陜北沿長城防風固沙林帶土壤水分·溫度及電導率月變化特征研究

關鍵詞陜北沙區(qū)；陜北沿長城防風固沙林；土壤水溫；土壤電導率；氣象因素

中圖分類號S727.23文獻標識碼A

文章編號 0517-6611（2025）13-0088-06

doi：10.3969/j.issn. 0517-6611. 2025. 13. 017

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Studyonthe MonthlyVariations of Soil Moisture，Temperature，and Electrical Conductivityof theWindbreakandSand-Fixation Forest Belt Along the Great Wall in Northern Shaanxi

ZHANG Chen-hen1，UXidong12，GAORong2etal（1.ShaaniAcademyofForestrySiences，Xi'an，Sani082;atio al Positional Observatory for Desert Ecosystems in the Maowusu Sandland，Yulin，Shaanxi 719000）

AbstractTo explore the dynamic changes in moisture，temperature，and electrical conductivity of deep soil （ 0-200cm ）in the windbreak andsand-fixatofosteltogteGatalliorthSaaniedogsonuctdfroJuyDembrtas ureandaalnttaultsdat：fepteasdfsinlegdall larlyinApril，soil moistureatvarious depthsreached their peaks，withthe highest watercontentobservedatadepthof 160cm ，reaching 7.89% .SoiltemperatureeibiedtelargestfluctuatiosinJnuarywithsgnificantvaratiosovertie，hilethsallstfuctuatioswere observed at a depth of 160cm .Soil electrical conductivity peaked in April，with the highestvalue observed at the surface，reaching 3.68μs/cm ，and the lowest value observed at a depth of 120cm ，at 1.99μs/cm .Through correlation analysis，it was found that soil moisture andconductivityshodasgfcantposiiorelatoninarchndMayTeoelationbetwensiltmperatuedonductiat 120 cm and 200cm depths was the most significant inOctober，the correlation betweensoil moistureand temperatureatdiffrent times showed asignificantbliegeesoilosturempeatuendoductiviyeinlyetdyeimpeature，uratedater vapor pressure difference，and rainfall，while air relative humidity had relatively litle effect.

KeywordsNorthShansndyarea;Windbreakandsand-fiationforestbeltalogtheGreatWallinorteShaai;Soilwatet perature;Soil electrical conductivity;Meteorological factor

土壤作為植物生長的載體，決定著生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能，而土壤水分、溫度和電導率直接影響植被及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]。在干旱半干旱地區(qū)，土壤水分、溫度和電導率是重要的特性，對土壤有機質礦化、生物固氮等生化過程具有重要影響，然而這些土壤指標易受氣候因素的影響。陜北沿長城防風固沙林帶位于毛烏素沙地南緣，是三北防護林工程的重點區(qū)域之一[2]。該地區(qū)氣候干旱，土壤水分缺乏，嚴重限制了植被生長和生態(tài)環(huán)境改善。防風固沙林帶作為北方干旱半干旱地區(qū)的重要生態(tài)屏障，主要功能在于防止風沙侵蝕、固定沙地和改善生態(tài)環(huán)境[3]。然而，由于長期干旱少雨及不合理的人類活動，陜北沙區(qū)的防風固沙林帶面臨退化和功能下降的風險。為更好地了解該地區(qū)的生態(tài)狀況，需系統(tǒng)研究土壤性質，尤其是土壤水分、溫度和電導率的變化及對不同氣候狀況的響應特征，這對于制訂合理的植被恢復和資源管理策略，提升防風固沙林帶的生態(tài)服務功能具有重要意義。

