黃土丘陵區(qū)主要樹種土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征及影響因子

任婧宇, 喬雨寧, 閆璐瑤, 陳云明

(1.黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 西安 710021; 2.黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局, 甘肅 慶陽 745000; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 4.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤水分主導(dǎo)著陸地生態(tài)系統(tǒng)-水文循環(huán)的相互反饋機(jī)制，同時(shí)也參與地表徑流、深層滲漏、蒸散發(fā)、植物蒸騰、溶質(zhì)傳遞、土壤理化性質(zhì)轉(zhuǎn)化等進(jìn)程，是聯(lián)系土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)能量置換的樞紐變量[1]。受降水補(bǔ)給與高溫散失等綜合環(huán)境因素影響，土壤水分在時(shí)間尺度上存在一定程度的異質(zhì)性，二者關(guān)系較為復(fù)雜。早在20世紀(jì)70年代，我國學(xué)者徐化成和易宗文對(duì)中國不同區(qū)域范圍的土壤水分季節(jié)尺度動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究，指出容重、孔隙度等物理性質(zhì)不同的9種林地土壤含水量有所差異[2]。經(jīng)過后續(xù)學(xué)者的深入探究，有關(guān)土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征的研究日益增多，主要體現(xiàn)在尺度和研究對(duì)象的擴(kuò)充上。土壤水理論體系主要集中在樣地尺度、坡度尺度和區(qū)域尺度上，并在喬木群落、灌木群落日趨完善[3-4]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，喬木群落具有最強(qiáng)的水源涵養(yǎng)功能，由于其較高的蒸散率、樹冠截留量、樹干莖流量以及根系輸水量致使該群落水文效益高于灌木群落，同時(shí)也是闡釋水分合理分配與植物生長(zhǎng)受限的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。特定樹種土壤水分特征的差異決定了植物氣孔開合程度、光合作用強(qiáng)弱及群落初級(jí)凈生產(chǎn)力大小[6]。因此，研究不同樹種土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征旨在協(xié)同喬木層生態(tài)水文過程、穩(wěn)定群落產(chǎn)能與服務(wù)功能、維持區(qū)域植被可持續(xù)恢復(fù)與水分收支平衡。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類樹種土壤水分動(dòng)態(tài)研究已涉及眾多層面和維度。Pan等[7]基于1979—2016年ESA和CCI全球尺度4個(gè)土壤剖面深度(7，28，100，225 cm)水分?jǐn)?shù)據(jù)集，得出年尺度下全球1/3土壤的水分變化率達(dá)到48.13%，較季節(jié)性尺度變化率低5倍。另有學(xué)者分析了全球13個(gè)研究區(qū)根區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)變化，指出氣候條件會(huì)影響土壤水分變異動(dòng)態(tài)且在豐水年和枯水年有著相反方向的滯后模式[8]。祁棟靈等[9]研究了我國亞熱帶地區(qū)橡膠林土壤水分季節(jié)變化，得出土壤水分峰、谷值出現(xiàn)在9月和3月，且二者間相差2.3倍。有研究表明我國水勢(shì)風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)及石漠化地區(qū)林地土壤水分垂直變化均呈“W”型變化曲線，60—100 cm土層水分較高，含水量變化范圍為6%～41%[10-11]。常譯方等[12]將晉西黃土區(qū)土壤水分年內(nèi)變化分為4個(gè)時(shí)期：平穩(wěn)期、波動(dòng)期、積累期、消退期。有學(xué)者研究了黃土丘陵區(qū)不同林地土壤水分的差異性，得出生長(zhǎng)季總貯水量規(guī)律為：油松(988.02 mm)>刺槐(844.66 mm)[13]。另有學(xué)者比較了半干旱流域影響森林、草地和農(nóng)地土壤水分的主導(dǎo)因素，結(jié)果表明森林土壤水分對(duì)降水、LAI和相對(duì)濕度高度敏感[14]。綜上所述，不同區(qū)域下，單一小型森林群落中土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征已有較多研究成果，但針對(duì)黃土丘陵區(qū)鄉(xiāng)土建群?jiǎn)棠緲浞N土壤水分變異性、貯水耗水協(xié)調(diào)性、水分利用合理性的研究還略有不足。

