閔梓驍，張建新，范文波，楊海梅，喬長錄，許忠宇

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.新疆農(nóng)墾科學院，新疆 石河子 832000)

土壤水是水文循環(huán)的重要組成部分，是植物生長的重要影響因素，同時也是SPAC中不可或缺的紐帶。土壤水分受到地域、氣候及季節(jié)變化的影響使其具有明顯的時空變異性，并且在偏小的區(qū)域范圍內(nèi)，不同地形基準下土壤水分存在顯著空間異質(zhì)性。新疆地處西北邊陲，干旱少雨，日照時間長且蒸發(fā)較大，土壤含水情況常年處于虧缺狀態(tài)，天然降雨為該地區(qū)主要土壤水分補給。沙棘針狀落葉形灌木，有著抗旱耐寒，可在鹽漬化土地生存和需水量少等特點。用作水土保持、荒漠化治理和防風林的先鋒樹種被廣泛種植于干旱半干旱地區(qū)，尤其是新疆。由此探究沙棘土壤水分分布對改善其生長環(huán)境有著重要意義。

目前，前人對于土壤水分的研究大多在于植物年限對土壤水分的影響，土地類型與土壤水分的關(guān)系以及土壤水分對不同林地類型和種植密度的響應(yīng)等。羅珠珠等研究發(fā)現(xiàn)，隨著紫花苜蓿栽種年限的增長，土壤水分消耗速率加劇，其中3年苜蓿的水分消耗速率最大；馬鵬毅等對不同蘋果樹齡土壤水分情況進行研究發(fā)現(xiàn)，8年蘋果樹土壤水分情況較好，土壤貯水量較高，17年及25年蘋果樹的水分情況則明顯降低；唐敏等基于不同土地類型土壤水分變化開展研究顯示，枯水年土壤水分情況為梯田>草地>耕地，平水年為草地>梯田>耕地；杜康等揭示了不同土地利用方式有著顯著的時間特征和滯后效應(yīng)，其土壤水分情況為梯田>草地>林地；趙丹陽等研究水分對不同林地類型的響應(yīng)認為，天然次生林的年平均土壤儲水量情況均優(yōu)于人工刺槐林；王莉等研究認為，在青海高寒地區(qū)華北落葉林適宜種植在水分較虧缺地區(qū)作為水土保持樹種，青海云杉則適宜種植在水分條件較好地區(qū)作為水源涵養(yǎng)林；程一本等揭示了黃土丘陵風沙區(qū)土壤水分垂直分布規(guī)律，提出該區(qū)域檉柳的合理種植密度為1 923株/km。但是針對立地條件的基準下土壤水分變化的研究較少。因此，本文選用沙棘作為試驗樹種，研究其在不同立地條件下的土壤水分分布特征及生長情況，以期為該地區(qū)荒山治理、造林選地和生態(tài)建設(shè)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

瑪納斯縣地屬新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州，屬于典型的中溫帶大陸性干旱半干旱性氣候，冬季嚴寒且時間長，夏季干旱且時間短。年日照時間長達2 750 h。由圖1可知，降雨主要集中在5—9月，年平均降水量173.3 mm，占全年降水量的27%，年均蒸發(fā)量約1 500～2 000 mm；年平均氣溫為4.7～5.7 ℃，且季節(jié)性氣溫相差較大，夏季極端氣溫高達43.1 ℃，冬季極端氣溫低達-42.8 ℃。

圖1 試驗地氣象數(shù)據(jù)

1.2 試驗地布置

開始機械整地前對試驗地土壤環(huán)境進行分析，做好整地的各項準備工作，為林木的生長發(fā)育提供一個較為良好的環(huán)境。用小型挖掘機在造林地挖出排列整齊的樹坑，后通過人工將樹坑修筑成規(guī)格為60 cm×60 cm×80 cm的魚鱗坑。由于造林地為坡地，所以根據(jù)坡向在魚鱗坑的下側(cè)部分填筑較多的土，防止雨水沖垮，上側(cè)部分則不需要填土。魚鱗坑的行間距為3 m×2 m，在魚鱗坑的上側(cè)部分進行整平，兩側(cè)進行填土加高，使其修筑成長為2 m、寬為1 m的長方形集水區(qū)，同時覆蓋集水膜，使天然降水能夠匯流在魚鱗坑上側(cè)的集水區(qū)，沿地勢向下流動，在集水區(qū)匯集流入魚鱗坑。為滿足集水區(qū)需面積一致的試驗要求，對集水區(qū)的整平及覆蓋集水膜均需進行核驗。

