人工油松林地土壤水分亏缺和补给动态变化规律

王 玲，冯向星，刘 庚，牛俊杰

(太原师范学院 历史地理与环境变迁研究所，山西 晋中 030619)

人工油松林地土壤水分亏缺和补给动态变化规律

王 玲，冯向星，刘 庚，牛俊杰*

(太原师范学院 历史地理与环境变迁研究所，山西 晋中 030619)

为探究降雨对人工林土壤水分的影响，对黄土丘陵区人工林草植被进行土壤水分监测，结果表明：该区自然条件下降雨的最大入渗深度为140 cm；雨季降雨过后，油松林和撂荒地分别在0～30、0～40 cm土层植物水分亏缺得到完全补偿，深层土层植物水分亏缺仅依靠降雨不能得到完全恢复；试验地人工林和撂荒地土壤剖面水分整体呈难效水状态，土壤水分对植被生长有一定的抑制作用。降雨能提高最大入渗深度以内土层的土壤水分有效性。

土壤水分亏缺；降雨；人工林；黄土丘陵区

在水资源短缺、气候干燥、降雨季节分配不均、土层深厚的晋西北地区，土壤水分收支各项中，植物蒸腾是水分平衡中最主要的输出项，而降水是唯一的水分输入项[1-2]。为改善生态环境，减少水土流失，该区实施了大面积的退耕还林还草工程，森林覆盖率得到迅速提高[3]。由于在林草植被建设中，重视选择乔木树种和经济林等，以及不合理的种植密度导致该区出现土壤“干层”现象[4-5]。土壤水分长期不足成为影响植物正常生长和发育的关键因子，并导致植物群落衰退，在晋西北地区出现了“小老头树”现象[6]。土壤水分不仅是限制生态重建和农林业发展的生态因子，而且是限制因子[7]。目前围绕土壤水分与降雨的关系及土壤水分与植被适宜性等研究成为国内外许多学者关注的热点[8-11]。也有学者提出土壤水分植被承载力概念，指出某地区的土地植被承载力实质上是土壤水分植被承载力[7]。针对晋西北地区植被生态环境的恢复与重建问题，研究和分析该区人工林地土壤水分特征，对于调控水分关系有重要指导意义。本研究对晋西北地区天然降雨对人工林的最大补给深度、人工油松林植物水分亏缺度与补偿度以及人工林土壤水分有效性的动态变化进行了分析，旨在为晋西北地区人工林对土壤水分环境的影响及自然条件下降雨对人工林的补给程度研究提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区属汾河上游环境生态重点治理区域，样点采集区域位于岚县石家庄村北的皇姑梁，海拔1450 m。该区属温带大陆性气候，无霜期130 d，年平均气温6.8 ℃，极端最高气温36.4 ℃，最低为-30.5 ℃，年有效积温2948 ℃·d，年均降雨量为400 mm，分配极不均匀，主要集中在7、8、9月，占全年降水总量的70%左右。受气候影响，该区代表性的植物有芦草(Phragmitesaustralis)、狗尾草(Setariaviridis)、锦鸡儿(Cartagenasinica)等，典型的人工植被有柠条(Cartagenakorshinskii)、小叶杨(Populussimonii)、油松(Pinustabuliformis)等。该县属于典型的半干旱黄土丘陵区，降水稀少、气候干旱等自然因素导致了诸多生态环境问题。

1.2 样点采集与分析

选取当地具有代表性的人工油松林地和对照样地撂荒地作为研究对象。油松林龄为15 年，平均树高11 m，平均树干径13 cm，平均冠幅3.5 m。于2016年6月22～26日在野外采集土壤样品，并在8月成功把握1次雨季连续降雨机会，在降雨过后进行历时3 d的入渗采样。采样时间设置在雨前、雨后1 h、雨后26 h、雨后72 h 4个时间点。每个样地选3个样点进行重复采样。土壤样品采用轻型人力钻采取，样品采集深度为0～300 cm，采样间距为10 cm，共计360个样品。采用烘干法测定土壤含水量，烘干时间为24 h以上。储水量通过公式计算，田间持水量和土壤容重采用环刀法测定。

