遼西北沙地不同土地利用方式對土壤水分的影響

惠淑榮，王 嬌，張 倩，魏忠平，劉 陽

（1.沈陽農業大學 理學院，遼寧 沈陽 110161；2.沈陽農業大學 林學院，遼寧 沈陽 110161；3.遼寧省生態公益林項目中心，遼寧 沈陽 110036；4.東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110004；5.遼寧省林業科學研究院，遼寧 沈陽 110032）

遼寧省西北部地區土地沙化較為嚴重，風沙危害較大。根據全國第3次沙化和荒漠化土地監測結果，遼寧省現有沙化土地面積54.96萬hm2，沙化和荒漠化土地95.4%分布在遼西北地區［1－3］。土地沙化不僅導致遼西北地區生態環境惡化，可利用土地資源減少，土地質量下降，嚴重制約了當地農業和農村經濟的可持續發展，而且還對以沈陽為中心的遼寧中部城市群構成生態威脅［4］。土壤水分是沙化地區最珍貴的自然資源之一，盲目開墾土地和水資源短缺是引起該地區沙化面積進一步擴大的主要因素。因此，合理利用土地，對土壤水分進行有效調控和利用是解決這一問題的關鍵。本研究在遼寧省阜新市彰武縣章古臺鎮典型的沙地上選擇3種不同土地利用方式，對其土壤水分動態變化規律進行研究，以期為遼西北沙化土地合理開發利用提供有關水分方面的理論依據。

1 研究地區概況與方法

1.1 研究地區概況

研究地區位于科爾沁沙地的東南部，遼寧省彰武縣章古臺鎮（42°43′N，122°22′E）。屬于干燥亞濕潤區氣候類型，年均降水量為450～500 mm，主要集中在夏季，占全年降水量的70%。年蒸發量為1 300～1 800 mm，冬春兩季風大且持續時間長，風速為4.5～5.0 m·s－1，年均氣溫為6.2℃，相對濕度為58%～59%，10℃以上積溫為2 890℃，無霜期為150 d，植物生長期（＞5.0℃的天數）為180 d。試驗地0～100 cm的土壤基質為風沙土層，砂粒含量＞98%，黏粉粒含量＜2%，沙層深厚，達30 m左右。

1.2 研究樣地及水分觀測

2008年5月在研究區域內選定該地區有代表性的不同土地利用模式：大扁杏Prunus armeniaca×sibirica-花生 Arachis hypogaea-玉米 Zea mays，大扁杏-麻黃草 Ephedra sinica，樟子松 Pinus sylvestris var.mongolica純林，3種模式在開墾利用之前為原始荒地，同時選擇相同立地條件下的原始荒地為對照（表1）。各種利用方式及對照的土壤基本性質見表2。

表1 不同土地利用方式概況Table 1 A survey of different utilizable methods of sandy land

表2 土壤基本性質Table 2 Basic propotities of the sampling soils

在每種利用方式下建立標準地，面積20 m×20 m，3次重復。在每塊標準地中隨機布設3個土壤水分觀測點，分別于2008年5月20日、6月20日、7月20日、8月20日、9月20日、10月20日用FDR土壤水分測定儀測定土壤含水量（%，體積分數）。數據采用DPS統計軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下不同月份土壤水分的空間變化規律

不同土地利用方式下土壤水分空間分布狀況見表3。方差分析結果表明，5月樣地A和樣地B土地利用方式之間僅在0～10 cm表層達到了5%顯著差異，而與樣地C和樣地D相比均達到了顯著差異，說明在整個0～100 cm土層內樣地A和樣地B樣地水分狀況要好于樣地C和樣地D。從土層深度來看，各處理各層次變幅不大，其中樣地C的0～10 cm土層含水量要遠高于其余各層。在整個剖面分布中，樣地C含水量低于其余各樣地，在600～100 cm這一層次達到最低值6.8%。