1.3 研究方法

1.3.1 氣象資料 查詢中國氣象網(wǎng)，每日記錄最高氣溫、最低氣溫、降水量等信息。

1.3.2 土壤水分測定 于2021年3月25日在每塊樣地魚鱗坑內(nèi)布置TRIME—TDR測管，同年5—9月采用TRIME—TDR測定儀測定土壤體積含水率，分別于每月上旬、中旬及下旬對土壤體積含水率進行測定，監(jiān)測最大深度為1 m，10 cm為1層監(jiān)測指標，重復3次，采用土鉆取土樣，取土深度與儀器監(jiān)測深度相同，采用烘干法對儀器探頭所測數(shù)據(jù)進行標定，標定方程為：=-00062+01822+19415，=0.956。

1.3.3 生長指標測定 平均地徑：采用十字交叉法(東西、南北方向)對植株逐一掛牌標記測量試驗植株地徑；新枝長度：每個處理選取長勢均勻的3棵沙棘，從新枝開始生長時，在不破壞新枝生長的狀況下在每棵試驗樹種上標記一處新枝用卷尺進行長度積累量觀測；植株株高：將試驗植株逐一自地表到株冠測定高度；存活率=存活沙棘數(shù)/沙棘總數(shù)

1.3.4土壤儲水量 計算公式為：

式中：為一定深度的土壤儲水量(mm)；為劃分的土壤層數(shù)；為土層體積含水率(%)；為第層土壤厚度(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理，使用SPSS 20軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、單因素方差分析及Duncan多重統(tǒng)計分析，采用Origion 2018軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 立地條件下沙棘土壤水分的時間分布

2.1.1 坡向?qū)ι臣寥浪謺r間的變化影響 由圖2可知，陰陽兩坡土壤儲水量大體呈正弦趨勢變化，5—6月土壤儲水量呈不同速率的下降趨勢，陽坡較陰坡下降速度快；6—7月土壤儲水量開始一致大幅度提高；7—9月土壤儲水量表現(xiàn)出不同程度波動，其中陽坡下降幅度較大。

圖2 不同坡向土壤儲水量

在0—100 cm的土層中，隨著時間變化，不同月份下土壤儲水量陰坡均大于陽坡，2塊沙棘樣地土壤儲水量的峰值皆出現(xiàn)在7月，其中陰坡最大儲水量為183.07 mm，較陽坡的最大儲水量多11.14 mm，土壤儲水量的谷值均出現(xiàn)在5月底，其中陽坡的最小儲水量為121.10 mm，較陰坡的最小儲水量少16.19 mm。兩坡向土壤儲水量振幅由大到小分為陰坡(31.62 mm)，陽坡(29.70 mm)，土壤平均儲水量陰坡為157.82 mm，陽坡為146.47 mm。采用單因素方差分析法對陰陽兩坡沙棘土壤儲水量進行分析，結(jié)果顯示差異性極顯著(<0.01)，表明陰坡更有利于蓄積土壤水分。

2.1.2 坡位對沙棘土壤水分時間的變化影響 由圖3可知，坡頂、坡中及坡底沙棘土壤儲水量大體呈正弦變化趨勢，5—6月，3塊樣地土壤儲水量呈不同速率下降趨勢，下降速率由大到小分別為坡頂、坡中和坡底；6—7月，土壤儲水量開始一致快速上升；7—9月，儲水量逐漸降低，其中坡底和坡中下降較快。

圖3 不同坡位土壤儲水量

在0—100 cm的土層中，隨著時間變化，坡底沙棘土壤儲水量顯著高于坡頂，坡頂沙棘的平均土壤儲水量為111.34 mm，坡中沙棘為126.87 mm，坡底為146.47 mm，在5個月中坡底的儲水量均高于坡中及坡底。研究區(qū)內(nèi)的3塊樣地土壤儲水量的峰值均出現(xiàn)在7月，分別為171.93，155.82，138.66 mm；6月均出現(xiàn)土壤儲水量的谷值，分別為121.10，96.43，73.48 mm。3塊樣地土壤儲水量振幅由大到小分為坡底(32.59 mm)、坡中(29.70 mm)、坡頂(25.42 mm)，采用單因素方差分析法和Duncan多重統(tǒng)計分析對坡頂、坡中及坡底沙棘土壤儲水量進行分析，差異性極顯著(<0.01)，坡底沙棘的土壤儲水量明顯高于坡頂(<0.01)，其他樣地之間差異性不顯著(>0.05)，表明坡底土壤水分較好。