1.3 数据分析

1.3.1 植物水分亏缺与补偿度计算 为定量研究人工林剖面土壤水分的亏缺与恢复程度，本文采用植物水分亏缺度(deficit degree of plant water，DPW)和雨季植物水分补偿度(compensation degree of plant water，CPW)进行分析[12]，计算模型定义如下：

DPW(%)=Da/Fc×100%

(1)

式(1)中：Da为植物水分亏缺量(mm)，Da=0.6Fc-Wc；Fc为土壤田间持水量(mm)；Wc为土壤实际贮水量(mm)。

CPW(%)=△W/Dac×100%

(2)

式(2)中：△W为雨季末土壤贮水增量(mm)，△W=Wcm-Wcc；Wcc为雨季初土壤实际贮水量(mm)；Wcm为雨季末土壤实际贮水量(mm)；Dac为雨季初土壤贮水亏缺量，Dac=0.6Fc-Wcc。

1.3.2 土壤剖面含水量变异系数 研究表明，变异系数能够良好地反映各土层土壤水分的稳定性[13]，变异系数(Cv)和标准差(SD)的计算公式如下：

(3)

(4)

1.3.3 土壤水分有效性评价 结合实际将土壤水分有效性划分为4级，见表1。

表1 土壤水分有效性分级

2 结果与分析

2.1 油松林地降雨入渗

降雨条件下，土壤水分变化存在降雨入渗和降雨结束后再分布两个阶段。小范围内自然降水空间分布均匀，土壤水分空间分布主要受控于雨后土壤水分再分配[14]。再分配的土壤水分受重力和土壤吸力作用，湿润锋缓慢下移，因此雨后不同时间测定的次降水入渗深度不同[15]。降雨强度、降雨量和土壤前期含水量等因素都会影响土壤水分入渗过程[16]。研究区人工林植被立地条件为低平缓坡，降雨入渗阶段以垂直入渗为主。小雨量降雨大部分耗散于土壤蒸发，入渗深度较浅，当降雨量超过一定临界值时才发生下渗。通过对降雨前后油松林地剖面土壤含水量变化的观测和分析，2次测定剖面的土壤含水量的交点即为次降水的入渗深度，最大降雨深度可能出现在几次较大连续降雨之后，2次测定的土壤剖面储水量之差即为入渗量[15]。

2016年为丰水年，7月下旬到8月中旬出现了连续降雨。降雨后，气温降低，蒸腾量下降，表层土壤首先得到补偿，水势差引起高含水土层水分的下移，入渗1 h后湿润锋下移至40 cm，土壤储水量增加10.75 mm；入渗26 h后的土壤剖面含水量曲线与入渗72 h后的剖面含水量曲线在90 cm深度处相交，湿润锋继续向土水势较低的深层土层移动，一直向下推移至110 cm，土壤储水量增加79.41 mm(图1)。3次入渗时间间隔内均有降雨，3次入渗采样的土壤剖面含水量极差分别为3.54%、12.28%、12.23%。为进一步说明土壤含水量的垂直剖面变化，用变异系数表示降雨对剖面土壤水分的影响程度。从表2可以看出，不同深度土壤含水量的变异程度受降雨入渗影响有明显差异，随土层深度增加，变异系数呈明显降低趋势。0～30 cm土层范围内，土壤含水量变异系数比其它土层大，为强变异；300 cm深度处，变异系数最小，为0.08；其他层为中等变异。

2.2 自然状况下人工林植物水分亏缺与补偿特征

植物生长的最适宜含水量为田间持水量的60%，低于这一含水量，植物生长会受到一定的胁迫，或者说植物水分亏缺[13]。本文采用植物水分亏缺度和植物水分补偿度来分析试验地植物水分亏缺的补偿与恢复。植物水分亏缺度与土壤田间持水量和土壤实际贮水量有关，用来反映雨季前土壤贮水的亏缺程度，也可反映雨季末土壤贮水亏缺的恢复程度。植物水分补偿度与雨季降雨量、入渗深度及雨季初土壤

贮水量有关，如果雨季末土壤贮水增量△W≤0，则植物水分补偿度CPW≤0，表示土壤水分亏缺在雨季后未得到补偿，甚至出现负补偿；如果补偿度CPW等于100%，则表明土壤水分亏缺得以完全补偿与恢复[17]。

