張秀偉， ?？〗?， 趙景波

(1.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院, 西安 710062； 2.太原師范學院 汾河流域科學發(fā)展研究中心， 山西 晉中 030619)

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左云縣店灣鎮(zhèn)春季不同植被條件下土壤含水量研究

張秀偉1， ?？〗?， 趙景波1

(1.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院, 西安 710062； 2.太原師范學院 汾河流域科學發(fā)展研究中心， 山西 晉中 030619)

為了研究左云縣店灣鎮(zhèn)春季不同植被條件下0—600 cm深度范圍內(nèi)土壤垂直剖面水分變化特征，分別對該區(qū)喬木(白榆和小葉楊)林地、灌木(檸條和沙棘)林地和草地5種不同植被條件下土壤水分進行了研究。結(jié)果表明：研究區(qū)不同植被條件下土壤剖面含水量變化規(guī)律不同。左云縣礦區(qū)春季各土層平均含水量草地最高，檸條林地次之，白榆林地最少。其中草地各土層平均含水量比檸條林地高0.3%，比白榆林地高3.8%。該區(qū)各植被條件下土壤水分主要呈難效水狀態(tài)。且各植被條件下土壤在200—400 cm深度范圍內(nèi)都存在干層，有輕度干層、中度干層和重度干層發(fā)育。該區(qū)水循環(huán)主要是地表水循環(huán)，地下水循環(huán)基本不存在，形成了土壤—植物—大氣的水分循環(huán)模式，屬于異常水分循環(huán)類型。

土壤含水量; 土壤水分有效性; 土壤干層; 水循環(huán)與水平衡; 左云縣

晉西北地區(qū)氣候復雜，大部分地區(qū)屬大陸性氣候，年溫差、日溫差大，是黃土高原的重要組成部分?，F(xiàn)代地表景觀以溫帶半干旱草原和半濕潤森林草原為主，是我國農(nóng)牧交錯帶的一部分[1]。作為黃土高原半濕潤半干旱典型地區(qū)，既是生態(tài)過渡帶又是環(huán)境脆弱區(qū)，研究該區(qū)土壤含水量及其對植被的影響是非常重要的。水分是影響植物生長的重要因素，不斷地供給植被水分營養(yǎng)，植被才得以繁衍生長[2]。因此，土壤水分高低是黃土高原晉西北地區(qū)生態(tài)建設(shè)和植被恢復要考慮的首要問題。現(xiàn)階段黃土高原地區(qū)正在進行退耕還林、還草等生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程，研究土壤含水量的變化及其影響對這一工程的有效實施起著至關(guān)重要的作用，查明黃土高原不同地區(qū)人工植被下土壤水分狀況具有極其重要的意義。關(guān)于黃土高原土壤含水量及其變化，已經(jīng)進行過較長期的研究，取得了許多重要成果[3-13]。但對礦區(qū)土壤含水量的研究還比較少，本文根據(jù)對晉西北礦區(qū)左云縣店灣鎮(zhèn)喬木、灌木、草本植物等5種不同植被條件下土壤含水量的測定結(jié)果，討論該區(qū)春季不同植被土層含水量的特點與土層的干化程度等問題。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本次取樣地點位于左云縣店灣鎮(zhèn)西溝村，該區(qū)地處黃土高原，山丘起伏，溝壑縱橫，是典型的黃土丘陵區(qū)，屬北溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫6.1℃，多年平均降水量409 mm，蒸發(fā)量1 847.5 mm，無霜期119 d。四季分明，春季干旱多風，夏季較熱多雨，秋季潮濕溫熱，冬季寒冷少雪。該鎮(zhèn)蘊含著豐富的煤炭資源，已探明的煤炭儲蓄量已達2.5億t。

