青海東部黃土區旱地造林土壤水分研究

師發苗,郭 霞,鄧 磊

(1.互助土族自治縣林業和草原站,青海 海東 810500;2.青海大學農林科學院,青海 西寧 810016)

青海東部黃土區地處干旱半干旱氣候區,降水量少且分配不均,生態環境十分脆弱。退耕還林還草工程的實施,使該區域植被得到了有效恢復,大量工程化造林未能充分考慮適地適樹問題,隨著人工林生長發育,種內競爭、土壤干層、生產力衰退等一系列問題顯現[1]。土壤水分是限制植被生長的關鍵因子,也是影響流域水量平衡和區域水文循環的重要因素[2]。林地土壤水分特性受植被、氣候、地形及土壤類型等多重因素影響,是水分循環過程中林分結構與功能的綜合體現[3-5]。開展旱地造林土壤水分特性研究,對合理利用土壤水資源、提高林地水土保持功能具有重要意義。

本研究選擇青海東部黃土區旱地造林典型林分—祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)、檉柳(Tamarixchinensis)和山杏(Prunussibirica)作為研究對象,在生長季對林地土壤水分分布和水分運動特征進行定位觀測,研究該區域典型立地人工林分土壤水分特性及耗水特性,驗證該區域旱地造林樹種是否適應當地水分條件,能否有效發揮人工林水土保持功能、維持水分收支平衡,為該區域的植被建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于青海省互助土族自治縣哈拉直溝鄉,屬于黃土高原西側黃土區,海拔2 280～2 422 m,年均溫度1～6.5 ℃,無霜期113 d,年均降雨量376 mm,降雨季節分布不均,多集中在7、8、9三個月,植物生長季(5-9月)降雨量達310 mm,約占全年降雨量的82%,雨熱同季,年均蒸發量為1 470 mm,屬于大陸性高原氣候,土壤為栗鈣土。研究區內零星分布灌木樹種有檸條、沙棘,平均蓋度為13%,草本植物有披堿草、蒿類等,平均蓋度為20%。2021年,區域內在原生灌木中開展高度120 cm祁連圓柏、地徑3 cm山杏、兩年生檉柳插條帶狀混交林,混交比例為灌木∶喬木為3∶2,株行距2 m×2 m,整地方式為穴狀整地。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取與調查

2023年根據研究區祁連圓柏、檉柳、山杏林地的分布情況,考慮坡位和坡向因素,同一樹種在坡上、中、下選擇樣地3個,樣地面積20 m×20 m,共設置9個樣地。各個樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

1.2.2 土壤儲水特性

在樣地內沿對角線挖取3個深度為100 cm的土壤剖面,每隔20 cm取樣,用100 cm3環刀取樣,每層3個重復。將樣品帶回實驗室,把環刀放入水平盛水容器中24 h,水面低于環刀高度,使水分從環刀下部被吸滲進入土壤。使用離心機法測定土壤水分特征曲線[6]。

式中:θ為體積含水量,單位為cm3/cm3;h為負壓水頭,單位為cm;θr為殘余含水量,單位為cm3/cm3;θs為飽和含水率,單位為cm3/cm3;a、n、m為經驗擬合參數。

1.2.3 林地耗水特征

林地耗水量是林分蒸騰耗水量、林地蒸發量和林冠截流量之和。由于研究區林木年齡較小,未形成郁閉林分,林冠降雨截留率不足2%,林冠截留水分的蒸發較少,因此本研究只統計了生長季各月各林分的蒸騰耗水量和林地土壤蒸發量,結合彭曼-蒙特斯公式(Penman-Monteith)得出林地耗水量[7]。本研究使用DIK 3130式土壤張力計,采用瞬時剖面法每隔20 cm深度定時觀測土壤水勢,結合體積含水量,確定相應范圍內的水分特征關系曲線與非飽和土壤導水率[8],并結合定位通量法[9],計算出各樣地地下部分的耗水總量,其數值與實測林冠截留之和,為林地耗水量。

式中:當Z=0時,即為地表處的水通量,Q(0)小于0為實際蒸散量。本文中Zr取100 cm,Z=20 cm,t為實際觀測時間。

1.3 數據處理

用Microsoft Excel 2021 進行數據整理與分析,Origin 2022繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同林木不同土層土壤儲水量研究

