黄土丘陵沟壑区植被恢复过程中水保林地土壤水分变化

王辅　何倩　赵强　沙小燕　张鹤　韩芬

［关键词］水保林；土壤水分；植被恢复；黄土丘陵沟壑区；葫芦河流域

［摘要］为分析黄土丘陵沟壑区植被建设对土壤水分的影响，选择平凉市葫芦河流域分批建设的水保林为研究对象，设置50个典型样方，采用TRIME-PICO IPH2型土壤水分传感器对水保林0～100 cm土层的土壤含水率进行测定，分析黄土丘陵沟壑区水保林地植被恢复过程中不同恢复时间、不同林分结构特征（林分类型、林分密度、郁闭度、生物量）及不同立地条件下水保林地不同土层深度土壤含水率变化，结果表明：不同恢复时间条件下水保林地平均土壤含水率的变化大致呈现几个阶段，在恢复35 a后水保林开始受到土壤水分胁迫的影响，而受到水分胁迫影响的首先是土壤中间层；地形因子中影响最为直接的因子是坡向，平均土壤含水率阴坡最高，半阴坡和半阳坡次之，阳坡最低，结合坡度因子，为提高植被成活率宜选择坡度20°以内的阴坡、半阴坡宜林地；林分类型对各土层深度土壤含水率的影响总体上表现为纯林地>混交林地，但也存在区域差异；林分密度2 000～2 200株/hm2时平均土壤含水率最高，达到8.33%；郁闭度0.75～＜0.80时水保林遮阴保水效果明显，平均土壤含水率达到最大值8.18%；刺槐林样方生物量3～＜4 kg/m2时平均土壤含水率达到最大值8.96%。因此，营建水保林进行植被恢复时，应根据不同树种冠层结构选择合理的栽植密度，保持合理的郁闭度和生物量，以利于保持足够的土壤水分促进植物生长。

［中图分类号］ S718.5［文献标识码］ A［文章编号］ 1000－0941（2023）08－0017－05

在我国西北黃土高原地区，水分是植被生长的主要限制因素和决定土壤生产力的主要因素[1]。长期以来降水不足且分布不均，使土壤水分处于亏缺状态，旱季植被生长所需水分主要依赖于土壤深层储水[2-3]。近年来随着大量植被恢复项目的实施，为了提高植被成活率、改善植被恢复效果、避免水保林大量损耗地下水资源，植被恢复与土壤水分之间的关系研究已成为黄土高原地区水土保持和植被恢复中水分利用研究的热点[4-5]。作为典型的黄土丘陵沟壑区，本研究选取甘肃省平凉市葫芦河流域为研究对象，分析黄土丘陵沟壑区植被建设对土壤水分的影响，对于协调降雨与土壤水分、植被覆盖与土壤水分之间的关系具有重要意义，可为黄土高原同类型地区植被恢复过程中不同立地条件下林草植被的优化配置和水分管理提供理论依据。

1研究区概况

平凉市位于甘肃HYPERLINK"http：//baike.baidu.com/view/8461.htm"省中东部，被六盘山自北向南分为东西两部分，其中西部为葫芦河流域。葫芦河流域地处华家岭以东、六盘山以西、关山西麓，地理坐标为35°00′36″～35°45′00″N、105°20′24″～106°24′00″E，东西长约102.36 km，南北宽约81.68 km，流域总面积3 701.67 km2，行政区划上属于静宁县和庄浪县范围。地貌类型属陇中黄土丘陵沟壑区，丘陵及沟壑呈多级阶状分布，山梁与河谷相间，形成掌状洼地黄土丘陵、剥蚀堆积黄土丘陵、低山侵蚀黄土丘陵、侵蚀堆积河谷4种地貌类型，由山丘、梁、峁、坡、沟、河漫滩、峡谷、河谷川地等多种地貌单元复合组成，相对高差200～300 m，沟壑密度1.5～2.0 km/km2，沟谷多呈U形，下切深度30～50 m。受大陆性季风气候影响，属陇中中温带半干旱大陆性季风气候区，春季干旱少雨，夏秋季多东南风、雨量多而集中，冬季多西北风、干旱少雨雪，年均气温7.9 ℃，年均降水量484.7 mm，年均水面蒸发量880.7 mm，干旱指数1.83。受气候和人类因素影响，流域内林草覆盖率仅为28.63%，远低于黄土高原地区的平均水平。为恢复流域植被，近40多a来在流域内分阶段栽植了以刺槐、小叶杨、山杏、山毛桃、沙棘为主的大量水保林，其中人工刺槐林种植最为广泛。

