黃土丘陵溝壑區紅砂灌叢土壤水分動態研究

張娟娟, 單立山, 楊彩紅, 吳央寶才讓, 馮財林, 胡興玲, 史晶霞

(甘肅農業大學 林學院, 蘭州 730070)

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黃土丘陵溝壑區紅砂灌叢土壤水分動態研究

張娟娟, 單立山, 楊彩紅, 吳央寶才讓, 馮財林, 胡興玲, 史晶霞

(甘肅農業大學 林學院, 蘭州 730070)

土壤水分是黃土丘陵區植被成活與正常生長的關鍵因素，對黃土丘陵溝壑區不同坡位紅砂灌叢土壤水分動態進行了研究，結果表明：不同坡位土壤容重均隨土層深度增加呈先增加后緩慢減小的變化趨勢，不同坡位的持水量表現為：上坡>下坡>中坡。土壤含水量季節變化表現為不明顯的“雙峰”曲線，6月份第一次達到最大值，8月略有增加。根據紅砂土壤水分變化情況和植物根系吸水狀況，土壤水分的垂直變化可分為3個層次：土壤水分活躍層、次活躍層和相對穩定層。黃土丘陵溝壑區各月份均存在著不同程度的土壤干層，其中月份4月土壤干層最明顯，而各月0—20 cm土層土壤干層最嚴重，因此，在黃土丘陵溝壑區4月進行造林，應進行適當灌溉以滿足苗木對水分需求，且在雨季造林時密度不宜過大。

黃土丘陵溝壑區; 紅砂; 土壤水分

黃土高原水土流失嚴重，植被覆蓋率低，干旱加劇，生態環境失調，生態系統抗御自然災害的能力差，極大地限制了區域經濟的可持續發展[1]。以水分動態平衡為基礎的植被恢復和建設技術，不僅是我國北方地區實施退耕還林、天然林保護和防沙治沙工程的一項關鍵技術，也是黃土高原水土流失綜合治理，提高流域生產力的重要理論支撐[2-4]。對黃土高原及其他區域土壤水分動態的研究認為：水分條件是植被生存、生長的首要條件，高效利用降水資源，提高土壤水分利用率顯得尤為重要[5-7]。目前，對黃土高原及其他區域土壤水分動態的研究成果較多。盧宗凡等[8]對黃土高原人工草地土壤水分的研究中將該地區土壤水分季節性變化分為三個時期：春季失墑期(4月初—6月上旬)，夏季增墑期(6月中旬—9月下旬)，秋末冬季緩慢失墑期(9月下旬—翌年3月下旬)。李洪建等[9]研究了晉西北黃土丘陵區人工林土壤水分變化規律，將土壤水分年內變化分為三種類型：積累型,消耗型和平衡型。邱揚等[10]的研究表明黃土高原總體上土壤平均含水量年際變化與年降水量年際變化一致。王孟本等[11]在對黃土高原河北楊林、刺槐林等林地土壤水分研究中，將土壤剖面按含水量變化幅度大小分為活躍層、次活躍層和相對穩定層。可見，目前對黃土高原植被土壤水分動態的研究已經成為熱點。

紅砂(Reaumuriasoongorica)是檉柳科紅砂屬小灌木，具有抗鹽堿、抗旱、抗寒、耐瘠薄等特點，也是黃土高原西部荒漠草原區的優勢植物和建群植物之一[12]。目前對紅砂自身特性的報道較多，石松利等[13]運用酶聯免疫吸附法比較分析了鹽分生境下長葉紅砂其近緣種紅砂葉片中內源激素的含量差異，并對其在不同生境間的差異性進行了研究。劉玉冰等[14]研究了參與非生物脅迫原活化蛋白激酶PKMA基因在紅砂中的抗旱作用。然而，有關紅砂灌叢土壤理化性質和土壤水分動態的研究報道極少。本研究以黃土丘陵溝壑區不同坡位紅砂灌叢為研究對象，通過對其土壤物理性質及土壤水分動態變化規律進行研究，以便為該地區生態工程建設與林草植被恢復提供必要的理論依據。