土壤樣品用土鉆采取，本文所選取的5種樣地分別為白榆林地、小葉楊林地、檸條林地、沙棘林地、草地。每個采樣點取樣深度為600 cm，每個樣品間距10 cm，每孔取土樣60個，所取樣品均裝入事先稱重并標號的鋁盒并用膠帶密封，避免日光照射，且盡快帶回室內(nèi)測定，盡量減少水分損失。含水量的測定采用烘干稱重法，該方法操作簡單，數(shù)據(jù)重復性好。樣品置于恒溫鼓風烘箱中，烘干溫度為105℃。烘干10 h以上且在3 h內(nèi)為恒重即可，烘干前后鋁盒加土重均用高精度電子天平稱得。所測樣品的土壤含水量W=(W1-W2)/W2×100%，其中W為所測樣品的土壤含水量，W1為烘干前土壤樣品重量，W2為烘干后土壤樣品重量。

2 結(jié)果與分析

2.1 喬木林地土壤含水量

2.1.1 白榆林地土壤含水量 于2012年5月12日在左云縣店灣鎮(zhèn)西溝村對白榆林地進行兩個剖面0—600 cm深度取樣，該林地主要植被為白榆和草本植物。樹冠徑20～30 cm，樹高500 cm左右，長勢良好。為便于區(qū)別，將這兩孔分別用A，B來表示。A孔：平均含水量為6.3%，變化范圍為3.9%～13.4%。根據(jù)含水量垂直變化特點可分為3層：第1層在0—100 cm，平均含水量為9.5%，變化范圍為6.9%～13.4%；第2層在110—400 cm，平均含水量為6.2%，變化范圍為3.9%～11.5%；第3層在410—600 cm，平均含水量為5.0%，變化范圍為4.1%～6.5%(圖1A)。B孔：平均含水量為6.4%，變化范圍為4.2%～12.0%。根據(jù)含水量垂直變化特點可分為3層：第1層在0—100 cm，平均含水量為8.6%，變化范圍為5.9%～12.0%；第2層在110—400 cm，平均含水量為6.7%，變化范圍為4.4%～10.2%；第3層在410—600 cm，平均含水量為4.9%，變化范圍為4.2%～6.5% (圖1B)。

圖1 左云縣白榆林地土壤含水量

2.1.2 小葉楊林地土壤含水量 于2012年5月12日在左云縣店灣鎮(zhèn)西溝村對小葉楊林地進行3個剖面0—600 cm深度取樣，該樣地楊樹密度較大，行距約2 m，株距約1.5 m，樹冠徑約3 m，樹高約6 m，長勢良好。為便于區(qū)別，將這3孔分別用A，B，C來表示。A孔含水量測定結(jié)果得知，45齡小葉楊林地土壤含水量變化為5.2%～13.3%，平均含水量為8.8%。根據(jù)土層含水量的縱向差異，可將剖面含水量分為3個層次：由上向下第1層為0—200 cm，含水量較高，變化范圍為7.0%～13.3%，平均含水量為9.8%；第2層為210—400 cm，變化范圍為6.9%～13.2%，平均含水量為10.2%，比第1層高0.4%；第3層位于410—600 cm，變化范圍為5.2%～8.1%，平均含水量為6.6%，比第1層低3.2%，比第2層低3.6%(圖2A)。B孔土層含水量為5.1%～15.4%，平均含水量為9.2%。根據(jù)土層含水量縱向差異，可將剖面含水量分為3個層次：由上向下第1層為0—200 cm，含水量較高，變化范圍為7.3%～15.4%，平均含水量為11.2%；第2層為210—400 cm，變化范圍為6.8%～13.7%，平均值為9.8%，比第1層低1.4%；第3層位于410—600 cm，變化范圍為5.1%～8.2%，平均含水量為6.6%，比第1層低4.6%，比第2層低3.2%(圖2B)。C孔土層含水量范圍為4.9%～18.8%，平均含水量為9.0%。根據(jù)土層含水量縱向差異，可將剖面含水量分為3個層次：由上向下第1層為0—200 cm，含水量較高，變化范圍為4.9%～18.8%，平均含水量為11.1%；第2層為210—400 cm，變化范圍為7.1%～13.2%，平均含水量為9.4%，比第1層低1.7%；第3層位于410—600 cm，變化范圍為4.9%～9.2%，平均含水量為6.3%，比第1層低4.8%，比第2層低3.3%(圖2C)。