目前，國內外對沙地土壤生態(tài)系統(tǒng)水熱時空變化特征的研究主要集中在以下幾方面：一是土壤水分的時空分布及其與降水和蒸發(fā)的關系，二是土壤溫度的變化規(guī)律及其對植物生長的影響[4]，三是不同植被類型對土壤水分和溫度的相互調控作用[5]。如，張艷花等[通過數(shù)學模型研究了黃土沙區(qū)植物根系吸收土壤水分的過程，揭示了土壤水分的時空動態(tài)變化規(guī)律;黃慧瓊[研究指出，土壤質量波動對糧食供應和氣候變化有重要影響，強調了預防土壤退化的必要性。同時，土壤電導率作為表征土壤離子動態(tài)變化的重要參數(shù)，近年來也逐漸引起了研究者的關注。土壤電導率能夠反映土攘中的鹽分含量和離子濃度，對于了解土壤鹽漬化和土壤肥力動態(tài)具有重要意義。衛(wèi)雨西等8研究發(fā)現(xiàn)，石羊河流域土壤水分含量和電導率在空間上呈現(xiàn)明顯差異，這種差異與土壤質地和土壤結構密切相關。此外，不同深度土壤的水分和電導率變化存在明顯的規(guī)律性，這為深人了解土壤水鹽動態(tài)提供了新的視角。盡管已有大量研究揭示了沙區(qū)土壤性質的基本規(guī)律，但針對沙區(qū)深層土壤理化指標精細化監(jiān)測和分析尚未充分開展，尤其是氣候因素對土壤水熱鹽變化的影響研究缺乏深入的動態(tài)監(jiān)測和分析。筆者旨在通過對陜北沿長城防風固沙林帶 0～200cm 土層土壤水分、溫度、電導率及其與氣象要素的同步觀測分析，系統(tǒng)揭示研究區(qū)在不同氣象條件的影響下，水分、溫度和電導率時空變化規(guī)律，為該地區(qū)以及類似生態(tài)系統(tǒng)的恢復和資源管理提供科學依據(jù)

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況試驗地位于我國西北部陜西省榆林市榆陽區(qū)（ 109^°32^′52^′′～109^°64^′32^′′E，38^°18^′32^′′～38^°25^′12^′′N） ，共布設4個采樣點，如圖1所示。樣地平均海拔 1100m ，年平均氣溫 10.1^°C ，年無霜期 150d ，年降雨量 446.5mm ，年蒸發(fā)量2092.5mm ，采集數(shù)據(jù)當年氣候正常。樣地為人工林，喬木植物以樟子松（Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.）為主，針對北部防風固沙林帶的研究具有一定代表性。土壤為第四紀沖積沉積形成的砂質壤土，具有結構疏松、持水能力差及蒸散量大等特征，含 57.29% 砂粒 ，35.13% 粉土和 7.58% 黏土，有機質含量 4.72g/kg ，全氮含量 0.26g/kg ，全磷含量0.41g/kg ，全鉀含量 20.59g/kg 。2023年試驗區(qū)氣溫及降雨量如圖2所示。

1.2數(shù)據(jù)收集2022年12月15日在各樣地標定GPS，布設型號為數(shù)采 Em50 （美國）的數(shù)據(jù)采集器，Meter5TE（美國）的監(jiān)測傳感器，氣象站型號為WX-BQX6（中國）。選定樣點后，為減少誤差，從地表 0cm 開始每隔 40cm 埋設1個傳感器，總深度為 0～200cm 。首先使用便攜式挖坑機雷力LL99（中國）進行土坑挖掘，之后將不同深度的傳感器平行土面插入，布設好后使用原土填埋，每6h采集1次數(shù)據(jù)。穩(wěn)定15d之后，于2023年1月1日開始收集不同深度土壤剖面水分、溫度和電導率數(shù)據(jù)，至2023年12月29日結束，共計收集

103515組數(shù)據(jù)，利用自主研發(fā)的云平臺進行數(shù)據(jù)的收集和傳輸，分析時將不同樣地每月的數(shù)據(jù)進行加權平均。樣區(qū)使用自動氣象站記錄氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于CR3000自動氣象站（美國），氣象因子包括空氣溫度 T_a（^°C） 、空氣相對濕度RH（%） 和降水量 P（mm） 等指標。采集時間及頻率與上述監(jiān)測儀器一致。根據(jù)氣溫和空氣相對濕度，通過式（1）計算飽和水汽壓差 VPD（kPa） 。

