黃土丘陵半干旱區(qū)典型人工林土壤水分特征

徐敬華，陳云明，鄧嵐

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東廣州510610;2.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100)

黃土丘陵溝壑區(qū)是黃土高原水土流失最為嚴(yán)重、氣候相對干旱、生態(tài)環(huán)境十分脆弱的區(qū)域，恢復(fù)重建植被是該區(qū)生態(tài)建設(shè)的核心內(nèi)容。自1998年起，國家在該區(qū)實施了大面積的退耕還林還草工程，并取得了顯著的防治水土流失和改善生態(tài)環(huán)境的成效[1-2]。

然而，由于黃土丘陵區(qū)水分條件相對較差，植被恢復(fù)重建的難度較大，部分人工植被存在生長緩慢，過早衰退[3]，生態(tài)效益低下等問題[4]，甚至在一些人工純林中出現(xiàn)了土壤性質(zhì)極化的現(xiàn)象[5]，土壤中也出現(xiàn)了難以恢復(fù)的“干層”現(xiàn)象[6]，嚴(yán)重的可導(dǎo)致大片樹木死亡，這些問題的存在制約著人工林的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展。

水分作為生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因素，在荒漠化與其逆過程即生態(tài)恢復(fù)過程中，起著決定性作用[7-8]。有關(guān)黃土丘陵溝壑區(qū)林草地土壤水分的研究較多，主要集中在林地土壤水分含量、地帶性和非地帶性分布特點、土壤水分生態(tài)分區(qū)和土壤干層及其形成等方面[9-10]，對退耕后植被自然恢復(fù)條件下的土壤水分特征也有一定的研究[11]。但有關(guān)人工林地土壤保持水分、供給水分的能力及其影響因子的相關(guān)研究則相對較少，這也是探明植被—土壤相互關(guān)系，植被改變土壤環(huán)境的重要內(nèi)容。

為此，我們在黃土丘陵半干旱區(qū)的陜西安塞縣，選擇了該區(qū)3種典型人工林類型刺槐林、檸條林、沙棘林，研究其主要土壤水力性質(zhì)土壤水分特征曲線、飽和導(dǎo)水率、飽和含水量隨林齡、林分類型的變化規(guī)律，以期為該區(qū)人工植被建設(shè)及管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗站的試驗示范區(qū)內(nèi)(109°19′E，36°51′N)。該區(qū)屬典型梁峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū)，溝壑密度約為8.06 km/km2;氣候?qū)倥瘻貛О敫珊禋夂?，年平均氣?.8℃，干燥度1.48，多年平均降雨量為497.0 mm，且存在著明顯的旱季和雨季之分，其中6—9月為雨季，多年平均降雨量362.4 mm，占全年降水量的72%。土壤類型為黃綿土，研究區(qū)內(nèi)大部分土壤是在黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的黃土幼年土—黃綿土，抗沖抗蝕能力差;在植被分區(qū)上屬于暖溫帶森林草原過渡帶，天然森林已破壞殆盡，人工喬木林以刺槐(Robinia pseudoacacia)和小葉楊(Populus simonii)等為主;灌木呈零星分布，主要有檸條(Caragana intermedia)和沙棘(Hippophae rhamnoides)等人工林灌叢以及封禁后形成的黃刺玫(Rosa xanthina)、狼牙刺(Sophora vicii folia)等天然灌叢;草本中旱生草本植物群落占絕對優(yōu)勢，主要為鐵桿蒿(Artemisia gmelinii)、茭蒿(A?giraldii)、長芒草(Stipa bungeana)、白羊草(Bothriochloa ischaemum)等形成的草原和干草原。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

在對紙坊溝流域、墩山試驗示范區(qū)及縣南溝流域的主要人工林詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取了土壤類型、坡度、坡位較為一致的10～30齡刺槐林2個，14～50齡檸條林3個，14～24齡沙棘林2個作為研究樣地，并以退耕30 a多自然演替形成的茭蒿+鐵桿蒿群落形成的草地作為對照樣地(見表1)。

