2.1 多年生人工林地土壤水分垂直变化规律
试验区柠条于4月下旬开始发芽,生出幼苗,逐渐展叶; 从5月中旬到6月中旬快速生长达到展叶盛期; 6月下旬到8月初果实成熟; 其后9月中旬生长速度减缓进入落叶硬化期[8-9]。同时,该区域内年降水主要集中在6—9月,占到全年降水量的75%。因而在此期间,土壤水分的变化极为敏感[8]。土壤水分得到大量的补充又受到高度的消耗,其垂直变化表现出不同规律。以2018年柠条生长期所测土壤剖面水分数据为例,并以同等条件下的撂荒地为对照,研究土壤容积含水量在垂直方向上的变化规律。由图1看出,柠条林地和撂荒地土壤容积含水量具有相同的变化趋势。在0—200 cm土层深度,撂荒地和柠条林地每个月的土壤容积含水量都具有较大的变化幅度,均为先增加后减小; 而在200—400 cm,二者容积含水量均以相近的变化幅度稳定增加; 在土层深度400 cm之后,撂荒地和柠条林地的土壤容积含水量均表现出快速恢复的趋势。并且,在0—200 cm土层深度时,撂荒地和柠条林地的土壤水分含量基本上接近。其后土层深度为200—400 cm,柠条林地的土壤水分含量接近撂荒地,二者含量几乎相同。随着土层深度的增加,撂荒地的土壤水分含量逐渐高于柠条林地。特别是在400 cm以下的土层中,二者均呈现出波折上升后趋于稳定,可以看出撂荒地的土壤水分含量显著高于柠条林地土壤水分含量。
分析其原因,是由于在地面到200 cm深的土层内,较浅层的土壤更易受到降水的补充或是蒸发散作用的消耗,使得土壤容积含水量的变化较大。而深层土壤水分不易受到蒸发散和大量植物根系吸收的消耗,进而含有较高的土壤容积含水量。该区域内降水稀少,但却是土壤水分唯一的补充来源,而且发生入渗具有一定的滞后性。强且密集的连续降水对深层土壤水分才有一定的补给[10],在发生最大降雨量(623.3 mm)之后的第二年达到最大入渗深度,仅为290 cm[11]。深层土壤水分难以得到补充,加之柠条具有更长的根系,消耗更深土层的土壤水分。另外,多年生人工柠条林地中的林下植被,较撂荒地上所生长的植被而言,更为茂密,长势更好。进而,也加剧了对植被对土壤中水分的消耗利用。
由于该区域降水的主要补给是通过降雨,而降雨具有一定的季节性,以至于土壤水分含量在季节的变化中呈现出一定的规律性。由图1所示,柠条林地平均土壤容积含水量在9月份时最多为8.63%,其次是7月份为8.18%,4月份和8月份的含水量分别为7.90%和7.82%,最少的是5月、6月份7.44%和7.41%。在而撂荒地平均土壤容积含水量则在7月份时最多为9.15%,其次为9月份和8月份分别为9.08%,9.06%,5月份和6月份的平均土壤容积含水量分别为8.49%,8.14%,4月份最少为7.88%。由于在柠条林的生长季内有大量降雨的补给,加之降雨对土壤水分补给的滞后性,加之9月份后柠条林生长变缓,使得土壤水资源在9月份最多。而7月、8月份的土壤含水量远高于5月、6月份的土壤含水量,其原因一方面是柠条在5月、6月处于速生阶段,需水量远远大于降雨对土壤的补给量; 另一方面,在7月、8月份,均有过次降雨量超过50 mm的暴雨级别降雨,土壤水分得以补充。而撂荒地土壤水分各个月份的差异,则主要是受到降雨季节变化的影响。
图1 2018年4-9月成年柠条林地与撂荒地土壤容积含水量垂直变化
2.2 柠条林地与撂荒地土壤水分比较
通过经典统计学方法得出的土壤体积含水量的描述性特征(表1)。在柠条林的生长期内,柠条林地和撂荒地不同深度的土壤体积含水量均值分别在4.18%～14.67%和2.87%～15.01%,二者均随着深度的增加其土壤体积含水量表现出先增加—后减小—再增加的趋势。在变异系数上而言,除了撂荒地160—180 cm、柠条林地120—140 cm土层深度的较其他深度突然升高外,其余土层的土壤体积含水量变异系数都随着深度的增加而减小,其中撂荒地的变化区间为为7.39%～34.63%,柠条林地的变化区间为3.27%～31.12%。