式中： T_a 為空氣溫度， C ;RH為空氣相對濕度， % 。

1.3數(shù)據(jù)分析使用 Excel2016 進行數(shù)據(jù)預處理，包括異常值篩選，利用SPSS23.0和Excel2016進行數(shù)據(jù)分析和圖形繪制，通過Person相關性表征土壤電導率、溫度、土壤水分含量及氣象因子之間的相關性。

2 結果與分析

2.1土壤剖面水分時空動態(tài)特征如圖3所示，隨著土壤剖面深度的增加不同月份的土壤含水率總體呈降低一升高一降低的趨勢，除1月外，其余月份在 120cm 土層最低。平均各月數(shù)值可知， 120cm 土層較地表含水率降幅達43.51% ，較 200cm 土層降幅達 32.80% 。0和 40cm 土層土壤含水率均在1—2月出現(xiàn)明顯上升，增幅分別為 170.86% 和 142.27% ;4—5月，各土層土壤含水率均有所下降，最大降幅達 27.11% （ 40cm 土層）；9—10月， 0～80cm 土層土壤再次上升，其中0和 80cm 土層增幅較大，分別為 18.99% 和18.93% 40cm 土層反而增幅較小。不同土層土壤含水率均在4月達到峰值， ，0，40，80，120，160 和 200cm 土層土壤含水率分別為 6.91%6.27%5.84%5.35%7.89% 和 7.60% ，在160cm 土層出現(xiàn)最大值。

總體來講，各土層土壤含水率在4—5月較高，8—9月較低，這與降水量季節(jié)性變化相一致?？傮w看來，含水率隨土壤深度的增加不斷降低，以 120cm 為分界線降至最低，之后含水率保持緩慢增加。

2.2土壤剖面溫度時空動態(tài)特征從圖4可見，整體看來，隨著時間推移土壤溫度先增后減，在8月達到峰值，符合季節(jié)性變化規(guī)律，但各月之間的變化又各有異同。1一4月和10—12月的整體趨勢為隨著土壤土層深度增加，土壤溫度先增加后降低，其中1月土壤溫度的變化最為劇烈。5—9月整體趨勢為隨著土層增加，土壤溫度先降低后增加。

不同土層土壤溫度隨時間變化呈現(xiàn)明顯的波動，地表（ 0cm ）波動最為劇烈，從 -7.15C 上升至 21.55°C ，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化。 40cm 土層的土壤溫度從 -0.22°C 升至19.38^°C ，波動較地表更小，其中2一3月的溫度上升 6.45^°C ，月份之間變化最大。 80cm 土層土壤溫度從 3.42^°C 升至17.34^°C ，其中2—3月的平均溫度上升 4.61^qC ，波動相較于地表和 40cm 土層進一步減小。120、160和 200cm 土層土壤溫度變化明顯減弱，且在 160cm 波動降至最低，反映出深層土壤的溫度變化相對穩(wěn)定。

2.3土壤剖面電導率時空動態(tài)特征圖5顯示，隨著土壤土層深度不斷增加，土壤電導率整體呈先降低后上升的趨勢，除了1、5月，其余月份均在 120cm 土層為最低水平，1月在 40cm 土層電導率最低。將各月數(shù)據(jù)平均后發(fā)現(xiàn)各土層間土壤平均電導率表現(xiàn)為 0cm（ 3. 68μS/cm）gt;40 cm（3.17μS/cm）gt;160cm（3.16μS/cm）gt;200cm（3.08μS/cm）gt;

