王 玲，馮向星，劉 庚，?？〗?/p>

(太原師范學(xué)院 歷史地理與環(huán)境變遷研究所，山西 晉中 030619)

人工油松林地土壤水分虧缺和補(bǔ)給動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

王 玲，馮向星，劉 庚，?？〗?

(太原師范學(xué)院 歷史地理與環(huán)境變遷研究所，山西 晉中 030619)

為探究降雨對(duì)人工林土壤水分的影響，對(duì)黃土丘陵區(qū)人工林草植被進(jìn)行土壤水分監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：該區(qū)自然條件下降雨的最大入滲深度為140 cm；雨季降雨過(guò)后，油松林和撂荒地分別在0～30、0～40 cm土層植物水分虧缺得到完全補(bǔ)償，深層土層植物水分虧缺僅依靠降雨不能得到完全恢復(fù)；試驗(yàn)地人工林和撂荒地土壤剖面水分整體呈難效水狀態(tài)，土壤水分對(duì)植被生長(zhǎng)有一定的抑制作用。降雨能提高最大入滲深度以內(nèi)土層的土壤水分有效性。

土壤水分虧缺；降雨；人工林；黃土丘陵區(qū)

在水資源短缺、氣候干燥、降雨季節(jié)分配不均、土層深厚的晉西北地區(qū)，土壤水分收支各項(xiàng)中，植物蒸騰是水分平衡中最主要的輸出項(xiàng)，而降水是唯一的水分輸入項(xiàng)[1-2]。為改善生態(tài)環(huán)境，減少水土流失，該區(qū)實(shí)施了大面積的退耕還林還草工程，森林覆蓋率得到迅速提高[3]。由于在林草植被建設(shè)中，重視選擇喬木樹(shù)種和經(jīng)濟(jì)林等，以及不合理的種植密度導(dǎo)致該區(qū)出現(xiàn)土壤“干層”現(xiàn)象[4-5]。土壤水分長(zhǎng)期不足成為影響植物正常生長(zhǎng)和發(fā)育的關(guān)鍵因子，并導(dǎo)致植物群落衰退，在晉西北地區(qū)出現(xiàn)了“小老頭樹(shù)”現(xiàn)象[6]。土壤水分不僅是限制生態(tài)重建和農(nóng)林業(yè)發(fā)展的生態(tài)因子，而且是限制因子[7]。目前圍繞土壤水分與降雨的關(guān)系及土壤水分與植被適宜性等研究成為國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[8-11]。也有學(xué)者提出土壤水分植被承載力概念，指出某地區(qū)的土地植被承載力實(shí)質(zhì)上是土壤水分植被承載力[7]。針對(duì)晉西北地區(qū)植被生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建問(wèn)題，研究和分析該區(qū)人工林地土壤水分特征，對(duì)于調(diào)控水分關(guān)系有重要指導(dǎo)意義。本研究對(duì)晉西北地區(qū)天然降雨對(duì)人工林的最大補(bǔ)給深度、人工油松林植物水分虧缺度與補(bǔ)償度以及人工林土壤水分有效性的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析，旨在為晉西北地區(qū)人工林對(duì)土壤水分環(huán)境的影響及自然條件下降雨對(duì)人工林的補(bǔ)給程度研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)屬汾河上游環(huán)境生態(tài)重點(diǎn)治理區(qū)域，樣點(diǎn)采集區(qū)域位于嵐縣石家莊村北的皇姑梁，海拔1450 m。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，無(wú)霜期130 d，年平均氣溫6.8 ℃，極端最高氣溫36.4 ℃，最低為-30.5 ℃，年有效積溫2948 ℃·d，年均降雨量為400 mm，分配極不均勻，主要集中在7、8、9月，占全年降水總量的70%左右。受氣候影響，該區(qū)代表性的植物有蘆草(Phragmitesaustralis)、狗尾草(Setariaviridis)、錦雞兒(Cartagenasinica)等，典型的人工植被有檸條(Cartagenakorshinskii)、小葉楊(Populussimonii)、油松(Pinustabuliformis)等。該縣屬于典型的半干旱黃土丘陵區(qū)，降水稀少、氣候干旱等自然因素導(dǎo)致了諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

