黄土丘陵区柠条种植带状结构对坡面土壤水分的影响

2020-10-21杜雨佳赵勇钢刘小芳张星星任泽莹贾佳瑜

水土保持研究 2020年6期

杜雨佳, 赵勇钢, 刘小芳, 张星星, 任泽莹, 贾佳瑜

(山西师范大学生命科学学院, 山西临汾 041000)

黄土高原地区水资源匮乏、水土流失严重、生态系统极度脆弱，是我国退耕还林(草)生态工程实施的重点区域。在植被建设途径中，通过人工林种植林草以加速植被恢复进程已成为重要措施[1-2]。许多研究表明，人工植被恢复对于减轻水土流失、提高土壤质量、改善生态环境起到了积极的作用[3]。其中，柠条(Caraganakorshinskii)由于其根系发达，抗逆性强，具有很强的防风固沙及保持水土的能力，是干旱半干旱地区广泛种植的主要灌木树种之一。但一些研究表明，人工柠条长期种植可能造成土壤水分亏缺，土层干燥化并上移下延，这反过来也限制柠条的生长[4]。张建军等[5]研究了黄土高原不同林地对土壤水分的影响，指出人工林对土壤水分消耗较大，会形成“干化层”。郭忠升等[6]发现5 a生柠条林的干层厚度达到柠条利用水分的警戒线。李小芳等[7]通过EPIC模型对黄土丘陵区柠条土壤水分进行了模拟，发现柠条生长10 a后，根系下伸，土壤水分亏缺，水分生产力下降。

坡面是黄土高原地区土壤侵蚀泥沙的重要来源地，也是植被建设的主要地貌单元。坡面尺度的土壤水分受气候、植被、土壤、地形等因素的综合影响[8-10]。梁海斌等[9]研究了3个不同林龄柠条地土壤水分变化，得出随林龄增加土壤水分存在显著差异，且土壤干层范围不断扩大。降水在坡面的再分配使不同坡位土壤含水量不同[11]。黄艳丽等[12]对黄土高原小流域不同坡面土壤水分进行研究，得出坡脚土壤含水率高于坡腰，坡腰高于坡肩。董起广等[13]对延安市黄土坡面土壤水分研究得出，随坡位下降土壤水分含量升高，下坡位比上坡位高5.33%。此外，柠条在坡面多为等高线带状种植(也称植物篱模式)，相邻柠条带多以荒草地间隔，构成了灌草复合系统。袁久芹[14]、Fan[15]等提出带状种植柠条对防治水土流失有显著效果，通过拦截地表径流、改变土壤结构，使植被快速适应干旱环境，是防止土地退化，提高土壤生产力的理想模式。这种植被配置格局使坡面的光照、热量、降水、径流、土壤属性等资源因子发生空间再分配，进而影响土壤水分分布。如党汉瑾等[16]通过对黄土丘陵区26 a生柠条植物篱各部位土壤水分研究，发现植物篱带前和带内土壤含水率较高，带后则较低。吕文强等[17]发现柠条植物篱土壤水分有效性随距植被带距离增大而提高。目前，种植年限、土层深度、地形等对柠条种植后土壤水分分布的影响，柠条等高线带状种植模式减少土壤侵蚀等，均已有较多研究。但将各影响因子与柠条的带状种植相结合解析坡面尺度土壤水分空间异质性的研究还较少，且环境因子与土壤水分关系的定量表达还有待进一步探究。因此，本研究以黄土丘陵区不同种植年限等高线带状种植的柠条坡地为研究对象，分析不同种植年限、坡位以及灌草部位对0—100 cm土壤水分的影响，旨在探明坡面土壤水分的空间分布情况及影响因素，以期为干旱半干旱地区植被建设和土壤水资源调控提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区固原市河川乡中国科学院水土保持研究所上黄生态试验站(106°26′—106°30′E，35°59′—36°03′N)。海拔高度1 534～1 824 m，地貌类型属典型黄土高原丘陵区，土壤多为黄土母质发育的黄绵土，土壤贫瘠，且遭受侵蚀。多年平均降水量为419.1 mm，年内降水分配不均，7—9月降雨量可占到年降雨量的70%以上。多年平均气温6.9℃，属温带半干旱气候区，无霜期152 d。研究区天然植被以多年生草本为主，代表性植物有长芒草(Stipabungeana)、铁杆蒿(Artemisiavestita)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、百里香(Thymusmongolicus)等，人工植被以柠条、山杏(Armeniacasibirica)等为主，其中人工柠条林栽植面积最大[18]。