圖2 左云縣小葉楊林地土壤含水量

2.2 灌木林地土壤含水量

2.2.1 檸條林地土壤含水量 于2012年5月13日在左云縣店灣鎮(zhèn)西溝村對檸條林地進行了兩個剖面0—600 cm深度取樣。該樣地樹冠徑1～2 m不等，樹高1 m左右，長勢良好。為便于區(qū)別，將這兩孔分別用A，B來表示。A孔的平均含水量為10.1%，變化范圍為4.3%～24.1%。根據(jù)含水量垂直變化特點可分為3層：第1層在0—200 cm，平均含水量為10.0%，變化范圍為6.6%～15.7%；第2層在210—400 cm，平均含水量為5.7%，變化范圍為4.3%～8.4%；第3層在410—600 cm，平均含水量為14.5%，變化范圍為4.5%～24.1%(圖3A)。B孔的平均含水量為9.7%，變化范圍為5.5%～16.8%。根據(jù)含水量垂直變化特點可分為3層：第1層在0—200 cm，平均含水量為9.0%，變化范圍為7.0%～12.4%；第2層在210—400 cm，平均含水量為6.7%，變化范圍為5.5%～11.9%；第3層在410—600 cm，平均含水量為13.6%，變化范圍為10.9%～16.8%(圖3B)。

圖3 左云縣檸條林地土壤含水量

2.2.2 沙棘林地土壤含水量 于2012年5月12日在左云縣店灣鎮(zhèn)西溝村對沙棘林地進行了兩個剖面0—600 cm深度的取樣。該沙棘林地樹冠徑1～4 m不等，樹高約1.5 m，長勢一般。為便于區(qū)別，將這兩孔分別用A，B來表示。A孔的平均含水量為8.7%，變化范圍為5.6%～14.8%。根據(jù)含水量垂直變化特點可分為3層：第1層在0—200 cm，平均含水量為9.5%，變化范圍為6.9%～13.7%；第2層在210—400 cm，平均含水量為7.6%，變化范圍為5.8%～9.2%；第3層在410—600 cm，平均含水量為9.1%，變化范圍為5.6%～14.8% (圖4A)。B孔平均含水量為7.5%，變化范圍為3.9%～13.6%。根據(jù)含水量垂直變化特點可分為3層：第1層在0—200 cm，平均含水量為8.2%，變化范圍為4.4%～13.6%；第2層在210—400 cm，平均含水量為5.5%，變化范圍為3.9%～6.7%。第3層在410—600 cm，平均含水量為8.7%，變化范圍為5.6%～13.5%(圖4B)。

2.3 草地土壤含水量

于2012年5月14日在左云縣店灣鎮(zhèn)西溝村對草地進行兩個剖面0—600 cm深度取樣，草地密度大，長勢一般。為便于區(qū)別，將這兩孔分別用A，B來表示。A孔平均含水量為9.6%，變化范圍為3.6%～15.8%。根據(jù)含水量垂直變化特點可分為3層：第1層在0—150 cm，平均含水量為6.4%，變化范圍在3.6%～10.4%；第2層在160—400 cm，平均含水量為8.9%，變化范圍為7.5%～10.7%；第3層在410—600 cm，平均含水量為12.8%，變化范圍為10.7%～15.8%(圖5A)。B孔平均含水量為10.8%，變化范圍為2.6%～18.1%。根據(jù)含水量垂直變化特點可分為3層：第1層在0—150 cm，平均含水量為5.8%，變化范圍為2.6%～10.7%；第2層在160—400 cm，平均含水量為10.5%，變化范圍為7.3%～13.5%；第3層在410—600 cm，平均含水量為14.9%，變化范圍為11.8%～18.1%(圖5B)。