自“退耕還林”以來，黃土丘陵區(qū)林地覆蓋率逐年遞增，但生態(tài)環(huán)境仍較脆弱。該區(qū)土壤水分來源僅為天然降雨，降雨轉(zhuǎn)化水資源程度低下導(dǎo)致植被衰敗、分布不合理、樹種單一等問題，探明該區(qū)主要喬木樹種土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征能提升植被恢復(fù)時(shí)水分利用的有效性。刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)、遼東櫟(Quercuswutaishansea)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)是水土保持效益極高的喬木種，能維持較高地力，調(diào)控并優(yōu)化限制性水分與樹種生長(zhǎng)的關(guān)系。然而，目前缺乏在較長(zhǎng)時(shí)間周期聯(lián)合闡述4個(gè)樹種土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征及限制性因子的研究，故提出以下論題：(1) 不同樹種土壤水分季節(jié)變化周期性規(guī)律與降雨量存在的密切聯(lián)系；(2) 各樹種土壤水分垂直變化趨勢(shì)、不同深層土壤水分的變異程度；(3) 不同時(shí)期各樹種土壤水分的差異性；(4) 各樹種土壤水分與主要?dú)庀笠蜃雨P(guān)聯(lián)程度的強(qiáng)弱。因此，本文基于黃土丘陵區(qū)4個(gè)喬木樹種、1個(gè)對(duì)照撂荒地，分析不同土層水分時(shí)間動(dòng)態(tài)變化特征及其對(duì)非生物因子的響應(yīng)，以期為黃土丘陵區(qū)植被經(jīng)營(yíng)管理及水資源可持續(xù)利用提供理論支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣地布設(shè)

試驗(yàn)區(qū)位于陜西省安塞區(qū)紙坊溝流域內(nèi)(109°15.17′E，36°44.90′N)，是丘陵溝壑黃土景觀中的分水嶺，氣候類型為暖溫帶半干旱氣候，海拔1 010～1 431 m，年均氣溫8.8℃(最低-23.6℃，最高36.8℃)，無霜期157 d。年均蒸發(fā)量1 463 mm，年均降雨量549.1 mm，其中6—9月占全年降雨的70%，年際降雨分布不均。土壤類型主要由壤土(0.002～0.05 mm)構(gòu)成的黃綿土為主，土質(zhì)深厚疏松，地下水埋藏平均深度達(dá)13 m。植被類型屬森林草原帶，植物供水主要來自天然降雨，優(yōu)勢(shì)樹種以刺槐、油松、側(cè)柏、山杏(Armeniacasibirica)、山桃(Amygdalusdavidiana)為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取坡向(東南106°)及坡度(15°)一致的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)(20 m×5 m)，小區(qū)依次為5 a生刺槐、油松、遼東櫟、側(cè)柏 (株行距2 m×3 m)喬木純林以及對(duì)照撂荒地，對(duì)各木本植物小區(qū)進(jìn)行每木檢尺，并在對(duì)照撂荒地以坡上、坡中、坡下設(shè)置3個(gè)小樣方(1 m×1 m)調(diào)查草本植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)樣地概況詳見表1。

表1 試驗(yàn)樣地概況

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

每個(gè)樹種小區(qū)均采用3組ECH2O-5TM土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(METER Group, Inc., USA)，分上、中、下坡位定點(diǎn)定位監(jiān)測(cè)土壤體積含水量動(dòng)態(tài)變化，5個(gè)固定監(jiān)測(cè)深度分別為20，50，80，120，150 cm，數(shù)據(jù)收集方式為每30 min自動(dòng)讀取并保存，土壤水分測(cè)定起止時(shí)間為2019年5月初—2020年10月底，將3組土壤水分重復(fù)數(shù)據(jù)平均后進(jìn)行后續(xù)剖析。

降雨(P)、空氣溫度(T)和空氣濕度(H)動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)由U30-NRC自動(dòng)小型氣象站(Onset, Inc., USA)進(jìn)行同步測(cè)定，測(cè)定周期、測(cè)定頻率與土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保持一致。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

應(yīng)用Microsoft Excel 2019進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整合處理，采用SPSS 26.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有圖表均由Origin 2017繪制。通過單因素方差(One-Way ANOVA)比較不同時(shí)期各樹種土壤水分的差異性，LSD法和Tamhane′s T2法對(duì)齊性、非齊性方差進(jìn)行多重比較，顯著性水平為p=0.05。通過“曲線估算”中的逐步回歸選取最優(yōu)模型種類并構(gòu)建模型方程明晰土壤水分和環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種土壤水分動(dòng)態(tài)變化

