半干旱黃土區檸條灌叢不同植被管理方式下的土壤水分

劉劍榮，楊 磊，衛 偉，張欽弟

（1.山西師范大學生命科學學院，山西 臨汾 041004；2.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085）

黃土高原地處半干旱黃土區，長期受到地理環境和氣候的影響，水土流失嚴重、氣候干燥、生態環境十分脆弱[1]。水資源是制約干旱半干旱地區生態環境建設的主要因素之一，所以土壤水分不僅是生態系統功能的驅動力，也是植被生長和生存的必要條件之一，直接影響植被的生長發育、結構特征、分布規律，同時植被也對土壤水分存在負反饋作用[2-3]。為了控制黃土高原嚴重的水土流失問題，我國大力實施“退耕還林(草)”政策，將非本土植物物種作為這一地區進行恢復生態系統的主要措施。其中，檸條錦雞兒(Caragana korshinskii)為多年生落葉灌木，由于具有耐旱性、耐寒性和耐高溫性，成為我國西北、華北以及東北西部固沙造林和水土保持最重要的人工植被類型之一，至2017年黃土高原人工檸條林地的造林面積約有1.33×106hm2[4]。

黃土高原生態環境脆弱，水分條件極不穩定，降水是該區土壤水分補充的主要來源[5]，如果植被建設以及植被管理方式不科學[6-8]，可能造成該區生態水文的破壞、土壤干燥化程度日益嚴重等問題[9]。如大規模的種植高大喬木會導致深層土壤水分貧瘠[10-12]；多年不合理種植檸條會加重土壤干燥化的程度，惡化生態環境[13]。采取科學的植被管理，可以增加生物多樣性，提供更多的生態系統服務[14-15]，最常見的植被管理方式有平茬、去除林下植被等。其中，平茬管理對地上植物和地下植物都有一定的影響，近年來關于平茬的方式、高度以及周期對不同植被的影響進行了大量的研究和探討，賈希洋等[16]在寧夏荒漠草原的人工檸條林做5種密度平茬后發現隔兩帶平茬一帶的方式可以更好地改善林間生境；王震等[17]對老齡四合木(Tetraena mongolica)經行平茬后發現，做留茬高度不同的處理后會提高四合木的水分利用效率；段廣東等[18]針對毛烏素沙地沙柳(Salix psammophia)人工林衰退問題進行研究，發現沙柳平茬周期為4年時迎風坡防護效果最好。眾多學者發現，去除林下植被后對其林分結構及土壤理化性質等方面均有影響。比如，去除林下植被后，亞熱帶杉木人工林的土壤水分、全量養分以及有效養分含量降低[19]；樟樹(Cinnamomumcamphora)人工林做林下植被去除處理后發現0?20 cm 土層的土壤有機碳含量顯著降低[20]；林下植被去除管理對上層植被的生長以及生理方面產生一定的影響，Wagner 等[21]發現經過林下植被去除后，主要商品樹種的木材體積產量增加30%～500%。以上研究主要針單一植被管理方式，而將平茬、林下植被去除兩種管理方式相結合的研究少有報道。

目前對檸條錦雞兒的研究主要集中在不同立地條件、不同生長年限以及不同平茬密度對土壤水分的影響[22-26]，但對于檸條灌叢進行林下植被去除后的土壤水分變化以及同時做平茬和林下植被去除后對土壤水分的影響鮮有報道，需要進一步的分析。因此，以半干旱黃土區廣泛種植的人工檸條灌叢為研究對象，通過野外定位觀測試驗，研究不同坡位結合平茬管理和除草管理以及平茬和除草相結合的管理方式對檸條灌叢土壤水分的影響，選擇最合適的植被管理方式，以期為提高人工檸條灌叢的生態效應提供理論依據，為當地生態環境的保護和黃土高原人工植被土壤水分環境的研究提供科學依據。

1 研究區概況

龍灘流域(104°27′ ?104°32′E，35°43′ ?35°46′N)位于甘肅省定西市安定區巉口鎮，海拔1929 ? 2 211 m，年均氣溫6.8℃，年均降水量386 mm，主要分布在7月 ? 9月，屬于半干旱黃土高原黃土區[27]。該區土質均一，以黃綿土為主，土壤貧瘠，屬于典型草原地帶[28]。天然植被多以賴草(Leymus secalinus)、長芒草(Stipa bungeana)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus attaicus)等多年生草本為主，經過大規模退耕還林(草)的實施，現有人工植被多以檸條(Caragana korshinskii)、紫 花 苜 蓿(Medicago sativa)、山 杏(Armeniaca sibirica)、側柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)等為主。

