陜北黃土區典型植被土壤水分虧缺特征

［關鍵詞］ 植被類型；土壤水分；貯水量；水分虧缺；陜北黃土區

［摘 要］ 在陜北地區，土壤水分是限制植被生長的主要因素之一。為了解陜北黃土區不同植被類型土壤水分變化情況，給研究區林業生態工程建設提供科學依據與數據支撐，選取吳起縣廣泛分布的7種典型退耕還林植被，經單因素方差分析和Duncan多重比較，結果顯示：研究區土壤含水量隨季節變化總體表現為春季＞秋季＞夏季；在7種植被類型中，土壤含水量和土壤貯水量均表現為河北楊最高，草地次之，刺槐山杏混交林最低；研究區在2020年秋季至2021年夏季土壤水分處于持續虧缺狀態，且各植被類型春季土壤貯水虧缺補償度明顯小于冬季。研究表明：研究區土壤水分受植被類型影響明顯，在陜北選擇合理的植被配置模式進行退耕還林十分重要。

［中圖分類號］ S152.75；S714.7" [文獻標識碼] A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.05.018

陜北地區位于黃土高原腹部，受氣候條件、地形地貌、土壤性質、植被狀況和人類活動的影響，是我國生態環境最為脆弱、水土流失最為嚴重、風沙災害最為頻繁的地方之一[1]。為緩解生態脆弱、水土流失及風沙災害等問題，提高植被覆蓋率，自1999年起國家對黃土高原實施了退耕還林還草工程[2]。伴隨著植被覆蓋率的增加，不合理的植被配置模式帶來的弊端也日漸顯現，如植被蒸騰量增加、土壤水分消耗加劇、土壤干層狀況日漸突出等[1，3]。面對大面積的退耕還林還草，陜北地區土壤水分會發生怎樣的變化，土壤水分補充是否能滿足其消耗，這些問題亟待我們進行作答與解決。

土壤水分作為土壤-植被-大氣連續體中不可或缺的重要組成部分，是影響植被生長發育和生態恢復的關鍵因子[4]，直接影響著植被根系的吸收與利用[5]。以往研究表明，土壤水分垂直變化主要受外界環境（氣溫、降水、土壤蒸發等）和植被生長（植被蒸騰、植被根系吸收等）的影響[6-7]。張立俞等[8]對黃土高原隴東地區小流域不同植被土壤水分垂直變化進行分析，發現在地下0～60 cm土層，林地和草地土壤水分均隨著深度的增加而遞減；李青林等[9]對貴州的喬木、灌木和草地土壤水分進行分析，認為土壤水分在雨季喬木＞草地＞灌木，旱季灌木＞草地＞喬木。為更好地探究退耕還林地的土壤水分變化，以往學者還使用土壤貯水量[10]、土壤水分相對虧缺指數[11]、土壤貯水虧缺補償度[12]對退耕還林工程下的土壤水分進行了評測。艾寧等[10]對半干旱黃土區喬木林地和撂荒草地土壤貯水能力進行對比，發現喬木林地貯水能力遠大于撂荒草地。張永旺等[13]對不同植被的土壤水分虧缺進行分析，認為植被種類、土壤性質和土層深度是影響土壤水分虧缺的主要因素。王玲等[14]對晉西北不同植被土壤貯水虧缺補償進行研究，發現200 cm以下土壤水分虧缺補償呈波動上升趨勢。

本研究在已有研究成果的基礎上，選取吳起縣廣泛分布的7種典型植被類型，系統分析其在不同季節間的土壤水分變化情況，特別是不同植被類型間土壤水分虧缺、補償狀況，旨在明確研究區植被類型與土壤水分的相互關系，以期為今后研究區林業生態工程建設與植被選擇提供數據支撐與科學依據。

1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市吳起縣（107°38′57″～108°32′49″E，36°33′33″～37°24′27″N），海拔1 233～1 809 m，地形復雜，屬黃土高原梁狀丘陵溝壑地貌，土壤主要為黃綿土。全縣氣候屬半干旱溫帶大陸性季風氣候，四季分明；年均氣溫7.8 ℃，極高、極低溫度出現在7月和1月，分別為37.1 ℃和－25.1 ℃；降水主要集中于7—9月，年均降水量為483.4 mm；無霜期為146 d。吳起縣主要植被類型包括小葉楊（Populus simonii）、山杏（Prunus sibirica）、山桃（Prunus davidiana）、河北楊（Populus × hopeiensis）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等。

