辽西北沙地不同土地利用方式对土壤水分的影响

惠淑荣，王 娇，张 倩，魏忠平，刘 阳

（1.沈阳农业大学 理学院，辽宁 沈阳 110161；2.沈阳农业大学 林学院，辽宁 沈阳 110161；3.辽宁省生态公益林项目中心，辽宁 沈阳 110036；4.东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004；5.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032）

辽宁省西北部地区土地沙化较为严重，风沙危害较大。根据全国第3次沙化和荒漠化土地监测结果，辽宁省现有沙化土地面积54.96万hm2，沙化和荒漠化土地95.4%分布在辽西北地区［1－3］。土地沙化不仅导致辽西北地区生态环境恶化，可利用土地资源减少，土地质量下降，严重制约了当地农业和农村经济的可持续发展，而且还对以沈阳为中心的辽宁中部城市群构成生态威胁［4］。土壤水分是沙化地区最珍贵的自然资源之一，盲目开垦土地和水资源短缺是引起该地区沙化面积进一步扩大的主要因素。因此，合理利用土地，对土壤水分进行有效调控和利用是解决这一问题的关键。本研究在辽宁省阜新市彰武县章古台镇典型的沙地上选择3种不同土地利用方式，对其土壤水分动态变化规律进行研究，以期为辽西北沙化土地合理开发利用提供有关水分方面的理论依据。

1 研究地区概况与方法

1.1 研究地区概况

研究地区位于科尔沁沙地的东南部，辽宁省彰武县章古台镇（42°43′N，122°22′E）。属于干燥亚湿润区气候类型，年均降水量为450～500 mm，主要集中在夏季，占全年降水量的70%。年蒸发量为1 300～1 800 mm，冬春两季风大且持续时间长，风速为4.5～5.0 m·s－1，年均气温为6.2℃，相对湿度为58%～59%，10℃以上积温为2 890℃，无霜期为150 d，植物生长期（＞5.0℃的天数）为180 d。试验地0～100 cm的土壤基质为风沙土层，砂粒含量＞98%，黏粉粒含量＜2%，沙层深厚，达30 m左右。

1.2 研究样地及水分观测

2008年5月在研究区域内选定该地区有代表性的不同土地利用模式：大扁杏Prunus armeniaca×sibirica-花生 Arachis hypogaea-玉米 Zea mays，大扁杏-麻黄草 Ephedra sinica，樟子松 Pinus sylvestris var.mongolica纯林，3种模式在开垦利用之前为原始荒地，同时选择相同立地条件下的原始荒地为对照（表1）。各种利用方式及对照的土壤基本性质见表2。

表1 不同土地利用方式概况Table 1 A survey of different utilizable methods of sandy land

表2 土壤基本性质Table 2 Basic propotities of the sampling soils

在每种利用方式下建立标准地，面积20 m×20 m，3次重复。在每块标准地中随机布设3个土壤水分观测点，分别于2008年5月20日、6月20日、7月20日、8月20日、9月20日、10月20日用FDR土壤水分测定仪测定土壤含水量（%，体积分数）。数据采用DPS统计软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下不同月份土壤水分的空间变化规律

不同土地利用方式下土壤水分空间分布状况见表3。方差分析结果表明，5月样地A和样地B土地利用方式之间仅在0～10 cm表层达到了5%显著差异，而与样地C和样地D相比均达到了显著差异，说明在整个0～100 cm土层内样地A和样地B样地水分状况要好于样地C和样地D。从土层深度来看，各处理各层次变幅不大，其中样地C的0～10 cm土层含水量要远高于其余各层。在整个剖面分布中，样地C含水量低于其余各样地，在600～100 cm这一层次达到最低值6.8%。

6月各样地土壤含水量高低依次为样地A＞样地B＞样地C＞样地D。在整个0～100 cm土层内，随着土层深度的增加，各样地土壤含水量均表现出先增加后降低的趋势，样地A，样地B和样地C均在30～40 cm土层达到最大值，60～100 cm这一层次达到最小值；而对照则是在60～100 cm这一层次达到最大值7.3%，在0～10 cm表层达到了最低含水量，仅为5.5%。

表3 不同土地利用方式下土壤水分状况Table 3 Status of soil water content under different utilizable methods of sandy land

7－8月各样地土壤水分状况明显要明显好于其他月份，这是由于这一时期为土壤的蓄墒期，全年降水大部分集中在这一时期所致。从表3中可以看出，7月不同土地利用方式除在表层和底层外其余各层次含水量均高于对照，均与对照达到了5%差异显著水平。从土层深度上来看，样地A，样地B和样地C最大含水量出现在30～40 cm这一层次，表现出自表层向下逐渐增加，达到最大值后又开始降低的趋势，其中样地A和样地B在0～10 cm表层达到最小值，而样地C则是在60～100 cm这一层次达到最小值7.2%。与对照相比，3种利用方式均能改善土壤水分状况，增加土壤储水量。8月土壤含水量与7月相同的是各处理均在30～40 cm这一层次达到水分最大值，不同的是各处理的最小值出现在60～100 cm这一层次。样地A和样地B只在0～10 cm和60～100 cm 2个层次达到显著差异，而其余层次没有差异。在30～40 cm这一层次样地A和样地B的含水量要显著高于对照和样地C，其余层次不同利用方式与对照相比无明显差异。

9月样地A，样地B和样地C土壤含水量除表层外其余各层次含水量均高于对照。其中样地A和样地B均与对照达到了显著差异，而样地C只在20～40 cm层次上与对照达到了显著性差异。样地A和样地B各层次含水量要高于样地C。样地A和样地B之间相比，除在10～20 cm、30～40 cm层次达到显著差异之外，其余各层次均无显著性差异。从土层深度上看，各种利用方式下土壤含水量随着土层深度的增加而增加，当达到最大值后又呈现出降低趋势，而对照的土壤含水量则是在0～10 cm表层达到最大值，之后随着土层深度增加而减小，达到最小值后又逐渐升高。

