Vertical distribution of soil moisture in typical plantation in the loess region of western Shanxi Province

研究区位于山西省吉县蔡家川流域(36°14′27″~36°18′23″N，110°39′45″~10°47′45″E)，地处黄土高原东南部，为典型的黄土残塬、梁峁侵蚀地形，海拔为898~1 574 m，流域呈西—东走向，主沟道长为12.15 km，流域面积为39.33 km²。该地区属黄土高原东南部暖温带半湿润区，冬季严寒，夏季炎热，年平均气温为10.0 ℃，年均降水量为533.5 mm，年均潜在蒸散量为1 724.0 mm，降水年际变化较大，且年内分配不均，降水主要发生在4—10月，土壤凋萎湿度为7.96%^[8]。流域内人工植被主要为刺槐、油松、侧柏。林下灌木主要有黄刺玫Rosa xanthina、茅莓Rubus parvifolius、六道木Abelia biflora等。林下草本主要有茜草Rubia cordifolia、委陵菜Potentilla chinensis、白莲蒿Artemisia sacrorum等。

选择阳坡中坡位置，林龄为30 a，立地条件基本一致的刺槐、侧柏、油松、刺槐-侧柏、刺槐-油松人工林为研究对象，布设20 m×20 m的标准样方，每种林分设置3个重复，进行土壤水分定点观测，不同林分样地间距控制在400 m范围内。

于2021年7月布设样地，记录样地基本信息(表1)，同时开展土壤物理性质的测定。以10 cm为间隔使用环刀分层测定0~100 cm土层土壤容重、土壤孔隙度。于2022年4—10月每月下旬使用直径为5 cm的土钻测定人工林0~500 cm土层土壤含水量，每个样方沿对角线设置5个取样点，取样深度为500 cm，0~100 cm取样间隔为10 cm，100~500 cm取样间隔为20 cm，共计30个土层。取出的样品一部分用马尔文激光粒度仪测定土壤颗粒组成，另一部分在105°烘干至恒量测定土壤含水量，同一样地不同月份取样距离不超过20 cm，以尽可能减小土壤空间变异带来的影响。降水量数据由布设在样地周围平坦且无遮蔽的自计雨量筒采集。

土壤含水量是指土壤中所含水的质量与烘干土质量的比值，计算公式为：

式(1)中：$ {W}_{i} $为第$ i $层土壤含水量(g)；$ {W}_{1} $为湿土+铝盒的质量(g)；$ {W}_{2} $为烘干土+铝盒的质量(g)；$ {W}_{0} $为铝盒的质量(g)。

变异系数和标准差计算公式为：

式(2)~(3)中：$ {C}_{\mathrm{V}} $为变异系数；$ \sigma $为标准差，$ \mu $为平均值，i为土壤层数，n为土壤总层数。

利用Excel 2010处理数据，SPSS 20.0分析数据，Origin Pro 2022制图；运用有序聚类法^[9]对土壤含水量垂直层次进行划分，通过DPS 9.01数据处理系统对土壤含水量、标准差及变异系数进行有序聚类，确定最优分层结果。

由图1可知：刺槐、侧柏、油松、刺槐-侧柏、刺槐-油松人工林0~100 cm土层土壤容重均值分别为1.20、1.20、1.25、1.20、1.14 g·cm⁻³，土壤毛管孔隙度为42.08%~51.83%、41.70%~47.14%、41.80%~51.63%、34.65%~48.17%、43.00%~50.91%。刺槐、侧柏、油松、刺槐-侧柏、刺槐-油松人工林0~500 cm土层土壤黏粒质量百分比为2.09%~3.31%、4.37%~10.21%、2.68%~4.87%、5.13%~7.52%、2.51%~4.98%，粉粒质量百分比为33.18%~51.52%、26.68%~37.21%、33.05%~49.33%、36.38%~43.72%、42.96%~53.50%，砂粒质量百分比为45.38%~65.10%、53.23%~68.52%、46.48%~63.76%、50.14%~57.99%%、43.16~53.75%。将人工林土壤颗粒组成按国际制土壤质地分类标准进行划分，5种人工林土壤为砂质壤土。

Figure 1.  Soil bulk density, porosity and texture characteristics of plantation

研究区2022年降水量为411.2 mm，低于区域多年平均降水量(533.5 mm)。2022年生长季(4—10月)降水量为361.2 mm，占全年降水的87.84%。

监测期内，人工林土壤含水量的增减变化规律和降水的年内分配保持一致(图2)。人工林土壤含水量在年内有2次增减变化，4—5月和8—9月土壤含水量表现为下降趋势。2个时期中，刺槐林土壤含水量分别减少了2.14%、1.77%，为下降最多的林分，侧柏林土壤含水量分别减少了1.86%、0.42%，为下降最少的林分，表明3种纯林中刺槐耗水最多，其次为油松，侧柏耗水最小。

