陜北黃土區(qū)雨季后山地棗林土壤水分動態(tài)變化研究

艾 寧 宗巧魚 高金續(xù) 強大宏 劉長海

(延安大學生命科學學院/陜西省區(qū)域生物資源保育與利用工程技術研究中心，延安 716000)

陜北黃土區(qū)是我國水土流失較為嚴重的地區(qū)之一，由于長期的人為擾動和自然因素共同作用，該區(qū)域植被遭到嚴重破壞，生態(tài)環(huán)境十分脆弱[1]，對該區(qū)域進行植被恢復與重建等林業(yè)生態(tài)工程建設顯得尤為迫切與重要。研究表明，在植被恢復與重建過程中土壤水分不僅起到?jīng)Q定性作用，而且限制著生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)功能的全面發(fā)揮[2～3]，研究表明陜北黃土區(qū)植被恢復與重建主要受到土壤水分的限制[4～5]。張建軍等[6]認為在黃土區(qū)，土壤水分的分布主要受到不同土壤質(zhì)地、不同植被生長年限及氣候條件等的影響。王延平等[7]、D’Odorico等[8]研究表明土壤水分分布主要受到降水、氣候、植被類型和人為活動等因素決定。自1999年國家實施“退耕還林(草)工程”以來，以棗樹(ZizyphusjujubaMill)為代表的生態(tài)經(jīng)濟林，其經(jīng)濟與生態(tài)效益顯著，得到大面積種植，且種植面積逐年擴大[9～10]。由于棗樹在黃土區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設中發(fā)揮著重要作用，而土壤水分又制約棗樹生長發(fā)育，許多學者對棗林與土壤水分間相關關系進行了研究[11～12]，目前的研究主要集中在旱作棗樹蒸騰耗水機制[13～15]、主枝修剪對棗樹蒸騰影響[16]和灌溉設施對紅棗影響的研究[12,17]。縱觀已有研究，目前對山地棗林土壤水分虧缺程度的研究還鮮見報道，但是土壤水分虧缺程度是研究林地土壤干化及林地可持續(xù)發(fā)展與利用的重要前提和基礎。因此，本文以陜北黃土區(qū)山地棗林土壤水分為研究對象，通過對其雨季后土壤水分動態(tài)變化以及土壤貯水虧缺程度進行研究，旨在明確陜北黃土區(qū)山地棗林土壤水分動態(tài)變化及土壤貯水虧缺程度，以期為今后該區(qū)域進行山地棗園營造和管理、紅棗生產(chǎn)基地穩(wěn)定發(fā)展提供科技支撐與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北黃土區(qū)延川縣齊家山山地紅棗栽植試驗示范基地(36°57′N，110°29′E)，平均海拔880 m。地形地貌為典型黃土高原梁峁溝壑區(qū)，地形復雜，溝壑縱橫。該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均降雨量500 mm左右，紅棗生育期(5～10月)內(nèi)，降雨時空分布不均勻，主要集中于7～9月份，且多為短歷時的強降雨；年平均氣溫10.8℃，無霜期183 d，日照時數(shù)為6.99 h。土壤抗侵蝕性差，水土流失嚴重。研究區(qū)生態(tài)經(jīng)濟林以棗樹為主，也有一些蘋果林(Malusdomestica)，灌木以野生酸棗(ZiziphusjujubaMill. var.spinosa)為主。

1.2 樣地布設

課題組分別于2018年雨季前(3～5月)和雨季后(11月9日)在陜西省延川縣齊家山紅棗試驗基地，按照典型性和代表性的原則，在實驗區(qū)選取棗林地、蘋果林地以及撂荒草地，共計9塊樣地進行調(diào)查取樣，樣地詳細信息見表1。

1.3 樣品采集與測定

環(huán)刀浸水法：挖取1 m深土壤剖面，分5層進行采樣，并采用環(huán)刀浸水法計算土壤容重與土壤田間持水量。

烘干法：采用烘干法計算土壤質(zhì)量含水量，其中0～100 cm土層以10 cm為取樣間隔，100～340 cm土層以20 cm為取樣間隔，將各層的土壤樣品裝入鋁盒，每層3個重復，帶回實驗室105°恒溫烘干測定其含水量，最終土壤水分值取3個數(shù)值的平均值。

表1 采樣點基本情況

1.4 數(shù)據(jù)計算

土壤質(zhì)量含水量：

(1)

式中：W1為烘干前土壤樣品質(zhì)量(g)；W2為烘干后土壤樣品質(zhì)量(g)。

土壤密度：

(2)

