半干旱黄土丘陵区不同植被类型的土壤水分特征及其稳定性

殷地迟, 王 立, 蔡国军, 莫保儒, 柴春山, 马 驰

(1.甘肃农业大学 林学院, 甘肃 兰州 730070； 2.甘肃省林业科学研究院, 甘肃 兰州 730020)

土壤水分是陆地生态系统重要的驱动力，尤其是干旱、半干旱地区[1]，土壤水分成为黄土丘陵区植被恢复与重建的重要限制因子[2]。在该地区，土壤水分补给形式较为单一，大部分地区只能通过降水来进行土壤水分的补充，但是雨季水分的年度蒸发量也达到全年较高的水平，使得土壤水分下渗层很难超出土壤水分蒸发层[3]，从而导致深层土壤水分相对亏缺，造成生态恢复难以可持续发展。因此，如何利用好土壤水分变得尤为重要，尤其对黄土丘陵区水分消耗较大的人工林。穆兴民等[4]认为不合理的人工配置模式使得天然降雨无法满足植被对土壤水分的消耗，导致各人工林均出现不同程度的土壤水分亏缺现象。李细元等[5]认为人工灌丛或林地0—200 cm以下的土层水分，降雨很难补偿。由于深层的土壤水分不能靠自然降水来达到水分的补给，因此，研究0—200 cm水分的利用变得更为重要。本文通过研究不同植被类型下0—200 cm深度的土壤水分特征和稳定性，探讨不同植被在相同时间和相同垂直剖面上的生长现状、规律以及差异性，旨在为植被生长稳定性、有效造林、经济造林提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

该研究区位于甘肃省定西市巉口镇龙滩流域，地理坐标为104°27′—104°32′E，35°43′—35°46′N，属半干旱黄土丘陵区。流域面积16.1 km2，平均海拔1 967～2 168 m，年平均气温6.8 ℃，年均降水量386.3 mm，平均无霜期152 d，平均日照时数2 052 h。春冬季降水量较少，降雨主要集中在7—9月份(见表1)，多为暴雨形式，潜在蒸发量1 649.0 mm，年平均相对湿度72%，干燥度1.9。

流域土质均一，土壤以黄绵土为主，有机质含量低，土壤贫瘠。流域属于典型草原地带，天然植被以多年生草本为主，主要植物种类有长芒草(Stipabungeana)、赖草(Leymussecalinus)、阿尔泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)等，人工植被以侧柏(Platycladusorientalis)、柠条(Caraganakorshinskii)、山毛桃(Amygdalusdavidiana)、山杏(Armeniacasibirica)、紫花苜蓿(Medicagosativa)等植物为主。

表1 甘肃定西龙滩流域2015-2018年降水量 mm

1.2 研究方法

在研究区选取5块典型样地(人工混交林、人工纯林、人工灌草、人工草地、自然荒草地)，样地植被类型为：山杏×侧柏混交林地、柠条林地、退耕林地(山毛桃和紫花苜蓿灌草混种)、退耕苜蓿草地和自然荒地。样地坡度在14°～32°之间，土壤类型均为黄绵土。因此，在分析结果时，可以忽略土壤的影响。采用Trime-FM剖面土壤水分速测仪测定土壤含水量。2017—2018年对上述五块样地进行土壤水分测定，测定深度为200 cm，每20 cm一个测层，每15 d测定一次，重复3次，取其平均值作为该测层的容积土壤含水量(%)。样地采用GPS定位，并记录坡度、坡向、林龄、树高、冠幅、草本层盖度等样地信息(详见表2)。

表2 甘肃省定西市龙滩流域样地基本信息

1.3 数据处理

应用Excel 2010，DPS 9.01和SPSS 22.0进行统计并分析数据。运用单因素方差分析、Duncan多重比较(最小显著性差异，p<0.05)和有序聚类法,分析不同植被类型土壤水分特征和稳定性。用p值对单因素方差分析进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下土壤水分的时间动态

2.1.1 不同年份土壤水分变化 如图1所示，分析5种植被类型0—200 cm土层土壤平均含水量年度动态变化及其差异性可知，2017，2018年不同植被类型土壤平均含水量呈现：山杏×侧柏混交林地(11.24%)>退耕苜蓿草地(10.97%)>自然荒地(10.66%)>退耕林地(9.99%)>柠条林地(9.55%)。

