遼西北沙地不同土地利用方式對(duì)土壤水分的影響

惠淑榮，王 嬌，張 倩，魏忠平，劉 陽

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽 110161；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，遼寧 沈陽 110161；3.遼寧省生態(tài)公益林項(xiàng)目中心，遼寧 沈陽 110036；4.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110004；5.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110032）

遼寧省西北部地區(qū)土地沙化較為嚴(yán)重，風(fēng)沙危害較大。根據(jù)全國第3次沙化和荒漠化土地監(jiān)測結(jié)果，遼寧省現(xiàn)有沙化土地面積54.96萬hm2，沙化和荒漠化土地95.4%分布在遼西北地區(qū)［1－3］。土地沙化不僅導(dǎo)致遼西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，可利用土地資源減少，土地質(zhì)量下降，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，而且還對(duì)以沈陽為中心的遼寧中部城市群構(gòu)成生態(tài)威脅［4］。土壤水分是沙化地區(qū)最珍貴的自然資源之一，盲目開墾土地和水資源短缺是引起該地區(qū)沙化面積進(jìn)一步擴(kuò)大的主要因素。因此，合理利用土地，對(duì)土壤水分進(jìn)行有效調(diào)控和利用是解決這一問題的關(guān)鍵。本研究在遼寧省阜新市彰武縣章古臺(tái)鎮(zhèn)典型的沙地上選擇3種不同土地利用方式，對(duì)其土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行研究，以期為遼西北沙化土地合理開發(fā)利用提供有關(guān)水分方面的理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究地區(qū)位于科爾沁沙地的東南部，遼寧省彰武縣章古臺(tái)鎮(zhèn)（42°43′N，122°22′E）。屬于干燥亞濕潤區(qū)氣候類型，年均降水量為450～500 mm，主要集中在夏季，占全年降水量的70%。年蒸發(fā)量為1 300～1 800 mm，冬春兩季風(fēng)大且持續(xù)時(shí)間長，風(fēng)速為4.5～5.0 m·s－1，年均氣溫為6.2℃，相對(duì)濕度為58%～59%，10℃以上積溫為2 890℃，無霜期為150 d，植物生長期（＞5.0℃的天數(shù)）為180 d。試驗(yàn)地0～100 cm的土壤基質(zhì)為風(fēng)沙土層，砂粒含量＞98%，黏粉粒含量＜2%，沙層深厚，達(dá)30 m左右。

1.2 研究樣地及水分觀測

2008年5月在研究區(qū)域內(nèi)選定該地區(qū)有代表性的不同土地利用模式：大扁杏Prunus armeniaca×sibirica-花生 Arachis hypogaea-玉米 Zea mays，大扁杏-麻黃草 Ephedra sinica，樟子松 Pinus sylvestris var.mongolica純林，3種模式在開墾利用之前為原始荒地，同時(shí)選擇相同立地條件下的原始荒地為對(duì)照（表1）。各種利用方式及對(duì)照的土壤基本性質(zhì)見表2。

表1 不同土地利用方式概況Table 1 A survey of different utilizable methods of sandy land

表2 土壤基本性質(zhì)Table 2 Basic propotities of the sampling soils

在每種利用方式下建立標(biāo)準(zhǔn)地，面積20 m×20 m，3次重復(fù)。在每塊標(biāo)準(zhǔn)地中隨機(jī)布設(shè)3個(gè)土壤水分觀測點(diǎn)，分別于2008年5月20日、6月20日、7月20日、8月20日、9月20日、10月20日用FDR土壤水分測定儀測定土壤含水量（%，體積分?jǐn)?shù)）。數(shù)據(jù)采用DPS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下不同月份土壤水分的空間變化規(guī)律

不同土地利用方式下土壤水分空間分布狀況見表3。方差分析結(jié)果表明，5月樣地A和樣地B土地利用方式之間僅在0～10 cm表層達(dá)到了5%顯著差異，而與樣地C和樣地D相比均達(dá)到了顯著差異，說明在整個(gè)0～100 cm土層內(nèi)樣地A和樣地B樣地水分狀況要好于樣地C和樣地D。從土層深度來看，各處理各層次變幅不大，其中樣地C的0～10 cm土層含水量要遠(yuǎn)高于其余各層。在整個(gè)剖面分布中，樣地C含水量低于其余各樣地，在600～100 cm這一層次達(dá)到最低值6.8%。

6月各樣地土壤含水量高低依次為樣地A＞樣地B＞樣地C＞樣地D。在整個(gè)0～100 cm土層內(nèi)，隨著土層深度的增加，各樣地土壤含水量均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，樣地A，樣地B和樣地C均在30～40 cm土層達(dá)到最大值，60～100 cm這一層次達(dá)到最小值；而對(duì)照則是在60～100 cm這一層次達(dá)到最大值7.3%，在0～10 cm表層達(dá)到了最低含水量，僅為5.5%。

