花石崖不同植被類型土壤水分特征

南正正，楊 妮，賈雨如，古孟怡，劉長海，2*

（1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院；2.陜西省紅棗重點實驗室，陜西 延安 716000）

土壤水分作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要驅(qū)動力，對植被的恢復(fù)與重建起著至關(guān)重要的作用［1］。土壤水分受到多種因素的影響，包括水文、氣象、地形、植被類型以及人為活動等［2-5］，在時間和空間上表現(xiàn)出明顯的變異性和尺度依賴性［6］。在降水不足、水資源比較匱乏的黃土高原，土壤水分既是植被生長發(fā)育的主要限制因子，也是決定土壤生產(chǎn)力的重要因素之一［7］。近年來，我國在黃土高原地區(qū)的退耕還林還草取得了顯著成果［8-9］，引入植被已成為該區(qū)域的主要植被類型［10］，但是由于該地區(qū)“低降水，高蒸發(fā)”的氣候條件以及植被恢復(fù)過程中分配不合理，導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)一系列由土壤水分虧缺引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題，如土壤干化、小老樹林、人工林衰退等［11］。因此，研究該區(qū)的土壤水分特征就顯得尤為重要。張建軍等［12］通過研究晉西黃土區(qū)不同植被類型土壤水分變化得出在黃土高原進行植被恢復(fù)時，應(yīng)該多采取封山育林等方式，依靠自然力量形成能夠與當?shù)赝寥浪Y源相協(xié)調(diào)的次生林。張永旺等［13］在黃土高原子午嶺林區(qū)的研究表明植被類型、土壤質(zhì)地以及土層深度是影響植被演替過程中土壤水分虧缺程度的關(guān)鍵因子。茍清平等［14］選取陜北吳起金佛坪流域為研究區(qū)，通過分析不同植被類型林地土壤干燥化效應(yīng)發(fā)現(xiàn)種植節(jié)水樹種和合理的林分結(jié)構(gòu)有利于減輕或避免土壤干化。因此，為進一步探究不同人工林對土壤水分的影響，本研究選擇黃土高原植被恢復(fù)過程中的刺槐林、側(cè)柏林、木棗林、檸條林和草地作為研究對象，系統(tǒng)地分析了研究區(qū)不同植被林下0～100 cm 土層土壤含水量特征、蓄水量特征以及土壤貯水虧缺程度，以期為研究區(qū)的植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木市西南部的花石崖鎮(zhèn)（38°44'N，110°55'E），海拔739～1 021 m。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶园敫珊导撅L氣候，氣候多變，雨量不勻，年均降雨量441 mm，降雨主要集中在夏季。該區(qū)域四季分明，溫差較大，日照充足，年平均氣溫8.5 ℃，土壤主要以風沙土為主，地貌復(fù)雜，土壤受水蝕和風蝕嚴重，植被覆蓋率低，生態(tài)環(huán)境脆弱。自退耕還林工程以來，研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到了明顯的改善，主要種植的植被類型有刺槐（Robinia pseudoacacia）、木 棗（Zizyphus jujube Mill）、側(cè) 柏（Platycladus orientalis）、檸條（Caragana korshinskii）等。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集

2018 年8 月在陜西省神木市花石崖鎮(zhèn)，選取生長狀況良好的刺槐林、木棗林、側(cè)柏林、檸條林以及草地共5塊固定樣地進行調(diào)查取樣。每塊樣地內(nèi)布設(shè)一個20 m×20 m 的固定樣方，在每個固定樣方中沿對角線選取3 個取樣點，利用環(huán)刀（100 cm3）進行土壤剖面取樣，剖面深度為100 cm，自地表垂直向下取樣，共分為6 層，分別是0～＜10 cm、10～＜20 cm、20～＜40 cm、40～＜60 cm、60～＜80 cm、80～100 cm，每層使用環(huán)刀取3個重復(fù)。樣地的基本情況見表1。

表1 樣地基本信息

土壤含水量的計算公式為

其中，W為所測樣品的土壤含水量（%）；W1和W2分別為土壤樣品烘干前后的質(zhì)量（g）。

土壤蓄水量的計算公式為

其中，D為土壤蓄水量（mm）；θ為某一厚度土層內(nèi)的土壤含水量（%）；H為土層深度（cm），ρb為土壤容重（g·cm-3）；ρs為水密度，ρs=1 g·cm-3。土壤容重使用環(huán)刀法測得。

土壤貯水虧缺度的公式為

其中，Da 為土壤貯水虧缺量，Da=Fc-Wc；Fc 為土壤田間持水量（mm）；Wc為土壤實際貯水量（mm）。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件對實驗所得數(shù)據(jù)進行整合處理，SPSS 26.0軟件進行統(tǒng)計分析和單因素方差分析，用Origin 2021軟件進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分變化特征