2 研究方法

2.1 樣點布設

研究區選擇的檸條種類為檸條錦雞兒，于2015年5月選擇土壤、植被生長狀況一致的檸條灌叢及其林下草地作為研究樣地，分別設置平茬除草、平茬、除草和對照組(CK)即不平茬也不除草共4個處理(圖1)。在4種不同管理方式的樣地沿坡面布設監測樣點，分為上、中、下坡位3個樣地，每個樣地隨機設置3個5 m×5 m 樣方作為重復。檸條灌叢的處理為齊地平茬，草本層為齊地去除地上部分。樣地基本特征如表1所列。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information on thesampling sites

圖1 試驗設置剖面示意圖Figure 1 Schematic diagram of the experimental setup section

2.2 降水年型劃分

本研究采用國內常用的降水年型劃分標準劃分降水年型[29]：

式中：Pi為多年降水量(mm)；Pm為多年平均降水量(mm)；δ 為多年降水量的均方差。根據研究區多年降水資料計算得出均方差為140.4 mm，可知降水量>432.33 mm 為豐水年，<239.67 mm 為干旱年，否則為平水年。

2.3 土壤水分的測定

土壤水分的測定是采用便攜式時域反射儀TDR (Time Domain Reflectometry，型號為TRIME-FM)在2016?2018年生長季(5月?10月)，分不同土壤深度(0? 0.05 m、0.05? 0.1 m、0.1? 0.2 m、0.2 ? 0.3 m、0.3 ?0.4 m、0.4 ?0.6 m、0.6 ?0.8 m、0.8 ?1.0 m、1.0 ?1.2 m、1.2?1.4 m、1.4 ?1.6 m 和1.6?1.8 m)進行測定，每兩周(每月中旬和月底)測定一次。在上、中、下坡位的每個樣地測定3次重復的水分數據，并計算其平均值。

2.4 數據處理

使用SPSS 17.0進行數據統計和分析，同一因素不同水平間差異顯著性使用單因素方差分析法(one-way ANOVA)，用P值對單因素方差分析進行顯著性檢驗，在檢驗方差齊性時，若方差齊，采用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較；若方差不齊時，則采用Tamhane’s T2法進行多重比較，相關數據采用平均值± 標準差(Mean ±SD)表示。探討土壤水分的時間動態變化時采用的數據是各管理方式上、中、下坡位土壤水分的均值。在DPS 9.01采用聚類分析中的有序樣本最優分割法，將土層0?1.8 m 以土壤水分測定的土壤深度依次標記為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，對該范圍內4種管理方式的土壤水分、標準差(S)和變異系數(CV)作為指標進行有序聚類，確定分類數、誤差函數以及最優分割結果，最終得出土壤水分垂直活動層層次[30-31]。標準差和變異系數的計算方法見以下計算公式：

式中：S M為土壤水分觀測樣本的均值；n為樣本總體個數；SMi為第i次土壤水分含量觀測值。采用Origin 2016進行數據繪圖。

3 結果與分析

3.1 坡位對不同植被管理方式土壤水分的影響

0?1.8 m 土壤深度4種植被管理方式的土壤水分隨著土壤深度的降低整體呈現出先增加后減少的趨勢(圖2)。其中，平茬除草的土壤水分在上、中、下坡位都明顯高于其他管理方式的土壤水分。上坡位各植被管理方式土壤水分波動性最明顯，比如在0.6 m 各管理方式的土壤水分明顯減少，平茬除草管理方式在0?0.6 m 土壤水分由16.63%減少到10.48%；而下坡位各管理方式土壤水分相較于上坡位則相對穩定。整體來說，4種植被管理方式的土壤水分在各坡位上均具體表現為平茬除草>平茬> 除草> 對照。多重比較結果(表2)顯示，上、中、下坡位0 ?0.4 m 土層4種管理方式的土壤水分均無顯著差異(P<0.05)，而在0.4?1.8 m 土層各坡位平茬除草管理方式土壤水分都高于其他3種管理方式的土壤水分。

表2 不同植被管理方式下同一坡位土壤水分分布差異Table 2 Differencesin soil moisturedistribution in the same slopepositionsunder different vegetation management methods

圖2 不同植被管理方式下同一坡位剖面土壤水分變化Figure 2 Changesof soil moisturein the same slopeposition profilesunder different vegetation management methods

3.2 不同植被管理方式土壤水分的時間動態

2016、2017、2018年生長季的降水量分別為217.8、259.5和289.6 mm，主要集中于5月下旬到10月中旬之間，氣溫在生長季逐月上升，均在8月中旬左右達到最高值，分別為25.0、23.5和23.2℃，此后氣溫開始下降(圖3)。與該區域長期氣候特征相比，2016年為干旱年，2017、2018年為平水年。

