隴東黃土高原中溝小流域不同植被措施土壤水分差異分析

張立俞, 邸 利, 任藝彬, 黃海霞, 倪 帆, 吳賢忠, 王安民, 汝海麗, 劉俊俊

(1.甘肅農業大學 資源與環境學院, 蘭州 730070; 2.隴東學院 農林科技學院,甘肅 慶陽 745000; 3.甘肅農業大學 林學院, 蘭州 730070; 4.蘭州市城市學院, 蘭州 730070;5.平涼市水土保持科學研究所, 甘肅 平涼 744000; 6.涇川縣自然資源局, 甘肅 涇川 744300)

在黃土高原區國家先后啟動了天然林保護、退耕還林(草)與“三北”防護林建設等一系列林業重點生態工程，其主要目的是恢復這一地區的生態植被；植被措施(植樹種草等)和農業耕作措施與工程措施被認為是水土保持三大措施[1]，措施的實施會影響土壤水分的動態過程和靜態分布[2]；反之，土壤水分的分布和動態發生變化，也會影響水土保持措施的實施及其效益[3]。目前有關水土保持措施對土壤水分的影響研究已有很多，不同林分密度的對比及林、草地的對比研究均有，但未見細化到不同地形部位林草地土壤水分的研究，也未見有關隴東黃土高原人工刺槐林土壤水分的系統研究。

在自然狀態下，土壤水分在氣候、土壤、地形及植被的共同作用下表現出極大的時空異質性及很強的尺度效應[4-5]。不同的地表形態水分的靜態分布和動態過程不同，從而引起土壤含水率的變化[6]。在土壤垂直剖面上，不同植被類型土壤含水量受外界環境(氣溫、降水、土壤蒸發)與植被生長(植被蒸騰、植被根系吸收)的共同影響，表現出不同的變化特征[7]。近年來關于黃土丘陵區不同土地利用方式下土壤水分的效應、動態變化、影響等方面的問題，國內已進行了廣泛研究[8]。有研究表明，在大尺度上土壤含水量的空間異質性主要受降水等大氣屬性的影響；在小尺度范圍地形、植被、土地利用類型、土壤理化性質、有機質含量等是土壤含水量的主要控制因素[9-11]。土壤水分在多因子的影響下具有極大的時空異質性，氣候(溫度、降雨等)、地形(坡向、坡度、坡位等)、土地利用、植被等對土壤水分的時空異質性皆有重要影響[12-13]。楊海軍等[14]研究了晉西黃土殘塬溝壑區水土保持林地的水量平衡后認為:大氣垂直降水量是黃土區水土保持林地的唯一水分輸入量;刺槐、油松等喬木林的蒸散量超過同期降水量，易于發生土壤干旱;造林密度過大是造成林地蒸散量大的直接原因。楊新民等[15]研究了陜北黃土丘陵溝壑區刺槐林地的水量平衡，認為該區的林冠截留量、徑流量和蒸散量之和已等于大氣降水量，大氣降水沒有多余的水量可補給林下土壤來儲存，土壤水分經常處于虧缺狀態。馬玉璽等[16]研究了丘Ⅱ區刺槐林的材積生長與水分生態條件的關系，表明當年的降水沒有或僅有少量得到利用；刺槐由于蒸散量大，生產力過高，惡化了土壤水分環境，加劇了土壤的干燥，而不利于刺槐林后期的生長。

隴東黃土高原屬典型的黃土溝壑區，在流域尺度，地形是影響土壤水分空間異質性的重要因素[17-20]。鑒于前人的研究成果，本文以隴東黃土丘陵溝壑區的中溝小流域不同植被措施(高、中、低密度人工刺槐林與次生草地)的土壤水分觀測為基礎，綜合考慮不同土地利用方式(林地、草地)土壤水分特征及大面積退耕還林(尤其是人工純林)的林分密度這一植被治理措施下的土壤水分差異。力爭明確不同地貌部位適宜種植的植被類型與種植密度，為該區植被措施的合理布局與配置提供土壤水分依據。

