不同植被類型對毛烏素沙地背風坡土壤水分時空變化的影響

　　要：在陜西省神木市毛烏素治沙造林基地，選取固定沙丘背風坡4種典型植被為對象，利用CNC503DR型中子儀對0～300cm土壤水分進行測定，分析不同植被類型條件下固定沙丘背風坡土壤水分特征。結果表明：1)在植被類型上，固定沙丘背風坡0～300cm剖面平均土壤含水量表現為草地>紫穗槐>長柄扁桃>沙柳;在季節變化上整體表現為，秋季>夏季>春季(2018年)、春季>夏季>秋季(2019年)。2)背風坡土壤剖面上土壤水分存在明顯的分層結構，可將0～300cm分為0～50、50～100、100～200cm和200～300、50～300cm各土層植被類型間土壤水分存在顯著差異(P<0.05)。3)0～50cm土層時間變系數較大，隨著土層深度增加土壤水分時間變異系數逐漸減小;4種植被類型垂直變異系數夏秋季較大，春季較小;時間穩定性表現為沙柳>草地>長柄扁桃>紫穗槐。4種植被類型0～300cm土層平均土壤含水量無顯著差異，草地、長柄扁桃和沙柳土壤水分時間穩定性較強，合理的林草空間搭配有利于該區背風坡土壤水分的保持。

　　本文源自趙鑫; 辛一凡; 張應龍; 朱超; 鄭云珠; 田曉飛; 孫樹臣; 翟勝， 西北林學院學報 發表時間：2021-05-21《西北林學院學報》是原西北林學院主辦的林業科學綜合性學術期刊，1984年創刊。1999年由于學校合并，現由西北農林科技大學主辦。辦刊宗旨：以馬列主義為指導，堅持四項基本原則，貫徹理論聯系實際和“雙百”方針，為促進學術交流，發展學科理論，推動科技進步，為提高林業科技水平服務。

　　關鍵詞：毛烏素沙地;植被類型;土壤水分;時空變化

　　土壤水分是土壤-植被-大氣連續體(SPAC)中水循環的重要組成部分，其動態變化反映了地表水的能量通量及植被根系耗水特征[1]。較低的土壤水分會抑制種子發芽、植被正常的生長、耗水[2]，但不同的植被類型對土壤水分的需求量不同，導致各植被類型下土壤水分特征存在較大差異[3]。這些土壤水分特征又會影響植被的生長發育，進而影響植被的恢復和生態環境的改善，特別是干旱、半干旱地區，土壤水分已成為植被恢復與重建的主要生態限制因素[4]。

　　毛烏素沙地地處半干旱地區，風沙劇烈，沙丘廣布，蒸發量較大，生態環境脆弱[5]。多年來，人們進行了退耕還林還草、封山禁牧、人工林建設等恢復措施，生態環境得到有效改善。然而，有研究發現單一或大規模人工林不合理的配置會導致天然降水無法滿足植被生長對土壤水分的需求，各人工林均出現不同程度的土壤水分虧缺現象[6]，進而產生人工林生長緩慢(如“小矮樹”)、土層干燥化等新問題，不利于人工林可持續發展，阻礙了當地的生態環境恢復。為此，許多學者從植被恢復對土壤水分的影響等方面進行大量研究，并取得一些重要的成果[7-9]，土地沙漠化現象也得到進一步的控制。然而毛烏素沙地內部各區域的氣候、沙丘類型、植被類型、地形等多種影響要素不同，土壤水分時空變化特征也存在差異，但在小尺度研究中植被類型及根系結構仍是沙地土壤水分變化的主導因素[10]，所以深入了解特定區域土壤水分條件下適宜何種固沙植被配置模式，對今后該區植被生態恢復具有現實意義。本研究在毛烏素沙地東南緣陜西省神木市生態協會治沙造林基地內選擇固定沙丘背風坡建立土壤水分定位觀測點，連續監測天然草地及人工長柄扁桃、紫穗槐、沙柳4種植被類型下0～3m土壤含水量，共計測定16次，分析固定沙丘背風坡不同植被類型下土壤水分時空變化特征，以期為該區植被優化配置及生態環境穩定性建設提供理論依據。

