半干旱黄土区不同植被类型对土壤水分的影响

罗梦娇，艾 宁，，3*，刘长海，3，刘广全，强大宏，李 阳

（1.延安大学生命科学学院，陕西 延安 716000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100044；3.延安大学陕西省红枣重点实验室，陕西 延安 716000）

半干旱黄土区是我国乃至世界上水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一。 该区域降水不足且分布不均，水资源相对匮乏。 因此，该区域土壤水分成为当地植被存活、植被重建、生态恢复的主要限制因子[1]。 造成土壤水分差异的影响因素较多，包括降水、蒸散、土壤孔隙度、植物根系分布等[2]；同时，在不同的地形、土地利用方式及植被条件下，土壤水分也会存在明显的时空变化特征[3]。 目前，国内外学者对黄土区的土壤水分研究多集中在时空动态变化、不同植物群落水分生态环境以及不同植被类型对土壤水分动态特征的影响等方面。王瑜等[4]通过研究陕北黄土区人工林地土壤水分的垂直变化规律，发现土壤水分垂直剖面可分为速变层、 活跃层和次活跃层3 个层次。王洪岩等[5]研究了甘肃省金塔县天然胡杨林土壤含水量空间变化，结果发现各层土壤水分变异系数差异明显，且随土层深度增加而增大。索立柱等[6]通过研究黄土高原不同土地利用类型的土壤水分，结果发现自南向北其土壤含水量有明显递减趋势，与多年平均降雨量、潜在蒸散量、土壤质地等的分布具有一致性； 同一地点不同土地利用类型下土壤水分也具有显著差异。张建军等[7]人研究了黄土高原不同水土保持林对土壤水分的影响，得出人工林地会消耗深层土壤水分，形成“干化层”，次生林主要消耗地表水，因此在干旱少雨的黄土高原进行植被恢复时，应多采取封山育林的造林方式。李琪等[8]选取陕西省境内神木县、米脂县、绥德县等5 个地点研究了不同降雨条件与黄土高原同级树龄柠条林地土壤养分的关系，得出其不仅在降水梯度上空间变异性显著，而且其含量也随梯度的增加而增多。 本研究根据现有的研究成果，系统的分析了半干旱黄土区吴起县4 个年降雨量不同的乡镇，乔、灌、 草共16 个典型植被群落与土壤水分的相互关系，特别是系统地对比了水平阶整地造林下的土壤水分的动态变化，旨在探明半干旱黄土区不同植被类型对土壤水分的影响情况，为半干旱黄土区今后植被恢复重建以及优化植被配置等方面提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省吴起县，地处黄土高原腹地和毛乌素沙地南缘。 全县地貌由“八川两涧两大山区”构成，属于典型的黄土梁状丘陵沟壑区。吴起地处东经107°38′57″～108°32′49″，北纬36°33′33″～37°24′27″，属于中纬地带，东部季风湿润区与内陆干旱区的过渡地带，海拔1 200～1 800 m，总面积3 791.5 km2，水土流失面积3 702.2 km2。 地势呈东北高西南低，地势起伏不大，土层较厚。 多年平均降水量为470 mm左右，降水年际变化大且时空分布不均，其中80%的降雨量集中在5—10月，年均气温7.8 ℃，干燥指数约为1.5，多年平均蒸发量为430 mm，属于半干旱区。吴起县从1999年响应国家政策，率先开始退耕还林，经过多年治理，生态环境得到极大改善，林草植被覆盖度达到65%。 土壤类型为黄绵土，质地为轻壤。 植被类型为森林草原向草原过渡类型，营造的人工林主要有刺槐（Robinia pseudoacacia）、侧柏（Platycladus orientalis）、油松（Pinus tabulacformis）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、小叶杨（Populus simonii）、山桃（Amygdalus davidiana）、柠条（Caragana Korshinskii Kom.）和山杏（Armeniaca sibirica）等。

