艾 宁 宗巧鱼 高金续 强大宏 刘长海

(延安大学生命科学学院/陕西省区域生物资源保育与利用工程技术研究中心，延安 716000)

陕北黄土区是我国水土流失较为严重的地区之一，由于长期的人为扰动和自然因素共同作用，该区域植被遭到严重破坏，生态环境十分脆弱[1]，对该区域进行植被恢复与重建等林业生态工程建设显得尤为迫切与重要。研究表明，在植被恢复与重建过程中土壤水分不仅起到决定性作用，而且限制着生态系统的发展和生态系统功能的全面发挥[2～3]，研究表明陕北黄土区植被恢复与重建主要受到土壤水分的限制[4～5]。张建军等[6]认为在黄土区，土壤水分的分布主要受到不同土壤质地、不同植被生长年限及气候条件等的影响。王延平等[7]、D’Odorico等[8]研究表明土壤水分分布主要受到降水、气候、植被类型和人为活动等因素决定。自1999年国家实施“退耕还林(草)工程”以来，以枣树(ZizyphusjujubaMill)为代表的生态经济林，其经济与生态效益显著，得到大面积种植，且种植面积逐年扩大[9～10]。由于枣树在黄土区的生态环境建设中发挥着重要作用，而土壤水分又制约枣树生长发育，许多学者对枣林与土壤水分间相关关系进行了研究[11～12]，目前的研究主要集中在旱作枣树蒸腾耗水机制[13～15]、主枝修剪对枣树蒸腾影响[16]和灌溉设施对红枣影响的研究[12,17]。纵观已有研究，目前对山地枣林土壤水分亏缺程度的研究还鲜见报道，但是土壤水分亏缺程度是研究林地土壤干化及林地可持续发展与利用的重要前提和基础。因此，本文以陕北黄土区山地枣林土壤水分为研究对象，通过对其雨季后土壤水分动态变化以及土壤贮水亏缺程度进行研究，旨在明确陕北黄土区山地枣林土壤水分动态变化及土壤贮水亏缺程度，以期为今后该区域进行山地枣园营造和管理、红枣生产基地稳定发展提供科技支撑与理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕北黄土区延川县齐家山山地红枣栽植试验示范基地(36°57′N，110°29′E)，平均海拔880 m。地形地貌为典型黄土高原梁峁沟壑区，地形复杂，沟壑纵横。该地区属于温带大陆性季风气候，年平均降雨量500 mm左右，红枣生育期(5～10月)内，降雨时空分布不均匀，主要集中于7～9月份，且多为短历时的强降雨；年平均气温10.8℃，无霜期183 d，日照时数为6.99 h。土壤抗侵蚀性差，水土流失严重。研究区生态经济林以枣树为主，也有一些苹果林(Malusdomestica)，灌木以野生酸枣(ZiziphusjujubaMill. var.spinosa)为主。

1.2 样地布设

课题组分别于2018年雨季前(3～5月)和雨季后(11月9日)在陕西省延川县齐家山红枣试验基地，按照典型性和代表性的原则，在实验区选取枣林地、苹果林地以及撂荒草地，共计9块样地进行调查取样，样地详细信息见表1。

1.3 样品采集与测定

环刀浸水法：挖取1 m深土壤剖面，分5层进行采样，并采用环刀浸水法计算土壤容重与土壤田间持水量。

烘干法：采用烘干法计算土壤质量含水量，其中0～100 cm土层以10 cm为取样间隔，100～340 cm土层以20 cm为取样间隔，将各层的土壤样品装入铝盒，每层3个重复，带回实验室105°恒温烘干测定其含水量，最终土壤水分值取3个数值的平均值。

表1 采样点基本情况

1.4 数据计算

土壤质量含水量：

(1)

式中：W1为烘干前土壤样品质量(g)；W2为烘干后土壤样品质量(g)。

土壤密度：

(2)

土壤田间持水量计算：

(3)

式中：m1为空环刀重量(g)；m2为烘干后干土与环刀重量(g)；m3为吸水后环刀和土壤总重量(g)；V为环刀体积(cm3)。

土壤贮水量计算公式为：

WC=W×ρ×H

(4)