　　1材料與方法

　　1.1研究區概況

　　研究區位于毛烏素沙地東南緣陜西省神木市生態協會毛烏素治沙造林基地(38°53′N，109°22′E，海拔1250～1280m)，地處毛烏素沙地與黃土高原過渡區域，水蝕風蝕較嚴重。氣候類型為半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫6～9℃，≥10℃積溫2500～3645℃，無霜期130～160d;多年平均降水量400～450mm，一般情況下多雨年為少雨年的2～3倍，其中7-9月降水量約占全年降水量的60%～70%，且降水年際變化大。土壤類型為固定風沙土，有機質含量較低，土壤貧瘠。植被類型主要包括長柄扁桃(Amygdaluspedunculata)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、沙蒿(Artemisiadestero-rum)、沙柳(Salixpsammophila)和狗尾草(Setar-iaviridis)等。

　　1.2研究方法

　　土壤水分定位監測，選擇固定沙丘背風坡4種典型植被(表1)為研究對象。為避免植被交匯區不同植被對土壤水分的交互影響，分別在4種植被樣地的中線位置由坡頂至坡底按照間隔3m的距離進行樣點布設，每種植被條件下布設3根3m長中子管，用以監測0～3m范圍內土壤水分。于2018年3月至2019年10月利用北京超能科技公司生產的中子儀(CNC503DR)進行剖面土壤水分的測定，并依據校準曲線進行土壤體積含水量的計算，其中0～1m內每隔10cm測定1次，1～3m內每隔20cm測定1次，每月測定1次，共測定16次。氣象數據由小型全自動氣象站自動監測，包括大氣降水、溫度、濕度、風速等。

　　1.3數據處理

　　1.3.1變異系數采用垂直變異系數來分析不同植被類型土壤水分的空間變化特征[11]。CV=δμ×100%(1)式中：δ為標準差，μ為均值。

　　1.3.2相對差分標準差

　　相對差分標準差反映了采樣點土壤含水量在時間上的穩定程度，其值越小說明樣點穩定性越強[12]。計算公式為：δi=1m∑mi=1Sij-SjSj(2)σδ()i=1m-1∑mi=1槡()δij-δi2(3)式中：Sij為樣點i在j時刻的土壤含水量;Sj為j時刻的平均土壤含水量;m為研究土壤水分測定的次數;δij為樣點i在j時刻土壤含水量相對差分值;δi為樣點i在整個研究期間的平均相對差分值;σ(δi)為樣點i的相對差分標準差。

　　條形圖和柱狀圖在Origin完成，采用Excel2016計算各樣點土壤體積含水量及其相對差分標準差，在SPSS23.0軟件中的單因素方差分析統計不同植被類型下土壤含水量的平均值差異，并用Duncan多重比較差異顯著性(P<0.05)。

　　2結果與分析

　　2.1不同植被類型下土壤水分時間變化特征

　　2018年降水量為596.8mm，高于該地區多年平均降水量最大值450mm，7-9月降水量高達404.1mm，占全年總降水量68%;而2019年降水量為276mm，遠低于該地區近多年平均降水量，7-9月降水量僅164.1mm，占全年總降水量58%(圖1)。

　　監測期內3-5月，4種植被條件下土壤含水量整體呈減小趨勢。隨著雨季到來，6-8月4種植被條件下平均土壤含水量增加，但土壤水分變化趨勢存在差異。2019年9-10月，植物生長緩慢，土壤蒸發及植被蒸騰作用減弱，土壤水分變化穩定，而2018年9-10月降水量較多，4種植被類型下土壤含水量呈增加趨勢，表明該時期降水對土壤水分的補給高于土壤水分散失。本研究中4種植被類型土壤含水量季節變化2018年整體表現為，秋季(9-10月)>夏季(6-8月)>春季(3-5月);2019年則表現為，春季(3-5月)>夏季(6-8月)>秋季(9-10月)。