6月各樣地土壤含水量高低依次為樣地A＞樣地B＞樣地C＞樣地D。在整個0～100 cm土層內，隨著土層深度的增加，各樣地土壤含水量均表現出先增加后降低的趨勢，樣地A，樣地B和樣地C均在30～40 cm土層達到最大值，60～100 cm這一層次達到最小值；而對照則是在60～100 cm這一層次達到最大值7.3%，在0～10 cm表層達到了最低含水量，僅為5.5%。

表3 不同土地利用方式下土壤水分狀況Table 3 Status of soil water content under different utilizable methods of sandy land

7－8月各樣地土壤水分狀況明顯要明顯好于其他月份，這是由于這一時期為土壤的蓄墑期，全年降水大部分集中在這一時期所致。從表3中可以看出，7月不同土地利用方式除在表層和底層外其余各層次含水量均高于對照，均與對照達到了5%差異顯著水平。從土層深度上來看，樣地A，樣地B和樣地C最大含水量出現在30～40 cm這一層次，表現出自表層向下逐漸增加，達到最大值后又開始降低的趨勢，其中樣地A和樣地B在0～10 cm表層達到最小值，而樣地C則是在60～100 cm這一層次達到最小值7.2%。與對照相比，3種利用方式均能改善土壤水分狀況，增加土壤儲水量。8月土壤含水量與7月相同的是各處理均在30～40 cm這一層次達到水分最大值，不同的是各處理的最小值出現在60～100 cm這一層次。樣地A和樣地B只在0～10 cm和60～100 cm 2個層次達到顯著差異，而其余層次沒有差異。在30～40 cm這一層次樣地A和樣地B的含水量要顯著高于對照和樣地C，其余層次不同利用方式與對照相比無明顯差異。

9月樣地A，樣地B和樣地C土壤含水量除表層外其余各層次含水量均高于對照。其中樣地A和樣地B均與對照達到了顯著差異，而樣地C只在20～40 cm層次上與對照達到了顯著性差異。樣地A和樣地B各層次含水量要高于樣地C。樣地A和樣地B之間相比，除在10～20 cm、30～40 cm層次達到顯著差異之外，其余各層次均無顯著性差異。從土層深度上看，各種利用方式下土壤含水量隨著土層深度的增加而增加，當達到最大值后又呈現出降低趨勢，而對照的土壤含水量則是在0～10 cm表層達到最大值，之后隨著土層深度增加而減小，達到最小值后又逐漸升高。

10月，樣地A和樣地B，樣地C和樣地D土壤含水量只在0～20 cm層次達到了顯著性差異，而20～100cm層次均未達到顯著性差異，且樣地A與樣地B的土壤含水量要高于樣地C和樣地D，達到了5%顯著性差異。此外，10～20 cm層次樣地A的土壤含水量要遠高于其余樣地各層次的含水量，達到了14.1%。

2.2 不同土地利用方式下各層次土壤水分的月動態變化規律

從圖1-1～2中可以看出，0～10和10～20 cm 2個層次具有相似的變化規律，表現為先降低到整個年份的最小含水量之后升高，達到最大值后又趨于減少，最后到達一個穩定含水量的變化過程，其中最小值出現在6月，而最大值則出現在8月。從圖中還可以看出，對照在整個年份內變化幅度最大，其余各種利用方式與對照相比具有穩定的水分動態，同時還具有較好的水分狀況，含水量要高于對照。說明各種利用方式具有較強的抗旱適應能力，能夠改善土壤水分狀況，在較為嚴重的干旱季節能夠緩解旱情，降低災害損失。

從圖1-3～5中可以看出，20～30，30～40，40～60 cm這3個層次的土壤含水量在整個年份內具有一致的變化規律，且都變化較為劇烈，因此，我們可以將這3個層次同劃為中層土壤水分劇烈變化區域。這一區域內各種利用方式的土壤含水量在各月份內均高于對照。各種利用方式之間比較為樣地A與樣地B相近，均好于樣地C。樣地A，樣地B和樣地C 3種利用方式的土壤含水量具有一致的變化趨勢，表現為5，6，9和10月水分變幅較小，含水量均較低，而在7月和8月土壤含水量急劇增加，遠高于其余各月份，并都在7月達到最大值。對照的水分變化規律與各種利用方式相比有所不同，表現出降低—升高—降低的趨勢，其中最小含水量出現在6月，最大值則出現在8月。

