青藏高原東北緣黃土區典型立地人工林分土壤水分特性研究

林 莎,王 莉,李遠航,陳夢飛,賀康寧

北京林業大學水土保持學院，水土保持國家林業局重點實驗室；北京市水土保持工程技術研究中心；林業生態工程教育部工程研究中心，北京 100083

青藏高原東北緣黃土區地處干旱半干旱氣候區,降水量少且分配不均,生態環境十分脆弱。退耕還林還草工程的實施,使黃土區的水土流失得到了極大改善,但不考慮土壤水分條件,盲目進行人工植被建設可能會導致土壤干層,生態環境惡化[1]。土壤水分作為該區域限制植被生長的關鍵因子、流域水量平衡和區域水文循環的重要因素[2-3],具有重大的研究價值。當前,國內對該區域土壤水分時空分布[4-5]、土壤水分動態變化[6-7]及土壤水分消耗[8]等方面做出了大量研究,但結合土壤持水特性和滲透特性對土壤水分特性進行綜合分析的研究相對較少[9]。林地土壤水分特性受植被、氣候、地形及土壤等多重因素影響,是水分循環過程中林分結構與功能的綜合體現[10]。研究人工林地土壤水分特性,對合理利用土壤水資源、提高林地含蓄水源功能具有重要意義。

本研究選擇青藏高原東北緣黃土區典型林分——青海云杉(Piceacrassifolia)和祁連圓柏(JuniperusprzewalskiiKom.)作為研究對象,在生長季期間對林地土壤水分進行定位觀測,結合林地土壤持水特性和滲透特性展開分析,研究該區域典型立地人工林分土壤水分特性及耗水特性,驗證該區域典型林分是否適應當地水分條件,能否有效攔蓄天然降雨、維持水分收支平衡、作為當地的水源涵養林,從而為該區域的生態建設結構優化提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于青海省大通回族土族自治縣,屬于黃土高原與青藏高原的過渡區。該區海拔2280—4622m,屬于大陸性高原氣候。全縣年平均溫度為2.8℃,無霜期97d,年降水量450—820mm不等,多年平均降雨量為508mm。降水的地區差異較大,從東南到西北降雨量逐漸增加。降水的季節分布也很不均勻,多集中在7、8、9三個月內。植物生長季(5—9月)的降雨達400—600mm,約占全年降水量的87%左右,雨熱基本同季。全縣年平均蒸發量為1290mm,濕潤指數的變化范圍為0.56—1.32。土壤的主要成土母質為黃土和黃土狀物質,另有少量坡積母質、殘積母質、第四紀紅土洪積物和近代沖積物等。大通縣的主要造林樹種包括青海云杉(Piceacrassifolia)、祁連圓柏(JuniperusprzewalskiiKom.)、青楊(Populuscathayana)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)和檸條(Caraganaintermedia)等。

2 研究方法

2.1 樣地選取與調查

根據研究區青海云杉、祁連圓柏林地的分布情況,考慮坡位和坡向因素,共選擇土壤母質為黃土的6個青海云杉固定樣地、6個祁連圓柏固定樣地和1個荒草地對照樣地,樣地規格為20m×20m。樣地基本情況見表1。

2.2 土壤持水特性

在各樣地內沿對角線挖取3個深度為60cm的土壤剖面,每20cm為一個取樣層,分別用TWS- 55型滲透儀專用環刀、100cm3環刀和塑封袋取樣,每層3個重復。將100cm3環刀土樣用于環刀法測定土壤容重和田間持水量,取塑封袋土樣用激光粒度儀測定土壤顆粒組成,測定結果見表2。按各樣地土壤容重將塑封袋土樣按容重回填入離心機專用環刀,把環刀放入水平盛水容器中24h,水面低于環刀高度,使水分從環刀下部被吸滲進入土壤。使用離心機法測定土壤水分特征曲線[11]。

表1 試驗樣地基本情況

表2 各樣地不同土層土壤顆粒組成及容重

A. 青海云杉陰坡上坡位;B. 青海云杉陰坡中坡位;C. 青海云杉陰坡下坡位;D. 青海云杉半陰坡上坡位;E. 青海云杉半陰坡中坡位;F. 青海云杉半陰坡下坡位;G. 祁連圓柏陰坡上坡位;H. 祁連圓柏陰坡中坡位;I. 祁連圓柏陰坡下坡位;J. 祁連圓柏半陰坡上坡位;J. 祁連圓柏半陰坡中坡位;L. 祁連圓柏半陰坡下坡位

