寧夏中部干旱帶不同檸條種植模式對土壤水分的影響

馮立榮，張安東，左忠，王家洋，馬靜利

(1.中寧縣自然資源局，寧夏 中寧 755100； 2.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610065；3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 荒漠化治理研究所，寧夏 銀川 750002)

寧夏中部地區(qū)氣候干旱，生態(tài)系統(tǒng)單一，嚴(yán)重的荒漠化導(dǎo)致水土流失、沙塵暴時有發(fā)生。在干旱地區(qū)，土壤水分的含量是植物生長的最大限制因子，也是影響環(huán)境變異的最重要因素[1]。土壤水分的稀缺形成了寧夏地區(qū)灌木植被以檸條(CaranagakorshinskiiKom.)為主的獨(dú)特植被類型，因檸條具有耐旱、耐寒、耐貧瘠的特征，在干旱地區(qū)的防風(fēng)固沙、退耕還林、人工造林的生態(tài)建設(shè)中均選擇檸條作為主要的灌木樹種。

檸條屬于豆科錦雞兒屬落葉灌木。萌蘗力和再生能力極強(qiáng)、易繁殖[2]；根系發(fā)達(dá)，吸水能力強(qiáng)；抗逆性強(qiáng)，耐旱耐寒，還可以改善土壤的物理性質(zhì)[3]，增加土壤的肥力[4]。在東北、華北、西北地區(qū)均有大面積分布[5]。此外，檸條還具有一定的經(jīng)濟(jì)價值，可做蜜源、入藥以及薪炭，并且是一種食用蛋白質(zhì)來源[6]和飼料原料[7]。檸條林能防風(fēng)固沙、攔泥蓄水、減少地表徑流，但是隨著林齡的增長，檸條的根系過于龐大，冠幅不斷增加，使得植株的蒸騰作用加強(qiáng)，土壤的含水量嚴(yán)重不足[8]。本次試驗選擇不同密度的檸條林地進(jìn)行土壤水分的監(jiān)測分析，探討檸條林地的土壤水分變化情況。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究以寧夏中部干旱帶鹽池縣高沙窩鎮(zhèn)不同密度檸條林地為研究對象，探究不同檸條地的土壤水分動態(tài)變化。研究區(qū)位于104°17′～107°41′E， 36°06′～38°18′N，該區(qū)域日照充足，年平均日照時間長達(dá)2 846 h，晝夜溫差較大，降水量主要集中在7—9月，年降水量為185～400 mm，土壤水分的蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量，形成了半干旱的氣候類型[9]。研究區(qū)內(nèi)的人工灌木林多以檸條為主，約占造林總面積的60%以上，因此，開展相關(guān)監(jiān)測研究意義重大。

1.2 研究方法

由于當(dāng)?shù)貦帡l均采用人工帶狀補(bǔ)播的方式，因此，研究對象分別選擇了1行帶狀、行距為4 m的檸條地(以下簡稱1×4 m)；1行帶狀、行距為6 m的檸條地(以下簡稱1×6 m)；2行帶狀檸條、行距為8 m的檸條地(以下簡稱2×8 m)；3行帶狀檸條、行距為6 m的檸條地(以下簡稱3×6 m)；以及3行帶狀檸條、行距為10 m的檸條苜蓿間種地(以下簡稱3×10 m)。由于播種后經(jīng)歷了多年的自然更新，因此，現(xiàn)有林帶中單位面積內(nèi)檸條灌木密度不盡相同，為準(zhǔn)確反應(yīng)單位面積現(xiàn)有存林密度，在各試驗樣地進(jìn)行5 m×5 m樣方調(diào)查，調(diào)查檸條在樣方內(nèi)的株數(shù)，進(jìn)而計算出現(xiàn)有植株密度。植株密度=株數(shù)/25 m2。每個樣方3次重復(fù)，取其平均值，由此得出1×4 m處理的植株密度為0.08株·m-2；1×6 m植株密度0.12株·m-2；2×8 m植株密度為0.16株·m-2；3×6 m植株密度為0.56株·m-2；3×10 m的植株密度為0.76株·m-2。上述監(jiān)測對象均是當(dāng)?shù)貦帡l種植可能出現(xiàn)的造林模式及造林密度，其中以3×6 m處理最為常見。

本次試驗所用的土壤水分監(jiān)測儀器為德國產(chǎn)HD2型便攜式土壤剖面水分速測儀(Time-Domain Reflectometry，TDR)，測試前將2 m的TDR水分探測管布設(shè)在不同密度檸條地的株距和行距中間位置，自2017年1月開始至11月結(jié)束，分別于每月中旬測定不同林帶0～2.0 m的土壤水分含量[8]，在0～2.0 m的梯度下每隔0.2 m測定一組數(shù)值，通過GraphPad Prism6軟件分析測定數(shù)據(jù)，比較各種植密度的土壤水分含量，根據(jù)生物統(tǒng)計學(xué)分析導(dǎo)致含水量差異性的原因。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量與季節(jié)變化的相關(guān)性