1.2 樣點(diǎn)采集與分析

選取當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘娜斯び退闪值睾蛯?duì)照樣地撂荒地作為研究對(duì)象。油松林齡為15 年，平均樹(shù)高11 m，平均樹(shù)干徑13 cm，平均冠幅3.5 m。于2016年6月22～26日在野外采集土壤樣品，并在8月成功把握1次雨季連續(xù)降雨機(jī)會(huì)，在降雨過(guò)后進(jìn)行歷時(shí)3 d的入滲采樣。采樣時(shí)間設(shè)置在雨前、雨后1 h、雨后26 h、雨后72 h 4個(gè)時(shí)間點(diǎn)。每個(gè)樣地選3個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)采樣。土壤樣品采用輕型人力鉆采取，樣品采集深度為0～300 cm，采樣間距為10 cm，共計(jì)360個(gè)樣品。采用烘干法測(cè)定土壤含水量，烘干時(shí)間為24 h以上。儲(chǔ)水量通過(guò)公式計(jì)算，田間持水量和土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 植物水分虧缺與補(bǔ)償度計(jì)算 為定量研究人工林剖面土壤水分的虧缺與恢復(fù)程度，本文采用植物水分虧缺度(deficit degree of plant water，DPW)和雨季植物水分補(bǔ)償度(compensation degree of plant water，CPW)進(jìn)行分析[12]，計(jì)算模型定義如下：

DPW(%)=Da/Fc×100%

(1)

式(1)中：Da為植物水分虧缺量(mm)，Da=0.6Fc-Wc；Fc為土壤田間持水量(mm)；Wc為土壤實(shí)際貯水量(mm)。

CPW(%)=△W/Dac×100%

(2)

式(2)中：△W為雨季末土壤貯水增量(mm)，△W=Wcm-Wcc；Wcc為雨季初土壤實(shí)際貯水量(mm)；Wcm為雨季末土壤實(shí)際貯水量(mm)；Dac為雨季初土壤貯水虧缺量，Dac=0.6Fc-Wcc。

1.3.2 土壤剖面含水量變異系數(shù) 研究表明，變異系數(shù)能夠良好地反映各土層土壤水分的穩(wěn)定性[13]，變異系數(shù)(Cv)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

1.3.3 土壤水分有效性評(píng)價(jià) 結(jié)合實(shí)際將土壤水分有效性劃分為4級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 土壤水分有效性分級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 油松林地降雨入滲

降雨條件下，土壤水分變化存在降雨入滲和降雨結(jié)束后再分布兩個(gè)階段。小范圍內(nèi)自然降水空間分布均勻，土壤水分空間分布主要受控于雨后土壤水分再分配[14]。再分配的土壤水分受重力和土壤吸力作用，濕潤(rùn)鋒緩慢下移，因此雨后不同時(shí)間測(cè)定的次降水入滲深度不同[15]。降雨強(qiáng)度、降雨量和土壤前期含水量等因素都會(huì)影響土壤水分入滲過(guò)程[16]。研究區(qū)人工林植被立地條件為低平緩坡，降雨入滲階段以垂直入滲為主。小雨量降雨大部分耗散于土壤蒸發(fā)，入滲深度較淺，當(dāng)降雨量超過(guò)一定臨界值時(shí)才發(fā)生下滲。通過(guò)對(duì)降雨前后油松林地剖面土壤含水量變化的觀測(cè)和分析，2次測(cè)定剖面的土壤含水量的交點(diǎn)即為次降水的入滲深度，最大降雨深度可能出現(xiàn)在幾次較大連續(xù)降雨之后，2次測(cè)定的土壤剖面儲(chǔ)水量之差即為入滲量[15]。