隨著時間推移，土壤電導率整體呈先增加后降低的趨勢，在4月土壤電導率達到峰值，平均達 5.23μs/cm ，相較于最低的8月（ 1.89μS/cm） ，提升了 3.34μS/cm 。4-5月土壤電導率波動幅度最大，平均值從 5.23μS/cm 降至3.81μS/cm ，而8—9月土壤電導率波動幅度最低，平均值從1.89μS/cm 提升至 1.99μS/cm 。

2.4土壤電導率與含水率、溫度變化的關系由表1可知，土壤含水率在各月對土壤電導率可產(chǎn)生一定的正向影響。3月和5月在 80cm 土層呈現(xiàn)極顯著正相關，隨著土壤深度的不斷增加，土壤含水率與電導率的相關性整體呈先增后減的趨勢。由表2可知，土壤溫度在各月對土壤電導率也有一定影響，整體看來二者關系隨著時間推移先增大后降低，在

10月各土層溫度和電導率相關性達到最大，不同土層土壤溫度和電導率之間均存在顯著正相關，并且從整體看來，隨著土壤深度的不斷增加，土壤溫度與電導率相關性呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。由表3可知，土壤含水率和土壤溫度之間也存在一定相關性，并主要出現(xiàn)在 0～40cm 土層。在地表處，5—9月土壤含水率和溫度間存在顯著負相關，而10一12月二者間存在顯著正相關。在 40cm 土層出現(xiàn)了類似趨勢，5—9月土壤含水率和溫度間存在顯著負相關，而在10—11月出現(xiàn)顯著正相關。整體來看，土壤含水率和土壤溫度之間的相關性隨著土層深度的增加而不斷降低。

2.5土壤溫濕度和電導率與氣象因子的關系由表4＼～6可知，土壤含水率、土壤溫度及電導率主要受空氣溫度（ T_a ）飽和水汽壓差（VPD）和降雨量 （P） 的影響，空氣相對濕度（RH）影響相對較小?？諝鉁囟扰c土壤含水率在 0～40cm 呈顯著負相關，但與 120～200cm 土層土壤相關性較低；空氣溫度與 0～120cm 土壤溫度呈顯著正相關關系，且隨著土層深度增加，相關性逐漸降低；空氣溫度與 0～40cm 土壤電導率呈顯著負相關關系，且隨著土層深度的增加，出現(xiàn)相關性降低的趨勢。飽和水汽壓差與土壤含水率在 0～40cm 呈極顯著負相關，與土壤溫度呈正相關，與土壤電導率呈顯著負相關。降雨量與土壤含水率和電導率在 0～80cm 土層均呈顯著正相關，并與 0～40cm 土層電導率的相關性達到極顯著水平。

3討論

該研究結果顯示，隨著時間的推移土壤含水率的變化符

合降水量的季節(jié)性規(guī)律，在4月和5月較高，在8月和9月較低，這與劉鴻雁等的研究結果一致。隨著土壤剖面深度的增加，土壤含水率整體呈現(xiàn)出降低一升高一降低的趨勢，這是由于沙地表層容易受到蒸發(fā)作用的影響，導致水分迅速流失，而且隨著土壤深度增加，蒸發(fā)作用減小，使中層土壤含水率出現(xiàn)增加的趨勢。該研究結果發(fā)現(xiàn)，在 120cm 土層為土攘含水率最低點，可能是這一深度的土壤易受上層植物根系吸水和下層毛細水雙重作用的影響，導致含水率降低，此外，由于地質和土壤結構的影響，這一土層深度可能水分傳導性差，從而使得水分難以積累[10]。在較深土層（ 160cm 土壤含水率增加可能是由于毛細作用將下層土壤中的水分向上輸送所致。較深層土壤（ 160cm ）通常能夠保持較為穩(wěn)定的水分含量，因為這些土層的蒸發(fā)作用較小，水分流失較慢[11-12]。按照時間尺度進行分析發(fā)現(xiàn)，表層土壤（ 0～40cm） 含水率在1—2月出現(xiàn)明顯升高，波動較為劇烈，這可能是1—2月地面積雪開始融化，導致表層和淺層土壤水分明顯增加[13]。這種現(xiàn)象在高寒地區(qū)尤其明顯，如西部及北部的研究顯示，凍融交替作用后，土壤表層和淺層水分含量顯著上升[4]，且植被的枯枝落葉層可以降低地表的蒸騰作用，增加土壤水分的滯留時間，致使表層和淺層土壤水分增加[15]

