乌兰布和沙漠东北缘人工花棒林的土壤水文效应马迎宾;高君亮;张格;董礼隆;黄雅茹;罗凤敏【摘要】[目的]揭示干旱区人工花棒林雨后土壤水分变化及土壤调蓄功能.[方法]以乌兰布和沙漠东北缘的人工花棒林地为研究对象,采用定位监测法,对林地雨后的土壤水分及降水调蓄能力进行分析.[结果]雨后2 d,林地内外各层土壤含水量没有显著差异(P>0.05);雨后2周,林内林外50 cm和75 cm深处的土壤含水量差异显著(P<0.05);无雨期林地外沙土层土壤含水量在50 cm深处达到最大值(4.18％),显著高于林地内(P<0.05).林内黏土层含水量均显著高于林外(P<0.05).花棒林地0～80 cm土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量较林外分别高7.60％和7.87％.花棒林地内沙土层(0～90 cm)的土壤饱和、吸持和滞留贮水量分别比林外高4.75％、5.36％、0.62％.[结论]花棒林地0～80 cm土壤水分受降水影响显著,与裸沙地对比,花棒林减少了表层土壤水分蒸发,增加了植物根系分布范围内土壤水分的消耗;花棒林地的土壤贮水性能和调蓄水功能均优于林外对照裸地.【期刊名称】《甘肃农业大学学报》【年(卷),期】2018(053)004【总页数】8页(P92-99)【关键词】土壤水分动态;土壤贮水量;人工花棒林;乌兰布和沙漠【作者】马迎宾;高君亮;张格;董礼隆;黄雅茹;罗凤敏【作者单位】国家林业局内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站,中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古磴口 015200;中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京 100091;国家林业局内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站,中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古磴口 015200;中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京 100091;国家林业局内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站,中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古磴口 015200;国家林业局内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站,中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古磴口 015200;国家林业局内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站,中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古磴口 015200;国家林业局内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站,中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古磴口 015200【正文语种】中文【中图分类】S152.7;S714.2植物固沙能够有效遏制沙漠化发展，减轻风沙危害，促进局地生境恢复[1]，是国际上公认的沙区生态重建和防治沙害最有效的方法之一.土壤水分作为荒漠植被发育最主要的制约因素，是影响旱区植被建设的首要因素[2-4].土壤水分不仅影响植物生长，而且还对植被种类、数量和分布有一定影响[5-9]，同时，植物生长也会影响土壤水分[10].几十年来，中国沙区植被建设一方面有效遏制了沙漠化的发展，对局地生态恢复起到了积极的促进作用[11]；但另一方面也出现了局部地区的地下水位下降，固沙植被衰退的现象，影响了沙区生态恢复和防风固沙的可持续性[12].充分认识土壤水分动态特征，是深入了解土壤-植被-大气(SPAC)系统各因子相互关系的基础[13]，可以为退化生态系统的恢复重建提供理论依据.干旱沙区固沙植被的土壤水分动态是沙区生态恢复重建中的基础科学问题[4,14].研究干旱半干旱区土壤水分季节动态及垂直空间动态特征，可揭示土壤水分变化规律，为区域水资源的合理应用提供科学依据[15-16].关于干旱半干旱沙区人工植被土壤水分的研究报道较多，如黄柳[17]、小叶锦鸡儿[18]、梭梭[19-20]、柽柳[21]等人工林，但是对花棒人工林的土壤水分及储水量等方面的研究报道较少.