太行山区不同植被条件下土壤水分动态变化特征研究*

司梦可, 曹建生, 阳 辉, 朱春雨

太行山区不同植被条件下土壤水分动态变化特征研究*

司梦可1,2, 曹建生1 **, 阳 辉1, 朱春雨1

(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室 石家庄 050022; 2. 中国科学院大学 北京 100049)

为了解太行山区主要植被类型的土壤水分状况, 选取太行山区4种典型植被——小麦/玉米(农作物)、黄背草(草本)、荆条(灌木)和核桃(乔木), 利用大型称重式蒸渗仪, 监测了4种植被2018年和2019年生长季(4—10月)的土壤水分、深层渗漏和蒸散发要素, 并利用数理统计方法分析了土壤含水量的变化特征。结果表明, 2018年小麦/玉米、黄背草、荆条和核桃地平均土壤含水量分别为0.30 cm3×cm-3、0.35 cm3×cm-3、0.32 cm3×cm-3和0.36 cm3×cm-3, 而2019年平均土壤含水量分别为0.28 cm3×cm-3、0.26 cm3×cm-3、0.23 cm3×cm-3和0.31 cm3×cm-3, 相比于2017年生长季末(11月)土壤含水量, 2018年小麦/玉米、黄背草、荆条和核桃地土壤含水量下降幅度分别为0.05 cm3×cm-3、0.04 cm3×cm-3、0.09 cm3×cm-3和0.05 cm3×cm-3, 2019年下降幅度分别为0.07 cm3×cm-3、0.13 cm3×cm-3、0.18 cm3×cm-3和0.10 cm3×cm-3, 荆条地土壤水分的下降幅度最大, 小麦/玉米地下降幅度最小。在垂直方向上, 4种植被土壤水分变化趋势一致, 随着土层深度的增加土壤含水量逐渐降低, 但对土壤水分的获取深度有所差异。土壤水分获取深度小麦/玉米主要为45~100 cm, 黄背草和核桃主要为100~150 cm, 荆条主要为150~180 cm。形成这一结果的原因可能是根系分布的差异, 小麦/玉米和黄背草为禾本科植物, 根系分布在浅层土壤, 虽然核桃为乔木, 但其为浅根植物, 而荆条在主根周围分布有丰富的侧根, 且主根延伸到土层深部, 能够获取深层土壤水分。这表明荆条是该地区主要耗水物种, 在太行山区绿化植被的选取和生态系统的管理和修复中, 应尽量减少荆条的覆盖面积。

太行山区; 蒸渗仪测量; 土壤水分; 根系分布; 植被类型

土壤水分是陆地水资源的重要组成部分, 也是地表水文过程的重要影响因子[1-2], 在干旱半干旱地区植被恢复、群落演替过程中发挥着重要作用[3]。受物种种类、生长模式和环境条件的影响, 植物对水资源获取具有高度时空变异性[4-9]。受水资源空间分布特征变化的影响, 土壤水分正逐渐成为植被唯一可利用的有效水资源[10], 了解植被对土壤水分的获取模式对植被的配置与生态系统的管理和修复具有重要意义。

降雨是土壤水分的主要来源。受气候条件的影响, 在干旱与半干旱地区降雨时空分布不均匀, 具有较高的变异性[11-12]。因此在高强度降雨变异模式下, 植物能够根据土壤水分状况调整水分利用策略对于变化环境中的生存是极其重要的[13-14]。一个健康的植物-土壤系统要求植物对水分的利用不超过土壤水分的供应, 否则会导致土壤水分的亏缺[15]。多种研究已经证明, 植被耗水状况在不同物种和不同季节间有所差异[16-19]。草本和禾本科植物在生长季更倾向于利用浅层土壤水分[1,20-21], 相比较而言, 乔木和灌木类植物在生长季更多地利用深层土壤水分[22-23]。在干旱季节, 植物主要应用深层土壤水分, 在湿润季节, 植被水分获取来源主要位于浅土层[1,24]。植被在干湿季节对水分获取来源的转变反映了其对环境的适应能力, 这对该植被在生态系统内的生长与分布具有重要意义。

