晋西黄土区水土保持林地的土壤水分和养分特征

田宁宁,张建军,茹豪,李玉婷,丁杨,张艳婷

(北京林业大学水土保持学院,100083,北京)



晋西黄土区水土保持林地的土壤水分和养分特征

田宁宁,张建军†,茹豪,李玉婷,丁杨,张艳婷

(北京林业大学水土保持学院,100083,北京)

摘要：为了探讨水土保持林地的土壤水分和养分特征，以晋西黄土区油松林地、刺槐林地、次生林地3种水土保持林地为研究对象，采用EnviroSMART土壤水分定位监测系统对各林地的土壤水分进行监测，并对土壤养分和根系密度进行调查。结果表明：1)3种林地0～150 cm土层平均含水量的由大到小排序为次生林地>油松林地>刺槐林地；2)次生林地和刺槐林地土壤水分的月动态变化整体趋势一致，但次生林地土壤含水量大于刺槐林地，油松林地土壤水分的月动态变化比其他2种林地波动剧烈；3)3种林地0～30 cm土层根系密度的大小关系为次生林地>刺槐林地>油松林地，根系密度随土层深度的增加而减小；4)3种林地0～30 cm土层的根系密度与土壤含水量呈显著负相关性；5)次生林地0～30 cm土层内有机质、全磷、全钾质量分数均明显高于油松林地和刺槐林地，油松林地和刺槐林地相差不大；6)3种林地有机质和全钾质量分数均随土层深度的增加而减少，全磷质量分数随土层深度的增加变化不明显。

关键词：土壤含水量； 土壤有机质； 全磷； 全钾； 水土保持林； 黄土区

项目名称： 国家林业公益性行业科研专项经费“天然林保护等林业工程生态效益评价研究”(201304308)

在晋西黄土残塬沟壑区，由于其特殊的地理环境和人们对自然资源的不合理开发，使得该地区的自然植被遭到了破坏，水土流失较为严重。长期的水土流失使土壤水分匮乏、养分贫瘠，土壤水分和养分已成为植被恢复的限制因子[1]。土壤是植被的载体，植物根系不断地从土壤中吸收水分和养分，以维持其正常生长；但在降水、蒸发等气象因素，坡度、坡向、坡型等地形因素，土壤类型和基岩等因素共同影响下，土壤水分和养分的空间分布不均必然会对植物生长产生影响，同时不同的植被类型也会影响土壤的水分和养分状况。

近年来，许多学者对土壤水分和养分特征进行了研究。王建国等[2]对黄土高原土壤水分进行研究后提出：5—7月为土壤水分的消耗期，8—10月为土壤水分的补偿期，不同土地利用方式下，土壤水分具有不同的季节波动特征；土壤垂直剖面含水量从表层到深层表现为先增加后减小再增加的趋势[2-4]。焦菊英等[5]研究了黄土丘陵沟壑区不同恢复方式下植被群落的土壤水分和养分特征，表明封禁条件下自然恢复植被的土壤水分、养分质量分数比人工林地高，无管理条件下的自然植被土壤水分和全磷质量分数较高，有机质和全钾的质量分数很低。根系的分布会影响到土壤水分的季节变化和养分的时空分布[6-7]，有根系存在的土壤表层养分质量分数高于无根系存在的坡面，且有根系存在时养分有明显的表聚现象[8-9]；不同树种相同的土壤层养分质量分数明显不同[10]。目前，将不同土地利用方式下根系密度与土壤水分和养分特征结合起来的研究并不多见。笔者采用EnviroSMART土壤水分定位监测系统，通过实时观测晋西黄土区油松(Pinustabulaeformis)林地、刺槐(Robiniapseudoacacia)林地和次生林地土壤水分，测定各林地的根系密度和养分质量分数，研究晋西黄土区水土保持林地土壤水分和养分特征，以期为晋西黄土区植被建设和森林合理经营提供参考。