1.2 试验设计与样品测定

经实地调查选择研究区内柠条种植15 a(2004年)，25 a(1994年)，35 a(1984年)沿坡地的样带各一条，并以相邻撂荒40 a以上荒草坡地作为对照。坡面柠条种植为等高线带状种植模式，伴有约3°反坡台整地，平均阶面宽0.5～1 m，相邻柠条带间为2～3 m的自然荒草坡面。将各样地沿坡面由上至下依次分为5个坡位(坡顶、坡肩、坡上、坡中、坡下)，坡肩距坡顶约15 m，坡肩至坡下相邻坡位间相距40～60 m。各坡位水平设置3个10 m×10 m样方，样方间距约10 m且样方内均包含完整柠条灌草部位。分别在各样方内选取4个采样点，为柠条带间中点(距柠条茎干1～1.5 m)、柠条带前(距柠条茎干0.5～0.8 m)、柠条带内(距柠条茎干0.1 m)、柠条带后(距柠条茎干0.5～0.8 m)。采样点示意图见图1。同时测量样方内每株柠条高度，进行植被调查并收集地上鲜生物量和干生物量，测定每个样点经纬度、海拔、坡度、坡向等环境因子[19](表1)。

图1 采样点位示意图

于2019年7月29日—31日进行土壤样品采集，取样前7 d和取样期间采样区并无降雨发生。各采样点取样深度均为100 cm，用土钻按照0—10，10—20，20—30，30—40，40—60，60—80，80—100 cm分7层取土，各土层重复3次取样，采得土壤样品装入铝盒密封。土样带回实验室后，采用烘干法[20]测定土壤含水量。

1.3 数据统计分析

采用SPSS 17.0软件进行基本统计分析，利用单因素方差分析(ANOVA)检验不同种植年限、坡位及灌草部位下的土壤含水量差异，并用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较，显著性水平为0.05。采用OriginPro 9.0软件进行图形绘制。用冗余分析(RDA)分析环境因子对土壤含水量的影响，用CANOCO 5.0软件完成。

表1 样地基本情况

2 结果与分析

2.1 土壤含水量基本统计特征

随着柠条种植年限的增加，土壤含水量平均值逐渐降低，标准差和变异系数表现出相同的趋势，变异性逐渐变小(表2)。25 a和35 a柠条地土壤含水量显著低于15 a柠条地和荒草地(p<0.05)。从坡位看，土壤含水量表现为坡顶最高，坡中和坡下次之，坡上显著低于其他坡位(p<0.05)；坡肩的标准差和变异系数均为最高。从灌草部位看，土壤含水量平均值表现为带间、带前和带内无显著差异(p>0.05)，但均显著高于带后(p<0.05)，带后的标准差和变异系数均最高，带前则最低。不同种植年限、坡位和空间位置的变异系数均为中等变异(10%≤CV≤100%)。

2.2 不同种植年限柠条坡地土壤水分分布

不同年限人工柠条地坡面土壤水分分布特征如图2所示。整体而言，各样地土壤含水量均随土层深度的增加而降低，且0—40 cm土层变化较为明显，40—100 cm土层含水量基本趋于稳定。土壤含水量随种植年限的增加逐渐降低，且荒草地和柠条15 a的0—40 cm土层含水量显著高于柠条25 a和柠条35 a。各土层含水量均为坡顶最高，坡下、坡中次之，坡肩、坡上最低。且带内各土层含水量普遍最高，带后普遍最低。

表2 土壤含水量基本统计特征

种植年限、坡位对土壤含水量有显著影响(图3)。土壤含水量在各坡位均表现出随种植年限的增长而降低的趋势；荒草地和柠条种植15 a样地在坡顶、坡中和坡下无显著差异(p>0.05)，但在坡肩和坡上有显著差异(p<0.05)，且在各坡位均显著高于柠条种植25 a和35 a样地；柠条种植25 a和35 a样地与荒草地和柠条种植15 a样地呈相反规律。同一样地不同坡位土壤含水量表现为荒草地为坡下最高，坡顶、坡肩次之，坡中最低。其他样地均为坡顶最高，坡中、坡下次之，坡肩、坡上最低。