太行山是华北平原重要的水源补给区、京津冀地区重要的生态屏障和国家京津冀协同发展战略的水源涵养功能区。长期以来由于乱砍乱伐、陡坡开荒和过度放牧, 导致该地区水土流失严重[25]。为了恢复退化的生态系统, 自1986年我国实施太行山绿化工程以来, 通过封山育林、人工造林和飞播造林等措施增加森林覆盖面积, 但由于植被恢复在很大程度上取决于土壤水分的时空分布状态[26-27], 不适宜的造林方式会导致土壤水分条件恶化, 加剧土壤水分亏缺状况[28-29]。因此确认不同植被的水分获取模式是实施区域植被恢复的关键。

确认植物对土壤水分获取模式的方法有很多, 包括根系系统挖掘、树干液流技术、同位素示踪技术等[30-32], 这些方法都能够在一定程度上确认植被对土壤水分的获取模式, 但在本研究中, 我们利用大型称重式蒸渗仪, 基于水量平衡原理对水文过程中各要素包括降雨、土壤水分、深层渗漏以及植被蒸散发过程进行连续观测, 更全面地探究植被对水资源的获取状况。尽管之前已对不同植被在不同季节的土壤水分变化特征进行了研究, 但这些研究一方面采样的土层较浅, 另一方面观测植被大多集中于单一类型植被如乔木、灌木或者草本, 缺乏对不同类型之间土壤水分变化的研究。本研究选取太行山区4种典型植被类型——小麦()/玉米()(作物)、黄背草(, 草本)、荆条(, 灌木)和核桃(, 乔木), 利用大型称重式蒸渗仪, 对0~200 cm土层深度土壤水分进行连续两年(2018—2019年)定位观测, 分析了不同季节、不同土层深度上土壤水分的变化过程。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

本研究在中国科学院太行山山地生态系统试验站内进行(114°15′50″E, 37°52′44″N), 试验站所处小流域海拔高度在350 m左右, 属于低山丘陵区, 坡度10°~45°, 受半干旱大陆性季风型气候影响, 多年平均降雨量和多年平均气温分别为560 mm和13 ℃, 多年平均蒸发量为1 600 mm[33], 80%的降雨集中在6—8月份, 降雨量年际变化较大。对于大多数植物来说, 生长季在4月初开始, 10月初结束。春季和夏季初期降雨量较少, 更易遭受干旱。研究区土壤主要为由花岗片麻岩成土母质发育而成的山地褐土, 土层薄, 有机质含量低。太行山区历史上为以油松()()为主的森林生态系统[25]。受人类活动干扰, 植被退化严重, 现为以乔灌草为主的农林复合生态系统。植被类型主要为次生低矮乔木刺槐(), 灌木荆条和酸枣(var.), 草本有黄背草和白羊草(), 人工经济林有核桃、石榴(), 作物主要为小麦和玉米[34]。

研究区2018年和2019年降雨量分别为381.81 mm和395.48 mm, 较多年平均降雨量(1987—2019年)低26.53%和23.90%, 属于降雨量较少年份; 相较于2017年降雨量分别减少22.30%和19.62%。生长季内降雨量分别为373.38 mm和382.28 mm, 占全年降雨量的97.87%和96.66%。2018年和2019年最大月降雨量分别为163.83 mm (8月)和100.07 mm (8月), 占生长季降雨量的43.88%和26.18%。2018年和2019年降雨量年内分布状况与多年平均降雨量有所差异(图1), 2018年降雨量较为集中, 表现为8月份降雨量的第1峰值和4、5月份降雨量的第2峰值; 2019年降雨量分布较为均匀, 4月、7月、8月和10月降雨量均相对较多。2018年和2019年月平均气温相似且变化趋势一致。

图1 多年平均降雨(1987—2019年)及2018年和2019年月降雨与气温分布图

1.2 研究方法

1.2.1 试验装置

本研究所用设备为大型称重式蒸渗仪(LYSI-DS, 北京时域科技有限公司), 每台蒸渗仪蒸发面积为2 m´2 m, 土柱深度为2.3 m (包括2.0 m土层和0.3 m渗漏层)。在土体5 cm、15 cm、45 cm、100 cm、150 cm和180 cm处安装土壤水分传感器(CS610, 北京天诺基业科技有限公司), 测量精度为±2.5%(干土)和0.6%(饱和土), 观测期为2018—2019年。蒸渗仪内的土壤为均质回填土壤, 沙粒(2~0.02 mm)、粉粒(0.02~0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)所占比例分别为56.00%±0.2%、42.28%±1.5%和1.72%±2.3%, 土壤容重为(1.33±0.07) g×cm-3, 饱和导水率和田间持水量分别为(53.21±3.12) cm×d-1和41.76%±2.78%, 地下渗流由翻斗式流量计测得, 每斗为5 mL, 测量间隔为1 h, 渗漏量为1 h内数据。研究区东侧20 m处建有标准气象观测场(AR5 Automatic Weather Station, Avolon Scientific, USA), 能够对研究区降雨量和温度等气象要素进行连续观测。

