晋西黄土区不同土地利用类型对土壤水分的影响

　　摘要：为明确不同土地利用类型对土壤水分的影响，采用土钻法在2019年和2020年4—10月定期对晋西黄土区人工油松林地、荒草地、农地0—10m土层的含水量进行了观测研究。结果表明：(1)人工油松林地0—10m土层的蓄水量为1281.13mm，荒草地为1712.85mm，农地为1804.77mm。油松林地较荒草地和农地多消耗431.72，523.64mm的水分，且多消耗的土壤水分主要来源于深层土壤。(2)3个土地利用类型0—10m土层含水量的垂直变化可以划分为土壤水分剧烈变化层、弱变化层和稳定变化层，各层的含水量随时间的变化也不尽相同。(3)油松林根系的直接吸水深度为5.4m，影响深度可达10m土层以下，农作物的吸水深度为4.2m，影响深度可达8m土层以下。对研究区内地势平坦、交通便利的地方可种植农作物，促进当地农业经济建设;而针对油松林地土壤含水量低的现象，可采取适当水分管理措施降低林地耗水。

　　关键词：水土保持林;土壤水分;耗水量;黄土高原

　　黄土高原作为我国生态脆弱和水土流失严重的地区，为了治理水土流失，国家展开了大规模的退耕还林工程[1-2]。但由于黄土高原降水量少且分布不均[3-4]，大规模植被恢复消耗大量的土壤水分[5-6]，使林地经常处于土壤水分亏缺状态[7-8]，进而影响到林地的水文过程[9-10]，造成土壤干层范围不断扩大[11-12]。可见，如何协调植被与土壤水分的关系已成为黄土高原地区及干旱半干旱地区植被恢复与重建的关键问题。

　　目前，对土壤水分的研究多集中在不同地类与土壤水分的关系方面。黄艳丽等[13]研究了人工刺槐林地和天然林对水分含量的影响后指出，刺槐林地和天然林地0—1.2m土层土壤水分差异较大，天然林地的含水量显著高于刺槐林地;赵荣玮等[14]研究了不同地类的耗水量后指出，人工刺槐林地0—2m土层的耗水量最大，人工侧柏林地次之，刺槐侧柏混交林地最小;胡波等[15]研究了果园与人工林地之间含水量的差异指出，苹果园的土壤水分优于油松林地和刺槐林地。

　　这些研究多集中于不同林地含水量之间的对比，且研究的土层范围多集中于浅层，而对农地、荒草地、人工林地深层土壤水分状况的对比研究并不多见。深层土壤水分作为植被生长利用的储备水资源，在植被应对长期干旱等极端气候事件中起着至关重要的作用[16-18]。林木对深层土壤水分的利用和影响程度，是科学评价黄土高原地区大面积退耕还林生态效益的关键。长期定位监测深层土壤水分动态变化，对黄土高原土壤水库的评估及植被建设的可持续发展尤为重要[19]。

　　为此，本文以晋西黄土区人工油松林地、农地、荒草地为研究对象，在2019年和2020年的4—10月采用土钻法对山西吉县蔡家川流域3个土地利用类型0—10m土层的土壤含水量进行测定，比较人工油松林地、农地、荒草地对0—10m土层水分的消耗和利用状况，探讨土壤水分动态和垂直变化，以期为黄土高原水土保持植被恢复的土壤水文效应评价提供参考和依据。

　　1材料与方法

　　1.1研究区概况

　　研究区位于山西省吉县蔡家川流域(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，研究期间的降水量。多年平均蒸发量1723.9mm。平均气温10℃，无霜期172天。该地区属于典型的黄土梁状丘陵沟壑区，褐土，黄土母质。主要土地利用类型有林地、农地、荒草地、果园等，植被类 型有次生林、人工油松林和刺槐林等。

　　1.2研究方法

　　1.2.1土壤水分数据采集

　　在研究区内选择有代表性的人工油松林地、荒草地、农地为观测样地，各样地均位于坡中部。在2019—2020年生长季(4—10月)期间，每月下旬在各样地利用土钻法测定含水量，取样深度为0—10m土层，0—100cm土层内每隔10cm取样，100—1000cm土层内每隔20cm取样，每层采集3个土样分别装入铝盒，带回实验室称重后放入烘箱，在105℃条件下烘24h至恒重，计算土壤质量含水量。

