宁夏中部干旱带不同柠条种植模式对土壤水分的影响

冯立荣，张安东，左忠，王家洋，马静利

(1.中宁县自然资源局，宁夏 中宁 755100； 2.四川大学 生命科学学院，四川 成都 610065；3.宁夏农林科学院 荒漠化治理研究所，宁夏 银川 750002)

宁夏中部地区气候干旱，生态系统单一，严重的荒漠化导致水土流失、沙尘暴时有发生。在干旱地区，土壤水分的含量是植物生长的最大限制因子，也是影响环境变异的最重要因素[1]。土壤水分的稀缺形成了宁夏地区灌木植被以柠条(CaranagakorshinskiiKom.)为主的独特植被类型，因柠条具有耐旱、耐寒、耐贫瘠的特征，在干旱地区的防风固沙、退耕还林、人工造林的生态建设中均选择柠条作为主要的灌木树种。

柠条属于豆科锦鸡儿属落叶灌木。萌蘖力和再生能力极强、易繁殖[2]；根系发达，吸水能力强；抗逆性强，耐旱耐寒，还可以改善土壤的物理性质[3]，增加土壤的肥力[4]。在东北、华北、西北地区均有大面积分布[5]。此外，柠条还具有一定的经济价值，可做蜜源、入药以及薪炭，并且是一种食用蛋白质来源[6]和饲料原料[7]。柠条林能防风固沙、拦泥蓄水、减少地表径流，但是随着林龄的增长，柠条的根系过于庞大，冠幅不断增加，使得植株的蒸腾作用加强，土壤的含水量严重不足[8]。本次试验选择不同密度的柠条林地进行土壤水分的监测分析，探讨柠条林地的土壤水分变化情况。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究以宁夏中部干旱带盐池县高沙窝镇不同密度柠条林地为研究对象，探究不同柠条地的土壤水分动态变化。研究区位于104°17′～107°41′E， 36°06′～38°18′N，该区域日照充足，年平均日照时间长达2 846 h，昼夜温差较大，降水量主要集中在7—9月，年降水量为185～400 mm，土壤水分的蒸发量远远大于降水量，形成了半干旱的气候类型[9]。研究区内的人工灌木林多以柠条为主，约占造林总面积的60%以上，因此，开展相关监测研究意义重大。

1.2 研究方法

由于当地柠条均采用人工带状补播的方式，因此，研究对象分别选择了1行带状、行距为4 m的柠条地(以下简称1×4 m)；1行带状、行距为6 m的柠条地(以下简称1×6 m)；2行带状柠条、行距为8 m的柠条地(以下简称2×8 m)；3行带状柠条、行距为6 m的柠条地(以下简称3×6 m)；以及3行带状柠条、行距为10 m的柠条苜蓿间种地(以下简称3×10 m)。由于播种后经历了多年的自然更新，因此，现有林带中单位面积内柠条灌木密度不尽相同，为准确反应单位面积现有存林密度，在各试验样地进行5 m×5 m样方调查，调查柠条在样方内的株数，进而计算出现有植株密度。植株密度=株数/25 m2。每个样方3次重复，取其平均值，由此得出1×4 m处理的植株密度为0.08株·m-2；1×6 m植株密度0.12株·m-2；2×8 m植株密度为0.16株·m-2；3×6 m植株密度为0.56株·m-2；3×10 m的植株密度为0.76株·m-2。上述监测对象均是当地柠条种植可能出现的造林模式及造林密度，其中以3×6 m处理最为常见。

本次试验所用的土壤水分监测仪器为德国产HD2型便携式土壤剖面水分速测仪(Time-Domain Reflectometry，TDR)，测试前将2 m的TDR水分探测管布设在不同密度柠条地的株距和行距中间位置，自2017年1月开始至11月结束，分别于每月中旬测定不同林带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测定一组数值，通过GraphPad Prism6软件分析测定数据，比较各种植密度的土壤水分含量，根据生物统计学分析导致含水量差异性的原因。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量与季节变化的相关性