式中：W为土壤质量含水量(%)；ρ为土壤密度；H为土壤厚度(mm)。

土壤贮水亏缺度与亏缺补偿度[18]：

(5)

式中：Da为土壤贮水亏缺量(mm)，Da=FC-WC;FC为田间持水量(mm)；WC为土壤实际贮水量(mm)。

(6)

式中：ΔW为雨季后土壤贮水增量(mm)，ΔW=wcm-wcc；wcm为雨季后土壤实际贮水量(mm)；wcc为雨季初土壤实际贮水量；Dac为雨季初土壤水亏缺量(mm)，Dac=FC-wcc。

DSW可以反映土壤贮水亏缺程度，其中亏缺度为0，则表明土壤水分亏缺得以完全恢复；CSW用来反映降雨对土壤水分亏缺的补偿程度，如果CSW<0，表示土壤水分亏缺在雨季没有得到补偿，亏损进一步加强；如果CSW=100%，表示土壤水分亏缺得以完全补偿与恢复[18]。

文中数据采用Microsoft Excel、SPSS(22.0)软件对试验数据进行单因素方差分析(ANOVA)，用Origin2017进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同立地条件枣林雨季后土壤水分动态变化分析

由图1A与图2A得出，研究区不同坡位枣林土壤水分存在差异，土壤含水量在0～100 cm土层达到最大值。上坡位和下坡位土壤含水量在0～100 cm土层呈现先增加后减少的趋势，中坡位的土壤含水量在0～100 cm土层变化幅度较小；在100 cm土层以下，上坡位和下坡位的土壤含水量随着深度的增加，土壤含水量呈现减少的趋势，中坡位则有增加趋势。不同坡位的土壤含水量在0～340 cm土层表现出下坡位(14.19%)>上坡位(10.03%)>中坡位(6.23%)，且差异显著。

不同坡向枣林土壤水分垂直变化如图1B所示，阴坡和半阳坡在0～100 cm土层土壤含水量随着深度的增加，变化程度较剧烈，不同坡向的土壤含水量在0～100 cm土层达到最大值。在100 cm土层以下，阴坡的土壤含水量随着深度的增加，呈降低趋势，但均高于阳坡和半阳坡；阳坡和半阳坡土壤含水量随土层深度的增加变化较小，各土层之间土壤水分差异逐渐变小，150～340 cm土层阳坡和半阳坡土壤含水量基本稳定在6.5%和8.3%左右。不同坡向的枣林地土壤水分随着深度的增加，呈现先增加后减少再增加又减少的趋势；由图2B可知，不同坡向的土壤含水量表现为阴坡(14.19%)>半阳坡(8.58%)>阳坡(7.22%)，且差异显著。

2.2 不同整地方式雨季后土壤水分变化分析

由图1D可知，枣林和撂荒草地在不同整地方式下土壤水分存在差异。在0～340 cm土层，水平阶整地的枣林土壤水分变化程度较原状坡大，且土壤水分含量大于原状坡；土壤水分均表现出随着土层深度的增加而降低的趋势。撂荒草地在水平阶整地与原状坡内的土壤水分变化程度相对枣林较稳定；除40～100 cm土层外，其他土层均表现出水平阶整地土壤水分高于原状坡；随着土层深度的增加，撂荒草地在原状坡与水平阶整地中的土壤水分基本维持在7%左右，两者土壤水分差异不显著。同时，枣林土壤水分较撂荒草地高，但随着土层深度的增加，差异在减少。因此，不同整地方式下枣林之间土壤水分具有相似的变化趋势，均随着土层深度的增加，呈现先增加后减少再增加又减少的趋势；水平阶整地有助于枣林地蓄水保墒，但对撂荒草地蓄水保墒的效果不明显。方差分析表明(见图2D)，水平阶整地的枣林蓄水保墒能力高于原状坡枣林、水平阶草地和原状坡草地，且差异显著。

2.3 不同植被类型雨季后土壤水分和土壤贮水量分析

由图1C可知，雨季后不同植被类型的土壤水分垂直变化趋势基本一致，即土壤含水量随着深度的增加，呈现先增加后减少的趋势。图2C表明，研究区雨季后枣林土壤含水量最高11.49%，苹果林次之9.69%，撂荒草地最低6.70%，且各林地间差异显著；但随着土层深度的增加，差异性在减小。

图1 不同样地土壤水分垂直变化Fig.1 Vertical changes of soil moisture at different sample plot

图2 不同样地土壤水分差异性分析 a、b、c表示不同样地间土壤水分在P<0.5水平下差异显著，下同。Fig.2 Analysis of soil moisture variance at different sample plot a,b and c indicate that soil moisture is significant difference at the 0.05 level,the same as below.