注：横轴编号1表示带间，2表示带前，3表示带内，4表示带后。

注：不同大写字母表示同一样地不同坡位差异显著(p<0.05)，不同小写字母表示同一坡位不同样地差异显著(p<0.05)，相同字母表示无显著差异。

不同种植年限柠条条带结构对土壤水分影响如图4所示。种植15 a样地带内水分最高，带后最低；种植25 a样地各位置无显著差异；种植35 a样地带后显著低于其他位置。各位置含水量均随种植年限增加而减少，各样地带间、带前和带内差异不显著，但均显著高于带后(p<0.05)。

注：不同大写字母表示同一样地不同灌草部位间差异显著(p<0.05)，不同小写字母表示同一灌草部位不同样地间差异显著(p<0.05)。

灌草部位对土壤含水量空间分布的影响见图5。从柠条条带各灌草部位的坡位差异看，各年限样地的灌草部位均表现为坡顶最高，坡肩、坡上最低，其中种植15 a样地(图5A)和种植25 a样地(图5B)各部位的坡位差异显著(p<0.05)，35 a样地(图5C)仅在带内和带后位置坡位差异显著(p<0.05)。从柠条条带各坡位的灌草部位差异看，各年限样地均表现为坡顶、坡肩各部位差异不显著，坡上、坡中、坡下均表现为带后显著低于其他部位(p<0.05)。

注：不同大写字母表示同一灌草部位不同坡位差异显著(p<0.05)，不同小写字母表示同一坡位不同灌草部位差异显著(p<0.05)，相同字母代表无显著差异。

2.3 土壤含水量影响因子

以RDA排序图表示各环境因子对土壤含水量的影响程度(图6)。通过对柠条种植年限、海拔、坡度、坡位、灌草部位5个环境因子和土壤含水量进行冗余分析，柠条种植年限对土壤含水量影响程度最大，海拔和坡度的影响程度次之，坡位和灌草部位的影响程度最小。此外，海拔与土壤含水量呈正相关，且相关性随土层增加而减小。年限、灌草部位与土壤含水量呈负相关，相关性随土层增加而减小。坡度与土壤含水量呈负相关，坡位对0—30 cm土层土壤含水量有负向相关性，30—100 cm 土层土壤含水量有正向相关性，但影响较小。变异分割分析(Variation Partitioning Analyses,VPA)检测结果显示，年限、海拔、坡度对土壤含水量的解释量分别为4.8%，3.6%，2.3%，坡位为0.3%，而灌草部位对其的解释量不足0.1%，各环境因子的交互作用对土壤含水量变异的综合效应的解释量为65.2%。

3 讨论

本研究结果表明，随着柠条种植年限的增加(尤其在15 a后)，土壤含水量及其变异性均逐渐减少，说明柠条种植15 a后对0—100 cm土层含水量整体消耗增加。这与已有的研究结果相似，李小芳等[7]通过对黄土丘陵区柠条土壤水分研究发现柠条生长10 a后，随其根系的下伸，土壤水分亏缺加剧，水分生产力下降。自然生长的草本植物根系分布较浅且水分利用程度小，与自然恢复的撂荒草地相比，人工植被根系较草本植物分布深，随种植年限增长，根系越为发达，耗水能力增强导致土壤水分逐渐减少。植被恢复过程中高耗水人工植被的引入会改变土壤水分空间结构，降低其空间异质性[21-22]。邵明安等[23]对黄土高原人工柠条林的根系分布研究也表明，大部分根系主要分布在地表0—150 cm 土层范围内，毛根主要分布在0—20 cm 土层范围内。毕建琦等[24]指出0—60 cm土层集中了60%的根系生物量，与本研究结果相似。

注：实心箭头代表土层，空心箭头代表影响因子；EL(Elevation)表示海拔，SG(Slope gradient)表示坡度，SA(Stand age)表示柠条种植年限，SP(Slope position)表示坡位，P(Position)表示灌草部位。

