馮向星， 王 玲， 石 偉， ?？〗?/p>

(1.太原師范學(xué)院 汾河流域科學(xué)發(fā)展研究中心， 山西 晉中 030619； 2.云南大學(xué) 資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院， 云南 昆明 650500)

晉西北不同植被類(lèi)型土壤水分空間分異

馮向星1， 王 玲1， 石 偉2， ?？〗?

(1.太原師范學(xué)院 汾河流域科學(xué)發(fā)展研究中心， 山西 晉中 030619； 2.云南大學(xué) 資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院， 云南 昆明 650500)

采用土鉆法對(duì)晉西北朔州地區(qū)楊樹(shù)林、柳樹(shù)林、草地3種植被類(lèi)型0～600 cm土層土壤水分動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：土壤平均含水量表現(xiàn)為草地>楊樹(shù)林地>柳樹(shù)林地。草地土壤平均含水量比楊樹(shù)林地高1.25%，比柳樹(shù)林地高1.9%。隨著土壤深度的增加，土壤含水量先減小后上下波動(dòng)，然后趨于穩(wěn)定。0～100 cm土層范圍內(nèi)，土壤水分變異系數(shù)大小為草地>柳樹(shù)林地>楊樹(shù)林地；在200～300 cm、400～500 cm土層范圍內(nèi)，變異系數(shù)表現(xiàn)為柳樹(shù)林地>草地>楊樹(shù)林地；300～400 cm、500～600 cm土層范圍內(nèi)，變異系數(shù)大小為柳樹(shù)林地>楊樹(shù)林地>草地。越靠近表層，土壤干化現(xiàn)象越嚴(yán)重，柳樹(shù)林地干化現(xiàn)象最明顯，含水量變化最劇烈，楊樹(shù)林地次之，草地最穩(wěn)定。

土壤含水量； 土壤干層； 土壤深度； 植被類(lèi)型

黃土高原地處干旱、半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，其植被恢復(fù)十分重要[1]。該地區(qū)水分缺乏，土壤水分在植物正常生長(zhǎng)和其系統(tǒng)生態(tài)循環(huán)中起主導(dǎo)性作用[2]。在植被生長(zhǎng)期內(nèi)，土壤水分的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化受植物根系的深度、降水、土壤結(jié)構(gòu)等因素的影響，表現(xiàn)形式是土壤含水量的空間分布特征[3]。不同類(lèi)型植被的耗水情況與涵養(yǎng)水分能力不同[4]。相關(guān)研究集中在土壤水分利用效率、蒸騰運(yùn)移、水循壞、空間變異等[5-6]。學(xué)者對(duì)黃土高原土壤水分性質(zhì)、水分環(huán)境、土壤水量平衡、土壤水分異質(zhì)性進(jìn)行了詳細(xì)的研究[7-9]。土壤水分的影響因素有光照、土壤有機(jī)質(zhì)、坡度、坡向、地形、植被、土地利用、氣象、人為活動(dòng)等[10-11]。黃土高原土壤持水性和抗旱力強(qiáng)弱為沙壤土<輕壤土<中壤土<重壤土[8]。干層是在植物蒸騰、土壤蒸發(fā)耗水作用下，土壤水分出現(xiàn)負(fù)平衡，在一定土層深度形成的低濕層[9]。植物根系在垂直和水平方向上吸收和利用土壤水分。多年生植物，由于根在土壤中分布不均勻以及植物強(qiáng)烈蒸騰與吸水，容易過(guò)量消耗某一層次土壤水分。一段時(shí)間內(nèi)，植物根系所在范圍內(nèi)供應(yīng)的土壤水分不能滿足植物吸收和土壤蒸發(fā)需要，會(huì)出現(xiàn)土壤水分供給小于消耗的情況，蓄水達(dá)不到收支平衡，土壤水分含量越來(lái)越少，植物生長(zhǎng)沒(méi)有充足水分供給，水分缺失達(dá)到一定程度會(huì)形成土壤干層[12]。我國(guó)1999年開(kāi)始在黃土高原地區(qū)開(kāi)展水土保持和植樹(shù)造林工程，配置的部分植被不同程度的出現(xiàn)土壤干層現(xiàn)象[13]。

