黃土高原人工林深層土壤水分利用研究

楊 敏, 趙西寧, 高曉東, 楊世偉

(1.西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤水分是干旱、半干旱區植物生長和生存的關鍵因子[1-2]。尤其是深層土壤水分作為植物生長利用的儲備水資源，在植物應對長期干旱等極端氣候事件中起著至關重要的作用[3]。但是植被蒸騰耗水作用強烈，會對生態水文過程及區域水平衡產生深遠的影響[4]。因此，準確認識植被對深層土壤水分的影響對干旱、半干旱區植被恢復的可持續性具有重要意義。

黃土高原退耕還林(草)工程實施以來，刺槐林(Robiniapseudoacacia)、檸條林(CaraganaKorshinskiiKom.)等人工林得到大規模推廣種植，該區生態環境得到顯著改善[5]。但黃土高原干旱缺水，人工林的大規模發展改變了原有的水量平衡，水分消耗通常大于降水補給。近期研究表明黃土高原植被建設已接近水資源承受極限，土壤水分循環出現負平衡，導致深層土壤干燥化風險增大[6]。

眾多學者就人工林對土壤水分的影響開展了大量研究[7-9]。郭忠升等[10]研究發現黃土丘陵區檸條隨著樹齡增加，對土壤水分利用深度逐漸增強，導致土壤水分虧缺嚴重；王力等[11]研究也發現深根系刺槐生長速率高、種植密度大，水分供需矛盾，為維持自身正常生長，需極大地消耗土壤深層儲水。黃土高原部分地區人工林常年水分收支負平衡，土壤水分利用深度逐年增加，形成了明顯的土壤干層[12]。但是目前有關人工林對土壤水分的影響大多針對單點試驗，缺乏不同氣候區之間的比較，而且多集中在5 m以上，5 m以下的研究相對匱乏。本文通過選取黃土高原半干旱偏旱區、半干旱區以及半濕潤區的刺槐林和檸條林，通過野外取樣，分析不同氣候區人工林對深層土壤水分的影響，定量評價人工林的深層干燥化現狀，為黃土高原人工林植被建設的可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況和方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國黃土高原，屬于典型的大陸性季風氣候。年平均氣溫3.6～14.3℃；多年平均降水量為150～800 mm，主要集中在6—9月份，占全年降水量的55%～78%；光能資源豐富，年總輻射量為5.0×109～6.7×109J/m2。根據黃土高原氣候分布特征，本研究選擇黃土高原北部半干旱偏旱區的子洲、中部半干旱區延安和南部半濕潤區的長武3個代表區域典型的植被類型人工喬木林(刺槐Robiniapseudoacacia)和人工灌木林(檸條CaraganaKorshinskiiKom)作為研究對象。子洲的多年平均降雨量為424 mm，年均氣溫9.2℃，土壤為黃綿土。延安的年均降雨量為530 mm，年均氣溫9.4℃，土壤為黃綿土。長武的年均降雨量為560 mm，年均氣溫9.1℃，土壤為輕壤—中壤質黑壚土。3個代表區植被退化嚴重，生態環境脆弱，氣候干燥，蒸發強烈。研究進行野外采樣同時記錄海拔、生長年限、樹高、胸徑、冠幅直徑和郁閉度等基本信息(表1)。

表1 采樣區基本樣地信息

注：“—”代表未發現，下表同。

1.2 采樣及測定方法

1.2.1 土壤樣品的采集與測定 采用土鉆法(d=40 mm)，采集土壤樣品，取樣深度要求如下：0—200 cm土層，每20 cm取一個土樣；200—800 cm土層，每40 cm取一個土樣。所采集土樣一分為三：一部分采用烘干法(105℃，10 h)測定土壤含水量；另外兩部分帶回實驗室測定顆粒組成和有機碳含量(土壤顆粒組成用馬爾文激光粒度儀進行測定；土壤有機碳含量用重鉻酸鉀氧化法測定)。采樣時間從2018年5月25日—2018年7月5日，共42 d。