1.2.2 试验设计与数据采集

称重式蒸渗仪共4台, 于2017年10月选择生长状况良好的黄背草、荆条和核桃带原状土移植入蒸渗仪内, 小麦/玉米的种植与大田同步, 荆条和黄背草观测期间无人工管理, 小麦/玉米除在播种和收获期外, 其余时间无人工管理, 核桃种植区除进行杂草清理外, 无其余人工管理。4种植被类型生长状况如表1所示:

为避免移植初期土壤理化性质和植被生长状况对试验结果产生影响, 本研究所用数据为2018年和2019年生长季(4—10月)内数据, 土壤含水量数据和气象数据均于每月月底采集, 土壤水分为1 h内平均值, 降雨量数据为1 h内累计值。

表1 蒸渗仪内植被生长状况

1.2.3 数据分析方法

1.2.3.1 土壤储水量

土壤储水量(SWS, mm)为一定厚度土壤中所含的水量。土壤储水量与降雨、土壤蒸发和植被蒸腾等因素有关, 是影响植被生长的主要因素, 分析不同植被条件下土壤储水量对于太行山区植被恢复具有重要意义, 其计算公式为[35]:

式中:θ为第层(共层)土壤的体积含水率(cm3×cm-3),h为第层土壤的厚度(mm)。

1.2.3.2 土壤水分亏缺度

土壤水分亏缺度(, %)表示土壤水分对植被生长的亏缺程度, 当土壤水分亏缺度较大时, 会使生物产量下降, 严重时甚至会导致生物死亡。土壤水分亏缺度计算公式为[36]:

式中:a为水分亏缺量, mm;为田间持水量, mm。>0表示水分亏缺,<0表示水分亏缺得到改善。

本研究使用Excel 2010进行数据整理, 利用SPSS 17.0进行统计分析, 图形绘制使用Origin 8.0。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤含水量变化

由表2可知, 2018—2019年, 各植被类型土壤含水量均有所降低, 2018年4种植被类型土壤含水量核桃>黄背草>荆条>小麦/玉米, 2019年土壤含水量则为核桃>小麦/玉米>黄背草>荆条。

表2 2018年和2019年研究区不同植被类型0~200 cm土层年平均土壤含水量

由表3可知, 在小麦/玉米种植区, 5 cm和15 cm深度上土壤含水量两年间无变化, 在45 cm、100 cm、150 cm和180 cm土层深度上土壤含水量2019年比2018年分别下降0.03 cm3×cm–3、0.03 cm3×cm–3、0.02 cm3×cm–3和0.02 cm3×cm–3, 与其他土层深度相比, 45 cm和100 cm深度上土壤含水量降低较多; 在黄背草种植区, 6个深度上土壤含水量2019年比2018年均有所下降, 其中以100 cm和150 cm深度上土壤含水量下降幅度最大, 分别为0.13 cm3×cm–3和0.12 cm3×cm–3; 在荆条种植区, 5 cm和15 cm深度土壤含水量2019年比2018年分别上升0.01 cm3×cm–3和0.02 cm3×cm–3, 150 cm和180 cm深度上土壤含水量较其他深度下降幅度更大, 分别为0.09 cm3×cm–3和0.10 cm3×cm-3, 在核桃种植区, 除5 cm深度外, 其他各深度土壤含水量均有所降低, 其中以100 cm和150 cm深度上土壤含水量下降幅度最大, 分别为0.07 cm3×cm–3和0.08 cm3×cm–3。综上可知, 从2018年到2019年, 黄背草种植区土壤含水量下降幅度最大, 作物种植区下降幅度最小。在不同植被类型下, 土壤含水量最大下降幅度所处土壤深度也有所差异, 在作物种植区, 为45~100 cm, 在黄背草和核桃种植区, 为100~150 cm, 在荆条种植区, 为150~180 cm。

