半干旱黄土区柠条灌丛不同植被管理方式下的土壤水分

刘剑荣，杨 磊，卫 伟，张钦弟

（1.山西师范大学生命科学学院，山西 临汾 041004；2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085）

黄土高原地处半干旱黄土区，长期受到地理环境和气候的影响，水土流失严重、气候干燥、生态环境十分脆弱[1]。水资源是制约干旱半干旱地区生态环境建设的主要因素之一，所以土壤水分不仅是生态系统功能的驱动力，也是植被生长和生存的必要条件之一，直接影响植被的生长发育、结构特征、分布规律，同时植被也对土壤水分存在负反馈作用[2-3]。为了控制黄土高原严重的水土流失问题，我国大力实施“退耕还林(草)”政策，将非本土植物物种作为这一地区进行恢复生态系统的主要措施。其中，柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)为多年生落叶灌木，由于具有耐旱性、耐寒性和耐高温性，成为我国西北、华北以及东北西部固沙造林和水土保持最重要的人工植被类型之一，至2017年黄土高原人工柠条林地的造林面积约有1.33×106hm2[4]。

黄土高原生态环境脆弱，水分条件极不稳定，降水是该区土壤水分补充的主要来源[5]，如果植被建设以及植被管理方式不科学[6-8]，可能造成该区生态水文的破坏、土壤干燥化程度日益严重等问题[9]。如大规模的种植高大乔木会导致深层土壤水分贫瘠[10-12]；多年不合理种植柠条会加重土壤干燥化的程度，恶化生态环境[13]。采取科学的植被管理，可以增加生物多样性，提供更多的生态系统服务[14-15]，最常见的植被管理方式有平茬、去除林下植被等。其中，平茬管理对地上植物和地下植物都有一定的影响，近年来关于平茬的方式、高度以及周期对不同植被的影响进行了大量的研究和探讨，贾希洋等[16]在宁夏荒漠草原的人工柠条林做5种密度平茬后发现隔两带平茬一带的方式可以更好地改善林间生境；王震等[17]对老龄四合木(Tetraena mongolica)经行平茬后发现，做留茬高度不同的处理后会提高四合木的水分利用效率；段广东等[18]针对毛乌素沙地沙柳(Salix psammophia)人工林衰退问题进行研究，发现沙柳平茬周期为4年时迎风坡防护效果最好。众多学者发现，去除林下植被后对其林分结构及土壤理化性质等方面均有影响。比如，去除林下植被后，亚热带杉木人工林的土壤水分、全量养分以及有效养分含量降低[19]；樟树(Cinnamomumcamphora)人工林做林下植被去除处理后发现0−20 cm 土层的土壤有机碳含量显著降低[20]；林下植被去除管理对上层植被的生长以及生理方面产生一定的影响，Wagner 等[21]发现经过林下植被去除后，主要商品树种的木材体积产量增加30%～500%。以上研究主要针单一植被管理方式，而将平茬、林下植被去除两种管理方式相结合的研究少有报道。

目前对柠条锦鸡儿的研究主要集中在不同立地条件、不同生长年限以及不同平茬密度对土壤水分的影响[22-26]，但对于柠条灌丛进行林下植被去除后的土壤水分变化以及同时做平茬和林下植被去除后对土壤水分的影响鲜有报道，需要进一步的分析。因此，以半干旱黄土区广泛种植的人工柠条灌丛为研究对象，通过野外定位观测试验，研究不同坡位结合平茬管理和除草管理以及平茬和除草相结合的管理方式对柠条灌丛土壤水分的影响，选择最合适的植被管理方式，以期为提高人工柠条灌丛的生态效应提供理论依据，为当地生态环境的保护和黄土高原人工植被土壤水分环境的研究提供科学依据。

1 研究区概况

龙滩流域(104°27′ −104°32′E，35°43′ −35°46′N)位于甘肃省定西市安定区巉口镇，海拔1929 − 2 211 m，年均气温6.8℃，年均降水量386 mm，主要分布在7月 − 9月，属于半干旱黄土高原黄土区[27]。该区土质均一，以黄绵土为主，土壤贫瘠，属于典型草原地带[28]。天然植被多以赖草(Leymus secalinus)、长芒草(Stipa bungeana)、阿尔泰狗娃花(Heteropappus attaicus)等多年生草本为主，经过大规模退耕还林(草)的实施，现有人工植被多以柠条(Caragana korshinskii)、紫 花 苜 蓿(Medicago sativa)、山 杏(Armeniaca sibirica)、侧柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)等为主。