通過5月—次年10月土壤水分等值線分析可知，各樹種土壤水分峰值均出現(xiàn)在兩年生長(zhǎng)季的旺盛時(shí)期，其中，8—11月對(duì)照、刺槐和側(cè)柏淺層(20—40 cm)水分維持在較高水平，同時(shí)期油松和遼東櫟吸收層(40—80 cm)水分較為充沛，而更深層土壤(80—150 cm)由于存在著劇烈蒸散發(fā)與緩慢入滲的雙重因素，土壤含水量逐步降低；冬春兩季(12—5月)由于當(dāng)?shù)亟邓停由蠝囟润E降至谷底，出現(xiàn)凍融現(xiàn)象，土壤表層形成凍土層，導(dǎo)致不同樹種各個(gè)深層土壤剖面水分處于低位且相對(duì)穩(wěn)定；自6月開始，土壤水分由于雨水補(bǔ)給作用逐步回升，刺槐、側(cè)柏淺層(20—50 cm)水分增長(zhǎng)速率較大，其中8月份刺槐、側(cè)柏分別在20 cm和50 cm處出現(xiàn)極大值(0.232，0.238 m3/m3)；油松、遼東櫟吸收層(40—80 cm)水分增速極快，深層(150 cm)水分也有所回升，其中8月份遼東櫟在50 cm處出現(xiàn)土壤水分峰值(0.253 m3/m3)；該時(shí)期對(duì)照土壤水分在各深層均維持較高水平，其中8月份50 cm土壤水分高于150 cm土壤水分34.5%(圖1)。

圖1 不同樹種土壤水分等值線

春季(3—5月)降雨稀缺(48.80 mm)，僅為全年降雨的6.25%，該時(shí)期植物展葉與發(fā)育的耗水量較大，溫度逐漸回暖，土壤蒸發(fā)逐步增大，導(dǎo)致土壤水分處于1個(gè)降水年份內(nèi)的最低水平，因此該時(shí)期為土壤水分低位期；黃土丘陵區(qū)獨(dú)特的氣候類型致使年內(nèi)降水主要集中于夏秋兩季(6—10月)，降雨量多達(dá)690.01 mm，占全年降雨量的88.33%，高溫狀態(tài)導(dǎo)致植物和土壤蒸散發(fā)劇烈，各樹種土壤水分差值較小，說明耗損程度大，該時(shí)期為土壤水分耗損期。各樹種在11月—次年1月不再生長(zhǎng)，處于凋萎狀態(tài)，植物蒸騰與土壤蒸發(fā)作用極弱，雖然該時(shí)期的降雨量?jī)H為全年的3.66%，但此時(shí)大氣溫度急劇下降至0℃以下，土壤出現(xiàn)凍融現(xiàn)象，凍結(jié)后的固態(tài)水分不計(jì)入土壤水分內(nèi)，因此土壤含水量衰退至較低位，為土壤水分衰退期。冬末春初，隨著土壤開始解凍，降雨次數(shù)略有增多，不同樹種土壤含水量也逐步回升，該時(shí)期為土壤水分穩(wěn)升期。

在水分輸入(降水)與輸出(地表徑流、深層入滲、地面蒸發(fā)與植物蒸騰)的多重機(jī)制下，不難發(fā)現(xiàn)不同樹種土壤水分隨降水時(shí)間的推移呈現(xiàn)出階段性的規(guī)律：刺槐、遼東櫟、側(cè)柏分為4個(gè)時(shí)期，5月中旬—10月上旬為土壤水分耗損期，10月下旬—次年1月下旬為土壤水分衰退期，2—3月為土壤水分提升期(遼東櫟為2—4月)，3—5月上旬為土壤水分低位期(遼東櫟為4—5月上旬)；而油松和對(duì)照則分為3個(gè)時(shí)期，5—10月為土壤水分耗損期，10月—次年1月為土壤水分衰退期，1—5月為土壤水分穩(wěn)升期。此外，明顯可以看出各樹種土壤水分與降雨存在時(shí)間異質(zhì)性，當(dāng)降雨在2019年9月達(dá)到高峰時(shí)，入滲遲滯效應(yīng)導(dǎo)致不同樹種均滯后1個(gè)月出現(xiàn)土壤水分高峰(圖2)。

