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          多年生人工檸條林生長對土壤水分的影響

          學術期刊發表網 位置:農業論文 時間:2020-12-17 09:26 (12)

          摘要:摘 要: 研究多年生人工檸條林地生長對土壤水分的影響,對水資源緊缺的黃土丘陵區植被重建和生態建設具有重要的意義。以多年生的檸條林為對象,采用中子水分儀對黃土丘陵半干旱區

            摘 要: 研究多年生人工檸條林地生長對土壤水分的影響,對水資源緊缺的黃土丘陵區植被重建和生態建設具有重要的意義。以多年生的檸條林為對象,采用中子水分儀對黃土丘陵半干旱區(寧夏固原)多年生的檸條林地及撂荒地土壤水分進行長期定位觀測與分析,研究了多年生人工檸條林生長對土壤水分的影響。結果表明:檸條林地和撂荒地各深層土壤容積含水量分別為4.18%~14.67%和2.87%~15.01%,檸條林地各個深度土層的土壤容積含水量普遍低于撂荒地同等深度土層土壤容積含水量。多年生的人工檸條林地同撂荒地二者的土壤容積含水量變異系數區間分別是3.27%~31.12%和7.39%~34.63%,都隨土層深度增加而逐漸減小,是該區域土壤容積含水量變異系數所具有的共性。多年生的人工檸條林對200 cm以下深層土壤水分的消耗影響深遠。

            關鍵詞: 土壤容積含水量; 變異系數; 土壤水分;

          多年生人工檸條林生長對土壤水分的影響

            干旱、半干旱的黃土丘陵區水資源匱乏,植被覆蓋率低,且水土流失災害嚴重、生態環境脆弱,是黃土高原建設和恢復植被的關鍵地區[1]?;謴秃椭亟ㄖ脖?并使其達到一定的標準,是進行水土保持、修復退化生態系統的基礎[2]。該區域內僅靠降水補充的土壤水分是植物生長的主要水分來源,土壤水分很大程度上限制著植物的生長和生存[2,3]。同時,降水和植物的生長共同影響著土壤水分的變化,特別是恢復多年的成年人工檸條林,長期消耗土壤水分,甚至影響著深層土壤水分使其不能得以補充,造成土壤水分出現虧空“斷層”,進而造成土壤退化,將會對植物的生長發育產生影響,最終導致部分植物個體死亡,群落衰敗以及生態系統的退化[4]。

            目前對土壤水分的研究,主要從土壤水分隨時間、垂直空間變化兩方面進行,根據土地利用方式、林分密度、植被類型和地形等不同對土壤水分的影響進行了深入的研究。孫雅楠等[5]對嵐縣地區楊樹、杏樹、玉米和土豆4種不同植被0—300 cm深度的土壤水分進行分析,得出4種不同種類植物變異系數都隨土層深度的增加而減小,不同植被的土壤含水量變化不同??琢柘龅萚6]對晉西黃土區蔡家川流域4塊不同坡向(陰、陽坡)、不同密度刺槐樣地0—200 cm深度的土壤水分進行分析,得出坡向和密度對土壤水分具有顯著性影響,土壤水分隨著土層深度的增加先增加后減小最后趨于穩定。王舒等[7]對晉西黃土丘陵溝壑區不同林齡(10 a,15 a,20 a)的人工刺槐林地0—400 cm土層土壤水分分布進行分析,得出隨著林齡的增加土壤水分隨坡位下降而增大的趨勢有所改變,成熟的刺槐林對坡面土壤水分空間分配有明顯調節作用。但是對已經恢復的多年生成年人工林地土壤水分變化規律的研究較少,且多數只是對較淺層土壤剖面水分進行研究,難以反映多年生人工林根系對土壤水分的影響情況。

            本研究以多年生成年人工檸條林為研究對象,對0—740 cm土層土壤水分進行觀測和分析,研究多年生人工林地土壤水分時空變化特征以及多年生年檸條林生長對不同深度土壤水分的影響,為水土保持林長期經營和土壤水資源的可持續利用提供科學依據和理論指導。