2 研究方法

2.1 样点布设

研究区选择的柠条种类为柠条锦鸡儿，于2015年5月选择土壤、植被生长状况一致的柠条灌丛及其林下草地作为研究样地，分别设置平茬除草、平茬、除草和对照组(CK)即不平茬也不除草共4个处理(图1)。在4种不同管理方式的样地沿坡面布设监测样点，分为上、中、下坡位3个样地，每个样地随机设置3个5 m×5 m 样方作为重复。柠条灌丛的处理为齐地平茬，草本层为齐地去除地上部分。样地基本特征如表1所列。

表1 样地基本情况Table 1 Basic information on thesampling sites

图1 试验设置剖面示意图Figure 1 Schematic diagram of the experimental setup section

2.2 降水年型划分

本研究采用国内常用的降水年型划分标准划分降水年型[29]：

式中：Pi为多年降水量(mm)；Pm为多年平均降水量(mm)；δ 为多年降水量的均方差。根据研究区多年降水资料计算得出均方差为140.4 mm，可知降水量>432.33 mm 为丰水年，<239.67 mm 为干旱年，否则为平水年。

2.3 土壤水分的测定

土壤水分的测定是采用便携式时域反射仪TDR (Time Domain Reflectometry，型号为TRIME-FM)在2016−2018年生长季(5月−10月)，分不同土壤深度(0− 0.05 m、0.05− 0.1 m、0.1− 0.2 m、0.2 − 0.3 m、0.3 −0.4 m、0.4 −0.6 m、0.6 −0.8 m、0.8 −1.0 m、1.0 −1.2 m、1.2−1.4 m、1.4 −1.6 m 和1.6−1.8 m)进行测定，每两周(每月中旬和月底)测定一次。在上、中、下坡位的每个样地测定3次重复的水分数据，并计算其平均值。

2.4 数据处理

使用SPSS 17.0进行数据统计和分析，同一因素不同水平间差异显著性使用单因素方差分析法(one-way ANOVA)，用P值对单因素方差分析进行显著性检验，在检验方差齐性时，若方差齐，采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较；若方差不齐时，则采用Tamhane’s T2法进行多重比较，相关数据采用平均值± 标准差(Mean ±SD)表示。探讨土壤水分的时间动态变化时采用的数据是各管理方式上、中、下坡位土壤水分的均值。在DPS 9.01采用聚类分析中的有序样本最优分割法，将土层0−1.8 m 以土壤水分测定的土壤深度依次标记为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，对该范围内4种管理方式的土壤水分、标准差(S)和变异系数(CV)作为指标进行有序聚类，确定分类数、误差函数以及最优分割结果，最终得出土壤水分垂直活动层层次[30-31]。标准差和变异系数的计算方法见以下计算公式：

式中：S M为土壤水分观测样本的均值；n为样本总体个数；SMi为第i次土壤水分含量观测值。采用Origin 2016进行数据绘图。

3 结果与分析

3.1 坡位对不同植被管理方式土壤水分的影响

0−1.8 m 土壤深度4种植被管理方式的土壤水分随着土壤深度的降低整体呈现出先增加后减少的趋势(图2)。其中，平茬除草的土壤水分在上、中、下坡位都明显高于其他管理方式的土壤水分。上坡位各植被管理方式土壤水分波动性最明显，比如在0.6 m 各管理方式的土壤水分明显减少，平茬除草管理方式在0−0.6 m 土壤水分由16.63%减少到10.48%；而下坡位各管理方式土壤水分相较于上坡位则相对稳定。整体来说，4种植被管理方式的土壤水分在各坡位上均具体表现为平茬除草>平茬> 除草> 对照。多重比较结果(表2)显示，上、中、下坡位0 −0.4 m 土层4种管理方式的土壤水分均无显著差异(P<0.05)，而在0.4−1.8 m 土层各坡位平茬除草管理方式土壤水分都高于其他3种管理方式的土壤水分。

表2 不同植被管理方式下同一坡位土壤水分分布差异Table 2 Differencesin soil moisturedistribution in the same slopepositionsunder different vegetation management methods

图2 不同植被管理方式下同一坡位剖面土壤水分变化Figure 2 Changesof soil moisturein the same slopeposition profilesunder different vegetation management methods

3.2 不同植被管理方式土壤水分的时间动态

2016、2017、2018年生长季的降水量分别为217.8、259.5和289.6 mm，主要集中于5月下旬到10月中旬之间，气温在生长季逐月上升，均在8月中旬左右达到最高值，分别为25.0、23.5和23.2℃，此后气温开始下降(图3)。与该区域长期气候特征相比，2016年为干旱年，2017、2018年为平水年。

