晋西北不同植被类型土壤水分亏缺特征*

王玲，刘庚，冯向星，牛俊杰

(太原师范学院历史地理与环境变迁研究所，山西 晋中 030619)

晋西北地处半干旱黄土丘陵区，该区水资源短缺、气候干燥、降水稀少，土壤水分不足已成为当地植被恢复与重建的关键影响因子[1-2]。自1998年起，国家在晋西北实施了大面积的退耕还林还草工程，取得了显著成效[3-4]。然而，该区域“低降水、高蒸发”的气候条件及植被恢复过程中配置不合理等原因，造成土壤含水量较低，甚至发育干层[5-6]，导致不同深度土层土壤水分出现亏缺现象[7-9]。目前国内外对不同土地利用方式、不同植被类型的土壤水分亏缺评价进行了相应研究[10-12]，也有学者对土壤水分亏缺评价的评价模型、评价指标等进行探究，提出土壤干化指数[13]、土壤水分相对亏缺指数和样地土壤水分相对亏缺指数[14-15]、土壤含水量与生长阻滞含水量的差值[16]、以及基于水分消耗的土壤干化指标[17]等土壤水分亏缺评价指标，在土壤水分亏缺的半定量化及定量化评价方面取得了较大进步。晋西北生态环境脆弱，对该区域开展不同植被类型土壤水分干层和土壤水分亏缺评价研究，具有重要意义[18]。

研究人工植被土壤水分时、空分布特征，对认识土壤水分亏缺状况、防止新的生态退化、成功实施生态环境建设和农林业发展具有重要现实意义。目前对晋西北不同植被类型、土壤水分垂直剖面分布规律和空间分布规律等方面已有相关研究[19]，但对晋西北不同植被类型0～600 cm典型人工林地土壤水分亏缺程度的评价及不同季节储水量特征的研究还比较鲜见。因此，本研究选择晋西北典型人工林地柠条林、油松林为研究对象，以撂荒地作为对照，分析不同植被土壤储水量剖面特征，定量评价不同植被类型5、7、9、11月0～600 cm土壤剖面水分亏缺现状，以期为同类地区生态建设和科学管理提供理论指导。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

研究区域位于晋西北的岚县岚城镇东河村，海拔高度约为1 287 m。岚县是汾河上游环境生态重点治理县，也是国家生态环境建设重点县。该区属温带大陆性气候，无霜期130 d，年平均气温6.8 ℃，极端最高气温36.4 ℃，最低为-30.5 ℃，年有效积温2 948 ℃，年均降雨量为400 mm，分配极不均匀，主要集中在7-9月，占全年降水总量的70%左右。受气候影响，该区代表性的植物有芦草(Phragmitesaustralis)、狗尾草(Setariaviridis)、锦鸡儿(Cartagenasinica)等，典型的人工植被有柠条(Cartagenakorshinskii)、小叶杨(Populussimonii)、油松(Pinustabuliformis)等。该县属于典型的半干旱黄土丘陵区，降水稀少、气候干旱等自然因素导致了诸多生态环境问题。

1.2　样点采集与分析

选取当地具有代表性的柠条、油松林地，以撂荒地为对照样地，样地均设在低缓坡地上。柠条林龄为13 a，平均树高1.5 m，冠幅约为2 m，柠条林地表层为杂草；油松林龄为15 a，平均树高10 m，平均冠幅3.5 m，油松林地表层有10～15 cm的枯落物层。该县12月初至次年4月上旬土壤处于冻土状态，因此选择该区2014年5、7、9和11月的22-26日在野外采集土壤样品，之所以选择这几个测定日是因为7、9和5、11月可以分别反映该区雨季和非雨季的土壤水分状况。土壤样品采用轻型人力钻采取，每种植被样地选3个样点进行重复采样，样品采集深度为0～600 cm，土壤样品间距为10 cm，共计2 160个样品。采用烘干法测定土壤含水量，烘干时间为24 h以上。储水量通过公式计算，田间持水量和土壤容重采用环刀法测定。表1为分层测定不同植被0～60 cm的土壤容重，60 cm以下同一植被类型的土壤质地基本一致，下层土壤取各植被0～60 cm土壤容重的平均值。降水数据来自研究区的气象站。