結合生長季降水量與氣溫(圖3)，以及生長季0 ?0.4 m 淺層土壤水分動態(圖4)，可以看出，2016年各管理方式的土壤水分在4.3%～11.5%波動，由于5月下旬降水量較多，氣溫較低，故各管理方式的土壤水分達到最大值；2017年氣溫相較于2016年低且降水次數多，各管理方式的土壤水分變化趨勢呈現多峰狀態，在8月下旬平茬除草管理方式土壤水分達到最大值21.0%，而對照的土壤水分僅為16.0%；2018年降水量在7月中旬達到最高值76.4 mm，其中平茬除草管理方式的土壤水分最高為20.2%。0.4?1.0 m 中層土壤水分，2016年各管理方式土壤水分隨降水波動不顯著；2017年8 月下旬土壤水分出現升高的趨勢，表現為平茬除草(13.96%)>除草(12.56%)> 對照(11.86%)> 平茬(10.96%)。1.0 ?1.8 m 較深土層2016年、2017年各管理方式的土壤水分隨降水波動不顯著，而2018年的土壤水分變化與0.4?1.0 m 土層相似。

圖3 生長季降水量及溫度特征Figure3 Rainfall and air temperature characteristicsin thegrowing season

圖4 不同植被管理方式下土壤水分時間動態Figure 4 Temporal dynamics of soil moisture under different vegetation management methods

3.3 不同植被管理方式土壤水分的垂直變化

將土壤水分、標準差、變異系數進行有序聚類后，確定分類數、誤差函數及最優分割結果。確定最優分類數K是最優樣本分割法的關鍵，誤差函數隨K的增加逐漸減小，如圖5所示，采用碎石圖法對土壤水分剖面劃分確定最優分類數K[31]。在4種管理方式中，當分類數大于3(即K>3)時，曲線趨勢均比較“陡峭”；當分類數小于3(即K<3)時，曲線趨勢均比較“平緩”，因此，最優分類數K=3。如圖6所示，不同管理方式土壤水分按有序聚類最優K值均可劃分為3層，即活躍層、次活躍層、相對穩定層。對照土壤水分的活躍層厚度最薄，為0?0.1 m，平茬除草土壤水分的活躍層最厚為0?0.4 m，平茬、除草土壤水分的活躍層分別為0?0.3 m、0?0.2 m。4種管理方式土壤水分次活躍層厚度除對照管理方式為0.2 m 外，其他管理方式厚度均為0.4 m，土壤水分相對穩定層厚度排序為對照(0.3? 1.8 m)>除草(0.6? 1.8 m)>平茬(0.7?1.8 m)>平茬除草(0.8?1.8 m)。總體來說，平茬除草土壤水分的活躍層與次活躍層的深度共為0?0.8 m，其深度大于其他3種管理方式，而對照的土壤水分在0.3 m 以下均為相對穩定層。

圖5 不同管理方式下基于誤差函數與分類數的碎石圖Figure5 Gravel diagram based on error function and classification number under different vegetation management methods

圖6 不同管理方式下土壤水分垂直變化層次劃分Figure 6 Vertical soil moisture level division under the different vegetation management methods

4 討論

4.1 不同植被管理方式土壤水分垂直剖面分布變化的原因

在半干旱黃土區，由于地表的土壤水分更容易受到高強度植被蒸騰和土壤蒸發，導致地表的土壤水分會相對較低[32]。在本研究中土壤水分低值均出現在0.6 m 以下深度，與上述結果不一致，可能是因為檸條作為引入植被經過植被管理處理后，會改變土壤在垂直和水平方向上重新分配水分的能力，有研究認為表層以下40? 90 cm 是檸條細根的主要分布和生長活躍區，因此推斷檸條細根會在40?90 cm加大對土壤水分的吸收，從而降低土壤水分含量[33]。本研究發現，檸條灌叢采取不同植被管理方式后土壤水分在上、中、下坡位均表現出平茬除草管理方式的土壤水分最高(圖2)，這可能是由于將檸條灌叢和林下植被地上部分去除后，冠層截留降水量減少，降水入滲量增加[13,34]。楊永勝等[35]研究發現檸條灌叢進行平茬管理后會降低檸條地上組織的需水量，使土壤水分積累增加，同時平茬處理增加林間的透光性且提高了林下草地植物群落的蓋度和高度，增加的光照會加劇一部分地表水分的蒸散[36]，所以從整體來看，采取平茬植被管理后土壤水分會比對照土壤水分高但相較于平茬除草管理土壤水分低。林下植被對表層土壤的穩定性有重要的緩沖效果，可以減輕降水、徑流的沖擊以及起熱絕緣的作用[37]。當林下植被去除后，保護的屏障消失，顯著增加了土壤表層的溫度，導致土壤水分顯著降低。研究區的林下植被大多為淺根系草本植被，地上部分去除后也會降低葉片蒸發造成的水分消耗。