　　同时用MS2000激光粒度仪测定土壤粒径组成，土壤粒径分级根据美国制分类标准，即砂粒(粒径0.05～2mm)、粉粒(粒径0.002～0.05mm)和黏粒(粒径0～0.002mm)。路远等[20]对黄土高原沟壑区0—6m土层容重进行测定发现，2m以下土层的容重基本保持不变，因此本研究使用100cm3的环刀测定0—200cm土层的容重。黄土高原地区2m以下土层的毛管孔隙度变化不大[21]，因此本研究使用100cm3的环刀测定0—200cm土层的毛管孔隙度。

　　2结果与分析

　　2.1不同土地利用类型土壤质地

　　油松林地、农地、荒草地的剖面土壤平均黏粒含量变化范围分别为2.41%～4.71%，3.22%～5.71%，2.36%～5.91%，平均粉粒含量变化范围为26.25%～54.84%，28.76%～45.55%，23.17%～50.26%，平均砂粒含量变化范围为40.44%～70.5%，49.62%～67.74%，45.19%～74.47%。油松林地、农地、荒草地0—2m土层的容重变化范围分别为1.11%～2.20%，1.15%～1.55%，1.22%～1.31%，毛管孔隙度变化范围分别为50.50%～54.97%，41.56%～51.94%，49.58%～52.22%。

　　2.2不同土地利用类型0-10m土层蓄水量

　　农地的蓄水量最高，达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农地和油松林地之间，为1712.85mm，可见，油松林地耗水量最高。经方差分析得出，荒草地、农地、油松林地蓄水量差异显著(P<0.05)。通过对比油松林地、荒草地、农地的蓄水量可以发现，油松林地较农地多消耗523.64mm的土壤水分，较荒草地多消耗431.72mm。

　　2.3不同土地利用类型土壤水分的垂直分布

　　荒草地0—0.8m土层的含水量最低，仅为9.71%，分别比油松林地和农地低2.57个百分点和2.81个百分点。而在0.8—4m土层，荒草地的含水量最高，为12.02%，分别比油松林地和农地高2.37个百分点和1.80个百分点，4—10m土层中，含水量随深度呈双峰型变化，2个峰值分别出现在6.8—7，9.8—10m处，含水量分别为13.40%和14.46%。油松林地的含水量随土层深度的增加不断减小，油松林地0—2.6m土层的含水量为11.07%，与农地的含水量(11.06%)十分相近。

　　在2.6—10m土层中，油松林地含水量最低，仅为8.82%，分别比农地和荒草地低2.88个百分点和3.37个百分点。农地的含水量随土层深度的变化呈现出先减少后趋于稳定再增加的趋势，在0—1.4m土层中，农地含水量不断减小，由13.55%减小到10%，在1.4—8m土层中，土壤含水量随土层深度的变化较小，平均土壤含水量为10.66%，而在8—10m土层，农地土壤含水量急剧增大，含水量极差为3.19%。

　　3讨论

　　随着“退耕还林”工程的实施，黄土高原的水土流失得到显著缓解，但深根系植被的高密度栽植影响土壤水分状况。在本研究中，油松林地的土壤蓄水量显著小于农地和荒草地(P<0.05)，这与前人[29-30]的研究结果一致，表明人工植被消耗大量的土壤水，加剧土壤干燥化，甚至导致干层的形成[31-32]。不同土地利用类型的含水量除受植被耗水影响之外，也与剖面土壤颗粒组成有关，土壤颗粒组成调控土壤对水分的保持能力[33]。