花棒(Hedysarum scoparium)在干旱地区分布较广，是固沙造林普遍采用的树种之一，不仅具有重要的经济价值，而且具有较强的抗旱性，即使在含水率较低的流沙地仍能正常生长[22].贾玉奎等[23]初步研究了乌兰布和沙漠人工花棒林地的土壤水分情况，但对于雨后化棒林地土壤水分及土壤调蓄水分等还未见相关报道.本文研究乌兰布和沙漠东北缘人工花棒林地土壤水分动态，分析降雨后及未降雨时期的土壤水分状况，结合林地土壤水分状况，比较降雨后及长时间无降雨条件下林地土壤水分差异，同时还研究了花棒林地土壤调蓄水分的能力，旨为揭示干旱区人工固沙林雨后土壤水分变化规律及土壤调蓄功能.1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于乌兰布和沙漠东北缘，行政区划隶属内蒙古磴口县，研究样地位于中国林业科学研究院沙漠林业实验中心第一实验场，地理坐标N 40°18.933′，E 106°56.7′，地形起伏不大，土壤为浅黄棕色或微红棕色细沙.海拔1 050 m，属于中温带半干旱大陆性气候，干旱少雨，风大沙多.年降水量138.8 mm，年蒸发量2 000 mm以上，平均气温6.8 ℃，年日照时数3 229.9 h，无霜期130 d左右.天然植被有白刺(Nitraria tangutorum)、黑沙蒿(Artemisia ordosica)、沙鞭(Psammochloa villosa)、沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、雾冰藜(Bassia dasyphylla)等，人工植物种有花棒(Hedysarum scoparium)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、柽柳(Tamarix chinensis)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)等.采样期间研究区降水量和蒸发量见图1.1.2 试验材料及样品采集选择人工花棒林地为实验样地，对花棒及林地内植物进行调查，样地内花棒长势良好，株行距为3 m×4 m，平均冠幅东西2.5 m，南北2.5 m，主要伴生植物有黑沙蒿(Artemisia ordosica)、雾冰藜(Bassia dasyphylla)、蓝刺头(Echinops sphaerocephalus)等草本植物，植被盖度30%左右.土样采集：土钻采集土壤样品测定土壤含水量，采样深度为10、30、50、75、100 cm，每组样品采集5个重复；环刀采集土壤剖面样品测定土壤持水量，采样深度为0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm.2016年在样地内共采样3次，8月17、18日2 d共降雨65.4 mm，采样时间分别为降雨后第2天(8月20日)，记为雨后2 d，降雨后干旱一段时间(9月3日)，记为雨后2周，长时间未降雨(10月12日)，记为无雨期.测定土壤水分样品的采样点分布情况如图2所示，花棒根际为距树干0.5 m 范围内，林冠中部距树干1 m左右，林冠边缘距树干1.5 m左右，林带中间距树干2 m左右，林外采样点距花棒林20 m左右，且植被盖度较小(盖度 <10%)，零星分布有黑沙蒿及沙蓬(Agriophyllum squarrosum)等.图1 研究区2016年7-10月降水量及蒸发量Figure 1 The precipitation and evaporation from July to October 2016 in the study area1：花棒根际；2：林冠中部；3：林冠边缘；4：林带中间.图2 花棒林地内外采样点分布示意图Figure 2 The sampling points distribution diagram inside and outside Hedysarum scoparium plantations1.3 测定方法烘干法测定土壤含水量，环刀法测定土壤容重，环刀浸水法测定孔隙度、持水量等[24].根据测定的水文物理指标计算一定土层深度内的土壤最大吸持贮水量、最大滞留贮水量和饱和贮水量[25-26].本研究按每层0.2 m计算花棒林地内外各层土壤贮水量，由于90 cm以下为黏土层，因此80～90 cm土层按0.1 m计算.土壤相对湿度是指土壤含水量与田间持水量的百分比.根据土壤相对湿度干旱等级划分标准[27]见表1.