按照剖面土壤水分垂直变化变异系数划分:速变层(CV≥30%)、活跃层(CV:20%～30%)、次活跃层(CV:10%～20%)以及相对稳定层(CV≤10%)[12-13]。因而,对柠条林地和撂荒地土壤体积含水量垂直变异分层分别为:0—40 cm为速变层,40—100 cm为活跃层,100—160 cm为次活跃层,160—220 cm为稳定层; 0—40 cm为速变层,40—80 cm为活跃层,80—140 cm为次活跃层,180—220 cm为稳定层。因二者的土层深度均达到220 cm时,其各自变异系数均小于10%达到稳定层,且220 cm以下土层变化均不显著为稳定层,故可用0—220 cm深度土层的土壤体积含水量变异系数代表整个研究深度土层(0—760 cm)。由表一看出,在0—40 cm土层土壤体积含水量的变异系数最大,均为速变层,原因是受到地表降水的入渗补充、温度、通风状况以及蒸腾等外部作用使得该层土壤变化频繁。接着到达活跃层,在该层林木根系耗水和降水是影响其土壤含水量的变化主要因素,当土壤含水量受到植被消耗时,在水势梯度的作用下,深层土壤水分朝上转移,植被生长需要得以保障。因撂荒地没有柠条蒸腾作用的影响,并且所覆盖的植被根系深度不及柠条根系,对土壤水分的消耗较少,故比柠条林地在深度上更早的到达次活跃层。随后更深的土层受到外界干扰因素较少,其水分变化幅度小,含量较为稳定。
2.3 多年生人工柠条林的生长对土壤水分的影响
营造人工林的初衷是为了形成现实生产力并且能够改善生态环境的功能,而这些功能的发挥则需以群落或林分体系来实现,因而达到有效植被群落质量标准是建设人工林的基本要求[14]。同2002年该柠条林地密度65株/m2相比较[15],多年生的柠条林地密度减少了32株/m2,降低幅度为49.2%。人工林地植株密度的降低,由于柠条林间个体对水肥的竞争,导致竞争能力弱的个体死亡; 另外,该区域植物生长需水的唯一来源就是土壤水分,植物根系吸水、蒸发、蒸腾作用的耗水,加之不能及时得到降水的补充,导致土壤水分不断下降,形成土壤干层,造成植物的萎蔫甚至永久的衰败。对2018年柠条林地柠条生长期内土壤容积含水量的平均值进行分析,研究二者土壤容积含水量总体垂直变化特征。如图2所示,在浅土层0—200 cm处,二者的土壤容积含水量总体上随着土层深度的增加经历了先增加后减少的过程。在0—20 cm土层深度的土壤,是中子源的部分中子在近地面发生逸散现象; 另一方面,该层次土壤受到外界影响大,具有强烈的蒸散作用,进而导致该层土壤容积含水量偏低。在其后的土层中,二者土壤容积含水量因降水补充的影响逐渐减弱呈现出下降的趋势,多年生的人工柠条林根系最深可超过500 cm,主要根系还是分布于0—150 cm土层[16]。因而,在20—200 cm土层内,植物根系对该土层间的水分大量消耗利用,使得在其含水量急剧下降。在200 cm土层深度左右出现转折,土壤容积含水量逐渐增多。其原因在于,蒸发散作用对深层土壤水分的影响作用甚微,以及水分受到重力的作用向下不断入渗。但在200 cm后的土层深度里,撂荒地土壤容积含水量与柠条林地土壤含水量的差量逐渐扩大,而在该层次深度的土壤中变异性弱,几乎不受外界环境的影响,可推断柠条林根系也影响着深层土壤水分。张文文等[17]于2012年通过CNC503 A(DR)型智能中子水分仪,对该区域即10 a生柠条林地和撂荒地土壤容积含水量总体变化进行全年定位观测。利用2012年柠条林地全年土壤容积含水量的平均值,所得出多年生的人工柠条林地和撂荒地土壤容积含水量,在不同深度土层的含量,以及随土层深度增加而呈现出的规律性变化与本文相同,即柠条林地土壤容积含水量随着土层深度的增加而减少,在200 cm土层深度时土壤容积含水量发生转折,开始随着土层深度的增加而增大,在土层深度450 cm左右时突破并一直高于萎蔫系数。而2012年仅是柠条林地的土壤容积含水量出现低于萎蔫系数的情况,撂荒地并未出现。与2018年柠条林地和撂荒地的土壤容积含水量均出现在萎蔫系数之下的情况不同,2018年柠条林地土壤容积含水量开始高于萎蔫系数时的土层深度,较2012年柠条林地土层深度更深。