土壤田間持水量計算：

(3)

式中：m1為空環(huán)刀重量(g)；m2為烘干后干土與環(huán)刀重量(g)；m3為吸水后環(huán)刀和土壤總重量(g)；V為環(huán)刀體積(cm3)。

土壤貯水量計算公式為：

WC=W×ρ×H

(4)

式中：W為土壤質(zhì)量含水量(%)；ρ為土壤密度；H為土壤厚度(mm)。

土壤貯水虧缺度與虧缺補償度[18]：

(5)

式中：Da為土壤貯水虧缺量(mm)，Da=FC-WC;FC為田間持水量(mm)；WC為土壤實際貯水量(mm)。

(6)

式中：ΔW為雨季后土壤貯水增量(mm)，ΔW=wcm-wcc；wcm為雨季后土壤實際貯水量(mm)；wcc為雨季初土壤實際貯水量；Dac為雨季初土壤水虧缺量(mm)，Dac=FC-wcc。

DSW可以反映土壤貯水虧缺程度，其中虧缺度為0，則表明土壤水分虧缺得以完全恢復；CSW用來反映降雨對土壤水分虧缺的補償程度，如果CSW<0，表示土壤水分虧缺在雨季沒有得到補償，虧損進一步加強；如果CSW=100%，表示土壤水分虧缺得以完全補償與恢復[18]。

文中數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、SPSS(22.0)軟件對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(ANOVA)，用Origin2017進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同立地條件棗林雨季后土壤水分動態(tài)變化分析

由圖1A與圖2A得出，研究區(qū)不同坡位棗林土壤水分存在差異，土壤含水量在0～100 cm土層達到最大值。上坡位和下坡位土壤含水量在0～100 cm土層呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，中坡位的土壤含水量在0～100 cm土層變化幅度較小；在100 cm土層以下，上坡位和下坡位的土壤含水量隨著深度的增加，土壤含水量呈現(xiàn)減少的趨勢，中坡位則有增加趨勢。不同坡位的土壤含水量在0～340 cm土層表現(xiàn)出下坡位(14.19%)>上坡位(10.03%)>中坡位(6.23%)，且差異顯著。

不同坡向棗林土壤水分垂直變化如圖1B所示，陰坡和半陽坡在0～100 cm土層土壤含水量隨著深度的增加，變化程度較劇烈，不同坡向的土壤含水量在0～100 cm土層達到最大值。在100 cm土層以下，陰坡的土壤含水量隨著深度的增加，呈降低趨勢，但均高于陽坡和半陽坡；陽坡和半陽坡土壤含水量隨土層深度的增加變化較小，各土層之間土壤水分差異逐漸變小，150～340 cm土層陽坡和半陽坡土壤含水量基本穩(wěn)定在6.5%和8.3%左右。不同坡向的棗林地土壤水分隨著深度的增加，呈現(xiàn)先增加后減少再增加又減少的趨勢；由圖2B可知，不同坡向的土壤含水量表現(xiàn)為陰坡(14.19%)>半陽坡(8.58%)>陽坡(7.22%)，且差異顯著。

2.2 不同整地方式雨季后土壤水分變化分析

由圖1D可知，棗林和撂荒草地在不同整地方式下土壤水分存在差異。在0～340 cm土層，水平階整地的棗林土壤水分變化程度較原狀坡大，且土壤水分含量大于原狀坡；土壤水分均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加而降低的趨勢。撂荒草地在水平階整地與原狀坡內(nèi)的土壤水分變化程度相對棗林較穩(wěn)定；除40～100 cm土層外，其他土層均表現(xiàn)出水平階整地土壤水分高于原狀坡；隨著土層深度的增加，撂荒草地在原狀坡與水平階整地中的土壤水分基本維持在7%左右，兩者土壤水分差異不顯著。同時，棗林土壤水分較撂荒草地高，但隨著土層深度的增加，差異在減少。因此，不同整地方式下棗林之間土壤水分具有相似的變化趨勢，均隨著土層深度的增加，呈現(xiàn)先增加后減少再增加又減少的趨勢；水平階整地有助于棗林地蓄水保墑，但對撂荒草地蓄水保墑的效果不明顯。方差分析表明(見圖2D)，水平階整地的棗林蓄水保墑能力高于原狀坡棗林、水平階草地和原狀坡草地，且差異顯著。