生產(chǎn)實(shí)際中，選擇正確的植被類(lèi)型，對(duì)水資源合理利用和生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要作用[14]。晉西北位于農(nóng)牧交錯(cuò)帶，是生態(tài)脆弱區(qū)。朔州作為典型區(qū)域，是生態(tài)恢復(fù)的綠色屏障，但對(duì)于該地區(qū)的土壤水分研究很少。本文對(duì)朔州的楊樹(shù)林、柳樹(shù)林0～600 cm土壤剖面的含水量進(jìn)行研究，以為該區(qū)植被建設(shè)和生態(tài)恢復(fù)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

朔州地處山西省西北部，位于111°53′—113°34′E、39°05′—40°17′N(xiāo)。其氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，各個(gè)季節(jié)特色分明。春天風(fēng)大，降水少，易出現(xiàn)干旱天氣；夏季降水豐富，間隔會(huì)出現(xiàn)暴雨、冰雹、大雨等；秋季雨水少，晝夜溫差大；冬季氣候寒冷，風(fēng)多雪少。年平均氣溫5.5 ℃，1月平均氣溫-12.2 ℃，7月平均氣溫20.85 ℃。年日照時(shí)數(shù)2 850 h，年日照率64%。年平均降雨量421.2 mm，最小年降雨量193 mm，最大年降雨量806.7 mm。

2 研究方法

2.1樣地設(shè)置

2013年6月，在朔州地區(qū)平魯?shù)V區(qū)馬蹄溝村國(guó)營(yíng)林場(chǎng)的楊樹(shù)林、草地(對(duì)照)與朔州郊區(qū)的柳樹(shù)林中分別設(shè)置10 m×10 m的樣地，每種樣地中按照“S”形各選取 3 個(gè)采樣點(diǎn)(下文中土壤含水量是3個(gè)采樣點(diǎn)的平均值)。各樣地概況見(jiàn)表1。

表1 樣地概況Tab1 Soilsamplingcondition采樣地點(diǎn)植被類(lèi)型平均高度(m)平均胸徑(cm)地理位置海拔(m)平魯?shù)V區(qū)馬蹄溝村楊樹(shù)2018 國(guó)營(yíng)林場(chǎng)草地0239°26′N(xiāo)，112°20′E1328朔州郊區(qū)柳樹(shù)1517539°22′N(xiāo)，112°27′E1113

2.2土樣采集與處理

采用土鉆法進(jìn)行土樣采集。采樣深度為600 cm，每個(gè)采樣點(diǎn)隔 10 cm 土層取1個(gè)土樣，將土樣裝入鋁盒。野外取樣結(jié)束后，在室內(nèi)用天秤稱(chēng)裝有土樣的鋁盒質(zhì)量，即W1。在105 ℃環(huán)境下將其烘至恒質(zhì)量，此時(shí)質(zhì)量為W2。

2.3數(shù)據(jù)處理

式中：W——鋁盒質(zhì)量(g)；

W1——鋁盒質(zhì)量+濕土質(zhì)量(g)；

W2——鋁盒質(zhì)量+干土質(zhì)量(g)。

用標(biāo)準(zhǔn)差SD和變異系數(shù)CV2個(gè)指標(biāo)表示不同植被類(lèi)型土壤水分垂直變化程度，計(jì)算公式分別為：

式中：xi——樣本的第i個(gè)觀測(cè)值；

n——樣本總個(gè)數(shù)；

x——樣本平均值。

CV越小，表示土壤含水量越穩(wěn)定；反之，表示含水量的變化越劇烈。

干層的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：輕度干層(9%～12%)，中度干層(6%～9%)，嚴(yán)重干層(<6%)[15-16]。

3 結(jié)果與分析

3.1不同植被類(lèi)型土壤含水量

不同植被類(lèi)型土壤平均含水量如圖1所示。由圖1看出，不同植被類(lèi)型土壤平均含水量不同，表現(xiàn)為草地>楊樹(shù)林地>柳樹(shù)林地。草地土壤平均含水量最高(10.36%)，柳樹(shù)林地的最低(8.46%)。

圖1 不同植被類(lèi)型土壤平均含水量Fig.1 The soil water content on average of different vegetation types

