晉西黃土區不同土地利用類型對土壤水分的影響

　　摘要：為明確不同土地利用類型對土壤水分的影響，采用土鉆法在2019年和2020年4—10月定期對晉西黃土區人工油松林地、荒草地、農地0—10m土層的含水量進行了觀測研究。結果表明：(1)人工油松林地0—10m土層的蓄水量為1281.13mm，荒草地為1712.85mm，農地為1804.77mm。油松林地較荒草地和農地多消耗431.72，523.64mm的水分，且多消耗的土壤水分主要來源于深層土壤。(2)3個土地利用類型0—10m土層含水量的垂直變化可以劃分為土壤水分劇烈變化層、弱變化層和穩定變化層，各層的含水量隨時間的變化也不盡相同。(3)油松林根系的直接吸水深度為5.4m，影響深度可達10m土層以下，農作物的吸水深度為4.2m，影響深度可達8m土層以下。對研究區內地勢平坦、交通便利的地方可種植農作物，促進當地農業經濟建設;而針對油松林地土壤含水量低的現象，可采取適當水分管理措施降低林地耗水。

　　關鍵詞：水土保持林;土壤水分;耗水量;黃土高原

　　黃土高原作為我國生態脆弱和水土流失嚴重的地區，為了治理水土流失，國家展開了大規模的退耕還林工程[1-2]。但由于黃土高原降水量少且分布不均[3-4]，大規模植被恢復消耗大量的土壤水分[5-6]，使林地經常處于土壤水分虧缺狀態[7-8]，進而影響到林地的水文過程[9-10]，造成土壤干層范圍不斷擴大[11-12]�？梢�，如何協調植被與土壤水分的關系已成為黃土高原地區及干旱半干旱地區植被恢復與重建的關鍵問題。

　　目前，對土壤水分的研究多集中在不同地類與土壤水分的關系方面。黃艷麗等[13]研究了人工刺槐林地和天然林對水分含量的影響后指出，刺槐林地和天然林地0—1.2m土層土壤水分差異較大，天然林地的含水量顯著高于刺槐林地;趙榮瑋等[14]研究了不同地類的耗水量后指出，人工刺槐林地0—2m土層的耗水量最大，人工側柏林地次之，刺槐側柏混交林地最小;胡波等[15]研究了果園與人工林地之間含水量的差異指出，蘋果園的土壤水分優于油松林地和刺槐林地。

　　這些研究多集中于不同林地含水量之間的對比，且研究的土層范圍多集中于淺層，而對農地、荒草地、人工林地深層土壤水分狀況的對比研究并不多見。深層土壤水分作為植被生長利用的儲備水資源，在植被應對長期干旱等極端氣候事件中起著至關重要的作用[16-18]。林木對深層土壤水分的利用和影響程度，是科學評價黃土高原地區大面積退耕還林生態效益的關鍵。長期定位監測深層土壤水分動態變化，對黃土高原土壤水庫的評估及植被建設的可持續發展尤為重要[19]。

　　為此，本文以晉西黃土區人工油松林地、農地、荒草地為研究對象，在2019年和2020年的4—10月采用土鉆法對山西吉縣蔡家川流域3個土地利用類型0—10m土層的土壤含水量進行測定，比較人工油松林地、農地、荒草地對0—10m土層水分的消耗和利用狀況，探討土壤水分動態和垂直變化，以期為黃土高原水土保持植被恢復的土壤水文效應評價提供參考和依據。

　　1材料與方法

　　1.1研究區概況

　　研究區位于山西省吉縣蔡家川流域(110°39′45″—110°47′45″E，36°14′27″—36°18′23″N)，海拔900～1513m，多年平均降水量575.9mm，研究期間的降水量。多年平均蒸發量1723.9mm。平均氣溫10℃，無霜期172天。該地區屬于典型的黃土梁狀丘陵溝壑區，褐土，黃土母質。主要土地利用類型有林地、農地、荒草地、果園等，植被類 型有次生林、人工油松林和刺槐林等。