2.1.1 林带间土壤水分不同季节变化规律

2017年1—11月的数据统计分析表明，各监测区域柠条地土壤水分普遍较低，由图1各柠条地的林带间土壤水分分析表明，2017年各季节土壤水分随着柠条密度增加含水量呈降低趋势，由高到低分别为1×4 m(0.08株·m-2)柠条地、1×6 m(0.12株·m-2)柠条地、2×8 m(0.16株·m-2)柠条地，以及3×10 m(0.76株·m-2)和3×6 m(0.56株·m-2)柠条地。这可能因为3×6 m(0.56株·m-2)柠条地属于退耕还林地，植被覆盖率相对较高，植株冠幅较大、根系较多，不同植被的蒸腾作用以及地表挥发，使得退耕还林地的含水量严重不足；而密度为1×4 m(0.08株·m-2)的柠条地主要以柠条为主，柠条密度较低，种植时间较长，并且该地区土壤有较厚的盖基层，减缓了水分的渗透，使得水分大量储存，因此，该地区土壤水分明显高于其他地区。

图1 不同季节柠条林带间土壤含水量变化规律

对不同密度柠条地全年水分变化的趋势进行比较后发现：2017年1月份土壤水分平均明显低于其他月份，可能是由于宁夏地区1月气温较低，土层结冰，导致数值偏低；除此之外不同密度的柠条7月份土壤水分明显低于其余月份。

2.1.2 植株间土壤水分不同季节变化规律

试验设计通过在柠条株距中间布设TDR管监测植株间的土壤水分，以0～2.0 m的垂直水分平均值为不同季节的水分(图2)。1×6 m(0.12株·m-2)的柠条地植株间土壤水分最高，最高达12.97%；1×4 m(0.08株·m-2)的柠条地植株间土壤水分次之，植株间土壤水分最低的仍然为3×6 m(0.56株·m-2)的柠条退耕还林地。

图2 不同季节柠条植株间土壤含水量变化规律

不同柠条地植株间的全年含水量波动幅度不大，其中1月份土壤水分最低，7月份土壤水分次之，与林带间的土壤水分变化趋势一致(图1、图2)，但不同柠条地的植株间土壤水分低于林带行间土壤水分，主要原因在于植株间密度过大，且柠条冠幅较大，导致植株间的土壤水分被蒸腾作用挥发，加上树冠对降雨的截流作用，导致该区域的土壤水分较低，且植株距的土壤水分与柠条的冠幅和种植年限存在很大相关性。

2.2 土壤水分垂直分布的规律

2.2.1 不同柠条地林带间水分垂直分布特征

林带间土壤水分与土层深度存在较大相关性(图3)。1×4 m(0.08株·m-2)柠条地呈现出先升高再降低再升高再降低的变化趋势，在0.8～1.2 m深度土壤水分增加，贮存大量水分，其中1.2 m深度土壤水分达22.52%，明显高于其余深度的土壤水分，其主要原因在于该地区在1.2 m处土壤存在明显的断层现象，钙积层较厚，减缓了水分下渗的速度；1×6 m(0.12株·m-2)的柠条地全年土壤水分在0～2.0 m的变化趋势为0～0.2 m升高，0.2～1.2 m基本保持平稳、1.2 m深度后逐渐下降；2×8 m(0.16株·m-2)土壤水分呈现先降低后升高趋势，在0～0.2 m深度土壤水分达11.29%，随后逐渐下降至1.0 m深度的5.37%，1.0～1.8 m深度土壤水分逐渐升高，1.8 m深度处土壤水分达13.92%；3×6 m(0.56株·m-2)柠条退耕还林地林带间土壤水分明显低于其它处理，土壤水分在0.2～0.6 m逐渐升高，由4.53%升高至7.2%，该地区存在轻微钙积层，导致0.6 m处含水量较高，0.8 m深度土壤水分为4.55%，明显降低，随后含水量随深度的加深逐渐呈上升趋势；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较高，在0.8 m之后土壤水分逐渐下降，深层土壤旱化严重。

