青海东部黄土区旱地造林土壤水分研究

师发苗,郭 霞,邓 磊

(1.互助土族自治县林业和草原站,青海 海东 810500;2.青海大学农林科学院,青海 西宁 810016)

青海东部黄土区地处干旱半干旱气候区,降水量少且分配不均,生态环境十分脆弱。退耕还林还草工程的实施,使该区域植被得到了有效恢复,大量工程化造林未能充分考虑适地适树问题,随着人工林生长发育,种内竞争、土壤干层、生产力衰退等一系列问题显现[1]。土壤水分是限制植被生长的关键因子,也是影响流域水量平衡和区域水文循环的重要因素[2]。林地土壤水分特性受植被、气候、地形及土壤类型等多重因素影响,是水分循环过程中林分结构与功能的综合体现[3-5]。开展旱地造林土壤水分特性研究,对合理利用土壤水资源、提高林地水土保持功能具有重要意义。

本研究选择青海东部黄土区旱地造林典型林分—祁连圆柏(Juniperusprzewalskii)、柽柳(Tamarixchinensis)和山杏(Prunussibirica)作为研究对象,在生长季对林地土壤水分分布和水分运动特征进行定位观测,研究该区域典型立地人工林分土壤水分特性及耗水特性,验证该区域旱地造林树种是否适应当地水分条件,能否有效发挥人工林水土保持功能、维持水分收支平衡,为该区域的植被建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省互助土族自治县哈拉直沟乡,属于黄土高原西侧黄土区,海拔2 280～2 422 m,年均温度1～6.5 ℃,无霜期113 d,年均降雨量376 mm,降雨季节分布不均,多集中在7、8、9三个月,植物生长季(5-9月)降雨量达310 mm,约占全年降雨量的82%,雨热同季,年均蒸发量为1 470 mm,属于大陆性高原气候,土壤为栗钙土。研究区内零星分布灌木树种有柠条、沙棘,平均盖度为13%,草本植物有披碱草、蒿类等,平均盖度为20%。2021年,区域内在原生灌木中开展高度120 cm祁连圆柏、地径3 cm山杏、两年生柽柳插条带状混交林,混交比例为灌木∶乔木为3∶2,株行距2 m×2 m,整地方式为穴状整地。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选取与调查

2023年根据研究区祁连圆柏、柽柳、山杏林地的分布情况,考虑坡位和坡向因素,同一树种在坡上、中、下选择样地3个,样地面积20 m×20 m,共设置9个样地。各个样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况

1.2.2 土壤储水特性

在样地内沿对角线挖取3个深度为100 cm的土壤剖面,每隔20 cm取样,用100 cm3环刀取样,每层3个重复。将样品带回实验室,把环刀放入水平盛水容器中24 h,水面低于环刀高度,使水分从环刀下部被吸渗进入土壤。使用离心机法测定土壤水分特征曲线[6]。

式中:θ为体积含水量,单位为cm3/cm3;h为负压水头,单位为cm;θr为残余含水量,单位为cm3/cm3;θs为饱和含水率,单位为cm3/cm3;a、n、m为经验拟合参数。

1.2.3 林地耗水特征

林地耗水量是林分蒸腾耗水量、林地蒸发量和林冠截流量之和。由于研究区林木年龄较小,未形成郁闭林分,林冠降雨截留率不足2%,林冠截留水分的蒸发较少,因此本研究只统计了生长季各月各林分的蒸腾耗水量和林地土壤蒸发量,结合彭曼-蒙特斯公式(Penman-Monteith)得出林地耗水量[7]。本研究使用DIK 3130式土壤张力计,采用瞬时剖面法每隔20 cm深度定时观测土壤水势,结合体积含水量,确定相应范围内的水分特征关系曲线与非饱和土壤导水率[8],并结合定位通量法[9],计算出各样地地下部分的耗水总量,其数值与实测林冠截留之和,为林地耗水量。

式中:当Z=0时,即为地表处的水通量,Q(0)小于0为实际蒸散量。本文中Zr取100 cm,Z=20 cm,t为实际观测时间。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel 2021 进行数据整理与分析,Origin 2022绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同林木不同土层土壤储水量研究