图1 不同入渗时间土壤水分的剖面变化

土层深度/cm最小值/%最大值/%均值/%标准差/%Cv偏度峰度105.2118.5212.736.760.53-0.24-4.63204.9418.8211.876.910.580.00-5.10305.1316.469.644.980.521.110.74605.6111.158.102.690.330.27-4.19905.727.816.741.200.180.00-5.981206.168.737.341.260.170.20-4.501506.648.477.800.800.10-1.522.602006.658.507.710.870.11-0.51-2.802507.3111.538.771.930.221.491.933007.669.138.150.680.081.562.21

从图2可以看出，人工油松林和撂荒地土壤水分均有不同程度的亏缺，油松林地与撂荒地0～300 cm植物水分亏缺度垂直剖面变化走势相似，亏缺度随土层深度增加均呈现降低趋势。雨季初撂荒地植物水分亏缺度高于油松林地，这可能是由于6月气温回升较快，风力较大，加之植物进入生长初期，土壤水分消耗量增大，而油松林表层约15 cm厚的枯枝落叶层能有效减少表层土壤水分的蒸散消耗。撂荒地0～90 cm土层平均亏缺度高达42.43%，亏缺度随土层深度增加变异性较大；290～300 cm亏缺度降至最低，平均值为9.65%。油松林0～90 cm植物水分亏缺度变异性较撂荒地小，平均值为26.46%，随土层深度增加，亏缺度呈缓慢降低趋势；200～270 cm土层范围内平均亏缺度最低，为13.27%；270 cm深度以下亏缺度略有升高。

雨季后，土壤水分得到一定补充，油松林与撂荒地植物水分补偿度随深度增加呈先急剧下降后波动上升趋势。0～30 cm土层油松林地和撂荒地的植物水分补偿度分别为144.22%、135.42%，30～60 cm土层补偿度急剧降低，油松林地补偿度最大下降幅度为132.70%，撂荒地为105.58%。油松林在90～190 cm土层范围内出现低补偿范围，平均补偿度为3.21%，造成此现象的原因可能是油松属深根性乔木，根系分布区域耗水较多，且下层土壤受降雨补给影响较小，土壤含水量降低。200～300 cm土层范围内补偿度呈先增大后降低趋势，平均补偿度为24.83%，且250 cm深度处为其转折点，这可能是因为250 cm以下土层土壤水分在土水势作用下向上运移，从而进一步加剧了深层土壤水分亏缺。撂荒地120～250 cm土层为低补偿范围，平均补偿度为5.16%，并在210 cm深度处出现负补偿，250～300 cm土层范围内补偿度再次升高，平均补偿度为25.87%。

2.3 不同土层土壤水分有效性评价

根据土壤水分对植物生长的有效性原理，按照凋萎湿度、生长阻滞持水量和田间持水量对土壤水分进行有效性分级[18-19]。低于稳定凋萎湿度的土壤水分为无效水，土壤中的这部分水分不能为植物吸收利用。田间持水量是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，是大多数植物可利用的土壤水上限。土壤含水量高于田间持水量时，多余的水分不能被毛管所吸持，受重力作用沿土壤的大孔隙向下渗透，这部分受重力支配的水称为重力水。生长阻滞持水量是田间持水量的60%，从植物生长的角度看，当土壤含水量低于生长阻滞持水量时，植被生长将受到一定的影响。难效水是指从稳定凋萎湿度到生长阻滞持水量的土壤水分，植物需要克服较大基质吸力才能从土壤中吸收水分，难效水对植物生长的阻滞性的大小与含水量的多少有关，含水量越少，阻滞性越大。易效水对植物的生长发育不会造成水分胁迫。植物吸收利用中效水，在一定程度上会受土水势的影响[20]。