2016年為豐水年，7月下旬到8月中旬出現(xiàn)了連續(xù)降雨。降雨后，氣溫降低，蒸騰量下降，表層土壤首先得到補(bǔ)償，水勢(shì)差引起高含水土層水分的下移，入滲1 h后濕潤(rùn)鋒下移至40 cm，土壤儲(chǔ)水量增加10.75 mm；入滲26 h后的土壤剖面含水量曲線與入滲72 h后的剖面含水量曲線在90 cm深度處相交，濕潤(rùn)鋒繼續(xù)向土水勢(shì)較低的深層土層移動(dòng)，一直向下推移至110 cm，土壤儲(chǔ)水量增加79.41 mm(圖1)。3次入滲時(shí)間間隔內(nèi)均有降雨，3次入滲采樣的土壤剖面含水量極差分別為3.54%、12.28%、12.23%。為進(jìn)一步說(shuō)明土壤含水量的垂直剖面變化，用變異系數(shù)表示降雨對(duì)剖面土壤水分的影響程度。從表2可以看出，不同深度土壤含水量的變異程度受降雨入滲影響有明顯差異，隨土層深度增加，變異系數(shù)呈明顯降低趨勢(shì)。0～30 cm土層范圍內(nèi)，土壤含水量變異系數(shù)比其它土層大，為強(qiáng)變異；300 cm深度處，變異系數(shù)最小，為0.08；其他層為中等變異。

2.2 自然狀況下人工林植物水分虧缺與補(bǔ)償特征

植物生長(zhǎng)的最適宜含水量為田間持水量的60%，低于這一含水量，植物生長(zhǎng)會(huì)受到一定的脅迫，或者說(shuō)植物水分虧缺[13]。本文采用植物水分虧缺度和植物水分補(bǔ)償度來(lái)分析試驗(yàn)地植物水分虧缺的補(bǔ)償與恢復(fù)。植物水分虧缺度與土壤田間持水量和土壤實(shí)際貯水量有關(guān)，用來(lái)反映雨季前土壤貯水的虧缺程度，也可反映雨季末土壤貯水虧缺的恢復(fù)程度。植物水分補(bǔ)償度與雨季降雨量、入滲深度及雨季初土壤

貯水量有關(guān)，如果雨季末土壤貯水增量△W≤0，則植物水分補(bǔ)償度CPW≤0，表示土壤水分虧缺在雨季后未得到補(bǔ)償，甚至出現(xiàn)負(fù)補(bǔ)償；如果補(bǔ)償度CPW等于100%，則表明土壤水分虧缺得以完全補(bǔ)償與恢復(fù)[17]。

圖1 不同入滲時(shí)間土壤水分的剖面變化

土層深度/cm最小值/%最大值/%均值/%標(biāo)準(zhǔn)差/%Cv偏度峰度105.2118.5212.736.760.53-0.24-4.63204.9418.8211.876.910.580.00-5.10305.1316.469.644.980.521.110.74605.6111.158.102.690.330.27-4.19905.727.816.741.200.180.00-5.981206.168.737.341.260.170.20-4.501506.648.477.800.800.10-1.522.602006.658.507.710.870.11-0.51-2.802507.3111.538.771.930.221.491.933007.669.138.150.680.081.562.21

從圖2可以看出，人工油松林和撂荒地土壤水分均有不同程度的虧缺，油松林地與撂荒地0～300 cm植物水分虧缺度垂直剖面變化走勢(shì)相似，虧缺度隨土層深度增加均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。雨季初撂荒地植物水分虧缺度高于油松林地，這可能是由于6月氣溫回升較快，風(fēng)力較大，加之植物進(jìn)入生長(zhǎng)初期，土壤水分消耗量增大，而油松林表層約15 cm厚的枯枝落葉層能有效減少表層土壤水分的蒸散消耗。撂荒地0～90 cm土層平均虧缺度高達(dá)42.43%，虧缺度隨土層深度增加變異性較大；290～300 cm虧缺度降至最低，平均值為9.65%。油松林0～90 cm植物水分虧缺度變異性較撂荒地小，平均值為26.46%，隨土層深度增加，虧缺度呈緩慢降低趨勢(shì)；200～270 cm土層范圍內(nèi)平均虧缺度最低，為13.27%；270 cm深度以下虧缺度略有升高。