1.3　数据分析方法

1.3.1土壤储水量指土壤中含水的绝对数量即在一定厚度、一定面积土壤中所含水量相当于相同面积水层的厚度，一般可用水深表示。其计算公式为：

表1　不同植被类型土壤容重(平均值±标准误)Table 1　Volume weight of soil of different vegetation types

Wi=Mi×Di×h×10÷100

(1)

式中，Wi为土壤储水量(mm)；Mi为土壤含水量(%)；Di为土壤容重(g/cm3)；h为土层深度(cm)；i为土层序列。

1.3.2单个样地不同土层土壤水分相对亏缺程度通过土壤水分相对亏缺指数进行定量评价，其计算公式为[15]：

(2)

式中，CDi为不同林地第i土层土壤水分相对亏缺值；i为采样土层系列；Ci为对照样地即多年撂荒地第i层土壤含水量(%)；Wm为萎蔫系数(%)。

1.3.3不同样地间土壤水分相对亏缺程度通过样地土壤水分相对亏缺指数进行定量评价，其计算公式为[15]：

(3)

式中，PD为样地土壤水分相对亏缺指数；WCi为对照样地即多年撂荒地第i层土壤储水量(mm)；Wi为样地第i土层土壤储水量(mm)；Wwm为萎蔫系数对应的土壤储水量(mm)；k为样地土层的分层数。

1.3.4土壤有效储水量是指植物可利用的土壤水的上限与下限的差值。计算公式为[15]：

(4)

式中，EWi为第i土层土壤有效储水量(mm)；Fc为田间持水量(mm)；EW为土壤有效储水量(mm)。

1.3.5为量化分析不同植被恢复的土壤水分状况采用土壤水分相对亏缺量来表示，计算公式为[15]：

(5)

式中，DW为土壤水分相对亏缺量(mm)；WCi为对照地第i土层土壤储水量(mm)。

采用OriginPro8.0制图，利用SPSS17.0进行数据统计与分析。

2　结果与分析

2.1　不同植被类型土壤剖面储水量特征

2种人工林地与撂荒地不同季节土壤剖面储水量特征如图1所示。3种植被在不同季节的土壤储水量随土层深度增加有较明显的趋势特征，总体上表现出先降低后升高的规律，但土壤储水量变化随植被类型、月份变化也有差异。除5月外，不同植被类型0～60 cm深度范围内的土壤储水量随土层深度增加呈明显降低趋势，这是土壤水分的补给与消耗综合作用的结果。上层土壤受天然降水的直接补给，并从上向下渗透，同时表层土壤受植物蒸腾与土壤蒸发影响，水分消耗较快[20]。100～600 cm土层的土壤储水量变化随植被类型和月份不同而有一定差异性。柠条林地100～300 cm土层土壤储水量变化趋势因月份不同而有较大差异，整体表现为在雨季有所增加，在非雨季呈降低趋势或趋于稳定；柠条300～600 cm土层深度的土壤储水量在雨季7月、9月为升高趋势，而400～500 cm土层在5月和11月为波动性下降趋势。5月、11月油松林地0～60 cm土层土壤储水量低于柠条，7和9月该层土壤储水量均较柠条林地高； 60～500 cm土层深度的土壤储水量变化趋势与柠条接近，500～600 cm土层深度的土壤储水量整体呈降低趋势。撂荒地0～80 cm土层深度的土壤储水量为降低趋势，80～600 cm土层深度的土壤储水量为明显的升高趋势。

图1　不同植被类型在不同季节的土壤储水量Fig.1　Soil water content of different vegetation types in different seasons

2.2　不同植被类型的土壤储水量亏缺

为方便比较不同植被在不同季节土壤储水与亏缺状况，在研究区土地类型、采样深度和采样时间均相同的条件下测定不同季节土壤储水量，采取多样本取平均值法进行分析，增加数据的可信度。结果如表2所示。