表1 土壤相对湿度干旱指数的干旱等级划分Table 1 Drought classification according to soil relative humidity等级类型土壤相对湿度RH/%1无旱RH>602轻旱60≥RH>503中旱50≥RH>404重旱40≥RH>305特旱RH≤30 1.4 数据分析采用Excel2007对所有测定的数据进行整理及作图，采用SPSS17.0对数据进行统计分析.2 结果与分析2.1 花棒林地土壤水分变化从图3可以看出，雨后2 d林地内花棒根际、林冠中部、林冠边缘和林带中间四个位置的土壤含水量在75 cm处最低，10 cm次之，30 cm和50 cm土层土壤含水量最高，采样时间为降水后第2天，由于降水入渗导致30 cm和50 cm土层土壤含水量偏高；雨后2周，由于蒸发及植物根系吸收利用，10、30和50 cm土层土壤含水量都有所降低，土壤含水量随土层深度增加而增加，由于降水的补充，75 cm处土壤含水量增大；无雨期花棒林内土壤含水量较低(1.13%～3.38%)，并且随着土层深度增加有增大的趋势.林地内100 cm深处(黏土层)土壤含水量较高(图3)，为18.16%～22.96%.1：花棒根际；2：林冠中部；3：林冠边缘；4：林带中间.图3 花棒林内土壤水分变化Figure 3 Soil moisture dynamic inside Hedysarum scoparium plantations从图3可以看出，随着干旱程度的增加(雨后2 d到雨后2周和无雨期)，花棒林地内各采样位置10、30和50 cm层次上的土壤含水量均呈现减小的规律.林地内各样点75 cm深处的土壤含水量变化规律为：雨后2周(4.83%)>无雨(3.11%)>雨后2 d(2.57%).花棒林地内100 cm(黏土层)土壤含水量的变化规律为：雨后2d(21.74%)>雨后2周(20.98%)>无雨(19.54%)，无雨期黏土层土壤含水量较雨后不同时期分别降低2.20%和1.44%.从表2可以看出，林地内花棒根际、林冠中部、林冠边缘和林带中间4个位置的土壤水分差异不显著(P=0.415)，林地内4个采样位置不同层次的土壤含水量之间差异显著(P<0.05)，并且雨后和无雨期间的土壤含水量差异显著(P<0.05).2.2 花棒林地内外土壤水分差异从图4-A可以看出，雨后2 d，花棒林地内外沙土层土壤含水量的垂直分布规律一致，均在30 cm最高，50 cm次之，75 cm深度土壤含水量最低，花棒林地内50 cm层次土壤含水量较林地外高，其他层次土壤含水量则是林外较高.从表3可以看出，林地内外各层土壤含水量没有显著差异(P>0.05).雨后2周，花棒林地内土壤含水量随土层深度的加深而逐渐增大(图4-A)，最大含水量(4.83%)出现在75 cm深度，较花棒林外相同层次的土壤含水量高出1.16%，而花棒林外土壤含水量在50 cm深度达到最大值(4.74%)，较之林内相同层次高出0.93%.经方差分析(表3)，花棒林地内10 cm和30 cm深处的土壤含水量与林地外同层次的土壤含水量之间的差异均不显著(P>0.05)，而林内50 cm和75 cm深处的土壤含水量与林外同层次之间的差异显著(P<0.05).无雨期花棒林地内土壤含水量随土壤层次的加深而增大(图4-A)，而林地外土壤含水量在垂直方向上的变化规律与雨后2周时一致，在50 cm深处达到最大值(4.18%)，且显著高于林地内同层次的含水量(P<0.05)，其他层次均不显著(P>0.05).表2 花棒林地土壤含水量的多因素方差分析Table 2 Multiple factors analysis of variance of soil water content inside Hedysarum scoparium plantations因素dfFSig土壤层次42780.94<0.001不同位置30.960.415采样时间2143.99<0.001图4 花棒林地内外土壤水分变化Figure 4 Soil moisture dynamic inside and outside Hedysarum scoparium plantations花棒林地内100 cm(黏土层)深处的土壤含水量随着降雨后时间的延长呈现减小的趋势(图4-B)，而林外土壤含水量随干旱的加剧没有明显规律，在不同的采样时间内，林内黏土层土壤含水量均显著高于林外(P<0.05).从表3可以看出，花棒林地内相同土壤层次的土壤含水量在雨后2 d，雨后2周和无雨期之间差异显著；花棒林外10 cm和30 cm深处的土壤含水量在雨后2 d，雨后2周和无雨期之间差异显著，而在50 cm，75 cm和100 cm深处的土壤含水量在不同的采样时间之间差异不显著.表3 花棒林地内外土壤含水量Table 3 Soil water content inside and outside Hedysarum scoparium plantations采样位置采样时间土壤层次10 cm30 cm50 cm75 cm100 cm雨后2 d4.65Aa6.56Ab6.47Ab2.57Ac21.74Ad林内雨后2周2.78Ba3.32Bb3.80Bc*4.83Bd*20.98Ae无雨期1.29Ca1.93Cb2.43Cc*3.11Cd19.54Be雨后2d4.72Aa6.89Ab5.83Ab2.61Ad16.90Ae林外雨后2周2.84Ba3.24Bb4.74Ac*3.67Ad*16.27Ae无雨期1.07Ca1.96Cb4.18Ac*3.32Ac17.13Ad林内或林外相同土壤层次，不同大写字母表示不同采样时间的土壤含水量差异显著(P<0.05)；林内或林外相同采样时间，不同小写字母表示不同土壤层次的含水量差异显著(P<0.05)；相同采样时间和土壤层次，*表示林内林外土壤含水量差异显著(P<0.05).2.3 花棒林地土壤蓄水功能从表4可知，花棒林地0～40 cm的土壤饱和贮水量较林地外高，其中林地内0～20 cm的饱和贮水量显著高于林地内外其他层次.