不同植被类型对毛乌素沙地背风坡土壤水分时空变化的影响
要：在陕西省神木市毛乌素治沙造林基地，选取固定沙丘背风坡4种典型植被为对象，利用CNC503DR型中子仪对0～300cm土壤水分进行测定，分析不同植被类型条件下固定沙丘背风坡土壤水分特征。结果表明：1)在植被类型上，固定沙丘背风坡0～300cm剖面平均土壤含水量表现为草地>紫穗槐>长柄扁桃>沙柳;在季节变化上整体表现为，秋季>夏季>春季(2018年)、春季>夏季>秋季(2019年)。2)背风坡土壤剖面上土壤水分存在明显的分层结构，可将0～300cm分为0～50、50～100、100～200cm和200～300、50～300cm各土层植被类型间土壤水分存在显著差异(P<0.05)。3)0～50cm土层时间变系数较大，随着土层深度增加土壤水分时间变异系数逐渐减小;4种植被类型垂直变异系数夏秋季较大，春季较小;时间稳定性表现为沙柳>草地>长柄扁桃>紫穗槐。4种植被类型0～300cm土层平均土壤含水量无显著差异，草地、长柄扁桃和沙柳土壤水分时间稳定性较强，合理的林草空间搭配有利于该区背风坡土壤水分的保持。
本文源自赵鑫; 辛一凡; 张应龙; 朱超; 郑云珠; 田晓飞; 孙树臣; 翟胜， 西北林学院学报 发表时间：2021-05-21《西北林学院学报》是原西北林学院主办的林业科学综合性学术期刊，1984年创刊。1999年由于学校合并，现由西北农林科技大学主办。办刊宗旨：以马列主义为指导，坚持四项基本原则，贯彻理论联系实际和“双百”方针，为促进学术交流，发展学科理论，推动科技进步，为提高林业科技水平服务。
关键词：毛乌素沙地;植被类型;土壤水分;时空变化
土壤水分是土壤-植被-大气连续体(SPAC)中水循环的重要组成部分，其动态变化反映了地表水的能量通量及植被根系耗水特征[1]。较低的土壤水分会抑制种子发芽、植被正常的生长、耗水[2]，但不同的植被类型对土壤水分的需求量不同，导致各植被类型下土壤水分特征存在较大差异[3]。这些土壤水分特征又会影响植被的生长发育，进而影响植被的恢复和生态环境的改善，特别是干旱、半干旱地区，土壤水分已成为植被恢复与重建的主要生态限制因素[4]。
毛乌素沙地地处半干旱地区，风沙剧烈，沙丘广布，蒸发量较大，生态环境脆弱[5]。多年来，人们进行了退耕还林还草、封山禁牧、人工林建设等恢复措施，生态环境得到有效改善。然而，有研究发现单一或大规模人工林不合理的配置会导致天然降水无法满足植被生长对土壤水分的需求，各人工林均出现不同程度的土壤水分亏缺现象[6]，进而产生人工林生长缓慢(如“小矮树”)、土层干燥化等新问题，不利于人工林可持续发展，阻碍了当地的生态环境恢复。为此，许多学者从植被恢复对土壤水分的影响等方面进行大量研究，并取得一些重要的成果[7-9]，土地沙漠化现象也得到进一步的控制。然而毛乌素沙地内部各区域的气候、沙丘类型、植被类型、地形等多种影响要素不同，土壤水分时空变化特征也存在差异，但在小尺度研究中植被类型及根系结构仍是沙地土壤水分变化的主导因素[10]，所以深入了解特定区域土壤水分条件下适宜何种固沙植被配置模式，对今后该区植被生态恢复具有现实意义。本研究在毛乌素沙地东南缘陕西省神木市生态协会治沙造林基地内选择固定沙丘背风坡建立土壤水分定位观测点，连续监测天然草地及人工长柄扁桃、紫穗槐、沙柳4种植被类型下0～3m土壤含水量，共计测定16次，分析固定沙丘背风坡不同植被类型下土壤水分时空变化特征，以期为该区植被优化配置及生态环境稳定性建设提供理论依据。
1材料与方法