Figure 2.  Variation of soil moisture content over time in a typical plantation

对比监测期内林地土壤含水量情况，生长季末平均土壤含水量小于生长季初，人工林土壤含水量均处于减少状态，同期雨季结束，年内土壤水分无法得到有效恢复，不良的水分状况将持续到次年生长季。

由图3可知：人工林土壤含水量具有相似的垂直变化特征，上层土壤含水量变化剧烈，随土层深度的加深，水分变化趋势逐渐减弱。经计算5种人工林土壤含水量变异系数为15.93%~28.02%，属中等变异，0~500 cm土壤含水量变异系数从大到小依次为刺槐(28.02%)、刺槐-油松(24.05%)、油松(22.18%)、刺槐-侧柏(20.81%)、侧柏(15.93%)。

Figure 3.  Vertical variation of soil water content in plantation

由图4可知：5种人工林土壤含水量垂直分布存在明显差异。刺槐林0~100 cm土层土壤含水量较高，水分变化较为活跃，随土壤深度的加深，变化趋势减弱，约在340 cm土层趋于稳定。侧柏和刺槐-油松人工林土壤含水量在垂直方向上呈S形变化，土壤含水量变化拐点分别出现在100和300 cm土层。以300 cm为界，侧柏林深层土壤含水量明显高于浅层，刺槐-油松林深层土壤含水量低于浅层。油松林在0~300 cm土层土壤含水量有波动，在300~500 cm内土壤含水量出现明显减少。刺槐-侧柏林土壤含水量在0~100 cm土层土壤含水量变化较为活跃，在100~500 cm土层土壤含水量随深度增加呈递减趋势。

Figure 4.  Vertical distribution of soil water content in plantation

以4—5月水分变化为例，此时气温回升，植被处于萌芽展叶阶段，需消耗大量水分，5月降水量仅为15.4 mm，无法满足植被生长所需。干旱发生时，刺槐0~320 cm、侧柏0~200 cm、油松0~300 cm、刺槐-侧柏0~120 cm、刺槐-油松0~280 cm不同层次土壤含水量下降明显(图4)，表明在干旱条件下刺槐、油松、刺槐-油松会加剧对深层水分的消耗，混交造林能有效缓解植被对深层水分的消耗。

监测期内5种人工林0~500 cm土层土壤平均含水量由大到小依次为侧柏(16.56%)、刺槐-侧柏(13.76%)、油松(11.25%)、刺槐-油松(10.63%)、刺槐(9.51%)。单因素方差分析表明：5种人工林0~500 cm土层土壤含水量差异显著(P＜0.05)。

有研究表明：人工林土壤含水量垂直变化表现出层次性^[10]。为直观体现土壤水分的垂直运动规律，采用有序聚类法对目标人工林0~500 cm土层土壤水分层次进行划分。依据最优分割结果，将水分垂直层次分为4层，即交换层、利用层、调节层和稳定层^[11−12]。受入渗速率、导水率、植物根系等因素影响，不同林分划分结果不同(图5)。

Figure 5.  Results of vertical ordered cluster stratification of soil water content in plantation

刺槐林交换层为0~50 cm土层，利用层为50~180 cm土层，调节层为180~340 cm土层，稳定层为340~500 cm土层；侧柏林交换层为0~60 cm土层，利用层为60~160 cm土层，调节层为160~360 cm土层，稳定层为360~500 cm土层；油松林交换层为0~20 cm土层，利用层为20~240 cm土层，调节层为240~340 cm土层，稳定层为340~500 cm土层；刺槐-侧柏林交换层为0~40 cm土层，利用层为40~100 cm土层，调节层为100~320 cm土层，稳定层为320~500 cm土层；刺槐-油松林交换层为0~40 cm土层，利用层为40~200 cm土层，调节层为200~360 cm土层，稳定层为360~500 cm土层。总的来看，交换层占比较小，仅占剖面的4%~12%；油松林水分利用空间范围最大，为220 cm，刺槐-侧柏林最小，为60 cm；侧柏和刺槐-侧柏林水分调节空间最大，均为220 cm；稳定层集中在320~360 cm土层内。

由表2可知：5种人工林土壤含水量与土壤颗粒组成表现出明显的相关关系，其中土壤含水量与土壤黏粒、粉粒呈显著正相关(P＜0.05)，与土壤砂粒呈显著负相关(P＜0.05)，刺槐人工林土壤含水量与土壤容重呈显著负相关(P＜0.05)，5种人工林土壤含水量与毛管孔隙度无相关。

