黃土丘陵區檸條種植帶狀結構對坡面土壤水分的影響

2020-10-21 07:32:38杜雨佳趙勇鋼劉小芳張星星任澤瑩賈佳瑜

水土保持研究 2020年6期

杜雨佳, 趙勇鋼, 劉小芳, 張星星, 任澤瑩, 賈佳瑜

(山西師范大學生命科學學院, 山西臨汾 041000)

黃土高原地區水資源匱乏、水土流失嚴重、生態系統極度脆弱，是我國退耕還林(草)生態工程實施的重點區域。在植被建設途徑中，通過人工林種植林草以加速植被恢復進程已成為重要措施[1-2]。許多研究表明，人工植被恢復對于減輕水土流失、提高土壤質量、改善生態環境起到了積極的作用[3]。其中，檸條(Caraganakorshinskii)由于其根系發達，抗逆性強，具有很強的防風固沙及保持水土的能力，是干旱半干旱地區廣泛種植的主要灌木樹種之一。但一些研究表明，人工檸條長期種植可能造成土壤水分虧缺，土層干燥化并上移下延，這反過來也限制檸條的生長[4]。張建軍等[5]研究了黃土高原不同林地對土壤水分的影響，指出人工林對土壤水分消耗較大，會形成“干化層”。郭忠升等[6]發現5 a生檸條林的干層厚度達到檸條利用水分的警戒線。李小芳等[7]通過EPIC模型對黃土丘陵區檸條土壤水分進行了模擬，發現檸條生長10 a后，根系下伸，土壤水分虧缺，水分生產力下降。

坡面是黃土高原地區土壤侵蝕泥沙的重要來源地，也是植被建設的主要地貌單元。坡面尺度的土壤水分受氣候、植被、土壤、地形等因素的綜合影響[8-10]。梁海斌等[9]研究了3個不同林齡檸條地土壤水分變化，得出隨林齡增加土壤水分存在顯著差異，且土壤干層范圍不斷擴大。降水在坡面的再分配使不同坡位土壤含水量不同[11]。黃艷麗等[12]對黃土高原小流域不同坡面土壤水分進行研究，得出坡腳土壤含水率高于坡腰，坡腰高于坡肩。董起廣等[13]對延安市黃土坡面土壤水分研究得出，隨坡位下降土壤水分含量升高，下坡位比上坡位高5.33%。此外，檸條在坡面多為等高線帶狀種植(也稱植物籬模式)，相鄰檸條帶多以荒草地間隔，構成了灌草復合系統。袁久芹[14]、Fan[15]等提出帶狀種植檸條對防治水土流失有顯著效果，通過攔截地表徑流、改變土壤結構，使植被快速適應干旱環境，是防止土地退化，提高土壤生產力的理想模式。這種植被配置格局使坡面的光照、熱量、降水、徑流、土壤屬性等資源因子發生空間再分配，進而影響土壤水分分布。如黨漢瑾等[16]通過對黃土丘陵區26 a生檸條植物籬各部位土壤水分研究，發現植物籬帶前和帶內土壤含水率較高，帶后則較低。呂文強等[17]發現檸條植物籬土壤水分有效性隨距植被帶距離增大而提高。目前，種植年限、土層深度、地形等對檸條種植后土壤水分分布的影響，檸條等高線帶狀種植模式減少土壤侵蝕等，均已有較多研究。但將各影響因子與檸條的帶狀種植相結合解析坡面尺度土壤水分空間異質性的研究還較少，且環境因子與土壤水分關系的定量表達還有待進一步探究。因此，本研究以黃土丘陵區不同種植年限等高線帶狀種植的檸條坡地為研究對象，分析不同種植年限、坡位以及灌草部位對0—100 cm土壤水分的影響，旨在探明坡面土壤水分的空間分布情況及影響因素，以期為干旱半干旱地區植被建設和土壤水資源調控提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區固原市河川鄉中國科學院水土保持研究所上黃生態試驗站(106°26′—106°30′E，35°59′—36°03′N)。海拔高度1 534～1 824 m，地貌類型屬典型黃土高原丘陵區，土壤多為黃土母質發育的黃綿土，土壤貧瘠，且遭受侵蝕。多年平均降水量為419.1 mm，年內降水分配不均，7—9月降雨量可占到年降雨量的70%以上。多年平均氣溫6.9℃，屬溫帶半干旱氣候區，無霜期152 d。研究區天然植被以多年生草本為主，代表性植物有長芒草(Stipabungeana)、鐵桿蒿(Artemisiavestita)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、百里香(Thymusmongolicus)等，人工植被以檸條、山杏(Armeniacasibirica)等為主，其中人工檸條林栽植面積最大[18]。

