黃土高原溝壑區(qū)杏樹(shù)林地土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及適宜性研究

張思祖,李凱榮,易 亮,時(shí)亞坤

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊陵 712100）

黃土高原溝壑區(qū)降水主要集中在夏秋季,且多暴雨,降雨強(qiáng)度大,歷時(shí)短,一旦植被遭到破壞,地表土壤極易流失,溝坡系統(tǒng)土壤侵蝕尤為嚴(yán)重[1]。植被恢復(fù)是控制本區(qū)水土流失的重要途徑。本區(qū)具有土層深厚、熱量充足、晝夜溫差大等特點(diǎn),適宜發(fā)展經(jīng)濟(jì)林果,因此,發(fā)展經(jīng)濟(jì)林果是黃土高原溝壑區(qū)植被恢復(fù)的主要措施。杏樹(shù)耐旱、耐瘠薄,對(duì)立地條件要求不高,是本區(qū)重要的商品果樹(shù)[2]。

水分是限制植被恢復(fù)的主要因子[3],一方面導(dǎo)致造林成活率、保存率、生長(zhǎng)量低,林分生長(zhǎng)不穩(wěn)定,造成林地土壤干化;另一方面在植被建設(shè)中缺乏水量平衡的基礎(chǔ),林分密度與土壤水分承載力不相適應(yīng),往往由于過(guò)載使林分水量平衡失調(diào)而形成低效低產(chǎn)林,影響生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。任何水分只有轉(zhuǎn)化為土壤水才可以為植物吸收利用,黃土高原溝壑區(qū)果園多無(wú)灌溉條件,土壤水主要來(lái)源于降雨補(bǔ)給,降雨除部分形成徑流和深層滲漏外,主要為土壤顆粒和孔隙吸附,形成土壤水庫(kù),并緩慢釋放供林木生長(zhǎng)的需要。目前已有較多關(guān)于黃土高原土壤水分的研究,多側(cè)重土壤水分動(dòng)態(tài)變化、有效性及生態(tài)位研究[4-14],然而,將土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化與植物需水的生理過(guò)程結(jié)合起來(lái)的研究尚且不多。在此基礎(chǔ)上,本文研究了黃土高原溝壑區(qū)不同坡向土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征,并通過(guò)引用水分生態(tài)位適宜度指標(biāo)來(lái)分析土壤水分與最佳土壤含水量之間的貼近程度,從而了解土壤水分滿足杏樹(shù)生長(zhǎng)的程度,以期為植被恢復(fù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)區(qū)與研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黃土高原南部的淳化縣泥河溝流域的西坡村 ,地理坐標(biāo)為 108°43′-35°03′E 、34°43′-35°03′N,海拔630～ 1 809 m,,屬黃土高原溝壑地貌。氣候?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候,多年平均降水量604.8 mm,平水年(50%)600.6 mm,偏枯水年(75%)513.0 mm,枯水年(95%)433.9 mm,其中6-9月降水量占全年的65%以上,冬季干旱嚴(yán)重。年平均氣溫9.18℃,全年日照時(shí)數(shù)2 372 h,≥10℃的活動(dòng)積溫為3 281℃,無(wú)霜期138 d。溝坡以自然植被為主,多為草本和灌木,塬面以種植經(jīng)濟(jì)林為主。土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土,地帶性黑壚土僅分布在塬心,土壤肥力中等,田間持水量22.05%,干容重1.35 g/cm3,地下水埋深在40 m以下,植被很難吸收利用。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)地選擇 根據(jù)研究?jī)?nèi)容,選擇本試驗(yàn)區(qū)陰坡、陽(yáng)坡水平梯田的杏園各3塊作為樣地,樣地基本情況及杏樹(shù)生長(zhǎng)特征見(jiàn)表1。

1.2.2 土壤水分測(cè)定 土壤水分于2009年3-11月每月月初采用烘干法進(jìn)行測(cè)定。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地中選取標(biāo)準(zhǔn)木并固定作為水分觀測(cè)點(diǎn),取樣點(diǎn)位于樹(shù)冠邊緣距樹(shù)干2/3處,取樣深度為5 m,0～2 m深度內(nèi)以20 cm為1個(gè)層次,2～5 m深度內(nèi)以50 cm為一個(gè)層次,每一土層重復(fù)取樣3次,取其平均值作為該土層的平均含水量,水分的計(jì)算公式為

W=(M1-M2)/(M2-M3)×100%(1)式中:W——土壤水分含量(%);M1——烘前鋁盒及土壤重(g);M2——烘后鋁盒及土壤重(g);M3——烘后空鋁盒重(g)。