　　不同時期4種植被類型下平均土壤含水量在垂直分布上波動較大(圖2)，其波動是氣候、植被、土壤及地形等自然條件的綜合反應[13-14]。2018、2019年3-5月(圖2a、d)，隨著太陽輻射的增強及土壤溫度的升高，植被由休眠期過渡為生長初期，土壤蒸發及植被蒸騰能力逐漸增強，0～100cm土壤含水量有不同程度的下降趨勢;同時此期間降水量較少(2018年73.4mm，2019年64mm)，對深層土壤水分補給微弱，因此200cm以下草地、長柄扁桃和沙柳土壤水分較穩定;6-8月(圖2b、e)，降水使0～20cm土壤水分上升，此時植被蒸散耗水量到達較高水平時期，故20～100cm土壤水分出現不同程度的減小，土壤含水量較低。2018年9-10月與2019年9-10月相比(圖2c、f)，4種植被類型下土壤含水量及變化幅度存在較大差異，這可能與降水量的強度和持續時間有關。

　　2.2不同植被類型下土壤水分空間分布特征

　　不同植被類型下土壤含水量在0～300cm垂直方向上存在一定差異，且隨著土層深度增加差異越大(圖3)。0～50cm土壤含水量呈現先增大后減小的趨勢，各植被土壤含水量相差不大(均值差0.26%～0.8%)。50～100cm土壤含水量整體呈減小趨勢，其中草地土壤含水量較大(均值為6.18%)。100～200cm長柄扁桃、沙柳和紫穗槐土壤含水量變化較穩定，草地土壤含水量隨土層加深先增大后減小。200～300cm紫穗槐土壤含水量變化迅速，隨土層深度增加而增大。

　　有序聚類法作為數理統計中研究“物以類聚”的一種方法不僅可以減少主觀因素，還能使分類結果不會打亂樣本次序仍然能保持深度上的排序[15]，因此利用有序聚類法對固定沙丘背風坡不同植被類型下土壤水分剖面進行聚類分層，當最優分割數為4時誤差函數圖趨于平緩[16]。結合有序分類結果和土壤含水量變化(圖3)將0～300cm土層分為0～50、50～100、100～200、200～300cm(圖4)。

　　4種植被類型土壤含水量在0～50cm監測期波動較大且變化趨勢大致相同(圖4a)。2018、2019年3-6月土壤蒸發及植被蒸騰作用逐漸增強，但此時土壤水分得到補給較少，土壤水分逐漸下降，其中6月4種植被類型土壤含水量較低(2a平均值草地3.16%、長柄扁桃2.11%、沙柳2.11%、紫穗槐2.64%)。2018年7-9月4種植被類型土壤含水量逐漸減少，而2019年同時期土壤含水量先增加后減小，這可能與2018年較多的降水促進了土壤含水量增加，導致植被蒸散耗水量增大有關;10月因植被蒸騰作用減弱及持續降水土壤含水量再次上升。

　　隨著土層深度增加，降水入滲量逐漸減少，植被根系耗水能力減弱，4種植被類型下土壤含水量在50～100cm變化趨勢波動減緩(圖4b)。100～200cm長柄扁桃、沙柳和紫穗槐土壤含水量整個監測期內較低(圖4c)。200～300cm4種植被類型土壤含水量均有所增加(圖4d)。草地和紫穗槐土壤含水量波動較大，紫穗槐土壤含水量均高于其他3種植被。以上分析表明不同植被類型在相同土層中土壤水分變化趨勢相對一致，但在不同土層之間各植被類型下土壤水分大小及變化幅度存在較大差異。

　　由表2可知，4種植被類型0～300cm土層平均土壤含水量大小為草地>紫穗槐>長柄扁桃>沙柳，且植被間土壤含水量無顯著差異(P>0.05)。對于同一土層不同植被類型而言，0～50cm4種植被類型下土壤含水量之間均不顯著(P>0.05);50～200cm草地土壤含水量較高且與長柄扁桃、沙柳和紫穗槐之間差異均達到顯著水平(P<0.05)，而沙柳、紫穗槐和長柄扁桃三者間無顯著差異(P>0.05);200～300cm紫穗槐土壤含水量較高且與其他3種植被類型下土壤含水量之間均差異顯著(P<0.05)。

