半干旱黃土丘陵區(qū)不同植被類型的土壤水分特征及其穩(wěn)定性

殷地遲, 王 立, 蔡國軍, 莫保儒, 柴春山, 馬 馳

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院, 甘肅 蘭州 730020)

土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的驅(qū)動(dòng)力，尤其是干旱、半干旱地區(qū)[1]，土壤水分成為黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)與重建的重要限制因子[2]。在該地區(qū)，土壤水分補(bǔ)給形式較為單一，大部分地區(qū)只能通過降水來進(jìn)行土壤水分的補(bǔ)充，但是雨季水分的年度蒸發(fā)量也達(dá)到全年較高的水平，使得土壤水分下滲層很難超出土壤水分蒸發(fā)層[3]，從而導(dǎo)致深層土壤水分相對虧缺，造成生態(tài)恢復(fù)難以可持續(xù)發(fā)展。因此，如何利用好土壤水分變得尤為重要，尤其對黃土丘陵區(qū)水分消耗較大的人工林。穆興民等[4]認(rèn)為不合理的人工配置模式使得天然降雨無法滿足植被對土壤水分的消耗，導(dǎo)致各人工林均出現(xiàn)不同程度的土壤水分虧缺現(xiàn)象。李細(xì)元等[5]認(rèn)為人工灌叢或林地0—200 cm以下的土層水分，降雨很難補(bǔ)償。由于深層的土壤水分不能靠自然降水來達(dá)到水分的補(bǔ)給，因此，研究0—200 cm水分的利用變得更為重要。本文通過研究不同植被類型下0—200 cm深度的土壤水分特征和穩(wěn)定性，探討不同植被在相同時(shí)間和相同垂直剖面上的生長現(xiàn)狀、規(guī)律以及差異性，旨在為植被生長穩(wěn)定性、有效造林、經(jīng)濟(jì)造林提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

該研究區(qū)位于甘肅省定西市巉口鎮(zhèn)龍灘流域，地理坐標(biāo)為104°27′—104°32′E，35°43′—35°46′N，屬半干旱黃土丘陵區(qū)。流域面積16.1 km2，平均海拔1 967～2 168 m，年平均氣溫6.8 ℃，年均降水量386.3 mm，平均無霜期152 d，平均日照時(shí)數(shù)2 052 h。春冬季降水量較少，降雨主要集中在7—9月份(見表1)，多為暴雨形式，潛在蒸發(fā)量1 649.0 mm，年平均相對濕度72%，干燥度1.9。

流域土質(zhì)均一，土壤以黃綿土為主，有機(jī)質(zhì)含量低，土壤貧瘠。流域?qū)儆诘湫筒菰貛?，天然植被以多年生草本為主，主要植物種類有長芒草(Stipabungeana)、賴草(Leymussecalinus)、阿爾泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)等，人工植被以側(cè)柏(Platycladusorientalis)、檸條(Caraganakorshinskii)、山毛桃(Amygdalusdavidiana)、山杏(Armeniacasibirica)、紫花苜蓿(Medicagosativa)等植物為主。

表1 甘肅定西龍灘流域2015-2018年降水量 mm

1.2 研究方法

在研究區(qū)選取5塊典型樣地(人工混交林、人工純林、人工灌草、人工草地、自然荒草地)，樣地植被類型為：山杏×側(cè)柏混交林地、檸條林地、退耕林地(山毛桃和紫花苜蓿灌草混種)、退耕苜蓿草地和自然荒地。樣地坡度在14°～32°之間，土壤類型均為黃綿土。因此，在分析結(jié)果時(shí)，可以忽略土壤的影響。采用Trime-FM剖面土壤水分速測儀測定土壤含水量。2017—2018年對上述五塊樣地進(jìn)行土壤水分測定，測定深度為200 cm，每20 cm一個(gè)測層，每15 d測定一次，重復(fù)3次，取其平均值作為該測層的容積土壤含水量(%)。樣地采用GPS定位，并記錄坡度、坡向、林齡、樹高、冠幅、草本層蓋度等樣地信息(詳見表2)。