从表2可以看出，在相同月份，不同植被类型的土壤储水量、土壤有效储水量差异均较大，而土壤储水量与有效储水量变化趋势基本一致，各月土壤储水量和土壤有效储水量均表现为：撂荒地>柠条>油松，撂荒地、柠条林、油松林的土壤有效储水量分别占土壤储水量的35.58%、10.05%、4.15%。撂荒地作为对照样地，其土壤储水量与土壤有效储水量均较高，这可能与撂荒地植被覆盖以草地为主，同期消耗土壤水分较少有关；土壤水分相对亏缺量表现为：油松>柠条>撂荒地，柠条、油松林地7月土壤水分相对亏缺量最大，分别为393.07 mm、452.34 mm。撂荒地除5月土壤水分相对亏缺外(亏缺量为19.57 mm)，其它月份土壤水分均有蓄积，这可能是由于5月气温快速回升，蒸发量较大，且降水稀少造成的；3种植被类型不同月份的土壤储水量均表现为：5月>11月>7月>9月。

2.3　同一植被类型不同土层的土壤水分亏缺评价

图2为2种人工林地剖面土壤水分相对亏缺指数。CDi值越大，表明土壤水分亏缺越严重，若值小于0，表示土壤水分没有亏缺。柠条、油松林地0～600 cm土层CDi剖面分布特征较为相似，0～280 cm土层范围内CDi值随土层深度增加波动较大，280～600 cm土层CDi值波动范围较小，土壤水分接近凋萎湿度，平均CDi高达0.92。柠条林地0～40 cm土层受降雨影响亏缺程度较轻，40～280 cm土层亏缺程度随深度增加而加剧，土壤水分出现严重亏缺的土层为140～250 cm，其次为260～360 cm；土壤水分出现严重亏缺的土层范围随月份变化而改变，不同月份的CDi值波动范围为-3.26～4.95， 5月200～400 cm土层土壤水分相对亏缺严重，7月上移到50～200 cm土层，8月又下移至140～260 cm土层，11月继续下移至160～290 cm土层；与其他月份相比，11月份土壤水分亏缺最严重。油松林地300 cm以下土层均存在水分亏缺现象，40～120 cm土层土壤水分亏缺程度较柠条林地低；5月、11月土壤水分亏缺程度相对较轻，CDi随土层深度增加而降低；7月、9月土壤水分亏缺随土层深度增加呈先增加后降低的趋势；5月0～70 cm土层土壤水分亏缺较严重，7月下移至40～140 cm土层，9月继续下移至110～240 cm，11月上移至0～150 cm。

表2　不同植被类型土壤储水量与降雨量Table 2　Soil water content of different vegetation types and rainfall　mm

图2　不同人工林土壤水分相对亏缺指数Fig.2　Compared soil water deficit index of different artificial forestland

2.4　不同植被类型的土壤水分相对亏缺特征

样地土壤水分相对亏缺指数适用于不同样地之间土壤水分亏缺程度的对比，PD值越大，表明样地土壤水分亏缺程度越高，若PD值小于0，则表明土壤水分有所补充。由表3不同植被类型PD值可以看出，柠条林地0～600 cm土层土壤水分整体呈亏缺状态，水分相对亏缺程度介于油松和撂荒地之间，0～100 cm土层相对亏缺程度最低，100～200 cm土层相对亏缺较严重，平均PD值达到0.24，柠条林地11月相对亏缺最严重。油松林地PD值随土层深度增加呈先减小后增大趋势，500～600 cm土层，水分相对亏缺程度达到最大，其原因可能是由于油松根系集中分布的土层耗水较多，土水势较低， 500～600 cm土层土壤水分在水势差作用下向上运移，且地下水埋藏较深，该深度土层土壤水分难以得到补给造成的。5～11月0～600 cm土层平均PD值为0.69，11月油松土壤水分相对亏缺较轻，是由于该时期植被已停止生长，土壤水分消耗降低。撂荒地7月土壤水分相对充足，从7月初到9月底，该时期植被生长耗水增量大，蒸发强烈，但天然降雨集中，土壤水分蓄积效应较强。撂荒地7月、9月PD值分别为-0.62、-0.13，0～100 cm土层范围内PD值分别为-0.78、-0.28，土壤水分不亏缺；5月、11月PD值接近零，分别为0.05、-0.04，土壤水分存在较轻的亏缺；撂荒地11月土壤水分亏缺主要集中在表层，0～100 cm土层范围内PD值最高，为0.11。

表3　不同植被样地土壤水分相对亏缺指数1)Table 3　Plot compared soil water deficit index of different vegetation types