圖1-6為不同土地利用方式下60～100 cm層次土壤水分的月變化情況。整體上看，樣地A和樣地B的土壤含水量高于樣地C和樣地D。且樣地A和樣地B土壤含水量的變化規律一致，樣地C與樣地D的變化規律相一致。7月，樣地A和樣地B的土壤含水量達到最大，之后逐漸減少并趨于平緩，而樣地C和樣地D則在8月達到最大值，且在整個年份內無太大變動。可以將這一層次劃分為深層土壤水分的穩定區域。

3 討論與結論

圖1 不同土地利用方式下0～100 cm土壤水分的月變化Figure 1 Change of 0－100 cm soil water content under different utilizable methods each month

在干旱半干旱地區，土壤含水量是影響作物生長和植被恢復的重要因子。一方面，土壤含水量的時空變化受降水［5］、 植被［6］、 地形［5］、 土壤［7］和土地利用方式［8－10］等因素的影響；另一方面，土壤含水量又影響著植物蒸騰、地表蒸發、地表徑流和土壤內的水分交換［6，11］。本研究中的降水、植被、地形及土壤等因素在開墾之前較為一致，所以土壤含水量的變化主要是由不同土地利用方式造成的。總體而言，大扁杏-花生-玉米，大扁杏-麻黃草2種方式的土壤水分狀況好于其他2種利用類型，這是由于大扁杏-花生-玉米和大扁杏-麻黃草利用方式下具有喬-草的層次結構，覆蓋度高，使得林地比較郁閉，這就增加了對降水的截留，減弱了土壤的蒸發作用，而其他2種方式的低覆蓋度和單一的層次結構以及草本植物淺的根系是其土壤蓄水量低的主要影響因素。

本研究中各種利用方式下5月土壤含水量要高于6月，這是因為5－6月該地區降水很少，而進入6月以后，樹木各器官開始萌動，需要大量水分來用于自身生長的蒸騰作用，這就消耗了土壤中的水分，導致了這一現象出現。到了7－8月，降水頻繁，全年降水大部分集中在這一時期，各種利用方式下的土壤水分狀況都較好，土壤水分不但完全能夠滿足樹木、作物、植被的生長，還能儲蓄一部分水，這一時期被稱為土壤的蓄墑期。如何有效地保存、合理科學地利用這一部分水分，對于緩解遼西北地區旱情具有重要的現實意義。研究還表明，8月樟子松純林利用方式下土壤水分在30～40 cm層次含水量低于對照，形成土壤水分虧缺層，這與焦樹仁［12］的研究結果一致；而60～100 cm層次中各樣地含水量趨于一致，主要原因是該地區土壤以沙質土壤為主，降水入滲速度快，雨后表層土壤水分很快就滲入到深層土壤中，這就導致了各樣地底層土壤含水量無顯著變化。進入9－10月以后，無論何種利用方式下，在整個0～100 cm剖面中含水量的變幅都很小，說明這一時期水分趨于穩定狀態，由于各處理所處氣候環境條件相同，而這2個月基本沒有降水，同時樹木也進入生長末期，對水分要求減少，導致了這一現象的出現。

綜上所述，在遼西北沙化地區栽植大扁杏-花生-玉米和大扁杏-麻黃草2種土地利用方式能顯著改善土壤水分狀況，積蓄一定的水分，為作物的良好生長提供了保障，這對于遼西北水資源匱乏的干旱地區尤為重要。因此，在該地區應用這2種土地利用方式既能為當地居民帶來顯著的經濟、生態和社會效益，還能改善該地區的生態環境，并能有效地遏制土地進一步沙化，使生態環境向良性方向發展，從而實現資源的可持續利用。

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