2.3 土壤滲透特性

采用 TWS- 55型滲透儀和自制的馬里奧特瓶,用定水頭法測定土壤滲透速率Kt(mm/min)[12]。

(1)

式中,Qn為若干時間內滲出的水量(mL),L為環刀高度(cm),S為環刀橫截面積(cm2),tn為滲透間隔時間(min),h為水層厚度(cm)。由于土壤滲透受溫度影響較大,為了便于比較,將不同溫度下所測值均換算成10℃時的滲透速率K10。

(2)

式中,t為測定時水溫(℃)。

2.4 土壤體積含水量監測

在各樣地內較平坦處埋設2m長PVC管,采用CPN- 503探頭式中子土壤水分儀測定土壤水分,測定深度為200cm,每20cm測定一次。監測時間為5—9月,具體日期是5月15日、5月31日、6月14日、7月6日、7月21日、7月30日、8月13日、8月27日、9月19日。在測定前需在各樣地不同土層對中子儀進行標定,標定時,0—20cm表層土壤,用TDR測量中子管附近5cm范圍內的表層土壤含水量,20—200cm深度土壤,用土鉆取樣后采用烘干法測定土壤體積含水量,從而獲得標定方程。

2.5 降雨量、氣溫與林冠截留量測定

在各個樣地分別設置Davis Vantage Pro2自動氣象站測定降雨量與氣溫,并在林內沿等高線布設100cm×20cm×25cm雨量槽測定穿透雨、在林外四周布設雨量筒測定林外降雨,二者之差即林冠截留量。

2.6 林地耗水量計算

考慮到擾動土壤與實地土壤有較大差異,在各樣地內采用瞬時剖面法[13],使用日產DIK 3130式張力計,每隔10 cm分層定時觀測土壤土水勢,結合體積含水量,確定相應范圍內的水分特征關系曲線與非飽和土壤導水率[14],結果見表3。應用定位通量法[15],可計算出各樣地地下部分的耗水總量,其數值與實測林冠截留之和,為林地耗水量。

在本研究點完成的相關林分調查表明,試驗林分喬木的根系分布范圍主要集中在0—2m的土層中,因此可將定位點設定在根際層以下處,并定義為Zr。由定位點上、下Z1和Z2處的土壤水吸力φm1和φm2及非飽和導水率K(φ)進行計算。根據達西定律,Zr處的水分通量為:

(3)

式中,Zr=(Z1+Z2)/2,ΔZ=Z2-Z1,單位為cm;φm1和φm2分別為兩點土壤水吸力,φm取φm1和φm2的平均值,單位為kPa。

通過任一斷面Z處相應的水量Q(Z)為：

(4)

當Z=0時,即為地表處的水通量,Q(0)小于0為實際蒸散量。本文中Zr取190cm,ΔZ=20cm,t1和t2為兩實際觀測時間。

表3 各樣地土壤水分特征曲線與非飽和土壤導水率

3 結果與分析

3.1 林地土壤持水特性分析

青海云杉、祁連圓柏林地和荒草地的土壤水分特征曲線如圖1所示。樣地各土層土壤水分特征曲線均呈“L”型,即先迅速下降,之后逐漸變緩,最后基本平緩。其中,青海云杉林地的土壤水分特征曲線總體位于祁連圓柏之上,而荒草地始終位于青海云杉與祁連圓柏林地之下,這說明在相同土壤水吸力作用下,青海云杉林地的持水性比祁連圓柏好,荒草地的持水性比林地差。位于不同立地類型的青海云杉、祁連圓柏林地,各層土壤水分特征曲線形狀基本相似,無顯著變化趨勢,此時坡位、坡向對于土壤水分特征曲線無顯著影響。此外,青海云杉林地0—20cm土層較20—40cm、40—60cm土層的土壤水分特征曲線陡,而祁連圓柏林地不同土層深度的土壤水分特征曲線差異較小,即青海云杉林地表層土壤的持水性較下層差,而祁連圓柏林地內不同土層深度的土壤持水性無明顯變化趨勢。

圖1 各樣地不同土層土壤水分特征曲線Fig.1 Soil moisture characteristic curves of different soil layers in sample plots A. 青海云杉陰坡上坡位;B. 青海云杉陰坡中坡位;C. 青海云杉陰坡下坡位;D. 青海云杉半陰坡上坡位;E. 青海云杉半陰坡中坡位;F. 青海云杉半陰坡下坡位;G. 祁連圓柏陰坡上坡位;H. 祁連圓柏陰坡中坡位;I. 祁連圓柏陰坡下坡位;J. 祁連圓柏半陰坡上坡位;K. 祁連圓柏半陰坡中坡位;L. 祁連圓柏半陰坡下坡位