　　1.2研究方法

　　1.2.1土壤水分數據采集

　　在研究區內選擇有代表性的人工油松林地、荒草地、農地為觀測樣地，各樣地均位于坡中部。在2019—2020年生長季(4—10月)期間，每月下旬在各樣地利用土鉆法測定含水量，取樣深度為0—10m土層，0—100cm土層內每隔10cm取樣，100—1000cm土層內每隔20cm取樣，每層采集3個土樣分別裝入鋁盒，帶回實驗室稱重后放入烘箱，在105℃條件下烘24h至恒重，計算土壤質量含水量。

　　同時用MS2000激光粒度儀測定土壤粒徑組成，土壤粒徑分級根據美國制分類標準，即砂粒(粒徑0.05～2mm)、粉粒(粒徑0.002～0.05mm)和黏粒(粒徑0～0.002mm)。路遠等[20]對黃土高原溝壑區0—6m土層容重進行測定發現，2m以下土層的容重基本保持不變，因此本研究使用100cm3的環刀測定0—200cm土層的容重。黃土高原地區2m以下土層的毛管孔隙度變化不大[21]，因此本研究使用100cm3的環刀測定0—200cm土層的毛管孔隙度。

　　2結果與分析

　　2.1不同土地利用類型土壤質地

　　油松林地、農地、荒草地的剖面土壤平均黏粒含量變化范圍分別為2.41%～4.71%，3.22%～5.71%，2.36%～5.91%，平均粉粒含量變化范圍為26.25%～54.84%，28.76%～45.55%，23.17%～50.26%，平均砂粒含量變化范圍為40.44%～70.5%，49.62%～67.74%，45.19%～74.47%。油松林地、農地、荒草地0—2m土層的容重變化范圍分別為1.11%～2.20%，1.15%～1.55%，1.22%～1.31%，毛管孔隙度變化范圍分別為50.50%～54.97%，41.56%～51.94%，49.58%～52.22%。

　　2.2不同土地利用類型0-10m土層蓄水量

　　農地的蓄水量最高，達1804.77mm，而油松林地的蓄水量最低，只有1281.13mm，荒草地的蓄水量介于農地和油松林地之間，為1712.85mm，可見，油松林地耗水量最高。經方差分析得出，荒草地、農地、油松林地蓄水量差異顯著(P<0.05)。通過對比油松林地、荒草地、農地的蓄水量可以發現，油松林地較農地多消耗523.64mm的土壤水分，較荒草地多消耗431.72mm。

　　2.3不同土地利用類型土壤水分的垂直分布

　　荒草地0—0.8m土層的含水量最低，僅為9.71%，分別比油松林地和農地低2.57個百分點和2.81個百分點。而在0.8—4m土層，荒草地的含水量最高，為12.02%，分別比油松林地和農地高2.37個百分點和1.80個百分點，4—10m土層中，含水量隨深度呈雙峰型變化，2個峰值分別出現在6.8—7，9.8—10m處，含水量分別為13.40%和14.46%。油松林地的含水量隨土層深度的增加不斷減小，油松林地0—2.6m土層的含水量為11.07%，與農地的含水量(11.06%)十分相近。

　　在2.6—10m土層中，油松林地含水量最低，僅為8.82%，分別比農地和荒草地低2.88個百分點和3.37個百分點。農地的含水量隨土層深度的變化呈現出先減少后趨于穩定再增加的趨勢，在0—1.4m土層中，農地含水量不斷減小，由13.55%減小到10%，在1.4—8m土層中，土壤含水量隨土層深度的變化較小，平均土壤含水量為10.66%，而在8—10m土層，農地土壤含水量急劇增大，含水量極差為3.19%。

　　3討論

　　隨著“退耕還林”工程的實施，黃土高原的水土流失得到顯著緩解，但深根系植被的高密度栽植影響土壤水分狀況。在本研究中，油松林地的土壤蓄水量顯著小于農地和荒草地(P<0.05)，這與前人[29-30]的研究結果一致，表明人工植被消耗大量的土壤水，加劇土壤干燥化，甚至導致干層的形成[31-32]。不同土地利用類型的含水量除受植被耗水影響之外，也與剖面土壤顆粒組成有關，土壤顆粒組成調控土壤對水分的保持能力[33]。