图2 植物水分亏缺度与补偿度垂直剖面变化

本研究表明，人工油松林地土壤含水量均低于田间持水量，各土层土壤水分基本都处于难效水状态(表3)，油松林吸收土壤中水分会不同程度地受到抑制。雨季初油松林地0～30 cm土层土壤含水量均低于稳定凋萎湿度，为无效水。若持续干旱，油松林地60～120 cm土层土壤水分易由难效水下降为无效水。撂荒地雨季初0～120 cm土壤水分有效性均呈现为无效，120～300 cm为难效，250～300 cm土层土壤水分接近中效水。撂荒地与油松林地土壤水分有效性存在一定差异。油松林地120～300 cm土层土壤含水量均低于撂荒地，难效水对油松林的阻滞作用较撂荒地大，油松生长状况较差。在水分消耗期，表层0～30 cm土层土壤水分有效性易由中效变为无效，甚至由易效变为无效。在生长季随耗水延续，油松林逐渐消耗深层土壤水分，200～300 cm土层土壤难效水对油松利用土壤中水分的阻滞作用变大。受雨季降水影响，仅0～120 cm土层土壤水分有效性呈现一定变化，120～300 cm土层土壤水分有效性一直呈现难效。油松林0～30 cm土层土壤水分的有效性有所提高，由雨季初的无效恢复为易效。撂荒地0～60 cm土层土壤水分有效性恢复为中效，60～120 cm土层土壤水分有效性恢复为难效。

表3 土壤水分有效性评价

3 结论

自然条件下降雨后，人工林土壤水分最大入渗深度达140 cm。按变异程度，油松林土壤剖面含水量大致可分为速变层(0～30 cm)、活跃层(30～120 cm)和次活跃层(120～300 cm)，参与土壤水分循环的速变层和活跃层大致在0～120 cm。速变层土壤含水量变化最剧烈，最大入渗深度为活跃层土壤含水量变化剧烈的下限。

雨季初人工油松林和撂荒地植物水分亏缺度随土层深度增加呈降低趋势，植物水分亏缺与补偿度的变化主要发生在降雨的最大入渗深度范围以内，2种植被0～120 cm土层植物水分亏缺度变异性较大。雨季后，油松林和撂荒地分别在0～30 cm土层、 0～40 cm土层范围内植物水分亏缺得到完全补偿与恢复，且仍有富余土壤水分向下运移补偿，50 cm以下土层范围内土壤植物水分亏缺得不到完全补偿，甚至出现负补偿。因此要使试验地人工林植物水分亏缺状况得到改善，单纯依赖该区的天然降水是达不到的。

人工油松林地土壤水分基本呈难效水状态，土壤水分缺乏对油松林生长具有严重抑制作用。对照样地撂荒地0～120 cm土层土壤含水量低于油松林，土壤水分呈无效水状态，但120～300 cm土层土壤水分明显高于油松林地，说明人工林一方面对浅层土壤具有涵养水源的功效，另一方面也加剧了深层土壤水分的消耗。为实现试验区土壤水资源可持续利用，在今后植树造林过程中应注重浅根性植被和灌草植被的建设。

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(责任编辑：许晶晶)

Dynamic Changes in Water Consumption and Supply of Soil in ArtificialPinustabuliformisLand

WANG Ling, FENG Xiang-xing, LIU Geng, NIU Jun-jie*

(Institute of Historical Geography and Environmental Change, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619, China)

To explore the influence of rainfall on the soil moisture of artificial forest, the author monitored the soil moisture of artificial forest vegetations in loess hilly area. The result showed that: under the natural conditions, the maximum depth of rainfall infiltration was 140 cm in this area. After the rainfall during the rainy season, the water deficit in 0～30 cm and 0～40 cm soil layer of bothPinustabuliformisforest land and wasteland was completely compensated; while the water deficit in the deeper soil layer could not be fully recovered only by the rainfall. The water in the soil profile of artificial forest land and wasteland was generally difficult to be absorbed, and soil moisture had a certain inhibitory effect on the growth of vegetation. Meanwhile, rainfall could improve the water availability within its maximum infiltration depth of soil layer.

Soil water deficit; Rainfall; Artificial forest; Loess hilly area

2016-12-12

国家自然科学基金项目“晋西北生态重建优势种林地土壤水分研究：以沙棘和柠条为例”(41171423)、“顾及污染物向异 性特征的土壤有机污染物三维空间分布预测方法研究”(41401236)。

王玲(1992─)，山西武乡人，硕士研究生，研究方向为生态恢复。*通讯作者：牛俊杰。

S152.7

A

1001-8581(2017)03-0080-05