晋西黄土残塬沟壑区土壤水分的时空变化研究

郑芳,张建军,2

（1.北京林业大学水土保持学院,北京100083;2.水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京 100083）

土壤水分是限制林木生长的重要因子[1-3]。尤其在降水资源有限且水土流失严重的黄土区,土壤水分对植被恢复的影响作用更为重要。近年来国内外学者对土壤水分进行了广泛的研究。如Penna[4]等采用相关分析等方法对土壤水分与地形因素的关系进行研究,认为坡度和地形湿度指数对土壤水分的空间变化有较大影响;Liang[5]等采用的土壤水分模型考虑了林地树干茎流对树木周围土壤水分变化的影响,其模型模拟的结果与观测结果极为一致;张建军[6]等以水分亏缺量为依据提出了利用胸径计算刺槐和油松林合理密度的公式,并以刺槐和油松林地的土壤水分含量、最低含水量和难效水频率为指标提出了黄土区适宜的刺槐和油松水土保持林的管理密度;陈海滨[7]等对黄土高原沟壑区林地土壤水分进行了季节变化和垂直变化的分析;李世荣[8]等对不同密度刺槐林地土壤水分运动规律及年际变化特征进行了研究,认为土壤水分随着林分密度增大而减小,而林下植被种类的数量亦随林分密度的增大而减少,且逐步由中生植物向旱生植物过渡。不同降水年份条件下土壤水分时空变化的研究也有一定成果,如王孟本[9]等分析了极端降水条件对柠条灌木林地土壤水分循环水平和降水年渗深等方面的影响;李洪建[10]等对晋西北砖窑沟流域荒地7 a土壤水分与降水量关系进行了定量分析。但对黄土残塬沟壑区不同降水年份不同地类土壤水分时空变化的研究并不多。本文对偏涝年份和正常降水年份乔、灌、草植被的土壤水分时空变化规律进行分析研究,以期为该区域的植被恢复、林分生产力的提高等提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区是北京林业大学山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站所在地,位于吕梁山南端山西省吉县红旗林场,地理坐标为110°45′-110°48′E,36°00′-36°05′N,属于晋西黄土残塬沟壑区。该地区属暖温带大陆性气候,冬季寒冷干燥,夏季温度较高。夏季雨量集中在 6-9月,约占全年降水的70%,年均降雨量为494.7 mm。年均气温10℃,最高为38.1℃,无霜期170 d左右。风以偏南为主,每年出现8级以上的大风日约为6 d。当地主要土壤类型为褐土,黄土母质。森林覆盖率为39.8%,主要造林树种为刺槐(Robinia Pseudoacacia)和油松(Pinus Tabulae Formis),灌木树种主要有虎榛子(Ostryopsis Davidiana)、沙 棘 (Hippophae Rhamnoides)等[11]。

1.2 数据来源与研究方法

土壤水分数据是张建军等人于1990年、1991年4-10月,在研究区内的刺槐林地、荒坡草地和虎榛子林地以每周观测一次的频度采用烘干法测定,观测土壤深度为1 m,分5个层次,分别为0-20,20-40,40-60,60-80,80-100 cm。研究地类的基本情况见表1。

降雨数据是用标准雨量筒实测得到,1990年的降雨量为572.1 mm,1991年的降雨量为452.8 mm。山西省气象科学研究所根据年降水量与降水量平均值之差占降水量平均值的百分率P将年降水量划分为5级:P在±15%之间为正常年,15%～40%为偏涝年,-15%～-40%为偏旱年,P在40%以上为特涝年,P在-40%以下为特旱年[12]。与研究地区的多年平均降雨量494.7 mm相比,1990年降雨量高出了15.6%,为偏涝年;1991年降雨量降低了8.5%,为正常年。

表1 研究地类的基本情况

2 结果与分析

2.1 不同地类土壤水分的季节动态

图1为偏涝年份不同地类土壤水分的季节变化情况。从图1中可以看出,偏涝年份(1990年)降雨分布不均,7-9月降雨占全年降雨的59.64%。不同地类土壤水分的季节动态总体呈凹型曲线:即土壤含水量先减小后增大,最后趋于平稳。进入4月后,随着气温的逐步升高,植物生理活动日趋活跃,植物蒸腾和土壤蒸发作用逐渐增强,从而导致土壤含水量逐渐减少。进入7月后降雨量增多,土壤含水量逐渐增加。但7月降雨量达到最大时,各地类土壤含水量仍然处于较低水平。这可能是因为各样地均处于阳坡,在7月高温下,地表土壤蒸发更加旺盛,且植被蒸腾耗水大,使得土壤水分的消耗量仍然大于雨水的补给量,故土壤含水量仍然较低。直到8月,土壤含水量才迅速增加。这说明降水对土壤水分的补偿具有一定的滞后性,土壤含水量的季节变化落后于降雨的季节变化。进入9月后降水逐渐减少,气温也开始降低,林木蒸腾和地面蒸发作用均减弱,土壤耗水量和补给量处于相对平衡稳定状态,各地类的土壤含水量基本上趋于稳定。从整体上看,偏涝年份(1990年)降水对土壤水分的补偿作用比较显著。在整个生长季内(4-10月),荒草坡的土壤含水量高于刺槐林地和虎榛子林地,说明刺槐林地和虎榛子林地的耗水量高于荒草坡。虎榛子林地在生长季初期和末期的土壤含水量较高,但在生长季中期土壤含水量却处于较低水平,整个生长季内虎榛子林地土壤含水量的波动幅度(9.18%～17.18%)大于荒草坡(10.96%～16.37%)和刺槐林地(10.42%～14.52%)。这是因为虎榛子灌木林的水土保持作用有限,生长季中期正值降雨较多的季节,降雨时有更多的雨水以地表径流的形式流走,而虎榛子林地的旺盛生长又要消耗大量土壤水分,使其土壤含水量低于荒草坡和刺槐林地;而生长季初期和末期气温不高,虎榛子展叶晚,落叶早,对土壤水分的消耗不大,因而虎榛子林地土壤含水量又处于较高水平。

