冯向星， 王 玲， 石 伟， 牛俊杰

(1.太原师范学院 汾河流域科学发展研究中心， 山西 晋中 030619； 2.云南大学 资源环境与地球科学学院， 云南 昆明 650500)

晋西北不同植被类型土壤水分空间分异

冯向星1， 王 玲1， 石 伟2， 牛俊杰1

(1.太原师范学院 汾河流域科学发展研究中心， 山西 晋中 030619； 2.云南大学 资源环境与地球科学学院， 云南 昆明 650500)

采用土钻法对晋西北朔州地区杨树林、柳树林、草地3种植被类型0～600 cm土层土壤水分动态进行研究。结果表明：土壤平均含水量表现为草地>杨树林地>柳树林地。草地土壤平均含水量比杨树林地高1.25%，比柳树林地高1.9%。随着土壤深度的增加，土壤含水量先减小后上下波动，然后趋于稳定。0～100 cm土层范围内，土壤水分变异系数大小为草地>柳树林地>杨树林地；在200～300 cm、400～500 cm土层范围内，变异系数表现为柳树林地>草地>杨树林地；300～400 cm、500～600 cm土层范围内，变异系数大小为柳树林地>杨树林地>草地。越靠近表层，土壤干化现象越严重，柳树林地干化现象最明显，含水量变化最剧烈，杨树林地次之，草地最稳定。

土壤含水量； 土壤干层； 土壤深度； 植被类型

黄土高原地处干旱、半干旱地区，生态环境脆弱，其植被恢复十分重要[1]。该地区水分缺乏，土壤水分在植物正常生长和其系统生态循环中起主导性作用[2]。在植被生长期内，土壤水分的储存和转化受植物根系的深度、降水、土壤结构等因素的影响，表现形式是土壤含水量的空间分布特征[3]。不同类型植被的耗水情况与涵养水分能力不同[4]。相关研究集中在土壤水分利用效率、蒸腾运移、水循坏、空间变异等[5-6]。学者对黄土高原土壤水分性质、水分环境、土壤水量平衡、土壤水分异质性进行了详细的研究[7-9]。土壤水分的影响因素有光照、土壤有机质、坡度、坡向、地形、植被、土地利用、气象、人为活动等[10-11]。黄土高原土壤持水性和抗旱力强弱为沙壤土<轻壤土<中壤土<重壤土[8]。干层是在植物蒸腾、土壤蒸发耗水作用下，土壤水分出现负平衡，在一定土层深度形成的低湿层[9]。植物根系在垂直和水平方向上吸收和利用土壤水分。多年生植物，由于根在土壤中分布不均匀以及植物强烈蒸腾与吸水，容易过量消耗某一层次土壤水分。一段时间内，植物根系所在范围内供应的土壤水分不能满足植物吸收和土壤蒸发需要，会出现土壤水分供给小于消耗的情况，蓄水达不到收支平衡，土壤水分含量越来越少，植物生长没有充足水分供给，水分缺失达到一定程度会形成土壤干层[12]。我国1999年开始在黄土高原地区开展水土保持和植树造林工程，配置的部分植被不同程度的出现土壤干层现象[13]。

生产实际中，选择正确的植被类型，对水资源合理利用和生态环境建设具有重要作用[14]。晋西北位于农牧交错带，是生态脆弱区。朔州作为典型区域，是生态恢复的绿色屏障，但对于该地区的土壤水分研究很少。本文对朔州的杨树林、柳树林0～600 cm土壤剖面的含水量进行研究，以为该区植被建设和生态恢复提供指导。

1 研究区概况

朔州地处山西省西北部，位于111°53′—113°34′E、39°05′—40°17′N。其气候属温带大陆性季风气候，各个季节特色分明。春天风大，降水少，易出现干旱天气；夏季降水丰富，间隔会出现暴雨、冰雹、大雨等；秋季雨水少，昼夜温差大；冬季气候寒冷，风多雪少。年平均气温5.5 ℃，1月平均气温-12.2 ℃，7月平均气温20.85 ℃。年日照时数2 850 h，年日照率64%。年平均降雨量421.2 mm，最小年降雨量193 mm，最大年降雨量806.7 mm。