1.2 试验设计及样品采集

2017年8月，采用野外调查与室内分析相结合的方法，根据典型性和代表性的原则，依据不同的植被类型和立地条件，在实验区即吴起县4 个不同乡镇选取荒草地、沙棘林、小叶杨林、山桃林、山杏林、刺槐、油松林、柠条林以及混交林等16 块样地，进行调查取样。 样地详细信息见表1。

土壤样品采用土钻法进行取样，每个样点分别于土壤垂直剖面0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm，共5 个土壤层次，分层取土样，3 个重复，装入专用土壤铝盒，带回实验室进行土壤水分测定。

1.3 试验数据测定

土样在实验室内采用烘干法测定：在105 ℃鼓风干燥箱内烘干10～12 h 左右，烘至恒重，然后进行称重。 土壤含水量由以下计算公式得到：

表1 样地基本情况Table 1 Basic information of the research sites

W=（W1-W2）/W2×100

式中：W 为所测样品的土壤含水量，%；W1为烘干前鲜土样质量；W2为烘干至恒重后土壤样品质量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 软件进行数据整理与计算统计特征值； 采用SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析（ANOVA）和Duncan 法多重比较（P＜0.05）；采用origin 8.0 作图。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型对土壤水分变化的影响

表2为不同植被类型土壤含水量的统计特征值，所选荒草地、山桃林、小叶杨林、柠条林样地都位于同一采样地的中坡位且坡向都是阴坡。 可以看出退耕地不同植被类型的土壤水分含量存在明显的差异，0～100 cm 土层平均值介于16.69%～20.15%，且荒草地＞小叶杨＞山桃＞柠条。 变异系数介于4.30%～6.10%，根据变异系数≤10%为弱变异，介于10%～100%之间为中等变异，≥100%为强变异[9]可知，所 选4 种植被类型土壤含水量皆为弱变异。

表2 退耕地不同植被类型土壤水分的统计特征值Table 2 Statistical characteristics of soil moisture in different vegetation types in farmland

退耕地不同植被类型土壤水分变化情况如图1所示，土壤水分含量随植被类型的不同而变化。土层深度在0～100 cm 范围内，整体而言，土壤水分含量表现为荒草地＞山桃＞小叶杨＞柠条林地。 在黄土高原区，土壤含水量随土层深度变化的趋势不仅可表现为增长型[10]，还可表现为降低型[11]。 随着土层深度的增加，除柠条林外，其他植被类型土壤水分总体呈现递减趋势。 不同的植被类型其土壤含水量比较复杂，荒草地0～20 cm 土层土壤水分最高，土层深度越往下，土壤水分总体逐渐降低，但在60～80 cm 土层水分偏高； 山桃和小叶杨林土壤水分整体上差异不大，但在40～60 cm 土层土壤水分突然变大，其主要原因是在这一土层有其根系分布，影响了土壤含水量。 在研究区内，柠条林地土壤水分表现为在0～100 cm 土层内，随着深度加深而逐渐增大。

图1 退耕地不同植被类型土壤水分含量的变化Figure 1 Changes of soil moisture in different vegetation types in farmland

如表3所示，对退耕地不同植被类型土壤水分进行方差分析，结果显示不同植被类型对土壤含水量存在极显著差异（P＜0.01）。山桃、小叶杨与柠条林这3 者相比较土壤水分差异不大，但皆与荒草地土壤水分存在显著差异。 由此可见不同植被类型对土壤水分的影响不同，因此能够说明植被类型是影响半干旱黄土区土壤水分的一个因素。

表3 退耕地不同植被类型土壤水分方差分析Table 3 The analysis of variance of soil moisture in different vegetation types in farmland

2.2 不同立地条件对土壤水分变化的影响

2.2.1 不同坡位的沙棘林土壤水分变化

表4为不同坡位的沙棘人工林土壤水分变化的统计结果，可以看出坡底平台的沙棘土壤水分含量和其他立地类型相比差异较大，而下坡位和中坡位水平阶的土壤水分含量差异较小。 土壤含水量平均值介于14.17%～16.93%，变异系数介于3.03%～6.56%之间，变异系数＜10%，皆为弱变异。