图3 不同植被类型雨季后土壤贮水量差异性分析Fig.3 Analysis of variance of soil water storage after rainy season at different vegetation

图4 不同植被类型土壤贮水亏缺度与亏缺补偿度分析Fig.4 Analysis of soil water storage deficit and deficit compensation at different vegetation

如图3所示，水平阶整地方式下3种不同植被类型土壤贮水量在0～100 cm土层变化为枣林(144.76 mm)>苹果林(124.19 mm)>撂荒草地(72.20 mm)。不同植被类型土壤贮水量变化趋势相似，随着土层深度的增加，土壤贮水量呈现先增加后减少的趋势，且均在20～60 cm达到最大，分别是枣林32.06 mm，苹果林地28.50 mm，撂荒草地15.83 mm。在0～100 cm土层中，3种不同植被类型土壤贮水量差异显著(P<0.05)。雨季后，枣林土壤贮水量显著高于苹果林，撂荒草地最小，且三者呈显著差异。

2.4 不同植被类型土壤贮水亏缺程度分析

由图4可知，不同植被类型土壤贮水亏缺度与贮水亏缺补偿度存在差异。雨季前，3种植被均在0～20 cm土壤表层亏缺程度最小；撂荒草地与枣林在20～40 cm土层土壤贮水亏缺度最大分别为52.74%与72.74%，随着土层深度的增加，有降低趋势，特别是枣林地降低趋势明显，撂荒草地在60～80 cm有波动；苹果林地土壤贮水亏缺度随着土层深度而增加，在80～100 cm土层其亏缺度开始高于枣林。雨季后，撂荒草地土壤贮水亏缺度最高，随着土层深度的增加呈现降低趋势；枣林土壤贮水亏缺度最小，且随着土层深度的增加有降低的趋势；而苹果林地则随着土层深度的增加出现先降低后增加的趋势；除枣林外，撂荒草地与苹果林地雨季后土壤贮水亏缺度较雨季前大。

3种植被类型土壤贮水补偿度在0～20 cm土层均为负值，说明雨季降雨并未对3种植被类型表层土壤水进行补偿，且土壤水分亏缺加重；枣林地在20 cm以下土层补偿度均为正值，说明雨季降雨对枣林地20 cm以下土层的土壤水分进行了补偿，但是随着土层深度的增加，补偿度降低，降雨对土壤水分的补充作用越来越小，枣林补偿度最大仅有22.95%；苹果林地的补偿度在0～100 cm土层均为负值，说明雨季降雨并未对苹果林地土壤水分进行补充与恢复，苹果林地土壤水分亏缺加重，但是随着土层深度的增加，补偿度也在增加，使得苹果林地随着土层深度的增加，土壤耗水与补充间的差值越来越小；撂荒草地除表层没有进行水分补偿，严重亏缺外，其他土层基本在平衡值(0)之间波动，说明雨季期间撂荒草地土壤水分消耗与补充基本达到平衡。

3 讨论

3.1 不同立地条件和不同整地方式对枣林土壤水分变化的影响

研究区不同坡位的枣林地土壤含水量表现为下坡位>上坡位>中坡位，这与梁超等[1]研究结果相一致。降雨是黄土高原地区植被生长的主要水源补给[19]，而下坡位可以有效缓解坡面径流流速加大降雨入渗速率，而且风力较小，可以降低地表蒸发，导致下坡位的土壤水分较高；降水入渗是影响坡位水分含量的主要因素，中坡位不利于降水入渗，所以土壤水分含量中坡位低于上坡位[10]。由于不同坡向辐射强度不同，阳坡受到的太阳辐射较多，导致土壤蒸发与植物蒸腾作用较强，从而土壤水分较低。因此，研究区枣林土壤水分表现为阴坡>半阳坡>阳坡，这与众多学者对黄土区不同坡向土壤水分变化结果一致[1,20～21]。不同的整地方式对土壤含水量有一定影响，整地改变土壤结构以及土壤水分分布格局，不同整地方式下水平阶土壤水分均高于原状坡[22]。相关研究中指出地形影响降雨的入渗、再分配，同时影响蒸发蒸腾等水文过程，进一步使土壤水分分布有所差异[23]。