　　经皮尔逊相关分析发现，3个土地利用类型的含水量与黏粒含量、粉粒含量呈显著正相关(P<0.05)，与砂粒含量呈显著负相关(P<0.05)，3种土地利用类型的土壤含水量受土壤颗粒含量的影响较大，这已在前人[34]的研究得到验证。荒草地、油松林地和农地的土壤含水量和变异系数随土层深度的变化各异。荒草地的含水量随土层深度的增加不断增大，变异性逐渐减小，这表明荒草地主要消耗和利用浅层土壤水分。植物对土壤水分的利用深度与根系分布密切相关，荒草地的根系主要分布在表层土壤中[35]，因此荒草地对土壤水分的消耗主要集中在浅层土壤。

　　油松林地含水量随土层深度的增加不断减小，含水量的变异系数在0—5.4m土层范围内逐渐递减，但5.4—10m土层的变异系数却显著高于1.6—5.4m土层，这充分说明5.4—10m以下土层是油松林地土壤水分的调节层，当5.4m以上土层中的水分被油松林吸收后，该层水分因向上补给而使含水量降低，其后更深层次的水分对该层水分再进行补给，从而导致该层土壤水分含量的变化更为剧烈，保证1.6—5.4m土层含水量维持在一个稳定区间，以维持油松林的正常生长。这也许可以认为油松林根系的直接吸水深度为5.4m，影响深度可达10m土层以下。

　　农地含水量和变异系数在0—4.2m土层内随土层深度的增加而减小，在4.2—10m土层内含水量随土层深度的增加而增加，这说明农地主要利用0—4.2m土层的水分。农地8—10m土层的含水量为13.93%，虽与荒草地的8.8—10m土层的含水量13.68%很接近，但变异系数却高达19.43%。

　　因此，可以认为农作物的吸水深度为4.2m，影响深度可达8m土层以下。油松林和农作物的耗水深度远大于根系分布范围，可能是土壤水分在势能和植物根系共同作用下的结果[36]，当浅层土壤由于降雨被湿润，含水量较大，水分可以通过自身重力和根系向下层运输[37]，若表层土壤相对干旱缺水，影响植被正常生长时，土壤水分在根系和上层的较干土层水势梯度的共同作用下，自深层向浅层运动[38-39]，较深土层较干土层的水势梯度又促使更深层水分的运动，这种情况下水分的运动较复杂，使得植被的耗水深度远大于根系的分布范围。

　　在干旱半干旱的黄土丘陵沟壑区，降雨是影响土壤水分动态变化的主要因素[40-41]。结合图7土壤含水量随时间的动态变化可以发现，3个土地利用类型土壤水分剧烈变化层的含水量随时间的变化较弱变化层和稳定变化层更加剧烈，特别是在经历较大的月降雨后，3个土地利用类型剧烈变化层的含水量出现不同程度的升高。但在2020年8月，经历较大降雨后，荒草地剧烈变化层的含水量并没有明显的升高。

　　这可能是因为不同土地利用类型的水土保持效果不同，油松林冠幅大，枯枝落叶层厚，根系发达，蓄水保土效果较好，玉米根系的生长能使土壤紧实，增加土壤抗蚀性，而荒草地地上部分对降雨的拦截较少，根系较浅，在经历较大的降雨时会产生水土流失[42]，这使得荒草地蓄水能力弱，土壤含水量低。有研究[43-45]表明，土地利用类型影响降雨在土壤中的再分配过程，即土地利用类型是影响土壤水分分布格局的重要因子，这也在诸多研究中得到证实。

　　4结论

　　(1)3个土地利用类型中，荒草地0—10m土层的蓄水量最高，农地次之，油松林地最低，油松林地相较于荒草地和农地多消耗的水分主要来源于深层土壤。(2)油松林根系的直接吸水深度为5.4m，影响深度可达10m土层以下，农作物的吸水深度为4.2m，影响深度可达8m土层以下。(3)3个土地利用类型0—10m土层含水量的垂直变化可以划分为土壤水分剧烈变化层、弱变化层和稳定变化层，各层土壤含水量随时间的变化也不尽相同。(4)在未来进行植被恢复和生态建设过程中，应考虑当地土壤水分条件，选择合理的人工植被配置模式，以达到最大的林分效益。

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　　作者：施政乐1，张建军1，2，3，4，申明爽1，刘畅1，胡亚伟1，徐勤涛1，李阳1

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