2.1.1 不同植被類型土壤水分特征值統(tǒng)計

由表2可知，研究區(qū)不同植被類型土壤水分差異顯著，0～100 cm 土層，土壤水分變化范圍為7.14%～22.27%，最大值約為最小值的3 倍。土壤水分平均值由大到小表現(xiàn)為草地（19.24%）＞檸條（15.92%）＞木棗（15.51%）＞側(cè)柏（15.20%）＞刺槐（12.88%），草地的平均土壤水分值與刺槐的平均土壤水分值差異顯著（P＜0.05），分別比檸條、木棗、側(cè)柏、刺槐高出約17%、19%、21%、33%。研究區(qū)土壤水分空間變異系數(shù)介于10%～100%之間，屬中等程度變異［15］，由大到小表現(xiàn)為刺槐（36.34%）＞木棗（31.85%）＞側(cè)柏（27.96%）＞檸條（20.85%）＞草地（13.77%），刺槐林下土壤水分空間變異程度最為劇烈。

表2 不同植被類型土壤水分特征值統(tǒng)計 單位：%

2.1.2 不同土層土壤水分差異性

不同植被類型土壤水分含量隨土層深度的增加表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，垂直分布特征明顯（圖1）。不同植被類型土壤含水量隨著土層深度的增加整體上均表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。草地和側(cè)柏兩種植被土壤含水量最大值分別出現(xiàn)于20～＜40 cm 土層與0～＜10 cm，其余植被最大值均出現(xiàn)于10～＜20 cm土層。刺槐土壤含水量最小值出現(xiàn)于60～＜80 cm 土層，其余植被最小值均出現(xiàn)于80～100 cm土層。

圖1 不同植被類型土壤水分含量

2.2 土壤蓄水量變化特征

2.2.1 不同植被類型土壤蓄水量特征值統(tǒng)計

由表3可知，0～100 cm土層，不同植被類型土壤蓄水量的平均值介于25.17～39.48 mm，具體表現(xiàn)為草地＞檸條＞木棗＞側(cè)柏＞刺槐；草地和刺槐林下土壤蓄水量存在顯著性差異（P＜0.05），其余樣地間均無顯著性差異（P＞0.05）。土壤蓄水量的變異系數(shù)介于25.87%～39.74%，整體變異程度較大；其中木棗林地的變異系數(shù)最大，檸條和草地次之，刺槐和側(cè)柏林地最小，結(jié)果表現(xiàn)為刺槐和側(cè)柏林地土壤蓄水量的穩(wěn)定性較高。

表3 不同植被土壤蓄水量特征值統(tǒng)計

2.2.2 不同土層土壤蓄水量變化

研究區(qū)不同植被類型土壤蓄水量隨土層深度的增加表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，垂直分布特征明顯（圖2）。不同植被類型土壤蓄水量隨土層深度的增加整體上均表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。各植被在0～＜10 cm 與10～＜20 cm 土層時的土壤蓄水量基本相等，在20～＜40 cm 土層時土壤蓄水量達到最大，在40～100 cm 土層土壤蓄水量呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。在0～100 cm 的土層中，草地各層的土壤蓄水量均高于其他植被，木棗、側(cè)柏和檸條的各層土壤蓄水量基本相等且低于草地，刺槐各層的土壤蓄水量均低于其他植被。

圖2 不同土層土壤蓄水量垂直分布特征

2.3 不同植被類型林地的土壤貯水虧缺度

土壤貯水虧缺度的結(jié)果分析如圖3 所示，在0～100 cm 土層，不同植被類型平均土壤貯水虧缺度表現(xiàn)為刺槐（25.57%）＞檸條（15.64%）＞側(cè)柏（15.55%）＞木棗（9.97%）＞草地（-21.76%）。不同植被類型的土壤貯水虧缺度在垂直方向上的分布具有相似性，隨著土層深度的增加整體呈先減小后增加的趨勢。在0～＜20 cm土層，研究區(qū)植被土壤貯水虧缺度均為正值，都存在一定程度的水分虧缺；在20～＜40 cm土層，各植被土壤貯水虧缺度均為負值，說明該土層不存在水分虧缺；在40～100 cm 土層，不同植被類型土壤貯水虧缺度隨著土層深度的增加不斷變大，其中刺槐、檸條和側(cè)柏的土壤貯水虧缺度均為正值，木棗除40～＜60 cm 土層的土壤貯水虧缺度為負值，其余土層均為正值，草地的土壤貯水虧缺度在該范圍均為負值。