结合生长季降水量与气温(图3)，以及生长季0 −0.4 m 浅层土壤水分动态(图4)，可以看出，2016年各管理方式的土壤水分在4.3%～11.5%波动，由于5月下旬降水量较多，气温较低，故各管理方式的土壤水分达到最大值；2017年气温相较于2016年低且降水次数多，各管理方式的土壤水分变化趋势呈现多峰状态，在8月下旬平茬除草管理方式土壤水分达到最大值21.0%，而对照的土壤水分仅为16.0%；2018年降水量在7月中旬达到最高值76.4 mm，其中平茬除草管理方式的土壤水分最高为20.2%。0.4−1.0 m 中层土壤水分，2016年各管理方式土壤水分随降水波动不显著；2017年8 月下旬土壤水分出现升高的趋势，表现为平茬除草(13.96%)>除草(12.56%)> 对照(11.86%)> 平茬(10.96%)。1.0 −1.8 m 较深土层2016年、2017年各管理方式的土壤水分随降水波动不显著，而2018年的土壤水分变化与0.4−1.0 m 土层相似。

图3 生长季降水量及温度特征Figure3 Rainfall and air temperature characteristicsin thegrowing season

图4 不同植被管理方式下土壤水分时间动态Figure 4 Temporal dynamics of soil moisture under different vegetation management methods

3.3 不同植被管理方式土壤水分的垂直变化

将土壤水分、标准差、变异系数进行有序聚类后，确定分类数、误差函数及最优分割结果。确定最优分类数K是最优样本分割法的关键，误差函数随K的增加逐渐减小，如图5所示，采用碎石图法对土壤水分剖面划分确定最优分类数K[31]。在4种管理方式中，当分类数大于3(即K>3)时，曲线趋势均比较“陡峭”；当分类数小于3(即K<3)时，曲线趋势均比较“平缓”，因此，最优分类数K=3。如图6所示，不同管理方式土壤水分按有序聚类最优K值均可划分为3层，即活跃层、次活跃层、相对稳定层。对照土壤水分的活跃层厚度最薄，为0−0.1 m，平茬除草土壤水分的活跃层最厚为0−0.4 m，平茬、除草土壤水分的活跃层分别为0−0.3 m、0−0.2 m。4种管理方式土壤水分次活跃层厚度除对照管理方式为0.2 m 外，其他管理方式厚度均为0.4 m，土壤水分相对稳定层厚度排序为对照(0.3− 1.8 m)>除草(0.6− 1.8 m)>平茬(0.7−1.8 m)>平茬除草(0.8−1.8 m)。总体来说，平茬除草土壤水分的活跃层与次活跃层的深度共为0−0.8 m，其深度大于其他3种管理方式，而对照的土壤水分在0.3 m 以下均为相对稳定层。

图5 不同管理方式下基于误差函数与分类数的碎石图Figure5 Gravel diagram based on error function and classification number under different vegetation management methods

图6 不同管理方式下土壤水分垂直变化层次划分Figure 6 Vertical soil moisture level division under the different vegetation management methods

4 讨论

4.1 不同植被管理方式土壤水分垂直剖面分布变化的原因

在半干旱黄土区，由于地表的土壤水分更容易受到高强度植被蒸腾和土壤蒸发，导致地表的土壤水分会相对较低[32]。在本研究中土壤水分低值均出现在0.6 m 以下深度，与上述结果不一致，可能是因为柠条作为引入植被经过植被管理处理后，会改变土壤在垂直和水平方向上重新分配水分的能力，有研究认为表层以下40− 90 cm 是柠条细根的主要分布和生长活跃区，因此推断柠条细根会在40−90 cm加大对土壤水分的吸收，从而降低土壤水分含量[33]。本研究发现，柠条灌丛采取不同植被管理方式后土壤水分在上、中、下坡位均表现出平茬除草管理方式的土壤水分最高(图2)，这可能是由于将柠条灌丛和林下植被地上部分去除后，冠层截留降水量减少，降水入渗量增加[13,34]。杨永胜等[35]研究发现柠条灌丛进行平茬管理后会降低柠条地上组织的需水量，使土壤水分积累增加，同时平茬处理增加林间的透光性且提高了林下草地植物群落的盖度和高度，增加的光照会加剧一部分地表水分的蒸散[36]，所以从整体来看，采取平茬植被管理后土壤水分会比对照土壤水分高但相较于平茬除草管理土壤水分低。林下植被对表层土壤的稳定性有重要的缓冲效果，可以减轻降水、径流的冲击以及起热绝缘的作用[37]。当林下植被去除后，保护的屏障消失，显著增加了土壤表层的温度，导致土壤水分显著降低。研究区的林下植被大多为浅根系草本植被，地上部分去除后也会降低叶片蒸发造成的水分消耗。