1.2 試驗設計與樣品測定

經實地調查選擇研究區內檸條種植15 a(2004年)，25 a(1994年)，35 a(1984年)沿坡地的樣帶各一條，并以相鄰撂荒40 a以上荒草坡地作為對照。坡面檸條種植為等高線帶狀種植模式，伴有約3°反坡臺整地，平均階面寬0.5～1 m，相鄰檸條帶間為2～3 m的自然荒草坡面。將各樣地沿坡面由上至下依次分為5個坡位(坡頂、坡肩、坡上、坡中、坡下)，坡肩距坡頂約15 m，坡肩至坡下相鄰坡位間相距40～60 m。各坡位水平設置3個10 m×10 m樣方，樣方間距約10 m且樣方內均包含完整檸條灌草部位。分別在各樣方內選取4個采樣點，為檸條帶間中點(距檸條莖干1～1.5 m)、檸條帶前(距檸條莖干0.5～0.8 m)、檸條帶內(距檸條莖干0.1 m)、檸條帶后(距檸條莖干0.5～0.8 m)。采樣點示意圖見圖1。同時測量樣方內每株檸條高度，進行植被調查并收集地上鮮生物量和干生物量，測定每個樣點經緯度、海拔、坡度、坡向等環境因子[19](表1)。

圖1 采樣點位示意圖

于2019年7月29日—31日進行土壤樣品采集，取樣前7 d和取樣期間采樣區并無降雨發生。各采樣點取樣深度均為100 cm，用土鉆按照0—10，10—20，20—30，30—40，40—60，60—80，80—100 cm分7層取土，各土層重復3次取樣，采得土壤樣品裝入鋁盒密封。土樣帶回實驗室后，采用烘干法[20]測定土壤含水量。

1.3 數據統計分析

采用SPSS 17.0軟件進行基本統計分析，利用單因素方差分析(ANOVA)檢驗不同種植年限、坡位及灌草部位下的土壤含水量差異，并用最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較，顯著性水平為0.05。采用OriginPro 9.0軟件進行圖形繪制。用冗余分析(RDA)分析環境因子對土壤含水量的影響，用CANOCO 5.0軟件完成。

表1 樣地基本情況

2 結果與分析

2.1 土壤含水量基本統計特征

隨著檸條種植年限的增加，土壤含水量平均值逐漸降低，標準差和變異系數表現出相同的趨勢，變異性逐漸變小(表2)。25 a和35 a檸條地土壤含水量顯著低于15 a檸條地和荒草地(p<0.05)。從坡位看，土壤含水量表現為坡頂最高，坡中和坡下次之，坡上顯著低于其他坡位(p<0.05)；坡肩的標準差和變異系數均為最高。從灌草部位看，土壤含水量平均值表現為帶間、帶前和帶內無顯著差異(p>0.05)，但均顯著高于帶后(p<0.05)，帶后的標準差和變異系數均最高，帶前則最低。不同種植年限、坡位和空間位置的變異系數均為中等變異(10%≤CV≤100%)。

2.2 不同種植年限檸條坡地土壤水分分布

不同年限人工檸條地坡面土壤水分分布特征如圖2所示。整體而言，各樣地土壤含水量均隨土層深度的增加而降低，且0—40 cm土層變化較為明顯，40—100 cm土層含水量基本趨于穩定。土壤含水量隨種植年限的增加逐漸降低，且荒草地和檸條15 a的0—40 cm土層含水量顯著高于檸條25 a和檸條35 a。各土層含水量均為坡頂最高，坡下、坡中次之，坡肩、坡上最低。且帶內各土層含水量普遍最高，帶后普遍最低。

表2 土壤含水量基本統計特征

種植年限、坡位對土壤含水量有顯著影響(圖3)。土壤含水量在各坡位均表現出隨種植年限的增長而降低的趨勢；荒草地和檸條種植15 a樣地在坡頂、坡中和坡下無顯著差異(p>0.05)，但在坡肩和坡上有顯著差異(p<0.05)，且在各坡位均顯著高于檸條種植25 a和35 a樣地；檸條種植25 a和35 a樣地與荒草地和檸條種植15 a樣地呈相反規律。同一樣地不同坡位土壤含水量表現為荒草地為坡下最高，坡頂、坡肩次之，坡中最低。其他樣地均為坡頂最高，坡中、坡下次之，坡肩、坡上最低。