圖4 左云縣沙棘林地土壤含水量

圖5 左云縣草地土壤含水量

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

3.1.1 左云縣礦區(qū)店灣鎮(zhèn)不同植被條件下土壤含水量變化特點 由土壤含水量分析結(jié)果可知，白榆林地兩個剖面的平均含水量為6.4%，第1層、第2層、第3層的平均含水量分別為9.0%，6.5%，5.0%；小葉楊林地3個剖面的平均含水量為9.0%，第1層、第2層、第3層的平均含水量分別為10.7%，9.9%，6.5%；檸條林地兩個剖面的平均含水量為9.9%，第1層、第2層、第3層的平均含水量分別為9.5%，6.2%，14.0%；沙棘林地兩個剖面的平均含水量為8.1%，第1層、第2層、第3層的平均含水量分別為8.9%，6.6%，8.9%；草地3個剖面的平均含水量為10.2%,第1層、第2層、第3層的平均含水量分別為6.1%，9.7%，13.9%。因此，各植被條件下土壤0—600 cm土層剖面上的平均土壤含水量為6.4%～10.2%，具體表現(xiàn)為草地(10.2%)>檸條林地(9.9%)>小葉楊林地(9.0%)>沙棘林地(8.1%)>白榆林地(6.4%)，且各植被條件下土壤平均含水量變化趨勢不一致。即：研究區(qū)草地、檸條林地、沙棘林地的0—600 cm土層的平均含水量從上到下先減小后增大，且在400 cm以后都呈增大趨勢，表明在400 cm以下的土層，隨著植物根系到達這一層位越來越少，消耗的水分也就越來越少，土壤含水量又呈現(xiàn)增加的趨勢。而白榆林地0—600 cm土層的平均含水量從上到下先增大后減小，小葉楊林地0—600 cm土層的平均含水量從上到下先減小后增大再減小，且二者在400 cm以后都呈減小趨勢。這是由于喬木植物比灌木植物、草本植物消耗更多的土壤水分，中下部土壤水分補充緩慢，并且喬木植物的根系比灌木植物、草本植物密集且消耗水分多[14]。因此，該區(qū)白榆林地、小葉楊林地中下部土層的含水量比草地、檸條林地、沙棘林地中下部土層的含水量低。由以上研究還可以得出，不同樹種的林地土壤剖面含水量變化規(guī)律不同，白榆林地0—600 cm深度范圍內(nèi)土壤含水量呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，表明白榆吸收水分影響到了600 cm深度。小葉楊林地0—600 cm深度范圍內(nèi)土壤含水量呈現(xiàn)先減小后增加再減小的變化規(guī)律，這顯示小葉楊所在地出現(xiàn)了較多降水，導致土壤剖面中部水分含量高，下部含水量低，指示小葉楊對土壤水分的吸收也達到了600 cm深度。檸條林地0—600 cm深度范圍內(nèi)土壤含水量呈現(xiàn)先減小后增加的變化規(guī)律，在400 cm左右以下含水量增高，指示檸條對水分的吸收達到400 cm左右深度。

3.1.2 土壤水分有效性研究 結(jié)合本研究實際情況及前人的研究[15-16]將該區(qū)土壤水分有效性劃分為5級(表1)。

表1 左云縣土壤水分有效性分級

結(jié)合上述土壤水分有效性分級，對研究區(qū)所選植被剖面水分的有效性進行研究，結(jié)果表明，白榆林地在0—330 cm屬于難效水，在330—600 cm屬于無效水；小葉楊林地在0—600 cm屬于難效水，其中130—250 cm接近中效水，510—600 cm接近無效水；草地在0—460 cm屬于難效水，460—600 cm屬于中效水；沙棘0—600 cm屬于難效水，其中230—310 cm接近無效水；檸條在0—470cm屬于難效水，480 cm以下出現(xiàn)了中效水，甚至易效水?？梢娫搮^(qū)土層土壤水分主要屬于難效水。