3.2不同土層深度土壤含水量的差異

由圖2可知：不同植被類(lèi)型土壤，其不同深度土層中土壤含水量差異明顯。草地土壤含水量變化范圍為6.07%～12.85%，最小值和最大值分別出現(xiàn)在10 cm和430 cm處。楊樹(shù)林地土壤含水量變化范圍為5.4%～12.52%，最小值和最大值分別出現(xiàn)在10 cm和590 cm處。柳樹(shù)林地土壤含水量變化范圍為4.1%～21.69%，最小值和最大值分別出現(xiàn)在550 cm和390 cm處。0～300 cm和400～500 cm土層范圍內(nèi)，草地土壤含水量均最高；300～400 cm土層范圍內(nèi)，土壤水分含量最高值出現(xiàn)在柳樹(shù)林地(11.8%)；500～600 cm土層范圍內(nèi)，楊樹(shù)林地土壤含水量最高(11.81%)。

隨著土壤深度的增加，不同植被類(lèi)型土壤的含水量變化規(guī)律不同。楊樹(shù)林地表層土壤易受外界影響，水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，10 cm深度土層含水量達(dá)到最小值(5.4%)；100～500 cm土層內(nèi)，受雨水下滲、根系分布、地下水利用等影響，含水量波動(dòng)較大；500～600 cm土層內(nèi)土壤水分很少被植被生長(zhǎng)所利用，逐漸趨于穩(wěn)定。柳樹(shù)林地0～100 cm土層內(nèi)，水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤平均含水量為4.97%；100～500 cm土層內(nèi)為根系活動(dòng)旺盛區(qū)，土壤含水量變化強(qiáng)烈；390 cm深度土層土壤水分植被利用量減少，且有地下水補(bǔ)給，土壤含水量達(dá)到最大值(21.69%)；在500～600 cm土層中，土壤含水量先降低再增加；至600 cm深度土層，土壤含水量達(dá)到11.78%。草地0～100 cm土層內(nèi)，隨著土壤深度的增加，土壤水分含量逐步增加；100～500 cm土層內(nèi)，土壤含水量波動(dòng)明顯；500～600 cm土層內(nèi)，土壤含水量逐漸趨于穩(wěn)定。3種植被類(lèi)型的土壤中，楊樹(shù)林地土壤含水量波動(dòng)幅度小，柳樹(shù)林地的變化幅度較大。

圖2 不同植被類(lèi)型土壤水分的變化Fig.2 The change of soil moisture of different vegetation type

綜上所述，楊樹(shù)林地、柳樹(shù)林地、草地在0～600 cm土層可分為以下3個(gè)層次。0～100 cm土層土壤含水量主要受通風(fēng)狀況、降水、溫度、徑流、蒸發(fā)和植被密度等外界因素影響，其中楊樹(shù)林地、柳樹(shù)林地的土壤含水量分別在5.4%～8.81%和4.2%～5.6%間變化。該土層土壤水分主要消耗于地面蒸發(fā)，對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育作用不大。100～500 cm土層為土壤水分被植被利用的主要層次，植被根系主要分布于該層，其土壤水分含量垂直變化明顯。該層土壤含水量的變化主要受林木根系耗水和降水的影響。該土層的水分主要來(lái)自貯存下滲的雨水，當(dāng)因植被吸水使其土壤含水量下降時(shí)，深層土壤水分通過(guò)水勢(shì)梯度朝上轉(zhuǎn)移，確保植被生長(zhǎng)需要。500 cm深度以下土層，其土壤含水量受外界變化影響很小，根系數(shù)量相對(duì)較少，被根系吸水消耗的水分少。該層土壤水分變化幅度小，含量較穩(wěn)定。

3.3不同植被類(lèi)型土壤含水量的變異系數(shù)

表2為土壤垂直剖面水分含量。由表2可知：在0～100 cm土層，3種植被類(lèi)型土壤含水量變異系數(shù)大小為：草地>柳樹(shù)林地>楊樹(shù)林地，即草地的變異系數(shù)最大(0.23)，楊樹(shù)林地的最小(0.07)。在200～300 cm和400～500 cm土層中，土壤含水量變異系數(shù)大小表現(xiàn)為柳樹(shù)林地>草地>楊樹(shù)林地。在300～400 cm和500～600 cm土層中，土壤含水量變異系數(shù)依次為柳樹(shù)林地>楊樹(shù)林地>草地?？傮w而言，柳樹(shù)林地土壤含水量變化幅度較大，且在300～500 cm土層范圍內(nèi)，變異系數(shù)較大，說(shuō)明該層次根系生長(zhǎng)活動(dòng)劇烈；與柳樹(shù)林地相比，楊樹(shù)林地土壤含水量變化較穩(wěn)定，變異系數(shù)在0.04～0.23之間波動(dòng)。

