宁夏河东沙区人工林土壤水分时空变化及其与气象因子之间的关系1)

黄晓宇 韩永贵 韩磊

(宁夏大学，银川，750021)

土壤水分作为区域水资源的重要组成部分，是联系大气水、地下水、地表水和生物水的纽带[1]，并成为土壤-植被-大气连续体中水循环的重要组成部分。沙区土壤水分状况是气候、植被、地形及土壤因素的综合反映[2]，是影响植被生长发育的重要指标，并成为影响沙区生态系统植被演替的关键因素[3]。开展沙区土壤水分时空变化的研究，是沙区土壤水资源研究的重要环节，对沙区植被恢复、区域水资源合理利用具有实践意义[4-5]。宁夏河东沙区位于毛乌素沙地西南缘，鄂尔多斯台地东北部，西临黄河，南靠黄土高原[6]，在空间上是我国北方农牧交错区最具有过渡性地域特征的沙地[7]，该区域气候干旱，生态脆弱，土壤水分已成为沙地植被恢复的主要限制因子[8]，加之水资源短缺、水土流失严重，研究干旱沙区人工林营建对区域水分环境的影响具有重要意义。

土壤水分动态变化不仅随时间发生改变，同时也受植被类型、大气降水、地形、坡度等多种因素的影响。周宏飞等[9]在研究荒漠灌木梭梭(Haloxylonammdendron)时，发现土壤水分具有明显的季节变化，春季土壤水分的影响最为强烈。赵文智[10]发现在相同环境条件下，不同植被差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)土壤水分差异显著。张进虎[11]研究发现，不同植物群落以及同一植被不同的立地类型的土壤水分时空分布格局不同，各林地土壤含水量的季节变化差异显著，而垂直分布上总体表现出明显的分层特征。有学者研究了我国不同地区的植被造林密度对区域土壤水分的影响，发现随着林分密度的增加，土壤含水率呈下降趋势[12]，为此，本研究以宁夏河东沙区典型防护林树种柠条(Caraganakorshinskii)、刺槐(Robiniapseudocacia)、胡杨(Populuseuphratica)等树种组成的人工林为研究对象，分析同一树种的不同坡度条件下的土壤水分时空变化、不同林地土壤水分动态变化及其与气象因子之间的关系、区域小尺度土壤水分对典型旱区植物生长的影响，以期为宁夏河东沙区的植被恢复和生态工程建设提供科学依据。

1 研究区概况

试验地位于宁夏河东沙区南缘的白芨滩国家级自然保护区(38°3′N，106°22′E；海拔1 150 m)，属温带大陆性气候。年均气温8.8 ℃，年均日照时间3 080.2 h，年均气温8.8 ℃。多年平均降水量209.7 mm，降水多集中在7—9月份，占年降水量的72.4%。多年平均蒸发量为1 800 mm，无霜期140～160 d[13]。

2 研究方法

2.1 土壤含水量测定

在不同林地内分别布设6个20 m×20 m样地进行监测，样地编号为A～F，观测期为6—10月份，各树种人工林样地基本特征见表1。采用时域反射仪(TDR，IMKO，TRIME-PICO，Germany)于2018年6—10月份，每隔7 d，在晴天对样地土壤含水率进行测定，如遇阴雨天TDR测定延后。分别根据人工林样地基本特征(表1)来进行TDR探管埋设，每个样地内随机选择研究目标并分别设置3次重复。测定深度为0～200 cm，其中0～120 cm每隔10 cm进行观测，120 cm以下每隔40 cm进行观测。观测期间利用试验地Vantage Pro 2(Davis Inc., USA)小型气象站，每隔15 min对降水量、大气温度、相对湿度、风速等气象要素数据进行收集和存储。

表1 宁夏河东沙区典型人工林样地特征

注：表中数据为平均值±标准误，数据后同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)；其中柠条测定地径指标，刺槐、胡杨测定胸径指标。

2.2 变异系数计算

为研究土壤水分时间异质性，利用变异系数(Cv)公式计算土壤水分变异系数。

Cv=σ/μ；

式中：Cv为土壤水分变异系数；σ为标准差；μ为土壤水分平均值；Xi为各层土壤水分平均值。根据文献[14]、[15]，土壤剖面可划分为相对稳定层(变异系数≤0.1)、次活跃层(0.1<变异系数≤0.2)、活跃层(0.2<变异系数≤0.3)和激变层(变异系数>0.3)。

2.3 数据处理

采用SPSS 22.0对不同坡度的各个林地土壤含水率进行表述统计和正态检验，然后进行单因素方差分析，并用LSD进行多重比较分析；采用Pearson相关性分析不同林地土壤含水率与大气环境因子的关系；采用Surfer 10.0绘制土壤含水率及其变异系数等值线图。