表3 2018和2019年4种植被类型各土层深度土壤含水量变化

由图2可知, 2018年和2019年各植被类型土壤含水量变化趋势较为一致。在5 cm和15 cm深度上, 土壤含水量受降雨-入渗和蒸散发影响波动剧烈; 在45 cm深度上, 仅在遭遇强降雨后土壤含水量会明显上升(例如: 2018年8月8日, 日降雨量47.75 mm; 2019年8月4日, 日降雨量72.64 mm); 在100 cm深度上, 除荆条外, 其余3种植被类型在遭遇连续强降雨时(2019年8月4—9日, 总降雨量91.95 mm), 土壤含水量均有所上升, 但土壤含水量上升趋势有所差异, 在降雨前, 小麦/玉米、黄背草和核桃100 cm土层深度土壤含水量分别为0.38 cm3×cm–3、0.22 cm3×cm–3和0.25 cm3×cm–3, 降雨后3种植被土壤含水量上升幅度分别为0.04 cm3×cm–3、0.01 cm3×cm–3和0.10 cm3×cm-3, 分别在降雨开始后11 h、69 h和35 h土壤含水量开始上升。由此可知, 小麦/玉米种植区的入渗速率最快, 核桃种植区土壤含水量上升幅度最大。形成这一结果的原因可能是小麦/玉米种植区在耕作作用下, 土壤孔隙度更多, 土壤疏松, 有利于水分下渗; 在核桃种植区, 由于植被盖度相比其他植被小, 冠层对降雨的截留作用更小, 因此有更多的降雨转化为了土壤水分; 在荆条种植区, 降雨前土壤含水量为0.25 cm3×cm–3, 较黄背草种植区土壤含水量高, 但该土层深度降雨后土壤含水量无上升, 出现这种情况的原因是荆条种植区上层土壤含水量较低, 在5 cm、15 cm和45 cm土层深度上土壤含水量均为0.23 cm3×cm–3。由上可知, 某一土层深度土壤含水量对降雨的响应过程受该土层深度含水量和其上层土壤含水量的影响。在150 cm和180 cm土层深度上, 仅在作物种植区遭遇强降雨时土壤含水量有所上升, 其他3种植被类型种植区土壤含水量基本保持不变, 形成这一结果的原因可能是浅层土壤含水量的差异, 在2019年8月3日, 4种植被类型中, 5 cm土层深度上作物种植区土壤含水量为0.28 cm3×cm–3, 明显高于其他3种植被, 而在15 cm、45 cm和100 cm土层深度上, 土壤含水量分别为0.25 cm3×cm–3、0.29 cm3×cm–3和0.39 cm3×cm–3, 高于黄背草和荆条种植区, 虽在15 cm和45 cm土层深度上较核桃种植区土壤含水量略低, 但是在100 cm土层深度上明显高于核桃种植区。由此可知, 表层土壤含水量对于降雨入渗过程具有重要影响。

图2 2018年和2019年生长季(4—10月)不同植被覆盖条件下土壤含水量季节变化

2.2 不同植被类型土壤储水量状况

由图3可知, 2018年生长季4种植被类型土壤储水量整体呈下降趋势, 在黄背草、荆条和核桃种植区, 4—7月土壤储水量迅速下降, 8月受降雨量补充, 土壤储水量有所上升, 9、10月, 由于降雨量较少和植被对土壤水分的消耗, 土壤储水量呈下降趋势, 其中, 黄背草种植区和核桃种植区月土壤储水量相近且变化趋势一致, 而荆条种植区, 4—6月与黄背草和核桃土壤储水量相近, 6月之后土壤储水量下降幅度增加, 表明此时荆条比黄背草和核桃蒸散发作用强烈, 对土壤水分消耗量增大。在小麦/玉米种植区, 4—6月土壤储水量呈下降趋势, 6—8月土壤储水量有所上升, 但上升幅度较小, 8—9月土壤储水量基本保持不变, 9—10月土壤储水量有明显下降趋势。与其他植被类型相比, 小麦/玉米种植区6—7月土壤储水量上升的原因可能是小麦在6月进行收割, 6—7月无植被对土壤水分的消耗, 降雨除用于浅层土壤蒸发作用外, 其余均转化为土壤水分, 因此土壤储水量有所上升, 9—10月是玉米生长旺盛时期, 蒸散发作用强烈, 对水分的消耗量大, 因此土壤储水量呈明显下降趋势。2019年生长季, 4种植被类型土壤储水量整体均无明显下降趋势, 但各月土壤储水量由于降雨分布状况及不同植被类型下蒸散发作用的差异而有所不同。小麦/玉米种植区, 除6—7月土壤储水量有轻微上升外, 其他月份土壤储水量基本保持稳定; 在黄背草种植区, 4—8月土壤储水量呈持续下降趋势, 8—10月受降雨的补充作用土壤储水量有所上升; 在荆条种植区, 除5—6月和7—9月土壤储水量变化较为明显外, 其他月份土壤储水量基本保持稳定; 在核桃种植区, 4—6月土壤储水量呈迅速下降趋势, 6—8月由于降雨补充, 土壤储水量快速回升并保持在较高水平。