2 研究材料與方法

2.1 采樣點布設

課題組于2017年對吳起縣金佛坪流域進行了全面的勘察與調研，于2018年根據研究區立地條件和植被類型分布狀況，布置了7個3 m深的土壤水分固定監測管，監測樣點基本情況見表1。本研究數據為研究區2020年9月（秋季）、2021年4月（春季）和7月（夏季）采用時域反射儀（Time Domain Reflectometry，TDR）測定的土壤水分數據。采用TDR進行土壤水分測定時，每隔20 cm深為一層進行測量，測量后沿水平方向依次順時針旋轉120°，進行第2次、第3次的土壤水分數據采集。同時，在監測樣點周邊挖取1 m深土壤剖面，采用環刀法取樣進行土壤密度、土壤持水量等指標的計算。

2.2 土壤指標數據計算

土壤貯水量[10]公式為

Wc=M×H（1）

式中：Wc為土壤貯水量，單位mm；M為土壤體積含水量；H為土層厚度，單位mm。

土壤貯水虧缺度[12]公式為

DSW=DaFc×100%（2）

式中：DSW為土壤貯水虧缺度；Fc為田間持水量，單位mm；Da為土壤貯水虧缺量，Da=Fc－Wc，單位mm。

土壤貯水虧缺補償度[12]公式為

CSW=ΔWDac×100%（3）

式中：CSW為土壤貯水虧缺補償度；ΔW為土壤水分補償前后土壤貯水量之間的差值，ΔW=W后－W前，W前、W后分別為土壤水分補償前、后土壤貯水量，單位mm；Dac為土壤水分補償前土壤貯水虧缺量，Dac=Fc－W前，單位mm。

本研究冬季CSW是指2020年秋至2021年春之間的CSW，春季CSW是指2021年春至2021年夏的CSW。

變異系數[15]公式為

S=∑ni=1（Xi-X）2n-1（4）

CV=SX×100%（5）

式中：n為所計算的樣本總數；Xi為第i層土壤貯水量實測值；X為各層土壤貯水量的平均值；S為標準差；CV為變異系數。

2.3 數據處理

采用Microsoft Excel 365進行數據處理，采用SPSS 24進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan多重比較（顯著性水平取0.05），臧凱旋等：陜北黃土區典型植被土壤水分虧缺特征采用OriginPro 2021進行圖形繪制。

3 結果與分析

3.1 不同植被類型土壤水分動態變化及其差異性分析

由圖1可知，不同季節各植被土壤含水量總體上表現為春季最高，秋季次之，夏季最低。其中：秋季各植被土壤含水量是刺槐山杏混交林最高，各土層平均值為12.55%，刺槐沙棘混交林最低，平均值為9.06%；春季各植被土壤含水量是河北楊最高，平均值為15.95%，刺槐山杏混交林最低，平均值為8.08%；夏季各植被土壤含水量是河北楊最高，平均值為13.33%，刺槐山杏混交林最低，平均值為6.07%。各植被類型土壤含水量在0～100 cm土層變化劇烈，在＞100～300 cm土層趨于穩定。

不同植被類型土壤含水量差異性見圖2。對3個季節土壤含水量進行單因素方差分析，發現：各植被類型中，河北楊土壤含水量最高（13.05%），顯著高于其他6種樣地類型（P＜0.05）；草地次之（10.63%），顯著高于沙棘、刺槐和刺槐山杏混交林（P＜0.05）；刺槐山杏混交林最低（8.59%），顯著低于河北楊、小葉楊、刺槐沙棘混交林和草地（P＜0.05）。

3.2 不同植被類型土壤貯水量及其差異程度

對不同植被類型2020年秋季至2021年夏季各土層土壤貯水量平均值進行分析（見圖3），可知在0～300 cm土層，不同植被類型土壤貯水量表現為河北楊最高（398.72 mm），草地其次（323.18 mm），刺槐山杏混交林最低（267.03 mm）。根據變異系數≤10%為弱變異、介于10%～100%之間為中等變異、≥100%為強變異[16]可知，在不同植被類型不同的土層中，除沙棘＞200～300 cm土層、河北楊和刺槐＞160～180 cm土層、刺槐沙棘混交林＞280～300 cm土層為弱變異，草地0～60 cm為強變異外，其他均為中等變異。

3.3 不同植被類型土壤貯水虧缺度

由圖4可知，研究區各植被類型3個季節DSW基本為正值，說明研究區從2020年秋季至2021年夏季土壤水分處于持續虧缺狀態。由于水分消耗度因植被而異，所以各植被類型DSW在季節上存在差異，沙棘、草地DSW表現為夏季＞秋季＞春季，小葉楊、刺槐、刺槐山杏混交林DSW表現為夏季＞春季＞秋季，河北楊、刺槐沙棘混交林DSW表現為秋季＞夏季＞春季。