　　2.3不同植被類型下土壤水分的時空變異系數及時間穩定性

　　監測期內4種植被類型下土壤水分時間(季節)變異系數(均值29.85%～35.91%)均為中等變異，整體上隨著土層深度增加而降低(圖5)。0～50cm4種植被類型下土壤水分變異系數較大;隨著土層深度增加，降水、土壤蒸發及根系耗水作用對土壤水分影響減小，4種植被類型下土壤水分變化較穩定，因此50～100cm土壤水分變異系數逐漸減小;100～200cm草地、長柄扁桃和沙柳變異幅度較穩定，而200～300cm4種植被類型下土壤水分變異系數呈現出不規則的變化趨勢，其中紫穗槐變異幅度最大。4種植被類型平均土壤水分變異系數大小為紫穗槐(35.91%)>長柄扁桃(31.51%)>草地(31.12%)>沙柳(29.85%)。雖然沙柳土壤水分時間(季節)變異系數較小，但其土壤含水量較低，表明沙柳條件下土壤水分長期處于一種被高損耗狀態，進而導致土壤水分失衡。

　　2018、2019年不同植被類型土壤含水量變異系數差異較大(圖6)。在季節上，草地、長柄扁桃和沙柳垂直變異系數表現為夏季>秋季>春季，紫穗槐垂直變異系數表現為秋季>夏季>春季。隨著時間變化各植被類型垂直變異系數依次是草地<沙柳<長柄扁桃<紫穗槐。紫穗槐垂直變異系數隨著時間波動最大，介于37%～87%，屬中等變異。總的來說，4種植被類型垂直變異系數夏秋季較大，春季較小，紫穗槐土壤水分垂直變異系數變化較大。

　　不同植被類型0～300cm土壤含水量平均相對差分標準差大小依次為紫穗槐>長柄扁桃>草地>沙柳(表3)，沙柳土壤含水量時間穩定性較強，而紫穗槐土壤含水量時間穩定性較差。相對差分標準差多重比較表明，0～50cm紫穗槐土壤水分時間穩定性顯著低于長柄扁桃和沙柳(P<0.05)，而200～300cm土層內則相反;50～100cm4種植被類型之間土壤水分時間穩定性無顯著差異(P>0.05)。100～200cm草地土壤水分時間穩定性顯著高于長柄扁桃、沙柳和紫穗槐(P<0.05)，而長柄扁桃、沙柳和紫穗槐三者間無顯著差異(P>0.05)。總的來說草地、長柄扁桃和沙柳間土壤水分時間穩定性差異性較小，而與紫穗槐間均顯著差異(P<0.05)。

　　3結論與討論

　　3.1結論

　　2018、2019年4種植被類型下土壤含水量在春季、秋季存在較大差異，2018年4種植被類型0～300cm剖面平均土壤含水量季節變化整體表現為秋季>夏季>春季;2019年表現為春季>夏季>秋季。

　　4種植被類型下0～300cm土壤含水量表現為草地>紫穗槐>長柄扁桃>沙柳。其土壤含水量在不同土層中也存在較大差異，50～200cm草地土壤含水較高且與其他3種植被類型差異顯著;200～300cm紫穗槐土壤含水量較高且變幅較大，并與其他3種型植被類型差異顯著。

　　4種植被類型下土壤水分時間(季節)變異系數在0～50cm土層較大，各土層時間(季節)變異系數隨土層深度增加而降低;其土壤水分垂直變異系數在夏秋季較大，春季較小;相對差分標準差表現為沙柳(0.13)<草地(0.14)<長柄扁桃(0.15)<紫穗槐(0.26)，沙柳、草地和長柄扁桃土壤水分時間穩定性較強，紫穗槐土壤水分時間穩定性較差。