图3 2018年和2019年生长季不同植被类型0~180 cm土层土壤储水量变化

2.3 不同植被类型土壤水分亏缺状况

已有研究表明, 在0~60 cm土层为荆条根系主要分布区[37]; 冬小麦根长密度和根质量密度在0~50 cm土层内分别占57.7%和66.7%[38]; 0~60 cm土层为玉米根系生长活跃区[39], 多年生(5—8年)核桃根系主要分布在10~60 cm土层内[40]; 对试验站内自然生长状态下黄背草根系进行挖掘, 发现根系主要分布在0~60 cm土层范围内。基于已有研究, 本研究将整个研究土层剖面分为0~72.5 cm的根系主要分布区和72.5~200 cm深度的根系次要分布区。如图4所示, 2018年4—7月, 0~72.5 cm土层深度黄背草、荆条和核桃覆盖条件下土壤水分亏缺度呈上升趋势; 小麦覆盖条件下土壤水分亏缺度呈先上升后下降趋势, 在6月份土壤水分亏缺度达到最大值。8月份, 各植被覆盖条件下土壤水分亏缺度均迅速降低, 在9月和10月又迅速上升。在72.5~100 cm土层深度上, 4台蒸渗仪内土壤水分亏缺状况均呈连续上升趋势, 其中作物覆盖条件下土壤水分亏缺度增长量较小, 荆条覆盖条件下土壤水分亏缺度增长量最大。总体来说各植被覆盖条件下土壤水分亏缺关系为: 小麦/玉米>荆条>黄背草>核桃。2019年4—7月, 在0~72.5 cm土层深度小麦/玉米、黄背草和荆条覆盖条件下土壤水分亏缺状况保持稳定, 而核桃覆盖条件下土壤水分亏缺度呈上升趋势; 8月, 土壤水分亏缺度与2018年变化趋势一致, 但9月和10月, 小麦/玉米、黄背草和荆条覆盖条件下土壤水分亏缺度呈先上升后下降趋势, 而核桃覆盖条件下土壤水分亏缺度呈连续上升趋势。在72.5~200 cm土层深度上, 4台蒸渗仪内土壤水分亏缺状况各不相同, 在小麦/玉米覆盖条件下, 土壤水分亏缺度在4—7月和9—10月保持稳定, 但在8月土壤水分亏缺度迅速下降至接近于0; 在黄背草覆盖条件下, 从4—10月, 土壤水分亏缺度呈逐渐上升趋势; 在荆条覆盖条件下, 土壤水分亏缺度始终保持稳定状况; 在核桃覆盖条件下, 土壤水分亏缺度呈单峰曲线, 并在7月达到峰值。总体来说, 4台蒸渗仪内土壤水分库亏缺度大小关系可表示为荆条>黄背草>小麦/玉米>核桃。

图4 2018年和2019年生长季不同植被类型0~72.5 cm和72.5~200 cm土层土壤水分亏缺度

3 讨论

3.1 植被对土壤水分变化特征的影响

除气象因素外, 植被自身的属性是影响土壤水分变化的重要因素[41]。根系吸水是土壤水分消耗的主要途径, 这在许多研究中已得到证实[42-45]。本研究中, 2018年和2019年生长季降雨总量基本一致(图1), 但两个生长季植被蒸散发量相差较大(图5), 由于蒸散发量的差异, 在2019年生长季末, 不同植被覆盖条件下土壤水分亏缺状况差异明显(图4), 整体表现为核桃覆盖条件下土壤水分亏缺度最小, 这与前人研究结果一致[46]。但荆条覆盖条件下土壤水分亏缺状况最严峻, 这与前人研究有所差异[47-48], 在徐学华等[48]和孙吉定等[47]的研究中, 与其他群落相比, 荆条群落土壤含水量更高, 相比于草地具有更强的水源涵养功能, 荆条根系对土壤水分的获取方式可能是形成差异性结果的原因, 在自然条件下, 太行山区土层薄弱, 风化岩体层发育, 这种岩土二元结构的土壤持水能力差, 因此土壤含水量较低, 而荆条根系具有较强的生态可塑性[8], 当土壤含水量丰富时, 荆条根系可以从周围环境中获取大量水分供给自身生长发育, 当土壤含水量匮乏时, 荆条根系则从土壤中吸收较少水分维持生长存活, 在本研究中也可得出相似结论。