1研究区概况

研究区选在位于晋西黄土区的山西省吉县屯里镇蔡家川流域，其地理位置为E110°39′45″～110°47′45″，N36°14′27″～36°18′23″，面积40.10 km2，海拔950～1 370 m，相对高差420 m，为黄土丘陵沟壑地貌，年均降水量579.1 mm，集中于7—9月，年际变化率大，年均气温10 ℃，年均蒸发量为1 723.9 mm，4—7月蒸发量最大，占全年蒸发量的54%，无霜期172 d，属于半干旱大陆性季风气候。研究区的土壤为碳酸性褐土，抗蚀性差，水土流失严重。

蔡家川流域以人工林和天然次生林为主，人工林树种主要有油松、侧柏(Platycladusorientalis(L.)Franco)、刺槐等，天然林树种主要有山杨(Populusdavidiana)、辽东栎(Quercuswutaishansea)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)等，另外还有胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、丁香(Syringa)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)等天然灌丛。

2研究方法

2.1样地选择

选取蔡家川流域中具有代表性的油松林地、刺槐林地、次生林地3种水土保持林地为研究对象，样地基本情况表见表1。次生林地中植被类型多样，乔木主要以山杨、辽东栎、白榆(UlmuspumilaL.)、杜梨(Pyrusbetulifolia)为主，灌木以丁香、胡颓子(Elaeagnus)、虎榛子、连翘(Forsythiasuspensa)、黄刺玫(Rosaxanthina)、三裂绣线菊(Spiraeatrilobata)为主，草本以褐穗莎草(CyperusfuscusL.)、皱叶酸模(RumexcrispusL.)、山萝花(MelampyrumroseumMaxim.)、披针叶茜草(Rubialanceolata)为主，郁闭度为85%，水土保持效果良好，为具有区域代表性的水土保持林地。

2.2土壤水分监测系统

在3种林地0～150 cm土层内埋设Enviro SMART土壤水分定位监测系统。EnviroSMART土壤水分定位监测系统由1个探测管、13个土壤水分探头、1个CR200数据收集器和1组电瓶组成。13个土壤水分探头在0～100 cm土层内每隔10 cm布设一个，在110、130和150 cm处各布设一个探头。这些土壤水分探头安装在轨道上后装入事先布设在林地的探测管中，每个土壤水分探头与CR200数据采集器连接，观测数据保存在CR200数据采集器中。EnviroSMART土壤水分定位监测系统于2012年8月布设后试运行，于2013年4月至11月间以每30 min监测1次的频度对油松林地、刺槐林地、次生林地的土壤水分进行测定。

2.3根系密度测定

在所选样地内通过每木检尺确定标准株。以标准株为中心，在距离标准株80 cm的地方选择3个取样点，取样点均匀分布在标准株周围。在每个取样点上用根钻采样，采样层次为0～10，10～20和20～30 cm，将根钻采取的样品带回室内，采用水洗的方法分离根系后，烘干称量。统计不同林地各土层的根系密度。

2.4土壤养分质量分数测定

在采取根系样品的同时，采取0～30 cm土层的土壤样品，经过室内风干后，根据GB 7830～7892—1987《森林土壤分析方法》[11]，测定土壤有机质、全磷、全钾的质量分数。

表1　样地基本情况

3结果与分析

3.1不同林地土壤水分的垂直变化

图1为油松林地、刺槐林地、次生林地4—11月0～150 cm土层的平均含水量图。

可见，油松林地0～150 cm土层的平均含水量为20.31%。在油松林地土壤剖面上0～10 cm土层的含水量最低，仅有12.60%；0～30 cm土层的含水量随土层深度的增加而增加；10～20 cm和20～30 cm土层的含水量分别为19.01%和21.94%；30～100 cm土层的含水量变化不大，在20.63%～22.44%之间波动。其中：土层30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90和90～100 cm各层的含水量分别为21.02%、21.66%、22.00%、21.17%、20.63%、21.67%、22.44%；90～100 cm土层的含水量为整个土壤剖面中最高；100～150 cm土层的土壤含水量随土壤深度的增加而逐层递减；100～110、110～130、130～150 cm土层的含水量分别为20.89%、19.81%和19.16%。这可能是由于在造林时油松林地采用了水平条整地，使得这些整地措施有效拦蓄的地表径流能够对土壤水分进行有效的补充。