1 研究區概況

試驗區就設在位于隴東黃土高原涇川縣官山林場中溝小流域(107°31E，35°20′N)內，該小流域面積2.09 km2，海拔1 072～1 351 m，年日照時數2 315.4 h，年平均氣溫10℃，無霜期174 d，降雨量年度變化較大且年內分布不均勻，全年降水主要集中于7—9月份，年平均降雨555 mm，年蒸發量1 181.6 mm，干燥度0.95～1.28；土層深厚，日照充足，但地形破碎，有塬面、梁坡、溝臺和溝谷。因地處森林草原過渡帶，植被覆蓋率低，現有林地均是近40 a來人工營造，草地為林間撂荒草地，主要樹種為刺槐(Robiniapseudoacacia)，占整個林分面積的92%。其他造林樹種有楊樹(Populustremula)、旱柳(Salizmatsudana)、泡桐(Paulowniafortunei)、側柏(Biotaorientalis)和華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)等。林下草本植物主要為鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、沙棘(Hippophaerhamnoideslinn.)、短花針茅(Stipabreviflora)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、狗尾草(Setariafaberii)、多花胡枝子(Lespedezafioribunda)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置與采樣

試驗于2018年4—10月在涇川縣官山林場進行。依據前期林分結構調查的結果，將研究區內10個林地樣地(表1)劃分為高(≥4 000株/hm2)、中(2 000～4 000株/hm2)、低(1 000～2 000株/hm2)3個密度等級；同時在流域內主要的地表形態(塬面、梁坡、溝臺)上選擇林地(4個)與草地(3個)樣地，采用傳統的土鉆采樣法對土壤進行分層采樣，以測定土壤的含水率。

表1 樣地信息

測定的土層深度為0—120 cm，按照0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm，100—120 cm分層，每層取3個重復，即在無人為擾動的自然狀態下，隨機選取樣地上、中、下3個采樣點。在105～108℃下烘烤8 h至恒重，測定各土壤樣品的含水量，每層土壤含水量取其算數平均值。

土壤質量含水率=(濕土質量-烘干土質量)/烘干土質量×100%

(1)

2.2 數據處理與分析

所有數據采用Excel 2010進行分析，使用Origin 2019軟件繪制圖形，采用SPSS 9.1進行單因素方差分析，以此來研究不同水土治理方式和不同林分密度刺槐林地土壤水分含量的差異。

3 結果與分析

3.1 不同林分密度刺槐林地土壤含水量隨土層深度與時間的變化

3.1.1 不同林分密度刺槐林地土壤水分隨土層深度的變化 從土壤平均含水量在土壤垂直剖面上的變化曲線(圖1)可以看出，高、中、低3個密度等級的人工刺槐林地土壤水分的變化趨勢基本一致，均為在近地表(0—60 cm)隨土層深度增加而減少(其中在0—40 cm土層范圍內是迅速減少，40—60 cm減少的幅度有所放緩)，60 cm處出現拐點之后，3個密度林地的土壤含水量隨深度的變化趨于緩和(中密度林地幾乎不變，而低密度和高密度略有增加)；同時在近地表(0—60 cm)中、低密度刺槐林土壤水分差異最小，但明顯高于高密度刺槐林，大約高出3.50%；土壤含水量最大值出現在近地表0—15 cm的中密度林地(20.76%)。

圖1 不同林分密度刺槐林地土壤含水量隨土層深度的變化

3.1.2 不同林分密度土壤水分含量季節性變化 由圖2可以看出，隨著時間的變化，高、中、低林分密度土壤水分含量變化趨勢基本一致，呈現出幾乎對稱的變化狀態(4—6月緩慢下降，6—7月快速上升，7—8月迅速下降，8—10月緩慢上升)，且6—8月變化幅度大，而4—6月和8—10月變化較為和緩；3個密度等級中高密度林地土壤水分含量的變化幅度最大(7.31%)，并在8月份后仍然在緩慢下降(其他2個密度的林地這一時期土壤水分含量是略有所上升的)；低、中密度林地的土壤水分含量在7—8月非常接近。詳細分析中密度等級的人工刺槐林土壤水分含量隨著時間的變化還可以看出：中密度刺槐林地在生長季(4—6月)土壤含水量的下降幅度高于低密度與高密度。

