黃土丘陵區典型人工幼林土壤水分特征

陳峰峰, 趙江平, 陳云明,2

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100；3.水利部 黃河水利委員會 黃河水土保持西峰治理監督局， 甘肅 西峰 745000)

土壤水分作為土壤系統能量流動和物質循環的載體，對土壤特性、植物生長及流域生態系統有著重要的影響[1]。黃土丘陵區屬于干旱半干旱區，降水量少，土壤水分成為限制該地區植物生長的關鍵因素，在生態修復過程中發揮著重要作用[2]，而植物在根系吸水、增加入滲、攔截徑流等方面影響著土壤水分的時空變化[3]。近年來，隨著黃土丘陵區植被恢復工程的不斷推進，以刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)等為主的人工林成為該區主要植被類型[4]，植被覆蓋率明顯增加[5]。然而，土地干燥化及大面積“小老頭樹”等情況的出現[6]，說明人工林在生態恢復進程中依然存在一些問題。眾多學者研究指出人工植被的恢復是導致土壤水分急劇減少的關鍵因素[7]。因此，了解黃土丘陵區人工林土壤水分狀況，對該區土壤水資源的合理利用及生態環境的改善具有重要意義。

有學者研究發現不同植被類型土壤水分差異顯著，且主要受降水量及其分配的影響[8]。李菲[9]通過對喀斯特地區不同植被類型土壤水分特征進行研究，得出地表植被類型及其生長狀況是小流域土壤水分狀況產生差異的關鍵因子。丁聰等[10]在植被生長旺季，通過對典型人工林坡面0—200 cm深度土壤水分進行測定，發現植被因素對不同土層深度土壤水分的影響存在較大差異。王舒等[11]研究認為，刺槐林對坡面土壤水分空間分配具有明顯的調節作用，15年以上的刺槐林對深層土壤水分的影響已趨于穩定。Vachaud等[12]發現土壤水分空間分布隨時間的變化很小，即空間格局表現出隨時間不變或變化微弱的現象，并且某一土壤監測點的土壤水分可代表研究區的平均土壤水分狀況，將這一現象稱為土壤水分的時間穩定性，在區域土壤墑情的預測及水資源量的評估等方面得到世界范圍內的研究和應用[13-14]。韓曉陽等[15]在黃土塬區的研究中發現，不同土地利用方式的平均土壤含水量及土壤水分時間穩定性均不同。因此，探究黃土丘陵區不同類型人工林土壤水分時空變化特征，對該林分在生態系統內的生長狀況及環境適應性具有重要意義。

關于黃土丘陵區不同類型人工林土壤水分時空變化已有較多報道[16-19]，但相關研究多集中于中齡林或成熟林。在人工造林初期，人工幼林土壤水分狀況及時間穩定性如何，相關研究還報道較少[19]。本研究以黃土丘陵區典型小流域(紙坊溝流域)標準徑流小區內刺槐、油松和丁香(Syzygiumaromaticum)人工幼林為研究對象，以撂荒地為對照，于2019年4月—2021年4月連續兩年實時觀測各小區20 cm，50 cm，80 cm，120 cm，150 cm深度土層土壤含水量，分析不同類型人工幼林土壤水分特征，明確不同土層深度土壤水分及其時間穩定性狀況，通過相對偏差法及時間穩定性指數特征，確定不同林地土壤水分的代表深度，采用線性回歸與納什系數對土壤水分代表深度進行評估。本研究有助于決策者充分了解干旱半干旱黃土丘陵區典型人工幼林土壤水分狀況，并為人工林土壤水分監測樣點的布設提供理論依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市安塞區紙坊溝流域(109°13′46″—109°16′03″E, 36°46′42″—36°46′28″N)。該區屬于典型的黃土丘陵溝壑區，海拔1 010～1 400 m，暖溫帶半干旱季風氣候；年均氣溫8.8℃，干燥度1.5，無霜期157～194 d。年均降水量504 mm，7—9月降雨量占年降雨量的61.1%，且多為暴雨，年均蒸發量為1 463 mm。為暖溫帶落葉闊葉林向溫帶草原過渡的森林草原帶，土壤類型為黃綿土，植被類型主要以人工喬灌林、天然草地以及溝谷農作物為主。經過多年退耕還林等生態恢復工程的實施，逐步形成了以人工植被和天然次生植被為主的植被分布格局。喬木植被包括刺槐、油松、側柏(Platycladusorientalis)等，灌木植被包括丁香、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)和紫穗槐(Amorphafruticosa)為主，其中刺槐、油松、丁香約占該流域植被總面積的50%以上。