圖3 不同植被類型林地的土壤貯水虧缺度

3 討論

土壤水分環(huán)境的改善有利于黃土高原植被的恢復(fù)與重建［16］。不同的植被會因其根系在土壤中的分布深度和密度不同，使得土壤水分蒸發(fā)和植被蒸騰的情況也有所不同，導(dǎo)致各植被土壤水分的分布具有一定的差異性［17］。研究區(qū)不同植被類型土壤含水量表現(xiàn)為草地＞檸條＞木棗＞側(cè)柏＞刺槐，這可能是因為喬木和灌木林地的樹冠蒸騰耗水量大，草地因缺乏植被，對水分利用的深度和程度都較小［18］。刺槐作為人工引入植被會因其過度消耗土壤水分，而造成土壤干燥化以及永久性土壤干層的出現(xiàn)［19-20］。相比之下，自然生態(tài)恢復(fù)下的草本植物具有根系淺、蓋度高、枯草層較厚等特點可以有效的減少水分的蒸發(fā)和徑流［21］，更為積極地影響土壤水分。正如本研究所得結(jié)果，草地的土壤含水量顯著高于刺槐。因此在植被恢復(fù)過程中，合理的林草搭配會更有利于土壤水分的保持［22］。同時本研究還發(fā)現(xiàn)研究區(qū)不同植被類型土壤水分隨著土層深度增加均呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，這可能是因為上層密布的根系阻滯了土壤水分的入滲，導(dǎo)致下層土壤含水量的減少［23］。也有研究表明，處于水蝕風蝕交錯帶的植被會因長時間降水補給較少，植被根系會因長期耗水使得土壤含水量降低［24］。

土壤蓄水量是評價植被涵養(yǎng)水源功能的重要指標之一，也是進行植被建設(shè)、生態(tài)修復(fù)工程的重要理論依據(jù)［25-26］。本研究發(fā)現(xiàn)不同植被類型樣地在0～100 cm 的土壤蓄水量的順序與土壤含水量表現(xiàn)出相似的規(guī)律，這與王玲等［27］對晉西北林地蓄水量研究的結(jié)果相似。在不同植被類型樣地中，喬木和灌木的平均土壤蓄水量均低于草地，其主要原因可能是研究區(qū)植被樹體大和林齡大，在以往的年份中消耗了大量的深層土壤水，造成了黃土高原土壤干層現(xiàn)象的出現(xiàn)［14］，導(dǎo)致林下土壤密度變高，孔隙度變小，土壤持水能力變?nèi)酢?/p>

不同植被類型樣地的土壤水分虧缺度均在20～＜40 cm 土層達到最低值，且只有在該土層各植被類型樣地不存在水分虧缺。主要因本次采樣時間正值雨季中期的8 月下旬，受雨季降雨的補給影響，有效的緩解了淺層土壤水分虧缺。在0～100 cm土層，草地的土壤水分虧缺度最低，可能是由于草地枯落物較厚，有利于減少地表徑流和增加入滲對土壤水分進行補充。楊磊等［28］的研究也表明在同一地點的土壤性質(zhì)且降雨條件相同的情況下，草地土壤水分容易得到補給，其次為小麥（Triticum aestivum）、沙 棘（Hippophae rhamnoides）、紅豆草（Onobrychis viciaefolia）和油松（Pinus tabuliformis）。相比之下，刺槐林地通過深根系統(tǒng)對深層土壤水分進行過度消耗，難以得到雨水補充，導(dǎo)致深層土壤水分虧缺現(xiàn)象明顯［29］。

通過以上分析可知，處于自然恢復(fù)方式下的草地較研究區(qū)其他林地對土壤水分的影響更積極。因此，在生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)進行植被恢復(fù)與重建時，應(yīng)充分考慮氣候條件及植被類型與土壤水分之間的關(guān)系，以期推動區(qū)域內(nèi)植被和土壤水分系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

1）不同植被類型間在0～100 cm 土層的土壤含水量和土壤蓄水量均存在顯著性差異（P＜0.05）且變化趨勢相同5 種植被類型土壤水分均為中等變異，草地的土壤水分變異系數(shù)最低，刺槐最高。

2）不同植被類型樣地土壤貯水虧缺度存在差異，在0～100 cm 土層5 種植被類型樣地的平均土壤水分虧缺度表現(xiàn)為刺槐＞檸條＞側(cè)柏＞木棗＞草地，其中只有草地土壤水分不存在虧缺。因此，就土壤水分的保持上來講，草地應(yīng)是比研究區(qū)其他植被更為合理的植被恢復(fù)方式。