图1 黄土丘陵区5种典型植被类型年度土壤平均含水量

山杏×侧柏混交林地土壤含水量高于自然荒地，且此混交林两年的平均含水量均高于柠条林地、退耕林地和退耕苜蓿草地，说明混交林地相对于柠条纯林、退耕林地和退耕苜蓿草地来说更具有稳定性[6]。由表2也可知，山杏×侧柏混交林地由于林龄较长，有54 a，其根系以及植被用水已经达到了一个稳定趋减的趋势，而退耕林地、柠条林地已处于成熟期，故用水量大，所以土壤含水量低。

2016年降水量为273.4 mm(见表1)，远低于该地区近4年平均降水量375.6 mm，导致2017年土壤蓄水量较低。2017，2018年降水较往年充足，降水量分别为405，423 mm，均高于年均降水量，属丰水年。研究2017，2018年土壤水分动态变化特征，将为丰水年土壤水分动态变化提供依据。

2017，2018年3—6月降水呈上升趋势，但是植被耗水量以及土壤水分的强烈蒸发量要远远超出降雨对土壤水分的补给量，这一阶段将处于土壤水分消耗量相对较大的时期，这一结果与李永平等[7]的研究相一致。Yu Bowei等[8]对半干旱黄土高原0—200 cm以上的浅层研究发现，夏季土壤水分明显低于春季和秋季。从图2看，除了自然荒地土壤水分明显低于春季和秋季，其他植被类型夏季土壤水分却与春季相近，这与Yu Bowei等研究的结论不符，这可能与2016年降水量和植被生长特性有关。

2017，2018年降水集中在7—9月，2017，2018年8月份降水量均超过100 mm。受降雨时间分布的影响，不同的植被类型下的土壤水分呈现出不规则的变化，但都表现出一定的滞后性[9]，这也是雨季后土壤水分上升的重要原因。通过比较不同植被类型年度土壤平均含水量可知(见图1)，这5种植被类型随时间的波动性很大，这种波动性是由降水量、蒸发量和植被对土壤水分的下渗和利用程度等因素共同作用的结果[10]。总的来说，本研究也符合1—2月稳定，3—6月消耗，7—9月增加，10—12月减少[11]的研究结论。

2.1.2 不同月份土壤水分变化 如图2a所示，同时结合2017，2018年降水量、蒸发量来看，2017，2018年1—2月，降水量小于10 mm，由于植被处于休眠期，故0—200 cm土层土壤水分相对平稳。退耕苜蓿草地的土壤水分随土层深度增加而降低，且退耕苜蓿草地的土壤水分在土层40—100 cm处波动幅度较大，这可能与苜蓿深层根系多年耗水和其持水性能有关[12-14]。

如图2b所示，2017，2018年3—6月，3月份降水量逐渐增多，浅层土壤水分有明显的上升趋势，自然荒地增长趋势最为明显。随着降水量、蒸发量在逐渐增加，植被也由休眠期过渡到生长初期，耗水量明显加强，40—100 cm土层土壤水分便开始出现下降趋势。此时，土壤水分随着土层深度增加而降低，而柠条林地土壤水分则呈现出较为稳定的状态。

如图2c所示，2017，2018年7—9月，降水量达到全年的最大值，植被也进入旺盛生长期，自然荒地浅层土壤水分明显高于其他植被类型。降雨量的迅速增加促使浅层土壤水分上升，同时随着植被的迅速生长、温度的升高以及土壤的蒸发能力迅速加强，植被的耗水量、土壤水分的蒸发量加剧，导致0—100 cm土层土壤水分大量消耗。

如图2d所示，2017，2018年10—12月，植被处于生长季后期，浅层土壤水分差距拉大，变化剧烈，规律不明显，这可能与各植被类型间根系分布的情况有关。柠条林地中层土壤水分与其他植被类型相差较大，这可能与柠条林地的林龄有着一定的关系。这与梁海滨等[15]的研究结果相一致。尽管浅层各植被类型间土壤水分变化显著，但深层土壤水分却趋于稳定，土壤水分差异减小。