圖2 不同林分密度刺槐林地土壤水分含量隨時間的變化

3.2 草地和林地的土壤水分垂直分布差異

考慮到地表形態對土壤水分的影響，研究分別選取了塬面、梁坡與溝谷3種地形部位的刺槐林地與草地進行比較。

3.2.1 塬面林地和草地土壤含水量隨土壤剖面深度的變化 由圖3A可以看出，塬面林草地土壤含水量隨土層深度的變化趨勢非常相似，均為隨著土層深度的增加而減小；但林地土壤含水量明顯要大于草地，其變化幅度也大，在0—40 cm范圍內呈現銳減狀態，40 cm處出現拐點，從大于20%一直下降到13%左右，減少了近8%，之后略有增加便基本保持穩定；而草地土壤水分含量遠遠低于林地，大約低10.57%，在0—10 cm的淺表層土壤含水量大于6%，80 cm處最低，在3%左右，并草地土壤含水量隨土層深度的變化幅度明顯小于林地，在0—40 cm范圍內是緩慢減少的，之后變幅更小。

3.2.2 梁坡林地和草地土壤含水量隨土壤剖面深度的變化 從圖3B可以看出，梁坡上林地與草地土壤含水量的變化在表層是相反的；在0—40 cm范圍內林地土壤水分含量一直在下降達，到40 cm下降到最低點；而草地0—40 cm范圍內是隨著土層深度的增加而逐漸增加的；40 cm以下林地與草地土壤含水量的變化都趨于和緩；梁坡林地和草地深層土壤水分的含量是最為接近的。

3.2.3 溝臺林地和草地土壤含水量隨土壤剖面深度的變化 由圖3C可得，溝臺地林草在0—20 cm深度范圍內變化趨勢一致，均隨著土層深度的增加而下降；但林地是一直下降，直到60 cm埋深處才降到最低點，而草地在20 cm左右轉為升高，即林地與草地土壤水分隨著土層深度的增加逐漸下降的態勢只是在表層，20 cm以下隨著土層深度的增加，林草的變化趨勢相反，在20—60 cm范圍內，草地是逐漸增加的，而林地是繼續下降；60 cm以下隨著土層深度的增加林地與草地土壤水分變化不再明顯；溝臺地林地土壤水分隨著土層深度變化的總趨勢最明顯，基本上一直為減少狀態。

圖3 不同地形溝臺林地和草地月平均含水量隨土層深度的變化

3.3 林地和草地土壤水分的季節變化特征

由圖4可知，林地和草地土壤含水量具有明顯的季節變化規律，變化趨勢基本一致，從4月到10月整個生長季內大致表現為：緩降—急升—速降—緩升，整個地貌部位大體呈現出同一規律的動態變化(4—6月土壤水分含量緩慢降低，6—7月土壤水分含量直線迅速上升，7—8月土壤水分含量迅速下降，9—10月份土壤含水量緩慢下降)，6—8月有較大變幅，7月份達到最大值并在不同地貌部位，土壤水分含量多為林地高于草地。

圖4 不同地形林地和草地0-120 m平均土壤含水量季節性變化規律

3.4 不同植被類型土壤水分隨土層深度剖面的差異性

分析表2可知，不同地貌部位林地的變異系數均大于草地。綜合分析表明：在0—60 cm范圍內隨著土層深度的增加，在不同地形部位(塬面、梁坡和溝臺)，林地的土壤含水量均呈現下降趨勢，而草地變化沒有林地明顯。對0—20 cm土壤平均含水量進行分析顯示：塬面林地土壤含水量比草地土壤高，溝臺的差異較小，梁坡差異較大；在40—120 cm土層深度范圍，塬面林地土壤含水量遠遠大于草地的土壤含水量，梁坡林地和草地的土壤含水量非常接近，溝臺草地土壤含水量遠高于溝臺林地。不同密度人工刺槐林土壤含水量在不同埋深多表現為：低密度林分>中密度林分>高密度林分，但近地表(0—60 cm)中、低密度刺槐林土壤水分差異很小，并明顯高于高密度刺槐林；同時生長季開始高、中、低密度刺槐林土壤水曲線呈現緩降—急升—速降—緩升的變化；3個密度等級在夏季(6—8月)最為接近，6—7月土壤含水量快速上升，7月達到峰值，之后迅速下降，并7—8月中密度和低密度刺槐林的土壤含水量幾乎一致，曲線基本重合。