刺槐林地0～150 cm土层的平均含水量为16.81%。刺槐林地表层0～10 cm的土壤含水量较低，仅为12.63%；0～40 cm土层的含水量随土壤深度的增加而逐层递增，40 cm处的土壤含水量为22.40%，是刺槐林地整个土壤剖面中土壤含水量的最高值；50～150 cm土层的含水量随土壤深度的增加而递减，130～150 cm土层为整个土壤剖面上含水量最低的土层，仅有11.67%。这说明刺槐林不仅仅消耗上层土壤中的水分，同时消耗深层土壤中的水分。

次生林地0～150 cm土层的平均含水量为22.77%，除20～30 cm土层以外，总体趋势为土壤含水量随土层深度的增加而增加。表层0～10 cm的土壤含水量最低，仅有11.99%；10～20 cm的含水量高于0～10 cm土层，为17.07%；土层20～30 cm的含水量为24.46%，明显高于10～20 cm(17.07%)和30～40 cm土层的含水量(17.79%)。50～150 cm土层，土壤含水量随土层深度的增加而增加，130～150 cm土层的含水量最高，为32.32%。

通过对油松林地、刺槐林地和次生林地土壤水分垂直变化的对比分析(图1)可见，次生林地0～150 cm土层的平均含水量最高(22.77%)，油松林地次之(20.31%)，刺槐林地最少(16.81%)。可见，黄土区不同植被条件下土壤的水分状况存在显著的差异，自然恢复的次生林地土壤含水量明显高于油松林地和刺槐林地。3种林地0～20 cm土层的土壤含水量相差不大；而次生林地20～30 cm土层的含水量高于油松林地和刺槐林地。各林地30～60 cm土层的含水量变化不大。次生林地70～150 cm土层的含水量明显高于油松林地和刺槐林地；因此可认为次生林地主要消耗表层土壤的水分，而油松林地和刺槐林地不但消耗表层土壤水分，而且对深层土壤水分的消耗显著大于次生林。刺槐林地的耗水量明显高于其他2种林地，能更多地消耗70 cm以下土层的水分。

图1　　油松林地、刺槐林地、次生林地土壤含水量随　深度变化图Fig.1　　Changes of soil moisture in different soil 　depths of three types of forest

3.2不同林地土壤水分的动态变化

图2为油松林地、刺槐林地、次生林地2013年4—11月0～150 cm土层含水量动态变化图。可以看出，4—6月为土壤水分消耗期，7—11月为土壤水分积累期。4—11月0～150 cm土层平均含水量分别为次生林地(22.77%)>油松林地(20.31%)>刺槐林地(16.81%)。4月，次生林地的含水量为18.44%，明显高于油松林地和刺槐林地，而油松林地(11.97%)和刺槐林地(12.23%)的含水量却相差不大；4月刺槐林地的土壤含水量为监测期间内的最低值。5月，次生林地、油松林地和刺槐林地的土壤含水量分别为21.34%、17.85%、13.86%，与4月相比，3种林地的土壤含水量均有所增加，这可能是5月63.6 mm的降雨量使土壤水分得到了补偿所致。6月，次生林地、油松林地和刺槐林地的土壤含水量分别为18.39%、15.47%、12.47%，与5月相比，3种林地的土壤含水量均有所下降，可能是6月降雨量(15.3 mm)较小、气温高、植物蒸散耗水多所致。7—11月，次生林地土壤含水量随时间的推移呈逐渐增加的趋势，7月的土壤含水量为18.21%，为监测期内次生林地土壤含水量的最低值，11月的土壤含水量为28.84%，为监测期内土壤含水量最高值。刺槐林地7—11月的土壤含水量也随时间的推移而增加，土壤含水量由7月的13.29%增加到11月的22.35%，11月为监测期内土壤含水量的最高值。油松林地7—11月期间，除8月土壤含水量(28.51%)较高外，土壤含水量随时间的推移而增加，7月土壤含水量为19.48%，11月为23.24%，8月的土壤含水量为监测期间内的最高值。