表3 不同土地利用方式下土壤水分狀況Table 3 Status of soil water content under different utilizable methods of sandy land

7－8月各樣地土壤水分狀況明顯要明顯好于其他月份，這是由于這一時(shí)期為土壤的蓄墑期，全年降水大部分集中在這一時(shí)期所致。從表3中可以看出，7月不同土地利用方式除在表層和底層外其余各層次含水量均高于對(duì)照，均與對(duì)照達(dá)到了5%差異顯著水平。從土層深度上來看，樣地A，樣地B和樣地C最大含水量出現(xiàn)在30～40 cm這一層次，表現(xiàn)出自表層向下逐漸增加，達(dá)到最大值后又開始降低的趨勢，其中樣地A和樣地B在0～10 cm表層達(dá)到最小值，而樣地C則是在60～100 cm這一層次達(dá)到最小值7.2%。與對(duì)照相比，3種利用方式均能改善土壤水分狀況，增加土壤儲(chǔ)水量。8月土壤含水量與7月相同的是各處理均在30～40 cm這一層次達(dá)到水分最大值，不同的是各處理的最小值出現(xiàn)在60～100 cm這一層次。樣地A和樣地B只在0～10 cm和60～100 cm 2個(gè)層次達(dá)到顯著差異，而其余層次沒有差異。在30～40 cm這一層次樣地A和樣地B的含水量要顯著高于對(duì)照和樣地C，其余層次不同利用方式與對(duì)照相比無明顯差異。

9月樣地A，樣地B和樣地C土壤含水量除表層外其余各層次含水量均高于對(duì)照。其中樣地A和樣地B均與對(duì)照達(dá)到了顯著差異，而樣地C只在20～40 cm層次上與對(duì)照達(dá)到了顯著性差異。樣地A和樣地B各層次含水量要高于樣地C。樣地A和樣地B之間相比，除在10～20 cm、30～40 cm層次達(dá)到顯著差異之外，其余各層次均無顯著性差異。從土層深度上看，各種利用方式下土壤含水量隨著土層深度的增加而增加，當(dāng)達(dá)到最大值后又呈現(xiàn)出降低趨勢，而對(duì)照的土壤含水量則是在0～10 cm表層達(dá)到最大值，之后隨著土層深度增加而減小，達(dá)到最小值后又逐漸升高。

10月，樣地A和樣地B，樣地C和樣地D土壤含水量只在0～20 cm層次達(dá)到了顯著性差異，而20～100cm層次均未達(dá)到顯著性差異，且樣地A與樣地B的土壤含水量要高于樣地C和樣地D，達(dá)到了5%顯著性差異。此外，10～20 cm層次樣地A的土壤含水量要遠(yuǎn)高于其余樣地各層次的含水量，達(dá)到了14.1%。

2.2 不同土地利用方式下各層次土壤水分的月動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

從圖1-1～2中可以看出，0～10和10～20 cm 2個(gè)層次具有相似的變化規(guī)律，表現(xiàn)為先降低到整個(gè)年份的最小含水量之后升高，達(dá)到最大值后又趨于減少，最后到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定含水量的變化過程，其中最小值出現(xiàn)在6月，而最大值則出現(xiàn)在8月。從圖中還可以看出，對(duì)照在整個(gè)年份內(nèi)變化幅度最大，其余各種利用方式與對(duì)照相比具有穩(wěn)定的水分動(dòng)態(tài)，同時(shí)還具有較好的水分狀況，含水量要高于對(duì)照。說明各種利用方式具有較強(qiáng)的抗旱適應(yīng)能力，能夠改善土壤水分狀況，在較為嚴(yán)重的干旱季節(jié)能夠緩解旱情，降低災(zāi)害損失。

從圖1-3～5中可以看出，20～30，30～40，40～60 cm這3個(gè)層次的土壤含水量在整個(gè)年份內(nèi)具有一致的變化規(guī)律，且都變化較為劇烈，因此，我們可以將這3個(gè)層次同劃為中層土壤水分劇烈變化區(qū)域。這一區(qū)域內(nèi)各種利用方式的土壤含水量在各月份內(nèi)均高于對(duì)照。各種利用方式之間比較為樣地A與樣地B相近，均好于樣地C。樣地A，樣地B和樣地C 3種利用方式的土壤含水量具有一致的變化趨勢，表現(xiàn)為5，6，9和10月水分變幅較小，含水量均較低，而在7月和8月土壤含水量急劇增加，遠(yuǎn)高于其余各月份，并都在7月達(dá)到最大值。對(duì)照的水分變化規(guī)律與各種利用方式相比有所不同，表現(xiàn)出降低—升高—降低的趨勢，其中最小含水量出現(xiàn)在6月，最大值則出現(xiàn)在8月。