3.2 林地土壤入滲特性分析

各林地的土壤初始滲透速率和穩定滲透速率結果如圖2—3所示。各樣地相同土層之間土壤的初滲速率、穩滲速率均呈極顯著差異(P<0.01),青海云杉林地土壤的初滲速率、穩滲速率總體大于祁連圓柏,荒草地土壤的初滲速率和穩滲速率最小。不同立地條件下,青海云杉林地陰坡土壤的初滲速率、穩滲速率小于半陰坡,而祁連圓柏林地陰坡土壤的初滲速率、穩滲速率大于半陰坡。相同坡向,上坡位林地土壤的初滲速率、穩滲速率小于下坡位。各樣地內,青海云杉林地土壤的初滲速率和穩滲速率隨土層深度的增加而增強,而祁連圓柏林地與荒草地土壤的初滲速率和穩滲速率隨土層深度的增加而逐漸減弱。

圖2 各樣地初始滲透速率/(mm/min)Fig.2 Initial penetration Rate of sample plots

圖3 各樣地穩定滲透速率/(mm/min)Fig.3 Stable penetration Rate of sample plots同一土層不同字母表示不同樣地間差異顯著(P<0.05)

3.3 林地土壤水分動態特性分析

3.3.1剖面土壤水分隨時間動態變化

由圖4可以看出,研究區降雨主要集中在7—9月份,生長季氣溫與降雨量變化趨勢大致相同,均在7、8月份達到峰值。這與圖5—7所呈現的各樣地土壤水分季節變化相響應,剖面土壤含水量表現為9月份最大,其次是8月份,6月份最小。5月中旬至6月中旬青海云杉、祁連圓柏林地和荒草地土壤含水量分別下降0.90%、0.77%和0.47%;7、8月份青海云杉、祁連圓柏林地土壤含水量分別升高2.5%、1.83%,而荒草地則升高了5.86%;9月份土壤含水量均大幅度升高,青海云杉、祁連圓柏林地和荒草地的土壤含水量分別比5月中旬增加17%、18%和37%。

3.3.2剖面土壤水分隨空間動態變化

通過SPSS18.0統計軟件中的one-way ANOVA和Duncan對土壤水分數據進行方差分析,結果顯示：各樣地與各樣地相同土層之間土壤含水量存在極顯著差異(P<0.01);青海云杉林地土壤水分條件總體優于祁連圓柏,荒草地的土壤水分條件則優于林地;位于半陰坡的林地,土壤含水量隨坡位由上至下逐漸升高;0—200cm土層青海云杉林地土壤平均含水量為半陰坡下坡位(26.97%)>半陰坡中坡位(26.01%)>半陰坡上坡位(25.05%)>陰坡上坡位(23.13%)>陰坡中坡位(21.11%)>陰坡下坡位(21.05%),祁連圓柏林地土壤含水量為半陰坡下坡位(24.76%)>陰坡下坡位(24.38%)>陰坡上坡位(22.86%)>陰坡中坡位(20.66%)>半陰坡中坡位(18.47%)>半陰坡上坡位(16.79%)。由圖8可以看出,0—40cm土層各樣地土壤含水量由淺至深迅速升高;40—140cm土層青海云杉林地除半陰坡下坡位外,土壤含水量隨著土層深度的增加呈現出減小的趨勢,而祁連圓柏林地和荒草地土壤水分垂直變化不明顯;140—200cm土層青海云杉、祁連圓柏林地和荒草地土壤水分垂直變化均不明顯。

圖4 生長季降雨量與溫度特征Fig.4 The characteristics of rainfall and temperature in growing season

圖5 荒草地剖面土壤含水量的季節變化 Fig.5 Seasonal variation of soil moisture content in profile of desert grassland (CK)

圖6 青海云杉林地剖面土壤平均含水量的季節變化 Fig.6 Seasonal variation of average soil moisture content in profile of sample plots of Picea crassifolia

圖7 祁連圓柏林地剖面土壤平均含水量的季節變化 Fig.7 Seasonal variation of average soil moisture content in profile of sample plots of Juniperus przewalskii Kom.