3.2 改善太行山区土壤水分状况的措施

通过分析2018年和2019年太行山区典型小流域内不同植被条件下土壤水分状况可知, 蒸散发量过高是导致该地区土壤水分亏缺的主要原因, 为了降低该区域的蒸散发量, 我们提出了对荆条灌丛管理利用来缓解该地区土壤水分亏缺状况的措施。

荆条是太行山区分布最为广泛的植被类型, 在未开垦的荒坡均为单一的荆条灌丛群落, 形成这一分布方式的原因是由荆条自身特性决定的, 荆条灌丛根系分布较深, 在浅层土壤水有限的情况下, 可以通过根系利用深层土壤水分; 荆条灌丛生命力旺盛, 在生长季蒸散发量较大, 由研究结果可知, 荆条灌丛的土壤储水量在4种植被中最低, 表明对水分的消耗严重, 如果不对荆条灌丛加以管理和利用, 不仅会加剧该地的土壤水分亏缺状况, 也阻碍了当地生态修复进程, 基于此, 我们提出了一种对荆条灌丛管理与利用的方法(图6)以改善太行山区土壤水分亏缺状况。

图5 2018年和2019年生长季不同植被类型蒸散发量分布状况

利用荆条灌丛改善土石山区水分亏缺状况的措施, 共分为3部分。首先, 在雨季过后对荆条灌丛进行收割, 收集灌丛枝条和地表枯落物进行粉碎作为后续过程中的填充基料, 对荆条灌丛进行收割后, 在灌丛收割区岩土表层进行机械钻孔, 钻孔方式如图7和图8所示; 其次, 将粉碎灌丛枝条、枯落物进行孔内回填, 并在回填过程中添加自主配制的生物菌剂辅料; 再次, 对填充有生物材料的钻孔内定时添加水分并在孔隙口覆盖可降解膜, 为土壤动物和微生物提供适宜的生存环境, 加快填充孔隙内粉碎枝条和枯落物的分解进程。

该措施改善土壤水分状况的原理为, 在9月下旬对荆条灌丛进行人工收割, 灌丛收割位置为距离地表10~20 cm处, 优选15 cm, 既可发挥灌丛植被在雨季保持水土的功能, 又可降低雨季过后荆条对土壤水分的消耗, 此外, 根系的保存有利于植被萌发生长, 在下一年雨季中持续发挥荆条灌丛水土保持功能。雨季过后对灌丛枝条进行收割后, 收集灌丛枝条和地表枯落物并粉碎填充到钻孔中, 改变自然状态下枯落物水平分布方式为垂向分布方式, 减少了干旱季节灌丛及枯落物储存量, 降低森林火灾的风险; 钻孔及粉碎枝条、枯落物的填充增加了地表凹陷程度, 减小了地表径流量, 增加土壤水分入渗效率; 生物菌剂和水分的添加及覆膜增温能加快粉碎枝条、枯落物分解速率, 改善土壤结构, 提高土壤持水能力, 增加土壤肥力。这一措施改变了自然状态下灌丛及枯落物分布的方式, 有利于发挥灌丛植被的生态价值, 降低非雨季蒸腾耗水量, 减小地表径流、增加土壤水分入渗能力, 改善土壤结构, 提高土壤有机质含量, 能够对太行山区土壤水分亏缺状况起到改善作用。

图6 对荆条灌丛管理与利用以改善区域土壤水分状况的流程图

图7 坡地孔隙开挖剖面图

图8 坡地孔隙开挖方式俯视图

4 结论

本研究围绕太行山区土壤水分亏缺、植被生长状况差等问题, 对不同植被条件下土壤水分变化特征进行分析, 得出以下结论:

1)在初始土壤含水量相近的背景下, 经过2018年和2019年连续两个干旱年, 核桃土壤含水量最高,黄背草土壤含水量次之, 农用地(小麦/玉米)深层土壤含水量虽较高, 但整体土壤含水量低于黄背草群落, 荆条群落土壤水分状况最差。

