晉西黃土區(qū)不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤水分的影響

　　摘要：為明確不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤水分的影響，采用土鉆法在2019年和2020年4—10月定期對(duì)晉西黃土區(qū)人工油松林地、荒草地、農(nóng)地0—10m土層的含水量進(jìn)行了觀測(cè)研究。結(jié)果表明：(1)人工油松林地0—10m土層的蓄水量為1281.13mm，荒草地為1712.85mm，農(nóng)地為1804.77mm。油松林地較荒草地和農(nóng)地多消耗431.72，523.64mm的水分，且多消耗的土壤水分主要來(lái)源于深層土壤。(2)3個(gè)土地利用類(lèi)型0—10m土層含水量的垂直變化可以劃分為土壤水分劇烈變化層、弱變化層和穩(wěn)定變化層，各層的含水量隨時(shí)間的變化也不盡相同。(3)油松林根系的直接吸水深度為5.4m，影響深度可達(dá)10m土層以下，農(nóng)作物的吸水深度為4.2m，影響深度可達(dá)8m土層以下。對(duì)研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦、交通便利的地方可種植農(nóng)作物，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè);而針對(duì)油松林地土壤含水量低的現(xiàn)象，可采取適當(dāng)水分管理措施降低林地耗水。

　　關(guān)鍵詞：水土保持林;土壤水分;耗水量;黃土高原

　　黃土高原作為我國(guó)生態(tài)脆弱和水土流失嚴(yán)重的地區(qū)，為了治理水土流失，國(guó)家展開(kāi)了大規(guī)模的退耕還林工程[1-2]。但由于黃土高原降水量少且分布不均[3-4]，大規(guī)模植被恢復(fù)消耗大量的土壤水分[5-6]，使林地經(jīng)常處于土壤水分虧缺狀態(tài)[7-8]，進(jìn)而影響到林地的水文過(guò)程[9-10]，造成土壤干層范圍不斷擴(kuò)大[11-12]�？梢�(jiàn)，如何協(xié)調(diào)植被與土壤水分的關(guān)系已成為黃土高原地區(qū)及干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)與重建的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　目前，對(duì)土壤水分的研究多集中在不同地類(lèi)與土壤水分的關(guān)系方面。黃艷麗等[13]研究了人工刺槐林地和天然林對(duì)水分含量的影響后指出，刺槐林地和天然林地0—1.2m土層土壤水分差異較大，天然林地的含水量顯著高于刺槐林地;趙榮瑋等[14]研究了不同地類(lèi)的耗水量后指出，人工刺槐林地0—2m土層的耗水量最大，人工側(cè)柏林地次之，刺槐側(cè)柏混交林地最小;胡波等[15]研究了果園與人工林地之間含水量的差異指出，蘋(píng)果園的土壤水分優(yōu)于油松林地和刺槐林地。

　　這些研究多集中于不同林地含水量之間的對(duì)比，且研究的土層范圍多集中于淺層，而對(duì)農(nóng)地、荒草地、人工林地深層土壤水分狀況的對(duì)比研究并不多見(jiàn)。深層土壤水分作為植被生長(zhǎng)利用的儲(chǔ)備水資源，在植被應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期干旱等極端氣候事件中起著至關(guān)重要的作用[16-18]。林木對(duì)深層土壤水分的利用和影響程度，是科學(xué)評(píng)價(jià)黃土高原地區(qū)大面積退耕還林生態(tài)效益的關(guān)鍵。長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)深層土壤水分動(dòng)態(tài)變化，對(duì)黃土高原土壤水庫(kù)的評(píng)估及植被建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展尤為重要[19]。

　　為此，本文以晉西黃土區(qū)人工油松林地、農(nóng)地、荒草地為研究對(duì)象，在2019年和2020年的4—10月采用土鉆法對(duì)山西吉縣蔡家川流域3個(gè)土地利用類(lèi)型0—10m土層的土壤含水量進(jìn)行測(cè)定，比較人工油松林地、農(nóng)地、荒草地對(duì)0—10m土層水分的消耗和利用狀況，探討土壤水分動(dòng)態(tài)和垂直變化，以期為黃土高原水土保持植被恢復(fù)的土壤水文效應(yīng)評(píng)價(jià)提供參考和依據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)概況

