不同地形部位林草地水土保持措施对土壤水分的影响研究

翟国爽

（朝阳市建平县白山乡水利服务站，辽宁 建平 122406）

为恢复辽西低山丘陵区的生态植被，在这一地区国家先后启动了防护林建设、退耕还林草和天然林防护等一系列生态工程[1]。工程措施、农业耕作措施和植被措施被称为三大水保措施，措施的实施会给土壤水分的静态分布和动态过程造成影响，反之土壤水分的动态变化和分布特征也会影响水保措施的实施及效益[2]。目前，中国研究土壤水分受水保措施影响的较多，主要侧重于不同林、草地及林分密度的对比分析，而系统探讨不同地形林草地特别是辽西低山丘陵区人工刺槐林土壤水分的还较少。自然条件下，在植被、地形、土壤及气候的共同作用下土壤水分表现出很强的尺度效应和显著的时空异质性，地表形态水分的动态过程和静态分布的改变会导致土壤含水率发生变化[3-6]。从垂直剖面上，受植被根系吸收、蒸腾、土壤蒸发、降水、气温等外界环境的共同影响，不同植被类型土壤含水量表现出不同的变化特征。近年来，国内许多学者广泛研究了不同用地方式下黄土丘陵区土壤水分的动态变化、效应影响等，并提出降水等大气属性是影响大尺度上土壤含水量空间异质性的关键因素，而小尺度范围内土壤含水量的主控因素有土壤理化性质、土地利用类型、植被、地形条件、有机质含量等[7-10]。在诸多因子综合作用下土壤水分的时空异质性极其显著，土壤水分的时空异质性受植被、土地利用、坡位、坡度、坡向、降雨、温度等影响显著[11]。鉴于此，文章结合相关研究成果，以辽西低山丘陵区红山小流域次生草地和高、中、低密度人工刺槐林的土壤水分观测为依据，全面考虑大面积退耕还林这一植被治理措施的林分密度及草地、林地等不同用地方式的土壤水分特征，并提出不同地形部位的适宜种植密度和植被类型，为合理配置该区植被措施提供一定支持。

1 试验区概况

试验区设于辽西低山丘陵区红山小流域，属辽河中下游，介于E119°33′57″～119°38′26″、N41°51′49″～41°55′10″之间，流域总面积21.66km2，海拔高程669～971m。流域属大陆性季风气候，日照时数2858h，无霜期129d，平均气温8.3℃，降水量433mm/a，降水年季间变化大且年内分配不均匀，多集中在7、8、9月，蒸发量1823mm/a，相对湿度53%，日照充足，雨热同期，有沟谷、沟台、梁坡和坡面。流域内以人工林为主，树种主要有沙棘、荆条、棉槐，刺槐等，经济林主要有山杏，林木成材率较低，草种以狗尾草、沙打旺、胡枝子、马蔺草、蒲公英、燕麦草、披碱草等为主，林草覆盖率40.71%。

2 研究方法

2.1 样地设置

2020年4-10月在建平县红山小流域林地进行试验，将试验区内10个林地样地按前期林分结构调查结果划分成低、中、高3个密度等级，所对应的种植密度1000～2000株/hm2、2000～4000株/hm2、≥4000株/hm2。样地信息统计表，见表1。

表1 样地信息统计表

在流域内沟台、梁坡、坡面三种地表形态上设置3个草地和4个林地，各样地土壤利用土钻采样法分层取样并测定含水率。分层范围为0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm，土 层 总 深 度0～120cm，为保证数据精度，在自然无人为扰动情况下每层随机选取上、中、下3个采样点。烘箱温度108～110℃，各土壤样品烘8h至恒重，测定含水量并取算数平均值，含水率=(湿土质量-烘干土质量)/烘干图质量×100%。

2.2 数据处理

试验采用Excel 2012、Origin 2019软件进行数据分析和图形绘制，应用SPSS软件计算单因素方差，以此反映不同林分密度刺槐林地和不同水土治理方式的土壤水分含量差异。

3 结果与分析

3.1 不同林分密度刺槐林地土壤含水量

1）土壤水分随土层深度的变化。不同土层深度的土壤含水量变化，见图1。结果显示：①人工刺槐林地土壤水分在高、中、低3个密度等级上的变化趋势基本相同，随土层深度增加(0～60cm近地表)土壤含水量逐渐减小，其中0～40cm内变幅较大，40～60cm内变幅趋于平缓；②60cm处土壤含水量出现拐点，此后随深度进一步增大开始趋于缓和，其中高、低密度林地略有增大，中密度基本不变；③中、低密度刺槐林土壤含水量在0～60cm近地表差异最小，并远远大于高密度林地，高出约3.0%，0～15cm近地表的中密度林地土壤含水量最大达到20.8%。

图1 不同土层深度的土壤含水量变化

2）土壤水分随季节的变化。不同时间的土壤含水量变化，见图2。结果显示：①随时间变化3种林分密度土壤含水率变化趋势相似，整体表现出对称变化特征，并且8-10月、4-6月变化较缓，6-8月变幅较大；②6-8月土壤含水率变幅最大的是高密度林地，8月后中、低密度林地土壤含水率略有上升，同时段高密度等级缓慢减小，7-8月份中、低密度林地土壤含水率比较接近；③在4-6月生长季高、低密度林地土壤含水率降幅低于中密度。