3.3.3剖面土壤水分垂直變異

各青海云杉、祁連圓柏林地和荒草地剖面土壤水分的變異系數曲線見圖9：由于表層土壤水分直接受大氣影響,土壤蒸發強烈且降雨補充迅速,各樣地剖面土壤含水量均在0—20cm土層變異最大,水分交換十分活躍,除青海云杉下坡位林地外,變異系數表現為同一坡位,陰坡大于半陰坡;20—40cm土層各樣地土壤水分變異系數較表土層顯著減小(P<0.01),變異系數曲線在該層呈現出明顯拐點,土壤水分交換比較活躍,除青海云杉中坡位、祁連圓柏下坡位林地外,變異系數表現為同一坡位,半陰坡大于陰坡;40—200cm土層各青海云杉、祁連圓柏林地土壤水分變異系數均值皆小于8%,而荒草地土壤水分變異系數均值為10.03%,剖面土壤水分變異總體減弱,土壤水分相對穩定。

3.4 林地耗水性分析

生長季各樣地0—200cm土壤剖面層的耗水量如圖10所示：生長季期間,青海云杉、祁連圓柏林地和荒草地耗水量均值分別為251.09mm、238.85mm和146.19mm,青海云杉、祁連圓柏林地耗水量分別比荒草地高出71.76%、63.38%;半陰坡林地耗水量均大于陰坡;5月中旬至6月中旬,各樣地日均耗水量為0.90—1.25mm,耗水量較低;6月中旬至7月初,青海云杉、祁連圓柏林地和荒草地日均耗水量較5月中旬至6月中旬分別增大14.4%、27.93%和23.85%;7、8月份青海云杉、祁連圓柏林地和荒草地耗水量日均耗水量分別為2.91mm、3.04mm和1.50mm,耗水量達到生長季峰值;8月底至9月中下旬,青海云杉、祁連圓柏林地蒸散耗水量均迅速減少,日均耗水量均值分別為1.32mm、0.73mm和0.71mm。

圖8 生長季內各樣地剖面土壤平均含水量/%Fig.8 Average soil moisture content of various plots during the growing season

圖9 各樣地剖面土壤水分變異特征Fig.9 Variation characteristics of soil moisture in different profile of sample plots

圖10 生長季期間樣地日均耗水量/mm Fig.10 Daily average water consumption of the plot during the growing season

4 討論

土壤持水特性是評價不同林分土壤涵養水源及調節水分的一個重要指標[16-17],而土壤水分特征曲線能較好體現林地土壤的持水特性[18-19],其主要受土壤質地和孔隙結構等物理特性的影響[20]。由于測定時采用重塑土,土壤孔隙被破壞,土壤水分特征曲線測定結果對于孔隙度不同造成的持水性差異反映較為微弱,土壤質地起主導作用。本研究發現,青海云杉林地土壤水分特征曲線總體位于祁連圓柏之上,而荒草地始終位于林地之下,可見青海云杉林地土壤持水性優于祁連圓柏,荒草地持水性最差。這可能是因為青海云杉林地土壤的黏粒百分比大于祁連圓柏,而土壤黏粒是影響土壤基質特征最具有決定意義的粒級,其具有巨大的比表面積,且具有膠體的性質,表面可吸附大量的水分[21],因而青海云杉林地的土壤對水分的吸持作用比較強。

土壤入滲能力決定了降雨再分配過程中地表徑流和土壤儲水能力大小,初始滲透速率和穩定滲透速率作為評價入滲特性的2個重要參數,能較好地表征土壤滲透能力[22]。本研究結果表明,青海云杉林地的土壤滲透速率大于祁連圓柏,荒草地滲透性最差。祁連圓柏林地的土壤入滲性陰坡優于半陰坡,下坡位優于上坡位,且隨土層深度的增加而減弱。如表1所示,祁連圓柏陰坡林分生長狀況好于半陰坡,下坡林分生長狀況好于上坡,林分更為生長茂盛,根系更為發達,土壤孔隙度也更大,從而導致土壤入滲性相對增強。袁建平等[23]在黃土丘陵區小流域土壤入滲速率空間變異性的研究表明,陰坡土壤穩滲速率高于陽坡,穩滲速率由坡上部到坡下部逐漸提高。王意錕[24]在浙西南毛竹林覆蓋對土壤滲透性及生物特征的影響研究中發現,同一林地不同土壤層次下土壤滲透性能存在較大差異,隨著土層加深各林地土壤滲透性能均降低。這與本研究結果一致。而青海云杉在半陰坡的生長狀況優于陰坡,植被根系更粗壯發達,且根系主要分布在20—50cm土層,可能是導致青海云杉林地土壤入滲性半陰坡優于陰坡,且隨土層深度的增加而增強的主要原因。