2研究方法

2.1样方设置

以近40 a来平凉市葫芦河流域分阶段栽植的水保林为研究对象，设置调查总样方50个，研究黄土丘陵沟壑区水保林植被恢复过程中的土壤水分变化。各样方中，按林龄（恢复时间，a）分，6～15 a样方5个，16～20 a样方8个，21～25 a样方8个，26～30 a样方18个，31～35 a样方8个，36～40 a样方3个；按林种分，刺槐林地样方26个、山杏林地样方6个、山毛桃林地样方15个、小叶杨林地样方12个、旱柳林地和云杉林地样方各1个，其中混交林地样方重复11个；按林分类型分，纯林地样方39个、混交林地样方11个；按不同区域分（流域内黄土丘陵沟壑区不同区域地貌类型不同），其中北部样方25个、中部样方13个、南部样方12个。

2.2土壤含水率测定

土壤含水率测定时间选在2022年5月30日至2022年6月18日。选择这个时间段，是因为在一年中这个时间段研究区天气最为稳定，同时调查样方测定前1个月内无降雨，水保林地土壤尤其深层土壤含水率处于最稳定的状态，有利于提高土壤含水率测定的可靠性。

采用德国IMKO公司生产的TRIME-PICO IPH2型剖面土壤水分传感器，在调查样方内适当位置清除表面枯落物，用土钻垂直钻至100 cm深度，插入100 cm长测管，再将传感器插入，通过配套的手机软件依次读取传感器插入深度分别为0～＜20、20～＜40、40～＜60、60～＜80、80～100 cm的数据，最后将手机内存储的数据导入电脑进行分析，取得50个样方的土壤含水率数据共计250组。采用Excel软件统计并对全部样方中土壤含水率测定数据根据分析组别进行均值化处理，使用OriginPro 9.1软件制作土壤水分剖面图。

3结果与分析

3.1恢复时间对土壤水分变化的影响

研究区不同恢复时间不同土层深度土壤含水率见表1。相同恢复时间条件下，随着土层深度增加，各土层深度平均土壤含水率整体均呈增加趋势，这种变化有利于深层植物根系吸收相对充足的水分以促进植物生长，特别是对于主根发达的乔木林和灌木林更加有利，同时也反映出相对于深层土壤，浅表层土壤含水率更容易受到水分蒸发的影响。

不同恢复时间条件下，水保林地平均土壤含水率的变化大致呈现几个阶段。第一阶段幼林期（6～20 a），随恢复时间增加，各土层深度土壤含水率整体呈增加趋势。第二阶段幼林后期（21～25 a），随恢复时间增加，各土层深度土壤含水率出现波动，相比幼林期末期，除20～＜40 cm外，其他各土层深度土壤含水率均有所减少。这说明随着恢复时间增加，水保林快速生长造成的土壤水分消耗开始增加。第三阶段进入中林期（26～35 a），随恢复时间增加，相比幼林后期，各土层深度平均土壤含水率又有所增加，各土层深度平均土壤含水率在26～30 a时达到最大值8.19%，其中40～＜60、60～＜80 cm土壤含水率也达到最大值， 这说明当水保林恢复到26～30 a时，也就是黄土高原地区水保林开始进入中林阶段时，随着恢复时间增加，植被不断生长，水保林自表层向深层产生并积累的腐殖质含量持续增加，提高了土壤有机质含量，深层土壤理化性质得到改善，土壤结构发生改变，使深层土壤水稳性团聚体含量升高，吸水和储水能力得到改善。第四阶段中林后期（36～40 a），随恢复时间增加，相比上阶段末期，除表层（0～＜20 cm）和深层（80～100 cm）土壤外，中间土层深度（20～＜80 cm）土壤含水率均有所减少，这说明水保林在恢复35 a后开始受到土壤水分胁迫的影响，而受到水分胁迫影响的首先是土壤中间层。

3.2林分类型对土壤水分变化的影响

不同类型的水保林地林分结构不同，根系密度、冠层结构及冠幅总面积存在差异，从而导致土壤蒸发量和植被蒸腾量不同，土壤水分存在不同程度的差异。研究区全体样方各土层深度土壤含水率总体上表现为纯林地>混交林地，见图1（a）。这是因为混交结构下水保林根系密度和冠层表面积相比纯林结构都要大，增强了叶面蒸腾作用，导致耗水量较大，土壤含水率较低。但是也要看到，林分结构对土壤含水率的影响具有空间差异性，表现为：研究区南部的样方，0～＜40 cm土层土壤含水率纯林地>混交林地，40～100 cm土层混交林地>纯林地，见图1（b），并且出现随土层深度增加，混交林地土壤含水率明显增加，纯林地波动变化并趋于减少的变化趋势，这种情况极有可能导致南部地区纯林地先于混交林发生土壤干燥化并出现土壤干层现象；北部的样方，各土层深度土壤含水率纯林地＞混交林地，见图1（c）；中部的样方，各土层深度土壤含水率纯林地＜混交林地，见图1（d）。由此，建议根据研究区不同地域的降水等气候条件配置适宜的林分结构。