坡面不同坡位的土壤含水量差异也是土壤水分空间异质性的重要部分。本研究发现，土壤含水量表现为坡顶最高，坡中和坡下次之，坡上显著低于其他坡位，这一结果与前人研究结果并不完全一致。苏子龙[25]和葛翠萍[26]等的研究表明，黑土区坡面土壤含水量沿坡长增加方向呈先降低后升高的趋势，且坡中含水量最低，坡脚含水量最高。而在其他地区，单一土地利用结构坡面土壤水分随坡长增加而增加[27-29]。本研究坡顶水分含量最高，可能由于坡顶地势较为平缓，降水入渗量较大。但坡肩、坡上、坡中含水量均低于坡下是相似的，主要由于重力作用使水分向低处坡下汇集，加之高坡位所受太阳辐射较强导致水分蒸发量大于低坡位[30]。

在本研究中，无论在各样地还是不同坡位，灌草部位对土壤水分分布产生了显著影响，带后位置的土壤水分含量均为最低。党汉瑾等[16]研究表明，降雨后柠条植物篱100 cm土层内水分含量整体为带内>带前>带间>带后，水分向带内汇聚的趋势明显。吕文强等[17]研究表明，柠条植物篱系统只有带间土壤水分不亏缺，带后、带前、带内均为亏缺。本研究也显示，柠条条带各空间位置显著差异主要出现在坡上、坡中、坡下，各空间位置含水量均为0—40 cm土层变化范围较大且带间较其他位置偏高，40—100 cm基本趋于稳定且带内较其他位置偏高。各样地、各坡位、各土层带后位置水分均亏缺，且柠条种植35 a样地0—40 cm土层亏缺严重，坡肩、坡下亏缺严重。有研究认为，随土层增加，地形因子对土壤水分作用减小[31]，因此40—100 cm水分含量基本趋于稳定。土壤浅层含水量主要为降水补给，由于样品采集坡面柠条种植为反坡台地形，可蓄积水分，且柠条根系分布较深，自身对降水及地表径流有一定拦蓄作用，故40—100 cm带内较其他位置偏高。可能由于柠条根系沿坡面向下伸长，根系耗水能力较强，且由于柠条拦蓄作用，水分未能及时补给，使带后土壤水分含量降低。

环境因子对坡面土壤水分的影响较复杂，各因素间通常具有一定的关系[32]。已有研究表明，土壤水分的空间异质性是坡地尺度(海拔[33]和坡位[34])、立地尺度(坡度[35])、土地利用[32]等环境因子共同作用的结果[36]。本研究通过对柠条种植年限、海拔、坡度、坡位、灌草部位5个环境因子和土壤含水量进行冗余分析，发现种植年限、海拔、坡度对土壤含水量的影响程度较大，这与已有研究相似[34]，而灌草部位对其的影响程度最小，究其原因，可能在于其与其他环境因子相比尺度过小，掩盖了其差异性。此外，相邻柠条带间距也可能影响土壤含水量。许德生[37]在对内蒙古阴山北麓5，10，16 m带间距柠条林土壤水分的研究中表明，柠条带间距对土壤含水量垂直(土层)方向和水平(距柠条带)方向均有显著影响，其变化与柠条的根系质量分布有关，认为10 m带间距更有利于柠条的生长。由于本研究样地相邻柠条带间距较为统一(2～3 m)，对土壤含水量的影响可能主要与柠条根系分布和耗水有关。但关于不同柠条带间距是否对灌草部位土壤水分分布产生影响，以及坡面柠条种植相关的适宜带间距等问题在未来工作中可以进一步研究。

本研究测定的土层深度为0—100 cm，该深度土壤水分变化既有柠条吸收利用水分导致含水量降低的负效应，也有柠条带拦蓄水分促进径流入渗的正效应，该深度还不足以说明柠条种植导致土壤出现干层的具体特征，在柠条植物篱系统下深层土壤水分特征有待进一步研究。此外，以往研究还发现人工植被对土壤水分的过度消耗导致土壤水分亏缺，是引起林地退化的原因之一[38]。因此，在半干旱黄土区进行植被恢复时应充分结合立地条件考虑条带性人工植被的选择问题，依据土壤水分的植被承载力考虑其长期适宜区域降水量的问题，提高土壤水分入渗率，有效减少坡面土壤侵蚀，以更好地维持植被恢复的可持续性。