遼寧西部山區(qū)林地土壤水分試驗(yàn)研究

郭瑞鵬

(遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

從宏觀角度進(jìn)行分析，地形結(jié)構(gòu)的不同也會(huì)導(dǎo)致氣候條件出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響土壤內(nèi)部水分的分布情況與水分含量[1]。通過對(duì)降水再分配、太陽(yáng)光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠?qū)ν寥赖乃趾窟M(jìn)行有效控制[2]。與此同時(shí)，地區(qū)的坡度因子對(duì)于土壤水分排放、滲透以及地表徑流構(gòu)成、地表徑流速度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。通常情況下，地處坡度越大，則區(qū)域土壤含水量越低，兩者呈負(fù)相關(guān)。在坡地上添加地表植被，有助于削弱其對(duì)土壤水分含量的負(fù)面影響[3]。通過對(duì)不同整地作業(yè)方式所產(chǎn)生的通氣度、毛管孔隙度、林間持水量、最大持水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)短期整地作業(yè)有助于增強(qiáng)微生物在土壤中的活躍度，強(qiáng)化養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、分解力度，增強(qiáng)土壤透氣性，改善土壤物理性狀，能夠?yàn)閰^(qū)域內(nèi)樹木根系的縱向、橫向延伸營(yíng)造良好條件[4]。土壤水分的季節(jié)性、垂直性變化，林木蒸騰和土壤蒸發(fā)等受制于氣象因子的主導(dǎo)因素呈有規(guī)律的季節(jié)性消長(zhǎng)變化[5]。來水和耗水矛盾的此起彼伏，促使土壤水分這一始終處于動(dòng)態(tài)變化和不斷運(yùn)動(dòng)之中的“瓶頸”，成為半干旱地區(qū)植被生長(zhǎng)、分布以及林業(yè)生態(tài)建設(shè)的主要角色[6]。有研究成果表明[7-11]，在遼寧西部半干旱區(qū)，土壤含水量與坡度的負(fù)相關(guān)性顯著，而林地土壤水分含量與坡度的相關(guān)性不明顯，坡度、降水和地表植被等各種影響因子綜合作用的結(jié)果表明[12-15]，在干旱半干旱水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，不同整地方式對(duì)山區(qū)林地水土保持功能影響差異性較大。需要通過對(duì)不同整地方式的林地土壤水分進(jìn)行試驗(yàn)研究，從而確定山區(qū)林地最優(yōu)整地方式，降低林地整地方式對(duì)區(qū)域水土保持功能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 整地方式簡(jiǎn)介

按照局部和全面對(duì)整地方式進(jìn)行劃分。帶狀和塊狀2種整地方式均為局部整地方式。對(duì)林地的所有土壤進(jìn)行全面翻墾為全面整地方式，在平坦區(qū)域主要采用全面整地的方式。對(duì)林地部分土壤進(jìn)行翻墾為局部整地方式。呈長(zhǎng)條狀的林地土壤翻墾為帶狀整地方式。常用的帶狀整地方式有平溝和梯田，主要分布在山地區(qū)域，而在平坡區(qū)域主要采用高壟及犁溝等方式翻墾造林整地。在山地主要采用穴狀或魚鱗坑的塊狀整地方式。在平坡區(qū)域主要采用坑狀和高臺(tái)的塊狀整地方式。本文主要選用山地局部和全面整地方式，以遼寧西部山地為研究區(qū)域，對(duì)采用不同整地方式的林地土壤水分進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)地與材料