3 结果与分析

3.1 生长季降水与气温变化特征

试验地6—10月份平均降水量为28.52 mm，其中7—9月份分别为73.0、33.4、25.7 mm，占观测期内总降水量的92%，单日最大降水量为13.1 mm。研究期内7月份出现最高月均温，为24.9 ℃，最高气温35.9 ℃，10月份出现最低月均温，为10 ℃，最低气温-5.3 ℃。研究区7月份降水量和月均温达到最大值，8—10月份整体呈下降趋势，降水量减少，气温急剧下降。

3.2 不同林地土壤水分特征及变异系数

由图1所示，土壤水分具有明显的分层变化特征。不同坡度柠条林地(A、B、C)0～200 cm土壤含水率相对较低，而同一坡度下柠条林地(D)、刺槐林地(E)、胡杨林地(F)土壤含水率相对较大且各土层变化明显。其中样地A平均土壤含水率为3.2%，表层含水率相对较小，50 cm土壤含水率达到最低值(1.07%)，而深层土壤含水率(80～200 cm)相对较高，最高可达5.48%。样地B土壤垂直含水率差异不明显，平均为2.8%。样地C平均土壤含水率为1.27%，土壤表层和深层含水率较高，而60～120 cm土壤含水率呈相反趋势。D、E、F样点平均土壤含水率分别为6.72%、7.49%、5.78%，40～140 cm土壤含水率较高，而表层土壤和深层土壤趋势与之相反。不同林地土壤含水率表明，降水对较浅层土壤含水率影响明显，对深层土壤含水率影响不明显，而人工灌溉对40～140 cm土壤含水率影响相对显著。不同林地土壤水分变异系数整体随土壤深度增加而变小，具体分层见图2。

3.3 不同坡度土壤水分动态

3.3.1 垂直变化

由表2可见，柠条林地不同坡度间不同层次土壤含水率差异较大。坡度为10°时(样地A)，全剖面与激变层和活跃层土壤含水率变化差异显著(P<0.05)，而与次活跃层差异不显著(P>0.05)；坡度为16°时(样地B)，各土层之间差异不显著；坡度为24°时(样地C)，全剖面与激变层和活跃层差异显著(P<0.05)，与次活跃层差异不显著(P>0.05)，而活跃层与次活跃层差异显著(P<0.05)。在全剖面层，样地C与样地A和样地B存在显著性差异(P<0.05)，样地A和样地B无显著性差异；在活跃层，样地A、B、C存在显著性差异(P<0.05)；在次活跃层，样地C与样地A和样地B存在显著性差异(P<0.05)，样地A和样地B无显著性差异(P>0.05)。

表2 宁夏河东沙区不同坡度柠条林地土壤含水率差异

注：表中数据为平均值±标准误，同列数据后不同小写字母表示不同样地间差异显著(P<0.05)。

3.3.2 时间变化

不同坡度柠条林地各月份土壤含水率变化呈先增加后减少的趋势，其中7月份土壤含水率最高(图3)。坡度为10°时(样地A)，土壤含水率整体呈带状分布，0～70 cm土壤含水率相对较低，>70～100 cm变化趋势相对平缓，各月份变化幅度不大，>100～200 cm土壤含水率相对较高，6—10月份深层土壤含水率呈递减趋势。6—10月份平均土壤含水率分别为3.24%、3.89%、3.30%、2.94%、2.41%。6—8月份土壤含水率相对集中，其中7月份达到最高值。坡度为16°时(样地B)，柠条林地的季节性差异相对显著。6—10月份平均土壤含水率分别为3.08%、4.18%、2.57%、1.44%、2.18%，6、7月份平均土壤含水率呈上升趋势，8、9月份平均土壤含水率迅速递减。其中7月份和9月份0～80 cm土壤含水率呈相反趋势，而6、8、10月份垂直土壤含水率相对平缓。坡度为24°时(样地C)，6—10月份平均土壤含水率分别为0.61%、2.19%、1.32%、1.32%、0.85%，其中表层(0～40 cm)土壤含水率在垂直剖面上相对较高，>40～120 cm土壤含水率相对在垂直剖面上相对较低，而>120～160 cm土壤含水率又有平稳提升。6月份土壤含水率整体平稳呈较低状态，7月份土壤含水率达到最高值，8—10月份土壤含水率随时间延长递减。结果表明，不同坡度对土壤含水率的影响显著，并存在一定差异。

3.4 气象因子对不同林地土壤水分时间差异的影响

3.4.1 不同林地土壤水分时间差异

分别选取相同灌溉条件和相同坡度的柠条(D)、刺槐(E)以及胡杨(F)林地，分析不同林地6—10月份的土壤含水率时间差异。根据表3所示，6月份柠条林地土壤水分与7—10月份土壤水分存在显著差异(P<0.05)，6、10月份胡杨林地土壤水分与7—9月份土壤水分存在显著差异(P<0.05)，而刺槐林地土壤水分季节差异不显著(P>0.05)，观测期间7—9月份各个林地之间无显著差异(P>0.05)。其中，不同林地平均土壤含水率由大到小依次为刺槐林地(7.49%±0.92%)、柠条林地(6.72%±1.46%)、胡杨林地(5.78%±0.76%)。