表2 甘肅省定西市龍灘流域樣地基本信息

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2010，DPS 9.01和SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析數(shù)據(jù)。運(yùn)用單因素方差分析、Duncan多重比較(最小顯著性差異，p<0.05)和有序聚類法,分析不同植被類型土壤水分特征和穩(wěn)定性。用p值對單因素方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型下土壤水分的時(shí)間動(dòng)態(tài)

2.1.1 不同年份土壤水分變化 如圖1所示，分析5種植被類型0—200 cm土層土壤平均含水量年度動(dòng)態(tài)變化及其差異性可知，2017，2018年不同植被類型土壤平均含水量呈現(xiàn)：山杏×側(cè)柏混交林地(11.24%)>退耕苜蓿草地(10.97%)>自然荒地(10.66%)>退耕林地(9.99%)>檸條林地(9.55%)。

圖1 黃土丘陵區(qū)5種典型植被類型年度土壤平均含水量

山杏×側(cè)柏混交林地土壤含水量高于自然荒地，且此混交林兩年的平均含水量均高于檸條林地、退耕林地和退耕苜蓿草地，說明混交林地相對于檸條純林、退耕林地和退耕苜蓿草地來說更具有穩(wěn)定性[6]。由表2也可知，山杏×側(cè)柏混交林地由于林齡較長，有54 a，其根系以及植被用水已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定趨減的趨勢，而退耕林地、檸條林地已處于成熟期，故用水量大，所以土壤含水量低。

2016年降水量為273.4 mm(見表1)，遠(yuǎn)低于該地區(qū)近4年平均降水量375.6 mm，導(dǎo)致2017年土壤蓄水量較低。2017，2018年降水較往年充足，降水量分別為405，423 mm，均高于年均降水量，屬豐水年。研究2017，2018年土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征，將為豐水年土壤水分動(dòng)態(tài)變化提供依據(jù)。

2017，2018年3—6月降水呈上升趨勢，但是植被耗水量以及土壤水分的強(qiáng)烈蒸發(fā)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出降雨對土壤水分的補(bǔ)給量，這一階段將處于土壤水分消耗量相對較大的時(shí)期，這一結(jié)果與李永平等[7]的研究相一致。Yu Bowei等[8]對半干旱黃土高原0—200 cm以上的淺層研究發(fā)現(xiàn)，夏季土壤水分明顯低于春季和秋季。從圖2看，除了自然荒地土壤水分明顯低于春季和秋季，其他植被類型夏季土壤水分卻與春季相近，這與Yu Bowei等研究的結(jié)論不符，這可能與2016年降水量和植被生長特性有關(guān)。

2017，2018年降水集中在7—9月，2017，2018年8月份降水量均超過100 mm。受降雨時(shí)間分布的影響，不同的植被類型下的土壤水分呈現(xiàn)出不規(guī)則的變化，但都表現(xiàn)出一定的滯后性[9]，這也是雨季后土壤水分上升的重要原因。通過比較不同植被類型年度土壤平均含水量可知(見圖1)，這5種植被類型隨時(shí)間的波動(dòng)性很大，這種波動(dòng)性是由降水量、蒸發(fā)量和植被對土壤水分的下滲和利用程度等因素共同作用的結(jié)果[10]?？偟膩碚f，本研究也符合1—2月穩(wěn)定，3—6月消耗，7—9月增加，10—12月減少[11]的研究結(jié)論。

2.1.2 不同月份土壤水分變化 如圖2a所示，同時(shí)結(jié)合2017，2018年降水量、蒸發(fā)量來看，2017，2018年1—2月，降水量小于10 mm，由于植被處于休眠期，故0—200 cm土層土壤水分相對平穩(wěn)。退耕苜蓿草地的土壤水分隨土層深度增加而降低，且退耕苜蓿草地的土壤水分在土層40—100 cm處波動(dòng)幅度較大，這可能與苜蓿深層根系多年耗水和其持水性能有關(guān)[12-14]。