图3 不同种植模式林带间土壤含水量垂直分布

2.2.2 不同柠条地植株间水分垂直分布特征

通过对不同柠条地植间土壤水分垂直规律分析表明，植株间的土壤水分垂直分布规律与林带行间存在一定相似性(图4)，1×4 m(0.08株·m-2)的植株间水分在0～2.0 m深度的垂直分布呈现升高—降低—升高—降低—升高趋势，其中1.4 m处土壤水分达19.61%；1×6 m(0.12株·m-2)的植株间水分垂直分布在0.2～1.0 m波动较大(升高—降低—升高—降低)，1.0～2.0 m土壤水分波动幅度平缓；2×8 m(0.16株·m-2)植株间土壤水分垂直分布主要表现为升高—降低—升高趋势，该地区土壤水分在1.6～2.0 m区间贮存，含水量相对丰富；3×6 m(0.56株·m-2)退耕还林地土壤垂直分布波动幅度小，无明显变化；3×10 m(0.76株·m-2)表现为升高—降低趋势，但波动幅度较小，土壤水分在0.2～1.2 m相对丰富，1.2～2.0 m土壤水分相对降低。

图4 不同种植模式植株间土壤含水量垂直分布

2.3 土壤水分变化的差异分析

宁夏盐池地区地处宁夏中部干旱带，柠条作为主要抗干旱灌木，在宁夏地区大面积种植，通过对不同柠条地的土壤水分监测，并对2017年全年土壤水分进行差异性分析表明，如图5所示，不同种植密度的柠条地植株间的土壤水分均小于林带间的土壤水分。其主要原因在于该地区柠条种植较密，多为2行柠条(2×8 m)或者3行柠条(3×6 m、3×10 m种植，柠条较为集中，因此，蒸腾作用较为强烈，导致高沙窝地区柠条地植株间的土壤水分消耗较大。1×6 m(0.12株·m-2)种植的柠条冠幅较大但植株少，柠条行间距较大，导致土壤裸露较为严重，地表行间土壤水分损失较大，使得柠条地株距含水量大于行距含水量。对株行距的土壤水分进行统计分析，高沙窝地区柠条间作苜蓿的退耕还林地土壤水分明显低于其余柠条地，且均有显著性差异；土壤水分与柠条种植密度存在正相关性，随着种植密度增加土壤水分逐渐减少。由此可见，选择1×4 m或者1×6 m的低密度种植模式可有效防止干旱区土壤水分流失，并可以很好地防风固沙。

图5 不同种植模式植株间土壤水分垂直分布特征

3 小结与讨论

宁夏中部干旱带土壤水分主要受地表蒸发、大气降雨及植物生长节律的影响，土壤中的储水量受地层结构、土壤类型、植物类型、植物生长密度等影响较大。为了研究宁夏干旱地区的土壤水分变化规律，以柠条林地为研究对象，通过布设2.0 m深的TDR管探究不同柠条地的土壤水分变化。2017年的监测数据显示，随着柠条生长年限增长，土壤水分逐渐降低，以3×6 m(0.56株·m-2)柠条退耕还林地为例，该地区柠条种植时间较长，土壤得到进一步改善，但地表植被覆盖较多，导致植物耗水较为严重，土壤水分明显低于其余种植密度的柠条地。同时土壤水分的变化与柠条地的种植密度相关，分析表明，采用单行种植方式可有效防风固沙，且具有一定的保水性，1×4 m、1×6 m单行种植模式的土壤全年含水量明显高于2×8 m、3×6 m、3×10 m等多行种植模式，能有效的降低土壤旱化，长期保持土壤水分的动态平衡，对保持柠条林地生物多样性作用突出。柠条作为宁夏中部干旱带的主要灌木树种，造林建议以1×4 m或1×6 m为佳，既可起到防风固沙、改善生态环境、改良土壤的作用，又可有效保持土壤的水分平衡。在草原上营建柠条林，其主要功能是防风固沙。本研究由于是对现有柠条林地的监测调查，对林带距离的监测对象未能有更多的选择。相关研究表明，在30h(即30倍的树高)范围内，平均风速分别可降低40%～50%[10]、0.11%[11]、20%[12]；(1～20)h，平均防护效能可达35.27%[10]，平均风速降低50%～60%[13]；(18～25)h处相对风速均在80%以上[14]。土壤水分严重影响着植物的生理活动[15]，通过筛选生长良好的耐旱植物与乡土树种[16]，是退化生态修复关键技术之一。在宁夏中部干旱带，柠条株高一般均在1.5 m以上。据此，从保护物种多样性、减少林带旱化、保证有效防护角度，林带间距应设置在30～45 m，或零星点缀种植为宜。