1.2 樣地設置與數據采集

根據紙坊溝流域溝間地坡面狀況，選取較為平整的坡面(坡度約為25°，坡長37～62 m，坡向E94°，半陽坡)，在中坡位修建4個標準徑流小區(20 m×5 m)，四周采用漿砌石磚塊圍護，每2個小區之間布設一條過渡帶(20 m×1 m)。在單個小區上、中、下3個位置隨機選取3個樣點，利用環刀分4層(20，50，80，120 cm)采集原狀土壤樣品。將原狀土壤樣品帶回實驗室，采取烘干法測定其容重，并計算孔隙度(表1)。在小區中部布設ECH2O土壤水分監測系統(EM50數據采集器和5 TM土壤水分傳感器)(METER，USA)，監測土壤體積含水量，監測深度為20 cm，50 cm，80 cm，120 cm，150 cm。同時，在徑流小區東側15 m處布設U30-NRC小型氣象站，同步監測降水量(表2)，于2018年4月布設完畢。

2019年3月，選取試驗地3個小區進行人工造林，分別栽植刺槐、油松和丁香，其中，刺槐、油松均為2 a幼苗，丁香為1 a幼苗，于2019年3月27日完成造林工作，在植物生長季(4—10月)，林地小區內僅長有低矮(不超過20 cm)草本植物，主要為：小菊(Matricariarecutita)、風毛菊(Saussureajaponica)、青蒿(Artemisiacarvifolia)等，覆蓋度不足20%。第4個小區始終撂荒，已形成明顯的草本群落，高度約50 cm，覆蓋度約84%，植物類型主要有：小菊、賴草(Leymussecalinus)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)等。在植物生長季內每月測定1次植物生長狀況(植物高度、胸/地徑、冠幅等)(表3)。

表1 不同林地土壤孔隙度

表2 不同月份降水量 mm

表3 植物生長狀況

1.3 研究方法

1.3.1 土壤孔隙度計算 將土壤容重換算為土壤孔隙度，公式為：

(1)

式中：n為土壤孔隙度；ρb為土壤容重；ρ為土壤密度,本研究中ρ采用定值,ρ=2.6 g/cm3。

1.3.2 經典統計 隨機變量的離散程度，即變異性的大小，可用變異系數(CV)的大小來反映，具體計算公式為：

(2)

式中:s為標準差；m為樣本平均值。

張川等[20]認為變異程度可劃分為3個等級，CV≤10%為弱變異性；10%≤CV≤100%為中等變異性；CV≥100%為強變異性。

1.3.3 相對偏差法及時間穩定性指數 根據Vachaud等[12]的研究，各觀測點的平均相對偏差、標準偏差及時間穩定性指數能夠描述土壤水分的時間穩定性特征，計算公式為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

基于相對偏差的平均值接近于0(在±5%之內視為接近于0)，相對偏差的標準差<10%，且時間穩定性指數<5%的原則，認為土壤水分具有時間穩定性，可代表研究區平均土壤水分狀況。