根据前人经验和黄土丘陵沟壑区实地情况，一般坡位分为卯顶、上坡位、中坡位、下坡位，坡底等。这里选取同一坡向即半阴坡的沙棘林为研究对象，从图2中可以看出，处于同是半阴坡但位于中坡位、中坡位水平阶、下坡位、坡底平台的沙棘林土壤水分变化情况。 在0～100 cm 土层深度区间内，总体上坡底平台沙棘的土壤水分要明显高于中坡位原状坡和下坡位原状坡。在表层即0～20 cm 土层处，沙棘林土壤水分为坡底平台＞下坡位＞中坡位水平阶＞中坡位。退耕地沙棘林随着土层深度的增加，土壤水分含量总体差异不大，且呈现波动趋势。从图2中可以看出沙棘林土壤水分大致呈“S”型分布，这主要是与沙棘自身属性有关，其根蘖性强，根系盘根错节，非常发达，能扎进很深的土层。图3为不同坡位沙棘林在0～100 cm 各层土壤水分垂直变化情况，可以看出针对不同土层，土壤水分皆呈现出先减少后增加的趋势，即为坡底平台＞中坡位水平阶＞下坡位＞中坡位。如表5所示，方差分析结果显示坡位对同一坡向的沙棘林土壤水分含量存在极显著差异（P＜0.01）。中坡位原状坡、 下坡位原状坡沙棘土壤水分差异不大，但两者皆与坡底平台土壤水分存在显著差异。因此坡位和整地方式是影响该区沙棘土壤水分的主要因素。

表4 不同坡位沙棘林土壤水分的统计特征值Table 4 Statistical characteristics of soil moisture in Hippophae rhamnoides with different slope positions

图2 不同坡位沙棘林土壤水分变化Figure 2 Changes of soil moisture in Hippophae rhamnoides with different slope positions

2.2.2 水平阶整地对不同植被土壤水分变化的影响

由表6可以看出在水平阶整地方式下退耕地不同植被类型的土壤水分含量差异很小，其平均值介于15.42%～16.64%之间。 油松林的变异系数＜10%，为弱变异；另外3 者皆为中等变异，其土壤水分随土层深度波动较大。

在半干旱黄土区水分是植被能否存活和成材的重要限制因子，这一点对乔木来说尤其重要，因此在该区域生态恢复、退耕还林、水土流失治理过程中，采取适宜的整地方式和灌溉措施就很有必要[12]。 黄土区整地方式包括梯田、水平阶、鱼鳞坑和水平沟等坑穴等，不同整地方式对植被生长作用存在明显差异。 本研究选取的是同一坡向即半阳坡且都是水平阶整地方式的刺槐、油松、油松山杏混交以及山杏刺柏混交林为研究对象。

从图4中可以看出，同是水平阶整地方式下的不同植被土壤水分变化情况。在0～100 cm 土层范围内，总的来说，单一植被林地土壤水分含量差异不大，但混交林则呈波动趋势且变化较大。在0～20 cm土层内，混交林的土壤水分含量要大于单一植被林，具体表现为油松山杏混交林＞刺槐林＞山杏侧柏混交林＞油松林。油松林土壤水分含量总体上随着土层的加深而逐渐增大，而表层土壤水分含量最少。方差分析结果如表7所示，这4 种植被类型在水平阶整地方式下0～100 cm 土层中土壤水分差异不显著。

2.2.3 不同坡向对人工小叶杨林土壤水分变化的影响

由表8可知不同坡向小叶杨林土壤水分变化显著，阴坡土壤水分含量最大，阳坡的最少，说明太阳光照对土壤水分影响显著，含水量平均值介于13.00%～20.44%之间，其中阴坡的变异系数＞10%，为中等变异；其余3 者皆为弱变异。