图1 1990年(偏涝年份)不同地类0-100 cm土壤含水量季节变化

图2为正常降水年份(1991年)不同地类土壤水分的季节变化情况。从图2可见,正常降水年份(1991年)的降雨量虽然较偏涝年份(1990年)明显偏少,但降雨的年内分布比较平均,只有7月降水比较突出。从整个年生长季来看,不同地类土壤水分总体均呈下降趋势,这主要是受生长季后期降水量偏少、蒸发量仍然较大的影响所致。7月份后在降雨的影响下土壤水分开始有所积累,但由于降水量少,生长季后期增加的土壤水分仍然不能弥补生长季前期消耗的土壤水分,因此到10月底各地类的土壤含水量仍未能恢复到4月的水平。在正常降水年份条件下不同地类的土壤水分季节动态基本一致。虎榛子林地土壤含水量的年生长季内波动幅度(9.14%～19.28%)仍然大于荒草坡(7.07%～16.97%)和刺槐林地(7.92%～14.53%)。

图 2 1991年(正常降水年份)不同地类0-100 cm土壤含水量季节变化

2.2 不同降水年份土壤水分的比较

对比图1和图2可见,偏涝年份(1990年)和正常降水年份(1991年)土壤含水量的季节变化趋势并不一致,尤其是从雨季开始,两者的变化差异较大,说明年降水量及雨季降水分布对土壤水分影响较大。表2为偏涝年份(1990年)和正常降水年份(1991年)生长季土壤平均含水量及生长季初期、末期土壤含水量表。从表2可见,正常降水年份(1991年)的土壤含水量总体上低于偏涝年份(1990年)。在偏涝的1990年,刺槐林地、荒草坡、虎榛子林地的土壤平均含水量分别比正常降水年份的 1991年高出 16.61%、20.08%、0.14%,生长季末期的土壤含水量分别比正常降水年份的1991年高出5.24%、10.28%、7.57%。但各地类在正常降水年份(1991年)生长季初期的土壤含水量较高,这是由于偏涝年份(1990年)降水较多,导致年末土壤中蓄积的水分较多的缘故。可见前一年降雨量对当年生长季初期土壤含水量有一定的影响,这与李洪建等[12]的研究结果一致。从表2还可以看出,不论是在正常降水年份还是在降水较多的偏涝年份,各地类生长季末期的土壤含水量均低于生长季初期的土壤含水量,尤其是降水相对较少的1990年各地类生长季初期和末期土壤含水量的差值更大。可见在干旱半干旱的黄土高原地区,生长季内土壤水分一直处于亏缺状态,这势必严重影响植物的正常生长发育。因此,在黄土高原地区必须采取水土保持措施有效拦蓄地表径流,增加土壤水分,同时应该采取适当的抚育管理措施,调整林分密度,降低植物的蒸腾耗水。

表2 1990年(偏涝年份)和1991年(正常降水年份)生长季土壤平均含水量及生长季初、末期土壤含水量 %

2.3 不同地类土壤水分的垂直变化特征

表3为各地类不同层次土壤水分特征值的统计表。从表3可见,刺槐林地和虎榛子林地土壤含水量的均值随土层深度的增加呈下降趋势,虎榛子林地各层的土壤含水量均高于刺槐林地,说明虎榛子灌木林的耗水量小于刺槐乔木林。荒草坡土壤含水量随土层深度的增加变化不大,这正是荒草坡和林地土壤水分垂直分布的主要区别。

表3 各地类不同层次土壤水分的特征值

从表3可见,各地类土壤含水量的最小值、最大值随土层深度的变化趋势基本一致,即最小值自上而下增加,最大值则相反。偏度表示数据相对平均值的分散程度。偏度小于0,说明小于土壤含水量平均值的数据分布较为分散;偏度大于0,说明大于土壤含水量平均值的数据分布较为分散;偏度接近零则可以认为数据分布为正态分布。偏度值越大,则数据分布越分散。荒草坡各层的偏度值均小于零;刺槐林地0-60 cm土层的偏度值大于零,60-100 cm土层的偏度值小于0;虎榛子林地0-60 cm土层的偏度值小于0,60-100 cm土层的偏度值大于0。各地类土壤含水量偏度的绝对值都在40-60 cm土层处达到最大,这可能是因为在40-60 cm土层处植物根系活动最强烈,导致植物耗水引起的土壤水分差异在这一土层处达到最大。