1.1研究区概况
研究区位于毛乌素沙地东南缘陕西省神木市生态协会毛乌素治沙造林基地(38°53′N，109°22′E，海拔1250～1280m)，地处毛乌素沙地与黄土高原过渡区域，水蚀风蚀较严重。气候类型为半干旱大陆性季风气候，年平均气温6～9℃，≥10℃积温2500～3645℃，无霜期130～160d;多年平均降水量400～450mm，一般情况下多雨年为少雨年的2～3倍，其中7-9月降水量约占全年降水量的60%～70%，且降水年际变化大。土壤类型为固定风沙土，有机质含量较低，土壤贫瘠。植被类型主要包括长柄扁桃(Amygdaluspedunculata)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、沙蒿(Artemisiadestero-rum)、沙柳(Salixpsammophila)和狗尾草(Setar-iaviridis)等。
1.2研究方法
土壤水分定位监测，选择固定沙丘背风坡4种典型植被(表1)为研究对象。为避免植被交汇区不同植被对土壤水分的交互影响，分别在4种植被样地的中线位置由坡顶至坡底按照间隔3m的距离进行样点布设，每种植被条件下布设3根3m长中子管，用以监测0～3m范围内土壤水分。于2018年3月至2019年10月利用北京超能科技公司生产的中子仪(CNC503DR)进行剖面土壤水分的测定，并依据校准曲线进行土壤体积含水量的计算，其中0～1m内每隔10cm测定1次，1～3m内每隔20cm测定1次，每月测定1次，共测定16次。气象数据由小型全自动气象站自动监测，包括大气降水、温度、湿度、风速等。
1.3数据处理
1.3.1变异系数采用垂直变异系数来分析不同植被类型土壤水分的空间变化特征[11]。CV=δμ×100%(1)式中：δ为标准差，μ为均值。
1.3.2相对差分标准差
相对差分标准差反映了采样点土壤含水量在时间上的稳定程度，其值越小说明样点稳定性越强[12]。计算公式为：δi=1m∑mi=1Sij-SjSj(2)σδ()i=1m-1∑mi=1槡()δij-δi2(3)式中：Sij为样点i在j时刻的土壤含水量;Sj为j时刻的平均土壤含水量;m为研究土壤水分测定的次数;δij为样点i在j时刻土壤含水量相对差分值;δi为样点i在整个研究期间的平均相对差分值;σ(δi)为样点i的相对差分标准差。
条形图和柱状图在Origin完成，采用Excel2016计算各样点土壤体积含水量及其相对差分标准差，在SPSS23.0软件中的单因素方差分析统计不同植被类型下土壤含水量的平均值差异，并用Duncan多重比较差异显著性(P<0.05)。
2结果与分析
2.1不同植被类型下土壤水分时间变化特征
2018年降水量为596.8mm，高于该地区多年平均降水量最大值450mm，7-9月降水量高达404.1mm，占全年总降水量68%;而2019年降水量为276mm，远低于该地区近多年平均降水量，7-9月降水量仅164.1mm，占全年总降水量58%(图1)。
监测期内3-5月，4种植被条件下土壤含水量整体呈减小趋势。随着雨季到来，6-8月4种植被条件下平均土壤含水量增加，但土壤水分变化趋势存在差异。2019年9-10月，植物生长缓慢，土壤蒸发及植被蒸腾作用减弱，土壤水分变化稳定，而2018年9-10月降水量较多，4种植被类型下土壤含水量呈增加趋势，表明该时期降水对土壤水分的补给高于土壤水分散失。本研究中4种植被类型土壤含水量季节变化2018年整体表现为，秋季(9-10月)>夏季(6-8月)>春季(3-5月);2019年则表现为，春季(3-5月)>夏季(6-8月)>秋季(9-10月)。