1.2.2 根系的收集與測定 采用根鉆法(d=75 mm)在距樹干40 cm處采集根系樣品，取樣深度間隔要求同土壤水分。各層鉆取的土樣用自來水仔細清洗，用0.5 mm篩網對懸浮液中的土壤進行篩分，從篩后的土壤漿液中仔細挑選出細根(≤2 mm)，在吸濕紙上短時間風干。利用掃描儀獲取根系圖像(300 dpi)，使用Delta-t scan圖像分析軟件分析根系圖像(Delta-t scan，Delta-T Devices Company, UK)，獲取細根根長。將掃描后各層細根75℃烘干，利用電子天平稱重，獲取細根干重。將獲得的各土層細根根長除以對應取樣土體體積即為植物的各土層細根根長密度。

1.2.3 土壤水分狀況評價指標 由于0—200 cm土層土壤水分受降雨入滲和植被蒸散發影響較大，因此不予考慮[13]。本研究將200 cm以下的土層定義為深層土壤，主要針對200—800 cm的深度范圍，探討人工林刺槐林和檸條林對深層土壤水分的影響。選取農地作為參考，通過對比深層土壤含水量之間的差值間接判斷深層水分利用狀況是目前常用的方法[12]。研究使用以下方程來計算深層耗水量和深層消耗速率。土壤儲水量按公式(1) 計算：

Sms=0.1θ·ρ·H

(1)

式中：Sms為土壤儲水量(mm);θ為質量含水量(%);ρ為土壤容重(g/cm3);H為土層深度(cm)。土壤耗水量為土壤初始儲水量和現有儲水量的差值，對照地(農地)儲水量視為該地區土壤初始儲水量，即：

Wdeplete=Sinitial-Spresent

(2)

式中：Wdeplete為土壤耗水量(mm)；Sinitial為農地儲水量(mm)；Spresent為土壤現有儲水量(mm)。深層耗水速率根據以下公式計算：

(3)

式中：Vdelepte為深層耗水速率(mm/a)；Tage為樹齡(a)。對于200—800 cm土層的容重(BD)，用以下公式進行估算[14]：

(4)

式中：OM為有機質；0.244為有機質含量與土壤容重之間的轉換系數；1.64為非有機質含量與土壤容重之間的轉換系數，土壤有機質含量(OM)通過以下公式計算得到：

(5)

式中：SOC為有機碳；0.58為有機碳含量與有機質含量之間的轉換系數。

1.3 數據分析

采用Excel 2017(Microsoft，Redmond，USA)和SPSS 17.0(SPSS，Chicago，USA)軟件對數據進行統計分析，采用單因素方差分析ANOVA和多重比較LSD方法分析不同處理之間的差異。采用Origin 2017進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒組成和根系分布

3個地區刺槐林和檸條林0—800 cm土層的細根根長密度和土壤顆粒組成分布如圖1所示。同一地區不同植被類型土壤顆粒組成分布具有同質性。子洲、延安和長武3個地區的剖面土壤平均黏粒含量變化范圍分別為11.61%～13.55%，16.58%～17.36%，24.19%～24.84%，平均砂粒含量變化范圍為27.80%～30.95%，17.60%～18.45%，9.74%～11.15%。而不同地區的土壤顆粒組成存在較大差異。黏粒含量變化趨勢為子洲<延安<長武，砂粒含量變化趨勢為子洲>延安>長武。

3個地區的刺槐林和檸條林的剖面細根根長密度分布表現出高度異質性(圖1)。子洲和延安地區兩種植被0—300 cm土層的細根根長密度均明顯高于長武地區，300 cm以下則無顯著差異(p>0.05)。總體來看，3個地區兩種人工林的細根根長密度隨土層深度的增加而減小，最大細根根長密度均出現在0—60 cm土層。子洲、延安和長武地區，刺槐林0—300 cm土層中的細根根長密度分別占總根長密度的90%，94%，80%；而檸條林分別為83%，81%，83%，均顯著高于300 cm以下土層(p<0.05)。

2.2 人工林剖面土壤含水量垂直分布

不同地區人工林刺槐和檸條的土壤含水量垂直變化特征如圖2所示。受降雨、蒸散發的雙重影響，0—200 cm土層土壤水分波動較劇烈；隨著深度增加，降雨和蒸散發影響減弱，200—800 cm土層土壤含水量相對穩定，呈現近似垂直分布。不同地區刺槐林和檸條林200—800 cm土層土壤含水量存在顯著差異(p<0.05)，均表現為子洲<延安<長武(表2)。同一地區刺槐林和檸條林200—800 cm土層土壤含水量無顯著差異，均顯著低于農地(p<0.05)。