2.1.3 立地條件下土壤水分季節(jié)性劃分 觀察土壤儲水量的變化可以將土壤水分按照季節(jié)劃分，結(jié)果為消耗期(5—6月)、快速補充期(6—7月)和消退期(7—9月)。消耗期：氣溫升高，土壤蒸發(fā)加快伴隨著植株的生長，開始消耗土壤儲水量；快速補充期：7月氣溫升高，雖然沙棘的蒸騰耗水和土壤表層的蒸發(fā)消耗大量的水分，但是降雨量的增大對土壤中的水分充分補給并且提高，使得儲水量達到最高峰值；消退期：8月氣溫達到峰值同時降雨減少，土壤蒸發(fā)和沙棘蒸騰耗水旺盛，導致土壤水分減小，9月降雨量減少，土壤蒸發(fā)減弱，沙棘耗水減小，沙棘即將進入休眠期停止生長，土壤儲水量進入消退期。

2.2 立地條件下沙棘土壤水分垂直分布

2.2.1 坡向?qū)ι臣寥浪执怪弊兓挠绊?圖4為研究區(qū)內(nèi)沙棘生長季(5—9月)不同坡向的土壤水分垂直分布情況。5月土壤水分垂直變化顯著，陰坡沙棘于0—40 cm土層的含水率持上升狀態(tài)，40—100 cm土層的含水率持下降狀態(tài)；陽坡于0—50 cm土層含水率持上升狀態(tài)，50—100 cm土層持下降狀態(tài)；6月土壤水分垂直變化劇烈，陰坡沙棘0—60 cm土層含水率快速上升，60 cm后土壤含水率快速下降；陽坡沙棘10—50 cm土層含水率快速上升，50 cm后土壤含水率快速下降；7月土壤水分垂直分布變化明顯，陰坡沙棘于0—40 cm土層土壤含水率呈上升狀態(tài)，40—60 cm土層土壤含水率呈快速下降狀態(tài)，后60—100 cm土層呈穩(wěn)步下降趨勢；陽坡沙棘于0—70 cm土層土壤含水率上升后下降，70—100 cm土層呈穩(wěn)步下降；陽坡含水率在0—60 cm隨土層深度的加深呈快速增加后再迅速下降，60—100 cm土層呈穩(wěn)定下降趨勢。9月陰陽坡土壤水分變化趨勢大致相同，陽坡含水率呈先增大后減小趨勢，陰坡土壤含水率在0—30 cm土層之間出現(xiàn)波動，呈先增大后穩(wěn)步減小的趨勢。

圖4 不同坡向沙棘土壤水分垂直分布

在0—100 cm的土層中，陰坡沙棘平均含水率為18.47%，陽坡沙棘平均含水量為16.88%，陰陽坡沙棘含水率最大值均出現(xiàn)在40—60 cm土層，最小值均出現(xiàn)在100 cm土層。采用單因素方差分析法分析陰陽坡沙棘在垂直方向?qū)ν寥篮什町愃剑Y(jié)果顯示差異性極顯著(<0.01)，證明土壤水分的垂直分布變化在坡向不同的基礎(chǔ)上具有顯著影響，同時表明陰坡沙棘土壤含水率均高于陽坡。

2.2.2 坡位對沙棘土壤水分垂直變化的影響 圖5為試驗區(qū)內(nèi)沙棘樣地不同坡位土壤在5—9月的垂直分布情況。5月，坡頂沙棘0—50 cm土層土壤含水率快速上升，在50—70 cm土層則呈下降趨勢，70—100 cm下降速度變緩；坡中沙棘在0—50 cm呈波動增長，50—100 cm含水率波動下降；坡底沙棘土壤含水率于0—50 cm呈不同速率增長，50 cm后緩慢下降；6，7，8月，不同坡位的土壤水分垂直分布趨勢相似。6月坡頂?shù)纳臣?—50 cm土壤含水率增大，50—100 cm逐步減小，坡中及坡底沙棘于0—60 cm土壤含水率快速上升，60—100 cm下降；7月坡頂、坡中及坡底土壤含水率較6月和5月總體增大，其土壤含水率在0—50 cm增大，50—100 cm減??；8月土壤含水率較7月減小，0—50 cm坡頂、坡中及坡底土壤含水率增長呈遞增狀態(tài)，50—100 cm減少；坡頂、坡中及坡底減小速率呈遞減狀態(tài)；9月土壤水分垂直分布大致呈波動增長后快速減小趨勢，坡頂沙棘10—50 cm快速增長，隨后至100 cm減??；坡中及坡底于0—60 cm呈不同程度增長，坡底增長速率明顯高于坡中，60—100 cm呈不同速率減小，坡中減小速率明顯高于坡底。