退耕地人工小叶杨林土壤水分的变化如图5所示，可见都处于下坡位原状坡但坡向不同的小叶杨林土壤水分含量高低排序情况为：阴坡＞半阴坡＞半阳坡＞阳坡。 在0～100 cm 土层范围内，半阴坡、半阳坡和阳坡小叶杨林土壤水分含量差异不大，阴坡的则呈现波动较大趋势，在20～60 cm 土层，土壤水分突然增大，但从60 cm 土层往下土壤水分又减小，这可能是因为在中间土层有小叶杨根系存在，从而影响了土壤水分的分布。 在表层土壤水分从大到小依次为：阴坡＞半阴坡＞半阳坡＞阳坡。

图3 不同坡位沙棘林土壤水分垂直变化Figure 3 Vertical changes of soil moisture in Hippophae rhamnoides with different slope positions

表5 不同坡位沙棘林土壤水分方差分析Table 5 The analysis of variance of soil moisture in Hippophae rhamnoides with different slope positions

表6 退耕地水平阶整地不同植被土壤水分的统计特征值Table 6 Statistical characteristics of soil moisture in different vegetations in level bench region in farmland

图4 退耕地水平阶整地不同人工植被土壤水分变化Figure 4 Changes of soil moisture under different artificial vegetations in level bench region in farmland

表7 水平阶整地方式下不同植被类型土壤水分方差分析Table 7 The analysis of variance of soil moisture under different vegetation types in level bench region

如表9所示，对不同坡向退耕地小叶杨人工林土壤水分变化进行方差分析，结果显示不同坡向对小叶杨林土壤水分存在显著差异（P＜0.05）。阳坡、半阳坡与半阴坡小叶杨林土壤水分差异不显著，半阴坡与阴坡土壤水分差异也不显著，但土壤水分阳坡与阴坡相较而言，差异显著。 因此，不同坡向是小叶杨林土壤水分的一个影响因子。

表8 不同坡向小叶杨土壤水分的统计特征值Table 8 Statistical characteristics of soil moisture in different slopes of Populus simonii

图5 不同坡向小叶杨林土壤水分变化Figure 5 Changes of soil moisture in different slopes ofPopulus simonii

表9 不同坡向小叶杨林土壤水分方差分析Table 9 The analysis of variance of soil moisture in different slopes of Populus simonii

3 讨论

3.1 不同植被的土壤水分变化

不同的植被群落，其根系在土壤中的分布深度及密度存在着差异，造成土壤蒸发和植被蒸腾的情况不同，导致土壤干燥化程度和土壤水分的分布也不同[13]。 在半干旱黄土区退耕地所选同一采样地中坡位且都是阴坡的不同人工植被下，土壤水分表现为荒草地＞山桃＞小叶杨＞柠条，这可能是因为林地树冠蒸腾耗水量大，草地根系较浅且冠层较小[14]，以荒草为主的自然恢复地由于地上缺乏植被，水分利用深度和程度较小，地面杂草丛生，枯草层较厚，因此蒸散量较小、土壤水库储存量就比较高[15]，土壤水分也大些，这与梁超等的研究结果相似[16]。在这一过程中，土壤的浅层水分主要依靠降雨补偿[17]。柠条水分含量随着土层深度的增加而增大，主要是因为柠条这一树种的林冠对降水截留能力较强，根系十分发达，可以改善土壤环境，减少地表水土流失，从而增加保水蓄水能力，这与J.S.Singh[18]对美国西部科罗拉多州多个土层深度土壤水分的研究结论相似，因此在植被恢复过程中，通过植物根系的穿插作用和对土壤特性的改善，可以提高降水的入渗速率，补偿土壤水分。