对各地类土壤含水量的变异系数CV与土层深度的关系进行相关分析得到表4。从表4可见,各地类土壤含水量的CV值与土层深度呈负相关。从95%置信区域上下界变化范围来看,各地类土壤含水量的变化幅度均自上而下逐渐变小,说明随土层深度的增加,土壤水分值趋于稳定、集中。

表4 各地类土壤水分变异系数与土层深度的关系方程

表5 1990年不同地类各层土壤含水量的比较

表6 1991年不同地类各层土壤含水量的比较

2.4 不同降水年份条件下土壤含水量垂直变化分析

从表5、表6中可以看出,各地类不同降水年份下土壤含水量的垂直剖面变化并不一致。虎榛子林地在偏涝年份(1990年)0-40 cm土层的土壤含水量高于正常降水年份(1991年),而40-100 cm土层的土壤含水量均低于正常降水年份(1991年)。这可能是因为偏涝年份(1990年)强降雨较多,而虎榛子林地的拦蓄作用有限,使得大量雨水以地表径流形式流失,对深层土壤水分的补偿较小,且虎榛子根系耗水较大,导致表层土壤水分高,深层土壤水分却仍然较低;而正常降水年份(1991年)降雨强度较小,虎榛子林地能够有效拦蓄雨水,并渗入土壤深层,使虎榛子林地正常降水年份(1991年)的土壤含水量垂直变化幅度远小于偏涝年份(1990年)。经多重比较(LSD法),虎榛子林地在偏涝年份(1990年)0-20 cm土层与其他各层土壤含水量存在显著差异,20-40 cm土层与0-20,60-80,80-100 cm土层土壤含水量也存在显著差异;在正常降水年份(1991年)各层土壤含水量无显著性差异。

刺槐林地偏涝年份(1990年)和正常降水年份(1991年)深层(60-100 cm)土壤含水量均较低,尤其在正常降水年份(1991年)深层土壤水分亏缺更大,这显然对刺槐林的生长极为不利。因此在黄土干旱半干旱区,应对刺槐林适当采取抚育管理措施,如适当进行间伐,以避免因刺槐根系耗水过度引起的深层土壤干层现象。经多重比较,刺槐林地在偏涝年份(1990年)和正常降水年份(1991年)0-20 cm土层与40-60,60-80,80-100 cm土层的土壤含水量存在显著差异,20-40 cm土层与60-80,80-100 cm土层的土壤含水量存在显著差异。

荒草坡在偏涝年份(1990年)20-40 cm土层的土壤含水量为100 cm土层内的最高值,在40-100 cm土层深度范围内随土层深度增加而略有降低;而在正常降水年份(1991年)20-40 cm土层的土壤含水量在整个土层深度范围内最低,40 cm土层深度以下随土层深度增加而略有增加。这说明偏涝年份(1990年)强降雨条件下能够有效渗入到40 cm以下土层的雨水较少,从而使40 cm以下土层的土壤含水量逐渐减少;而在降雨相对较少的正常降水年份(1991年),长历时、低强度降雨形式的雨水能有效渗入深层土壤,从而形成40 cm以下土层的土壤含水量逐渐增加。经多重比较分析,不论偏涝年(1990年)还是正常降水年(1991年),荒草坡各层土壤含水量之间均不存在显著差异。

3 结论

(1)不同降雨年份的土壤水分季节动态并不一致。偏涝年份(1990年)各地类土壤水分季节变化均呈凹型曲线,即先减小后增大,最后趋于稳定;正常降水年份(1991年),各地类土壤水分季节变化均表现为W型曲线,这一年的土壤含水量总体呈下降趋势。

(2)无论偏涝年份(1990年)还是正常降水年份(1991年),荒草坡土壤含水量均高于林地。虎榛子灌木林土壤水分条件明显好于刺槐乔木林。

(3)正常降水年份(1991年)土壤含水量总体低于偏涝年份(1990年)。无论偏涝年(1990年)还是正常降水年(1991年),各地类生长季末期的土壤含水量均低于生长季初期的土壤含水量,这说明该地区生长季内土壤水分一直处于亏缺状态,这对林木的生长极为不利。因此必须采取适当的水土保持措施和抚育管理措施,以增加林地的土壤水分。

(4)在不同降水年份下,各地类土壤含水量在垂直剖面上的变化不尽相同。荒草坡土壤含水量垂直变化较小,在偏涝年份(1990年)各层土壤含水量均高于正常降水年份(1991年);虎榛子林地在偏涝年份(1990年)的土壤含水量垂直变化幅度远大于正常降水年份(1991年);刺槐林地深层土壤含水量较低,尤其在降水相对较少的1991年深层土壤水分亏缺更大,这势必影响刺槐林的生长。因此必须采取抚育管理措施,以减缓刺槐林地深层土壤水分继续亏缺的趋势。

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