200—800 cm土層土壤含水量與細根根長密度和土壤顆粒組成相關性見表3。整體來看，除延安地區刺槐林外，3個地區兩種人工林的土壤含水量與黏粒含量呈顯著正相關(p<0.05)，與砂粒含量呈顯著負相關(p<0.05)。此外，子洲和長武地區刺槐林和檸條林的深層土壤含水量與細根根長密度均呈負相關，而在延安地區與細根根長密度呈正相關。

注：A，B，C代表子洲、延安和長武的刺槐林；D，E，F代表子洲、延安和長武的檸條林。
圖1 顆粒組成和細根根長密度垂直分布

注：A，B，C分別代表子洲、延安和長武。
圖2 人工林的土壤含水量垂直分布

表2 不同地區各土地利用類型200-800 cm土層土壤含水量

注：不同小寫字母表示同一地區不同植被土壤含水量存在顯著性差異；不同大寫字母代表同一植被不同地區土壤含水量存在顯著性差異。

2.3 人工林的深層耗水量和深層耗水速率垂直分布特征

不同地區刺槐林和檸條林200—800 cm土層耗水量存在明顯差異(圖3)。除延安地區檸條林的部分土層外，3個地區刺槐林和檸條林均存在明顯的深層土壤水分消耗(圖3)。其中子洲地區刺槐林和檸條林深層耗水量(200—800 cm)最大，其值分別為808，698 mm，顯著高于延安和長武地區兩種人工林深層耗水量(p<0.05)(表4)。刺槐林和檸條林在子洲和長武地區深層耗水量變化趨勢基本一致，均呈現200—400 cm，600—800 cm土層耗水量高，400—600 cm土層耗水量低的趨勢。延安地區刺槐林200—800 cm各土層耗水量較穩定，無明顯波動；而檸條林深層耗水量隨深度的增加而增加，至680—720 cm土層達到最大值55.97 mm。

黃土高原不同地區人工林深層耗水速率差異如圖4所示。3個地區刺槐林和檸條林深層(200—800 cm)耗水速率垂直分布規律與深層(200—800 cm)耗水量大致相似，最大值均出現在子洲地區，其值分別為32.33，31.76 mm/a，顯著高于延安和長武地區兩種人工林深層耗水速率(表4)。刺槐林在子洲、延安200—800 cm土層的剖面深層耗水速率均較穩定，無明顯波動；在長武地區呈現先增加后減少再增加的趨勢，最低值出現在560—600 cm土層，為0.68 mm/a。檸條林在子洲和長武地區深層(200—800 cm)耗水速率則呈現先增加后減少再增加的趨勢，最低值分別出現在600—640 cm和440—480 cm土層，為1.66，0.41 mm/a；在延安地區，深層(200—800 cm)耗水速率隨深度增加而逐漸增加，至680—720 cm土層達到最大值2.43 mm/a。

圖3 人工林的深層耗水量垂直分布 圖4 人工林的深層耗水速率垂直分布

表3 不同地區各土地利用類型深層土壤含水量(200-800 cm)與黏粒、粉粒、砂粒含量和細根根長密度的相關性

注：*表示存在顯著相關(p<0.05)，**表示存在極顯著相關(p<0.01)。

表4 不同地區刺槐林和檸條林200-800 cm土層耗水量和耗水速率

注：不同小寫字母表示同一植被不同地區的深層土壤耗水量、耗水速率存在顯著性差異(p<0.05)。

3 討 論

降水是黃土高原植被恢復與生態建設的主要水分來源[15]。群落密度過大、生產力過高導致人工林植被對土壤水分的消耗嚴重超出天然降雨的補償能力，極大地影響了生態系統的水平衡。本研究表明目前黃土高原不同氣候區人工林土壤水分均出現了不同程度的虧缺現狀，所得結論與以往研究相似[16-20]。