試驗(yàn)區(qū)域位于遼寧西部建平縣，在該區(qū)域內(nèi)主要種植油松林，試驗(yàn)林面積為2hm2。采用機(jī)械方式整地的優(yōu)點(diǎn)為翻墾強(qiáng)度較高，且在整地過程中因?yàn)檠b有安全裝置所以接觸障礙物后能防止對(duì)機(jī)械部件的損壞。采用機(jī)械方式整地可以打破林地土壤層犁底層，并對(duì)林地耕作層土壤進(jìn)行恢復(fù)，從而提高土壤水的蓄持能力，降低病蟲害以及部分雜草對(duì)林地土壤的破壞。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別采用全面、帶狀、塊狀3種整地方式。各種方式的整地深度均在30cm之內(nèi)，在試驗(yàn)區(qū)采用等距方式進(jìn)行塊狀墾地試驗(yàn)，帶狀整地方式主要選擇寬度為1.0m、場(chǎng)地為30m的試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行，相隔1m呈帶狀分布。按照長(zhǎng)度和寬度均為40cm、深度為30cm進(jìn)行全面整地方式的試驗(yàn)小區(qū)塊狀翻土。對(duì)各試驗(yàn)林均采用同步試驗(yàn)方式進(jìn)行不同整地方式的土壤水分測(cè)定試驗(yàn)。各試驗(yàn)小區(qū)的長(zhǎng)度為35m、寬度為30m，且采用相同的管理措施。

1.4 調(diào)查方法

整地前、后1、6及12個(gè)月后分別進(jìn)行理化性狀的調(diào)查：在各試驗(yàn)小區(qū)的4個(gè)重復(fù)林區(qū)內(nèi)隨機(jī)選5個(gè)點(diǎn)取0～20cm的土層，共20個(gè)樣本，混合均勻后測(cè)定土壤中的化學(xué)性狀；選擇各重復(fù)小區(qū)內(nèi)有代表性的地點(diǎn)，隨機(jī)選5點(diǎn)挖取土壤剖面，用環(huán)刀取0～20cm土層中間原狀土用于土壤物理性狀的測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 3種整地方式的土壤含水量

2019年1月—2020年5月對(duì)不同降水量下全面、帶狀、塊狀3種整地方式的土壤體積含水率進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，不同整地方式的土壤體積含水率季節(jié)變化特征具有相似性，和試驗(yàn)區(qū)降雨季節(jié)變化特征相同步，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)降雨是林地土壤水的重要補(bǔ)給來源，因此受降雨變化影響較為明顯。3種整地方式中塊狀整地方式的土壤水含量最高，明顯高于其他2種整地方式的土壤含水量。而全面與帶狀的土壤水體積含水率差異程度較低。受試驗(yàn)區(qū)域坡度平緩影響，降水下滲率較高，產(chǎn)流量相對(duì)較小，因此全面和帶狀2種整地方式的土壤表層受人為干擾影響程度相對(duì)較低，加大了林地表層土壤水分的蒸發(fā)速率。

圖1 2019年1月—2020年5月不同整地方式的土壤體積含水率變化過程

2.2 不同整地方式林地的土壤水分垂直變化

對(duì)3種整地方式林地土壤水分垂直分布的差異進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1 可以看出，不同整地方式的試驗(yàn)區(qū)林地0～15cm表層土壤垂向含水率均值變化具有極為明顯的差異度，其中全面整地方式下的變異系數(shù)最大，其次為帶狀和塊狀2種整地方式。全面與塊狀整地方式在15～20cm土層含水率變化差異程度較低，但這2種整地方式的變異系數(shù)均要高于塊狀整地方式的垂向平均含水率的差異系數(shù)。3種整地方式對(duì)于30～50和40～60cm土層垂向含水率也存在極為明顯的差異度。就變異系數(shù)而言，帶狀整地方式最大，其次為全面和塊狀整地方式。這也表明，在0～40cm土層土壤垂向平均含水率總體表現(xiàn)為全面整地方式最高，其次為帶狀整地方式，塊狀整地方式最低。而由50～90cm土壤垂向含水率變化可看出，塊狀整地方式的土壤含水率最高，其次為帶狀整地方式，全面整地方式在50～90cm土壤含水率最低，不同垂向深度土壤水分交換主要受到人為整地不同程度的影響，人為影響程度越大水分交換頻次越高。塊狀整地方式在0～90cm土層的土壤含水率均值總體可達(dá)到27.63%，土壤水總的容量可達(dá)到243.25mm。帶狀和全面2種整地方式的土壤水垂向變化差異度相對(duì)較低，2種方式林地垂向土壤水含率均值分別為18.25%和19.35%，土壤水總的容量分別可達(dá)到164.23和172.39mm。這也說明采用帶狀整地方式的林地在試驗(yàn)期間的土壤含水率可提高林地生長(zhǎng)以及生物量，但土壤水消耗程度也相對(duì)較高，不同整地方式的林地喬木層生物量與土壤含水率變化總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

