不同地形部位林草地水土保持措施對土壤水分的影響研究

翟國爽

（朝陽市建平縣白山鄉水利服務站，遼寧 建平 122406）

為恢復遼西低山丘陵區的生態植被，在這一地區國家先后啟動了防護林建設、退耕還林草和天然林防護等一系列生態工程[1]。工程措施、農業耕作措施和植被措施被稱為三大水保措施，措施的實施會給土壤水分的靜態分布和動態過程造成影響，反之土壤水分的動態變化和分布特征也會影響水保措施的實施及效益[2]。目前，中國研究土壤水分受水保措施影響的較多，主要側重于不同林、草地及林分密度的對比分析，而系統探討不同地形林草地特別是遼西低山丘陵區人工刺槐林土壤水分的還較少。自然條件下，在植被、地形、土壤及氣候的共同作用下土壤水分表現出很強的尺度效應和顯著的時空異質性，地表形態水分的動態過程和靜態分布的改變會導致土壤含水率發生變化[3-6]。從垂直剖面上，受植被根系吸收、蒸騰、土壤蒸發、降水、氣溫等外界環境的共同影響，不同植被類型土壤含水量表現出不同的變化特征。近年來，國內許多學者廣泛研究了不同用地方式下黃土丘陵區土壤水分的動態變化、效應影響等，并提出降水等大氣屬性是影響大尺度上土壤含水量空間異質性的關鍵因素，而小尺度范圍內土壤含水量的主控因素有土壤理化性質、土地利用類型、植被、地形條件、有機質含量等[7-10]。在諸多因子綜合作用下土壤水分的時空異質性極其顯著，土壤水分的時空異質性受植被、土地利用、坡位、坡度、坡向、降雨、溫度等影響顯著[11]。鑒于此，文章結合相關研究成果，以遼西低山丘陵區紅山小流域次生草地和高、中、低密度人工刺槐林的土壤水分觀測為依據，全面考慮大面積退耕還林這一植被治理措施的林分密度及草地、林地等不同用地方式的土壤水分特征，并提出不同地形部位的適宜種植密度和植被類型，為合理配置該區植被措施提供一定支持。

1 試驗區概況

試驗區設于遼西低山丘陵區紅山小流域，屬遼河中下游，介于E119°33′57″～119°38′26″、N41°51′49″～41°55′10″之間，流域總面積21.66km2，海拔高程669～971m。流域屬大陸性季風氣候，日照時數2858h，無霜期129d，平均氣溫8.3℃，降水量433mm/a，降水年季間變化大且年內分配不均勻，多集中在7、8、9月，蒸發量1823mm/a，相對濕度53%，日照充足，雨熱同期，有溝谷、溝臺、梁坡和坡面。流域內以人工林為主，樹種主要有沙棘、荊條、棉槐，刺槐等，經濟林主要有山杏，林木成材率較低，草種以狗尾草、沙打旺、胡枝子、馬藺草、蒲公英、燕麥草、披堿草等為主，林草覆蓋率40.71%。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2020年4-10月在建平縣紅山小流域林地進行試驗，將試驗區內10個林地樣地按前期林分結構調查結果劃分成低、中、高3個密度等級，所對應的種植密度1000～2000株/hm2、2000～4000株/hm2、≥4000株/hm2。樣地信息統計表，見表1。

表1 樣地信息統計表

在流域內溝臺、梁坡、坡面三種地表形態上設置3個草地和4個林地，各樣地土壤利用土鉆采樣法分層取樣并測定含水率。分層范圍為0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm，土 層 總 深 度0～120cm，為保證數據精度，在自然無人為擾動情況下每層隨機選取上、中、下3個采樣點。烘箱溫度108～110℃，各土壤樣品烘8h至恒重，測定含水量并取算數平均值，含水率=(濕土質量-烘干土質量)/烘干圖質量×100%。

2.2 數據處理

試驗采用Excel 2012、Origin 2019軟件進行數據分析和圖形繪制，應用SPSS軟件計算單因素方差，以此反映不同林分密度刺槐林地和不同水土治理方式的土壤水分含量差異。

3 結果與分析

3.1 不同林分密度刺槐林地土壤含水量

1）土壤水分隨土層深度的變化。不同土層深度的土壤含水量變化，見圖1。結果顯示：①人工刺槐林地土壤水分在高、中、低3個密度等級上的變化趨勢基本相同，隨土層深度增加(0～60cm近地表)土壤含水量逐漸減小，其中0～40cm內變幅較大，40～60cm內變幅趨于平緩；②60cm處土壤含水量出現拐點，此后隨深度進一步增大開始趨于緩和，其中高、低密度林地略有增大，中密度基本不變；③中、低密度刺槐林土壤含水量在0～60cm近地表差異最小，并遠遠大于高密度林地，高出約3.0%，0～15cm近地表的中密度林地土壤含水量最大達到20.8%。

圖1 不同土層深度的土壤含水量變化

2）土壤水分隨季節的變化。不同時間的土壤含水量變化，見圖2。結果顯示：①隨時間變化3種林分密度土壤含水率變化趨勢相似，整體表現出對稱變化特征，并且8-10月、4-6月變化較緩，6-8月變幅較大；②6-8月土壤含水率變幅最大的是高密度林地，8月后中、低密度林地土壤含水率略有上升，同時段高密度等級緩慢減小，7-8月份中、低密度林地土壤含水率比較接近；③在4-6月生長季高、低密度林地土壤含水率降幅低于中密度。