注：橫軸編號1表示帶間，2表示帶前，3表示帶內，4表示帶后。

注：不同大寫字母表示同一樣地不同坡位差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示同一坡位不同樣地差異顯著(p<0.05)，相同字母表示無顯著差異。

不同種植年限檸條條帶結構對土壤水分影響如圖4所示。種植15 a樣地帶內水分最高，帶后最低；種植25 a樣地各位置無顯著差異；種植35 a樣地帶后顯著低于其他位置。各位置含水量均隨種植年限增加而減少，各樣地帶間、帶前和帶內差異不顯著，但均顯著高于帶后(p<0.05)。

注：不同大寫字母表示同一樣地不同灌草部位間差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示同一灌草部位不同樣地間差異顯著(p<0.05)。

灌草部位對土壤含水量空間分布的影響見圖5。從檸條條帶各灌草部位的坡位差異看，各年限樣地的灌草部位均表現為坡頂最高，坡肩、坡上最低，其中種植15 a樣地(圖5A)和種植25 a樣地(圖5B)各部位的坡位差異顯著(p<0.05)，35 a樣地(圖5C)僅在帶內和帶后位置坡位差異顯著(p<0.05)。從檸條條帶各坡位的灌草部位差異看，各年限樣地均表現為坡頂、坡肩各部位差異不顯著，坡上、坡中、坡下均表現為帶后顯著低于其他部位(p<0.05)。

注：不同大寫字母表示同一灌草部位不同坡位差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示同一坡位不同灌草部位差異顯著(p<0.05)，相同字母代表無顯著差異。

2.3 土壤含水量影響因子

以RDA排序圖表示各環境因子對土壤含水量的影響程度(圖6)。通過對檸條種植年限、海拔、坡度、坡位、灌草部位5個環境因子和土壤含水量進行冗余分析，檸條種植年限對土壤含水量影響程度最大，海拔和坡度的影響程度次之，坡位和灌草部位的影響程度最小。此外，海拔與土壤含水量呈正相關，且相關性隨土層增加而減小。年限、灌草部位與土壤含水量呈負相關，相關性隨土層增加而減小。坡度與土壤含水量呈負相關，坡位對0—30 cm土層土壤含水量有負向相關性，30—100 cm 土層土壤含水量有正向相關性，但影響較小。變異分割分析(Variation Partitioning Analyses,VPA)檢測結果顯示，年限、海拔、坡度對土壤含水量的解釋量分別為4.8%，3.6%，2.3%，坡位為0.3%，而灌草部位對其的解釋量不足0.1%，各環境因子的交互作用對土壤含水量變異的綜合效應的解釋量為65.2%。

3 討論

本研究結果表明，隨著檸條種植年限的增加(尤其在15 a后)，土壤含水量及其變異性均逐漸減少，說明檸條種植15 a后對0—100 cm土層含水量整體消耗增加。這與已有的研究結果相似，李小芳等[7]通過對黃土丘陵區檸條土壤水分研究發現檸條生長10 a后，隨其根系的下伸，土壤水分虧缺加劇，水分生產力下降。自然生長的草本植物根系分布較淺且水分利用程度小，與自然恢復的撂荒草地相比，人工植被根系較草本植物分布深，隨種植年限增長，根系越為發達，耗水能力增強導致土壤水分逐漸減少。植被恢復過程中高耗水人工植被的引入會改變土壤水分空間結構，降低其空間異質性[21-22]。邵明安等[23]對黃土高原人工檸條林的根系分布研究也表明，大部分根系主要分布在地表0—150 cm 土層范圍內，毛根主要分布在0—20 cm 土層范圍內。畢建琦等[24]指出0—60 cm土層集中了60%的根系生物量，與本研究結果相似。

注：實心箭頭代表土層，空心箭頭代表影響因子；EL(Elevation)表示海拔，SG(Slope gradient)表示坡度，SA(Stand age)表示檸條種植年限，SP(Slope position)表示坡位，P(Position)表示灌草部位。