表1 試驗(yàn)樣地基本情況

2 結(jié)果與分析

2.1 杏樹(shù)林地土壤水分時(shí)空變化特征

2.1.1 土壤水分時(shí)間變化特征 圖1為0-500 cm土層深度土壤平均含水量的年內(nèi)變化過(guò)程。可以看出,不論陰坡還是陽(yáng)坡,杏樹(shù)林地土壤含水量年內(nèi)變化均呈現(xiàn)不對(duì)稱的雙峰曲線,5月與7月出現(xiàn)土壤含水量的低值,6月與8月出現(xiàn)土壤含水量的高值,且一年當(dāng)中第二高峰峰值明顯高于第一高峰峰值。春季隨著氣溫上升,土壤解凍,地表土壤水分蒸發(fā)也逐漸增加,同時(shí)林木萌芽和展葉,植物蒸騰從無(wú)到有并逐漸增強(qiáng),而春季降雨量稀少,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足地表土壤蒸發(fā)與植物蒸騰的水分需求,不足之處靠消耗土壤水分的存量來(lái)補(bǔ)償,因此淺層土壤不斷失墑,土壤含水量不斷降低,并于5月達(dá)到一年當(dāng)中第一個(gè)波谷值。而從6月開(kāi)始,雖然由于溫度升高,土壤蒸發(fā)與植物蒸騰強(qiáng)度繼續(xù)增加,但是隨著黃土高原雨季的到來(lái),降雨量較春季有了明顯增多,降雨對(duì)土壤水的補(bǔ)充開(kāi)始大于用于樹(shù)木蒸騰和土壤蒸發(fā),因此土壤含水量有所回升,但7月是一年當(dāng)中溫度最高的季節(jié),而且渭北黃土高原地區(qū)7月中下旬時(shí)常出現(xiàn)“伏旱”降水較少,天氣晴朗,因此杏樹(shù)林地土壤與植被蒸發(fā)蒸騰量迅速上升,大于降雨對(duì)土壤水分的補(bǔ)給,因此6月杏樹(shù)林地土壤水分出現(xiàn)了一年當(dāng)中第一個(gè)波峰值,而7月出現(xiàn)了一年當(dāng)中第二波谷值。8月,隨著盛夏暴雨的來(lái)臨,降雨對(duì)土壤水的補(bǔ)給再一次超過(guò)蒸發(fā)蒸騰對(duì)土壤水的消耗,因此8月杏樹(shù)林地土壤含水量迅速提高,而渭北地區(qū)由于受到華西秋雨的影響,降水量仍然較多,而同期,溫度已有所降低,蒸發(fā)蒸騰量減少,因此9月杏樹(shù)林地土壤含水量仍在增加,并達(dá)到一年當(dāng)中的最低值。10月當(dāng)?shù)赜昙窘Y(jié)束,土壤水分進(jìn)入一個(gè)新的消散階段,因此不斷下降。從11月開(kāi)始至第二年3月,渭北地區(qū)進(jìn)入冬季,雖然該期降水明顯減少,但是由于溫度較低,樹(shù)葉枯落,因此蒸騰耗水和地表蒸發(fā)都保持在一個(gè)很低的水平,土壤含水量變化也趨于穩(wěn)定,直到第二年春季開(kāi)始一個(gè)新的年內(nèi)循環(huán)。

圖1 不同坡位杏樹(shù)林地土壤水分年內(nèi)變化過(guò)程

2.1.2 土壤水分空間變化特征 圖2為不同坡向杏樹(shù)林年內(nèi)土壤含水量的空間垂直變化特征,從圖2中可看出,無(wú)論是陰坡還是陽(yáng)坡,杏樹(shù)林地在年內(nèi)各時(shí)期的淺層土壤水分變化比較活躍,而深層土壤水分變化相對(duì)較小。總體來(lái)看,陰坡土壤水分變化較陽(yáng)坡的小。

圖2 不同時(shí)期杏樹(shù)林地土壤水分的垂直分布特征

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中用偏差系數(shù)來(lái)反映統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)偏離平均值的相對(duì)大小,在本試驗(yàn)中引用此概念來(lái)反映土壤含水量隨土層深度變化的強(qiáng)弱程度。陽(yáng)坡林地與陰坡林地土壤含水量偏差系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可看出陰坡杏樹(shù)林地在距地表250 cm以內(nèi)的土層中,土壤含水量變化幅度較大;而陽(yáng)坡林地土壤含水量只在150 cm深度內(nèi)變化較大。土壤含水量變化幅度較大的土層可以被稱為土壤含水量活躍帶,由此可知,土壤含水量活躍帶厚度陰坡大于陽(yáng)坡,分別為250 cm和150 cm,這主要是由于陰坡蒸發(fā)量較小,降雨可以較多地補(bǔ)充深層土壤水所致。