圖2 降雨量和不同樹種土壤水分動(dòng)態(tài)特征

2.2 不同樹種土壤水分垂直變化

遼東櫟、刺槐土壤水分在表層相對(duì)較低，20—50 cm的體積含水量處于高位，隨著深度增加，在主根的耗水與入滲特性的影響下，土壤水分持續(xù)下降至最低點(diǎn)后(120 cm)，在120—150 cm逐步回升；油松、側(cè)柏土壤水分隨深度增加呈現(xiàn)出“先增后降”的規(guī)律，其中，油松在80 cm處達(dá)到水分極大值(0.20 m3/m3)，側(cè)柏在50 cm處達(dá)到水分極大值(0.16 m3/m3)，表明油松根系分布較側(cè)柏更淺；對(duì)照土壤水分在20—150 cm呈“M”型變化趨勢(shì)(圖3)。

圖3 不同樹種土壤水分垂直變化特征

變異系數(shù)能反映出土壤貯水和失水對(duì)外界環(huán)境的抗干擾能力，側(cè)柏和刺槐在土壤表層(20 cm)和深層(150 cm)變異系數(shù)較大；油松土壤水分在表層(20 cm)受干擾程度最低，50 cm和150 cm深度處于變異系數(shù)峰值；遼東櫟、對(duì)照土壤水分在可利用層(40—60 cm)、深層土壤(150 cm)變幅較小，變異系數(shù)隨土層深度的增加呈“降—升—降”的趨勢(shì)。

2.3 不同時(shí)期各樹種土壤水分差異性

從圖4中可以看出，全年與非生長(zhǎng)季(本年11月—次年4月)時(shí)期各樹種土壤水分大小差異具有一致性，均呈現(xiàn)出遼東櫟>油松>對(duì)照>刺槐>側(cè)柏的次序，對(duì)照、刺槐和側(cè)柏兩兩樹種土壤水分差異顯著(p<0.05)且均顯著低于遼東櫟和油松，其中全年遼東櫟與側(cè)柏土壤含水量相差53.31%，油松土壤體積含水量?jī)H比遼東櫟低0.005 9 m3/m3，非生長(zhǎng)季遼東櫟土壤水分較對(duì)照、刺槐和側(cè)柏分別顯著高出0.24，0.36，0.53倍(p<0.05)，生長(zhǎng)季刺槐和側(cè)柏土壤水分較遼東櫟分別顯著低于其24.75%,34.77%(p<0.05)；同樹種不同時(shí)期土壤水分均未表現(xiàn)出顯著的差異性。

注：大寫字母表示同一時(shí)期不同樹種間差異顯著(p<0.05)，小寫字母表示同一樹種不同時(shí)期差異顯著(p<0.05)。圖4 不同時(shí)期各樹種土壤水分差異性

2.4 不同樹種土壤水分與環(huán)境因子關(guān)系

采用“曲線估計(jì)”功能構(gòu)建不同樹種生長(zhǎng)季(5—10月)土壤水分與環(huán)境因子的最優(yōu)模型，模型種類基本為二、三次方程，R2均高于0.780，這說明了氣象因子僅在固定區(qū)間內(nèi)決定土壤水的變化，其對(duì)過高或過低的氣象指標(biāo)響應(yīng)程度弱(表2)，同時(shí)選取最優(yōu)擬合模型種類繪制二者關(guān)系曲線(圖5)。不同樹種土壤水分隨著降雨的增多上漲速率較快，當(dāng)月均降雨量達(dá)到70 mm時(shí)，土壤水分驟降，隨后再次迅速提升，表明土壤水分與降雨量之間存在閾值，二者存在顯著正相關(guān)性；當(dāng)溫度較低時(shí)，不同樹種土壤水含量較高，二者呈現(xiàn)出反比關(guān)系；不同樹種土壤水分與空氣濕度間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，當(dāng)濕度在57%～80%時(shí)，土壤水分增速較緩，當(dāng)濕度高于80%后，土壤水分增幅變大。對(duì)照、油松和側(cè)柏土壤水分受3種環(huán)境因子影響程度大小依次為：濕度>溫度>降水；刺槐土壤水分受3種環(huán)境因子影響程度大小依次為：濕度>降雨>溫度；遼東櫟土壤水分受3種環(huán)境因子影響程度大小依次為：溫度>濕度>降雨。