雨季后，土壤水分得到一定補(bǔ)充，油松林與撂荒地植物水分補(bǔ)償度隨深度增加呈先急劇下降后波動(dòng)上升趨勢(shì)。0～30 cm土層油松林地和撂荒地的植物水分補(bǔ)償度分別為144.22%、135.42%，30～60 cm土層補(bǔ)償度急劇降低，油松林地補(bǔ)償度最大下降幅度為132.70%，撂荒地為105.58%。油松林在90～190 cm土層范圍內(nèi)出現(xiàn)低補(bǔ)償范圍，平均補(bǔ)償度為3.21%，造成此現(xiàn)象的原因可能是油松屬深根性喬木，根系分布區(qū)域耗水較多，且下層土壤受降雨補(bǔ)給影響較小，土壤含水量降低。200～300 cm土層范圍內(nèi)補(bǔ)償度呈先增大后降低趨勢(shì)，平均補(bǔ)償度為24.83%，且250 cm深度處為其轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這可能是因?yàn)?50 cm以下土層土壤水分在土水勢(shì)作用下向上運(yùn)移，從而進(jìn)一步加劇了深層土壤水分虧缺。撂荒地120～250 cm土層為低補(bǔ)償范圍，平均補(bǔ)償度為5.16%，并在210 cm深度處出現(xiàn)負(fù)補(bǔ)償，250～300 cm土層范圍內(nèi)補(bǔ)償度再次升高，平均補(bǔ)償度為25.87%。

2.3 不同土層土壤水分有效性評(píng)價(jià)

根據(jù)土壤水分對(duì)植物生長(zhǎng)的有效性原理，按照凋萎濕度、生長(zhǎng)阻滯持水量和田間持水量對(duì)土壤水分進(jìn)行有效性分級(jí)[18-19]。低于穩(wěn)定凋萎濕度的土壤水分為無(wú)效水，土壤中的這部分水分不能為植物吸收利用。田間持水量是土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量，是大多數(shù)植物可利用的土壤水上限。土壤含水量高于田間持水量時(shí)，多余的水分不能被毛管所吸持，受重力作用沿土壤的大孔隙向下滲透，這部分受重力支配的水稱為重力水。生長(zhǎng)阻滯持水量是田間持水量的60%，從植物生長(zhǎng)的角度看，當(dāng)土壤含水量低于生長(zhǎng)阻滯持水量時(shí)，植被生長(zhǎng)將受到一定的影響。難效水是指從穩(wěn)定凋萎濕度到生長(zhǎng)阻滯持水量的土壤水分，植物需要克服較大基質(zhì)吸力才能從土壤中吸收水分，難效水對(duì)植物生長(zhǎng)的阻滯性的大小與含水量的多少有關(guān)，含水量越少，阻滯性越大。易效水對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育不會(huì)造成水分脅迫。植物吸收利用中效水，在一定程度上會(huì)受土水勢(shì)的影響[20]。

圖2 植物水分虧缺度與補(bǔ)償度垂直剖面變化

本研究表明，人工油松林地土壤含水量均低于田間持水量，各土層土壤水分基本都處于難效水狀態(tài)(表3)，油松林吸收土壤中水分會(huì)不同程度地受到抑制。雨季初油松林地0～30 cm土層土壤含水量均低于穩(wěn)定凋萎濕度，為無(wú)效水。若持續(xù)干旱，油松林地60～120 cm土層土壤水分易由難效水下降為無(wú)效水。撂荒地雨季初0～120 cm土壤水分有效性均呈現(xiàn)為無(wú)效，120～300 cm為難效，250～300 cm土層土壤水分接近中效水。撂荒地與油松林地土壤水分有效性存在一定差異。油松林地120～300 cm土層土壤含水量均低于撂荒地，難效水對(duì)油松林的阻滯作用較撂荒地大，油松生長(zhǎng)狀況較差。在水分消耗期，表層0～30 cm土層土壤水分有效性易由中效變?yōu)闊o(wú)效，甚至由易效變?yōu)闊o(wú)效。在生長(zhǎng)季隨耗水延續(xù)，油松林逐漸消耗深層土壤水分，200～300 cm土層土壤難效水對(duì)油松利用土壤中水分的阻滯作用變大。受雨季降水影響，僅0～120 cm土層土壤水分有效性呈現(xiàn)一定變化，120～300 cm土層土壤水分有效性一直呈現(xiàn)難效。油松林0～30 cm土層土壤水分的有效性有所提高，由雨季初的無(wú)效恢復(fù)為易效。撂荒地0～60 cm土層土壤水分有效性恢復(fù)為中效，60～120 cm土層土壤水分有效性恢復(fù)為難效。