1.3.4 決定系數和納什系數 將某測點i的土壤含水量與不同深度土層的平均土壤含水量進行線性回歸，決定系數(R2)表明二者間的差異，R2越大說明測點i的土壤含水量與該研究區的平均土壤含水量關系越密切，差異性越小；同時，本研究也采用納什系數NSE對土壤水分代表深度進行評價[19]。公式如下：

(9)

1.4 數據處理

本研究使用Excel 2019(Microsoft Office，USA)對土壤水分數據進行數據篩選與變異系數計算，使用SPSS 23.0(IBM SPSS Statistics，USA)進行單因素方差分析及線性回歸等分析，使用Origin 2018(Origin Lab，USA)進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同類型人工林土壤水分隨時間變化規律

2019年年降水量為598.80 mm，高于該地區多年平均降水量(504 mm)； 18.8%，6—9月降水量達425.6 mm，占全年降水量的71.1%。2020年降水量分別為746.41 mm，高于該地區多年平均降水量(504 mm)48.1%，6—9月降水量高達626.21 mm，占全年降水量的79.9%(表1)。

監測期內，10月—次年1月，4種植被條件下土壤含水量呈減小趨勢。隨著春季到來，1—4月，4種植被條件下土壤含水量整體呈增加趨勢。2020年4—6月丁香與撂荒地土壤含水量明顯減小，而油松與刺槐土壤水分變化穩定。4種植被類型土壤含水量在夏季(或秋季)均達到年內峰值(圖1)，2019年為：撂荒地(19.28%)>刺槐(19.16%)>油松(18.04%)>丁香(17.61%)；2020年為：撂荒地(21.23%)>油松(21.03%)>刺槐(20.72%)>丁香(18.35%)。4種植被條件下土壤水分變化趨勢基本一致，且均隨降水量的增加(或減少)而升高(或降低)。

圖1 人工林土壤含水量隨降水量的變化

2.2 不同類型人工林土壤水分空間分布特征

由圖2可知，在20 cm處，土壤含水量大小順序為：丁香(18.2%)>刺槐(16.6%)>撂荒地(15.2%)>油松(14.0%)，油松林土壤含水量顯著低于丁香林(p< 0.05)，而其他各人工林土壤含水量之間無顯著差異；在50 cm處，土壤含水量大小順序為：撂荒地(22.5%)>油松(19.6%)>刺槐(15.3%)>丁香(13.4%)，且各人工林土壤含水量兩兩之間具有顯著差異(p<0.05)；80 cm為：刺槐(22.4%)>油松(20.0%)>撂荒地(18.1%)>丁香(15.9%)，且各人工林土壤含水量兩兩之間具有顯著差異(p< 0.05)；120 cm為：油松(17.1%)>刺槐(15.6%)>撂荒地(14.5%)>丁香(12.1%)，且各人工林土壤含水量兩兩之間具有顯著差異(p< 0.05)；150 cm時，刺槐和油松土壤含水量無顯著差異(p< 0.05)，但均顯著低于撂荒地(19.7%)(p< 0.05)，丁香土壤含水量(17.8%)顯著低于撂荒地(p<0.05)。通過比較單一植被類型條件下，不同深度土層土壤含水量的分布情況，得出撂荒地在50 cm和150 cm深度土層土壤含水量較高，且在50—120 cm處，隨著土層深度的增加，土壤含水量逐漸降低。刺槐和油松土壤水分在80 cm處較高，而丁香在20 cm和150 cm深度土層土壤含水量較高。

從變異系數來看(圖3)，所有測點CV值均小于100%，未出現強變異性，撂荒地在20 cm， 80 cm和120 cm處CV>10%，屬于中等變異；在50 cm和150 cm處CV<10%，屬于弱變異性，土壤含水量較為穩定；刺槐地在20 cm和50 cm處CV>10%，在80 cm，120 cm和150 cm處CV<10%，變異性較弱；油松在20 cm，50 cm和150 cm處，土壤水分變異性屬中等變異，80 cm和120 cm處變異性較弱，丁香地各土層深度土壤水分CV值均高于10%，屬于中等變異。不同類型人工林土壤水分變異系數隨土層深度的增加整體呈逐漸減小的趨勢。