表2 不同樹種土壤水分與環(huán)境因子的擬合結(jié)果

圖5 土壤水分與環(huán)境因子之間的擬合關(guān)系

3 討 論

3.1 土壤水分的時(shí)間變化特征

土壤水分對(duì)植物水資源利用程度的短時(shí)浮動(dòng)起著決定性作用，同時(shí)受降雨、蒸散發(fā)、入滲流失等直接效能的作用，隨時(shí)間的推移不同樹種土壤水分呈現(xiàn)出差異化規(guī)律。本研究指出，8—11月對(duì)照撂荒地、刺槐、側(cè)柏土壤體積含水量在20—40 cm維持較高水平，而油松、遼東櫟土壤水分則在40—80 cm充沛，與Wei等[15]的研究結(jié)果一致，養(yǎng)分充足、短水分傳輸途徑、較小水勢(shì)差的淺層土壤是根系吸水的首要區(qū)域，油松根系分布主要集中在10—40 cm，遼東櫟根系生物量在土層深度>30 cm后顯著提升，刺槐、側(cè)柏有效根系主要分布在0—30 cm[16-18]，而撂荒地草本植物根系大多集中在地表。冬春兩季各樹種土壤水分長(zhǎng)時(shí)間處于較低水平，這與戴軍杰等[19]對(duì)樟樹土壤水分時(shí)間變化規(guī)律保持一致，11月—次年2月，低熱低濕低蒸發(fā)使得土壤水分補(bǔ)給和消耗活動(dòng)弱，各樹種停止生長(zhǎng)，季節(jié)性降溫效應(yīng)削弱水分在凋萎過程中的作用，另外固態(tài)凍土使得液態(tài)水分得以貯存，之后土壤解凍供水與熱量?jī)?chǔ)備能保障植物的再次萌發(fā)。生長(zhǎng)最旺期(8月)各樹種淺層(20，50 cm)土壤水分均達(dá)到年內(nèi)極大值，變化較為劇烈，這與王志杰[20]的研究結(jié)果一致，造成此現(xiàn)象原因是多場(chǎng)集中且強(qiáng)度較大的降雨能夠?qū)Ω鱾€(gè)深層剖面產(chǎn)生影響，雨水的補(bǔ)給作用高于根系吸水及土面蒸發(fā)作用。

本研究將刺槐、遼東櫟及側(cè)柏土壤水分年際變化劃分為4個(gè)時(shí)期：土壤水分耗損期(5—10月)、衰退期(10月—次年1月)、提升期(2—3月)以及低位期(3—5月)；油松和對(duì)照劃分為3個(gè)時(shí)期：土壤水分耗損期(5—10月)、衰退期(10—次年1月)及穩(wěn)升期(1—5月)，這與眾多學(xué)者關(guān)于非生長(zhǎng)季林地土壤水分變化階段劃分保持一致，而生長(zhǎng)季具體月份劃分則有所出入[21-22]，表明了大量降雨和強(qiáng)烈蒸發(fā)導(dǎo)致不同林地及植被類型土壤含水量在生長(zhǎng)季浮動(dòng)范圍廣且波動(dòng)劇烈。油松和對(duì)照在1—5月土壤體積含水量始終保持穩(wěn)增狀態(tài)，與田璐[23]對(duì)裸地1—5月土壤含水率的研究結(jié)果一致，這是由于該時(shí)段降雨稀少，兩樹種耗水量更低且土壤水分入滲深度基本保持不變?cè)斐傻摹?/p>

3.2 土壤水分的垂直變化特征

土壤水分垂直變化在一定程度上反映了林地水分消耗能力及土壤的穩(wěn)定性特征，而變異系數(shù)則是土壤穩(wěn)定程度的直接指標(biāo)。在本研究中，遼東櫟、刺槐土壤水分隨深度增加呈現(xiàn)“增—減—增”的趨勢(shì)，土壤水分在50 cm和150 cm處出現(xiàn)峰值，與孔凌霄等[24]結(jié)果相同，當(dāng)雨水補(bǔ)充量>土壤蒸發(fā)量，水分在0—50 cm得到累積，隨著主根系耗水作用增強(qiáng)，水分在120 cm驟降至低谷，深層水分得不到補(bǔ)給，因此150 cm低于50 cm土壤水分；油松、側(cè)柏土壤水分隨深度增加呈現(xiàn)出“先增后降”的規(guī)律，與黃琳琳[25]得出的低密度(1 875株/hm2)油松土壤水分垂直變化規(guī)律基本一致；CK在120 cm第二次出現(xiàn)土壤水分高峰的原因可能與撂荒地在50—120 cm毛管孔隙發(fā)育慢，持水效力低下，易出現(xiàn)干層有關(guān)。Yang等[26]指出龍?zhí)读饔?屬黃土高原)喬灌林地土壤水分由淺至深(0—2 m)表現(xiàn)為先降后升的規(guī)律，土壤水分谷值出現(xiàn)在60—80 cm，與本研究結(jié)果均不一致，造成此現(xiàn)象的原因是近地表土壤層中存在對(duì)水分大量的植物攔截和更高的植物吸收，從而減少了深層土壤水分補(bǔ)給。