表3 土壤水分有效性評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

自然條件下降雨后，人工林土壤水分最大入滲深度達(dá)140 cm。按變異程度，油松林土壤剖面含水量大致可分為速變層(0～30 cm)、活躍層(30～120 cm)和次活躍層(120～300 cm)，參與土壤水分循環(huán)的速變層和活躍層大致在0～120 cm。速變層土壤含水量變化最劇烈，最大入滲深度為活躍層土壤含水量變化劇烈的下限。

雨季初人工油松林和撂荒地植物水分虧缺度隨土層深度增加呈降低趨勢(shì)，植物水分虧缺與補(bǔ)償度的變化主要發(fā)生在降雨的最大入滲深度范圍以內(nèi)，2種植被0～120 cm土層植物水分虧缺度變異性較大。雨季后，油松林和撂荒地分別在0～30 cm土層、 0～40 cm土層范圍內(nèi)植物水分虧缺得到完全補(bǔ)償與恢復(fù)，且仍有富余土壤水分向下運(yùn)移補(bǔ)償，50 cm以下土層范圍內(nèi)土壤植物水分虧缺得不到完全補(bǔ)償，甚至出現(xiàn)負(fù)補(bǔ)償。因此要使試驗(yàn)地人工林植物水分虧缺狀況得到改善，單純依賴該區(qū)的天然降水是達(dá)不到的。

人工油松林地土壤水分基本呈難效水狀態(tài)，土壤水分缺乏對(duì)油松林生長(zhǎng)具有嚴(yán)重抑制作用。對(duì)照樣地撂荒地0～120 cm土層土壤含水量低于油松林，土壤水分呈無(wú)效水狀態(tài)，但120～300 cm土層土壤水分明顯高于油松林地，說(shuō)明人工林一方面對(duì)淺層土壤具有涵養(yǎng)水源的功效，另一方面也加劇了深層土壤水分的消耗。為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)土壤水資源可持續(xù)利用，在今后植樹(shù)造林過(guò)程中應(yīng)注重淺根性植被和灌草植被的建設(shè)。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

Dynamic Changes in Water Consumption and Supply of Soil in ArtificialPinustabuliformisLand

WANG Ling, FENG Xiang-xing, LIU Geng, NIU Jun-jie*

(Institute of Historical Geography and Environmental Change, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619, China)

To explore the influence of rainfall on the soil moisture of artificial forest, the author monitored the soil moisture of artificial forest vegetations in loess hilly area. The result showed that: under the natural conditions, the maximum depth of rainfall infiltration was 140 cm in this area. After the rainfall during the rainy season, the water deficit in 0～30 cm and 0～40 cm soil layer of bothPinustabuliformisforest land and wasteland was completely compensated; while the water deficit in the deeper soil layer could not be fully recovered only by the rainfall. The water in the soil profile of artificial forest land and wasteland was generally difficult to be absorbed, and soil moisture had a certain inhibitory effect on the growth of vegetation. Meanwhile, rainfall could improve the water availability within its maximum infiltration depth of soil layer.

Soil water deficit; Rainfall; Artificial forest; Loess hilly area

2016-12-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“晉西北生態(tài)重建優(yōu)勢(shì)種林地土壤水分研究：以沙棘和檸條為例”(41171423)、“顧及污染物向異 性特征的土壤有機(jī)污染物三維空間分布預(yù)測(cè)方法研究”(41401236)。

王玲(1992─)，山西武鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)恢復(fù)。*通訊作者：?？〗堋?/p>

S152.7

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1001-8581(2017)03-0080-05