　　研究區(qū)位于山西省吉縣蔡家川流域(110°39′45″—110°47′45″E，36°14′27″—36°18′23″N)，海拔900～1513m，多年平均降水量575.9mm，研究期間的降水量。多年平均蒸發(fā)量1723.9mm。平均氣溫10℃，無(wú)霜期172天。該地區(qū)屬于典型的黃土梁狀丘陵溝壑區(qū)，褐土，黃土母質(zhì)。主要土地利用類(lèi)型有林地、農(nóng)地、荒草地、果園等，植被類(lèi) 型有次生林、人工油松林和刺槐林等。

　　1.2研究方法

　　1.2.1土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集

　　在研究區(qū)內(nèi)選擇有代表性的人工油松林地、荒草地、農(nóng)地為觀測(cè)樣地，各樣地均位于坡中部。在2019—2020年生長(zhǎng)季(4—10月)期間，每月下旬在各樣地利用土鉆法測(cè)定含水量，取樣深度為0—10m土層，0—100cm土層內(nèi)每隔10cm取樣，100—1000cm土層內(nèi)每隔20cm取樣，每層采集3個(gè)土樣分別裝入鋁盒，帶回實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)重后放入烘箱，在105℃條件下烘24h至恒重，計(jì)算土壤質(zhì)量含水量。

　　同時(shí)用MS2000激光粒度儀測(cè)定土壤粒徑組成，土壤粒徑分級(jí)根據(jù)美國(guó)制分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，即砂粒(粒徑0.05～2mm)、粉粒(粒徑0.002～0.05mm)和黏粒(粒徑0～0.002mm)。路遠(yuǎn)等[20]對(duì)黃土高原溝壑區(qū)0—6m土層容重進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，2m以下土層的容重基本保持不變，因此本研究使用100cm3的環(huán)刀測(cè)定0—200cm土層的容重。黃土高原地區(qū)2m以下土層的毛管孔隙度變化不大[21]，因此本研究使用100cm3的環(huán)刀測(cè)定0—200cm土層的毛管孔隙度。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1不同土地利用類(lèi)型土壤質(zhì)地

　　油松林地、農(nóng)地、荒草地的剖面土壤平均黏粒含量變化范圍分別為2.41%～4.71%，3.22%～5.71%，2.36%～5.91%，平均粉粒含量變化范圍為26.25%～54.84%，28.76%～45.55%，23.17%～50.26%，平均砂粒含量變化范圍為40.44%～70.5%，49.62%～67.74%，45.19%～74.47%。油松林地、農(nóng)地、荒草地0—2m土層的容重變化范圍分別為1.11%～2.20%，1.15%～1.55%，1.22%～1.31%，毛管孔隙度變化范圍分別為50.50%～54.97%，41.56%～51.94%，49.58%～52.22%。

　　2.2不同土地利用類(lèi)型0-10m土層蓄水量

　　農(nóng)地的蓄水量最高，達(dá)1804.77mm，而油松林地的蓄水量最低，只有1281.13mm，荒草地的蓄水量介于農(nóng)地和油松林地之間，為1712.85mm，可見(jiàn)，油松林地耗水量最高。經(jīng)方差分析得出，荒草地、農(nóng)地、油松林地蓄水量差異顯著(P<0.05)。通過(guò)對(duì)比油松林地、荒草地、農(nóng)地的蓄水量可以發(fā)現(xiàn)，油松林地較農(nóng)地多消耗523.64mm的土壤水分，較荒草地多消耗431.72mm。

　　2.3不同土地利用類(lèi)型土壤水分的垂直分布

　　荒草地0—0.8m土層的含水量最低，僅為9.71%，分別比油松林地和農(nóng)地低2.57個(gè)百分點(diǎn)和2.81個(gè)百分點(diǎn)。而在0.8—4m土層，荒草地的含水量最高，為12.02%，分別比油松林地和農(nóng)地高2.37個(gè)百分點(diǎn)和1.80個(gè)百分點(diǎn)，4—10m土層中，含水量隨深度呈雙峰型變化，2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在6.8—7，9.8—10m處，含水量分別為13.40%和14.46%。油松林地的含水量隨土層深度的增加不斷減小，油松林地0—2.6m土層的含水量為11.07%，與農(nóng)地的含水量(11.06%)十分相近。