圖2 不同人工幼林在特定土層深度土壤含水量差異

2.3 不同類型人工林土壤水分時間穩定性

將不同土層深度土壤含水量的相對偏差平均值按秩序數由小到大的順序排列，并標注出時間穩定性指數(圖4)，其中，誤差棒為各測點相對應偏差的標準差。可以看出撂荒地、刺槐、油松、丁香平均相對偏差的變化范圍分別為：-21%～26%，-10%～32%，-19%～15%，-20%～17%，土壤水分相對偏差變化幅度的大小次序為：撂荒地>刺槐>丁香>油松。撂荒地和油松可選取的代表性土壤水分觀測深度分別為：80 cm，120 cm；刺槐和丁香在本研究中的5個不同深度土層均不適宜作為代表土壤水分觀測層。通過土壤水分時間穩定性分析，確定了撂荒地和油松土壤含水量代表土層深度，使用代表深度土壤含水量與平均土壤含水量進行回歸分析，采用決定系數R2對該結果進行評估，結果顯示R2(0.90～0.94)均較高。

用代表性土層深度土壤含水量與該林分平均土壤含水量月均值進行計算納什系數(圖5)，結果表明，撂荒地和油松NSE的分別為：-0.1，-0.05，均接近于0，但未接近于1，表明該結果總體可信，但仍具有一定誤差。

圖3 土壤水分變異系數

圖4 不同人工幼林土壤水分時間穩定性

圖5 代表土層深度土壤含水量與平均土壤含水量決定系數及納什系數

3 討 論

黃土丘陵區土壤水分循環是單純的降水入滲、徑流、地表蒸發和植物蒸騰的過程[22]。本研究中，不同類型人工林土壤水分與降水量的變化趨勢基本保持一致，表現為夏季升高，秋、冬季降低的趨勢。這是由于4—6月，土壤溫度升高，植物生長迅速，土壤蒸發和植物蒸騰耗水加快，土壤水分消耗劇烈，不同植被覆蓋條件下土壤含水量均較低。研究區降水主要集中在6—9月，占全年降水量的78.2%，此時植物處于生長旺季，葉片已全部展開，需水量最大，此時恰好與降水同步，降水對土壤水分形成了有效的補給，在滿足植物高耗水的同時，多余降水可以蓄積在土壤中。10月至次年1月，降水量較少，此時土壤水分損耗主要為土壤蒸散發及向深層土壤蓄積。土壤水分的季節變化特點與同期降水密切相關[23]，表明降水是土壤水分消漲的基礎[24]，這與馬文對黃土丘陵區典型人工林土壤水分季節變化規律的研究一致[25]。本研究中人工林恢復兩年內，年內土壤水分峰值均為撂荒地最高。這是因為本研究中幼林植株較小，樹冠尚未完全郁閉，未對降雨形成有效截流，且造林對地表土層的破壞，除草使得地表裸露，加之造林初期地表凋落物較少，未能有效延長地表徑流匯流時間，造成水分大量流失[11]。而撂荒地在植物生長季內草本植物居多，植被覆蓋度大，雨季集中的降雨被有效攔截，增加了土壤水分入滲，且無喬、灌木植物對土壤水分吸收，土壤含水量相對較大。張晶晶等[26]研究表明地表植被覆蓋度的增加會顯著提升土壤含水量，與本研究結果一致。