图2 黄土丘陵区5种典型植被类型1-12月土层土壤平均含水量

2.2 不同植被类型下土壤水分的垂直分布动态

本文基于黄土丘陵区不同植被类型土壤水分土层变异系数和标准差为分层指标[16]，以自然荒地分层作为基础来研究不同植被类型对土壤水分垂直分布的影响。由于在实际划分过程中，变异系数和标准差不能同时满足分级标准，故使用有序聚类法对土层土壤水分划分界限，以土层深度为土壤水分的排序轴，按照土壤水分含量进行聚类，聚类的结果仍然保持深度上的排序[17-18]。通过上述方法对5种植被类型0—200 cm的土层进行分层，确定最优聚类数为3。因为不同植被类型的分层结果不相同，所以其他植被类型的分层根据自然荒地(对照样地)的分层结果，将土层分为3层：浅层(0—40 cm)、中层(40—100 cm)和深层(100—200 cm)。

如图3所示，在黄土丘陵区5种植被类型下，2017，2018年不同植被类型土壤平均含水量呈现：山杏×侧柏混交林地(11.24%)>退耕苜蓿草地(10.97%)>自然荒地(10.66%)>退耕林地(9.99%)>柠条林地(9.55%)。退耕林地0—40 cm土层土壤水分呈现上升趋势，与其他植被类型变化趋势相反，这可能与退耕林地中的苜蓿退化后生物量较大有关。在40—100 cm土层，不同植被类型的土壤水分差异较大，退耕苜蓿草地40—100 cm土层土壤水分呈现先增后减的趋势，与其他植被类型的变化趋势不同，且变化幅度较大。在同一种植被类型下，100 cm以下的土层土壤水分含量较为稳定。2017，2018年山杏×侧柏混交林地(11.24%)与柠条林地(9.55%)土壤水分含量相差较大， 2017，2018年土壤水分均有所增加，且退耕苜蓿草地增加幅度大于柠条林地。

浅层(0—40 cm)土壤水分动态变化性大，本文称浅层为动态变化层。在动态变化层(0—40 cm)上，如图4a所示，2017，2018年不同植被类型动态变化层土壤水分波动较大，五种植被类型土壤水分的变化趋势大致相同，但是柠条林地土壤水分明显低于同时期其他植被类型。2017，2018年初期，由于受植被生长、降水、蒸发量的影响较弱，动态变化层土壤水分蓄水、持水上升，随着雨季到来，动态变化层土壤水分得到大量补偿，土壤水分呈现急速上升趋势[19]。2017，2018年后期，降水量下降，动态变化层土壤水分补给来源缺失，导致水分迅速下降，尽管土壤蒸发能力减弱，但土壤水分仍呈现下降趋势。

图3 黄土丘陵区5种典型植被类型垂直分布土壤平均含水量

中层(40—100 cm)土壤水分植被根系生长消耗量大，本文称中层为利用层。在利用层(40—100 cm)上，如图4b所示，2017，2018年1—5月利用层土壤水分较低且稳定，这可能与2016年的降水、植被生长有关。柠条林地在利用层水分消耗最大，且土壤水分一直呈现下降趋势，这可能与柠条林地利用层季节性耗水有关。自然荒地由于春冬季植被更替，进而显现出较为稳定的趋势，对水分消耗较少。在夏秋季，五种植被类型利用层土壤水分都呈现出先减少、后增加、再减少的过程[20]。

深层(100—200 cm)土壤水分变化幅度不显著，本文称深层为弱利用层。在弱利用层(100—200 cm)上，如图4c所示，5种植被类型的土壤水分含量较为接近，土壤水分变化趋势也大致相同，在季节上呈现相对稳定的状态。2017，2018年前期，自然荒地土壤水分含量最高，山杏×侧柏混交林地次之；到植被生长旺期，山杏×侧柏混交林地土壤水分最高，并持续到植被生长后期，这对研究山杏×侧柏混交林地生长季土壤水分动态变化有参考作用。