4.2 不同植被管理方式土壤水分時間動態變化差異的解釋

降水是黃土高原地區植被生長所需水分的主要來源，對半干旱黃土區土壤水分有重要的補償作用[38-39]。在整個生長季中，不同管理方式土壤水分季節變化呈現出相同的趨勢，均表現為0?1.0 m 土層中各植被管理方式的土壤水分在生長旺季(7月?8 月)會明顯下降，這可能主要是因為植被生長所需水分以及林地蒸發強度旺盛導致的水分消耗遠大于降水的補給，這與張曉梅等[40]的研究結果相同。到生長季末(9月)土壤水分會有小幅度的上升之后又下降，而在1.0?1.8 m 土層則無明顯變化，這與何其華等[41]對干旱半干旱山地土壤水分動態的研究中土壤水分季節動態與降水季節變化基本一致的結果相同。淺層0?0.4 m 由于受植被生長、降水以及蒸發量的影響較大，各管理方式的土壤水分波動較大，可能因為2016年相較于研究區長期氣候溫度高、降水量少，導致該年生長季土壤水分相較于2017年、2018年動態變化趨勢較穩定。中層0.4?1.0 m 主要由降水和植被共同決定，降水會對此層土壤水分有一定的補給。較深層1.0?1.8 m受溫度與降水的影響較小，而傾向于植被對其的影響[42]，其中，平茬除草管理方式的土壤水分顯著高于其他管理方式，對照的土壤水分明顯較低，有研究指出檸條平茬以及林下植被去除后其地上生物量的恢復均對土壤水分有一定的改善[43]。

4.3 分析土壤剖面水分層次劃分及對植被管理建議

檸條灌叢的土壤水分循環較為單一，由降水入滲、地表蒸發以及植物自身蒸騰組成，因此土壤剖面水分在垂直方向上也具有一定的層次性。黨漢瑾等[44]將檸條植物籬土壤水分按土壤深度劃分為弱利用層、利用層和調節層，發現植物根系的分布以及降水的入滲到土壤中作水分儲存都發生在利用層。在本研究中，采用最優分割法將土壤剖面水分劃分為活躍層、次活躍層、相對穩定層。結果顯示，平茬除草管理方式土壤水分的活躍層和次活躍層深度大于其他3種方式。活躍層在自然降水的補充、地表蒸發以及植被自身強烈蒸騰的共同作用下，土壤水分變化比較劇烈[44]，而次活躍層是植物根系的主要水分利用層，為植物生長提供重要的水分保障[27]。相對穩定層的土壤水分變化逐漸減弱，變異強度也較活躍層和次活躍層低[45]。活動層與次活躍層的土壤水分共同特點既是對植被本身所需水分有一個保障，也對土壤水分有較好地補充和調節作用。植物通過根系吸收土壤水分與養分，平茬除草管理方式減少冠層對降水的截留作用和自身蒸發對土壤水分的消耗，使其活躍層和次活躍層的土壤層厚度大于其他3種植被管理方式，形成良好的降水–植被–土壤循環，使平茬除草的土壤水分含量顯著高于其他3種管理方式。

5 結論

通過檸條灌叢不同管理方式下土壤水分的動態分析，初步得出：0?1.8 m 深度4種植被管理方式的土壤水分整體呈現出先增加后減少的趨勢，平茬除草管理方式的土壤水分在上、中、下坡位都明顯高于其他管理方式的土壤水分。分析3年土壤分層水分動態變化發現，各植被管理方式的土壤水分在0?0.4 m 淺層受季節變化影響的波動性最為明顯，而1.0?1.8 m 的深層土壤水分則相對穩定。溫度和降水對土壤水分有一定的影響，但無論是干旱年還是平水年，在各土層中平茬除草土壤水分均高于其他3 種管理方式的土壤水分。根據土壤水分垂直變化可劃分為活躍層、次活躍層和相對穩定層3個層次，平茬除草管理方式的活躍層與次活躍層深度均大于其他3種管理方式。因此，平茬除草管理方式更適合在干旱半干旱黃土高原丘陵區實施，減少土壤水分的流失，保護當地生態環境。