科尔沁沙地东南缘3种固沙林土壤水分时空变化的比较1)

2015-03-06韩辉

东北林业大学学报 2015年5期

韩辉

(辽宁省固沙造林研究所，阜新，123000)

责任编辑:王广建。

天然降水是干旱半干旱地区土壤水分的主要来源［1］。在科尔沁沙地南缘的章古台地区，随着地下水位的逐年下降，降水几乎成为防风固沙林水分的最主要的来源。由于当地降水年际间变率大，尤其是连续干旱年份发生几率变大，固沙林的土壤水分供需的矛盾日益突出［2－5］。土壤水分与降水之间的关系成为研究固沙林林分稳定性以及植被适宜性等问题的主要方面［6－9］。50多年来，章古台地区成功栽植了多种用于固沙的乔木林，这些固沙林已经成为促进当地风沙环境稳定的主要力量［10－12］。本文通过连续4年的监测，对不同林分土壤含水率的时空动态特征进行比较分析，以期为固沙林生态系统的科学管理提供必要的科学依据。

1 研究区概况

研究区为辽宁省固沙造林研究所实验林场。该实验林场位于科尔沁沙地东南缘，年均气温6．3℃，全年无霜期150～160 d，年均降水量475．5 mm，降水集中在6～8月，年蒸发量1 553．2 mm。该区土壤以风沙土为主，沙土颗粒均匀，沙层厚度126～128 m，沙层的颜色和机械粒径成层更迭分布，变化比较明显，沙土瘠薄，有机质质量分数一般为0．3～0．99 g/kg。代表性植物有:樟子松(Pinus sylvestiris var．mongoliea)、油松(Pinus tabulaeformis)、赤松(Pinus sylvestiris var．mongoliea)、色木槭(Acer mono)、山里红(Crataegus pinnatifida Bge．var．major N．E．Br．)、榆树(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmu smacrocarpa)、山杏(Armeniaca sibirica)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、差巴嘎蒿(Artemisia halodendron)、中华隐子草(Cleistogenes chinensis)等。

2 研究方法

该研究以章古台不同类型固沙林0～300 cm的土壤水分为研究对象。选择4块标准样地，其中:3块样地的林分密度接近，对照地选在距离林缘50 m远的固定沙丘。固定沙丘植被类型为草本植物，主要植被有蒺藜草(Cenchrus echinatus Linn．)、狗尾草(setaria viridis)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa(Trin．)Keng)、黄蒿(Artemisisa scoparia Waldst．et kitaib．)等，总体盖度65%～70%。不同类型固沙林基本情况见表1。

表1 2007年不同类型固沙林基本情况

气象资料来源于辽宁省固沙造林研究所气象观测站。土壤含水量采用土钻取样、烘干法测定，取土层次按0～5，25～30，45～50，95～100，145～150，195～200，245～250，295～300 cm等8个层次取样，每层2次重复，在105℃烘干至恒质量，分别称量湿土质量、干土质量和铝盒质量，最后计算各层土壤的含水量。时间2007—2010年4—10月份，每月上、下旬取样。

3 结果与分析

3．1 章古台地区降水季节变化

章古台降水各季分布不均，统计1983—2010年各月降水量，表明全年降水量的67．0%集中在6、7、8三个月，其中6、7、8月份分别占全年降水量的17．5%、28．8%、20．7%，4—5月占全年降水量的13．9%，9—10月占全年降水量的12．8%(见表2)，12、1、2月份降水量极少。通过多年降水量的观测，发现既使在降水集中的6—8月，发生干旱的情况还经常发生，月内变化幅度比较大。