從不同植被類(lèi)型土壤含水量的變異系數(shù)來(lái)看，變異系數(shù)隨土層加深先增加后減小。楊樹(shù)林地0～200 cm土層范圍內(nèi)變異系數(shù)增加，200 cm以下開(kāi)始減少，500～600 cm處有升高趨勢(shì)。柳樹(shù)林地0～400 cm土層范圍內(nèi)，隨著土層深度的增加，變異系數(shù)逐漸增大。300～400 cm土層范圍內(nèi)，變異系數(shù)達(dá)到最大值(0.45)，400～600 cm土層范圍內(nèi)開(kāi)始減少。草地表層變異系數(shù)為0.23，100～600 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加逐漸減少。可見(jiàn)，上層土壤受外界環(huán)境因素影響較大，土壤含水量相應(yīng)發(fā)生較大幅度的變化。隨著土層深度逐漸增加，土壤含水量受環(huán)境的影響逐步減弱。

表2 土壤垂直剖面的水分含量Tab2 Themoisturecontentofsoilverticalsection類(lèi)型土壤深度(cm)最大值(%)最小值(%)平均值(%)標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)楊樹(shù)0～100881540708057007100～200867677808142018200～300103756879099011300～400115883392610301400～50011318851054053004500～600125211091181207023柳樹(shù)0～10056420497043009100～200877560693123018200～3001220588833182022300～4002169455118534045400～500204971411477043500～6001178410772299039草地0～1001236607891207023100～20012157941007143014200～3001023694894103013300～40012588981119104009400～5001285106123068006500～60012141124116703003

3.4不同植被類(lèi)型土壤干化程度

不同植被類(lèi)型土壤干化程度如表3所示。由表3可知：3種植被類(lèi)型土壤剖面的干化程度相似，主要為中度干層。柳樹(shù)林地干層為100～300 cm、500～600 cm土層，楊樹(shù)林地干層為0～300 cm土層，草地干層為0～100 cm、200～300 cm土層。嚴(yán)重干層少，僅柳樹(shù)林地0～100 cm土層嚴(yán)重干化。草地100～200 cm、300～400 cm、500～600 cm土層為輕度干層，400～500 cm土層無(wú)干層現(xiàn)象。柳樹(shù)林地300～500 cm土層為輕度干層。楊樹(shù)林300～600 cm土層為輕度干層，說(shuō)明林內(nèi)植被沒(méi)完全吸收地下土壤水分，楊樹(shù)能較好適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。0～100 cm土層范圍內(nèi)，楊樹(shù)林地與草地為中度干層，柳樹(shù)林地為嚴(yán)重干層，說(shuō)明柳樹(shù)林地相對(duì)楊樹(shù)林地及草地不易蓄水。100～200 cm土層為楊樹(shù)與柳樹(shù)根系活動(dòng)旺盛地帶，其土壤水分被植被利用，土壤干層強(qiáng)度為中度。400～600 cm土層雨水下滲量逐漸減少，土壤水分向上補(bǔ)給；400～500 cm土層范圍內(nèi)柳樹(shù)林地、楊樹(shù)林地比草地干層現(xiàn)象嚴(yán)重。柳樹(shù)林地比楊樹(shù)林地耗水，500～600 cm土層干化程度比楊樹(shù)林強(qiáng)烈?？梢?jiàn)，在同一地區(qū)同樣的地理環(huán)境下，不同植被涵養(yǎng)水源與耗水能力不同，從而土壤干化強(qiáng)度不同。楊樹(shù)林比柳樹(shù)林地干化程度弱。初步判斷，當(dāng)?shù)剡m宜種植楊樹(shù)。

表3 不同植被類(lèi)型土壤干化程度Tab3 Differentvegetationtypessoildrying土壤深度(cm)柳樹(shù)楊樹(shù)草地土壤含水量(%)干化程度土壤含水量(%)干化程度土壤含水量(%)干化程度0～100497嚴(yán)重干層708中度干層891中度干層100～200693中度干層808中度干層1007輕度干層200～300833中度干層79中度干層894中度干層300～400118輕度干層926輕度干層1119輕度干層400～50011輕度干層1054輕度干層123正常500～600772中度干層1181輕度干層1167輕度干層