3.2 植被类型对土壤水分和土壤贮水量的影响

黄志刚等[23]在研究中指出，由于植被类型不同，根系的分布深度差异较大，从而土壤的蒸发和植被的蒸腾有所差异，进一步造成土壤水分的分布也不同。植被不仅可以适应土壤水分的变化而且可以反作用于土壤水分，不同植被类型具有不同的土壤—植被—大气系统水分传输特征，进一步造就了不同的土壤水分环境[24]。有相关研究指出植被主要通过根系的穿插作用对土壤的性质进行改善，从而提高雨水的入渗，而土壤浅层水分的补偿主要依靠降雨[25]。

降雨和蒸散过程是土壤水分动态变化的主要原因[26]。随土层加深降雨对土壤水分的影响逐渐减弱，由于降雨入渗、再分布以及土壤蒸发向深层土壤传递的滞后性，导致各层土壤水分变化幅度存在一定差异[27]。研究区雨季后枣林土壤贮水量高于苹果林，撂荒草地最小，说明撂荒草地保水效果不如林地[28]。同时，根据土壤贮水亏缺与补偿度可知，雨季降雨并未对苹果林与撂荒草地土壤水分亏缺进行补偿，苹果林地与撂荒草地土壤水分亏缺没有得到改善，特别是苹果林地，在0～100 cm土层亏缺加剧；枣林地则除了在0～20 cm土层表现出亏缺加剧外，其他土层土壤水分较雨季前均有不同程度的补偿，但没有达到完全恢复。

4 结论

通过对陕北黄土区枣林雨季后土壤水分动态变化研究，得出如下结论：

(1)立地条件对研究区枣林土壤水分有显著影响，不同坡位、不同坡向和不同整地方式的枣林地土壤水分存在显著差异。其中，下坡位(14.19%)>上坡位(10.03%)>中坡位(6.23%)；阴坡(14.19%)>半阳坡(8.58%)>阳坡(7.22%)；整地方式对林地土壤水分动态变化有显著影响且水平阶整地枣林显著高于原状坡枣林；整地方式对撂荒草地土壤水分有影响，但是差异不显著。

(2)研究区不同植被类型间土壤水分垂直变化趋势基本一致。不同植被类型的土壤水分表现为枣林(11.49%)>苹果林(9.69%)>撂荒草地(6.70%)。不同植被类型0～100 cm土壤贮水量依次表现为枣林最大(144.76 mm)，苹果林地次之(124.19 mm)，撂荒草地最小(72.20 mm)，且各个土层的枣林地土壤贮水量显著高于苹果林地和撂荒草地。

(3)不同植被类型土壤贮水亏缺度存在差异。雨季前，0～20 cm土层亏缺度最小，平均亏缺度表现为撂荒草地>枣林>苹果林；雨季后，撂荒草地土壤水分亏缺度最大，苹果次之，均高于雨季前土壤水分亏缺度，且3种植被类型土壤水分亏缺度均有随着土层深度增加而降低的趋势。

(4)研究区雨季降雨并未对3种植被类型0～20 cm土层水分进行补偿，且水分亏缺加剧。雨季降雨对枣林地20 cm以下土层土壤水分进行了补偿，但是补偿度最高仅有22.95%，枣林地土壤水分亏缺状态并未完全恢复；苹果林地土壤贮水补偿度则为负值，经历雨季后土壤水分亏缺进一步加剧；撂荒草地土壤水分补偿度在20～100 cm土层基本维持在0左右，表明撂荒草地土壤水分亏缺维持雨季前状态，没有持续恶化。