本研究發現,植被類型與立地類型是研究黃土高寒區土壤水分特性不可忽略的因素。各樣地間土壤水分存在顯著差異,青海云杉林地土壤水分條件總體優于祁連圓柏,荒草地土壤水分條件優于林地;半陰坡林地土壤含水量隨坡位由上至下逐漸升高。這與胡相明[25]、莫保儒[26-27]等人的研究結果一致。其中祁連圓柏林地陰坡土壤水分含量高于半陰坡,而青海云杉林地半陰坡土壤水分含量高于陰坡,這很可能是由于所選青海云杉半陰坡樣地位于山坳旁,受到山間集水影響。此外,本研究結果表明青海云杉、祁連圓柏林地土壤水分在降雨入滲、地表蒸發和植被蒸騰共同作用下保持著相對平衡的狀態。林地0—200cm剖面土壤水分在5、6月份由于氣溫逐漸升高,林地耗水量增多而降雨不足,導致土壤水分消耗;7、8月份氣溫急劇上升,雨季來臨,林地蒸散作用強烈、天然降雨大量補充,土壤水分得到緩慢恢復;9月份氣溫迅速降低,降雨量仍然充沛,林地土壤水分快速恢復,土壤含水量在生長季末期又升高至5月份生長季初期的117.5%左右。整個生長季期間,青海云杉、祁連圓柏林地土壤含水量均值分別在22.44%—27.27%、20.07%—24.58%范圍內,荒草地土壤含水量均值在22.27%—31.05%范圍內,可見,青海云杉、祁連圓柏林地的土壤水分狀況較好,且土壤水分變異強度小于荒草地。

生長季期間,林地耗水量呈現出先增加,在7、8月份達到峰值后逐步減少的趨勢,期間荒草地耗水量遠小于林地。這與常國梁[28]、黨宏忠[10]等人的研究結果一致。半陰坡林地的耗水量大于陰坡,這與魏天興[29]、王力[30]等人的研究結果一致,這是半陰坡光照條件好于陰坡、土壤蒸發更強烈所導致的。生長季期間,青海云杉林地的平均耗水量大于祁連圓柏林地,但7、8月份青海云杉林地的平均耗水量卻小于祁連圓柏。由圖4可知,7、8月份降雨量達到峰值,此時土壤水分充足,土壤蒸發主要受大氣蒸散力的控制[31],而大氣蒸散力的主要影響因子——溫度也在此刻達到峰值,故土壤蒸發在7、8月達到最大值。此外,由表1可知,青海云杉林地的植被蓋度大于祁連圓柏,林分生長狀況也優于祁連圓柏。因此,這很可能是由于5、6月份氣溫較低、降雨較少,土壤蒸發較弱,林分蒸騰在林地總耗水中起主導作用,于是青海云杉林地耗水量大于祁連圓柏林地;7、8月份土壤蒸發強烈,林下土壤蒸發占林地總耗水的比例大,青海云杉林地土壤蒸發小于祁連圓柏林地,于是青海云杉林地耗水量小于祁連圓柏林地。

不當的人工植被建設可能會導致土壤干層,土壤水分過度消耗。據李玉山[32]定義,土壤干層含水量上限是土壤穩定持水量。穩定含水量指在黃土高原干旱氣候、土壤質地、自然植被等因素作用下, 通常旱地土壤能夠長期維持的土壤含水量, 其值約為田間持水量的50%—75%[33]。本研究顯示,研究區林地土壤水分在6月中旬達到最低值時,但除表層土壤,林地剖面土壤含水量均處于土壤穩定持水量范圍內;9月中下旬,林地土壤水含水量較5月中旬增加了17.5%,說明林地土壤水分有所盈余。可見,生長季期間,林分均處于充分供水狀態,并未出現土壤干層、土壤水分過度消耗等現象。

5 結論

對典型立地的青海云杉、祁連圓柏林地的土壤持水特性、土壤滲透特性、土壤水分動態和土壤耗水特性進行綜合分析,結果表明：雖然青海云杉林地的土壤水分特性整體優于祁連圓柏林地,青海云杉林地耗水量大于祁連圓柏林地,但是二者的土壤水分狀況都比較好,并未出現土壤干層、土壤水分過度消耗等現象。研究區的青海云杉、祁連圓柏林分能有效攔蓄天然降水、維持水分收支平衡,在之后黃土高寒區的植被建設過程中,可繼續配置青海云杉、祁連圓柏作為水源涵養林,但要注意控制林地耗水量,對林分密度進行合理調整,從而保證林分正常生長,實現水土保持措施可持續發展。