3.4 不同植被類型土壤貯水虧缺補償度的季節變化

從圖5中可以看出，研究區各植被類型CSW春季明顯小于冬季。冬季河北楊、刺槐沙棘混交林、草地CSW＞0，說明土壤水分得到正向補充，貯水補充量大于貯水消耗量；沙棘、小葉楊、刺槐、刺槐山杏混交林CSW＜0，說明貯水補充量小于貯水消耗量。春季所有植被類型CSW均小于0，說明春季所有植被類型貯水全部處于負補償狀態。

4 討論

土壤水分作為植被生長發育不可或缺的重要因子，是限制陜北地區退耕還林工程進行的主要因素[17]REF_Ref97905776rh*MERGEFORMAT。陜北地區土壤水分補充主要來自大氣降水，深居內陸、水汽難以到達使得陜北地區降水具有嚴重的季節性[17]。因此，在陜北地區植被系統的構建中，合理的土壤水分利用顯得尤為重要。研究區土壤含水量季節性差異明顯，總體上表現為春季＞秋季＞夏季。陜北地區的降水主要集中在7—9月，占全年降水量的50%～80%，但夏季氣溫高、水分蒸發量大，同時植被生長較好，蒸騰作用較強，對土壤水分利用、消耗較大，且研究區2021年4—7月降雨較少（研究區自設氣象站監測降雨量僅有110.4 mm，特別是7月僅有7.4 mm），使得研究期內研究區夏季土壤含水量顯著低于秋季和春季。各植被類型在0～100 cm土層土壤水分變化強烈，這是因為降水因素如降水頻率、降水強度、降水維持時間等嚴重影響著表層土壤水分變化動態[18]。

除刺槐山杏混交林外，土壤貯水量變異系數最大值總體上出現在研究區淺層土壤。淺層土壤較深層土壤更易受到氣溫、降水入滲和植物呼吸、蒸騰作用的影響，土壤貯水量季節間變化較大，故土壤貯水量變異系數大，隨著土層的加深，土壤貯水量受氣溫、降水入滲和植物呼吸、蒸騰作用的影響減小，土壤貯水量及其變異系數減小[19-21]。

本研究選取的7種典型植被類型，土壤含水量和土壤貯水量變化均表現為河北楊最高（平均土壤含水量13.05%，0～300 cm土壤貯水量398.72 mm），草地次之（平均土壤含水量10.63%，0～300 cm土壤貯水量323.18 mm），刺槐山杏混交林最低（平均土壤含水量8.59%，0～300 cm土壤貯水量267.03 mm）。其原因主要為：①河北楊是陜北地區鄉土樹種之一，研究區內的河北楊均為次生演替植被，分布于溝底或者切溝內，且處于幼林階段[22]，其密度與郁閉度均較低，植被冠層對降水的截留作用弱，增加了降水對土壤水分的補充，土壤表層又多形成地衣，減少了土壤水分的蒸散，所以河北楊林地土壤含水量較高；②灌木林、混交林郁閉度高，根系密集，生物量高，植被對土壤水分的消耗量大，導致土壤含水量較低[23-24]；③草本植物莖葉矮小，根系較淺，生長所消耗的土壤水分少[25]。吳元芝等[26]研究表明，隨著植物群落演替的進行，草本群落土壤含水量高于其他灌木群落，與本研究結果一致。

5 結論

1）研究區土壤含水量隨季節變化總體上表現為春季＞秋季＞夏季。

2）在7種植被類型中，土壤含水量和土壤貯水量均表現為河北楊最高，草地次之，刺槐山杏混交林最低。。

3）研究區在2020年秋季至2021年夏季土壤水分處于持續虧缺狀態。

4）研究區各植被類型春季土壤貯水虧缺補償度明顯小于冬季。

[參考文獻]

［1］ 李航，嚴方晨，焦菊英，等.黃土丘陵溝壑區不同植被類型土壤有效水和持水能力[J].生態學報，2018，38（11）：3889-3898.

［2］ ZHANG Baoqing，TIAN Lei，ZHAO Xining，et al.Feedbacks between vegetation restoration and local precipitation over the Loess Plateau in China[J].Science China（Earth Sciences），2021，64（6）：920-931.

［3］ 趙景波，祁子云，魏君平，等.青海湖北土壤水分分布與土壤干層恢復[J].地理科學進展，2012，31（7）：853-858.

［4］ 馬婧怡，賈寧鳳，程曼.黃土丘陵區不同土地利用方式下土壤水分變化特征[J].生態學報，2018，38（10）：3471-3481.

［5］ 姚敏娟，張樹禮，李青豐，等.黑岱溝露天礦排土場不同植被配置土壤水分研究：土壤水分垂直動態研究[J].北方環境，2011，23（增刊1）：29-32.