3.3地形因子对土壤水分变化的影响

3.3.1坡度

对水保林地不同坡度（≤5°、＞5°～15°、＞15°～20°、＞20°～25°、＞25°～30°、＞30°）各土层深度土壤含水率数据进行均值化处理，见图2。结果表明：随坡度增大各土层深度土壤含水率整体呈先增加后减少的变化趋势，其中：坡度≤20°时土壤含水率随坡度增大而增加，在坡度＞15°～20°时达到最大值8.78%；坡度＞20°时土壤含水率随坡度增大而减少，在坡度＞30°时出现最小值6.42%。由此可见，在研究区进行植被恢复时，为最大限度地利用自然降雨提高土壤含水率、避免出现土壤干层、提高植被成活率，应尽可能选择坡度20°以内的宜林地。

3.3.2坡向

对不同坡向（半阴坡、阴坡、半阳坡、阳坡）各土层深度土壤含水率数据进行均值化处理，结果见图3。整体来看，不同坡向水保林地各土层深度平均土壤含水率排序为阳坡（5.88%）<半阳坡（6.38%）<半阴坡（7.82%）＜阴坡（8.35%）。在相同降雨条件下，相比阳坡和半阳坡，半阴坡和阴坡接受的太阳辐射量较少，导致地温低，土壤水分蒸发少，因此平均土壤含水率较高，说明在黄土丘陵沟壑区阴坡和半阴坡更有利于保持土壤水分和实施植被恢复。

3.3.3坡位

对不同坡位（坡顶、坡上、坡中、坡下）水保林地各土层深度土壤含水率数据进行均值化处理，见图4。坡顶平均土壤含水量最高，达8.81%，其次分别为坡上7.81%、坡中6.67%，坡下最低，仅为5.97%。其原因可能与不同坡位处的地面坡度有关。黄土丘陵沟壑区梁峁顶一般比较平缓，降雨径流流速较慢，通过土壤入渗进入土层的水分相对更充足，因此土壤含水率较高；而梁坡中部和下部一般坡度较大，径流流速较快，减少了地表水分入渗，因此土壤含水率较低。这与野外典型样方调查中实际观察到大部分水保林分布于梁峁顶和梁峁带是一致的。

3.4生物量对土壤水分变化的影响

以刺槐林地样方为例，分析生物量（<1、1～＜2、2～＜3、3～＜4、4～5 kg/m2）對刺槐林地土壤含水率的影响，见表2。刺槐生物量＜4 kg/m2时，平均土壤含水率随着生物量的增加呈递增趋势，在生物量3～＜4 kg/m2时达到最大值8.96%，之后生物量继续增加至4～5 kg/m2时，平均土壤含水率又有所减少。这表明在研究区生物量较大时植物会吸收更多的土壤水分，造成土壤含水率下降，使土壤变得更加干燥化。生物量在一定程度上反映了水保林栽植密度，而密度效应可能是造成上述土壤水分差异的主要原因。因此，在植被恢复过程中，为了促进生态系统稳定，实现可持续发展，可以通过调整栽植密度维持合理的生物量，使水保林地土壤保持一定的含水率。

相同生物量条件下，刺槐林地土壤含水率整体上随着土层深度增加而增大，这可能与刺槐林生长期受到当地干旱胁迫有关。随着刺槐不断生长发育，表层土壤由于蒸发最先出现干燥化，在干旱胁迫影响下刺槐主要通过根系吸收深层土壤水分来维持其正常生长。这一结果与实际调查中发现林下灌丛及草本因表层土壤极其干旱出现大量枯死的情况相符。

3.5林分密度对土壤水分变化的影响

对不同林分密度（300～800、1 000～1 200、1 300～1 500、1 600～1 800、2 000～2 200、2 400～2 500、2 800～3 300株/hm2）各土层深度土壤含水率数据进行均值化处理，见图5。结果表明，各林分密度水保林地表层平均土壤含水率仅为4.39%，更严重的是林分密度为1 000～1 200株/hm2时只有2.48%，致使表层土壤长期处于极度干燥状况，而深层土壤含水率相对较高。具体来说，林分密度300～800株/hm2时平均土壤含水率最低，仅为5.94%，这可能是低密度水保林植株比较稀疏，导致林间更高的风速和接受更多的太阳辐射，加剧了土壤水分蒸发，造成土壤含水率下降；之后随着密度增加，土壤含水率波动增加，依次为1 000～1 200株/hm2（7.45%）、1 300～1 500株/hm2（7.27%）、1 600～1 800株/hm2（7.86%）；林分密度2 000～2 200株/hm2时平均土壤含水率最高，达到8.33%；再之后随着林分密度增加，平均土壤含水率出现波动减少，依次为2 400～2 500株/hm2（6.80%）、2 800～3 300株/hm2（7.10%）。由此可见，过大或过小的栽植密度均会导致土壤含水率较低，研究区水保林栽植密度控制在2 000～2 200株/hm2时是基本合理的，既能够最大限度地维持较高的林分生产力，达到防风固土、净化空气的生态功能和涵养水源、保持水土的水土保持效果，又能够维持一定的土壤水分保障植被可持续更新与恢复。另外，这一数据也接近陕北地区最优林分密度研究成果1 670～2 000株/hm2。