2.1.1 林帶間土壤水分不同季節(jié)變化規(guī)律

2017年1—11月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明，各監(jiān)測區(qū)域檸條地土壤水分普遍較低，由圖1各檸條地的林帶間土壤水分分析表明，2017年各季節(jié)土壤水分隨著檸條密度增加含水量呈降低趨勢，由高到低分別為1×4 m(0.08株·m-2)檸條地、1×6 m(0.12株·m-2)檸條地、2×8 m(0.16株·m-2)檸條地，以及3×10 m(0.76株·m-2)和3×6 m(0.56株·m-2)檸條地。這可能因為3×6 m(0.56株·m-2)檸條地屬于退耕還林地，植被覆蓋率相對較高，植株冠幅較大、根系較多，不同植被的蒸騰作用以及地表揮發(fā)，使得退耕還林地的含水量嚴(yán)重不足；而密度為1×4 m(0.08株·m-2)的檸條地主要以檸條為主，檸條密度較低，種植時間較長，并且該地區(qū)土壤有較厚的蓋基層，減緩了水分的滲透，使得水分大量儲存，因此，該地區(qū)土壤水分明顯高于其他地區(qū)。

圖1 不同季節(jié)檸條林帶間土壤含水量變化規(guī)律

對不同密度檸條地全年水分變化的趨勢進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)：2017年1月份土壤水分平均明顯低于其他月份，可能是由于寧夏地區(qū)1月氣溫較低，土層結(jié)冰，導(dǎo)致數(shù)值偏低；除此之外不同密度的檸條7月份土壤水分明顯低于其余月份。

2.1.2 植株間土壤水分不同季節(jié)變化規(guī)律

試驗設(shè)計通過在檸條株距中間布設(shè)TDR管監(jiān)測植株間的土壤水分，以0～2.0 m的垂直水分平均值為不同季節(jié)的水分(圖2)。1×6 m(0.12株·m-2)的檸條地植株間土壤水分最高，最高達(dá)12.97%；1×4 m(0.08株·m-2)的檸條地植株間土壤水分次之，植株間土壤水分最低的仍然為3×6 m(0.56株·m-2)的檸條退耕還林地。

圖2 不同季節(jié)檸條植株間土壤含水量變化規(guī)律

不同檸條地植株間的全年含水量波動幅度不大，其中1月份土壤水分最低，7月份土壤水分次之，與林帶間的土壤水分變化趨勢一致(圖1、圖2)，但不同檸條地的植株間土壤水分低于林帶行間土壤水分，主要原因在于植株間密度過大，且檸條冠幅較大，導(dǎo)致植株間的土壤水分被蒸騰作用揮發(fā)，加上樹冠對降雨的截流作用，導(dǎo)致該區(qū)域的土壤水分較低，且植株距的土壤水分與檸條的冠幅和種植年限存在很大相關(guān)性。

2.2 土壤水分垂直分布的規(guī)律

2.2.1 不同檸條地林帶間水分垂直分布特征

林帶間土壤水分與土層深度存在較大相關(guān)性(圖3)。1×4 m(0.08株·m-2)檸條地呈現(xiàn)出先升高再降低再升高再降低的變化趨勢，在0.8～1.2 m深度土壤水分增加，貯存大量水分，其中1.2 m深度土壤水分達(dá)22.52%，明顯高于其余深度的土壤水分，其主要原因在于該地區(qū)在1.2 m處土壤存在明顯的斷層現(xiàn)象，鈣積層較厚，減緩了水分下滲的速度；1×6 m(0.12株·m-2)的檸條地全年土壤水分在0～2.0 m的變化趨勢為0～0.2 m升高，0.2～1.2 m基本保持平穩(wěn)、1.2 m深度后逐漸下降；2×8 m(0.16株·m-2)土壤水分呈現(xiàn)先降低后升高趨勢，在0～0.2 m深度土壤水分達(dá)11.29%，隨后逐漸下降至1.0 m深度的5.37%，1.0～1.8 m深度土壤水分逐漸升高，1.8 m深度處土壤水分達(dá)13.92%；3×6 m(0.56株·m-2)檸條退耕還林地林帶間土壤水分明顯低于其它處理，土壤水分在0.2～0.6 m逐漸升高，由4.53%升高至7.2%，該地區(qū)存在輕微鈣積層，導(dǎo)致0.6 m處含水量較高，0.8 m深度土壤水分為4.55%，明顯降低，隨后含水量隨深度的加深逐漸呈上升趨勢；3×10 m(0.76株·m-2)0～2.0 m深度的土壤水分在0.2～0.8 m較高，在0.8 m之后土壤水分逐漸下降，深層土壤旱化嚴(yán)重。

