本研究结果表明,随着柠条种植年限的增加(尤其在15 a后),土壤含水量及其变异性均逐渐减少,说明柠条种植15 a后对0—100 cm土层含水量整体消耗增加。这与已有的研究结果相似,李小芳等[7]通过对黄土丘陵区柠条土壤水分研究发现柠条生长10 a后,随其根系的下伸,土壤水分亏缺加剧,水分生产力下降。自然生长的草本植物根系分布较浅且水分利用程度小,与自然恢复的撂荒草地相比,人工植被根系较草本植物分布深,随种植年限增长,根系越为发达,耗水能力增强导致土壤水分逐渐减少。植被恢复过程中高耗水人工植被的引入会改变土壤水分空间结构,降低其空间异质性[21-22]。邵明安等[23]对黄土高原人工柠条林的根系分布研究也表明,大部分根系主要分布在地表0—150 cm 土层范围内,毛根主要分布在0—20 cm 土层范围内。毕建琦等[24]指出0—60 cm土层集中了60%的根系生物量,与本研究结果相似。
坡面不同坡位的土壤含水量差异也是土壤水分空间异质性的重要部分。本研究发现,土壤含水量表现为坡顶最高,坡中和坡下次之,坡上显著低于其他坡位,这一结果与前人研究结果并不完全一致。苏子龙
[25]和葛翠萍
[26]等的研究表明,黑土区坡面土壤含水量沿坡长增加方向呈先降低后升高的趋势,且坡中含水量最低,坡脚含水量最高。而在其他地区,单一土地利用结构坡面土壤水分随坡长增加而增加
[27-29]。本研究坡顶水分含量最高,可能由于坡顶地势较为平缓,降水入渗量较大。但坡肩、坡上、坡中含水量均低于坡下是相似的,主要由于重力作用使水分向低处坡下汇集,加之高坡位所受太阳辐射较强导致水分蒸发量大于低坡位
[30]。
在本研究中,无论在各样地还是不同坡位,灌草部位对土壤水分分布产生了显著影响,带后位置的土壤水分含量均为最低。党汉瑾等[16]研究表明,降雨后柠条植物篱100 cm土层内水分含量整体为带内>带前>带间>带后,水分向带内汇聚的趋势明显。吕文强等[17]研究表明,柠条植物篱系统只有带间土壤水分不亏缺,带后、带前、带内均为亏缺。本研究也显示,柠条条带各空间位置显著差异主要出现在坡上、坡中、坡下,各空间位置含水量均为0—40 cm土层变化范围较大且带间较其他位置偏高,40—100 cm基本趋于稳定且带内较其他位置偏高。各样地、各坡位、各土层带后位置水分均亏缺,且柠条种植35 a样地0—40 cm土层亏缺严重,坡肩、坡下亏缺严重。有研究认为,随土层增加,地形因子对土壤水分作用减小[31],因此40—100 cm水分含量基本趋于稳定。土壤浅层含水量主要为降水补给,由于样品采集坡面柠条种植为反坡台地形,可蓄积水分,且柠条根系分布较深,自身对降水及地表径流有一定拦蓄作用,故40—100 cm带内较其他位置偏高。可能由于柠条根系沿坡面向下伸长,根系耗水能力较强,且由于柠条拦蓄作用,水分未能及时补给,使带后土壤水分含量降低。
环境因子对坡面土壤水分的影响较复杂,各因素间通常具有一定的关系[32]。已有研究表明,土壤水分的空间异质性是坡地尺度(海拔[33]和坡位[34])、立地尺度(坡度[35])、土地利用[32]等环境因子共同作用的结果[36]。本研究通过对柠条种植年限、海拔、坡度、坡位、灌草部位5个环境因子和土壤含水量进行冗余分析,发现种植年限、海拔、坡度对土壤含水量的影响程度较大,这与已有研究相似[34],而灌草部位对其的影响程度最小,究其原因,可能在于其与其他环境因子相比尺度过小,掩盖了其差异性。此外,相邻柠条带间距也可能影响土壤含水量。许德生[37]在对内蒙古阴山北麓5,10,16 m带间距柠条林土壤水分的研究中表明,柠条带间距对土壤含水量垂直(土层)方向和水平(距柠条带)方向均有显著影响,其变化与柠条的根系质量分布有关,认为10 m带间距更有利于柠条的生长。由于本研究样地相邻柠条带间距较为统一(2～3 m),对土壤含水量的影响可能主要与柠条根系分布和耗水有关。但关于不同柠条带间距是否对灌草部位土壤水分分布产生影响,以及坡面柠条种植相关的适宜带间距等问题在未来工作中可以进一步研究。
本研究测定的土层深度为0—100 cm,该深度土壤水分变化既有柠条吸收利用水分导致含水量降低的负效应,也有柠条带拦蓄水分促进径流入渗的正效应,该深度还不足以说明柠条种植导致土壤出现干层的具体特征,在柠条植物篱系统下深层土壤水分特征有待进一步研究。此外,以往研究还发现人工植被对土壤水分的过度消耗导致土壤水分亏缺,是引起林地退化的原因之一[38]。因此,在半干旱黄土区进行植被恢复时应充分结合立地条件考虑条带性人工植被的选择问题,依据土壤水分的植被承载力考虑其长期适宜区域降水量的问题,提高土壤水分入渗率,有效减少坡面土壤侵蚀,以更好地维持植被恢复的可持续性。