圖5 不同坡位土壤水分垂直分布

在0—100 cm的土層中，坡頂、坡中及坡底沙棘平均含水率分別為14.32%，16.72%和18.84%。3塊樣地土壤含水率峰值皆出現(xiàn)在50—60 cm土層范圍內(nèi)，谷值則皆出現(xiàn)在100 cm處。采用單因素方差分析法和Duncan多重統(tǒng)計分析對坡頂、坡中及坡底沙棘土壤含水率垂直剖面進行分析，結(jié)果顯示差異性極顯著(<0.01)，證明土壤水分的垂直分布變化在坡位不同的基礎(chǔ)上具有顯著的影響，同時表明坡底水分條件較好，坡中及坡頂次之。

2.2.3 立地條件下土壤水分垂直分層 根據(jù)宋小林等、李增堯等和韓曉陽等對土壤水分垂直分布的劃分研究，結(jié)合沙棘的根系分布情況，采用變異系數(shù)法對研究區(qū)內(nèi)各個沙棘樣地0—100 cm土層進行垂直劃分，分別為顯著變化層(Cv>0.2)、次變化層(0.2>Cv>0.1)及相對穩(wěn)定層(Cv<0.1)，劃分情況見表1和表2。

表1 不同坡向沙棘年生長季平均土壤含水率及變異系數(shù)

表2 不同坡位沙棘年生長季平均土壤含水率及變異系數(shù)

顯著變化層：天然降雨進入該土層，使得土壤含水率快速增加，降雨結(jié)束，土壤水分的下滲、土層的蒸發(fā)以及植株根系吸水導致形成顯著的變化層；該層對植株的生長作用影響不大，水分的利用效率不高，因此也被稱為水分弱利用層；次變化層：降雨后雨水下滲到該土層，對該土層進行水分補給，同時林木根系主要吸水也是在該土層，次變化層因受降雨水分補給和根系吸水時水分消耗的2種作用，在干旱時期土壤水分虧缺，進入雨季土壤水分得到補充，具有明顯的季節(jié)性變化，該層對植株的生長具有重要的作用，被稱為水分高效利用層；相對穩(wěn)定層：天然降水難以下滲到該土層，同時植株的根系數(shù)量在該層減少，土壤的蒸騰作用也減弱，土壤含水率較低但較其他2層穩(wěn)定，在豐水年時充沛的降水可深入該土層，在枯水年時可以向上層提供水分以保證植株的存活，是干旱年時對林木的保障層。

表3和表4為不同立地條件沙棘土壤水分剖面根據(jù)變異系數(shù)數(shù)值劃分，結(jié)果顯示，顯著變化層為陰坡沙棘和坡底沙棘0—20 cm土層、陽坡、坡頂和坡中0—40 cm土層；次變化層為坡頂沙棘40—60 cm土層、陽坡和坡中40—80 cm土層及陰坡和坡底20—80 cm土層；相對穩(wěn)定層為坡頂沙棘60—100 cm土層、陰陽坡、坡中和坡底80—100 cm土層。

表3 不同坡向沙棘樣地土壤水分垂直劃分

表4 不同坡位沙棘樣地土壤水分垂直劃分

2.3 立地條件下沙棘的生長狀況影響

經(jīng)過試驗記錄不同坡向?qū)ι臣拇婊盥始爱斈晟L量，結(jié)果顯示陰坡情況較好，樣地內(nèi)陰坡沙棘的平均地徑為21.42 cm，新枝長度為18.40 cm，植株株高為154 cm，存活率為86%；樣地內(nèi)陽坡沙棘的平均地徑為12.77 cm，新枝長度為11.30 cm，植株株高為123 cm，存活率為67%。同時不同坡向沙棘的存活及生長經(jīng)過多重比較分析，差異性均達極顯著水平(表5)。