［6］ 蘇玥，何丙輝，姚小華，等.滇東喀斯特石漠化區不同植被恢復模式下土壤水分空間變異特征研究[J].西南師范大學學報（自然科學版），2008，33（1）：67-71.

［7］ 程立平，劉文兆，李志.黃土塬區不同土地利用方式下深層土壤水分變化特征[J].生態學報，2014，34（8）：1975-1983.

［8］ 張立俞，邸利，任藝彬，等.隴東黃土高原中溝小流域不同植被措施土壤水分差異分析[J].水土保持研究，2021，28（4）：159-164，170

［9］ 李青林，楊靜，王琨，等.不同植被類型人工綠地土壤飽和導水能力、持水特征的比較[J].土壤通報，2021，52（4）：828-835.

［10］ 艾寧，強大宏，劉長海，等.半干旱黃土區山地棗林春季土壤水分動態變化研究[J].農業現代化研究，2019，40（2）：342-348.

［11］ 王玲，劉庚，馮向星，等.晉西北不同植被類型土壤水分虧缺特征[J].中山大學學報（自然科學版），2018，57（1）：102-109.

［12］ 王進鑫，黃寶龍，羅偉祥.黃土高原人工林地水分虧缺的補償與恢復特征[J].生態學報，2004，24（11）：2395-2401.

［13］ 張永旺，萬珊珊，王俊，等.黃土高原植被演替過程中土壤水分虧缺[J].水土保持研究，2020，27（5）：120-125，132.

［14］ 王玲，馮向星，劉庚，等.晉西北人工林植物水分虧缺與恢復研究[J].林業建設，2017（1）：37-41.

［15］ 馬濤，呂文強，李澤霞，等.黃土高原丘陵溝壑區輪作休耕模式下5種土地利用方式土壤剖面水分分布特征[J].草業學報，2020，29（7）：30-39.

［16］ 羅夢嬌，艾寧，劉長海，等.半干旱黃土區不同植被類型對土壤水分的影響[J].四川農業大學學報，2019，37（2）：177-184，191.

［17］ 張雷明，上官周平.黃土高原土壤水分與植被生產力的關系[J].干旱區研究，2002，19（4）：59-63.

［18］ 趙文智，劉鵠.干旱、半干旱環境降水脈動對生態系統的影響[J].應用生態學報，2011，22（1）：243-249.

［19］ 艾寧，張智勇，宗巧魚，等.水蝕風蝕交錯區典型人工林土壤水分虧缺特征[J].森林與環境學報，2021，41（3）：272-280.

［20］ 高宇，樊軍，彭小平，等.水蝕風蝕交錯區典型植被土壤水分消耗和補充深度對比研究[J].生態學報，2014，34（23）：7038-7046.

［21］ 郭濼，夏北成，倪國祥.不同森林類型的土壤持水能力及其環境效應研究[J].中山大學學報（自然科學版），2005，44（增刊1）：327-330.

［22］ 孫雪新，劉榕，陶毅，等.甘肅省河北楊基因資源調查及利用的研究[J].甘肅農業大學學報，1990，25（1）：17-23.

［23］ 張定海，李新榮，陳永樂.騰格里沙漠人工植被區固沙灌木影響深層土壤水分的動態模擬研究[J].生態學報，2016，36（11）：3273-3279.

［24］ ZHANG Zhishan，LI Xinrong，LIU Lichao，et al.Distribution， biomass， and dynamics of roots in a revegetated stand of Caragana korshinskii in the Tengger Desert， northwestern China[J].Journal of Plant Research，2009，122（1）：109-119.

［25］ 格日樂，高潤紅.庫布齊沙漠人工梭梭林地土壤儲水量動態變化及其水分平衡分析[J].內蒙古農業大學學報（自然科學版），2010，31（3）：125-129.

［26］ 吳元芝，黃明斌，趙世偉.黃土高原植被演替不同階段植物系數的變化與適應性評價[J].自然資源學報，2008，23（5）：849-857.

基金項目： “十四五”國家重點研發計劃項目（2023YFF130510401）；國家自然科學基金項目（U2243601）；陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2021JQ-982）；延安大學資政育人重點項目（YDZZZD22-01）

第一作者： 臧凱旋（1998—），女，山東安丘人，碩士研究生，主要研究方向為林業生態工程與水土保持。

通信作者： 艾寧（1989—），男，陜西子長人，副教授，博士，主要研究方向為林業生態工程與水土保持。E-mail： aining@yau.edu.cn

（責任編輯 徐素霞）

［引用格式］ 臧凱旋，劉登強，劉廣全，等.陜北黃土區典型植被土壤水分虧缺特征[J].中國水土保持，2024（5）：63-68.