1　研究地區與研究方法

1.1研究地區概況

試驗地位于蘭州北山，屬典型黃土丘陵溝壑區，區內海拔1 550～1 950 m。總氣候特點：干燥寒冷，溫差大，冬季長，年降水量少且分布不均，蒸發量大，日照強。該區年平均氣溫9.1℃，1月平均溫度-6.9℃，7月平均氣溫22.2℃，≥10℃活動積溫3 354.6℃，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-23.1℃；年平均降水量327 mm，降水主要集中在7—9月，年蒸發量1 600～1 800 mm，為年降水量的5倍多，年相對濕度58%；年日照時數2 607.6 h，無霜期186 d[15]。試驗地內的土壤種類主要為淡灰鈣土，屬濕陷性黃土，質地疏松，抗侵蝕能力弱，易崩塌。山坡地帶由于侵蝕強烈，植被稀疏，成土過程緩慢，原始土壤已殘存無幾，現所見土壤基本為黃土母質或淡灰鈣土下殘存的鈣積層，腐殖質缺乏，有機質含量低，土壤肥力和保水保肥能力極差。本區由于受氣溫、降水、土壤等因素的影響，山地植被類型基本屬典型草原向荒漠草原的過渡類型，植被覆蓋稀疏，種類貧乏，地表植被主要由旱生和鹽生類型的植物所組成。灌木主要有白毛錦雞兒(Caraganaleucophloea)、紅砂(R.soongorica)、合頭草(Sympegmaregelii)、珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、白刺(Nitrariatangutorum)、中國枸杞(Lyciumchinenses)、蒙古蕕(Caryopterismongholica)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)等；草本植物有本氏針茅(Stipabungeana)、戈壁針茅(S.gobica)、驢驢蒿(Artemisiadalailamae)、駱駝蓬(Peganumharmala)、堿蓬(Suaedaglauca)等。其中，檸條、檉柳、側柏在人工林中重要值最高；枸杞、紅砂在各類天然灌木林中重要值較高，分布最廣。整個植被類型中，特別是天然植被類型中，紅砂為主要的優勢種和建群種，其蓋度5%～80%[16]。

1.2研究方法

為了避免不同地貌部位和地形等對土壤水分的影響，均選地貌、坡向和坡度相近的同一個直型山坡上的上坡、中坡、下坡3個樣地，樣地面積為10 m×10 m。在每個樣地隨機布設3～6個樣點進行取樣，分6層(取樣深度分別為0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm)，取回的土壤在室內105℃烘干稱重。并根據《森林土壤水分物理性質測定標準》采用環刀分層取土測定不同坡位土壤容重、最大持水量(飽和持水量)、毛管持水量、最小持水量(田間持水量)[17]，各樣地重復數為3。萎蔫濕度采用盆栽的方法測定，重復三次。測得萎蔫系數為2.17%。從4月開始取樣，每月采樣一次，9月份結束。

1.3數據處理方法

利用SPSS 13.0統計分析軟件進行數據的管理和統計，應用單因素方差(one-way ANOVA)分析地形對各層土壤含水量和儲水量的影響，同時采用LSD多重比較檢驗不同坡位土壤含水量之間的差異。

2　結果與分析

2.1土壤容重

土壤容重說明土壤的松緊程度，是土壤物理性質的一個重要指標，直接影響其他土壤肥力因素和植物生長狀況[18]。從圖1可以看出，在整個土壤剖面，土壤容重的平均值按地形高低依次為：下坡位(1.21 g/cm3)>中坡位(1.19 g/cm3)>上坡位(1.17 g/cm3)。不同坡位紅砂灌叢土壤容重在0—60 cm均隨土壤深度的增加而逐漸增加，這可能由于在該地區植被根系主要集中該土壤層，通過根系的改良作用，土壤團粒結構較多，結構疏松土壤容重相對較小；在60—100 cm各坡位土壤容重隨土壤深度的增加而逐漸減少，且差異顯著(p<0.05)。這在一定程度上說明黃土丘陵溝壑區紅砂灌叢土壤水源涵養和理水調洪能力主要體現在上層土壤。

圖1紅砂灌叢不同坡位土壤容重垂直分布

2.2土壤持水量

土壤的持水特性決定于土壤物理性質及物理化學性質。土壤深度在0—100 cm內，不同坡位的最大持水量、毛管持水量、最小持水量(田間持水量)差異明顯(表1)，表現為：上坡>下坡>中坡。對各坡位不同土壤持水量進行了分析，發現紅砂灌叢土壤上層(0—40 cm)其持水量均比下層(40—100 cm)要大，這可能與紅砂灌叢上層土壤根系多、枯落物多、有機質含量高有關。