　　在2.6—10m土層中，油松林地含水量最低，僅為8.82%，分別比農(nóng)地和荒草地低2.88個(gè)百分點(diǎn)和3.37個(gè)百分點(diǎn)。農(nóng)地的含水量隨土層深度的變化呈現(xiàn)出先減少后趨于穩(wěn)定再增加的趨勢(shì)，在0—1.4m土層中，農(nóng)地含水量不斷減小，由13.55%減小到10%，在1.4—8m土層中，土壤含水量隨土層深度的變化較小，平均土壤含水量為10.66%，而在8—10m土層，農(nóng)地土壤含水量急劇增大，含水量極差為3.19%。

　　3討論

　　隨著“退耕還林”工程的實(shí)施，黃土高原的水土流失得到顯著緩解，但深根系植被的高密度栽植影響土壤水分狀況。在本研究中，油松林地的土壤蓄水量顯著小于農(nóng)地和荒草地(P<0.05)，這與前人[29-30]的研究結(jié)果一致，表明人工植被消耗大量的土壤水，加劇土壤干燥化，甚至導(dǎo)致干層的形成[31-32]。不同土地利用類(lèi)型的含水量除受植被耗水影響之外，也與剖面土壤顆粒組成有關(guān)，土壤顆粒組成調(diào)控土壤對(duì)水分的保持能力[33]。

　　經(jīng)皮爾遜相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，3個(gè)土地利用類(lèi)型的含水量與黏粒含量、粉粒含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，3種土地利用類(lèi)型的土壤含水量受土壤顆粒含量的影響較大，這已在前人[34]的研究得到驗(yàn)證。荒草地、油松林地和農(nóng)地的土壤含水量和變異系數(shù)隨土層深度的變化各異�；牟莸氐暮�水量隨土層深度的增加不斷增大，變異性逐漸減小，這表明荒草地主要消耗和利用淺層土壤水分。植物對(duì)土壤水分的利用深度與根系分布密切相關(guān)，荒草地的根系主要分布在表層土壤中[35]，因此荒草地對(duì)土壤水分的消耗主要集中在淺層土壤。

　　油松林地含水量隨土層深度的增加不斷減小，含水量的變異系數(shù)在0—5.4m土層范圍內(nèi)逐漸遞減，但5.4—10m土層的變異系數(shù)卻顯著高于1.6—5.4m土層，這充分說(shuō)明5.4—10m以下土層是油松林地土壤水分的調(diào)節(jié)層，當(dāng)5.4m以上土層中的水分被油松林吸收后，該層水分因向上補(bǔ)給而使含水量降低，其后更深層次的水分對(duì)該層水分再進(jìn)行補(bǔ)給，從而導(dǎo)致該層土壤水分含量的變化更為劇烈，保證1.6—5.4m土層含水量維持在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間，以維持油松林的正常生長(zhǎng)。這也許可以認(rèn)為油松林根系的直接吸水深度為5.4m，影響深度可達(dá)10m土層以下。

　　農(nóng)地含水量和變異系數(shù)在0—4.2m土層內(nèi)隨土層深度的增加而減小，在4.2—10m土層內(nèi)含水量隨土層深度的增加而增加，這說(shuō)明農(nóng)地主要利用0—4.2m土層的水分。農(nóng)地8—10m土層的含水量為13.93%，雖與荒草地的8.8—10m土層的含水量13.68%很接近，但變異系數(shù)卻高達(dá)19.43%。

　　因此，可以認(rèn)為農(nóng)作物的吸水深度為4.2m，影響深度可達(dá)8m土層以下。油松林和農(nóng)作物的耗水深度遠(yuǎn)大于根系分布范圍，可能是土壤水分在勢(shì)能和植物根系共同作用下的結(jié)果[36]，當(dāng)淺層土壤由于降雨被濕潤(rùn)，含水量較大，水分可以通過(guò)自身重力和根系向下層運(yùn)輸[37]，若表層土壤相對(duì)干旱缺水，影響植被正常生長(zhǎng)時(shí)，土壤水分在根系和上層的較干土層水勢(shì)梯度的共同作用下，自深層向淺層運(yùn)動(dòng)[38-39]，較深土層較干土層的水勢(shì)梯度又促使更深層水分的運(yùn)動(dòng)，這種情況下水分的運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，使得植被的耗水深度遠(yuǎn)大于根系的分布范圍。