如圖2b所示，2017，2018年3—6月，3月份降水量逐漸增多，淺層土壤水分有明顯的上升趨勢，自然荒地增長趨勢最為明顯。隨著降水量、蒸發(fā)量在逐漸增加，植被也由休眠期過渡到生長初期，耗水量明顯加強(qiáng)，40—100 cm土層土壤水分便開始出現(xiàn)下降趨勢。此時(shí)，土壤水分隨著土層深度增加而降低，而檸條林地土壤水分則呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

如圖2c所示，2017，2018年7—9月，降水量達(dá)到全年的最大值，植被也進(jìn)入旺盛生長期，自然荒地淺層土壤水分明顯高于其他植被類型。降雨量的迅速增加促使淺層土壤水分上升，同時(shí)隨著植被的迅速生長、溫度的升高以及土壤的蒸發(fā)能力迅速加強(qiáng)，植被的耗水量、土壤水分的蒸發(fā)量加劇，導(dǎo)致0—100 cm土層土壤水分大量消耗。

如圖2d所示，2017，2018年10—12月，植被處于生長季后期，淺層土壤水分差距拉大，變化劇烈，規(guī)律不明顯，這可能與各植被類型間根系分布的情況有關(guān)。檸條林地中層土壤水分與其他植被類型相差較大，這可能與檸條林地的林齡有著一定的關(guān)系。這與梁海濱等[15]的研究結(jié)果相一致。盡管淺層各植被類型間土壤水分變化顯著，但深層土壤水分卻趨于穩(wěn)定，土壤水分差異減小。

圖2 黃土丘陵區(qū)5種典型植被類型1-12月土層土壤平均含水量

2.2 不同植被類型下土壤水分的垂直分布動(dòng)態(tài)

本文基于黃土丘陵區(qū)不同植被類型土壤水分土層變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差為分層指標(biāo)[16]，以自然荒地分層作為基礎(chǔ)來研究不同植被類型對土壤水分垂直分布的影響。由于在實(shí)際劃分過程中，變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差不能同時(shí)滿足分級標(biāo)準(zhǔn)，故使用有序聚類法對土層土壤水分劃分界限，以土層深度為土壤水分的排序軸，按照土壤水分含量進(jìn)行聚類，聚類的結(jié)果仍然保持深度上的排序[17-18]。通過上述方法對5種植被類型0—200 cm的土層進(jìn)行分層，確定最優(yōu)聚類數(shù)為3。因?yàn)椴煌脖活愋偷姆謱咏Y(jié)果不相同，所以其他植被類型的分層根據(jù)自然荒地(對照樣地)的分層結(jié)果，將土層分為3層：淺層(0—40 cm)、中層(40—100 cm)和深層(100—200 cm)。

如圖3所示，在黃土丘陵區(qū)5種植被類型下，2017，2018年不同植被類型土壤平均含水量呈現(xiàn)：山杏×側(cè)柏混交林地(11.24%)>退耕苜蓿草地(10.97%)>自然荒地(10.66%)>退耕林地(9.99%)>檸條林地(9.55%)。退耕林地0—40 cm土層土壤水分呈現(xiàn)上升趨勢，與其他植被類型變化趨勢相反，這可能與退耕林地中的苜蓿退化后生物量較大有關(guān)。在40—100 cm土層，不同植被類型的土壤水分差異較大，退耕苜蓿草地40—100 cm土層土壤水分呈現(xiàn)先增后減的趨勢，與其他植被類型的變化趨勢不同，且變化幅度較大。在同一種植被類型下，100 cm以下的土層土壤水分含量較為穩(wěn)定。2017，2018年山杏×側(cè)柏混交林地(11.24%)與檸條林地(9.55%)土壤水分含量相差較大， 2017，2018年土壤水分均有所增加，且退耕苜蓿草地增加幅度大于檸條林地。