4 結(jié)論與討論

(1)晉西黃土區(qū)土壤剖面水分變異總體趨勢(shì)為表層土壤水分變異系數(shù)大，底層變異系數(shù)較小[17]。隨著土壤深度的增加，降雨對(duì)土壤含水量的補(bǔ)償效應(yīng)和其他外部因子對(duì)土壤含水量的影響均減弱[18]，變異系數(shù)逐漸減少[19]。朔州地區(qū)楊樹(shù)林、柳樹(shù)林、草地土壤水分變異系數(shù)變化情況與上述學(xué)者研究結(jié)果一致。表層土壤易受外界影響，水分蒸發(fā)強(qiáng)烈。中間土層受雨水下滲、根系分布、地下水利用等影響，含水量波動(dòng)較大。深層土壤水分較少被植被生長(zhǎng)利用，變化幅度小，含量較穩(wěn)定。

(2)黃土高原降水量小、蒸發(fā)強(qiáng)，深層土壤含水量呈低水平循環(huán)狀態(tài)，易形成土壤干層[20]。植被類(lèi)型、密度、生物量、坡度、坡向、坡位不同，土壤干層干燥程度和深度不相同[21]。朔州地區(qū)位于黃土高原，楊樹(shù)林、柳樹(shù)林、草地3種植被土壤均存在干化現(xiàn)象，主要為中度干層。土壤干層一旦形成，極難恢復(fù)，并將嚴(yán)重制約該地區(qū)的生態(tài)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)[22]。選取適宜的植被，對(duì)于當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)重建具有重要意義。

(3)已有學(xué)者研究得出，林地土壤干層的干燥化程度和干層厚度大于草地[23]，草地土層平均含水量大于林地[24]。朔州地區(qū)柳樹(shù)林地平均含水量較楊樹(shù)林地和草地土壤的均低，干化程度較強(qiáng)，隨著土壤深度增加，含水量變化較劇烈。植被水分消耗多，會(huì)導(dǎo)致土壤水量收支不平衡，甚至?xí)鸬叵滤澣保灾疗茐恼５乃h(huán)。考慮到黃土高原存在水量不平衡、水循環(huán)破壞和土壤干化嚴(yán)重等現(xiàn)象，植被恢復(fù)重建應(yīng)選取蒸騰量少、耗水能力弱和耐旱的植被。所以與柳樹(shù)相比，該區(qū)土壤水分條件更適宜發(fā)展楊樹(shù)。

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StudyonsoilmoisturechangesofdifferentvegetationtypesofNorthwesternShanxiProvince

FENG Xiangxing1， WANG Ling1， SHI Wei2， NIU Junjie1

(1.Research Center for Scientific Development in Fenhe River Valley， Taiyuan Normal University， Jinzhong 030619， China； 2.School of Resource Environment and Earth Science， Yunnan University， Kunming 650500， China)

The soil drilling can be used to do some research about 0～600 cm the dynamics of soils moisture，which involves three vegetation types of poplar forest，willow forest and grassland in Shuozhou，northwestern Shanxi Province.The results showed that the average soil moisture content is in order of grassland，poplar forest land and willow forest land.The grassland soil sample average moisture content is higher than the poplar 1.25% and 1.9% higher than the willow sample area.With the gradual increase in soil depth，the trend of soil moisture is first reduce then volatility last towards stability.The analysis results from different depth of soil moisture variation coefficient，as following.When the soil depth is about 0～100 cm，grassland>willow forest>poplar forest.As for the soil depth is 200～300 cm and 400～500 cm，willow fore>grassland>poplar forest.In 300～400 cm、500～600 cm，willow fore>poplar forest>grassland.The more near surface，the more serious the phenomenon of soil dry is.Among the three plants，dry layers underneath willows are the most serious one.Willow water content change is the most violent while grass is the most stable.

Soil moisture； Soil dry layer； Soil depth； Vegetation types

2015-12-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“晉西北生態(tài)重建優(yōu)勢(shì)種林地土壤水分研究”(41171423)。

馮向星(1992-)，女，山西省婁煩縣人，在讀碩士，主要從事區(qū)域環(huán)境方面的研究。

牛俊杰(1968-)，男，山西省嵐縣人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事自然地理與區(qū)域環(huán)境研究；E-mail：junjieniu@foxmail.com。

S 152.7；Q 948.1

A

1003 — 5710(2016)02 — 0092 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 02. 017

(文字編校：唐效蓉)