1)PDa- PDf分别代表0～100，100～200，200～300，300～400，400～500，500～600 cm土层深度的PD值。

3　讨　论

1)3种植被0～100 cm土层深度的土壤储水量变化差异较大，其主要原因是浅层土壤易受降雨入渗、植物强烈的蒸腾作用等影响[21]，造成不同植被不同季节在该深度土层的土壤储水量变化范围较大。文中研究结果显示，100～600 cm深度范围内，撂荒地土壤储水量明显高于柠条、油松林地； 500～600 cm深度范围内，柠条林储水量高于油松林，且油松林地在该层的土壤储水量变化均为降低趋势。从土壤储水量剖面变化特征来看，撂荒地主要消耗0～80 cm深度的土壤水分，深层土壤水分均有蓄积；柠条林地耗水深度达400 cm；油松林耗水深度已超过600 cm。3种植被5月0～300 cm土层深度的土壤含水量略高于其他季节，其原因可能与该区土壤在4月中旬解冻后，积雪融水补给土壤水分有关。不同植被类型在不同季节的土壤剖面储水量随土层深度增加，呈剧烈—缓和趋势，表明深层土壤水分时间稳定性通常较浅层土壤水分更强。

2)土壤储水量的大小可表征不同植被水文生态功能对调节干旱、减弱并防止土壤侵蚀作用的强弱[22]。由表2可见，雨季降雨量明显高于非雨季，不同月份土壤储水量和有效储水量变化趋势一致，与人工林生长季强烈耗水和雨季土壤水分补给具有较大相关性。柠条、油松林地储水量均变现为：5月>11月>7月>9月，撂荒地则为5月>7月>11月>9月，都是在土壤解冻后上升，进入生长季后逐渐下降，随着雨季的到来，逐步升高或升高后再降低。由图1和表2可见，油松林地和柠条林地消耗土壤水分远大于撂荒地，而0～60 cm油松林地土壤储水能力较柠条林强，这可能是因为油松林地表层土壤中夹杂未分解或半分解的枯枝落叶，枯落物层土壤疏松多孔，导致土壤密度较低，孔隙度较高[23]，在自然降水后水分可充满孔隙并依靠表面张力维持在枯落物层中，具有较强的持水能力[24]，这与大多数研究一致。

3)植被类型决定植被根系分布深度和密度，对植被有效利用土壤水分的程度有较大影响。何福红等[25]研究认为不同植被类型土壤含水量变化为：农地>草地>果园>林地；刘庚等[26]通过分析撂荒地、柠条林、小叶杨林3种植被4-7月份0～600 cm深度剖面土壤水分的时空异质性特征，发现撂荒地的土壤水分在不同月份的最小值明显都高于柠条、小叶杨林。由图2和表3可见，撂荒地在雨季土壤储水量蓄积效应最强，而非雨季表层土壤水分亏缺较深层土层严重。柠条林地主要消耗的土壤水分为0～400 cm土层，200～400 cm土壤亏缺程度较高。油松林地土壤水分相对亏缺指数和样地土壤水分相对亏缺指数均高于柠条林地和撂荒地。综合来看，油松林耗水量和耗水深度均高于柠条林。

4　结　论

1)3种植被类型各月土壤剖面储水量变化趋势不同。从总体来看，撂荒地土壤剖面储水量较人工林高，且随土层深度增加呈增长型。0～60 cm土层土壤储水量受降雨量变化影响较大，雨季该层土壤储水量油松高于柠条；柠条林地100～500 cm土层土壤储水量较油松林地高；油松林地与柠条林地在500～600 cm土层土壤储水量变化趋势相反，油松林为降低型，柠条林为增长型，说明不同植被类型人工林主要对深层土壤水分的垂直分布产生影响。

2)撂荒地0～600 cm土层土壤水分相对亏缺量最小，7月、9月、11月土壤水分不亏缺；油松林地各月份土壤水分相对亏缺量较柠条林地高。2种人工林植被土壤储水量均表现为非雨季高于雨季，且雨季油松林表层的枯落物层储水能力较强。

3)2种人工林植被存在明显的土壤水分亏缺现象，且不同植被类型的土壤水分亏缺深度不同，严重亏缺土层随季节变化在一定范围的土层深度内移动，柠条林地基本表现为：雨季向浅层土壤移动，非雨季向深层土壤移动，而油松林地严重亏缺土层表现为连续向深层土壤移动的趋势，土壤水分亏缺最严重。

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