　　在干旱半干旱的黃土丘陵溝壑區(qū)，降雨是影響土壤水分動(dòng)態(tài)變化的主要因素[40-41]。結(jié)合圖7土壤含水量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)土地利用類(lèi)型土壤水分劇烈變化層的含水量隨時(shí)間的變化較弱變化層和穩(wěn)定變化層更加劇烈，特別是在經(jīng)歷較大的月降雨后，3個(gè)土地利用類(lèi)型劇烈變化層的含水量出現(xiàn)不同程度的升高。但在2020年8月，經(jīng)歷較大降雨后，荒草地劇烈變化層的含水量并沒(méi)有明顯的升高。

　　這可能是因?yàn)椴煌�土地利用�?lèi)型的水土保持效果不同，油松林冠幅大，枯枝落葉層厚，根系發(fā)達(dá)，蓄水保土效果較好，玉米根系的生長(zhǎng)能使土壤緊實(shí)，增加土壤抗蝕性，而荒草地地上部分對(duì)降雨的攔截較少，根系較淺，在經(jīng)歷較大的降雨時(shí)會(huì)產(chǎn)生水土流失[42]，這使得荒草地蓄水能力弱，土壤含水量低。有研究[43-45]表明，土地利用類(lèi)型影響降雨在土壤中的再分配過(guò)程，即土地利用類(lèi)型是影響土壤水分分布格局的重要因子，這也在諸多研究中得到證實(shí)。

　　4結(jié)論

　　(1)3個(gè)土地利用類(lèi)型中，荒草地0—10m土層的蓄水量最高，農(nóng)地次之，油松林地最低，油松林地相較于荒草地和農(nóng)地多消耗的水分主要來(lái)源于深層土壤。(2)油松林根系的直接吸水深度為5.4m，影響深度可達(dá)10m土層以下，農(nóng)作物的吸水深度為4.2m，影響深度可達(dá)8m土層以下。(3)3個(gè)土地利用類(lèi)型0—10m土層含水量的垂直變化可以劃分為土壤水分劇烈變化層、弱變化層和穩(wěn)定變化層，各層土壤含水量隨時(shí)間的變化也不盡相同。(4)在未來(lái)進(jìn)行植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)赝寥浪�分條件，選擇合理的人工植被配置模式，以達(dá)到最大的林分效益。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉宥延，劉興元，張博，等.黃土高原丘陵區(qū)人工灌草生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能評(píng)估[J].水土保持學(xué)報(bào)，2020，34(3)：84-90，97.

　　[2]安文明，韓曉陽(yáng)，李宗善，等.黃土高原不同植被恢復(fù)方式對(duì)土壤水分坡面變化的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2018，38(13)：4852-4860.

　　[3]何娜娜，賈如浩，葉苗泰，等.黃土高原旱地蘋(píng)果園油菜間作對(duì)土壤大孔隙結(jié)構(gòu)的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2021，35(1)：259-264.

　　[4]高思遠(yuǎn)，張建軍，李梁，等.黃土區(qū)水土保持林地的蓄水動(dòng)態(tài)及雨水滲透深度[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2019，17(2)：17-26.

　　[5]GouQP，ZhuQK.ResponseofdeepsoilmoisturetodifferentvegetationtypesintheLoessPlateauofnorthernShannxi，China[J].ScientificReports，2021，11(1)：e15098.

　　[6]SuBQ，SuZX，ShangguanZP.Trade-offanalysesofplantbiomassandsoilmoisturerelationsontheLoessPlateau[J].Catena，2021，197(1)：e104946.

　　作者：施政樂(lè)1，張建軍1，2，3，4，申明爽1，劉暢1，胡亞偉1，徐勤濤1，李陽(yáng)1

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