            1 、研究區概況及方法

            1.1 、研究區概況

            研究區位于寧夏南部半干旱區的固原生態試驗站,屬于典型的黃土丘陵區(北緯35°59′—36°02′,東經106°26′—106°30′)。區域內溝沿線以上坡度為10°~25°,海拔高度為1 534~1 824 m,土壤侵蝕嚴重,侵蝕模數為1 000~8 000 t/km2。年均氣溫在7℃左右,最大年降水量634.7 mm(1984年),最小年降水量為259.9 mm(2006年),平均降雨量為414.9 mm,降水年變率為24.6%;年內降水量分布不均,多集中在6—9月,占全年總降水的70%以上,無霜期152 d。土壤類型為黃綿土,植被類型由灌木草原到典型草原過渡,原生植物多以低矮禾草為主,并伴有少量灌木,代表性植被有長芒草(Stipa bungeana Trin)、阿爾泰狗哇花(Heteropappus altaicus Willd Novopokr)、茭蒿(Artemisia giraldii Pamp)以及百里香(Thymus mongolicus Ronn)等。

            1.2 、材料和方法

            研究區的供試林為2002年在沿山坡建立的長20 m、寬5 m,面積100 m2,坡度為9°的標準徑流小區上播種的檸條林,播種密度為1.5 kg/100 m2,已經生長為16 a的成年人工檸條林,檸條林下有生長較好的草本植被覆蓋,經測得檸條平均地徑為11.48 mm,平均株高為1.59 m。同等立地條件下的撂荒地作為對照,并以在小區中心地帶安置兩個長度為8 m,間距1 m的中子儀鋁合金套管,采用CNC503A(DR)型智能中子水分儀對林地剖面土壤含水量的長期定位測定觀測。在2018年多年生檸條林的生長季里(4—9月)每月月中進行觀測;觀測時,因中子儀所測的土壤容積含水量為范圍內的平均值,故以距地表5 cm處記錄為第一個數據,20 cm處為第2個數據,以下土層每隔20 cm記錄一次,深度直至740 cm。降雨等氣象資料則來源于距試驗地附近氣象站以及周邊布設雨量器所記錄觀測。

            1.3 、數據分析方法

            試驗采用Microsoft Excel 2019和SPSS 23.0處理分析數據,Origin進行繪制土壤水分垂直分布圖。利用變異系數CV對土壤水分垂直變化層次進行劃分,表示各層次土壤水分的穩定性。指標變異系數CV和標準差S的計算公式分別為:

            2、 結果與分析

            2.1 、多年生人工林地土壤水分垂直變化規律

            試驗區檸條于4月下旬開始發芽,生出幼苗,逐漸展葉;從5月中旬到6月中旬快速生長達到展葉盛期;6月下旬到8月初果實成熟;其后9月中旬生長速度減緩進入落葉硬化期[8,9]。同時,該區域內年降水主要集中在6—9月,占到全年降水量的75%。因而在此期間,土壤水分的變化極為敏感[8]。土壤水分得到大量的補充又受到高度的消耗,其垂直變化表現出不同規律。以2018年檸條生長期所測土壤剖面水分數據為例,并以同等條件下的撂荒地為對照,研究土壤容積含水量在垂直方向上的變化規律。由圖1看出,檸條林地和撂荒地土壤容積含水量具有相同的變化趨勢。在0—200 cm土層深度,撂荒地和檸條林地每個月的土壤容積含水量都具有較大的變化幅度,均為先增加后減小;而在200—400 cm,二者容積含水量均以相近的變化幅度穩定增加;在土層深度400 cm之后,撂荒地和檸條林地的土壤容積含水量均表現出快速恢復的趨勢。并且,在0—200 cm土層深度時,撂荒地和檸條林地的土壤水分含量基本上接近。其后土層深度為200—400 cm,檸條林地的土壤水分含量接近撂荒地,二者含量幾乎相同。隨著土層深度的增加,撂荒地的土壤水分含量逐漸高于檸條林地。特別是在400 cm以下的土層中,二者均呈現出波折上升后趨于穩定,可以看出撂荒地的土壤水分含量顯著高于檸條林地土壤水分含量。