黃土丘陵區土壤水分空間分布是植物特性、生態氣候、土壤質地等綜合作用的結果。本研究中丁香地在50—120 cm深度土層土壤含水量顯著低于撂荒地。通過比較各小區土壤孔隙度大小，發現丁香地在50—120 cm土層土壤孔隙度均相對較低，毛管數量不足導致同體積下毛管含水量降低，使得水分在土壤中難以貯存、下滲和上移，相同的降水條件下，土壤水分集中于土壤表層，且深層土壤含水量受降水影響較小，這也就進一步解釋了相較于撂荒地與其他林地，丁香地在50 cm，80 cm和120 cm土層土壤含水量均為最低的現象。在50 cm深度土層，相較于撂荒地，刺槐和油松地土壤含水量較低，這是由于刺槐和油松根系主要集中在40—60 cm土層，植株優先吸收利用該層土壤水分[27]，使得該層土壤含水量降低。孔凌霄等[22]研究表明刺槐由于根系大量吸水用于蒸騰，導致40—80 cm土層土壤含水量不斷降低，與本研究結果一致。當撂荒地土層深度從50 cm增加到120 cm土層時，土壤含水量持續減少，表明撂荒地土壤水分主要蓄積在50 cm土層，越往深層，得到降水的補給越少。與撂荒地相比，刺槐和油松土壤水分的垂直分布更加均衡。這是由于植物對土壤水分的吸收和利用能緩沖降水在土壤中的集中分布，使不同深度土層土壤水分相對均衡[28]。

本研究中不同類型人工林土壤水分垂直方向變異系數不同，且隨著土層深度的增加，CV值整體呈減小的趨勢。這是由于研究區絕對海拔高(1 140～1 160 m)，太陽輻射強烈，表層土壤水分受氣象脅迫、土壤水分再分配和植物根系吸收的影響較大[29]。降雨時，水分首先滲入表層，使得表層水分急劇增加；天晴后，土壤蒸發強烈，表層水分又急劇減少。深層土壤與外界之間有淺層土壤作為過渡，受到淺層土壤的保護作用，且隨著土層深度的增加，降水對土壤水分的影響逐漸減小[22]。這與丁聰等[30]對不同深度土層土壤水分變異系數的研究結果一致。

土壤水分時間穩定性具有深度依賴性和空間尺度依賴性[31]。有研究表明深層土壤水分的時間穩定性較淺層土壤水分更強[32]，由于研究區植被與觀測季節的不同，也存在淺層土壤水分較深層更穩定的現象[33]。本研究中撂荒地相對偏差的變化范圍最大，表明土壤含水量在垂直方向上差異較大。這主要是由于撂荒地中僅有一年生草本植物生長，而草本植物根系主要埋藏于0—20 cm土層[34]，深層土壤中無根系活動，降水由地表開始入滲，集中貯存在50 cm深度土層中，使上下層土壤水分差異較大。有研究表明植被樹冠截流、葉片蒸騰、根系吸水的不同均會影響土壤水分時間穩定性的分布規律[35]。Hu等[36]研究指出平均相對差分接近于0，平均相對差分的標準差或時間穩定性指數較小(<5%)的測點具有較高的時間穩定性，可以代表研究區平均土壤含水量。本研究中撂荒地在80 cm，油松在120 cm深度平均相對差分接近于0，且平均相對差分的標準差及時間穩定指數均較小，故該測點土壤含水量可代表研究區平均土壤含水量。油松代表深度較撂荒地更深，達到120 cm，植物可顯著地改變包括土壤微生物、養分等土壤性質，進而影響土壤水分的時空變化[37]。Cassel等[38]認為，植物根系活動可以削弱土壤水分的時間穩定性，與本研究結果一致。

4 結 論

(1) 不同類型人工幼林土壤水分隨時間的變化趨勢基本一致，主要受降水量的影響。

(2) 不同類型人工幼林土壤水分垂直分布差異較大，相較于撂荒地，各人工林在80—120 cm土層深度處，土壤含水量較高，而在50 cm土層深度處，土壤含水量較低。

(3) 撂荒地和油松土壤含水量代表深度分別為:80 cm，120 cm，決定系數和納什系數對該結果的評價均是可接受的；刺槐和丁香無較好的土壤水分代表深度。