師發(fā)苗,郭 霞,鄧 磊

(1.互助土族自治縣林業(yè)和草原站,青海 海東 810500;2.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院,青海 西寧 810016)

青海東部黃土區(qū)地處干旱半干旱氣候區(qū),降水量少且分配不均,生態(tài)環(huán)境十分脆弱。退耕還林還草工程的實(shí)施,使該區(qū)域植被得到了有效恢復(fù),大量工程化造林未能充分考慮適地適樹(shù)問(wèn)題,隨著人工林生長(zhǎng)發(fā)育,種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)、土壤干層、生產(chǎn)力衰退等一系列問(wèn)題顯現(xiàn)[1]。土壤水分是限制植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子,也是影響流域水量平衡和區(qū)域水文循環(huán)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(lèi)型等多重因素影響,是水分循環(huán)過(guò)程中林分結(jié)構(gòu)與功能的綜合體現(xiàn)[3-5]。開(kāi)展旱地造林土壤水分特性研究,對(duì)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(qū)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(duì)象,在生長(zhǎng)季對(duì)林地土壤水分分布和水分運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行定位觀測(cè),研究該區(qū)域典型立地人工林分土壤水分特性及耗水特性,驗(yàn)證該區(qū)域旱地造林樹(shù)種是否適應(yīng)當(dāng)?shù)厮謼l件,能否有效發(fā)揮人工林水土保持功能、維持水分收支平衡,為該區(qū)域的植被建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省互助土族自治縣哈拉直溝鄉(xiāng),屬于黃土高原西側(cè)黃土區(qū),海拔2 280～2 422 m,年均溫度1～6.5 ℃,無(wú)霜期113 d,年均降雨量376 mm,降雨季節(jié)分布不均,多集中在7、8、9三個(gè)月,植物生長(zhǎng)季(5-9月)降雨量達(dá)310 mm,約占全年降雨量的82%,雨熱同季,年均蒸發(fā)量為1 470 mm,屬于大陸性高原氣候,土壤為栗鈣土。研究區(qū)內(nèi)零星分布灌木樹(shù)種有檸條、沙棘,平均蓋度為13%,草本植物有披堿草、蒿類(lèi)等,平均蓋度為20%。2021年,區(qū)域內(nèi)在原生灌木中開(kāi)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(diào)查

2023年根據(jù)研究區(qū)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(shù)種在坡上、中、下選擇樣地3個(gè),樣地面積20 m×20 m,共設(shè)置9個(gè)樣地。各個(gè)樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本情況

1.2.2 土壤儲(chǔ)水特性

在樣地內(nèi)沿對(duì)角線挖取3個(gè)深度為100 cm的土壤剖面,每隔20 cm取樣,用100 cm3環(huán)刀取樣,每層3個(gè)重復(fù)。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,把環(huán)刀放入水平盛水容器中24 h,水面低于環(huán)刀高度,使水分從環(huán)刀下部被吸滲進(jìn)入土壤。使用離心機(jī)法測(cè)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(fù)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(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)。

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(fā)量和林冠截流量之和。由于研究區(qū)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(fā)較少,因此本研究只統(tǒng)計(jì)了生長(zhǎng)季各月各林分的蒸騰耗水量和林地土壤蒸發(fā)量,結(jié)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(jì),采用瞬時(shí)剖面法每隔20 cm深度定時(shí)觀測(cè)土壤水勢(shì),結(jié)合體積含水量,確定相應(yīng)范圍內(nèi)的水分特征關(guān)系曲線與非飽和土壤導(dǎo)水率[8],并結(jié)合定位通量法[9],計(jì)算出各樣地地下部分的耗水總量,其數(shù)值與實(shí)測(cè)林冠截留之和,為林地耗水量。

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

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2021 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析,Origin 2022繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林木不同土層土壤儲(chǔ)水量研究

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

表2 不同林木生長(zhǎng)季0～100 cm土層土壤儲(chǔ)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(shì)方程如表3所示。樣地內(nèi)各土層土壤水勢(shì)均可用指數(shù)函數(shù)模型φ=ae-bθ表示,不同林地土壤持水量呈現(xiàn)迅速下降,后逐漸變緩的變化規(guī)律。祁連圓柏林地的土壤水勢(shì)高于檉柳林地和山杏林地,這說(shuō)明在相同土壤水吸力作用下,祁連圓柏林地的持水性?xún)?yōu)于山杏和檉柳林地。

表3 不同林木生長(zhǎng)季土壤水勢(shì)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(zhǎng)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(dá)到生長(zhǎng)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(zhǎng)季0～100 cm土層土壤耗水量

3 討論與結(jié)論

植被類(lèi)型是研究青海東部黃土區(qū)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(chǔ)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(duì)于黃土區(qū)灌木林地剖面土壤水分環(huán)境研究結(jié)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(chǔ)水不足,導(dǎo)致土壤水分消耗;7、8月份氣溫升高,雨季來(lái)臨,林地蒸散作用強(qiáng)烈、天然降雨大量補(bǔ)充,土壤水分得到緩慢恢復(fù)。整個(gè)生長(zhǎng)季期間,祁連圓柏、山杏、檉柳林地0～100 cm深度土壤儲(chǔ)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(nèi)。結(jié)合不同深度土壤儲(chǔ)水量,祁連圓柏、山杏、檉柳土壤儲(chǔ)水狀況較好,未出現(xiàn)土壤干層、土壤水分過(guò)度消耗等現(xiàn)象。

土壤持水特征是判斷不同林分土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水分的重要指標(biāo)[11],其差異主要受土壤質(zhì)地和孔隙結(jié)構(gòu)等物理特性影響。本研究發(fā)現(xiàn),祁連圓柏林地土壤水勢(shì)高于山杏林地和檉柳林地,可見(jiàn)造林初期,祁連圓柏林地土壤持水性最優(yōu),檉柳林地持水性最差。這可能是因?yàn)樵炝謽?shù)種選擇時(shí)樹(shù)種大小的差異,祁連圓柏、山杏相比檉柳栽植過(guò)程中帶有更大的土球,短期內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中根際土壤的黏粒差異引起土壤粒級(jí)的不同,進(jìn)而影響土壤水分差異[12]。

生長(zhǎng)季期間,林地耗水量呈現(xiàn)出先增加,在7、8 月份達(dá)到峰值后逐步減少的趨勢(shì),期間山杏林地耗水量高于祁連圓柏和檉柳林地,這與常國(guó)梁等[13]對(duì)退耕還林工程區(qū)的林木耗水特性研究結(jié)果一致。生長(zhǎng)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(fā)較弱,林分蒸騰在林地總耗水中起主導(dǎo)作用,于是闊葉樹(shù)種山杏耗水量大于針葉樹(shù)種祁連圓柏和灌木樹(shù)種檉柳。7、8月份土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈,林下土壤蒸發(fā)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(fā)小于山杏林地,于是祁連圓柏林地耗水量小于山杏林地。

對(duì)青海東部黃土區(qū)旱地開(kāi)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(qū)域的植被建設(shè)過(guò)程中,要注意控制林地耗水量,對(duì)林分密度進(jìn)行合理調(diào)整,保證林分正常生長(zhǎng),加強(qiáng)喬灌樹(shù)種配置營(yíng)造復(fù)層結(jié)構(gòu),增強(qiáng)群落水土保持功能及可持續(xù)發(fā)育。