2.3 不同植被類型雨季后土壤水分和土壤貯水量分析

由圖1C可知，雨季后不同植被類型的土壤水分垂直變化趨勢基本一致，即土壤含水量隨著深度的增加，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。圖2C表明，研究區(qū)雨季后棗林土壤含水量最高11.49%，蘋果林次之9.69%，撂荒草地最低6.70%，且各林地間差異顯著；但隨著土層深度的增加，差異性在減小。

圖1 不同樣地土壤水分垂直變化Fig.1 Vertical changes of soil moisture at different sample plot

圖2 不同樣地土壤水分差異性分析 a、b、c表示不同樣地間土壤水分在P<0.5水平下差異顯著，下同。Fig.2 Analysis of soil moisture variance at different sample plot a,b and c indicate that soil moisture is significant difference at the 0.05 level,the same as below.

圖3 不同植被類型雨季后土壤貯水量差異性分析Fig.3 Analysis of variance of soil water storage after rainy season at different vegetation

圖4 不同植被類型土壤貯水虧缺度與虧缺補償度分析Fig.4 Analysis of soil water storage deficit and deficit compensation at different vegetation

如圖3所示，水平階整地方式下3種不同植被類型土壤貯水量在0～100 cm土層變化為棗林(144.76 mm)>蘋果林(124.19 mm)>撂荒草地(72.20 mm)。不同植被類型土壤貯水量變化趨勢相似，隨著土層深度的增加，土壤貯水量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且均在20～60 cm達到最大，分別是棗林32.06 mm，蘋果林地28.50 mm，撂荒草地15.83 mm。在0～100 cm土層中，3種不同植被類型土壤貯水量差異顯著(P<0.05)。雨季后，棗林土壤貯水量顯著高于蘋果林，撂荒草地最小，且三者呈顯著差異。

2.4 不同植被類型土壤貯水虧缺程度分析

由圖4可知，不同植被類型土壤貯水虧缺度與貯水虧缺補償度存在差異。雨季前，3種植被均在0～20 cm土壤表層虧缺程度最小；撂荒草地與棗林在20～40 cm土層土壤貯水虧缺度最大分別為52.74%與72.74%，隨著土層深度的增加，有降低趨勢，特別是棗林地降低趨勢明顯，撂荒草地在60～80 cm有波動；蘋果林地土壤貯水虧缺度隨著土層深度而增加，在80～100 cm土層其虧缺度開始高于棗林。雨季后，撂荒草地土壤貯水虧缺度最高，隨著土層深度的增加呈現(xiàn)降低趨勢；棗林土壤貯水虧缺度最小，且隨著土層深度的增加有降低的趨勢；而蘋果林地則隨著土層深度的增加出現(xiàn)先降低后增加的趨勢；除棗林外，撂荒草地與蘋果林地雨季后土壤貯水虧缺度較雨季前大。

3種植被類型土壤貯水補償度在0～20 cm土層均為負值，說明雨季降雨并未對3種植被類型表層土壤水進行補償，且土壤水分虧缺加重；棗林地在20 cm以下土層補償度均為正值，說明雨季降雨對棗林地20 cm以下土層的土壤水分進行了補償，但是隨著土層深度的增加，補償度降低，降雨對土壤水分的補充作用越來越小，棗林補償度最大僅有22.95%；蘋果林地的補償度在0～100 cm土層均為負值，說明雨季降雨并未對蘋果林地土壤水分進行補充與恢復，蘋果林地土壤水分虧缺加重，但是隨著土層深度的增加，補償度也在增加，使得蘋果林地隨著土層深度的增加，土壤耗水與補充間的差值越來越小；撂荒草地除表層沒有進行水分補償，嚴重虧缺外，其他土層基本在平衡值(0)之間波動，說明雨季期間撂荒草地土壤水分消耗與補充基本達到平衡。

3 討論

3.1 不同立地條件和不同整地方式對棗林土壤水分變化的影響

研究區(qū)不同坡位的棗林地土壤含水量表現(xiàn)為下坡位>上坡位>中坡位，這與梁超等[1]研究結果相一致。降雨是黃土高原地區(qū)植被生長的主要水源補給[19]，而下坡位可以有效緩解坡面徑流流速加大降雨入滲速率，而且風力較小，可以降低地表蒸發(fā)，導致下坡位的土壤水分較高；降水入滲是影響坡位水分含量的主要因素，中坡位不利于降水入滲，所以土壤水分含量中坡位低于上坡位[10]。由于不同坡向輻射強度不同，陽坡受到的太陽輻射較多，導致土壤蒸發(fā)與植物蒸騰作用較強，從而土壤水分較低。因此，研究區(qū)棗林土壤水分表現(xiàn)為陰坡>半陽坡>陽坡，這與眾多學者對黃土區(qū)不同坡向土壤水分變化結果一致[1,20～21]。不同的整地方式對土壤含水量有一定影響，整地改變土壤結構以及土壤水分分布格局，不同整地方式下水平階土壤水分均高于原狀坡[22]。相關研究中指出地形影響降雨的入滲、再分配，同時影響蒸發(fā)蒸騰等水文過程，進一步使土壤水分分布有所差異[23]。