淺層(0—40 cm)土壤水分動(dòng)態(tài)變化性大，本文稱淺層為動(dòng)態(tài)變化層。在動(dòng)態(tài)變化層(0—40 cm)上，如圖4a所示，2017，2018年不同植被類型動(dòng)態(tài)變化層土壤水分波動(dòng)較大，五種植被類型土壤水分的變化趨勢大致相同，但是檸條林地土壤水分明顯低于同時(shí)期其他植被類型。2017，2018年初期，由于受植被生長、降水、蒸發(fā)量的影響較弱，動(dòng)態(tài)變化層土壤水分蓄水、持水上升，隨著雨季到來，動(dòng)態(tài)變化層土壤水分得到大量補(bǔ)償，土壤水分呈現(xiàn)急速上升趨勢[19]。2017，2018年后期，降水量下降，動(dòng)態(tài)變化層土壤水分補(bǔ)給來源缺失，導(dǎo)致水分迅速下降，盡管土壤蒸發(fā)能力減弱，但土壤水分仍呈現(xiàn)下降趨勢。

圖3 黃土丘陵區(qū)5種典型植被類型垂直分布土壤平均含水量

中層(40—100 cm)土壤水分植被根系生長消耗量大，本文稱中層為利用層。在利用層(40—100 cm)上，如圖4b所示，2017，2018年1—5月利用層土壤水分較低且穩(wěn)定，這可能與2016年的降水、植被生長有關(guān)。檸條林地在利用層水分消耗最大，且土壤水分一直呈現(xiàn)下降趨勢，這可能與檸條林地利用層季節(jié)性耗水有關(guān)。自然荒地由于春冬季植被更替，進(jìn)而顯現(xiàn)出較為穩(wěn)定的趨勢，對水分消耗較少。在夏秋季，五種植被類型利用層土壤水分都呈現(xiàn)出先減少、后增加、再減少的過程[20]。

深層(100—200 cm)土壤水分變化幅度不顯著，本文稱深層為弱利用層。在弱利用層(100—200 cm)上，如圖4c所示，5種植被類型的土壤水分含量較為接近，土壤水分變化趨勢也大致相同，在季節(jié)上呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。2017，2018年前期，自然荒地土壤水分含量最高，山杏×側(cè)柏混交林地次之；到植被生長旺期，山杏×側(cè)柏混交林地土壤水分最高，并持續(xù)到植被生長后期，這對研究山杏×側(cè)柏混交林地生長季土壤水分動(dòng)態(tài)變化有參考作用。

圖4 黃土丘陵區(qū)5種典型植被類型0-200 cm時(shí)間土壤平均含水量

2.2.1 不同植被類型下土壤水分的土層穩(wěn)定性 表3為2017，2018年黃土丘陵區(qū)5種典型植被類型土壤水分土層變異系數(shù)。由表3可見，2017，2018年各土層土壤水分變異系數(shù)大小順序?yàn)椋和烁值?0.199)<山杏×側(cè)柏混交林地 (0.213) <自然荒地(0.219)< 退耕苜蓿草地(0.226)< 檸條林地(0.236)。

在0—40 cm深度的土層，土壤水分的土層變異系數(shù)增大，土層穩(wěn)定性減弱，這主要由于淺層的土壤水分受降水、溫度、蒸發(fā)等因子的影響較大，水分變化劇烈[21]；在40—100 cm深度的土層，土層變異系數(shù)相對較大，這主要是由于植被的根系耗水引起土壤水分有較大波動(dòng)；在100—200 cm深度的土層，土層的變異系數(shù)趨于低值，土壤水分土層穩(wěn)定性增強(qiáng)[22]。