2.2 樣品采集

在刺槐林地內(nèi)選取100 m×100 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方，灌木林地內(nèi)選取50 m×50 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方，對照樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個 1 m×1 m的樣方。在林地樣方中部延等高線方向挖3個土壤剖面，對照樣地每個樣方挖一個剖面，每個剖面上用100 cm3的環(huán)刀分別在0—20，20—40，40—60 cm每層采取2個原狀土樣，一個用來測定土壤水分特征曲線，另一個用來測定飽和含水量、飽和導(dǎo)水率。

2.3 室內(nèi)分析方法

飽和含水量采用環(huán)刀法[12-13]，土壤水分特征曲線測定采用離心機(jī)法[14]，所用離心機(jī)為日產(chǎn)CR21G型高速冷凍離心機(jī)，測定時溫度設(shè)定為20℃，不同水吸力，轉(zhuǎn)速及離心時間對應(yīng)關(guān)系見表2。

在測定之前，首先使環(huán)刀中的原狀土水分達(dá)到飽和狀態(tài)，其處理方法與環(huán)刀法測定飽和含水量的方法相同。

飽和導(dǎo)水率采用定水頭法，為了使不同溫度下所測得的飽和導(dǎo)水率(Kt)值便于比較，按式(1)換算成10℃時的飽和導(dǎo)水率(滲透系數(shù))。

式中:k10——溫度為10℃時的飽和導(dǎo)水率(滲透系數(shù))(mm/min);kt——溫度為t(℃)時的飽和導(dǎo)水率(mm/min);t——測定時水的溫度(℃)。

表1 林地基本情況

表2 應(yīng)用高速離心機(jī)對應(yīng)不同水勢下的轉(zhuǎn)速及時間

3 結(jié)果與分析

3.1 人工林地土壤水分特征曲線

土壤水分特征曲線是研究土壤水分特征的重要工具，它既可以反映土壤保持水分的狀況，又可以表現(xiàn)土壤水分的數(shù)量與能量之間的關(guān)系[15-16]。實測的水分特征曲線反映了土壤含水量與土壤水吸力之間存在著冪函數(shù)關(guān)系，其方程式為:

式中:S——土壤吸力(105Pa);θ——土壤含水量(%);A，B——參數(shù)。方程中的參數(shù) A決定了曲線的高低，即持水能力大小，A值越大，持水能力越強;參數(shù)B決定曲線的走向，即土壤含水量隨土壤水勢降低而遞減的快慢。土壤所能保持或釋放出的水量在低吸力范圍內(nèi)取決于土壤結(jié)構(gòu)較粗的孔隙分布，主要是毛管力起作用，在中高吸力段主要決定于土壤質(zhì)地，主要是土壤顆粒的表面吸附起作用[13]。林分改變林地土壤水分特征主要是通過林木根系實現(xiàn)的，林木的根系處在不斷的變化之中，根系對土壤的穿插，以及其死亡、腐爛、再生等過程構(gòu)成改良土壤理化性質(zhì)的主要因素[17]。

3.1.1 刺槐林地土壤水分特征曲線 不同林齡刺槐林地土壤水分特征曲線如圖1，擬合方程見表3，結(jié)合圖1和表3可以看出，10齡刺槐林地各層土壤特征曲線差異較小，而30齡刺槐林地各層的土壤水分特征曲線差異明顯，且隨著土層增加，土壤持水能力有增強的趨勢。10齡林地擬合方程中 A的均值為12.193，B的均值為 0.320;在 30齡林地中，A均值為17.69，B均值為0.242。隨著林分的生長，林地土壤持水能力特征在土壤剖面發(fā)生較大變化，各土層之接的差異更加明顯。說明隨著林齡的增加，刺槐林分的結(jié)構(gòu)和功能等在逐漸發(fā)生著變化，特別是地下根系的變化進(jìn)一步改善了土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，使得土壤的持水能力發(fā)生較大變化。