圖3 杏樹(shù)林地不同深度土壤含水量的偏差系數(shù)

通過(guò)聚類分析方法,將杏樹(shù)林地不同坡向年內(nèi)土壤含水量的垂直分布分為4種基本類型,如表2所示。

春季解凍后,由于溫度上升,蒸發(fā)蒸騰量迅速增加,而此時(shí)降水稀少,因此淺層土壤水分入不敷出,嚴(yán)重失墑,在整個(gè)垂直剖面上,土壤含水量都保持較低的水平,且深層土壤含水量高于淺層土壤含水量,在整個(gè)垂直剖面上土壤含水量分布呈現(xiàn)出上小下大的態(tài)勢(shì),因此在基質(zhì)吸力的作用下,深層土壤上升補(bǔ)給淺層水。同時(shí),存在伏旱的7月,由于天氣晴朗、氣溫高、蒸發(fā)蒸騰旺盛而降水量較少,垂直剖面上的土壤水分特征也表現(xiàn)為淺層土壤失墑、深層水分上升補(bǔ)給。同時(shí)由于陰坡春季升溫較慢,淺層土壤解凍失墑發(fā)生的時(shí)間也要比陽(yáng)坡晚一些。隨著雨季的開(kāi)始,降水量增加使淺層土壤水分得到補(bǔ)充,因此淺層土壤含水量增加,但由于土壤水的滲入與再分配需要一定的時(shí)間,因此在垂直剖面上含水量最低處開(kāi)始向較深處運(yùn)動(dòng),這就是土壤含水量分布的第二個(gè)基本類型——雨季降水補(bǔ)給淺層土壤水分型,在陰坡林地,該階段非常典型,出現(xiàn)在6月與8月,即兩個(gè)多雨季節(jié)開(kāi)始的月份。第三個(gè)土壤含水量分布的基本類型——即土壤含水量最高型,不論陽(yáng)坡還是陰坡都出現(xiàn)在9月,9月雖然降雨強(qiáng)度較盛夏已有所減弱,但蒸發(fā)量也在下降,因此土壤水分補(bǔ)給仍大于消散,直到土壤含水量達(dá)到最大,在土壤含水量垂直分布上突出表現(xiàn)為水分活躍層土壤含水量較其他時(shí)期以及下層有了明顯增加,而且在水分活躍層內(nèi)可能存在幾個(gè)土壤含水量的高值區(qū),這是雨季幾次顯著的暴雨與其間短時(shí)期炎熱蒸發(fā)旺盛的天氣共同作用的結(jié)果。雨季結(jié)束后,土壤含水量垂直動(dòng)態(tài)進(jìn)入了一年當(dāng)中第四個(gè)階段,即雨季后淺層土壤水分入滲,淺層土壤含水量開(kāi)始下降,但土壤含水量空間分布仍保持上大下小的格局,同時(shí)隨著土壤水分的再分布,土壤含水量空間分布曲線開(kāi)始變得相對(duì)光滑。總體而言,一年當(dāng)中土壤水分變化會(huì)經(jīng)過(guò)四個(gè)階段:雨季補(bǔ)給,雨后淺層土壤水分入滲和再分布,雨前淺層土壤失墑、深層土壤水上升。不論陽(yáng)坡還是陰坡,土壤水補(bǔ)給期都是3個(gè)月,但陰坡開(kāi)始得較早;而淺層土壤失墑期,陽(yáng)坡開(kāi)始得較早,且時(shí)期較長(zhǎng)。

表2 土壤水分垂直分布的聚類分析

2.2 生態(tài)位適宜度模型

2.2.1 生態(tài)位適宜度模型 水分是制約干旱、半干旱地區(qū)植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要生態(tài)因子,根據(jù)生態(tài)位適宜度理論[5,16]可將林木生長(zhǎng)需要的理想的土壤水分情況作為目標(biāo)值,通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法計(jì)算實(shí)際的土壤含水量空間分布與目標(biāo)值的相似情況,建立水分生態(tài)位適宜度模型,以判斷土壤水分分布與林木最適宜水生態(tài)位的貼近度。

土壤水分空間分布是由無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)的含水量組成的,無(wú)窮多個(gè)數(shù)據(jù)之間無(wú)法計(jì)算,因此必須從中選擇出一些具有代表性的點(diǎn),以其含水量構(gòu)成向量,再計(jì)算與目標(biāo)向量之間的貼近程度。可以表示為