图2　油松林地、刺槐林地、次生林地土壤水分动态变化图Fig.2　　Dynamic changes of soil moisture in three types 　of forest

对3种林地监测期内土壤水分动态变化进行分析得到，次生林地的土壤含水量明显高于刺槐林地和油松林地，且次生林地和刺槐林地的土壤含水量随时间的变化趋势一致，波动的幅度相差不大，说明土壤水分的季节动态变化主要受降雨等气象因素的影响。油松林地土壤含水量高于刺槐林地，且油松林地土壤水分的波动要比刺槐林地剧烈，主要是由于油松林地造林时采用水平条整地，能够有效地拦截降水，使得降水过后的土壤水分大幅度增加。

3.3不同林地土壤水分与根系密度的关系

图3为油松林地、刺槐林地、次生林地根系密度及土层含水量图。可见，次生林地的根系密度最高，达到2万3 435.82 g/m3，刺槐林地次之，为1万5 051.36 g/m3，油松林地的根系密度最少，为9 987.38 g/m3。其中0～10 cm土层内的根系密度，次生林最大，为1万2 189.9 g/m3，刺槐林地次之，为6 056.42 g/m3，油松林地最少，为5 327.98 g/m3。10～20 cm土层次生林地、刺槐林地和油松林地的根系密度相差不大，分别为4 991.74 、4 251.43和3 246.8 g/m3。在20～30 cm土层内次生林地、刺槐林地和油松林地的根系密度相差较大，分别为6 252.14、4 347.64和1 412.6 g/m3。

图3　　油松林地、刺槐林地、次生林地根系密度及　土壤含水量变化图Fig.3　　Changes of soil moisture content and root density in 　three types of forest

对比3种林地0～30 cm土层根系密度和土壤含水量的变化可知，土壤含水量与根系密度的变化趋势相反，即根系密度越大，土壤含水量越低。说明土壤水分不仅受气象因素的影响，还受林木根系吸收土壤水分供林木蒸腾耗水的影响。

根系密度与土壤含水量的相关分析结果见表2。可以看出，油松林地、刺槐林地和次生林地根系密度与土壤含水量呈显著负相关性。

表2　相关性分析

注：**为0.01水平上显著相关；*为0.05水平上显著相关。下同。Note：** Correlation is significant at the 0.01 level；* Correlation is significant at the 0.05 level. The same as below.

3.4不同林地土壤养分和根系密度的关系

表3为各林地0～30 cm土层的根系密度及土壤养分质量分数。可见，3种林地有机质质量分数均随着土层深度的增加而递减。次生林地0～30 cm土层平均有机质质量分数(34.41 g/kg)显著高于刺槐林地(19.14 g/kg)和油松林地(17.35 g/kg)，而刺槐林地和油松林地平均有机质质量分数相差不大。3种林地全磷质量分数均处于较低水平，从整体来看，3种林地0～30 cm土层平均全磷质量分数从大到小依次为次生林地(0.72 g/kg)>油松林地(0.65 g/kg)>刺槐林地(0.63 g/kg)，随着土层深度的增加，全磷质量分数的变化不明显。0～30 cm土层内次生林地、刺槐林地、油松林地平均全钾质量分数分别为23.97、21.39和20.81 g/kg，从整体来看，次生林地平均全钾质量分数略高于刺槐林地和油松林地；而刺槐林地和油松林地平均全钾质量分数相差不大，3种林地全钾质量分数均随着土层深度的增加而减小。