由表2可知,不同林木不同土層的土壤儲水量變化有所不同。在土層深度為20 cm時,祁連圓柏、山杏、檉柳三種林分類型的土壤平均儲水量均最高,分別為45.46 mm、35.23 mm、34.86 mm。在土層深度為100 cm時,祁連圓柏與檉柳的土壤平均儲水量均最低,分別為31.61 mm、25.76 mm,而山杏的土壤平均儲水量最低的是在土層深度為80 cm時,為29.72 mm。

表2 不同林木生長季0～100 cm土層土壤儲水量

2.2 不同林木不同土層土壤持水量研究

祁連圓柏、檉柳和山杏林地土壤水勢方程如表3所示。樣地內各土層土壤水勢均可用指數函數模型φ=ae-bθ表示,不同林地土壤持水量呈現迅速下降,后逐漸變緩的變化規律。祁連圓柏林地的土壤水勢高于檉柳林地和山杏林地,這說明在相同土壤水吸力作用下,祁連圓柏林地的持水性優于山杏和檉柳林地。

表3 不同林木生長季土壤水勢方程

2.3 不同林木不同土層土壤耗水量研究

由表4可知,生長季期間,0～100 cm祁連圓柏、山杏和檉柳林地耗水量均值分別為14.29 mm、15.82 mm和14.01 mm,祁連圓柏、山杏林地耗水量分別比檉柳高出2.00%、12.92%。祁連圓柏與檉柳林地在土層深度為80 cm土壤耗水量均最高,分別為14.74 mm、14.15 mm。7月祁連圓柏、山杏和檉柳林地耗水量分別為21.29 mm、23.32 mm和20.53 mm,耗水量達到生長季峰值;8月林地蒸散耗水量均迅速減少,耗水量均值分別為17.81 mm、19.75 mm和17.37 mm。

表4 不同林木生長季0～100 cm土層土壤耗水量

3 討論與結論

植被類型是研究青海東部黃土區旱地人工林土壤水分特征不可忽略的因素。各林地間土壤儲水量有所不同,祁連圓柏林地土壤含水量總體高于山杏和檉柳林地,這與莫保儒等[10]對于黃土區灌木林地剖面土壤水分環境研究結果一致。林地0～100 cm剖面土壤水分在5、6 月份由于氣溫逐漸升高,林地耗水量增多而深層儲水不足,導致土壤水分消耗;7、8月份氣溫升高,雨季來臨,林地蒸散作用強烈、天然降雨大量補充,土壤水分得到緩慢恢復。整個生長季期間,祁連圓柏、山杏、檉柳林地0～100 cm深度土壤儲水量均值分別在35.32～40.14 mm、27.90～38.20 mm、29.57～35.66 mm范圍內。結合不同深度土壤儲水量,祁連圓柏、山杏、檉柳土壤儲水狀況較好,未出現土壤干層、土壤水分過度消耗等現象。

土壤持水特征是判斷不同林分土壤涵養水源及調節水分的重要指標[11],其差異主要受土壤質地和孔隙結構等物理特性影響。本研究發現,祁連圓柏林地土壤水勢高于山杏林地和檉柳林地,可見造林初期,祁連圓柏林地土壤持水性最優,檉柳林地持水性最差。這可能是因為造林樹種選擇時樹種大小的差異,祁連圓柏、山杏相比檉柳栽植過程中帶有更大的土球,短期內生長發育過程中根際土壤的黏粒差異引起土壤粒級的不同,進而影響土壤水分差異[12]。

生長季期間,林地耗水量呈現出先增加,在7、8 月份達到峰值后逐步減少的趨勢,期間山杏林地耗水量高于祁連圓柏和檉柳林地,這與常國梁等[13]對退耕還林工程區的林木耗水特性研究結果一致。生長季期間,山杏林地的平均耗水量大于祁連圓柏和檉柳林地,這很可能是由于5、6月份氣溫較低、降雨較少,土壤蒸發較弱,林分蒸騰在林地總耗水中起主導作用,于是闊葉樹種山杏耗水量大于針葉樹種祁連圓柏和灌木樹種檉柳。7、8月份土壤蒸發強烈,林下土壤蒸發占林地總耗水的比例大,由于林木冠幅的影響,祁連圓柏林地土壤蒸發小于山杏林地,于是祁連圓柏林地耗水量小于山杏林地。

對青海東部黃土區旱地開展以祁連圓柏、山杏、檉柳為建群種的旱地造林可有效維系林地土壤水分收支平衡。在之后區域的植被建設過程中,要注意控制林地耗水量,對林分密度進行合理調整,保證林分正常生長,加強喬灌樹種配置營造復層結構,增強群落水土保持功能及可持續發育。