2 研究方法

2.1样地设置

2013年6月，在朔州地区平鲁矿区马蹄沟村国营林场的杨树林、草地(对照)与朔州郊区的柳树林中分别设置10 m×10 m的样地，每种样地中按照“S”形各选取 3 个采样点(下文中土壤含水量是3个采样点的平均值)。各样地概况见表1。

表1 样地概况Tab1 Soilsamplingcondition采样地点植被类型平均高度(m)平均胸径(cm)地理位置海拔(m)平鲁矿区马蹄沟村杨树2018 国营林场草地0239°26′N，112°20′E1328朔州郊区柳树1517539°22′N，112°27′E1113

2.2土样采集与处理

采用土钻法进行土样采集。采样深度为600 cm，每个采样点隔 10 cm 土层取1个土样，将土样装入铝盒。野外取样结束后，在室内用天秤称装有土样的铝盒质量，即W1。在105 ℃环境下将其烘至恒质量，此时质量为W2。

2.3数据处理

式中：W——铝盒质量(g)；

W1——铝盒质量+湿土质量(g)；

W2——铝盒质量+干土质量(g)。

用标准差SD和变异系数CV2个指标表示不同植被类型土壤水分垂直变化程度，计算公式分别为：

式中：xi——样本的第i个观测值；

n——样本总个数；

x——样本平均值。

CV越小，表示土壤含水量越稳定；反之，表示含水量的变化越剧烈。

干层的分级标准为：轻度干层(9%～12%)，中度干层(6%～9%)，严重干层(<6%)[15-16]。

3 结果与分析

3.1不同植被类型土壤含水量

不同植被类型土壤平均含水量如图1所示。由图1看出，不同植被类型土壤平均含水量不同，表现为草地>杨树林地>柳树林地。草地土壤平均含水量最高(10.36%)，柳树林地的最低(8.46%)。

图1 不同植被类型土壤平均含水量Fig.1 The soil water content on average of different vegetation types

3.2不同土层深度土壤含水量的差异

由图2可知：不同植被类型土壤，其不同深度土层中土壤含水量差异明显。草地土壤含水量变化范围为6.07%～12.85%，最小值和最大值分别出现在10 cm和430 cm处。杨树林地土壤含水量变化范围为5.4%～12.52%，最小值和最大值分别出现在10 cm和590 cm处。柳树林地土壤含水量变化范围为4.1%～21.69%，最小值和最大值分别出现在550 cm和390 cm处。0～300 cm和400～500 cm土层范围内，草地土壤含水量均最高；300～400 cm土层范围内，土壤水分含量最高值出现在柳树林地(11.8%)；500～600 cm土层范围内，杨树林地土壤含水量最高(11.81%)。

随着土壤深度的增加，不同植被类型土壤的含水量变化规律不同。杨树林地表层土壤易受外界影响，水分蒸发强烈，10 cm深度土层含水量达到最小值(5.4%)；100～500 cm土层内，受雨水下渗、根系分布、地下水利用等影响，含水量波动较大；500～600 cm土层内土壤水分很少被植被生长所利用，逐渐趋于稳定。柳树林地0～100 cm土层内，水分蒸发强烈，土壤平均含水量为4.97%；100～500 cm土层内为根系活动旺盛区，土壤含水量变化强烈；390 cm深度土层土壤水分植被利用量减少，且有地下水补给，土壤含水量达到最大值(21.69%)；在500～600 cm土层中，土壤含水量先降低再增加；至600 cm深度土层，土壤含水量达到11.78%。草地0～100 cm土层内，随着土壤深度的增加，土壤水分含量逐步增加；100～500 cm土层内，土壤含水量波动明显；500～600 cm土层内，土壤含水量逐渐趋于稳定。3种植被类型的土壤中，杨树林地土壤含水量波动幅度小，柳树林地的变化幅度较大。