花棒林内0～20 cm的吸持贮水量显著高于林地内外其他层次，并且林地内外的土壤吸持贮水量都是浅层显著高于深层.由表4可知，林内0～40 cm较林外同层次高，林内40～80 cm较林外同层次低.花棒林地0～80 cm土壤涵蓄降水量较林外高7.60%，林地内0～20 cm的土壤涵蓄降水量最大，达到82.95 mm.花棒林地0～80 cm土壤有效涵蓄量较林外高7.87%.分析表明花棒林有贮蓄降水、减少地表径流及防止土壤侵蚀等方面的功能，且花棒林的土壤调蓄水分功能强于林外裸地.表4 花棒林地土壤蓄水指标Table 4 The indexes of soil water storage inside Hedysarum scoparium plantations采样位置土层/cm饱和贮水量/mm吸持贮水量/mm滞留贮水量/mm涵蓄降水量/mm有效涵蓄量/mm林内0～2086.7080.586.1282.9576.8320～4076.2569.646.6172.4363.8240～6073.4563.0810.3765.9155.5460～8071.9459.8212.1261.9049.78林外0～2075.6370.375.2672.4667.2020～4074.6069.455.1468.4763.3240～6073.9462.7211.2260.7549.5360～8072.2158.6313.5761.5447.96从表5可以看出，花棒林内80～90 cm土壤饱和贮水量、吸持贮水量和滞留贮水量比林外高11.30%、13.49%和3.50%，说明80～90cm层次上，林内土壤在供给植物生理有效利用方面和林蓄水潜能均优于林外.花棒林地内沙土层(0～90 cm)的土壤饱和贮水量、吸持贮水量和滞留贮水量均高于林外，分别高4.75%、5.36%、0.62%，说明花棒林地的土壤蓄水功能强于林外对照裸地.表5 花棒林地0～90 cm土壤贮水量Table 5 Soil water storage on a scale of 0～90 cm soil layer inside Hedysarum scoparium plantations mm采样位置土层/cm饱和贮水量/mm吸持贮水量/mm滞留贮水量/mm林内80～9036.0528.947.120～90344.40302.0542.34林外80～9032.3925.506.880～90328.77286.6942.082.4 花棒林地土壤干旱程度从图5可以看出，雨后2 d花棒林地内外10 cm和75 cm层次的土壤RH小于30%，仍属于特旱，林地内外30 cm及林外50 cm的RH值在30%～40%之间，属于重度干旱；林地内30 cm层次的RH值在40%～50%之间，属于中度干旱.雨后2周，林地内75 cm的RH值在30%～40%之间，属于重度干旱，其他层次均是特旱等级，相对来说，10 cm和30 cm更加干旱.在无雨期，林地内外0～80 cm层次的土壤均属于特旱等级，随着土层深度的增加，干旱程度相对逐渐减小.林地内外0～80 cm的土壤雨后2 d，由于降水的补充，土壤干旱有所减轻，而随着降水结束，土壤的干旱程度逐渐增加，其中花棒林内10 cm和30 cm层次的干旱程度增加比例较林外低，林内50 cm和75 cm的干旱程度增加比例较林外高.说明花棒林减少了表层土壤水分散失，但增加了深层土壤水分的消耗.图5 花棒林地不同层次土壤相对湿度Figure 5 The relative humidity in different soil layers inside Hedysarum scoparium plantations3 讨论3.1 人工花棒林土壤含水量变化特征朱海等[20]研究荒漠区固沙植物梭梭林地的土壤水分动态发现，随距梭梭树干距离的增大(0～5 m范围内)，土壤含水率整体呈减小趋势.本文研究花棒林地不同位置(根际、林冠中部、林冠边缘、林带中间)土壤水分没有明显增大或减小的趋势(图3)，这可能是因为花棒树干到林带中间的距离为2 m，将其分为4个采样点，每个样点之间的距离均较小，因此林地内各位置的土壤水分变异较小.