            分析其原因,是由于在地面到200 cm深的土層內,較淺層的土壤更易受到降水的補充或是蒸發散作用的消耗,使得土壤容積含水量的變化較大。而深層土壤水分不易受到蒸發散和大量植物根系吸收的消耗,進而含有較高的土壤容積含水量。該區域內降水稀少,但卻是土壤水分唯一的補充來源,而且發生入滲具有一定的滯后性。強且密集的連續降水對深層土壤水分才有一定的補給[10],在發生最大降雨量(623.3 mm)之后的第二年達到最大入滲深度,僅為290 cm[11]。深層土壤水分難以得到補充,加之檸條具有更長的根系,消耗更深土層的土壤水分。另外,多年生人工檸條林地中的林下植被,較撂荒地上所生長的植被而言,更為茂密,長勢更好。進而,也加劇了對植被對土壤中水分的消耗利用。

            由于該區域降水的主要補給是通過降雨,而降雨具有一定的季節性,以至于土壤水分含量在季節的變化中呈現出一定的規律性。由圖1所示,檸條林地平均土壤容積含水量在9月份時最多為8.63%,其次是7月份為8.18%,4月份和8月份的含水量分別為7.90%和7.82%,最少的是5月、6月份7.44%和7.41%。在而撂荒地平均土壤容積含水量則在7月份時最多為9.15%,其次為9月份和8月份分別為9.08%,9.06%,5月份和6月份的平均土壤容積含水量分別為8.49%,8.14%,4月份最少為7.88%。由于在檸條林的生長季內有大量降雨的補給,加之降雨對土壤水分補給的滯后性,加之9月份后檸條林生長變緩,使得土壤水資源在9月份最多。而7月、8月份的土壤含水量遠高于5月、6月份的土壤含水量,其原因一方面是檸條在5月、6月處于速生階段,需水量遠遠大于降雨對土壤的補給量;另一方面,在7月、8月份,均有過次降雨量超過50 mm的暴雨級別降雨,土壤水分得以補充。而撂荒地土壤水分各個月份的差異,則主要是受到降雨季節變化的影響。

            2.2 、檸條林地與撂荒地土壤水分比較

            通過經典統計學方法得出的土壤體積含水量的描述性特征(表1)。在檸條林的生長期內,檸條林地和撂荒地不同深度的土壤體積含水量均值分別在4.18%~14.67%和2.87%~15.01%,二者均隨著深度的增加其土壤體積含水量表現出先增加—后減小—再增加的趨勢。在變異系數上而言,除了撂荒地160—180 cm、檸條林地120—140 cm土層深度的較其他深度突然升高外,其余土層的土壤體積含水量變異系數都隨著深度的增加而減小,其中撂荒地的變化區間為為7.39%~34.63%,檸條林地的變化區間為3.27%~31.12%。按照剖面土壤水分垂直變化變異系數劃分:速變層(CV≥30%)、活躍層(CV:20%~30%)、次活躍層(CV:10%~20%)以及相對穩定層(CV≤10%)[12,13]。因而,對檸條林地和撂荒地土壤體積含水量垂直變異分層分別為:0—40 cm為速變層,40—100 cm為活躍層,100—160 cm為次活躍層,160—220 cm為穩定層;0—40 cm為速變層,40—80 cm為活躍層,80—140 cm為次活躍層,180—220 cm為穩定層。因二者的土層深度均達到220 cm時,其各自變異系數均小于10%達到穩定層,且220 cm以下土層變化均不顯著為穩定層,故可用0—220 cm深度土層的土壤體積含水量變異系數代表整個研究深度土層(0—760 cm)。由表一看出,在0—40 cm土層土壤體積含水量的變異系數最大,均為速變層,原因是受到地表降水的入滲補充、溫度、通風狀況以及蒸騰等外部作用使得該層土壤變化頻繁。接著到達活躍層,在該層林木根系耗水和降水是影響其土壤含水量的變化主要因素,當土壤含水量受到植被消耗時,在水勢梯度的作用下,深層土壤水分朝上轉移,植被生長需要得以保障。因撂荒地沒有檸條蒸騰作用的影響,并且所覆蓋的植被根系深度不及檸條根系,對土壤水分的消耗較少,故比檸條林地在深度上更早的到達次活躍層。隨后更深的土層受到外界干擾因素較少,其水分變化幅度小,含量較為穩定。