图2 不同植被类型土壤水分的变化Fig.2 The change of soil moisture of different vegetation type

综上所述，杨树林地、柳树林地、草地在0～600 cm土层可分为以下3个层次。0～100 cm土层土壤含水量主要受通风状况、降水、温度、径流、蒸发和植被密度等外界因素影响，其中杨树林地、柳树林地的土壤含水量分别在5.4%～8.81%和4.2%～5.6%间变化。该土层土壤水分主要消耗于地面蒸发，对植被生长发育作用不大。100～500 cm土层为土壤水分被植被利用的主要层次，植被根系主要分布于该层，其土壤水分含量垂直变化明显。该层土壤含水量的变化主要受林木根系耗水和降水的影响。该土层的水分主要来自贮存下渗的雨水，当因植被吸水使其土壤含水量下降时，深层土壤水分通过水势梯度朝上转移，确保植被生长需要。500 cm深度以下土层，其土壤含水量受外界变化影响很小，根系数量相对较少，被根系吸水消耗的水分少。该层土壤水分变化幅度小，含量较稳定。

3.3不同植被类型土壤含水量的变异系数

表2为土壤垂直剖面水分含量。由表2可知：在0～100 cm土层，3种植被类型土壤含水量变异系数大小为：草地>柳树林地>杨树林地，即草地的变异系数最大(0.23)，杨树林地的最小(0.07)。在200～300 cm和400～500 cm土层中，土壤含水量变异系数大小表现为柳树林地>草地>杨树林地。在300～400 cm和500～600 cm土层中，土壤含水量变异系数依次为柳树林地>杨树林地>草地。总体而言，柳树林地土壤含水量变化幅度较大，且在300～500 cm土层范围内，变异系数较大，说明该层次根系生长活动剧烈；与柳树林地相比，杨树林地土壤含水量变化较稳定，变异系数在0.04～0.23之间波动。

从不同植被类型土壤含水量的变异系数来看，变异系数随土层加深先增加后减小。杨树林地0～200 cm土层范围内变异系数增加，200 cm以下开始减少，500～600 cm处有升高趋势。柳树林地0～400 cm土层范围内，随着土层深度的增加，变异系数逐渐增大。300～400 cm土层范围内，变异系数达到最大值(0.45)，400～600 cm土层范围内开始减少。草地表层变异系数为0.23，100～600 cm土层范围内随土层深度的增加逐渐减少。可见，上层土壤受外界环境因素影响较大，土壤含水量相应发生较大幅度的变化。随着土层深度逐渐增加，土壤含水量受环境的影响逐步减弱。

表2 土壤垂直剖面的水分含量Tab2 Themoisturecontentofsoilverticalsection类型土壤深度(cm)最大值(%)最小值(%)平均值(%)标准差变异系数杨树0～100881540708057007100～200867677808142018200～300103756879099011300～400115883392610301400～50011318851054053004500～600125211091181207023柳树0～10056420497043009100～200877560693123018200～3001220588833182022300～4002169455118534045400～500204971411477043500～6001178410772299039草地0～1001236607891207023100～20012157941007143014200～3001023694894103013300～40012588981119104009400～5001285106123068006500～60012141124116703003

3.4不同植被类型土壤干化程度

不同植被类型土壤干化程度如表3所示。由表3可知：3种植被类型土壤剖面的干化程度相似，主要为中度干层。柳树林地干层为100～300 cm、500～600 cm土层，杨树林地干层为0～300 cm土层，草地干层为0～100 cm、200～300 cm土层。严重干层少，仅柳树林地0～100 cm土层严重干化。草地100～200 cm、300～400 cm、500～600 cm土层为轻度干层，400～500 cm土层无干层现象。柳树林地300～500 cm土层为轻度干层。杨树林300～600 cm土层为轻度干层，说明林内植被没完全吸收地下土壤水分，杨树能较好适应当地环境。0～100 cm土层范围内，杨树林地与草地为中度干层，柳树林地为严重干层，说明柳树林地相对杨树林地及草地不易蓄水。100～200 cm土层为杨树与柳树根系活动旺盛地带，其土壤水分被植被利用，土壤干层强度为中度。400～600 cm土层雨水下渗量逐渐减少，土壤水分向上补给；400～500 cm土层范围内柳树林地、杨树林地比草地干层现象严重。柳树林地比杨树林地耗水，500～600 cm土层干化程度比杨树林强烈。可见，在同一地区同样的地理环境下，不同植被涵养水源与耗水能力不同，从而土壤干化强度不同。杨树林比柳树林地干化程度弱。初步判断，当地适宜种植杨树。

