金沙江干热河谷人工林土壤水分研究

2011-09-19岳学文方海东钱坤建奎建蕊潘志贤杨艳鲜纪中华

水土保持研究 2011年2期

岳学文，方海东，钱坤建，方晋，奎建蕊，潘志贤，杨艳鲜，纪中华，彭辉

（云南省农业科学院热区生态农业研究所，云南元谋651300）

金沙江干热河谷是长江上游典型的生态脆弱区。干燥、炎热的自然环境使得该区域内植被易破坏、难恢复，水土流失严重。土壤干旱、干化是金沙江干热河谷造林困难的主要原因［1］。论文以金沙江干热河谷的典型区域云南省元谋县为例。县境内干而热的气候特征，引起以“土壤干化”为主的生态问题，植被根际区土壤水分长时间严重亏缺［1］。特殊的自然环境使元谋干热河谷的成因［2－3］、植被恢复［4－6］、农业发展［7－9］、土壤水分［10－13］、荒漠化［14－16］、土壤侵蚀［17－18］等成为研究的焦点。不同土地利用下的土壤含水量对降雨的响应有一定差别［19］，雨季林地获得的降水是土壤水分的唯一来源，雨季林地内储存水分的多少，直接影响旱季土壤水分的供给能力。土壤水分的供给能力是影响干热河谷植被分布的主要原因［1］。坡度对土壤水分的影响主要在地表30 c m以下，且为阴坡含水量高于阳坡［11］，但通过人工改变局地微地形，强化降雨入渗，可增加土壤含水量［20］，土壤水分变化在年内表现出缓慢失墒期、土壤水分积累期、土壤水分缓慢消耗期和土壤水分稳定期等4个时期［21］。降水是影响干热河谷土壤含水量的主要因素。深入研究不同林地内土壤水分的来源、储存、分配、利用对治理干热河谷脆弱生态环境具有重要的理论和实践意义。

1 研究区概况

研究区位于云南省元谋县，地理坐标为25°29′－26°06′N 101°35′－102°06′E 是典型的南亚热带季风河谷干热气候区［22］，年均气温约21．9℃，≥10℃年积温7 786℃，持续天数350 d，终年基本无霜［22］。土壤主要为燥红土和变性土。稀树灌草丛是适应金沙江干热河谷自然环境的顶极植物群落［23］，在土层较厚、阴坡等立地环境有少量的乔木。草本种类较多，其中以扭黄茅（Heteropogon cantortus）、龙须草（Enl ariopsis binata）、孔颖草（Bothrichloa ca mus）等为主；灌木多为车桑子（Dodonaea angustif olia）、余甘子（Phyll anthus emblice）；乔木较少，常见的是攀枝花（Gossampinus mal abarica）、罗望子（Tamarindus indica）。

2 研究方法

海拔1 500 m是土壤含水量的分水岭，1 500 m以下影响土壤水分的气象因子影响程度近似［24］，而典型的金沙江干热河谷区也主要分布在海拔1 500 m以下。鉴于此，本研究选取了海拔在950～1 050 m之间的燥红土林内的6个土地利用类型，分别是：银合欢＋罗望子、罗望子纯林、银合欢间伐林、罗望子＋自然草被、罗望子＋余甘子＋自然草被、麻疯树＋自然草被6种（表1）。在6类样地中，样地Ⅱ内的罗望子已栽种15 a左右，林下郁闭度高，草本植物较少。其余样地的乔木、灌木林下阳光照射均较充足。实验设一个光板地作为对照。在每个人工林内埋3个土壤水分测试管，每根测试管可测试深度为1 m，以德国生产TRI ME－PICO－IPH TDR土壤剖面水分测量系统获取土壤水分数据。根据元谋干热河谷多年降雨特征，分析7－10月雨季不同人工林内土壤含水量变化特征。测量深度分别为0－20，20－40，40－60，60－80，80－100 c m。测量结果为土壤水分体积百分数（%）。

表1 样地基本特征

3 结果与结论

3．1 不同人工林下土壤含水量的变化

土壤含水量差异主要是由于不同植被类型对土壤的改良作用和对蒸发、截留的影响所造成的［19］。在金沙江干热河谷，不同土地利用方式对土壤含水量影响显著，土壤含水量随土壤深度的增加而增加（表2）。在草本植物盖度较高的土地中，草本植物盖度的高低与土壤含水量变化成反比关系，即地表草本植物盖度越高，土壤含水量越低。如在类型Ⅴ中，扭黄茅的盖度比Ⅳ低，其土壤含水量反而比Ⅳ高，同时也大于其他人工林。究其主要原因：在这两类人工林中，草本盖度高，而草本层的根系主要集中在地下20－60 c m处，其根系吸收了大量的土壤水分，从而使得土壤含水量下降明显。干热河谷土壤表层的水分主要以蒸发形式散失，很少为植物吸收利用［11］。在Ⅱ中，地表郁闭度高、林下物种稀少，太阳辐射和地面辐射带走的水分相对较少，在Ⅱ中土壤含水量相对较高且随深度的增加而缓慢增加。把Ⅱ与Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ对比可以发现，草本植物盖度偏高、太阳辐射是导致土壤含水量差异的主要因素。在郁闭度高、草本层盖度低的林地内，土壤含水量相对较高。