3.2 不同立地条件对土壤水分的影响

3.2.1 不同坡位沙棘林土壤水分变化

退耕地沙棘人工林土壤水分呈现为坡底平台＞下坡位＞中坡位水平阶＞中坡位，主要因为半干旱黄土高原区降雨量稀少，多暴雨且分布不均衡，而该区土壤水分补给主要形式就是降水。 造成沙棘林不同坡位水分差异是和降水的下渗以及地表蒸发有关系，在坡底一方面雨水汇集，径流速度减缓从而加大了降水下渗速率，另一方面风力较小也降低了地表蒸发量，所以土壤水分最高。中坡位原状坡由于坡度相较而言较大一定程度上加大了地表径流，流速过快而不利于降水的下渗，故土壤水分不如下坡位原状坡和坡底平台。有研究表明，在黄土高原丘陵沟壑区，一般降水到达林地后，少部分入渗到土壤中，大部分则形成地表径流，向下坡位流动，在同一坡向，下坡位原状坡贮水能力更强，这与郭忠升等[19]研究结果相似。

3.2.2 水平阶整地方式下不同植被土壤水分变化

退耕地油松人工林地表层的水分含量最少，这可能是林下植物群落单一，生物量较少，生物多样性稀缺，地表有结皮出现，土质较干有关。 松杏和杏柏混交林土壤水分在0～100 cm 区间则波动很大，有研究表明土壤水分在9%～12%之间为轻度干层，对植物生长影响不大，但基本能正常生长。该区水资源及其匮乏，它们的生长在一定程度上消耗着深层土壤水，进而导致土质干化这种土地退化现象，其原因主要是油松、山杏、侧柏这3 种植被作为黄土丘陵沟壑区植树造林的主要树种，耗水特性强；侧柏属于浅根水平分布型植物，主要依靠根系在水平空间的拓展来吸收水分[20]；而刺槐为深根垂直分布型植物，主要依靠主根垂直向下延伸吸收水分[21]。对于混交林地，由于刺槐和侧柏根系形态的差异，这有助于混交林合理充分的占据和利用土壤空间，来吸收各土层土壤水分，这与张建军等[7]研究结果一致。所以，为防止黄土高原地区深层土壤“干化”，应该营造混交林和浅根水平分布型树种来保水保土。

3.2.3 不同坡向小叶杨林土壤水分变化

坡向不同，受到的太阳辐射不同，造成阴坡的土壤厚度比阳坡大，温度较低，水分蒸发量也较少。 由于不同坡向接受的太阳辐射强度不同，使得地面土壤蒸发强度和植物蒸腾程度不同，进而影响了土壤的水分分布状况存在差异。从降水与蒸发综合考虑，黄土高原区阳坡降水大于阴坡，但是阳坡蒸发也大于阴坡，综合起来阳坡的土壤水分条件往往比阴坡更干旱，因此阳坡的植被土壤水分要低于阴坡，这与马娟霞、梁超等[16，22]研究结果一致。

4 结论

①同一坡度、坡向、降雨条件下荒草地、山桃、小叶杨和柠条林地，土壤水分存在显著差异，表现为荒草地＞小叶杨＞山桃＞柠条； 不同坡位沙棘林地土壤水分呈“S”型分布且存在极显著差异，表现为坡底平台＞下坡位原状坡＞中坡位水平阶＞中坡位原状坡。可见不同植被类型深刻影响着该区土壤水分变化，坡位和整地方式是影响沙棘土壤水分的重要因素。

②水平阶上的乔木纯林与乔灌混交林间土壤水分差异不显著，且人工纯林在土壤水分垂直变化差异不大，混交林呈波动趋势且变化较大。 可见，半干旱黄土区水平阶整地营造的乔木纯林与乔灌混交林土样水分差别不大。

③不同坡向的小叶杨林地土壤水分存在极显著差异，表现为：阴坡＞半阴坡＞半阳坡＞阳坡，且在阳坡与阴坡间表现尤为突出，可见坡向是半干旱黄土区小叶杨林土壤水分的一个主要影响因子。