表3 不同植被类型土壤干化程度Tab3 Differentvegetationtypessoildrying土壤深度(cm)柳树杨树草地土壤含水量(%)干化程度土壤含水量(%)干化程度土壤含水量(%)干化程度0～100497严重干层708中度干层891中度干层100～200693中度干层808中度干层1007轻度干层200～300833中度干层79中度干层894中度干层300～400118轻度干层926轻度干层1119轻度干层400～50011轻度干层1054轻度干层123正常500～600772中度干层1181轻度干层1167轻度干层

4 结论与讨论

(1)晋西黄土区土壤剖面水分变异总体趋势为表层土壤水分变异系数大，底层变异系数较小[17]。随着土壤深度的增加，降雨对土壤含水量的补偿效应和其他外部因子对土壤含水量的影响均减弱[18]，变异系数逐渐减少[19]。朔州地区杨树林、柳树林、草地土壤水分变异系数变化情况与上述学者研究结果一致。表层土壤易受外界影响，水分蒸发强烈。中间土层受雨水下渗、根系分布、地下水利用等影响，含水量波动较大。深层土壤水分较少被植被生长利用，变化幅度小，含量较稳定。

(2)黄土高原降水量小、蒸发强，深层土壤含水量呈低水平循环状态，易形成土壤干层[20]。植被类型、密度、生物量、坡度、坡向、坡位不同，土壤干层干燥程度和深度不相同[21]。朔州地区位于黄土高原，杨树林、柳树林、草地3种植被土壤均存在干化现象，主要为中度干层。土壤干层一旦形成，极难恢复，并将严重制约该地区的生态发展与经济建设[22]。选取适宜的植被，对于当地植被恢复重建具有重要意义。

(3)已有学者研究得出，林地土壤干层的干燥化程度和干层厚度大于草地[23]，草地土层平均含水量大于林地[24]。朔州地区柳树林地平均含水量较杨树林地和草地土壤的均低，干化程度较强，随着土壤深度增加，含水量变化较剧烈。植被水分消耗多，会导致土壤水量收支不平衡，甚至会引起地下水亏缺，以至破坏正常的水循环。考虑到黄土高原存在水量不平衡、水循环破坏和土壤干化严重等现象，植被恢复重建应选取蒸腾量少、耗水能力弱和耐旱的植被。所以与柳树相比，该区土壤水分条件更适宜发展杨树。

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StudyonsoilmoisturechangesofdifferentvegetationtypesofNorthwesternShanxiProvince

FENG Xiangxing1， WANG Ling1， SHI Wei2， NIU Junjie1

(1.Research Center for Scientific Development in Fenhe River Valley， Taiyuan Normal University， Jinzhong 030619， China； 2.School of Resource Environment and Earth Science， Yunnan University， Kunming 650500， China)

The soil drilling can be used to do some research about 0～600 cm the dynamics of soils moisture，which involves three vegetation types of poplar forest，willow forest and grassland in Shuozhou，northwestern Shanxi Province.The results showed that the average soil moisture content is in order of grassland，poplar forest land and willow forest land.The grassland soil sample average moisture content is higher than the poplar 1.25% and 1.9% higher than the willow sample area.With the gradual increase in soil depth，the trend of soil moisture is first reduce then volatility last towards stability.The analysis results from different depth of soil moisture variation coefficient，as following.When the soil depth is about 0～100 cm，grassland>willow forest>poplar forest.As for the soil depth is 200～300 cm and 400～500 cm，willow fore>grassland>poplar forest.In 300～400 cm、500～600 cm，willow fore>poplar forest>grassland.The more near surface，the more serious the phenomenon of soil dry is.Among the three plants，dry layers underneath willows are the most serious one.Willow water content change is the most violent while grass is the most stable.

Soil moisture； Soil dry layer； Soil depth； Vegetation types

2015-12-06

国家自然科学基金项目“晋西北生态重建优势种林地土壤水分研究”(41171423)。

冯向星(1992-)，女，山西省娄烦县人，在读硕士，主要从事区域环境方面的研究。

牛俊杰(1968-)，男，山西省岚县人，博士，教授，硕士生导师，主要从事自然地理与区域环境研究；E-mail：junjieniu@foxmail.com。

S 152.7；Q 948.1

A

1003 — 5710(2016)02 — 0092 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 02. 017

(文字编校：唐效蓉)