴中黃土丘陵溝壑區(qū)不同土地利用下土壤水分變化分析［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2017，31（12）：129-135.

［14］ 王晶，朱清科，劉中奇，等.黃土丘陵區(qū)不同林地土壤水分動態(tài)變化［J］.水土保持研究，2011，18（1）：220-223.