通常土壤表層易受到外界環(huán)境因子影響，水分變異性高，水分受影響程度與土層深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[27]。而本研究土壤水分變異系數(shù)比較特殊，遼東櫟、刺槐和對(duì)照土壤水分在50—80 cm出現(xiàn)變異性低谷，并在80 cm浮動(dòng)率再次達(dá)到峰值，可能是由于該層剖面含有不透水層并形成一定程度的壤中流。隨著深度的繼續(xù)增加，變異系數(shù)持續(xù)降低或在0.01區(qū)間內(nèi)維持穩(wěn)定，這說明了80 cm以下土層水分變化率較低，土層多為風(fēng)化基巖母質(zhì)層，土壤體積含水量基本不變。油松、側(cè)柏土壤水分變異系數(shù)在土層深度大于120 cm急速增至高位，與邱德勛等[28]的研究結(jié)果一致，造成此現(xiàn)象原因可能是不同的土地利用方式、結(jié)構(gòu)及其空間格局增加了深層土壤水分的變異程度。

3.3 土壤水分的差異性特征

我們認(rèn)為各樹種在全年、生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季3個(gè)時(shí)期土壤水分差異性均不顯著。有研究指出當(dāng)植物密度達(dá)到一定程度(0.098株/m2)時(shí)，不同時(shí)期土壤含水量差異不再顯著[29]，本文中各樹種密度均達(dá)到(0.17株/m2)，不在上述差異顯著度范圍內(nèi)，故各時(shí)期下同樹種未表現(xiàn)出顯著性差異。已有學(xué)者得出在降雨偏少區(qū)域，不同樹種在生長(zhǎng)過程中土壤水分差異明顯[30]，這與本研究結(jié)果較為一致，全年與非生長(zhǎng)季時(shí)期，遼東櫟和油松土壤水分顯著大于刺槐和側(cè)柏，這說明了遼東櫟、油松耗水強(qiáng)度和根系保水能力較刺槐、側(cè)柏更強(qiáng)；生長(zhǎng)季時(shí)期，刺槐、側(cè)柏土壤水分顯著低于對(duì)照，這可能與該時(shí)期雨水充沛，草本根系分布較淺且冠層較小，水分利用程度低，枯草凋落物層較厚導(dǎo)致的蒸散發(fā)弱、土壤水庫存儲(chǔ)豐富有關(guān)；此外，遼東櫟和油松土壤水分較對(duì)照更大，與Singh等[31]對(duì)多個(gè)層級(jí)剖面深度土壤水分結(jié)果類似，這是由于喬木樹種大量根系穿插改善土壤微環(huán)境，改善水土流失，增強(qiáng)外來水分入滲速率，補(bǔ)充了土壤水的緣故。

3.4 土壤水分對(duì)氣象因子的響應(yīng)