表1 不同整地方式的試驗(yàn)區(qū)林地土壤垂向含水率變化特征分析結(jié)果

2.3 不同整地方式的林分生物量與林地各層土壤的土壤體積含水率相關(guān)性分析

將3種整地方式的林分生物量與林地各層土壤的土壤體積含水率作相關(guān)分析，其結(jié)果可見表2。

表2 不同整地方式、不同土壤深度土壤含水率與林分生物量相關(guān)分析結(jié)果

從不同整地方式、不同土壤深度的土壤含水率與林分生物量相關(guān)分析結(jié)果可看出，全面、帶狀以及塊狀3種整地方式的林地土壤含水率與其林地平均單株生物含量總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化，但不同整地方式的相關(guān)系數(shù)變化較大。全面整地方式0～40cm表層土壤含水率和生物量均值的相關(guān)系數(shù)要低于深度為40～90cm的土壤含水率與單株生物含量均值的相關(guān)系數(shù)。土壤層深度為60～80cm其生物含量均值與土壤含水率的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)變化。帶狀整地方式的林地土壤含水率隨著土壤深度的遞增，其與生物含量的相關(guān)系數(shù)也逐步加大，但總體相關(guān)性相對(duì)較低。10～30、30～50和40～60cm帶狀整地方式的土壤含水率與生物平均含量的相關(guān)系數(shù)要高于其他土壤深度的相關(guān)系數(shù)，其中30～50cm土壤層深度的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，且具有較為明顯的負(fù)相關(guān)性。

2.4 不同整地方式的土壤水源涵養(yǎng)功能分析

選用6種特征指標(biāo)對(duì)不同整地方式的土壤水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果見表3。

從表3可看出，不同整地方式在各試驗(yàn)時(shí)間段，其土壤的物理指標(biāo)出現(xiàn)不同程度的變化。土壤容重隨著時(shí)間的變化總體呈現(xiàn)先遞減后遞增的變化，其他指標(biāo)則隨著時(shí)間的增加而逐步遞增變化。12個(gè)月內(nèi)相比于整地前林地土壤各物理指標(biāo)差異變化均通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。采用全面和帶狀整地方式，除土壤容重指標(biāo)外，其他指標(biāo)隨著時(shí)間的遞增均呈現(xiàn)先遞增后遞減的變化趨勢(shì)，其中6月采用帶狀整地方式的林地土壤的各項(xiàng)物理指標(biāo)均可以達(dá)到最大值，其他整地方式的土壤物理指標(biāo)的差異程度均通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。采用全面整地方式的土壤各項(xiàng)物理指標(biāo)的最高值出現(xiàn)在整地后的2個(gè)月內(nèi)，相比于整地前各項(xiàng)物理指標(biāo)出現(xiàn)較為明顯的差異變化，通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。這也說明不同整地方式在較短的時(shí)間內(nèi)可以改善土壤微生物的活性，提高土壤養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化，加大土壤透氣程度，極大程度改善土壤的物理各項(xiàng)指標(biāo)，為土壤水分的橫向和縱向延伸創(chuàng)造良好的土壤條件。帶狀和全面2種整地方式經(jīng)過相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間后林地土壤物理指標(biāo)性能有所降低，說明以上2種整地方式并不能長(zhǎng)期維持土壤性能，需要在一定時(shí)段內(nèi)對(duì)林地土壤進(jìn)行重新整地。