表3　油松林地、刺槐林地、次生林地根系密度及土壤养分

综上所述，次生林在0～30 cm土层内的有机质质量分数、全磷质量分数、全钾质量分数均明显高于刺槐林地和油松林地，而刺槐林地和油松林地的有机质质量分数、全磷质量分数、全钾质量分数相差不大。这是由于次生林地内腐殖质与枯落物量均高于刺槐林地和油松林地，这些枯落物和腐殖质能够明显增加土壤表层的有机质质量分数。次生林内根系密度对有机质和全钾的影响不大，但也表现出根系密度与有机质和全钾质量分数呈正相关的趋势。说明次生林地较多的根系密度对有机质和全钾的增加起到一定的促进作用。

根系密度与有机质、全磷和全钾质量分数的相关分析结果见表4。可见，油松林地的根系密度与有机质、全磷和全钾质量分数均有极显著的相关性(P<0.01)。刺槐林的根系密度与全钾质量分数有极显著相关性(P<0.01)，与有机质质量分数有显著相关性(P<0.05)，与全磷质量分数有显著负相关性(P<0.05)。次生林地根系密度与有机质、全钾的质量分数均有极显著相关性(P<0.01)，与全磷质量分数有极显著负相关性(P<0.01)。

表4　相关性分析

4结论与讨论

1)晋西黄土区油松林地、刺槐林地、次生林地3种林地0～60 cm土层的土壤含水量相差不大，次生林地70～150 cm土层的含水量明显高于油松林地和刺槐林地；因此可认为次生林地主要消耗表层土壤的水分，且可以很好的利用天然降水补给土壤水分。而油松林地和刺槐林地不但消耗表层土壤水分，且对深层土壤水分的消耗显著大于次生林。这就有可能造成人工林地深层土壤的含水量持续降低，甚至形成干层。这与牛俊杰等[12]、王志强等[13]、H.Schume等[14]、陈洪松等[15]的研究结果一致。油松林林地通过水平条整地可以有效地拦截降水，补充浅层土壤水分，但不能弥补油松根系对于70～150 cm深层土壤水分的消耗，这导致油松林地深层土壤水分明显低于次生林地；因此，可以认为有效的整地措施能够拦蓄降水，弥补植被对浅层土壤水分的消耗，但对于深层土壤水分的补给作用不明显。这与张建军等[16]的研究结果一致。而刺槐林地深层(70～150 cm)土壤含水量明显低于次生林地和油松林地，说明刺槐林地的耗水量明显高于其他2种林地，能更多地消耗70 cm以下土层的水分。

2)土壤水分在植被生长季(4—11月)的变化分为土壤水分消耗期(4—6月)和土壤水分积累期(7—11月)，这与王建国等[2]的研究结果相似。土壤水分消耗期主要是受到气象因素的影响而消耗水分。受到降水的影响，从7月开始， 3种水土保持林地土壤水分进入积累期。次生林地和刺槐林地土壤含水量在植被生长季变化趋势一致，而油松林地造林时通过修建的水平条等整地措施能够有效拦蓄地表径流。降雨后土壤水分大幅增加，使油松林地土壤水分的波动较其他林地更为剧烈。

3)晋西黄土区油松林地、刺槐林地、次生林地3种水土保持林地土壤有机质、全磷和全钾3项土壤养分质量分数存在一定差异性，但总体上次生林地土壤养分各项指标质量分数均大于刺槐林地和油松林地相应土壤养分质量分数。由此可见，通过自然恢复形成的次生林，可以显著提高土壤养分质量分数，增加土壤肥力，增强土壤的保水保肥性能。