大气降水作为黄土高原地区最主要的水资源补充来源，对区域水环境产生明显影响。本研究发现：晋西黄土区人工林土壤含水量时间动态受降水年内分配影响明显，人工林土壤含水量的变化规律和降水量的变化趋势保持一致，这与张晨成^[13]的研究结果一致。本研究的5种人工林土壤含水量差异显著(P＜0.05)，监测期内人工林土壤含水量从大到小依次为侧柏、刺槐-侧柏、油松、刺槐-油松、刺槐。土壤颗粒组成能显著影响土壤含水量(P＜0.05)，这与前人研究结果一致^[14]。土壤颗粒组成通过影响土壤结构，提高或降低土壤持水性和渗透性，从而影响土壤含水量^[15]。植被恢复前，地表多为裸露状态，可认为土壤含水量初始值近似，垂直方向上形成的水分差异与植被类型密切相关^[16]。植被自身的耗水特性与根系分布均能对土壤含水量产生较大影响。本研究发现：在干旱半干旱的背景下，侧柏林深层土壤含水量较高，其原因在于侧柏作为低耗水树种所消耗的水分较少^[17]，同时，侧柏细根在水平方向上较为发达，具有明显的表聚性^[18]，能充分利用浅层土壤水，而深层水分未出现明显消耗，使得林地土壤含水量处于高值。植被根系可借助水势差将深层水分抽取至上层土壤^[19]，保持根区相对湿润以应对干旱。刺槐、油松作为高耗水树种，生长需要消耗大量水分，其树冠面积较大，林冠截留导致可供补给的水分减少，植被加剧对深层水分的消耗，由此导致刺槐、油松、刺槐-油松3种人工林土壤含水量在剖面上明显减少。任婧宇等^[20]研究指出：混交林中不同植被根系穿插改善了土壤环境，使水分入渗速率加快，有效缓解单一树种对深层水分的过度利用，从而改善林地水分状况，这与本研究结果相同。综合5种人工林土壤含水量的情况，刺槐林深层土壤低湿现象最为明显，80 cm以下土层土壤含水量接近研究区凋萎湿度(7.96%)。马建业等^[21]研究认为：刺槐所消耗的水分中，约60%来自深层水分上升补给，导致林下深层土壤含水量长期处于低值。王宁等^[22]通过土壤水分植被承载力模型计算得出：晋西黄土区刺槐人工林土壤水分植被承载力为1 224株·hm⁻²，若林分密度超过此阈值，会加剧对深层水分的消耗。本研究中刺槐人工林密度(1 825株·hm⁻²)已超出区域土壤水分植被承载力阈值。刺槐被广泛栽植于晋西黄土区，在气候暖干化背景下，刺槐林下深层水分长期保持低值，使其难以持续发挥生态服务功能。从土壤含水量的角度出发，在今后造林经营中应减少营造刺槐林，对于现有水分状况较差的刺槐林，可通过间伐减小林分密度，或考虑混交造林，以改善林下土壤低湿的现状。

黄土区土壤水在垂直方向上的动态变化表现出明显层次性，这是降水、植被、土壤等因素综合作用的结果。研究表明：黄土区土壤水分垂直层次划分为速变层、活跃层、次活跃层、相对稳定层^[23−24]。本研究采用有序聚类法将研究区人工林0~500 cm土层土壤水分层次由上到下划分为交换层、利用层、调节层和稳定层，划分结果与刘新春等^[25]的类似。交换层内水分受光照、降水等外界环境影响较大，层内土壤含水量变化剧烈。油松林交换层分布在0~20 cm土层，为5种人工林中最薄，其原因在于油松林下常年覆盖有致密的凋落物层，这可增强对降水的拦蓄，对水分向下再分配产生影响。人工植被根系在利用层内广泛分布^[26]，该层土壤易得到降水补给^[27]，有效地为植被生长发育提供水分，受降水补给和植被消耗的影响，层内土壤具有明显的干湿变化过程。调节层与利用层联系紧密，降水充沛时蓄积水分，干旱时释水供给植物利用，起到良好的调节作用^[28]。稳定层受重力影响，层内土质紧实，水分对降水响应滞缓，且地下水难以穿过黄土层向上补给，层内土壤水分较为稳定。综合来看，人工林360 cm以下土层土壤含水量较为稳定，5种人工林在0~360 cm土层内土壤含水量存在较大差异，表明该范围内的土壤含水量受林分类型影响明显，这与黄土高原地区相关研究结果相似^{[20, 25]}。

晋西黄土区植被类型差异导致0~500 cm土层土壤含水量存在显著差异。侧柏林土壤含水量显著高于其他4种人工林，刺槐-侧柏林其次，油松、刺槐-油松林较低，刺槐林最低。根据土壤水分监测结果，人工林土壤水分垂直变化可划分为交换层、利用层、调节层和稳定层4个层次，上层水分变化剧烈，随土壤深度的加深，水分变化趋势逐渐减弱，受植被自身利用的影响，刺槐、油松、刺槐-油松林会加剧对深层土壤水分的消耗。因此，在今后造林经营中，应充分考虑植被类型对土壤含水量的影响，选择合理的植被造林，防止深层土壤水分出现过耗的现象。