圖1-6為不同土地利用方式下60～100 cm層次土壤水分的月變化情況。整體上看，樣地A和樣地B的土壤含水量高于樣地C和樣地D。且樣地A和樣地B土壤含水量的變化規(guī)律一致，樣地C與樣地D的變化規(guī)律相一致。7月，樣地A和樣地B的土壤含水量達(dá)到最大，之后逐漸減少并趨于平緩，而樣地C和樣地D則在8月達(dá)到最大值，且在整個(gè)年份內(nèi)無太大變動(dòng)?？梢詫⑦@一層次劃分為深層土壤水分的穩(wěn)定區(qū)域。

3 討論與結(jié)論

圖1 不同土地利用方式下0～100 cm土壤水分的月變化Figure 1 Change of 0－100 cm soil water content under different utilizable methods each month

在干旱半干旱地區(qū)，土壤含水量是影響作物生長和植被恢復(fù)的重要因子。一方面，土壤含水量的時(shí)空變化受降水［5］、 植被［6］、 地形［5］、 土壤［7］和土地利用方式［8－10］等因素的影響；另一方面，土壤含水量又影響著植物蒸騰、地表蒸發(fā)、地表徑流和土壤內(nèi)的水分交換［6，11］。本研究中的降水、植被、地形及土壤等因素在開墾之前較為一致，所以土壤含水量的變化主要是由不同土地利用方式造成的?？傮w而言，大扁杏-花生-玉米，大扁杏-麻黃草2種方式的土壤水分狀況好于其他2種利用類型，這是由于大扁杏-花生-玉米和大扁杏-麻黃草利用方式下具有喬-草的層次結(jié)構(gòu)，覆蓋度高，使得林地比較郁閉，這就增加了對(duì)降水的截留，減弱了土壤的蒸發(fā)作用，而其他2種方式的低覆蓋度和單一的層次結(jié)構(gòu)以及草本植物淺的根系是其土壤蓄水量低的主要影響因素。

本研究中各種利用方式下5月土壤含水量要高于6月，這是因?yàn)?－6月該地區(qū)降水很少，而進(jìn)入6月以后，樹木各器官開始萌動(dòng)，需要大量水分來用于自身生長的蒸騰作用，這就消耗了土壤中的水分，導(dǎo)致了這一現(xiàn)象出現(xiàn)。到了7－8月，降水頻繁，全年降水大部分集中在這一時(shí)期，各種利用方式下的土壤水分狀況都較好，土壤水分不但完全能夠滿足樹木、作物、植被的生長，還能儲(chǔ)蓄一部分水，這一時(shí)期被稱為土壤的蓄墑期。如何有效地保存、合理科學(xué)地利用這一部分水分，對(duì)于緩解遼西北地區(qū)旱情具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究還表明，8月樟子松純林利用方式下土壤水分在30～40 cm層次含水量低于對(duì)照，形成土壤水分虧缺層，這與焦樹仁［12］的研究結(jié)果一致；而60～100 cm層次中各樣地含水量趨于一致，主要原因是該地區(qū)土壤以沙質(zhì)土壤為主，降水入滲速度快，雨后表層土壤水分很快就滲入到深層土壤中，這就導(dǎo)致了各樣地底層土壤含水量無顯著變化。進(jìn)入9－10月以后，無論何種利用方式下，在整個(gè)0～100 cm剖面中含水量的變幅都很小，說明這一時(shí)期水分趨于穩(wěn)定狀態(tài)，由于各處理所處氣候環(huán)境條件相同，而這2個(gè)月基本沒有降水，同時(shí)樹木也進(jìn)入生長末期，對(duì)水分要求減少，導(dǎo)致了這一現(xiàn)象的出現(xiàn)。

綜上所述，在遼西北沙化地區(qū)栽植大扁杏-花生-玉米和大扁杏-麻黃草2種土地利用方式能顯著改善土壤水分狀況，積蓄一定的水分，為作物的良好生長提供了保障，這對(duì)于遼西北水資源匱乏的干旱地區(qū)尤為重要。因此，在該地區(qū)應(yīng)用這2種土地利用方式既能為當(dāng)?shù)鼐用駧盹@著的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益，還能改善該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，并能有效地遏制土地進(jìn)一步沙化，使生態(tài)環(huán)境向良性方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

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