坡面不同坡位的土壤含水量差異也是土壤水分空間異質性的重要部分。本研究發現，土壤含水量表現為坡頂最高，坡中和坡下次之，坡上顯著低于其他坡位，這一結果與前人研究結果并不完全一致。蘇子龍[25]和葛翠萍[26]等的研究表明，黑土區坡面土壤含水量沿坡長增加方向呈先降低后升高的趨勢，且坡中含水量最低，坡腳含水量最高。而在其他地區，單一土地利用結構坡面土壤水分隨坡長增加而增加[27-29]。本研究坡頂水分含量最高，可能由于坡頂地勢較為平緩，降水入滲量較大。但坡肩、坡上、坡中含水量均低于坡下是相似的，主要由于重力作用使水分向低處坡下匯集，加之高坡位所受太陽輻射較強導致水分蒸發量大于低坡位[30]。

在本研究中，無論在各樣地還是不同坡位，灌草部位對土壤水分分布產生了顯著影響，帶后位置的土壤水分含量均為最低。黨漢瑾等[16]研究表明，降雨后檸條植物籬100 cm土層內水分含量整體為帶內>帶前>帶間>帶后，水分向帶內匯聚的趨勢明顯。呂文強等[17]研究表明，檸條植物籬系統只有帶間土壤水分不虧缺，帶后、帶前、帶內均為虧缺。本研究也顯示，檸條條帶各空間位置顯著差異主要出現在坡上、坡中、坡下，各空間位置含水量均為0—40 cm土層變化范圍較大且帶間較其他位置偏高，40—100 cm基本趨于穩定且帶內較其他位置偏高。各樣地、各坡位、各土層帶后位置水分均虧缺，且檸條種植35 a樣地0—40 cm土層虧缺嚴重，坡肩、坡下虧缺嚴重。有研究認為，隨土層增加，地形因子對土壤水分作用減小[31]，因此40—100 cm水分含量基本趨于穩定。土壤淺層含水量主要為降水補給，由于樣品采集坡面檸條種植為反坡臺地形，可蓄積水分，且檸條根系分布較深，自身對降水及地表徑流有一定攔蓄作用，故40—100 cm帶內較其他位置偏高。可能由于檸條根系沿坡面向下伸長，根系耗水能力較強，且由于檸條攔蓄作用，水分未能及時補給，使帶后土壤水分含量降低。

環境因子對坡面土壤水分的影響較復雜，各因素間通常具有一定的關系[32]。已有研究表明，土壤水分的空間異質性是坡地尺度(海拔[33]和坡位[34])、立地尺度(坡度[35])、土地利用[32]等環境因子共同作用的結果[36]。本研究通過對檸條種植年限、海拔、坡度、坡位、灌草部位5個環境因子和土壤含水量進行冗余分析，發現種植年限、海拔、坡度對土壤含水量的影響程度較大，這與已有研究相似[34]，而灌草部位對其的影響程度最小，究其原因，可能在于其與其他環境因子相比尺度過小，掩蓋了其差異性。此外，相鄰檸條帶間距也可能影響土壤含水量。許德生[37]在對內蒙古陰山北麓5，10，16 m帶間距檸條林土壤水分的研究中表明，檸條帶間距對土壤含水量垂直(土層)方向和水平(距檸條帶)方向均有顯著影響，其變化與檸條的根系質量分布有關，認為10 m帶間距更有利于檸條的生長。由于本研究樣地相鄰檸條帶間距較為統一(2～3 m)，對土壤含水量的影響可能主要與檸條根系分布和耗水有關。但關于不同檸條帶間距是否對灌草部位土壤水分分布產生影響，以及坡面檸條種植相關的適宜帶間距等問題在未來工作中可以進一步研究。

本研究測定的土層深度為0—100 cm，該深度土壤水分變化既有檸條吸收利用水分導致含水量降低的負效應，也有檸條帶攔蓄水分促進徑流入滲的正效應，該深度還不足以說明檸條種植導致土壤出現干層的具體特征，在檸條植物籬系統下深層土壤水分特征有待進一步研究。此外，以往研究還發現人工植被對土壤水分的過度消耗導致土壤水分虧缺，是引起林地退化的原因之一[38]。因此，在半干旱黃土區進行植被恢復時應充分結合立地條件考慮條帶性人工植被的選擇問題，依據土壤水分的植被承載力考慮其長期適宜區域降水量的問題，提高土壤水分入滲率，有效減少坡面土壤侵蝕，以更好地維持植被恢復的可持續性。