表3 黃土丘陵區(qū)5種典型植被類型土壤水分土層變異系數(shù)Cv

2.2.2 不同植被類型下土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性 表4為2017，2018年黃土丘陵區(qū)5種典型植被類型土壤水分時(shí)間變異系數(shù)。由表4可見，2017，2018年各月份土壤水分變異系數(shù)大小順序?yàn)椋鹤匀换牡?0.250)<退耕林地(0.252)< 山杏×側(cè)柏混交林地(0.265)<檸條林地(0.271)<退耕苜蓿草地(0.319)。1—2月，自然荒地變異系數(shù)較低；3—9月，時(shí)間變異系數(shù)減小后上升；10—12月，受時(shí)間和外界環(huán)境影響，不同植被類型所反映出的變化規(guī)律不相同，退耕苜蓿草地變異系數(shù)最高且變化程度最為明顯。結(jié)合2 a時(shí)間變異系數(shù)表來看，退耕林地相對于其他4種植被類型時(shí)間變異更為穩(wěn)定。盡管降水是影響時(shí)空變異性的重要因素，但植被類型仍是影響土壤水分空間變異性的主導(dǎo)因素，這與Yao Xueling等[23]研究結(jié)果相一致。

表4 黃土丘陵區(qū)5種典型植被類型土壤水分時(shí)間變異系數(shù)Cv

3 結(jié) 論

(1) 從不同植被類型土壤水分的時(shí)間動(dòng)態(tài)來看，2017,2018年，不同植被類型土壤水分呈現(xiàn)出：山杏×側(cè)柏混交林地>退耕苜蓿草地>自然荒地>退耕林地>檸條林地。這說明，山杏×側(cè)柏混交林地、退耕苜蓿草地最接近自然荒地，說明混交林、退耕苜蓿草地對土壤水分消耗的程度較小，而檸條林地、退耕林地土壤含水量低于自然荒地，表明了此類植被在其達(dá)到完全郁閉或覆蓋時(shí)，會(huì)使土壤水分處于過度消耗狀態(tài)[22]。

(2) 從不同植被類型土壤水分的垂直空間動(dòng)態(tài)來看，0—200 cm深度土壤水分存在波動(dòng)情況，有分層差異，且各植被類型間存在明顯差異。在淺層(0—40 cm)，檸條林地、退耕林地土壤水分含量較低，退耕苜蓿草地、山杏×側(cè)柏混交林地、自然荒地土壤水分含量較高；在中層(40—100 cm)，檸條林地、退耕林地仍處于水分較低狀態(tài)，自然荒地土壤水分含量最高；在深層(100—200 cm)，山杏×側(cè)柏混交林地土壤水分含量逐漸提高并在生長旺期超過自然荒地，達(dá)到最高。垂直剖面上土壤水分的差異，給今后科學(xué)建植提供依據(jù)，結(jié)論可促進(jìn)研究區(qū)內(nèi)最適宜植被類型的提出，指導(dǎo)半干旱區(qū)植被建設(shè)、恢復(fù)。

(3) 從不同植被類型土壤水分土層穩(wěn)定性可以得出：退耕林地<山杏×側(cè)柏混交林地<自然荒地<退耕苜蓿草地<檸條林地。2017,2018年0—200 cm不同植被類型深度土壤水分土層變異系數(shù)呈現(xiàn)不同結(jié)果，這可能與植被根系分布和降水量的增加趨勢相一致。從不同植被類型土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性可以得出：自然荒地<退耕林地<山杏×側(cè)柏混交林地<檸條林地<退耕苜蓿草地。檸條林地隨時(shí)間變化相對穩(wěn)定，退耕苜蓿草地隨時(shí)間變化最為強(qiáng)烈，其他植被類型2017,2018年變化規(guī)律不顯著。短時(shí)間內(nèi)，不同植被類型的土層和時(shí)間土壤水分變化規(guī)律尚不穩(wěn)定，仍需繼續(xù)監(jiān)測各植被類型的土壤水分，為該地區(qū)植被穩(wěn)定性提供指導(dǎo)意見。