圖1 刺槐林地土壤水分特征曲線

表3 刺槐林地土壤水分特征曲線擬合

3.1.2 檸條林地 各林地土壤水分特征曲線如圖2所示，擬合方程見表4。可以看出，14齡檸條林地各層土壤水分特征曲線差異較小而24齡、50齡各層差異較大，且與刺槐林地相似，基本上呈現(xiàn)出隨土層加深土壤持水能力增強的趨勢(圖2)。14齡林地A均值為12.516，B均值為0.319;24齡林地 A均值為12.588，B均值為0.320;50齡檸條A均值為15.129;B均值為0.296。

隨著林齡的增長，林地土壤的持水能力變化明顯，特別是在從24齡到50齡階段內(nèi)變化很大。這說明檸條林從24齡到50齡林發(fā)育過程中林地土壤結(jié)構(gòu)變化大，使得土壤孔隙的結(jié)構(gòu)組成更有利于保持土壤水分。

表4 檸條林地土壤水分特征曲線擬合

圖2 檸條林地土壤水分特征曲線

3.1.3 沙棘林地 試驗區(qū)內(nèi)的沙棘林多分布在陰坡，林分都已郁閉，枯落物量較大。各林地土壤水分特征曲線如圖3所示，擬合方程見表5?？梢钥闯?，24齡沙棘林地各層土壤水分特征曲線較14齡林地各層差異明顯，且隨土層加深土壤持水能力有增強的趨勢。14齡林地A均值為11.823，B均值為0.309;24齡沙棘林地中A均值為17.455，B均值為0.220。說明隨著沙棘林齡的增加，林地土壤結(jié)構(gòu)變化使得土壤持水能力增強，且土壤含水量隨土壤吸力的變化率減慢。

表5 沙棘林地土壤水分特征曲線擬合

3.1.4 不同類型林分土壤水分特征曲線比較 為了便于比較不同類型林分的土壤持水能力，把土壤水分特征曲線擬合方程中的參數(shù)A和B進(jìn)行了基本的參數(shù)統(tǒng)計，并與荒坡對照樣地進(jìn)行了比較，結(jié)果見表6。由參數(shù)A的統(tǒng)計可以看出持水能力的順序為:荒坡＞刺槐＞沙棘＞檸條，說明草地改善土壤持水能力較喬木林強，而喬木林較灌木林強，這與楊永輝等[13]在南寧黃土丘陵區(qū)得出的結(jié)論較為相似。各類型林分林齡和土層間持水能力變異大小為:刺槐＞沙棘＞荒坡＞檸條。由參數(shù)B可以看出隨著水吸力的變化，含水量變化快慢的順序為:檸條＞刺槐＞沙棘＞荒坡，說明林分對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的改變與林分本身的特性關(guān)系密切。與荒坡對照相比，刺槐林地、沙棘林地的土壤持水能力較強而檸條林較差，而且人工林地土壤含水量隨水吸力的變化也比荒坡對照強烈，也就是說人工林地在改善土壤的持水性能的效果不一定較自然群落好。