3.1.3 土壤干層分析 前人研究表明，我國北方地區(qū)尤其黃土高原存在著土壤干層現(xiàn)象[16-18]，土壤干層是指土壤水分的虧缺經(jīng)過雨季降水仍不能得到補償?shù)耐翆?。要查明研究區(qū)是否存在土壤干層，首先要確定土壤干層的判定依據(jù)。由于左云縣比陜北黃土高原明顯偏北，其黃土粒度成分比延安黃土要粗，所以可以利用王力[19-20]和何福紅等[21]提出的陜北延安地區(qū)的土壤干層劃分標準確定左云縣土壤干層和干層等級，即以田間持水量的60%為確定土層為土壤干層的含水量標準。根據(jù)該標準可將該區(qū)土壤干層分為以下3個等級：(1) 重度干層。含水量低于6%，嚴重影響著植物正常的生長發(fā)育，會導致植被枯萎甚至死亡；(2) 中度干層。含水量在6%～9%，對植物生長影響較為嚴重，植物經(jīng)常處于缺水狀態(tài)，容易形成低產(chǎn)低效林；(3) 輕度干層。含水量在9%～12%，對植物生長影響不大，土壤水分基本能滿足植物正常生長發(fā)育。含水量高于12%為無干化層。

圖6為該區(qū)不同植被下200—400 cm不同等級土壤干層的厚度。根據(jù)圖1—5并結(jié)合表1可知，該區(qū)11個不同植被林地鉆孔土壤200—400 cm深度土壤含水量集中在5.4%～10.9%，平均含水量為7.9%，含水量都低于12%。由圖6可知，各個鉆孔剖面都存在干層，且輕度干層、中度干層和重度干層都有發(fā)育，只是在各個剖面干層發(fā)育強度不同。其中，白榆A孔全部發(fā)育為重度干層，檸條B孔、沙棘A孔全部發(fā)育為中度干層，草地A孔、草地B孔全部發(fā)育為輕度干層。白榆B孔、檸條A孔發(fā)育類似，上部發(fā)育為中度干層，發(fā)育厚度分別為150，160 cm，下部發(fā)育為重度干層，發(fā)育厚度分別為50，40 cm。小葉楊A孔、小葉楊B孔、小葉楊C孔發(fā)育類似，上部發(fā)育為輕度干層，發(fā)育厚度分別為100，110，80 cm,下部發(fā)育為中度干層，發(fā)育厚度分別為100，90，120 cm。沙棘B孔上部發(fā)育中度干層，下部發(fā)育重度干層，發(fā)育厚度分別為50，150 cm。

圖6 左云縣店灣鎮(zhèn)不同植被土壤剖面干層厚度差異

3.1.4 土壤干層對水循環(huán)和水分平衡的影響 水分循環(huán)的過程包括蒸發(fā)、植被蒸騰、水汽輸送、降水形成地表徑流或下滲形成地下徑流最后流入江河湖海或成為地下水[16]。黃土高原地區(qū)降水下滲環(huán)節(jié)與其他地區(qū)有明顯不同，值得深入討論。根據(jù)上述的研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)各植被林地2.0 m以下土層都有干層發(fā)育，說明研究區(qū)土壤水分輸出量大于輸入量，也就是說土壤干層是在土壤水分處于負平衡的條件下產(chǎn)生的[4]。負平衡是指大氣降水經(jīng)過蒸發(fā)、蒸騰、植物葉片截留和地表徑流損失之后，已沒有剩余的水分。同時，由于植物不斷吸收利用深層的土壤水使得原來儲存在深層土壤中的水分不斷減少，導致地下水的埋藏深度加大。即土壤水分的負平衡指示大氣降水一般不能通過入滲補給地下水，正常的水分下滲補給地下水的環(huán)節(jié)被切斷，形成了土壤水分循環(huán)的隔離層—土壤干層，直接轉(zhuǎn)化成了土壤水，一般不參與地下水循環(huán)。這表明研究區(qū)水循環(huán)主要是地表水循環(huán)，地下水循環(huán)基本不存在，形成了土壤—植物—地表徑流—大氣的水分循環(huán)模式，屬于異常水分循環(huán)類型。所以該區(qū)不同植被林地土壤干層的出現(xiàn)，影響了該區(qū)的正常水循環(huán)和水分平衡，長期發(fā)展下去會導致該區(qū)地下水位的持續(xù)下降和地下水資源缺乏。因此,在該礦區(qū)生態(tài)林植被重建的過程中,應嚴格控制種植密度,并加強保水工程措施,最大可能地利用大氣降水,增加土壤水分含量,以滿足植被用水的需要,發(fā)揮生態(tài)效益。