　　3.2討論

　　3.2.1影響不同植被類型土壤水分時空變化的因素在沙地生態建設和植被恢復過程中，良好的植被配置可提高降水的利用率，并能使水分在SPAC系統中達到一種良好的平衡狀態，從而有利于生態系統的穩定[17]。降水是研究區土壤水分重要的補給來源，在半干旱地區淺層土壤處于大氣圈水分交流臨界面，受隨機性降水補給和土壤蒸發交替影響劇烈，土壤水分變化迅速[18]，4種植被類型0～50cm土壤水分較高且波動較大。在50～100cm土層中，長柄扁桃、沙柳和紫穗槐土壤含水量逐漸減小，這可能是因為上層密布的根系對土壤水分入滲具有一定的阻滯作用，同時該層灌木根系吸水也會導致土壤水分的減少。張晨成等[19]研究發現，在水蝕風蝕交錯帶的灌木林地，深層土壤(100cm以下)長時間降水補給較少，長期的根系耗水導致下層土壤含水量降低，加之風沙土土壤毛管空隙發育較差，土壤持水能力較弱，易形成土壤干層，這與本研究中長柄扁桃、沙柳和紫穗槐在100～200cm土壤含水量較低的結果相似。200～300cm土層紫穗槐土壤含水量迅速增加，一方面是因為紫穗槐坡底水分監測點地勢低洼，當發生強降水時，受坡度和重力影響，水分以地表徑流和壤中流的方式匯集坡地低洼處，然后再垂直下滲，補給深層土壤水分;另一方面，毛烏素沙地東南緣地下水深埋3～20m[20]，而本研究測定土壤水分深度為3m，加之紫穗槐坡底海拔較低(比其他植被類型低2～8m)，深層土壤水分更容易受到地下水影響，所以200～300cm土層中紫穗槐土壤含水量相對其他3類植被類型土壤含水量較高。總的來說，由于降水、地形、植被類型、根系分布、蓋度等因素差異[21-22]，導致不同植被類型0～300cm各土層土壤水分對外界因素有不同的響應，其平均土壤水分表現為草地>紫穗槐>長柄扁桃>沙柳。從不同季節上土壤含水量變化看，本研究中4種植被類型下土壤含水量在春、秋季節差異較大，秋季>夏季>春季(2018年)、春季>秋季>夏季(2019年)。這是因為在2018年秋季多發生持續性降水，土壤水分可得到較大的補給，此階段植被處于生長后，蒸散作用能力降低，進入穩定期的土壤水分變化較小(11月至次年3月)，導致翌年春季土壤水分較高。

　　3.2.2影響不同植被類型時空變異及時間穩定性的因素從不同植被類型土壤水分時間變異系數來看，0～50cm土層4種植被類型土壤水分變異系數較大，200～300cm土層變異系數較小，主要是因為該地區0～50cm土壤水分輸入方式多以隨機性和間斷性的降水為主，植被強烈的蒸散耗水是土壤水分輸出的主要過程，這2種因素使該層土壤水分呈不連續的脈動狀態，而200～300cm土層受淺層土壤保護受外界因素較小，因此各植被類型時間變異系數隨著土層深度增加而減小。另外，中子在土壤表層的外溢所導致的土壤含水量的測定誤差也可能是土壤水分變異系數較大的重要原因之一[23]。不同植被類型下土壤水分垂直變異系數整體上夏秋季較大，春季較小，這與伍永秋等[24]研究毛烏素沙地南緣各沙丘土壤水分垂直變異系數夏季>秋季>春季結果相似，表明該地區夏季0～300cm各土層土壤水分差異較大，而這種差異是由各剖面土層土壤水分對降水、不同植被類型、蒸散發等因素不同的響應造成的。沙地土壤水分時間穩定的表現為沙柳>草地>長柄扁桃>紫穗槐，有研究發現土壤含水量越低時間穩定性越強[25]，這可能是沙柳0～300cm土壤含水量平均相對差分標準差低于長柄扁桃、紫穗槐和草地的主要原因。然而0～50cm土層和50～100cm土層相對差分標準差并沒有隨著土壤含水量變化出現明顯的梯度，說明土壤水分時間穩定性不僅受土壤水分自身條件的影響，還與降水、溫度和根系結構等因素有關[26-27]。