表2 不同用地类型剖面土壤含水量 %

在Ⅰ和Ⅲ中，雨季80－100 c m处土壤含水量有小幅度下降。土壤含水量受植物根系的分布深度影响显著。这与庄建琦［19］研究的合欢林对土壤含水量的影响较为显著，降低了深层土壤的含水量。而在Ⅵ内，车桑子和麻疯树均是抗干旱、抗贫瘠树种，树种的生理结构对调节土壤水分有一定作用，其土壤含水量在所有土地利用类型中相对较高。

3．2 不同土地利用方式中土壤含水量变异系数

变异系数是衡量一组观测数据变化程度的统计值。变异系数的大小反映了受环境水热交换的影响强弱，反映了层间水分的稳定性［25］。在统计学中，以标准差和平均数的比值记为变异系数。

CV＝S／X （1）

式中：CV——变异系数；S——观察数据组标准差；X——观测数据组的平均值。

图1 不同深度土壤水分变异系数

图2 不同用地类型土壤水分变异系数

利用变异系数可揭示不同深度以及不同土地利用方式中含水量变化幅度。随着深度的增加变异系数逐渐降低，0－20 c m的变异系数最大。40－60，60－80，80－100 c m处变异系数相对平缓。由于物种组成、地表覆盖、林龄等的差异，不同用地类型中的变异系数起伏较大（图2）。相对而言，Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ的变异系数大体在同一水平上，Ⅴ是所有类型中乔木和灌木较多的一个，同时也是所有类型中含水量差异最大的一个（表3），其变异系数也最大。林内物种数量过多，消耗的土壤水分也最多，当没有外界水源补充时，土壤含水量下降迅速，土壤含水量变异大。

3．3 不同人工林对土壤水分的利用研究

3．3．1 水分剧烈变化层、弱利用层 0－20 c m是干热河谷植被对土壤水分的弱利用层。降水是林地土壤水分的主要来源，而支出则主要是地表水分的蒸发和草本层的蒸腾。即使在雨季，若是半个月内无降雨，土壤表层水分迅速下降到凋萎系数以下，而一旦有降雨，土壤含水量迅速增加。在0－20 c m含水量最高12．1%，最低2．1%，土壤含水量变化剧烈，变异系数高达58%，土壤含水量稳定性差。元谋干热河谷的典型土壤是燥红土［26］。据黄成敏［13］的研究，金沙江干热河谷普通燥红土的凋萎湿度是9．4%，而表1的数据表明，在0－20 c m 除Ⅱ和Ⅵ外，其他人工林内的土壤含水量均低于凋萎湿度，植物生长难以利用。

3．3．2 草本植物水分利用层从表2可以看出，在所有用地类型中，20－80 c m土壤含水量的处最大值、最小值的均值分别为 14．9%、10．2%，相差4．7%，土壤含水量差异较大。在20－80 c m，是金沙江干热河谷地区草本植物根系的主要分布区，同时也是部分乔木和灌木根系的分布区。在植物种类和数量均较多的样地内，该层的土壤含水量较其他林地低，如在样地Ⅳ和Ⅴ中，扭黄茅、罗望子、车桑子大量吸收了40－60 c m和60－80 c m的土壤水分，含水量明显低于其他人工林，土壤水分利用率高、利用量大。

表3 不同林地20－80 c m土壤含水量差异 %

3．3．3 土壤水分微调节层伴随着土壤深度的增加，土壤水分受地表蒸发的影响显著下降。在80－100 c m，吸收该深度土壤水分的植物主要是一些乔木和大灌木。由于物种组成的差异，土壤水分调节层的深度存在一定差异，例如在银合欢分布较多的Ⅰ和Ⅲ中，该层是土壤水分的利用层含水量有小幅下降（表2）。但在其他人工林内，该层则起着调节土壤水分的承上启下作用。在旱季持续干旱期和雨季的间歇性干旱期，100 c m下的土壤水分在土壤水势的作用下，向植物根系附近富集，帮助植物渡旱。