植物水分吸收和根系分布密切相關[21-22]。分析3個地區兩種人工林細根根長密度發現，半干旱偏旱區(子洲)和半干旱區(延安)細根根長密度較半濕潤區(長武)發達，原因可能是半干旱區降水補給不足，土壤水分條件差，植物通過發展更為發達的根系來吸收水分維持其生長。這與Collins等[23]研究結果相似，干旱、半干旱地區遭受水分脅迫的植物往往存在更深更發達的根系分布。Jackson等[24]研究發現盡管深層根系分布較少，但其根系吸水效率很高，潛力巨大。當發生水分脅迫時，植物通過其深層根系吸收水分來提高生存能力。也有研究表明植物根系可以通過水力提升作用將深層土壤水分分配到淺層土壤緩解水分脅迫[25]。此外，土壤質地也是影響深層土壤水分狀況的關鍵因素[26]。半干旱偏旱區(子洲)深層(200—800 cm)土壤耗水量顯著高于半濕潤區(長武)(表4)。皮爾遜相關分析表明，深層土壤含水量與黏粒含量呈正相關，與砂粒含量呈負相關(表3)。半干旱偏旱區(子洲)的砂粒含量(30%左右)顯著高于半濕潤區(長武)的砂粒含量(10%左右)，土壤持水性和土壤結構相對較差，加之該區潛在蒸散發大，導致淺層土壤水分大量損失，植物通過增加吸水深度吸收利用大量深層土壤水分來維持其生長，這與蘭志龍等[27]的發現一致。

本研究通過分析不同氣候區兩種人工林深層耗水規律發現，由于生長速度快且根系發達，當淺層土壤水難以滿足其正常需求時，人工林會通過深根吸水消耗大量的深層土壤水分，導致深層土壤干燥化，尤以半干旱偏旱區最為嚴重。這和已有研究得出結果相似。程積民等[28]發現由于深根系灌木檸條種植密度大導致較高的深層耗水速率，加劇了黃土高原深層土壤水分虧缺現狀。Liang等[29]對不同樹齡刺槐林土壤水分研究發現，隨樹齡增加土壤含水量逐漸降低，10～20齡左右刺槐林深層耗水速率最大。在黃土區未來暖干化背景下，大規模的人工林種植可能并不是植被恢復和生態建設的最佳辦法，尤其在半干旱偏旱區，造林加速土壤干燥化，不利于生態系統的可持續發展。因此，有必要采取科學合理的管理措施來調控人工林的土壤水分狀況。魚鱗坑、修梯田等水土保持工程措施可以有效攔截降雨、增加土壤水分入滲，改善人工林土壤水分狀況；同時可以考慮調整人工植被密度，選擇合理的人工植被配置模式，輔以有效的水土保持工程措施，在達到植被恢復的同時盡可能減少對土壤水分的消耗。此外，降水通過補給淺層土壤水來改變植物的水分利用模式，進而影響植物對深層土壤水分的利用，因此不同降雨年型人工林深層耗水規律如何有待進一步深入研究。

4 結 論

(1) 黃土高原不同氣候區不同土地利用方式0—800 cm土層土壤平均含水量均表現為農地>刺槐林>檸條林。其中，半干旱偏旱區(子洲)、半干旱區(延安)及半濕潤區(長武)的刺槐林平均土壤含水量分別為6.64%，9.42%，11.01%，檸條林平均土壤含水量分別為6.38%，12.52%，11.41%。

(2) 3個氣候區刺槐林和檸條林在200—800 cm土層均發生了不同程度的土壤干燥化。兩種人工林200—800 cm土層的深層耗水量、深層耗水速率最大值均出現在半干旱偏旱地區，其值分別為808 mm，698 mm以及32.33 mm/a，31.76 mm/a，該區的深層土壤干燥化最嚴重。

(3) 影響植被深層土壤含水量的因素主要有植物根系和土壤質地。不同地區同一植被根系分布情況存在差異，半干旱偏旱和半干旱區的刺槐林和檸條林根系分布均較半濕潤區發達。不同地區的同一植被土壤質地也存在明顯差異，半濕潤區土壤黏粒含量最高，砂粒含量最低，半干旱偏旱區相反；黏粒含量與土壤含水量呈正相關，一定程度上，黏粒含量越高，土壤含水量越高。