整體看來，隨著時間推移土壤溫度呈先增加后降低的趨勢，具有明顯的季節(jié)性波動，在8月土壤溫度達到峰值。該研究發(fā)現(xiàn)，在1—4月和10—12月土壤溫度的整體變化趨勢為隨著土壤土層深度增加，土壤溫度先增加后降低，這可能是由于冬季和初春（1—4月、10—12月）地表溫度較低，且地表與大氣接觸，受空氣溫度影響較為顯著，熱量通過傳導進人土壤上層[16-17]。然而，當達到一定深度后（ 160cm ），熱量傳導減弱， 200cm 王層的土壤溫度開始下降，這可能與土壤水分的熱傳導性質有關，由于水的熱容量較大，能夠儲存更多的熱量，因此土壤水分含量較高的土層通常具有較高的溫度。 160cm 土層深度的土壤由于水分含量較高，因此溫度也相對較高[18-19]。5—9 月整體趨勢為隨著土層深度增加，土壤溫度先降低后上升，這是由于5—9月地表溫度整體較高，熱量從地表向土壤深層傳導。表層土壤迅速升溫，而由于土壤的熱慣性，深層土壤溫度上升較慢，因此溫度先降低后上升[20-21]。在這個時期內，土壤深層的熱量緩沖作用使熱量傳導到更深層時，溫度開始回升。夏季的高溫使得深層土壤逐漸積累熱量，導致深層土壤溫度在夏末達到較高值。

該研究發(fā)現(xiàn)，土壤電導率在空間和時間上的變化也非常顯著。隨土壤深度不斷增加，土壤電導率整體呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，在 120cm 王層達到最低水平，同時在 160cm 土層處再次上升至峰值，但1月與其他月份存在明顯差異，在40cm 土層處電導率為最低，這是由于淺層土壤（ 0～40cm） 易受氣候及枯枝落葉物影響，鹽離子和有機質富集所導致[22]。隨著土層深度的增加（ 40～120cm ），土壤電導率逐漸降低，這可能是由于中層王壤（ 40～120cm 鹽離子被進一步淋溶，積累在更深層（ 160～200cm ）土壤中。同時，中層土壤通常較為穩(wěn)定，不易受地表活動的影響，因此電導率較低[23]。在更深土層（ 160～200cm， ），土壤電導率開始上升，這可能是由于地下水位接近地表，深層土壤中的鹽分和礦物質較多，導致電導率上升[24]。從時間角度來看，隨著時間推移，土壤電導率整體呈先增加后降低的趨勢，在4月土壤電導率達到峰值，這是由于4月是降雨的集中時期，大量水分進入土壤，溶解并攜帶了大量鹽分和溶解性離子，導致土壤電導率達到峰值，同時融雪和降雨使得表層和淺層土壤中的鹽分向下移動，導致電導率增大[25]。8月電導率降至最低，這是可能由于高溫和蒸發(fā)作用增強，降水減少，土壤中的水分逐漸蒸發(fā)導致電導率降低。該研究表明，8—9月土壤電導率波動幅度最低，這可能是由于植物生長相對穩(wěn)定，因此導致土壤電導率變化較小，波動幅度最低。