图2 不同时间的土壤含水量变化

3.2 草地和林地土壤水分垂直分布差异

为揭示土壤水分受地表形态的影响特征，比较分析了沟谷、梁坡、坡面3种地形部位的草地与领地的土壤含水率。不同地形的土壤含水量变化，见图3。

图3 不同地形的土壤含水量变化

1）坡面草地和林地土壤含水率变化。由图3(a)可知，随土层深度变化坡面草地、林地土壤含水率变化趋势基本一致，均为土层越深则含水率越小。具体而言：①坡面草地含水率明显小于林地，变幅也较小，而0～40cm深度时林地土壤含水率锐减，在40cm深度从含水率出现拐点，从20.2%减小到13.5%，减小了6.7%，随后逐渐趋于稳定；②草地相对于林地土壤含水率小约10%，浅表层(0～10cm之间)土壤含水率达到6.1%，80cm深时最小达到2.2%，随土层深度变化草地土壤含水率变幅要明显低于林地，0～40cm深度时呈缓慢减小趋势，40cm以下的变幅更小。

2）梁坡草地和林地土壤含水率变化。由图3(b)可知：①在表层上梁坡草地和林地土壤含水率变化趋势相反，0～40cm深度内林地土壤含水率不断减小至最低点，而草地土壤含水率呈现出逐渐增大趋势；②40cm以下时草地和林地土壤含水率变化趋于平稳，深层土壤的梁坡草地与林地土壤含水率相差较小。

3）沟台草地和林地土壤含水率变化。由图3(c)可知：①在0～20cm深度时沟台草地、林地土壤含水率变化趋势基本相同，土层越深则含水率越小；②随着深度的进一步加大，林地土壤含水率逐渐减小至60cm深度的最低值，而草地在20cm埋深以下逐渐增大，随土层深度的增大草地与林地土壤含水率不断减小的态势仅发生在表层，20cm以下林草地土壤含水率随土层深度的增大表现出相反趋势，在20～60cm深度范围内林地继续减小，而草地表现出增大趋势，60cm以下时草地与林地土壤含水率随土层深度的增大不再发生明显变化；③总体而言，随土层深度变化沟台林地土壤含水率变化趋势最明显，整体呈减少趋势。

3.3 草地和林地土壤水分季节变化特征

从图4可以看出，草地与林地土壤含水率季节变化特征非常明显，总体变化趋势相同，整个生长季内表现出缓降、急升、速降、缓升的特征，不同地形部位的土壤含水率动态变化规律大致相同：4～6月缓慢下降、6～7月急速上升、7～8月快速下降、9～10月缓慢上升，其中6～8月变幅最大，7月土壤含水率达到最高，对于不同地形部位草地土壤含水率低于林地。

图4 不同地形的土壤含水量季节性变化

3.4 不同植被类型土壤水分深度差异性

由表2可知，对于不同地形部位草地的土壤含水率变异系数总体小于林地。结果表明：不同地形部位林地土壤含水率在0～60cm范围内随土层深度的增加表现出减小趋势，而草地土壤含水率变化不明显。其中，同一列字母不同则代表土壤含水率差异显著(P＜0.05)，同一列有相同字母则代表差异不显著(P＞0.05)。

表2 不同土层深度剖面的土壤含水率差异

通过分析0～20cm之间土壤含水率可知：①坡面草地土壤含水率比林地低，梁坡差异较大而沟台差异较小；②对于40～120cm之间，梁坡草地土壤含水率高于林地，坡面草地土壤含水率与林地相差不大，沟台林地土壤含水率远低于草地。对不同埋深不同密度的林地土壤含水率高密度＜中密度＜低密度，但在0～60cm近地表中、低密度人工刺槐林土壤含水率明显高于高密度林地，并且中、低密度差异较小；此外，生长季内高、中、低密度林地土壤含水率均表现出缓降、急升、速降、缓升的变化特征；6-9月(夏季)三个密度等级土壤含水率最接近，6-7月急速上升并达到峰值，随后开始下降，7-8月中、低密度林地土壤含水率曲线基本重合，相差较小。

4 结 论

1）对于0～60cm近地表，随土层深度的增加不同地表形态的草地、林地和不同密度的林地土壤含水率均呈减小趋势，并且深层土壤含水率变异系数小于表层，0～60cm之间土壤含水率波动较大，土壤水分变化剧烈，变异系数明显减小，而在60cm以下时土壤含水率逐渐稳定。

2）对于不同时段各剖面深度，不同密度人工刺槐林的土壤含水率变化特征呈高密度＜中密度＜低密度。在0～60cm近地表范围内中、低密度林地土壤水分相差较小，特别是7-8月中、低密度林地含水率较为接近。从生态效应的层面上，认为2000～4000株/hm2为辽西低山丘陵区林地种植密度最佳。

3）随着土层深度的变化不同地形部位草地和林地土壤含水率变化不一，面源草地＜林地，梁坡0～40cm深度时草地＜林地，40cm以下范围草地与林地土壤含水率处于稳定状态，林地略低于草地但两者差异很小，沟台0～20cm深度时草地＜林地，40cm以下范围时林地＜草地；对于土层深厚的坡面，林地的水源涵养能力强于草地，适宜于坡面种植，梁坡表层草地土壤含水率小于林地，40cm以下时林草地含水量相差不大，5月份梁坡地土壤含水率快速上升，所以梁坡地适合种植林木，沟台更加适宜种草。