10月，样地A和样地B，样地C和样地D土壤含水量只在0～20 cm层次达到了显著性差异，而20～100cm层次均未达到显著性差异，且样地A与样地B的土壤含水量要高于样地C和样地D，达到了5%显著性差异。此外，10～20 cm层次样地A的土壤含水量要远高于其余样地各层次的含水量，达到了14.1%。

2.2 不同土地利用方式下各层次土壤水分的月动态变化规律

从图1-1～2中可以看出，0～10和10～20 cm 2个层次具有相似的变化规律，表现为先降低到整个年份的最小含水量之后升高，达到最大值后又趋于减少，最后到达一个稳定含水量的变化过程，其中最小值出现在6月，而最大值则出现在8月。从图中还可以看出，对照在整个年份内变化幅度最大，其余各种利用方式与对照相比具有稳定的水分动态，同时还具有较好的水分状况，含水量要高于对照。说明各种利用方式具有较强的抗旱适应能力，能够改善土壤水分状况，在较为严重的干旱季节能够缓解旱情，降低灾害损失。

从图1-3～5中可以看出，20～30，30～40，40～60 cm这3个层次的土壤含水量在整个年份内具有一致的变化规律，且都变化较为剧烈，因此，我们可以将这3个层次同划为中层土壤水分剧烈变化区域。这一区域内各种利用方式的土壤含水量在各月份内均高于对照。各种利用方式之间比较为样地A与样地B相近，均好于样地C。样地A，样地B和样地C 3种利用方式的土壤含水量具有一致的变化趋势，表现为5，6，9和10月水分变幅较小，含水量均较低，而在7月和8月土壤含水量急剧增加，远高于其余各月份，并都在7月达到最大值。对照的水分变化规律与各种利用方式相比有所不同，表现出降低—升高—降低的趋势，其中最小含水量出现在6月，最大值则出现在8月。

图1-6为不同土地利用方式下60～100 cm层次土壤水分的月变化情况。整体上看，样地A和样地B的土壤含水量高于样地C和样地D。且样地A和样地B土壤含水量的变化规律一致，样地C与样地D的变化规律相一致。7月，样地A和样地B的土壤含水量达到最大，之后逐渐减少并趋于平缓，而样地C和样地D则在8月达到最大值，且在整个年份内无太大变动。可以将这一层次划分为深层土壤水分的稳定区域。

3 讨论与结论

图1 不同土地利用方式下0～100 cm土壤水分的月变化Figure 1 Change of 0－100 cm soil water content under different utilizable methods each month

在干旱半干旱地区，土壤含水量是影响作物生长和植被恢复的重要因子。一方面，土壤含水量的时空变化受降水［5］、 植被［6］、 地形［5］、 土壤［7］和土地利用方式［8－10］等因素的影响；另一方面，土壤含水量又影响着植物蒸腾、地表蒸发、地表径流和土壤内的水分交换［6，11］。本研究中的降水、植被、地形及土壤等因素在开垦之前较为一致，所以土壤含水量的变化主要是由不同土地利用方式造成的。总体而言，大扁杏-花生-玉米，大扁杏-麻黄草2种方式的土壤水分状况好于其他2种利用类型，这是由于大扁杏-花生-玉米和大扁杏-麻黄草利用方式下具有乔-草的层次结构，覆盖度高，使得林地比较郁闭，这就增加了对降水的截留，减弱了土壤的蒸发作用，而其他2种方式的低覆盖度和单一的层次结构以及草本植物浅的根系是其土壤蓄水量低的主要影响因素。

本研究中各种利用方式下5月土壤含水量要高于6月，这是因为5－6月该地区降水很少，而进入6月以后，树木各器官开始萌动，需要大量水分来用于自身生长的蒸腾作用，这就消耗了土壤中的水分，导致了这一现象出现。到了7－8月，降水频繁，全年降水大部分集中在这一时期，各种利用方式下的土壤水分状况都较好，土壤水分不但完全能够满足树木、作物、植被的生长，还能储蓄一部分水，这一时期被称为土壤的蓄墒期。如何有效地保存、合理科学地利用这一部分水分，对于缓解辽西北地区旱情具有重要的现实意义。研究还表明，8月樟子松纯林利用方式下土壤水分在30～40 cm层次含水量低于对照，形成土壤水分亏缺层，这与焦树仁［12］的研究结果一致；而60～100 cm层次中各样地含水量趋于一致，主要原因是该地区土壤以沙质土壤为主，降水入渗速度快，雨后表层土壤水分很快就渗入到深层土壤中，这就导致了各样地底层土壤含水量无显著变化。进入9－10月以后，无论何种利用方式下，在整个0～100 cm剖面中含水量的变幅都很小，说明这一时期水分趋于稳定状态，由于各处理所处气候环境条件相同，而这2个月基本没有降水，同时树木也进入生长末期，对水分要求减少，导致了这一现象的出现。

综上所述，在辽西北沙化地区栽植大扁杏-花生-玉米和大扁杏-麻黄草2种土地利用方式能显著改善土壤水分状况，积蓄一定的水分，为作物的良好生长提供了保障，这对于辽西北水资源匮乏的干旱地区尤为重要。因此，在该地区应用这2种土地利用方式既能为当地居民带来显著的经济、生态和社会效益，还能改善该地区的生态环境，并能有效地遏制土地进一步沙化，使生态环境向良性方向发展，从而实现资源的可持续利用。

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