表2 不同植被類型土壤水分隨土層深度剖面的差異

4 討論與結論

4.1 討 論

總的來看，不同林分密度與不同植被類型樣地土壤水分含量均表現為隨土層深度的增加先降低后上升，并隨著土層深度的增加上層土壤水分含量的波動程度大于下層。這王迪海[21-22]、李劍[23]、胡小寧[24]等前期在這一地區的研究結果相一致，但他們的觀測發現，土壤含水量是從100 cm開始隨土層深度的增加緩慢增大，而我們的研究則顯示：近地表0—60 cm土壤水分波動較大，在60 cm附近有明顯的拐點，這一變化趨勢在不同密度林地、梁坡與溝臺林草地土壤水分垂直變化中均表現明顯；由此表明：從2007—2018年10 a的時間隴東黃土高原土壤水分速變層(Cv>0.3)變淺，土壤水分受外界條件的影響程度逐漸減輕，結合氣象條件可深入分析這一地區經過40余年的植被恢復土壤水分條件的變化。土壤水分含量隨土層剖面深度的增加呈先降低后上升的變化趨勢也與孔凌霄[25]、安文明[26]、張瑞[27]、易彩瓊[28]、祝倩[29]等的研究結果相一致，表明半干旱地區雨季土壤水分向深層入滲的滯后性，使表層土壤水分含量大于深層。

雖然不同密度刺槐林，無論隨著土層深度的增加還是隨著時間的變化，土壤含水量表現為：低密度林分>中密度林分>高密度林分，但也并非林分密度越低土壤含水量越高，鑒于在近地表(0—60 cm)中、低密度刺槐林土壤水分差異很小、土壤含水量最大值出現在近地表0—15 cm的中密度林地及低、中密度林地的土壤水分含量在7—8月非常接近等現象，我們認為中密度等級人工刺槐林生態耗水在近地表與夏季7—8月接近甚至低于低密度林地，從生態效益的角度來看在隴東黃土高原更適宜中密度林的種植；今后在區域植被建設和土地利用結構優化中，要充分考慮植被類型和地形的交互作用，開展混交林的研究，選擇出適宜種植的混交林及其種植密度；同時完善土壤侵蝕觀測，細化密度等級，以找出不同地形條件下更加適宜的種植密度；并關注中密度刺槐林地在4—6月土壤含水量的下降幅度高于低密度與高密度的事實，加強春季用水管理。

4.2 結 論

(1) 在近地表(0—60 cm)處，無論是不同密度的林地，還是不同地表形態的林地與草地土壤含水量隨土層深度的增加而降低，并且表層土壤含水量變異系數大于深層，0—60 cm土壤水分變異系數呈快速減小的趨勢，土壤水分波動較大，變化較劇烈，而在60 cm土層以下土壤水分趨于穩定。

(2) 不同密度刺槐林，無論隨著土壤剖面的各個深度還是不同時段，土壤含水量多表現為：低密度林分>中密度林分>高密度林分；但中、低密度刺槐林土壤水分在近地表(0—60 cm)差異很小，并且7—8月份這2個密度等級林地的含水量非常接近。從生態效應的角度，我們認為隴東黃土高原區林地種植密度在2 000～4 000株/hm2為宜。

(3) 不同地貌類型林地和草地土壤含水量隨著土層深度的變化不一，塬面：林地>草地；梁坡：0—40 cm土壤范圍內林地>草地，40 cm以下林地與草地土壤含水量基本保持在一個穩定狀態，二者差異很小，草地略高于林地；溝臺：0—20 cm土壤范圍內林地>草地，20 cm以下草地>林地；塬面土層深厚林地較草地具有較強的涵養水源的作用而更為適宜種植，梁坡在表層林地含水量大于草地，40 cm以下兩者差異很小，以及梁坡地5月份土壤水分回升快，因此適宜種植林木，溝臺則種草優于種樹。