圖3 不同種植模式林帶間土壤含水量垂直分布

2.2.2 不同檸條地植株間水分垂直分布特征

通過對不同檸條地植間土壤水分垂直規(guī)律分析表明，植株間的土壤水分垂直分布規(guī)律與林帶行間存在一定相似性(圖4)，1×4 m(0.08株·m-2)的植株間水分在0～2.0 m深度的垂直分布呈現(xiàn)升高—降低—升高—降低—升高趨勢，其中1.4 m處土壤水分達(dá)19.61%；1×6 m(0.12株·m-2)的植株間水分垂直分布在0.2～1.0 m波動較大(升高—降低—升高—降低)，1.0～2.0 m土壤水分波動幅度平緩；2×8 m(0.16株·m-2)植株間土壤水分垂直分布主要表現(xiàn)為升高—降低—升高趨勢，該地區(qū)土壤水分在1.6～2.0 m區(qū)間貯存，含水量相對豐富；3×6 m(0.56株·m-2)退耕還林地土壤垂直分布波動幅度小，無明顯變化；3×10 m(0.76株·m-2)表現(xiàn)為升高—降低趨勢，但波動幅度較小，土壤水分在0.2～1.2 m相對豐富，1.2～2.0 m土壤水分相對降低。

圖4 不同種植模式植株間土壤含水量垂直分布

2.3 土壤水分變化的差異分析

寧夏鹽池地區(qū)地處寧夏中部干旱帶，檸條作為主要抗干旱灌木，在寧夏地區(qū)大面積種植，通過對不同檸條地的土壤水分監(jiān)測，并對2017年全年土壤水分進(jìn)行差異性分析表明，如圖5所示，不同種植密度的檸條地植株間的土壤水分均小于林帶間的土壤水分。其主要原因在于該地區(qū)檸條種植較密，多為2行檸條(2×8 m)或者3行檸條(3×6 m、3×10 m種植，檸條較為集中，因此，蒸騰作用較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致高沙窩地區(qū)檸條地植株間的土壤水分消耗較大。1×6 m(0.12株·m-2)種植的檸條冠幅較大但植株少，檸條行間距較大，導(dǎo)致土壤裸露較為嚴(yán)重，地表行間土壤水分損失較大，使得檸條地株距含水量大于行距含水量。對株行距的土壤水分進(jìn)行統(tǒng)計分析，高沙窩地區(qū)檸條間作苜蓿的退耕還林地土壤水分明顯低于其余檸條地，且均有顯著性差異；土壤水分與檸條種植密度存在正相關(guān)性，隨著種植密度增加土壤水分逐漸減少。由此可見，選擇1×4 m或者1×6 m的低密度種植模式可有效防止干旱區(qū)土壤水分流失，并可以很好地防風(fēng)固沙。

圖5 不同種植模式植株間土壤水分垂直分布特征

3 小結(jié)與討論

寧夏中部干旱帶土壤水分主要受地表蒸發(fā)、大氣降雨及植物生長節(jié)律的影響，土壤中的儲水量受地層結(jié)構(gòu)、土壤類型、植物類型、植物生長密度等影響較大。為了研究寧夏干旱地區(qū)的土壤水分變化規(guī)律，以檸條林地為研究對象，通過布設(shè)2.0 m深的TDR管探究不同檸條地的土壤水分變化。2017年的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，隨著檸條生長年限增長，土壤水分逐漸降低，以3×6 m(0.56株·m-2)檸條退耕還林地為例，該地區(qū)檸條種植時間較長，土壤得到進(jìn)一步改善，但地表植被覆蓋較多，導(dǎo)致植物耗水較為嚴(yán)重，土壤水分明顯低于其余種植密度的檸條地。同時土壤水分的變化與檸條地的種植密度相關(guān)，分析表明，采用單行種植方式可有效防風(fēng)固沙，且具有一定的保水性，1×4 m、1×6 m單行種植模式的土壤全年含水量明顯高于2×8 m、3×6 m、3×10 m等多行種植模式，能有效的降低土壤旱化，長期保持土壤水分的動態(tài)平衡，對保持檸條林地生物多樣性作用突出。檸條作為寧夏中部干旱帶的主要灌木樹種，造林建議以1×4 m或1×6 m為佳，既可起到防風(fēng)固沙、改善生態(tài)環(huán)境、改良土壤的作用，又可有效保持土壤的水分平衡。在草原上營建檸條林，其主要功能是防風(fēng)固沙。本研究由于是對現(xiàn)有檸條林地的監(jiān)測調(diào)查，對林帶距離的監(jiān)測對象未能有更多的選擇。相關(guān)研究表明，在30h(即30倍的樹高)范圍內(nèi)，平均風(fēng)速分別可降低40%～50%[10]、0.11%[11]、20%[12]；(1～20)h，平均防護(hù)效能可達(dá)35.27%[10]，平均風(fēng)速降低50%～60%[13]；(18～25)h處相對風(fēng)速均在80%以上[14]。土壤水分嚴(yán)重影響著植物的生理活動[15]，通過篩選生長良好的耐旱植物與鄉(xiāng)土樹種[16]，是退化生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)之一。在寧夏中部干旱帶，檸條株高一般均在1.5 m以上。據(jù)此，從保護(hù)物種多樣性、減少林帶旱化、保證有效防護(hù)角度，林帶間距應(yīng)設(shè)置在30～45 m，或零星點綴種植為宜。