3.6郁闭度对土壤水分变化的影响

不同郁闭度（＜0.70、0.70～＜0.75、0.75～＜0.80、0.80～＜0.85、≥0.85）水保林地平均土壤含水率变化见表3。郁闭度＜0.70时，平均土壤含水率最小，仅为6.08%；随着郁闭度增加，平均土壤含水率逐渐增加，在郁闭度0.75～＜0.80时达到最大值8.18%，说明足够高的郁闭度林分具有明显的遮阴效应，能大大降低太阳辐射，使林下保持较低的温度，从而减少土壤水分蒸发；之后，当郁闭度≥0.80时，随郁闭度增加平均土壤含水率开始下降，这是因为冠幅增加会大大提升叶面蒸腾，植物根系需要吸收更多的水分，从而导致土壤含水量降低。因此，应根据不同树种的冠层结构特点选择合理的栽植密度，使其保持合理的郁闭度，从而保持足够的土壤水分以促进植物长期生长，过低或过高的郁闭度均不利于林下土壤保持较高的含水率。

4结论

在甘肃省平凉市葫芦河流域开展植被建设对土壤水分的影响研究，对于黄土丘陵沟壑区水保林建设中林草植被优化配置和水分管理具有重要意义。通过在研究区设置的50个不同林龄、林种、林分等的样方，采集0～100 cm不同土层深度土壤含水率，对试验结果进一步分析表明：①相同恢复时间条件下，随着土层深度增加，各土层深度平均土壤含水率整体均呈增加趋势。不同恢复时间条件下，水保林地平均土壤含水率的变化大致呈现几个阶段，水保林在恢复35 a后开始受到土壤水分胁迫的影响，而受到水分胁迫影响的首先是土壤中间层。②林分类型对土壤水分的影响总体上表现为纯林地>混交林地，但也存在区域差异，因此应根据研究区不同地域的气候条件配置适宜的林分结构。③过大或过小的栽植密度均会导致水保林地土壤含水率降低，不利于保持土壤水分。研究区水保林栽植密度控制在2 000～2 200株/hm2是基本合理的，既能够最大限度地维持较高的林分生产力，又能够达到防风固土、净化空气的生态功能和涵养水源、保持水土的水土保持效果。④坡度、坡向、坡位等地形因子对水保林地土壤含水率的影响最为复杂多变，其中影响最为直接的是坡向因子，相同降雨條件下阴坡的土壤含水率最高，半阴坡、半阳坡次之，阳坡最低。这几乎与黄土高原地区所有研究结论一致。结合坡度因子分析结果，在黄土丘陵沟壑区营造水保林进行植被恢复时，为最大限度地利用自然降雨提高土壤含水率、避免出现土壤干层、提高植被成活率，应尽可能选择坡度20°以内或阴坡、半阴坡宜林地。⑤受自然降雨限制，生物量较大时植物会消耗更多的土壤水分，造成土壤含水率下降，使土壤变得更加干燥化，因此研究区刺槐林生物量控制在＜4 kg/m2为宜。⑥合理的郁闭度使水保林具有明显的遮阴保水效应，能够有效降低太阳辐射，使林下保持较低的温度，从而减少土壤水分蒸发，但过高的郁闭度也可能导致土壤含水率降低。研究区林分郁闭度控制在＜0.80以内是比较合理的。综上所述，研究区在营建水保林进行植被恢复过程中，应根据不同树种冠层结构选择合理的栽植密度，保持合理的郁闭度并维持合理的生物量，从而保持足够的土壤水分以促进植物生长，即过低或过高的密度、郁闭度和生物量均不利于水保林地土壤保持较高的含水率。

[参考文献]

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[5] 张立俞，邸利，任艺彬，等，陇东黄土高原中沟小流域不同植被措施土壤水分差异分析[J].水土保持研究，2021，28（4）：159-164，170.

收稿日期： 2023-04-23

基金项目： 平凉市科技计划项目（平科任自〔2021〕2号）

第一作者： 王辅（1969—），男，甘肃静宁人，高级工程师，学士，长期从事黄土高原水土保持与生态环境建设研究工作。

E-mail： 2640189616@qq.com

（责任编辑李杨杨）