不同时期4种植被类型下平均土壤含水量在垂直分布上波动较大(图2)，其波动是气候、植被、土壤及地形等自然条件的综合反应[13-14]。2018、2019年3-5月(图2a、d)，随着太阳辐射的增强及土壤温度的升高，植被由休眠期过渡为生长初期，土壤蒸发及植被蒸腾能力逐渐增强，0～100cm土壤含水量有不同程度的下降趋势;同时此期间降水量较少(2018年73.4mm，2019年64mm)，对深层土壤水分补给微弱，因此200cm以下草地、长柄扁桃和沙柳土壤水分较稳定;6-8月(图2b、e)，降水使0～20cm土壤水分上升，此时植被蒸散耗水量到达较高水平时期，故20～100cm土壤水分出现不同程度的减小，土壤含水量较低。2018年9-10月与2019年9-10月相比(图2c、f)，4种植被类型下土壤含水量及变化幅度存在较大差异，这可能与降水量的强度和持续时间有关。
2.2不同植被类型下土壤水分空间分布特征
不同植被类型下土壤含水量在0～300cm垂直方向上存在一定差异，且随着土层深度增加差异越大(图3)。0～50cm土壤含水量呈现先增大后减小的趋势，各植被土壤含水量相差不大(均值差0.26%～0.8%)。50～100cm土壤含水量整体呈减小趋势，其中草地土壤含水量较大(均值为6.18%)。100～200cm长柄扁桃、沙柳和紫穗槐土壤含水量变化较稳定，草地土壤含水量随土层加深先增大后减小。200～300cm紫穗槐土壤含水量变化迅速，随土层深度增加而增大。
有序聚类法作为数理统计中研究“物以类聚”的一种方法不仅可以减少主观因素，还能使分类结果不会打乱样本次序仍然能保持深度上的排序[15]，因此利用有序聚类法对固定沙丘背风坡不同植被类型下土壤水分剖面进行聚类分层，当最优分割数为4时误差函数图趋于平缓[16]。结合有序分类结果和土壤含水量变化(图3)将0～300cm土层分为0～50、50～100、100～200、200～300cm(图4)。
4种植被类型土壤含水量在0～50cm监测期波动较大且变化趋势大致相同(图4a)。2018、2019年3-6月土壤蒸发及植被蒸腾作用逐渐增强，但此时土壤水分得到补给较少，土壤水分逐渐下降，其中6月4种植被类型土壤含水量较低(2a平均值草地3.16%、长柄扁桃2.11%、沙柳2.11%、紫穗槐2.64%)。2018年7-9月4种植被类型土壤含水量逐渐减少，而2019年同时期土壤含水量先增加后减小，这可能与2018年较多的降水促进了土壤含水量增加，导致植被蒸散耗水量增大有关;10月因植被蒸腾作用减弱及持续降水土壤含水量再次上升。
随着土层深度增加，降水入渗量逐渐减少，植被根系耗水能力减弱，4种植被类型下土壤含水量在50～100cm变化趋势波动减缓(图4b)。100～200cm长柄扁桃、沙柳和紫穗槐土壤含水量整个监测期内较低(图4c)。200～300cm4种植被类型土壤含水量均有所增加(图4d)。草地和紫穗槐土壤含水量波动较大，紫穗槐土壤含水量均高于其他3种植被。以上分析表明不同植被类型在相同土层中土壤水分变化趋势相对一致，但在不同土层之间各植被类型下土壤水分大小及变化幅度存在较大差异。
由表2可知，4种植被类型0～300cm土层平均土壤含水量大小为草地>紫穗槐>长柄扁桃>沙柳，且植被间土壤含水量无显著差异(P>0.05)。对于同一土层不同植被类型而言，0～50cm4种植被类型下土壤含水量之间均不显著(P>0.05);50～200cm草地土壤含水量较高且与长柄扁桃、沙柳和紫穗槐之间差异均达到显著水平(P<0.05)，而沙柳、紫穗槐和长柄扁桃三者间无显著差异(P>0.05);200～300cm紫穗槐土壤含水量较高且与其他3种植被类型下土壤含水量之间均差异显著(P<0.05)。