式中:y——水分生態(tài)位適宜度值;ai——第i層的權(quán)重因子;xi——第 i層(i=1,2,…,n)土壤中水分生態(tài)因子實(shí)測(cè)值;xia——第i層土壤中水分生態(tài)因子最適值,土壤水分生態(tài)因子最適值應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)實(shí)地觀測(cè)確定,在干旱半干旱地區(qū),土壤含水量相對(duì)較低,當(dāng)土壤含水量大于田間持水量的80%,即水分含量達(dá)到易效水時(shí),植物生長(zhǎng)旺盛,故取田間持水量的80%作為土壤水分生態(tài)因子最適值。

2.2.2 生態(tài)位權(quán)重因子確定 水分生態(tài)位權(quán)重因子直接取決于植物根系的分布,試驗(yàn)測(cè)得試驗(yàn)區(qū)杏樹(shù)林的根系分布,求得其權(quán)重因子。以各層次根系質(zhì)量占總量的百分?jǐn)?shù)為依據(jù),總結(jié)分析并最終確定第i層的權(quán)重因子ai,見(jiàn)表3。

表3 土壤水生態(tài)位權(quán)重

2.2.3 生態(tài)位適宜度分析 杏樹(shù)根系多分布在距離地表1 m之內(nèi)的土層中,因此只分析了1 m土層內(nèi)的水分生態(tài)位適宜度情況。研究區(qū)土壤田間持水量約為21.5%,通過(guò)公式(1)計(jì)算,得出一年內(nèi)不同時(shí)期杏樹(shù)林地土壤水分生態(tài)位適宜度,見(jiàn)表4。

表4 土壤水生態(tài)位適宜度分析結(jié)果

從表4結(jié)果分析可以看出,3-11月杏樹(shù)林地的平均水生態(tài)位適宜度在0.2左右,陰坡好于陽(yáng)坡。陽(yáng)坡3月與7月,陰坡4月、5月與7月水生態(tài)位的適宜度均為0,說(shuō)明杏樹(shù)生長(zhǎng)處于水分脅迫之中,水分條件惡劣,嚴(yán)重阻礙植物的生長(zhǎng),這可能是由于氣候干旱所致。陰坡6月和11月土壤水生態(tài)位的適宜度較高,達(dá)到了0.503與0.591,而陽(yáng)坡9月的土壤水生態(tài)位適合度最高為 0.628,其次是3月的 0.378與0.312。陽(yáng)坡水生態(tài)位低下的主要原因是由于土壤含水量較低,低于最適宜的土壤含水量(田間持水量的80%)甚至適宜含水量的下限(田間持水量的60%),陰坡除土壤含水量較低外,還與整個(gè)土壤剖面上含水量分布不均有關(guān),如雨季的8月和9月,由于降雨較為集中,降雨沒(méi)有充分的時(shí)間在土壤剖面上再分布,表層土壤含水量過(guò)高,如8月0-40 cm土壤、9月0-20 cm土壤含水量都超過(guò)了適宜含水量的上限(即田間持水量)。

3 結(jié)論

(1)黃土高原溝壑區(qū)杏樹(shù)林地土壤含水量年內(nèi)變化為不對(duì)稱雙峰曲線,波谷為5月與7月,波峰為6月與8月,且第二高峰峰值明顯高于第一高峰峰值。

(2)陽(yáng)坡與陰坡土壤水分在空間垂直分布上存在顯著的差異,陰坡土壤水分高于陽(yáng)坡,這與陰坡蒸發(fā)量較小,降雨補(bǔ)給深層土壤水有關(guān)。

(3)不論陽(yáng)坡還是陰坡,年內(nèi)土壤水的空間垂直分布可分為4個(gè)階段,分別代表降雨補(bǔ)給土壤水、淺層土壤水入滲和再分布、雨前淺層土壤失墑及深層土壤水上升階段。陰坡降雨補(bǔ)給土壤水開(kāi)始的早,而陽(yáng)坡土壤嚴(yán)重失墑開(kāi)始的早。

(4)陰坡的水生態(tài)位適宜度要好于陽(yáng)坡,但不論陽(yáng)坡還是陰坡,水生態(tài)位的適宜度均較低。土壤水的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化是影響水生態(tài)位適宜度的主要原因。加強(qiáng)土壤水庫(kù)調(diào)控,提高降雨、徑流入滲及補(bǔ)給深層土壤水分有助于改善水生態(tài)位適宜度,實(shí)現(xiàn)杏樹(shù)林地的高產(chǎn)高效[17]。

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