圖2 不同時間的土壤含水量變化

3.2 草地和林地土壤水分垂直分布差異

為揭示土壤水分受地表形態的影響特征，比較分析了溝谷、梁坡、坡面3種地形部位的草地與領地的土壤含水率。不同地形的土壤含水量變化，見圖3。

圖3 不同地形的土壤含水量變化

1）坡面草地和林地土壤含水率變化。由圖3(a)可知，隨土層深度變化坡面草地、林地土壤含水率變化趨勢基本一致，均為土層越深則含水率越小。具體而言：①坡面草地含水率明顯小于林地，變幅也較小，而0～40cm深度時林地土壤含水率銳減，在40cm深度從含水率出現拐點，從20.2%減小到13.5%，減小了6.7%，隨后逐漸趨于穩定；②草地相對于林地土壤含水率小約10%，淺表層(0～10cm之間)土壤含水率達到6.1%，80cm深時最小達到2.2%，隨土層深度變化草地土壤含水率變幅要明顯低于林地，0～40cm深度時呈緩慢減小趨勢，40cm以下的變幅更小。

2）梁坡草地和林地土壤含水率變化。由圖3(b)可知：①在表層上梁坡草地和林地土壤含水率變化趨勢相反，0～40cm深度內林地土壤含水率不斷減小至最低點，而草地土壤含水率呈現出逐漸增大趨勢；②40cm以下時草地和林地土壤含水率變化趨于平穩，深層土壤的梁坡草地與林地土壤含水率相差較小。

3）溝臺草地和林地土壤含水率變化。由圖3(c)可知：①在0～20cm深度時溝臺草地、林地土壤含水率變化趨勢基本相同，土層越深則含水率越小；②隨著深度的進一步加大，林地土壤含水率逐漸減小至60cm深度的最低值，而草地在20cm埋深以下逐漸增大，隨土層深度的增大草地與林地土壤含水率不斷減小的態勢僅發生在表層，20cm以下林草地土壤含水率隨土層深度的增大表現出相反趨勢，在20～60cm深度范圍內林地繼續減小，而草地表現出增大趨勢，60cm以下時草地與林地土壤含水率隨土層深度的增大不再發生明顯變化；③總體而言，隨土層深度變化溝臺林地土壤含水率變化趨勢最明顯，整體呈減少趨勢。

3.3 草地和林地土壤水分季節變化特征

從圖4可以看出，草地與林地土壤含水率季節變化特征非常明顯，總體變化趨勢相同，整個生長季內表現出緩降、急升、速降、緩升的特征，不同地形部位的土壤含水率動態變化規律大致相同：4～6月緩慢下降、6～7月急速上升、7～8月快速下降、9～10月緩慢上升，其中6～8月變幅最大，7月土壤含水率達到最高，對于不同地形部位草地土壤含水率低于林地。

圖4 不同地形的土壤含水量季節性變化

3.4 不同植被類型土壤水分深度差異性

由表2可知，對于不同地形部位草地的土壤含水率變異系數總體小于林地。結果表明：不同地形部位林地土壤含水率在0～60cm范圍內隨土層深度的增加表現出減小趨勢，而草地土壤含水率變化不明顯。其中，同一列字母不同則代表土壤含水率差異顯著(P＜0.05)，同一列有相同字母則代表差異不顯著(P＞0.05)。

表2 不同土層深度剖面的土壤含水率差異

通過分析0～20cm之間土壤含水率可知：①坡面草地土壤含水率比林地低，梁坡差異較大而溝臺差異較小；②對于40～120cm之間，梁坡草地土壤含水率高于林地，坡面草地土壤含水率與林地相差不大，溝臺林地土壤含水率遠低于草地。對不同埋深不同密度的林地土壤含水率高密度＜中密度＜低密度，但在0～60cm近地表中、低密度人工刺槐林土壤含水率明顯高于高密度林地，并且中、低密度差異較小；此外，生長季內高、中、低密度林地土壤含水率均表現出緩降、急升、速降、緩升的變化特征；6-9月(夏季)三個密度等級土壤含水率最接近，6-7月急速上升并達到峰值，隨后開始下降，7-8月中、低密度林地土壤含水率曲線基本重合，相差較小。

4 結 論

1）對于0～60cm近地表，隨土層深度的增加不同地表形態的草地、林地和不同密度的林地土壤含水率均呈減小趨勢，并且深層土壤含水率變異系數小于表層，0～60cm之間土壤含水率波動較大，土壤水分變化劇烈，變異系數明顯減小，而在60cm以下時土壤含水率逐漸穩定。

2）對于不同時段各剖面深度，不同密度人工刺槐林的土壤含水率變化特征呈高密度＜中密度＜低密度。在0～60cm近地表范圍內中、低密度林地土壤水分相差較小，特別是7-8月中、低密度林地含水率較為接近。從生態效應的層面上，認為2000～4000株/hm2為遼西低山丘陵區林地種植密度最佳。

3）隨著土層深度的變化不同地形部位草地和林地土壤含水率變化不一，面源草地＜林地，梁坡0～40cm深度時草地＜林地，40cm以下范圍草地與林地土壤含水率處于穩定狀態，林地略低于草地但兩者差異很小，溝臺0～20cm深度時草地＜林地，40cm以下范圍時林地＜草地；對于土層深厚的坡面，林地的水源涵養能力強于草地，適宜于坡面種植，梁坡表層草地土壤含水率小于林地，40cm以下時林草地含水量相差不大，5月份梁坡地土壤含水率快速上升，所以梁坡地適合種植林木，溝臺更加適宜種草。