2)不同植被对土壤剖面水分利用状况有所差异, 农用地主要吸收45~100 cm土层深度土壤水分, 荆条对150~180 cm土层深度土壤水分利用较多, 黄背草对100~150 cm土层深度土壤水分的利用多于其他土层, 核桃地中, 除0~45 cm土层深度外, 对其余土层水分利用较为均衡。

综上所述, 荆条作为太行山区主要耗水物种, 因其高度的生态可塑性能够在半干旱环境中保持竞争优势, 但不利于区域群落演替。因此应对荆条灌丛进行管理和利用, 改变空间结构, 减小荆条覆盖面积以降低对土壤水分的过度消耗, 提升区域水源涵养功能, 加速生态恢复进程。

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Soil water variation of different vegetation community in Taihang Mountain Area*

SI Mengke1,2, CAO Jiansheng1**, YANG Hui1, ZHU Chunyu1

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Soil water storage and movement are highly heterogeneous across ecosystems. However, variation characteristics of soil moisture are not well understood at present, due to the high heterogeneity of environmental conditions. The Taihang Mountain region is an important water collection area of the North China Plain, and a functional area for water conservation in the national Beijing-Tianjin-Hebei coordinated development strategy. However, little is known about the soil water regime of the main plant species that inhabit this region. In this study, the soil water content for four representative vegetation types,/,var.,var.and,that are widely distributed in the semi-arid area of the Taihang Mountain, were observed using large scale weighing lysimeters, during the growing season (April to October) in 2018 and 2019. Weighing lysimeters systematically measured the soil water content, seepage, and evapotranspiration among different vegetation communities, and the collected data on the variation characteristic of soil moisture content for four vegetation types were analyzed by means of statistical analysis. The results showed that average soil water content for/,,,andwere 0.30 cm3×cm-3, 0.35 cm3×cm-3, 0.32 cm3×cm-3and 0.36 cm3×cm-3in 2018, and 0.28 cm3×cm-3, 0.26 cm3×cm-3, 0.23 cm3×cm-3and 0.31 cm3×cm-3in 2019, respectively. Similarly, the decrease of soil water content for/,,andwere 0.05 cm3×cm-3, 0.04 cm3×cm-3, 0.09 cm3×cm-3, and 0.05 cm3×cm-3in 2018, and 0.07 cm3×cm-3, 0.13 cm3×cm-3, 0.18 cm3×cm-3, and 0.10 cm3×cm-3in 2019, respectively, compared to the soil water content at the end of growing season (December) of 2017. The decrease of the soil water content forwas greatest, and that for/was the smallest, among the four vegetation types. The direction of vertical gradient of soil water content was consistent among the four vegetation types, with the soil water content decreasing as the depth of soil increased. However, the depth of water uptake from soil was discrepant. In/fields, the main depth was between 45-100 cm. Inandfields, the main soil depth was between 100-150 cm. Infields, the main soil depth was between 150-180 cm. These results may be due to differences in root distribution./andare from Gramineae family, and their root systems are distributed in shallow soil. Althoughis arboreal, it has shallow-rooted plants.has lateral roots radiating out from the main root crown, one or more deeply penetrating tap (sinker) roots, and can uptake water from deep soil. This indicated thatwas the species with the greatest water consumption. The pattern of plant water consumption needs to be considered in plant species selection, ecological management, and restoration of semi-arid ecosystems in the Taihang Mountain region.

Taihang Mountain; Lysimeter measure; Soil water content; Root distribution; Vegetation type

, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

Mar. 8, 2020;

Jul. 21, 2020

S157.2

10.13930/j.cnki.cjea.200172

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* 国家重点研发计划项目(2018YFC0406501-02)、国家自然基金项目(41877170)、河北省重点研发计划项目(20324203D)和河北省创新能力提升计划项目(20536001D)资助

曹建生, 主要从事山地生态水文过程与降水资源调控机制研究。E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

司梦可, 主要研究方向为山地生态水文过程研究。E-mail: 13253671220@163.com

2020-03-08

2020-07-21

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2018YFC0406501-02), the National Natural Science Foundation of China (41877170), the Key Research and Development Project of Hebei Province, China (20324203D), and the Promotion Project of Creation Ability of Hebei Province, China (20536001D).