表3 不同整地方式對(duì)林地土壤水源涵養(yǎng)功能試驗(yàn)分析結(jié)果

2.5 土壤含水量月變化分析

在不同季節(jié)遼寧西部山地土壤水分具有較為明顯的變化特征。通過試驗(yàn)測(cè)定，遼寧西部山地土壤水季節(jié)變化主要分為4個(gè)時(shí)期，第一個(gè)時(shí)期為從10月到次年的3月上旬為冬季土壤水凍結(jié)時(shí)期，這一時(shí)期土壤水凍土層深度介于100～130mm，進(jìn)入夏季后隨著降水量的滲入，土壤水得到較為充足的補(bǔ)給。進(jìn)入冬季后土壤水縱向產(chǎn)生凍凝。土壤下層水分收到溫度階梯變化影響逐步向上進(jìn)行水分的傳導(dǎo)以及凍結(jié)變化，土壤水分在傳輸過程中進(jìn)入凍土層孔隙后能逐步形成冰屑。

通過分析測(cè)定，土壤水分隨著凍結(jié)過程逐步增加，多年均值在40mm左右，土壤解凍后這些水分逐步提高土壤水含量，是遼寧西部地區(qū)主要的土壤水資源，也是春旱水分的來源之一。春季土壤溫度升高后受蒸發(fā)影響大量的土壤水在3—5月逐步解凍，是春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要保障，一般主要分為3個(gè)時(shí)期，第一個(gè)時(shí)期為期3月10日—4月1日為頂凌期，這一時(shí)期土壤水開始解凍融化，土壤水消耗較低，是保持土壤水分的重要階段。第二個(gè)時(shí)期為4月1—20日，為返漿期，這一階段土壤溫度逐步提升，凍融范圍逐步加大，融凍水逐步擴(kuò)充土壤孔隙。在毛管水影響下上層主要分布尚未融化的冰層含水量，這部分水量逐步向下層進(jìn)行輸送，第一個(gè)含水量峰值主要出現(xiàn)在深度為0～20cm的土層，春季農(nóng)業(yè)耕種就需要利用這部分土壤水保障早播的正常進(jìn)行。第三個(gè)時(shí)期為4月20日—5月1日，為煞漿期，這一階段土壤溫度迅速提升，且由于較大的風(fēng)速，土壤凍土層水量逐步融化，在毛管力影響較低的程度下土壤水分開始逐步運(yùn)動(dòng)，逐步形成干土層，這個(gè)時(shí)期不宜進(jìn)行整地，建議采用碾壓方式見土壤表層進(jìn)行間層的密實(shí)處理，將土壤水分進(jìn)行有效封閉。進(jìn)入夏季后受降水量增多，降水入滲量加大的影響，這一階段若采取合理的整地方式可以有效將土壤水進(jìn)行存儲(chǔ)和補(bǔ)充，使得進(jìn)入秋季土壤溫度下降后，經(jīng)過一段時(shí)期的整地后，土壤水變化相對(duì)較為緩慢。

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)對(duì)于遼寧西部山地而言，林地土壤各物理性狀可通過短時(shí)間整地進(jìn)行有效改善，土壤含水率也可得到有效提高，但較長(zhǎng)時(shí)間整地會(huì)降低土壤水涵養(yǎng)能力，因此建議在每隔6個(gè)月可進(jìn)行一次整地，以提高山區(qū)林地的土壤水涵養(yǎng)能力。

(2)土壤上下層水分交換可通過整地進(jìn)行一定程度的促進(jìn)，水分交換頻次隨著整地干擾程度加大而增加，塊狀整地方式在0～90cm土層的土壤含水率均值總體可達(dá)到27.63%，土壤水總的容量可達(dá)到243.25mm，建議作為遼寧西部山區(qū)林地主要整地方式。

(3)本文未對(duì)不同整地組合方式的遼寧西部山地土壤水影響程度進(jìn)行分析，存在不足，在后續(xù)研究中還應(yīng)針對(duì)不同土層的深度進(jìn)行最優(yōu)組合整地方式的林地土壤水變化試驗(yàn)分析。