由表2可知,不同林木不同土层的土壤储水量变化有所不同。在土层深度为20 cm时,祁连圆柏、山杏、柽柳三种林分类型的土壤平均储水量均最高,分别为45.46 mm、35.23 mm、34.86 mm。在土层深度为100 cm时,祁连圆柏与柽柳的土壤平均储水量均最低,分别为31.61 mm、25.76 mm,而山杏的土壤平均储水量最低的是在土层深度为80 cm时,为29.72 mm。

表2 不同林木生长季0～100 cm土层土壤储水量

2.2 不同林木不同土层土壤持水量研究

祁连圆柏、柽柳和山杏林地土壤水势方程如表3所示。样地内各土层土壤水势均可用指数函数模型φ=ae-bθ表示,不同林地土壤持水量呈现迅速下降,后逐渐变缓的变化规律。祁连圆柏林地的土壤水势高于柽柳林地和山杏林地,这说明在相同土壤水吸力作用下,祁连圆柏林地的持水性优于山杏和柽柳林地。

表3 不同林木生长季土壤水势方程

2.3 不同林木不同土层土壤耗水量研究

由表4可知,生长季期间,0～100 cm祁连圆柏、山杏和柽柳林地耗水量均值分别为14.29 mm、15.82 mm和14.01 mm,祁连圆柏、山杏林地耗水量分别比柽柳高出2.00%、12.92%。祁连圆柏与柽柳林地在土层深度为80 cm土壤耗水量均最高,分别为14.74 mm、14.15 mm。7月祁连圆柏、山杏和柽柳林地耗水量分别为21.29 mm、23.32 mm和20.53 mm,耗水量达到生长季峰值;8月林地蒸散耗水量均迅速减少,耗水量均值分别为17.81 mm、19.75 mm和17.37 mm。

表4 不同林木生长季0～100 cm土层土壤耗水量

3 讨论与结论

植被类型是研究青海东部黄土区旱地人工林土壤水分特征不可忽略的因素。各林地间土壤储水量有所不同,祁连圆柏林地土壤含水量总体高于山杏和柽柳林地,这与莫保儒等[10]对于黄土区灌木林地剖面土壤水分环境研究结果一致。林地0～100 cm剖面土壤水分在5、6 月份由于气温逐渐升高,林地耗水量增多而深层储水不足,导致土壤水分消耗;7、8月份气温升高,雨季来临,林地蒸散作用强烈、天然降雨大量补充,土壤水分得到缓慢恢复。整个生长季期间,祁连圆柏、山杏、柽柳林地0～100 cm深度土壤储水量均值分别在35.32～40.14 mm、27.90～38.20 mm、29.57～35.66 mm范围内。结合不同深度土壤储水量,祁连圆柏、山杏、柽柳土壤储水状况较好,未出现土壤干层、土壤水分过度消耗等现象。

土壤持水特征是判断不同林分土壤涵养水源及调节水分的重要指标[11],其差异主要受土壤质地和孔隙结构等物理特性影响。本研究发现,祁连圆柏林地土壤水势高于山杏林地和柽柳林地,可见造林初期,祁连圆柏林地土壤持水性最优,柽柳林地持水性最差。这可能是因为造林树种选择时树种大小的差异,祁连圆柏、山杏相比柽柳栽植过程中带有更大的土球,短期内生长发育过程中根际土壤的黏粒差异引起土壤粒级的不同,进而影响土壤水分差异[12]。

生长季期间,林地耗水量呈现出先增加,在7、8 月份达到峰值后逐步减少的趋势,期间山杏林地耗水量高于祁连圆柏和柽柳林地,这与常国梁等[13]对退耕还林工程区的林木耗水特性研究结果一致。生长季期间,山杏林地的平均耗水量大于祁连圆柏和柽柳林地,这很可能是由于5、6月份气温较低、降雨较少,土壤蒸发较弱,林分蒸腾在林地总耗水中起主导作用,于是阔叶树种山杏耗水量大于针叶树种祁连圆柏和灌木树种柽柳。7、8月份土壤蒸发强烈,林下土壤蒸发占林地总耗水的比例大,由于林木冠幅的影响,祁连圆柏林地土壤蒸发小于山杏林地,于是祁连圆柏林地耗水量小于山杏林地。

对青海东部黄土区旱地开展以祁连圆柏、山杏、柽柳为建群种的旱地造林可有效维系林地土壤水分收支平衡。在之后区域的植被建设过程中,要注意控制林地耗水量,对林分密度进行合理调整,保证林分正常生长,加强乔灌树种配置营造复层结构,增强群落水土保持功能及可持续发育。