表5 不同坡向?qū)ι臣拇婊盥始爱斈晟L量與多重比較分析

通過對比不同坡向?qū)ι臣拇婊盥始爱斈晟L量試驗以坡底情況較好，試驗區(qū)內(nèi)坡頂沙棘平均地徑為11.80 cm，新枝長度為11.20 cm，植株株高為122.20 cm，存活率為62%；試驗區(qū)內(nèi)坡中沙棘平均地徑為16.42 cm，新枝長度為14.30 cm，植株株高為140.4 cm，存活率為80%；試驗區(qū)內(nèi)坡底沙棘平均地徑為21.30 cm，新枝長度為18.20 cm，植株株高為152.00 cm，存活率為82%。對不同坡位沙棘的地徑、新枝長度、新枝長度及存活率4個指標進行多重比較分析，其差異性均呈極顯著水平(表6)。

表6 不同坡位對沙棘的存活率及當年生長量與多重比較分析

3 討 論

研究土壤水分時間變化顯示，季節(jié)性變化差異顯著。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)沙棘生長季天然降雨的分布趨勢(低—高—低)，將水分按季節(jié)劃分為消耗期(5—6月)、快速補充期(6—7月)和消退期(7—9月)。在消耗期(5—6月)因冬季融雪和少量的降雨雖然使得土壤水分得到補充，但是在生長季的初期沙棘對水分的需求較大，水分補充小于根系吸水，加之溫度升高，導致土壤蒸騰耗水，使得土壤水分不增反減，這與陳珊珊等的研究結(jié)果相似；快速補充期(6—7月)降水量大大提升使得土壤水分得到充分的補充，補充大于消耗使得土壤水分達到生長季中的峰值，與王帥兵等的研究結(jié)果一致；消退期(7—9月)降水量減少，沙棘進入生長季的末期，氣溫達到最高，土壤蒸騰最大，土壤含水率逐漸減小。土壤水分變化及季節(jié)劃分受到研究地區(qū)不同、降雨分配不同及樹種不同等方面的影響，不同立地條件對水分的影響具有一定的差異性，因此對于土壤水分季節(jié)劃分與張敏等和孔凌霄等的研究結(jié)果不同。

土壤水分垂直變化分布存在相似的趨勢，均為先增大后減小，降雨對土壤水分顯著變化層和次變化層影響較大。降雨使得雨水下滲，土壤蒸騰使得水分上升，根系吸水消耗，使得土壤水分在2個變化層呈波動狀，而相對穩(wěn)定層對此則影響不大，根據(jù)變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，與陳洪松等和蘇瑩等的變異系數(shù)隨著土層深度的增大而減小的結(jié)果相同，與張曉梅等的研究結(jié)果不同，這可能是與當?shù)貧夂驐l件不同以及土層深淺不同相關(guān)。

陰坡較陽坡土壤水分較高，陰坡沙棘長勢及存活情況明顯高于陽坡，因陽坡光照時長及強度高于陰坡，使得陽坡土壤水分蒸發(fā)較大，土壤儲水量較和坡頂沙棘長勢及存活情況低于坡中和坡底，因坡底地勢較低，受到重力的影響，有利于水分匯集及下滲，使得坡底土壤水分條件較好，這與朱海等研究結(jié)果相同。

綜上所述，新疆瑪納斯地區(qū)沙棘種植中應(yīng)當考慮立地條件對土壤水分的影響，建議在陰坡坡底種植，此時土壤水分情況適宜，對土壤水分利用較好。土壤水分分布及動態(tài)生長不僅與降水有關(guān)，還應(yīng)考慮種植密度、樹齡、林木種類等眾多影響因素。因此，在今后的研究中還需綜合考慮多個影響因子，以期使研究結(jié)果更加深入，更加完善。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)內(nèi)季節(jié)性變化分為消耗期、快速補充期和消退期，主要影響因素為天然降水量的分配情況。

(2)樣地內(nèi)土壤水分垂直劃分層次為土壤水分顯著變化層、土壤水分次變化層和土壤水分相對穩(wěn)定層，隨著土層的加深，土壤水分含量皆呈先增大后減小的變化趨勢。

(3)立地條件對于沙棘存活和生長情況具有顯著影響，陰坡土壤水分情況優(yōu)于陽坡，坡位越低土壤水分越好，植株生長及存活情況與土壤水分情況趨勢相同。