降雨后2 d(图3)，0～60 cm土壤水分含量较大，随着干旱时间的延长，0～60 cm土壤水分散失逐渐增大；75 cm深处的土壤水分在降水结束时增加不明显，到降雨后2周时，该层土壤水分明显增大(图3)，雨后2 d该层次土壤含水量最低，这是由于本次降水之前有一段较长的干旱期，且蒸发量较大(图1)，同时生长季花棒林地的消耗较大所致.周海等[28]认为荒漠区土壤深度越大，对降水响应程度越小且响应时间越滞后，并且大降水事件能够对深层土壤水形成有效的补给.本文研究发现此次降水经过一段时间后入渗到了较深土层，补充了75 cm土壤水分(图3).无雨采样时间为10月12日，属于生长季后期，植物蒸腾较生长季弱了许多，同时随着温度的降低，土壤蒸发也在减弱，由于林地蒸散作用减弱，深层土壤水分散失较小(图4).花棒林地0～80 cm是土壤水分受雨季降水影响的活跃层，于晓娜等[29]认为极端降水事件能够影响油蒿群落及流沙地0～70 cm土壤含水量，吕晶洁等[30]也认为沙丘0～80 cm土层为土壤水分受降雨影响显著的活跃层.王新平等[31]认为观测期内植丛区及无植被沙区土壤水分变化均与降水过程高度相关，连续30多天无雨期时，柠条植丛区土壤水分骤降.降雨过后，花棒林地及裸沙地对照区的沙土层土壤含水量随着干旱时间的延长逐渐减少(图4)，也说明沙土层土壤水分与降水密切相关.在植物根系的分布层，由于植被耗水作用，特别是在植物生长季，土壤含水量与植被密度呈负相关关系[32].无雨期土壤水分林外高于林内(图4)，尤其50cm处，这是由于花棒及伴生植物消耗所致.本研究区由于黏土层的存在，减少土壤水分渗漏，使得大部分降水贮存于黏土层以上的沙土层，能够提高植物对降水的水分利用，花棒栽植对上层沙土层土壤水分的影响较大，但对黏土层以下的土壤水分影响还不清楚，需进行进一步研究.随着沙地人工固沙植被群落演替和植物生物适应性的发展，植被对土壤水分状况和动态的影响更趋复杂化，其过程和机制尚需进一步研究.3.2 人工花棒林土壤蓄水特征土壤蓄水量多用来反映土壤贮蓄和调节水分的潜在能力，吸持贮存是水分依靠毛管吸持力贮存在毛管孔隙中，该水分主要供给植物吸收、叶面蒸腾或土壤蒸发，能为植物生长提供必需的水肥条件，具有重要的植物生理生态功能；滞留贮存是土壤中自由重力水在非毛管孔隙中的暂时贮存，为强降水提供应急的水分贮存，反映土壤涵养水源功能[33-36].刘德贤等[37]定位研究结果表明，林地的土壤吸持、滞留贮水量、土壤涵蓄降水量、有效涵蓄量均大于无林地，且0～20 cm土壤贮水性能好于20～40 cm.本研究人工花棒林地的土壤吸持、滞留贮水量均优于林外对照裸地，土壤涵蓄降水量、有效涵蓄量也均优于林外对照裸地，并且0～20 cm的土壤贮水性能最好，建立人工花棒林之后，土壤持水性能有所改善，且出现了一定的伴生植物，说明人工植被一定程度上可以改善土壤生境.3.3 花棒林地土壤干旱程度夏秋季土壤干旱与前1～2个月的降水关系密切[38]，根据土壤相对湿度干旱等级划分标准，对本文夏秋季花棒林地内外不同层次土壤的干旱等级进行研究发现，花棒林地内外均属于特旱等级，夏季一次性降水60 mm以上只能改善某一层次的土壤干旱状况(图5)，且随着降水结束时间的延长，土壤干旱程度加剧.这是因为研究区地处乌兰布和沙漠东北部，年降水量不足150 mm，年蒸发量达到2 000 mm以上[39].7月、8月降水较多，但同时蒸发量也比较大，加之研究区的气候特征，决定了花棒林地内外土壤的干旱程度.4 结论人工花棒林地不同位置(根际、林冠中部、林冠边缘、林带中间)土壤水分差异较小，不同土壤层次及不同采样时间之间的土壤含水量差异显著，林地0～80 cm是土壤水分受降水影响的活跃层.与裸沙地相比，花棒林减少了表层土壤水分蒸发，花棒及伴生植物增加了林地内植物根系分布范围内土壤水分的消耗.花棒林地土壤吸持、滞留贮水量、土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量均优于裸沙地.花棒林地及裸地均属于特旱等级，一次性降水60 mm以上才可以改善某一层次的土壤干旱状况.参考文献【相关文献】[1] LE HOUEROU H N.Restoration and rehabilitation of arid and semiarid mediterranean ecosystems in North Africa and West Asia:a review[J].Arid Soil Research and Rehabilitation,2000,14(1):3-14.[2] 雷志栋,胡和平,杨诗秀.土壤水研究进展与评述[J].水科学进展,1999,10(3):311-318.[3] SIMMONS M T,ARCHER S R,ANSLEY R J,et al.Tree(Prosopis glandulosa)effects on grass growth：An experimental assessment of above and 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