图4 黄土丘陵区5种典型植被类型0-200 cm时间土壤平均含水量

2.2.1 不同植被类型下土壤水分的土层稳定性 表3为2017，2018年黄土丘陵区5种典型植被类型土壤水分土层变异系数。由表3可见，2017，2018年各土层土壤水分变异系数大小顺序为：退耕林地(0.199)<山杏×侧柏混交林地 (0.213) <自然荒地(0.219)< 退耕苜蓿草地(0.226)< 柠条林地(0.236)。

在0—40 cm深度的土层，土壤水分的土层变异系数增大，土层稳定性减弱，这主要由于浅层的土壤水分受降水、温度、蒸发等因子的影响较大，水分变化剧烈[21]；在40—100 cm深度的土层，土层变异系数相对较大，这主要是由于植被的根系耗水引起土壤水分有较大波动；在100—200 cm深度的土层，土层的变异系数趋于低值，土壤水分土层稳定性增强[22]。

表3 黄土丘陵区5种典型植被类型土壤水分土层变异系数Cv

2.2.2 不同植被类型下土壤水分的时间稳定性 表4为2017，2018年黄土丘陵区5种典型植被类型土壤水分时间变异系数。由表4可见，2017，2018年各月份土壤水分变异系数大小顺序为：自然荒地(0.250)<退耕林地(0.252)< 山杏×侧柏混交林地(0.265)<柠条林地(0.271)<退耕苜蓿草地(0.319)。1—2月，自然荒地变异系数较低；3—9月，时间变异系数减小后上升；10—12月，受时间和外界环境影响，不同植被类型所反映出的变化规律不相同，退耕苜蓿草地变异系数最高且变化程度最为明显。结合2 a时间变异系数表来看，退耕林地相对于其他4种植被类型时间变异更为稳定。尽管降水是影响时空变异性的重要因素，但植被类型仍是影响土壤水分空间变异性的主导因素，这与Yao Xueling等[23]研究结果相一致。

表4 黄土丘陵区5种典型植被类型土壤水分时间变异系数Cv

3 结 论

(1) 从不同植被类型土壤水分的时间动态来看，2017,2018年，不同植被类型土壤水分呈现出：山杏×侧柏混交林地>退耕苜蓿草地>自然荒地>退耕林地>柠条林地。这说明，山杏×侧柏混交林地、退耕苜蓿草地最接近自然荒地，说明混交林、退耕苜蓿草地对土壤水分消耗的程度较小，而柠条林地、退耕林地土壤含水量低于自然荒地，表明了此类植被在其达到完全郁闭或覆盖时，会使土壤水分处于过度消耗状态[22]。

(2) 从不同植被类型土壤水分的垂直空间动态来看，0—200 cm深度土壤水分存在波动情况，有分层差异，且各植被类型间存在明显差异。在浅层(0—40 cm)，柠条林地、退耕林地土壤水分含量较低，退耕苜蓿草地、山杏×侧柏混交林地、自然荒地土壤水分含量较高；在中层(40—100 cm)，柠条林地、退耕林地仍处于水分较低状态，自然荒地土壤水分含量最高；在深层(100—200 cm)，山杏×侧柏混交林地土壤水分含量逐渐提高并在生长旺期超过自然荒地，达到最高。垂直剖面上土壤水分的差异，给今后科学建植提供依据，结论可促进研究区内最适宜植被类型的提出，指导半干旱区植被建设、恢复。

(3) 从不同植被类型土壤水分土层稳定性可以得出：退耕林地<山杏×侧柏混交林地<自然荒地<退耕苜蓿草地<柠条林地。2017,2018年0—200 cm不同植被类型深度土壤水分土层变异系数呈现不同结果，这可能与植被根系分布和降水量的增加趋势相一致。从不同植被类型土壤水分时间稳定性可以得出：自然荒地<退耕林地<山杏×侧柏混交林地<柠条林地<退耕苜蓿草地。柠条林地随时间变化相对稳定，退耕苜蓿草地随时间变化最为强烈，其他植被类型2017,2018年变化规律不显著。短时间内，不同植被类型的土层和时间土壤水分变化规律尚不稳定，仍需继续监测各植被类型的土壤水分，为该地区植被稳定性提供指导意见。