3.2 植被類型對土壤水分和土壤貯水量的影響

黃志剛等[23]在研究中指出，由于植被類型不同，根系的分布深度差異較大，從而土壤的蒸發(fā)和植被的蒸騰有所差異，進一步造成土壤水分的分布也不同。植被不僅可以適應土壤水分的變化而且可以反作用于土壤水分，不同植被類型具有不同的土壤—植被—大氣系統(tǒng)水分傳輸特征，進一步造就了不同的土壤水分環(huán)境[24]。有相關研究指出植被主要通過根系的穿插作用對土壤的性質(zhì)進行改善，從而提高雨水的入滲，而土壤淺層水分的補償主要依靠降雨[25]。

降雨和蒸散過程是土壤水分動態(tài)變化的主要原因[26]。隨土層加深降雨對土壤水分的影響逐漸減弱，由于降雨入滲、再分布以及土壤蒸發(fā)向深層土壤傳遞的滯后性，導致各層土壤水分變化幅度存在一定差異[27]。研究區(qū)雨季后棗林土壤貯水量高于蘋果林，撂荒草地最小，說明撂荒草地保水效果不如林地[28]。同時，根據(jù)土壤貯水虧缺與補償度可知，雨季降雨并未對蘋果林與撂荒草地土壤水分虧缺進行補償，蘋果林地與撂荒草地土壤水分虧缺沒有得到改善，特別是蘋果林地，在0～100 cm土層虧缺加劇；棗林地則除了在0～20 cm土層表現(xiàn)出虧缺加劇外，其他土層土壤水分較雨季前均有不同程度的補償，但沒有達到完全恢復。

4 結論

通過對陜北黃土區(qū)棗林雨季后土壤水分動態(tài)變化研究，得出如下結論：

(1)立地條件對研究區(qū)棗林土壤水分有顯著影響，不同坡位、不同坡向和不同整地方式的棗林地土壤水分存在顯著差異。其中，下坡位(14.19%)>上坡位(10.03%)>中坡位(6.23%)；陰坡(14.19%)>半陽坡(8.58%)>陽坡(7.22%)；整地方式對林地土壤水分動態(tài)變化有顯著影響且水平階整地棗林顯著高于原狀坡棗林；整地方式對撂荒草地土壤水分有影響，但是差異不顯著。

(2)研究區(qū)不同植被類型間土壤水分垂直變化趨勢基本一致。不同植被類型的土壤水分表現(xiàn)為棗林(11.49%)>蘋果林(9.69%)>撂荒草地(6.70%)。不同植被類型0～100 cm土壤貯水量依次表現(xiàn)為棗林最大(144.76 mm)，蘋果林地次之(124.19 mm)，撂荒草地最小(72.20 mm)，且各個土層的棗林地土壤貯水量顯著高于蘋果林地和撂荒草地。

(3)不同植被類型土壤貯水虧缺度存在差異。雨季前，0～20 cm土層虧缺度最小，平均虧缺度表現(xiàn)為撂荒草地>棗林>蘋果林；雨季后，撂荒草地土壤水分虧缺度最大，蘋果次之，均高于雨季前土壤水分虧缺度，且3種植被類型土壤水分虧缺度均有隨著土層深度增加而降低的趨勢。

(4)研究區(qū)雨季降雨并未對3種植被類型0～20 cm土層水分進行補償，且水分虧缺加劇。雨季降雨對棗林地20 cm以下土層土壤水分進行了補償，但是補償度最高僅有22.95%，棗林地土壤水分虧缺狀態(tài)并未完全恢復；蘋果林地土壤貯水補償度則為負值，經(jīng)歷雨季后土壤水分虧缺進一步加劇；撂荒草地土壤水分補償度在20～100 cm土層基本維持在0左右，表明撂荒草地土壤水分虧缺維持雨季前狀態(tài)，沒有持續(xù)惡化。