            2.3、 多年生人工檸條林的生長對土壤水分的影響

            營造人工林的初衷是為了形成現實生產力并且能夠改善生態環境的功能,而這些功能的發揮則需以群落或林分體系來實現,因而達到有效植被群落質量標準是建設人工林的基本要求[14]。同2002年該檸條林地密度65株/m2相比較[15],多年生的檸條林地密度減少了32株/m2,降低幅度為49.2%。人工林地植株密度的降低,由于檸條林間個體對水肥的競爭,導致競爭能力弱的個體死亡;另外,該區域植物生長需水的唯一來源就是土壤水分,植物根系吸水、蒸發、蒸騰作用的耗水,加之不能及時得到降水的補充,導致土壤水分不斷下降,形成土壤干層,造成植物的萎蔫甚至永久的衰敗。對2018年檸條林地檸條生長期內土壤容積含水量的平均值進行分析,研究二者土壤容積含水量總體垂直變化特征。如圖2所示,在淺土層0—200 cm處,二者的土壤容積含水量總體上隨著土層深度的增加經歷了先增加后減少的過程。在0—20 cm土層深度的土壤,是中子源的部分中子在近地面發生逸散現象;另一方面,該層次土壤受到外界影響大,具有強烈的蒸散作用,進而導致該層土壤容積含水量偏低。在其后的土層中,二者土壤容積含水量因降水補充的影響逐漸減弱呈現出下降的趨勢,多年生的人工檸條林根系最深可超過500 cm,主要根系還是分布于0—150 cm土層[16]。因而,在20—200 cm土層內,植物根系對該土層間的水分大量消耗利用,使得在其含水量急劇下降。在200 cm土層深度左右出現轉折,土壤容積含水量逐漸增多。其原因在于,蒸發散作用對深層土壤水分的影響作用甚微,以及水分受到重力的作用向下不斷入滲。但在200 cm后的土層深度里,撂荒地土壤容積含水量與檸條林地土壤含水量的差量逐漸擴大,而在該層次深度的土壤中變異性弱,幾乎不受外界環境的影響,可推斷檸條林根系也影響著深層土壤水分。張文文等[17]于2012年通過CNC503 A(DR)型智能中子水分儀,對該區域即10 a生檸條林地和撂荒地土壤容積含水量總體變化進行全年定位觀測。利用2012年檸條林地全年土壤容積含水量的平均值,所得出多年生的人工檸條林地和撂荒地土壤容積含水量,在不同深度土層的含量,以及隨土層深度增加而呈現出的規律性變化與本文相同,即檸條林地土壤容積含水量隨著土層深度的增加而減少,在200 cm土層深度時土壤容積含水量發生轉折,開始隨著土層深度的增加而增大,在土層深度450 cm左右時突破并一直高于萎蔫系數。而2012年僅是檸條林地的土壤容積含水量出現低于萎蔫系數的情況,撂荒地并未出現。與2018年檸條林地和撂荒地的土壤容積含水量均出現在萎蔫系數之下的情況不同,2018年檸條林地土壤容積含水量開始高于萎蔫系數時的土層深度,較2012年檸條林地土層深度更深。