表1　不同坡位紅砂灌叢土壤物理性質比較

2.3土壤水分變化

2.3.1土壤含水量季節變化動態對不同坡位紅砂灌叢下土壤水分季節變化進行了分析，發現不同坡位土壤含水量隨時間的變化趨勢基本一致，均表現為不明顯的“雙峰”曲線(圖2)，6月份第一次達到最大值。7月的土壤含水量呈降低趨勢，這可能因為氣溫較高，紅砂在該時期生長旺盛，植被蒸騰和土壤蒸發較大所致。8月土壤含水量略有上升，雖該時期土壤蒸發和植被蒸騰較強，但此時期土壤水總的特點是補給大于消耗從而使8月土壤含水量第二次達到高峰，9月份隨著降雨量的減少，土壤含水量稍有下降。對不同月份土壤含水量平均值分析表明，不同坡位紅砂灌叢0—100 cm深度的土壤含水量表現為上坡位(6.26%)>下坡位(5.54%)>中坡位(5.07%)。

圖2紅砂灌叢不同坡位100 cm平均含水量及降雨量動態變化

2.3.2土壤含水量垂直變化從圖3可以看出：不同坡位上層土壤含水量(0—40 cm)變幅較大，而40—100 cm土壤含水量保持相對穩定，這可能是上層土壤含水量受太陽輻射和降水變化影響的結果。從圖3還可以看出，4月不同坡位紅砂灌叢土壤含水量均隨深度的增加持續增加，在0—10 cm內土壤含水量低于萎蔫系數(2.17%)，此階段植物生長未萌動，且降雨少風大，表層含水量低可能是風干而蒸發。6月不同坡位土壤含水量表層含水量均最大，在0—60 cm內土壤含水量急劇減小，在60—100 cm基本趨于穩定。5月、7月、8月、9月不同坡位土壤含水量隨土壤深度的增加上層有所波動，在60—100 cm趨于穩定，這可能是在黃土丘陵溝壑區其植被根系主要分布在上層(0—40 cm)，在其生長過程中改變了土壤水分狀況，同時該地區上層的土壤水分來源主要來源于降水，因根系的生長和降水的波動從而使該地區上層(0—40 cm)土壤水分呈現出波動情況。

根據土壤水分變化情況和植物根系吸水狀況，土壤水分的垂直變化可分為土壤水分活躍層、次活躍層和相對穩定層3個層次。

(1) 土壤水分活躍層(0—20 cm)，該層的土壤水分變異系數下坡最大為0.557，上坡次之0.485，中坡最小0.485。可能是因為該層土壤受大氣影響最大，又是植物根系的主要分布層，所以土壤水分變幅大，其上限可達飽和含水量以上，下限能到凋萎系數。土壤水分的增減和季節干濕變化基本一致，這些特點0—20 cm的淺層尤為明顯。

(2) 土壤水分次活躍層(20—80 cm)，該層土壤水分變異系數下坡為0.354，中坡0.165，上坡為0.116，較土壤水分活躍層(0—20 cm)小，土壤水分相對穩定層(80—100 cm)大。可能是因為該層土壤受大氣影響減小，土壤蒸發的耗水強度降低，所以變幅比土壤水分活躍層(0—20 cm)稍小。但是從6月底至7月中旬，該層土壤含水量下降較快，可能是植物蒸騰耗水量較大所致，說明它對植物的供水起著重要的作用。

(3) 土壤水分相對穩定層(80—100 cm)，該層土壤水分的變異系數下坡最大為0.342，上坡次之為0.186，中坡最小為0.113，說明土壤水分受季節干濕變化的影響較小。該層貯存的水分一方面為植物生長后期直接供水，另一方面通過毛管上升水給土壤上層供水。

表2　紅砂灌叢不同坡位土壤水分變異系數

2.4土壤干層

根據王力等[19]研究認為土壤干層的量化指標上限應以田間穩定持水量為宜，將該值以下的水分虧缺全部看作土壤干層的范疇。從表3中可以看出，紅砂灌叢都存在著不同程度的干層，大部分為中度和嚴重土壤干層；從月份看，4月的干層最為嚴重，從不同深度看，0—20 cm嚴重，嚴重地影響到了紅砂灌叢的更新和生長。