土壤含水率、溫度和電導率之間的相互關系也在該研究中得到了充分的體現(xiàn)。相關性分析顯示，土壤含水率和電導率之間在特定月份和土層存在顯著正相關關系，特別是3月和5月在 80cm 土層深度呈極顯著正相關。這是由于該時期大量的融雪和降雨增加了土壤含水率，溶解了較多的鹽分和礦物質，使得土壤電導率顯著變化[26-27]。但是隨著土壤土層深度的不斷增加，深層土壤受表層活動的影響較小，土壤中的物質分布趨于穩(wěn)定，同時深層土壤的質地和結構相對穩(wěn)定，孔隙度和滲透性較低，使得土壤水分含量和電導率間的相關性降低[24]。土壤溫度在各月份與土壤電導率也存在一定相關性。隨著時間推移，10月各土層土壤溫度和電導率間均存在顯著正相關，其中120 和 160cm 土層土壤溫度和電導率之間存在極顯著相關，這是由于土壤溫度會影響電導率中的電解質溶解度和離子擴散速率，因此在10月溫度較高的情況下，土壤離子移動性增加，使得電導率升高[28-30]。但整體看來，隨著土壤土層深度的不斷增加，土壤溫度與電導率的相關性呈先增高后降低的趨勢，這可能是由于深層土壤溫度變化主要受地下水和深層熱量的影響，而地下水和深層熱量又會對土壤電導率產(chǎn)生較為顯著和持久的影響。土壤含水率和溫度也之間存在一定相關性，并主要出現(xiàn)于 0～40cm 土層，同時隨著時間變化相關性出現(xiàn)了顯著的兩級分異，這是由于月中時期土壤水分蒸騰劇烈，即使降雨量較高，也難以彌補土壤蒸騰所損失的水分，但這種現(xiàn)象隨著土層的增加逐漸消失。

也有研究表明，不同氣候條件對土壤理化指標有著較大影響[31]。該研究也發(fā)現(xiàn)在沙地生境中，土壤含水率、溫度及電導率主要受空氣溫度、飽和水汽壓差和降雨的影響，同時在 0～80cm 王層土壤指標對氣候變化響應更加強烈?？諝鉁囟扰c 0～120cm 土層土壤溫度呈現(xiàn)顯著正相關關系，隨著土層增加，相關性逐漸降低，這可能是由于“熱滯后效應”所導致[32]。飽和水汽壓差與土壤含水率和電導率在 0～40cm 呈現(xiàn)顯著負相關，這是由于飽和水汽壓差通常表示空氣中水分蒸發(fā)的潛在驅動力，較高的飽和水汽壓差會增強蒸發(fā)作用，導致表層土壤（ 0～40cm^? 水分大量損失，同時電導率也會產(chǎn)生一定響應，從而形成顯著的相關關系。

4結論

綜上所述，該研究揭示了陜北沿長城防風固沙林帶 0～ 200cm 土層深度土壤含水率、溫度和電導率的時空變化規(guī)律，并探討了它們之間的關系，結果表明：土壤含水率在4—5月較高，同時隨土層的增加波動逐漸減少，在4月 160cm 土層出現(xiàn)最高值 （7.89% ）。整體看來，土壤溫度在8月最高，1月土壤溫度的變化最為劇烈，其中地表（ 0cm 波動最為劇烈， 120cm 及更深土層溫度變化明顯減弱，且在 160cm 土層波動降至最低。隨著時間推移，土壤電導率在4月達到峰值。相關性分析顯示，土壤含水率與土壤電導率之間在3月和5月存在顯著正相關關系。在10月， 120cm 和 160cm 土壤溫度與電導率之間存在極顯著正相關，且隨著土壤土層深度的不斷增加，土壤溫度與電導率相關性呈先增高后降低的趨勢。土壤含水率和土壤溫度之間的相關性在 0～40cm 土層較高，隨著時間推移，土壤含水率和土壤溫度的相關性出現(xiàn)了顯著的兩級分異。土壤含水率、溫度及電導率主要受空氣溫度、飽和水汽壓差和降雨量的影響，空氣相對濕度影響相對較小，氣候因子對 0～80cm 王層土壤含水率、溫度及電導率影響較大。

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