            3、 討 論

            3.1、 多年生人工林地土壤水分垂直變化規律

            總體上來看,撂荒地各個深度土層的土壤容積含水量普遍高于檸條林地同等深度土層土壤容積含水量,由淺及深土壤容積含水量先增加后減少再增加,呈現出“N”型規律。該區域雨季與檸條生長季同期,土壤水分含量受到檸條林的生長和降水的共同影響。

            3.2、 檸條林地與撂荒地土壤水分變異系數比較

            按照剖面土壤水分垂直變化變異系數劃分:速變層(CV≥30%)、活躍層(CV:20%~30%)、次活躍層(CV:10%~20%)以及相對穩定層(CV≤10%)[12,13]??傮w而言,同前人研究結果[17,18,19]相同,土壤容積含水量變異系數隨著土層深度增加而逐漸減小直至趨于穩定。這是由于,在研究區內土壤水分的變化主要通過降雨補充和蒸騰發散消耗來實現的,而越深層的土壤水分受到降水補充以及蒸發散消耗影響將會越小。因此,土壤容積含水量變異系數將會隨著土層深度的增加而減小。

            3.3 、多年生人工檸條林的生長對土壤水分的影響

            同前人研究結論[20,21]一致,即檸條隨著林齡的增加其吸收根的深度也會增加。在整個生長季里,撂荒地和檸條林地土壤容積含水量均出現在萎蔫系數之下的情況,但是撂荒地土壤含水量較檸條林地,出現低于萎蔫系數的土層深度更淺,在最大入滲深度的范圍內。而多年生的檸條林地則遠超最大入滲深度,難以通過降水補充土壤水分,將會發展成為土壤干層。只有通過科學的土壤水分植被承載力理論,對人工檸條林進行干預,解決好檸條林生長及對深層土壤水分的消耗,實現土壤水資源的可持續利用,進而發揮出人工林保土固沙,改善生態環境的作用效果。

            4 、結 論

            (1) 撂荒地各個深度土層的土壤容積含水量普遍高于成年檸條林地同等深度土層土壤容積含水量,由淺及深土壤容積含水量先增加后減少再增加,呈現出“N”型規律。

            (2) 成年人工檸條林地同撂荒地二者的土壤容積含水量變異系數都隨土層深度增加而逐漸減小,表層土壤水分具有強的變異性,而深層土壤變異性較弱(變異性),是該區域土壤容積含水量變異系數所具有的共性。

            (3) 成年人工檸條林的生長受到土壤水分的限制,同時也影響著土壤容積含水量的變化。在生長期內土壤容積含水量變化趨勢同撂荒地類似先增加后減少再增加,但檸條林對深層土壤水分的消耗影響深遠。

            參考文獻

            [1]Feng X,Fu B,Piao S,et al.Revegetation in China′s Loess Plateau is approaching sustainable water resource limits[J].Nature Climate Change,2016,6(11):1019-1022.

            [2]Heras M D L,Espigares T,Merino-Martín L,et al.Water-related ecological impacts of rill erosion processes in Mediterranean-dry reclaimed slopes[J].Catena,2011,84(3):114-124.

            [3] 楊文治.黃土高原土壤水資源與植樹造林[J].自然資源學報,2001,16(5):433-438.

            [4] 郭忠升,邵明安.半干旱區人工林草地土壤旱化與土壤水分植被承載力[J].生態學報,2003,8(23):523-528.

            [5] 孫雅楠.嵐縣不同植被的土壤水分特征研究[J].黑龍江工程學院學報,2019,33(2):13-17.

            [6] 孔凌霄,畢華興,周巧稚,等.晉西黃土區不同立地刺槐林土壤水分動態特征[J].水土保持學報,2018,32(5):163-169.

            作者:王松偉; 郭忠升

            相關期刊推薦:《水土保持應用技術》(雙月刊)創刊于1984年,由遼寧省水土保持研究所主辦。旨在傳遞國內外水土保護科技信息,介紹國內外水土保護先進技術、科研成果及與水土保護有關的農業、林業、牧業、水利、土壤、環境保護、生態平衡、國土整治等方面的科技資料,促進水土保護事業的發展,提高科學技術水平。


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