圖3　紅砂灌木不同坡位土壤含水量的垂直變化

坡位深度/cm田間穩定持水量/%土壤含水量/%4月5月6月7月8月9月0—1014．891．035．9512．176．026．754．9210—2014．242．455．2912．324．707．135．9620—4019．513．785．299．355．534．254．37下坡位40—6013．313．865．237．915．254．283．5860—8013．934．035．088．235．514．302．7180—10013．444．614．958．405．184．212．520—10014．893．295．309．735．375．574．010—1010．582．703．854．534．815．014．5810—2011．366．035．194．624．514．754．9720—4010．5513．3910．576．535．325．054．69中坡位40—608．855．544．604．263．693．433．4860—8010．257．986．994．313．823．974．2080—1009．944．514．734．463．963．633．930—10010．254．255．017．594．175．214．20

續表3

坡位深度/cm田間穩定持水量/%土壤含水量/%4月5月6月7月8月9月0—1014．542．665．1414．987．687．805．5110—2019．232．986．1812．974．757．226．5820—4016．595．636．297．505．716．575．58上坡位40—6017．676．256．135．785．645．924．8060—8017．836．566．116．006．004．614．8080—10018．246．346．045．166．005．164．770—10017．355．076．268．735．966．215．34

3　結 論

(1) 紅砂灌叢的土壤容重隨深度的增加，呈先增加后逐漸減小的變化趨勢。在0—100 cm深度內，不同坡位的土壤持水量大小順序表現為：上坡位>下坡位>中坡位。

(2) 蘭州北山紅砂灌叢土壤水分季節變化表現為不明顯的“雙峰”曲線，6月份達第一次高峰，8月份達第二次高峰。在不同月份間，紅砂灌叢的土壤水分變化具有明顯的季節特征，這是植物生長規律和當地氣候特點共同作用的結果。

(3) 根據蘭州北山紅砂土壤水分變化情況和植物根系吸水狀況，土壤水分的垂直變化可分為3個層次：土壤水分活躍層(0—20 cm)、次活躍層(20—80 cm)和相對穩定層(80—100 cm)3個層次。不同坡位隨著深度的增加，上層土壤水分變化幅度大于下層，這與其他研究者[20-21]的研究結果一致。

(4) 蘭州北山紅砂灌叢在4—9月均存在著不同程度的土壤干層，且4月的干層最為嚴重，從深度來看，各月0—20 cm干層嚴重，因此，黃土丘陵溝壑區在4月進行造林應該進行適當的灌溉以滿足苗木早期對水分的需求。同時，該地區不同季節均存在土壤干化現象，在造林時造林密度不宜過大，以保證土壤水分的科學合理利用。

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Soil Moisture Dynamics of Reaumuria soongorica shrubs in Loess Hill and Gully region

ZHANG Juanjuan, SHAN Lishan, YANG Caihong, Wuyangbaocairang,FENG Cailin, HU Xingling, SHI Jingxia

(College of Forestry, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

Soil moisture is the key factor for the growth and survival of vegetation in the loess hilly region. Soil moisture dynamics ofReaumuriasoongoricapopulation was monitored under different slope positions in the loess hill and gully region in Gansu Province of northwest China. The results showed that: (1) soil bulk density tended to increase at first and then decreased with increase of soil depth in different slope positions, the water holding capacity decreased in the order: upper slope>down slope>mid slope: (2) seasonal changes of soil moisture were expressed as dual peaks curve, and reached to the maximum at the first time in June, then increased a bit in August, according to soil moisture changes and plant root water absorption conditions, the vertical variation of soil moisture would be divided into three levels: active layer, less active layer and relative stable layer; (3) there were various degrees of dry soil layers in each month in loess hilly region, Dry soil layer is the most obvious in April and in the soil depth of 0—20 cm. Therefore, it is necessary to appropriately irrigate in April in the loess hilly and gully region when afforestation was carried out, and the density of planted trees should not be too large when afforestation was launched in rainy season.

loess hill and gully region;Reaumuriasoongorica; soil water

2014-08-27

2014-10-08

國家自然科學資助項目(41361100,31360205,41461044,31460180);甘肅農業大學國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201310733016);國家國際科技合作專項(2012DFR30830);甘肅省科技支撐計劃項目(1204NKCA084)

張娟娟(1990—),女,甘肅天水市人,在讀本科生,主要研究方向為荒漠植物生理生態。E-mail:1123596649@qq.com

單立山(1975—),男(蒙古族),湖南衡陽市人,博士后,副教授,主要從事荒漠植物生理生態等方面研究。E-mail:shanls@gsau.edu.cn

S152.7

A

1005-3409(2015)04-0029-05