4)晋西黄土区油松林地、刺槐林地、次生林地3种水土保持林地0～30 cm土层内根系密度之间存在一定的差异，次生林下灌草丰富，根系密度最大，这与李玉婷等[17]的研究结果一致。3种水土保持林地土壤水分和植物根系密度呈显著负相关性，说明根系密度越大，吸收土壤水分供林木生长和蒸腾的水分就越多，土壤含水量越低。3种水土保持林地土壤养分和植物根系密度密切相关：土壤有机质和全钾质量分数与根系密度变化趋势一致，全磷质量分数与根系密度变化趋势不明显。韩凤朋等[8]的研究也表明根系对于土壤表层有机质、全氮、全磷的影响显著，且土壤表层有机质、全氮表聚现象明显高于全磷。说明根系密度越大，土壤越疏松，微生物活动越频繁，能够有效的提高土壤养分的运移；植物通过根系吸收养分供其生长并在体内积累，植株死亡之后再返还土壤，能够有效促进土壤养分的积累。

在晋西黄土区进行植被建设时受到土壤水分和土壤养分的限制，因此在本区域进行植被建设时，需要模拟次生林模式，除了选择适地适树的树种以外，还需采取水平条等整地措施，合理控制造林密度，有效利用造林地土壤水分，逐步改善区域的生态坏境。

本文只是在一定程度上描述了晋西黄土区水土保持林地的土壤水分和养分特征，对于根系密度和土壤养分的研究仅限于土壤表层，对于深层根系密度和土壤养分特征，还需进一步研究。同时关于油松林地和刺槐林地对土壤肥力的改善程度，还需要与撂荒地进行对比，并对根系的分泌物质及其生理生化作用进行更深一步的研究。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Soil moisture and nutrient characteristics of soil and water conservation

forests in Loess Plateau of western Shanxi Province

Tian Ningning, Zhang Jianjun, Ru Hao, Li Yuting, Ding Yang, Zhang Yanting

(College of Soil and Water Conversation,Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

Abstract:In order to explore soil moisture and nutrient characteristics of soil and water conservation forests, we investigated soil moisture, soil nutrients and root density of three types of forests, i.e.,Pinus tabulaeformis plantation, Robinia pseudoacacia plantation and secondary forest in Loess Plateau of western Shanxi Province, using EnviroSMART soil moisture monitoring system.The results showed that: 1) The average moisture content of 0-150 cm soil layer in three types of forests was ranked as secondary forest>P.tabulaeformis plantation>R.pseudoacacia plantation. 2) In general, the monthly changes of soil moisture in secondary forest and R.pseudoacacia plantation were consistent, while it was more volatile in the P.tabulaeformis plantation. The soil moisture contentin secondary forest was higher than that in the R.pseudoacacia plantation.3)The total root density in 0-30 cm soil layer followed the order of secondary forest >R.pseudoacacia plantation>P.tabulaeformis plantation, and the density decreased with the increase of soil depth. 4) In all the three forest types, there was a significantly negative correlation between soil moisture content and root density in 0-30 cm soil depth. 5) In the 0-30 cm depth,the contents of soil organic matters, total phosphorus and total potassium in secondary forest were significantly higher than those in the R.pseudoacacia and P.tabulaeformis plantations, with little difference between the latter two types of plantation. 6) Contents of organic matters and total potassium decreased with the increase of soil depth, while no obvious change in total phosphorus content was found with the increase of soil depth in three types of forests.

Keywords:soil moisture content; soil organic matter; total phosphorus; total potassium; soil and water conservation forest; loess area

通信作者†简介： 张建军(1964—)，男，教授，博士生导师。主要研究方向：水土保持效益与森林水文。E-mail:zhangjianjun@bjfu.edu.cn

作者简介：第一 田宁宁(1990—)，女，硕士研究生。主要研究方向：水土保持与植被恢复。E-mail:tianningning0912@126.com

收稿日期：2014-06-30修回日期： 2015-04-29

中图分类号：S152.7； S158.3

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0061-07