4.2 不同植被管理方式土壤水分时间动态变化差异的解释

降水是黄土高原地区植被生长所需水分的主要来源，对半干旱黄土区土壤水分有重要的补偿作用[38-39]。在整个生长季中，不同管理方式土壤水分季节变化呈现出相同的趋势，均表现为0−1.0 m 土层中各植被管理方式的土壤水分在生长旺季(7月−8 月)会明显下降，这可能主要是因为植被生长所需水分以及林地蒸发强度旺盛导致的水分消耗远大于降水的补给，这与张晓梅等[40]的研究结果相同。到生长季末(9月)土壤水分会有小幅度的上升之后又下降，而在1.0−1.8 m 土层则无明显变化，这与何其华等[41]对干旱半干旱山地土壤水分动态的研究中土壤水分季节动态与降水季节变化基本一致的结果相同。浅层0−0.4 m 由于受植被生长、降水以及蒸发量的影响较大，各管理方式的土壤水分波动较大，可能因为2016年相较于研究区长期气候温度高、降水量少，导致该年生长季土壤水分相较于2017年、2018年动态变化趋势较稳定。中层0.4−1.0 m 主要由降水和植被共同决定，降水会对此层土壤水分有一定的补给。较深层1.0−1.8 m受温度与降水的影响较小，而倾向于植被对其的影响[42]，其中，平茬除草管理方式的土壤水分显著高于其他管理方式，对照的土壤水分明显较低，有研究指出柠条平茬以及林下植被去除后其地上生物量的恢复均对土壤水分有一定的改善[43]。

4.3 分析土壤剖面水分层次划分及对植被管理建议

柠条灌丛的土壤水分循环较为单一，由降水入渗、地表蒸发以及植物自身蒸腾组成，因此土壤剖面水分在垂直方向上也具有一定的层次性。党汉瑾等[44]将柠条植物篱土壤水分按土壤深度划分为弱利用层、利用层和调节层，发现植物根系的分布以及降水的入渗到土壤中作水分储存都发生在利用层。在本研究中，采用最优分割法将土壤剖面水分划分为活跃层、次活跃层、相对稳定层。结果显示，平茬除草管理方式土壤水分的活跃层和次活跃层深度大于其他3种方式。活跃层在自然降水的补充、地表蒸发以及植被自身强烈蒸腾的共同作用下，土壤水分变化比较剧烈[44]，而次活跃层是植物根系的主要水分利用层，为植物生长提供重要的水分保障[27]。相对稳定层的土壤水分变化逐渐减弱，变异强度也较活跃层和次活跃层低[45]。活动层与次活跃层的土壤水分共同特点既是对植被本身所需水分有一个保障，也对土壤水分有较好地补充和调节作用。植物通过根系吸收土壤水分与养分，平茬除草管理方式减少冠层对降水的截留作用和自身蒸发对土壤水分的消耗，使其活跃层和次活跃层的土壤层厚度大于其他3种植被管理方式，形成良好的降水–植被–土壤循环，使平茬除草的土壤水分含量显著高于其他3种管理方式。

5 结论

通过柠条灌丛不同管理方式下土壤水分的动态分析，初步得出：0−1.8 m 深度4种植被管理方式的土壤水分整体呈现出先增加后减少的趋势，平茬除草管理方式的土壤水分在上、中、下坡位都明显高于其他管理方式的土壤水分。分析3年土壤分层水分动态变化发现，各植被管理方式的土壤水分在0−0.4 m 浅层受季节变化影响的波动性最为明显，而1.0−1.8 m 的深层土壤水分则相对稳定。温度和降水对土壤水分有一定的影响，但无论是干旱年还是平水年，在各土层中平茬除草土壤水分均高于其他3 种管理方式的土壤水分。根据土壤水分垂直变化可划分为活跃层、次活跃层和相对稳定层3个层次，平茬除草管理方式的活跃层与次活跃层深度均大于其他3种管理方式。因此，平茬除草管理方式更适合在干旱半干旱黄土高原丘陵区实施，减少土壤水分的流失，保护当地生态环境。