2.3不同植被类型下土壤水分的时空变异系数及时间稳定性
监测期内4种植被类型下土壤水分时间(季节)变异系数(均值29.85%～35.91%)均为中等变异，整体上随着土层深度增加而降低(图5)。0～50cm4种植被类型下土壤水分变异系数较大;随着土层深度增加，降水、土壤蒸发及根系耗水作用对土壤水分影响减小，4种植被类型下土壤水分变化较稳定，因此50～100cm土壤水分变异系数逐渐减小;100～200cm草地、长柄扁桃和沙柳变异幅度较稳定，而200～300cm4种植被类型下土壤水分变异系数呈现出不规则的变化趋势，其中紫穗槐变异幅度最大。4种植被类型平均土壤水分变异系数大小为紫穗槐(35.91%)>长柄扁桃(31.51%)>草地(31.12%)>沙柳(29.85%)。虽然沙柳土壤水分时间(季节)变异系数较小，但其土壤含水量较低，表明沙柳条件下土壤水分长期处于一种被高损耗状态，进而导致土壤水分失衡。
2018、2019年不同植被类型土壤含水量变异系数差异较大(图6)。在季节上，草地、长柄扁桃和沙柳垂直变异系数表现为夏季>秋季>春季，紫穗槐垂直变异系数表现为秋季>夏季>春季。随着时间变化各植被类型垂直变异系数依次是草地<沙柳<长柄扁桃<紫穗槐。紫穗槐垂直变异系数随着时间波动最大，介于37%～87%，属中等变异。总的来说，4种植被类型垂直变异系数夏秋季较大，春季较小，紫穗槐土壤水分垂直变异系数变化较大。
不同植被类型0～300cm土壤含水量平均相对差分标准差大小依次为紫穗槐>长柄扁桃>草地>沙柳(表3)，沙柳土壤含水量时间稳定性较强，而紫穗槐土壤含水量时间稳定性较差。相对差分标准差多重比较表明，0～50cm紫穗槐土壤水分时间稳定性显著低于长柄扁桃和沙柳(P<0.05)，而200～300cm土层内则相反;50～100cm4种植被类型之间土壤水分时间稳定性无显著差异(P>0.05)。100～200cm草地土壤水分时间稳定性显著高于长柄扁桃、沙柳和紫穗槐(P<0.05)，而长柄扁桃、沙柳和紫穗槐三者间无显著差异(P>0.05)。总的来说草地、长柄扁桃和沙柳间土壤水分时间稳定性差异性较小，而与紫穗槐间均显著差异(P<0.05)。
3结论与讨论
3.1结论
2018、2019年4种植被类型下土壤含水量在春季、秋季存在较大差异，2018年4种植被类型0～300cm剖面平均土壤含水量季节变化整体表现为秋季>夏季>春季;2019年表现为春季>夏季>秋季。
4种植被类型下0～300cm土壤含水量表现为草地>紫穗槐>长柄扁桃>沙柳。其土壤含水量在不同土层中也存在较大差异，50～200cm草地土壤含水较高且与其他3种植被类型差异显著;200～300cm紫穗槐土壤含水量较高且变幅较大，并与其他3种型植被类型差异显著。
4种植被类型下土壤水分时间(季节)变异系数在0～50cm土层较大，各土层时间(季节)变异系数随土层深度增加而降低;其土壤水分垂直变异系数在夏秋季较大，春季较小;相对差分标准差表现为沙柳(0.13)<草地(0.14)<长柄扁桃(0.15)<紫穗槐(0.26)，沙柳、草地和长柄扁桃土壤水分时间稳定性较强，紫穗槐土壤水分时间稳定性较差。
3.2讨论