3.2 結(jié) 論

(1) 左云縣礦區(qū)春季各土層平均含水量草地最高，檸條林地次之，白榆林地最少。其中草地各土層平均含水量比檸條林地高0.3%，比白榆林地高3.8%。

(2) 左云縣礦區(qū)春季不同植被條件下土層基本呈難效水狀態(tài)，各植被吸收土壤水分受到抑制，若發(fā)生連續(xù)干旱，該區(qū)各植被正常的生長發(fā)育易受到不利影響。

(3) 左云縣礦區(qū)春季不同植被條件下各土層在200—400 cm深度范圍都存在土壤干層，有輕度干層、中度干層和重度干層發(fā)育。

(4) 左云縣礦區(qū)春季各不同植被條件下土壤干層減緩了土壤水分的垂直移動性，切斷了深層水分與上層的聯(lián)系。水循環(huán)主要是地表水循環(huán)，地下水循環(huán)基本不存在，形成了土壤—植物—地表徑流—大氣的水分循環(huán)模式，屬于異常水分循環(huán)類型。

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Research on Soil Moisture Content in Different Vegetation in Dianwan Town of Zuoyun County

ZHANG Xiuwei1, NIU Junjie2, ZHAO Jingbo1

(1.CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi′an710062,China; 2.ResearchCenterforScientificDevelopmentinFenheRiverBasin,TaiyuanNormalUniversity,Jingzhong,Shanxi030619,China)

In order to investigate the changes of soil moisture in different soil layers within the depth of 0—600 cm under different vegetation in Zuoyun Town in spring, we determined the soil moisture of five different types of vegetation such as Arbor woodland (UlmuspumilaandPopulussimoniiCarr), shrub woodland (CaraganaKorshinskandHippophaerhamnoides), and grassland. The results showed that soil moisture of different vegetation had different patterns. The average moisture content of grassland was the highest.Caraganakorshinskiiwas lesser andUlmuspumilawas the least in spring in Zuoyun mining area, the average soil moisture of the grassland was 0.3% higher thanCaraganaKorshinskwhile 3.8% higher thanHippophaerhamnoides. Soil water of the vegetation land in the area was the difficult unavailable water. Each profile of the vegetation land in the 200—400 cm soil layer existed dry soil layer which had developed mild dry soil layer, moderate dry soil layer and severe dry soil layer. Water cycle was mainly ground water cycle, and didn′t exist basically groundwater circulation. Soil-plant-atmosphere water cycle model was formed and belonged to abnormal water cycle type.

soil moisture; soil water availability; dry soil layer; water cycle and water balance; Zuoyun County

2014-09-04

2014-11-04

國家自然科學基金項目“晉西北生態(tài)重建優(yōu)勢種林地土壤水分研究”(41171423)

張秀偉(1989—),女,山西嵐縣人,碩士研究生,研究方向為環(huán)境評價與治理研究。E-mail:zhangxiuwei1012@163.com

?？〗?1968—),男,山西嵐縣人,博士,教授,主要從事區(qū)域環(huán)境研究。E-mail:junjieniu@foxmail.com

S152.7

1005-3409(2015)05-0052-06