表2 章古台地区月降水量 mm

3．2 不同林分土壤含水量的季节变化特征

选择3种密度接近的林分，对观测到的土壤含水率进行统计分析。将土壤层次简化为0～100 cm(上层)、100～200 cm(中层)、200～300 cm(下层)三个层次(见图1)。由图1可知，各类固沙林土壤含水率变化均显示出相似的季节变化规律，即土壤含水率从表层到深层均表现出与降水季节变化相一致的规律。上层土壤含水率受降水量的影响最明显，波动幅度最大，土壤含水率最低的是沙丘;不同固沙林由低到高依次为油松、赤松、樟子松。中层土壤含水率由低到高依次是樟子松、赤松、油松、沙丘，沙丘土壤含水率在5—7月份均高于各类固沙林，8—10月份下降，低于赤松和油松林地，但高于樟子松林地。分析还发现赤松和油松中层土壤含水率的季节变化趋势基本一致，4—6月份下降，7—8月份上升，在8月份达到最高点后逐渐下降(9—10月份)，樟子松中层土壤含水率最低。下层土壤含水率的季节变化中，沙丘土壤含水率最高，不同类型固沙林土壤含水率都远远低于沙丘，樟子松林高于油松林与赤松林，油松林在7月前高于赤松林，在7月后低于赤松林，到10月份时各类固沙林土壤含水率基本一致。

图1 典型林分类型土壤含水率的季节变化特征

整体来看，沙丘上层土壤含水率低于各类固沙林，而下层土壤含水率高于各类固沙林，说明固沙林对上层土壤有蓄水保墒的作用，通过根系的吸收，深层土壤含水量形成了较明显的亏缺。

3．3 不同林分土壤含水率的空间变异特征

典型林分类型土壤含水率的空间变化特征见表3。由表3可知，各类固沙林土壤含水率都表现出随土层深度的增加而下降的趋势。其中:樟子松林地土壤含水率表层土壤含水率较高，在0～150 cm呈现出明显的递减特征，150 cm以下基本维持不变，这与樟子松是浅根性树种，能够充分利用浅层土壤水分有关。赤松作为深根性树种，其土壤含水率在0～50 cm处于较高水平，而在100 cm以下处于较低水平，200 cm以下基本趋于稳定。油松为典型的深根性树种，其表层由于遮荫及枯枝落叶层的保护，土壤含水率维持在较高水平，在20～150 cm土壤含水率保持较高水平，150 cm以下土壤含水率呈明显下降趋势。与各类固沙林不同，固定沙丘表层土壤由于缺乏有效遮荫，土壤含水率较低，30 cm以下土壤含水率呈现缓慢增加的趋势。由图1可知，不同固沙林150 cm以上土壤含水率变化幅度要大于150 cm以下的变化幅度，沙丘(对照)土壤含水率从表层到深层的变化幅度基本一样，在深层的变动幅度要大于各类固沙林的变动幅度，这可能与沙丘深层土壤比固沙林更易得到降水的补充有关。

表3 典型林分类型土壤含水率的空间变化特征

4 结论与讨论

降水是半干旱地区非常重要的水分来源，对土壤水分的补充起决定作用。研究发现，降水量大时，土壤水分补充的快，同时散失的也快;固定沙丘土壤含水率表层低于各类固沙林，但深层高于各类固沙林。固沙林土壤含水率在土壤层次上存在明显差异，赤松地50～200 cm层次土壤含水率降低明显，油松地150～300 cm层次降低明显，樟子松地30～150 cm层次降低明显，而无木本植被的固定沙丘(对照)土壤含水率0～300 cm层次总体趋势变化不大，在100 cm以下土壤含水率缓慢升高。

樟子松林地0～100 cm土层土壤含水率高于固定沙丘，白雪峰［4］研究结果是樟子松林地25～50 cm土层土壤含水率低于流动沙地，但在旱季这一现象不明显，结论的差别可能是固定沙丘与流动沙丘以及用于计算的土壤层次不同而造成的。固定沙丘深层土壤含水率高于各类固沙林的结论与雷泽勇［3］的研究结果(荒草地的土壤水分补偿高于所有林地的土壤水分补偿，土壤深度为0～200 cm)基本相同，固沙林土壤110 cm以下土壤水分开始保持稳定与本结论有些差别，这应该是取土层次不同、固沙林树种不同、研究年份不同共同作用的结果，本项研究时间年限较长，增加了赤松树种，但基本结论两者很相似。不同林分土壤含水率的时空差异应与不同树种根系生长与分布有关［13－15］，但本研究未对根系做相关调查。

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