　　經皮爾遜相關分析發現，3個土地利用類型的含水量與黏粒含量、粉粒含量呈顯著正相關(P<0.05)，與砂粒含量呈顯著負相關(P<0.05)，3種土地利用類型的土壤含水量受土壤顆粒含量的影響較大，這已在前人[34]的研究得到驗證�；牟莸亍⒂退闪值睾娃r地的土壤含水量和變異系數隨土層深度的變化各異。荒草地的含水量隨土層深度的增加不斷增大，變異性逐漸減小，這表明荒草地主要消耗和利用淺層土壤水分。植物對土壤水分的利用深度與根系分布密切相關，荒草地的根系主要分布在表層土壤中[35]，因此荒草地對土壤水分的消耗主要集中在淺層土壤。

　　油松林地含水量隨土層深度的增加不斷減小，含水量的變異系數在0—5.4m土層范圍內逐漸遞減，但5.4—10m土層的變異系數卻顯著高于1.6—5.4m土層，這充分說明5.4—10m以下土層是油松林地土壤水分的調節層，當5.4m以上土層中的水分被油松林吸收后，該層水分因向上補給而使含水量降低，其后更深層次的水分對該層水分再進行補給，從而導致該層土壤水分含量的變化更為劇烈，保證1.6—5.4m土層含水量維持在一個穩定區間，以維持油松林的正常生長。這也許可以認為油松林根系的直接吸水深度為5.4m，影響深度可達10m土層以下。

　　農地含水量和變異系數在0—4.2m土層內隨土層深度的增加而減小，在4.2—10m土層內含水量隨土層深度的增加而增加，這說明農地主要利用0—4.2m土層的水分。農地8—10m土層的含水量為13.93%，雖與荒草地的8.8—10m土層的含水量13.68%很接近，但變異系數卻高達19.43%。

　　因此，可以認為農作物的吸水深度為4.2m，影響深度可達8m土層以下。油松林和農作物的耗水深度遠大于根系分布范圍，可能是土壤水分在勢能和植物根系共同作用下的結果[36]，當淺層土壤由于降雨被濕潤，含水量較大，水分可以通過自身重力和根系向下層運輸[37]，若表層土壤相對干旱缺水，影響植被正常生長時，土壤水分在根系和上層的較干土層水勢梯度的共同作用下，自深層向淺層運動[38-39]，較深土層較干土層的水勢梯度又促使更深層水分的運動，這種情況下水分的運動較復雜，使得植被的耗水深度遠大于根系的分布范圍。

　　在干旱半干旱的黃土丘陵溝壑區，降雨是影響土壤水分動態變化的主要因素[40-41]。結合圖7土壤含水量隨時間的動態變化可以發現，3個土地利用類型土壤水分劇烈變化層的含水量隨時間的變化較弱變化層和穩定變化層更加劇烈，特別是在經歷較大的月降雨后，3個土地利用類型劇烈變化層的含水量出現不同程度的升高。但在2020年8月，經歷較大降雨后，荒草地劇烈變化層的含水量并沒有明顯的升高。

　　這可能是因為不同土地利用類型的水土保持效果不同，油松林冠幅大，枯枝落葉層厚，根系發達，蓄水保土效果較好，玉米根系的生長能使土壤緊實，增加土壤抗蝕性，而荒草地地上部分對降雨的攔截較少，根系較淺，在經歷較大的降雨時會產生水土流失[42]，這使得荒草地蓄水能力弱，土壤含水量低。有研究[43-45]表明，土地利用類型影響降雨在土壤中的再分配過程，即土地利用類型是影響土壤水分分布格局的重要因子，這也在諸多研究中得到證實。

　　4結論

　　(1)3個土地利用類型中，荒草地0—10m土層的蓄水量最高，農地次之，油松林地最低，油松林地相較于荒草地和農地多消耗的水分主要來源于深層土壤。(2)油松林根系的直接吸水深度為5.4m，影響深度可達10m土層以下，農作物的吸水深度為4.2m，影響深度可達8m土層以下。(3)3個土地利用類型0—10m土層含水量的垂直變化可以劃分為土壤水分劇烈變化層、弱變化層和穩定變化層，各層土壤含水量隨時間的變化也不盡相同。(4)在未來進行植被恢復和生態建設過程中，應考慮當地土壤水分條件，選擇合理的人工植被配置模式，以達到最大的林分效益。

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　　作者：施政樂1，張建軍1，2，3，4，申明爽1，劉暢1，胡亞偉1，徐勤濤1，李陽1

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