表3 宁夏河东沙区不同林地土壤水分差异性

注：表中数据为平均值±标准误，同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

3.4.2 不同层次土壤水分与气象因子之间的关系

由表4可知，不同林地各层土壤含水率与气象因子具有一定相关性。各个林地与降水量和相对湿度均呈显著正相关，与风速均呈显著负相关。观测期间气象因子中相对湿度的影响因素较大，并且各林地深层土壤水分与相对湿度呈显著正相关。相关性分析结果表明，不同林地和不同层次土壤含水率受气象因子影响程度差异较大。

表4 宁夏河东沙区不同林地各层土壤含水率与气象因子的相关性

注：** 表示在0.01水平显著；*表示在0.05水平显著。

4 结论与讨论

4.1 坡度对各林地土壤水分的影响

在干旱半干旱地区，坡度是影响植物生长的关键地形因素[16]。本研究对比不同坡度条件下柠条林地土壤水分变化情况，认为柠条林地平均土壤含水率随坡度增加而下降。Hawley et al.[17]和蔡庆空等[18]研究也表明，坡度较为直观地影响了土壤水分保蓄量与运移过程，是影响土壤水分的主要控制因素。当坡度较小时，土壤水分在深层聚集，深层土壤水分因重力作用[19]下渗严重，活跃层土壤含水率相对较大；而坡度较大时，活跃层和次活跃层土壤含水率较小，原因可能是随着坡度增加，降水径流系数变大，入渗到土壤中的水量减少[20]，土壤含水率相对较低。本研究结果与祁文燕[21]研究结果不同，祁文燕认为0～40 cm深度土壤蓄水量受降水、蒸发和下渗等因素的影响，使得表层土壤含水率比深层土壤含水率低，且不同时段、坡面的土壤蓄水量可能会出现明显空间自相关性，蓄水量随土壤深度有所变化。

4.2 气象因素对各林地土壤水分的影响

土壤水分时空变异是由多重尺度上的土地利用、气象、土壤、地形等多种因子多重作用的结果[22]。而土壤水分时空变异受环境因素影响强烈，并且在时间尺度上，土壤水分的变化主要受气象因子的调控[23-24]。耿燕等[25]研究表明，平均风速与土壤水分呈负相关，整体看中层(30～40 cm)相关性最为显著。徐庆华等[26]研究表明，土壤水分蒸发量与气象因子有较大的关系，其中与光合有效辐射和风速呈正相关，与露点温度和相对湿度呈负相关。不同林地的次活跃层较深，土壤水分蒸发量相对较小，因此与相对湿度呈显著正相关。徐勇峰等[27]研究杨树土壤水分变化及其与气象因子的关系同样发现，土壤水分的变化与相对湿度和土壤温度呈正相关(P<0.01)，与平均风速呈极显著负相关(P<0.01)。而本研究结果表明，气象因子中相对湿度的影响因素较大，并且各林地深层土壤水分与相对湿度呈显著正相关，不同林地和不同层次土壤含水率受气象因子影响程度差异较大。

4.3 各林地土壤水分时间性差异

由于入渗补给、蒸发以及地形等因素的共同作用，沙地土壤水分具有明显的时间变化规律。本研究表明，6—7月份是土壤水分的补给期，8—10月份是土壤水分的耗损期。7—9月份3种林地土壤含水率差异不显著(P>0.05)；10月份胡杨林地与柠条林地、刺槐林地存在显著性差异(P<0.05)，柠条林地与刺槐林地无显著性差异(P>0.05)。陈洪松等[28]研究表明，降水入渗及再分布是土壤水分运动和转化机制的重要影响因素。由于研究区7月份降水集中，大量降水入渗补给土壤水分，土壤含水率相对较高。在7月份后，气温迅速升高导致土壤蒸发加剧，另一方面随着植物叶面积增加蒸腾耗水量增大，致使土壤水分消耗迅速，随时间改变土壤含水率呈整体下降趋势。而10月份后，降水量减少，随着气温逐步降低，植物蒸腾速率减小，土壤水分整体下降且趋于稳定状态。谷忠厚等[29]研究表明，土壤含水率是影响植物蒸腾的最主要因素，当水分充足时，叶片蒸腾速率随着光合有效辐射强度和温度的升高而增加。不同林地土壤水分受降水、气温以及蒸腾散发等影响，季节变化差异显著，但降水入渗补给深度、植物根系耗水和土壤水分沿坡面的再分布有待进一步研究。