圖3 沙棘林地土壤水分特征曲線

表6 不同類型林分土壤水分特征曲線擬合參數(shù)的變異性

3.2 人工林地土壤飽和導(dǎo)水率

一般來說，林分都有增加土壤入滲的作用。一是枯枝落葉積累避免了地表結(jié)皮的形成及土壤表層硬化，同時枯枝落葉的分解，增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量，改善了土壤理化性質(zhì)。二是根系的穿透和腐爛作用，增加了土壤孔隙度，改善了土壤結(jié)構(gòu)。土壤的飽和導(dǎo)水率是表征土壤入滲性能的重要指標(biāo)，由圖4可以看出，人工林地表層土壤飽和導(dǎo)水率大，多數(shù)在1 mm/min以上，隨著土層加深，土壤的飽和導(dǎo)水能力在下降，表層和下面兩層差異非常大，特別是在50齡檸條林地，表層飽和導(dǎo)水率是20—40 cm 層的3.4倍，說明人工林地表層土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育，孔隙較多。隨著林齡的增加，土壤的導(dǎo)水能力有了明顯提高:30齡刺槐林地飽和導(dǎo)水率平均值是10齡刺槐的1.6倍，50齡檸條林分別是24齡、14齡檸條林地的1.9倍和2.1倍，24齡沙棘林地是15齡的1.2倍;不同類型林分比較，檸條林地飽和導(dǎo)水率較大，沙棘林次之、刺槐林較小。因此，人工林改善土壤入滲性能的作用明顯，隨著林齡增長，土壤飽和導(dǎo)水率增大。與荒坡地相比，除10齡刺槐林外，人工林地表層土壤飽和導(dǎo)水率較荒坡地大。

圖4 樣地土壤飽和導(dǎo)水率

3.3 人工林地土壤飽和含水量

飽和含水量是“土壤水庫”庫容值，掌握飽和含水量狀況即可大體上了解土壤的持水特性和釋水性質(zhì)，對土壤剖面的水分含量計算、推求土壤給水度等都是一個重要指標(biāo)。對人工林地及荒坡對照各層土壤飽和含水量的測定見表7?？傮w而言，人工林地飽和含水量隨土層加深而下降，0—20 cm層平均土壤飽和含水量為48.3%，標(biāo)準(zhǔn)差為3.19，變異系數(shù)為0.07;20—40 cm層均值為42.0%，標(biāo)準(zhǔn)差為3.18，變異系數(shù)4.28;40—60 cm層均值為40.1%，標(biāo)準(zhǔn)差為4.14，變異系數(shù)為0.10。隨著林齡的增加人工林地的土壤飽和含水量成上升趨勢，在刺槐林地，30齡飽含水量是10齡的1.05倍;在檸條林地，50齡分別是24齡、14齡的1.08倍和1.05倍;在沙棘林地，24齡是15齡的1.01倍。隨著林分的生長林地土壤飽和含水量增加，說明隨林齡增長，土壤的蓄水能力提高，對地表、地下徑流調(diào)控能力增強，而且，30齡刺槐林地＞24齡檸條林地＞24齡沙棘林地＞荒坡對照。

表7 林地土壤飽和含水量 %

4 結(jié)論

(1)土壤含水量與土壤水吸力之間的關(guān)系符合冪函數(shù)θ=AS-B，但參數(shù)A平均值為14.674，表明人工林地總體持水能力較差;不同類型林分土壤持水能力順序為:刺槐林＞沙棘林＞檸條林;隨著土層加深、隨著林齡的增長，林地土壤持水能力均有增強的趨勢。

(2)人工林地表層土壤入滲能力強，飽和導(dǎo)水率多在1 mm/mim以上，隨著土層加深土壤的入滲性性能明顯下降，而隨著林齡的增加，土壤的導(dǎo)水能力有明顯提高，30齡刺槐林較24齡沙棘林和24齡檸條林飽和導(dǎo)水率大，且人工林地飽和導(dǎo)水率較荒坡對照大。

(3)人工林地土壤飽和含水量隨林齡的增加而增大，且刺槐林地＞檸條林地＞沙棘林地＞荒坡對照。

隨著林齡的增長，人工林地土壤的持水、導(dǎo)水能力及蓄水能力有所增強，與荒坡對照相比，人工恢復(fù)的植被改善土壤持水、導(dǎo)水能力的效果不一定有按照自然演替規(guī)律，通過生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)作用形成的植被群落好，在進(jìn)行人工植被建設(shè)時要遵循客觀規(guī)律，做到適地適樹適林，真正起到促進(jìn)自然恢復(fù)，使生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入良性循環(huán)的作用。

林分改變土壤水分特征是一個長期而復(fù)雜的過程，本文只表明了各類型林分林地土壤的水分特征，對于林分生長特征對林地土壤水土特征的作用機(jī)理及量化指標(biāo)有待于進(jìn)一步研究。

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