不同樹種土壤體積含水量對(duì)空氣溫度、降雨量、相對(duì)濕度響應(yīng)程度均較高(0.780以上)，其中土壤水分和降雨表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，之間存在突變閾值(約為70 mm)，降雨對(duì)各樹種土壤水分影響較深，這與Hawley等[32]在不同降雨分布地區(qū)的研究結(jié)果相似。黃土丘陵地帶林地降雨最大入滲深度為2.7 m，在較短周期內(nèi)，降雨導(dǎo)致土壤淺層水分頻繁發(fā)生脈動(dòng)改變且本研究5 a生樹種根系分布較淺，因此降雨和土壤水之間存在增減不同步的現(xiàn)象；Mall等[33]通過彭曼公式計(jì)算出溫度每升高1℃土壤蒸散損耗提升2%～3%，各樹種土壤水分和大氣溫度表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，與陳媛媛[34]對(duì)杉木人工林土壤水分特征的研究結(jié)果具有一致性，究其原因，是空氣處于低溫狀態(tài)能有效防止土壤蒸散損耗，增強(qiáng)土壤蓄水保水作用，同時(shí)林木蒸騰趨于緩慢，使得植物蒸騰耗水降低的緣故；不同樹種土壤水分與濕度之間存在極顯著的正相關(guān)性，這與韓湘云等[35]的研究結(jié)果一致，說明土壤能夠通過吸濕吸附交替作用充分吸收空氣中水分子，二者具有共線性。徐勇峰等[36]指出濕度及溫度對(duì)土壤水的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了25.12%，10.73%，與本研究對(duì)照、油松和側(cè)柏相關(guān)性結(jié)果基本一致，表明溫濕度對(duì)土壤水的直接作用較強(qiáng)。有研究指出，不同林地受氣象因素影響程度差異性較大[37]，與本研究結(jié)果不盡一致，這既與研究植被區(qū)的不同有關(guān)，也與研究時(shí)間尺度存在密切聯(lián)系。遼東櫟土壤水分與溫度相關(guān)性最大，與降雨相關(guān)性最小，表明遼東櫟土壤水分對(duì)外界溫度改變響應(yīng)較為敏感，而降雨入滲再分布顯著影響土壤水運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)化機(jī)制，不同林地水分活躍層有所差異且入滲深度有限，而本研究?jī)H分析了0—150 cm平均土壤水分與降雨量的關(guān)系，可能會(huì)造成二者相關(guān)性較弱的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1) 不同樹種土壤水分極大值均出現(xiàn)在生長(zhǎng)季旺期(8月)，8—11月較深層(80—150 cm)土壤水分隨時(shí)間逐步降低，冬春兩季(12—5月)整個(gè)土壤剖面水分處于低穩(wěn)狀態(tài)；隨年際降水時(shí)間推移，刺槐、遼東櫟、側(cè)柏土壤水分分為4個(gè)時(shí)期：耗損期(5—10月)、衰退期(10月—次年1月)、提升期(2—4月)及低位期(3—5月)，油松和撂荒地對(duì)照(CK)在1—5月則表現(xiàn)為穩(wěn)升期；夏秋兩季(6—10月)雨量占全年的88.33%，該時(shí)期各樹種土壤水分均維持較高水平，降雨和土壤水分存在約30 d的滯后時(shí)差。

(2) 遼東櫟和刺槐在50 cm和150 cm土層深度出現(xiàn)土壤水分峰值，油松、側(cè)柏土壤水分隨深度呈“增—降”趨勢(shì)，對(duì)照土壤水分呈“M”型變化規(guī)律；刺槐和側(cè)柏土壤水分在20 cm和150 cm變異性強(qiáng)，油松土壤水分在表層受干擾程度最小，遼東櫟和對(duì)照土壤水分變異系數(shù)在80 cm達(dá)到峰值。

(3) 全年與非生長(zhǎng)季時(shí)期各樹種土壤水分呈遼東櫟>油松>對(duì)照>刺槐>側(cè)柏的次序，生長(zhǎng)季時(shí)期刺槐和側(cè)柏土壤水分顯著低于其余樹種；同樹種不同時(shí)期土壤水分均未表現(xiàn)出顯著的差異性。

(4) 各樹種土壤水分與空氣溫度呈反比，與空氣濕度和降雨量呈正比，土壤水分與月降雨量之間存在閾值(約70 mm)，濕度對(duì)各樹種土壤水分作用較強(qiáng)，而遼東櫟表現(xiàn)出對(duì)溫度響應(yīng)更為顯著。

本文僅通過兩年連續(xù)監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)單分析了不同樹種土壤水分變化特征與環(huán)境因子的關(guān)系，未來應(yīng)繼續(xù)深入探究連續(xù)干旱、連續(xù)降雨條件下不同混交樹種土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，建立未來幾十年土壤水分動(dòng)態(tài)變化模型；同時(shí)開展地類地形、土壤理化性質(zhì)、根系分布等宏、微觀因子對(duì)土壤水分的影響，揭示該區(qū)土壤水可持續(xù)貯存利用的最佳植被恢復(fù)模式。