3.2.1影响不同植被类型土壤水分时空变化的因素在沙地生态建设和植被恢复过程中，良好的植被配置可提高降水的利用率，并能使水分在SPAC系统中达到一种良好的平衡状态，从而有利于生态系统的稳定[17]。降水是研究区土壤水分重要的补给来源，在半干旱地区浅层土壤处于大气圈水分交流临界面，受随机性降水补给和土壤蒸发交替影响剧烈，土壤水分变化迅速[18]，4种植被类型0～50cm土壤水分较高且波动较大。在50～100cm土层中，长柄扁桃、沙柳和紫穗槐土壤含水量逐渐减小，这可能是因为上层密布的根系对土壤水分入渗具有一定的阻滞作用，同时该层灌木根系吸水也会导致土壤水分的减少。张晨成等[19]研究发现，在水蚀风蚀交错带的灌木林地，深层土壤(100cm以下)长时间降水补给较少，长期的根系耗水导致下层土壤含水量降低，加之风沙土土壤毛管空隙发育较差，土壤持水能力较弱，易形成土壤干层，这与本研究中长柄扁桃、沙柳和紫穗槐在100～200cm土壤含水量较低的结果相似。200～300cm土层紫穗槐土壤含水量迅速增加，一方面是因为紫穗槐坡底水分监测点地势低洼，当发生强降水时，受坡度和重力影响，水分以地表径流和壤中流的方式汇集坡地低洼处，然后再垂直下渗，补给深层土壤水分;另一方面，毛乌素沙地东南缘地下水深埋3～20m[20]，而本研究测定土壤水分深度为3m，加之紫穗槐坡底海拔较低(比其他植被类型低2～8m)，深层土壤水分更容易受到地下水影响，所以200～300cm土层中紫穗槐土壤含水量相对其他3类植被类型土壤含水量较高。总的来说，由于降水、地形、植被类型、根系分布、盖度等因素差异[21-22]，导致不同植被类型0～300cm各土层土壤水分对外界因素有不同的响应，其平均土壤水分表现为草地>紫穗槐>长柄扁桃>沙柳。从不同季节上土壤含水量变化看，本研究中4种植被类型下土壤含水量在春、秋季节差异较大，秋季>夏季>春季(2018年)、春季>秋季>夏季(2019年)。这是因为在2018年秋季多发生持续性降水，土壤水分可得到较大的补给，此阶段植被处于生长后，蒸散作用能力降低，进入稳定期的土壤水分变化较小(11月至次年3月)，导致翌年春季土壤水分较高。
3.2.2影响不同植被类型时空变异及时间稳定性的因素从不同植被类型土壤水分时间变异系数来看，0～50cm土层4种植被类型土壤水分变异系数较大，200～300cm土层变异系数较小，主要是因为该地区0～50cm土壤水分输入方式多以随机性和间断性的降水为主，植被强烈的蒸散耗水是土壤水分输出的主要过程，这2种因素使该层土壤水分呈不连续的脉动状态，而200～300cm土层受浅层土壤保护受外界因素较小，因此各植被类型时间变异系数随着土层深度增加而减小。另外，中子在土壤表层的外溢所导致的土壤含水量的测定误差也可能是土壤水分变异系数较大的重要原因之一[23]。不同植被类型下土壤水分垂直变异系数整体上夏秋季较大，春季较小，这与伍永秋等[24]研究毛乌素沙地南缘各沙丘土壤水分垂直变异系数夏季>秋季>春季结果相似，表明该地区夏季0～300cm各土层土壤水分差异较大，而这种差异是由各剖面土层土壤水分对降水、不同植被类型、蒸散发等因素不同的响应造成的。沙地土壤水分时间稳定的表现为沙柳>草地>长柄扁桃>紫穗槐，有研究发现土壤含水量越低时间稳定性越强[25]，这可能是沙柳0～300cm土壤含水量平均相对差分标准差低于长柄扁桃、紫穗槐和草地的主要原因。然而0～50cm土层和50～100cm土层相对差分标准差并没有随着土壤含水量变化出现明显的梯度，说明土壤水分时间稳定性不仅受土壤水分自身条件的影响，还与降水、温度和根系结构等因素有关[26-27]。