宁南黄土区不同人工植被类型深层土壤水分亏缺评价

Evaluation of water deficits in deep soil of the loess region of southern Ningxia under various vegetation types

摘要

目的 开展评估不同人工植被类型深层土壤水分亏缺程度，能为区域科学合理实施植被恢复策略提供理论依据。 方法 以宁夏彭阳中庄小流域5种不同植被类型（山桃林、沙棘林、柠条林、苜蓿地，农田为对照）为研究对象，采用土壤水分相对亏缺指数（CSWDI）和干燥化指数（SDI）定量评价模型，对不同植被类型下0~1 000 cm土壤水分亏缺及干燥化程度进行定量化分析与评价。 结果 不同植被类型深层土壤水分变化特征差异明显，0~1 000 cm平均土壤水分含量呈现出农地（16.29%）>山桃林（13.06%）>沙棘林（12.22%）>柠条林（9.12%）>苜蓿地（8.08%）。在垂直剖面上，土壤水分随土层深度增加总体呈现先减小后增加再逐渐稳定的趋势。在0~1 000 cm农地基本没有水分亏缺和干层发生，山桃林、柠条林、沙棘林和苜蓿地均呈现不同程度的土壤水分亏缺现象，平均土壤水分相对亏缺指数分别为0、0.22、0.62、0.35、0.79，平均土壤干燥化指数分别为185.5%、67.45%、51.55%、87.35%、36.10%，5种植被类型中苜蓿地土壤水分亏缺最严重，其次为柠条林、沙棘林、山桃林、农地。山桃林、柠条林、沙棘林、苜蓿地均有不同程度的干层分布，分别呈现中度、轻度和严重干燥化，干层厚度（DSLT）分别为890、860、800、920 cm，DSL-SWC分别为12.42%、8.14%、11.56%、7.76%。 结论 宁南黄土区不同人工植被类型对深层土壤水分亏缺具有明显影响，导致不同程度土壤干层发生，其中苜蓿地土壤水分亏缺最严重，应采取相应措施恢复土壤水分，促进区域水土资源可持续利用和生态健康发展。

Abstract

Objective The objective of this study was to quantitatively evaluate soil water deficits under different vegetation types in the loess region of southern Ningxia，with the aim of providing a theoretical basis for the scientific guidance of rational vegetation allocation and ecological restoration. Method The soil water relative deficit index (CSWDI) and desiccation index (SDI) were calculated for Prunus davidiana forest，Hippophae rhamnoides forest，Caragana korshinskii forest，alfalfa land，and farmland within soil profiles of 0 to 100 cm depth.These calculations were used to quantify soil water deficits and their distribution under five distinct vegetation types in the Zhongzhuang small watershed of Pengyang，located within the loess area of southern Ningxia. Result The results showed that the characteristics of soil water variation in the deep layer under different vegetation types were significantly different.The average soil water content within the 0 to 100 cm layer was as follows: farmland (16.29%) > Prunus davidiana forest (13.06%) > Hippophae rhamnoides forest (12.22%) > Caragana korshinskii forest (9.12%) > alfalfa land (8.08%).In the vertical profile，soil moisture initially decreased，then increased，and gradually stabilized with increasing soil depth.Within the 0 to100 cm layer，no water deficit or dry layer was observed in farmland，whereas other vegetation types exhibited varying degrees of soil water deficit.The average CSWDI values were 0，0.22，0.62，0.35，and 0.79，respectively，and the average SDI values were 185.5%，67.45%，51.55%，87.35%，and 36.10%，respectively.It was observed that the soil water deficit was most severe in alfalfa land，followed by Caragana korshinskii forest，Hippophae rhamnoides forest，Prunus davidiana forest，and farmland.The distribution of dry layers in Prunus davidiana forest，Caragana korshinskii forest，and Hippophae rhamnoides forest ranged from moderate to severe，respectively.The depth of the dry soil layer (DSLT) was 890，860，800，and 920 cm，with corresponding soil water contents (DSL-SWC) of 12.42%，8.14%，11.56%，and 7.76%，respectively. Conclusion Different vegetation types significantly impact deep soil water deficits，leading to varying degrees of dry soil layer formation.Consequently，appropriate measures should be implemented to restore soil water，promote the sustainable use of regional water and soil resources，and support the healthy development of the local ecology.

Graphical abstract

关键词

植被类型 / 土壤水分 / 水分亏缺 / 宁南黄土区

Key words

vegetation type / soil water / water deficit / loess region of southern Ningxia

Author summay

王月玲，硕士，副研究员，主要从事黄土高原水土保持与生态环境建设研究。E-mail：[e-mail]

土壤水分是制约黄土高原植被生长和生态恢复的关键因子，直接影响着生态系统的结构、过程和功能^［1］。由于该区土层深厚，降水不足，外加长期不合理的土地利用，致使土壤水分过度开发，出现了严重的土壤水分亏缺问题^［2］。宁南黄土区位于黄土高原的西北部，气候干旱、降水稀少、土壤水资源短缺，植被稀疏及土壤水分过度消耗严重影响区域生态环境。自1999年开始实施大规模退耕还林还草工程措施以来，形成了以乔木、灌木等为主的人工林草植被^［3］，对流域水循环产生了重要影响，不同程度改善了区域生态环境，提升了流域水土保持功能。但由于植被配置模式不合理等因素，使得土壤水分消耗严重并出现水分亏缺^［4-6］，进而导致土壤干层现象发生^［7-8］。因此，基于不同区域土壤水分背景，定量评估土壤水分对植被类型的响应非常重要，是保证区域土壤水分可持续利用的前提和基础，也是目前宁南黄土区面临的一个关键科学问题。目前针对黄土高原地区植被作用引起的土壤水分亏缺程度的评估，国内众多学者已从不同植被类型、立地条件、评价模型、评价指标等方面进行了相应的研究^{［5，9-17］}，但多限于浅层不同植被土壤水分的对比及其稳定性等研究，对于深层不同植被类型土壤水分亏缺程度的评价及其剖面分布特征的分析还较为欠缺。所以，本研究选择宁南黄土区典型区域—彭阳中庄小流域为研究区，以该区域几种主要植被类型（山桃林、沙棘林、柠条林、苜蓿地，以农地为对照）为研究对象，采用野外定位取样和实验室测定相结合，通过采用土壤水分亏缺定量评价模型，对不同植被类型0~1 000 cm土层土壤水分相对亏缺指数和干燥化指数进行计算，定量评价不同植被类型深层剖面土壤水分亏缺现状和干燥化程度，探讨可持续发展的植被恢复类型，为科学指导宁南黄土区植被合理配置和生态恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于彭阳县东北13 km处的白阳镇中庄村小流域，坐标为N 35°51′~35°55′ ，E 106°41′~106°45′。该区是典型的黄土丘陵区，地貌以梁状丘陵为主，区内梁峁相间，沟壑纵横，地形破碎。流域海拔高度在1 470~1 848 m，年平均气温7.4~8.5 ℃，无霜期140~160 d，多年降水量350~550 mm，属典型的温带半干旱大陆性季风气候，冬季干燥寒冷，夏季潮湿炎热。土壤以黄绵土为主，土壤母质为黄土及黄土状物，pH值在8.0~8.5之间，土层深厚，土质疏松。自然植被以典型温带草原植被为主，主要以长芒草 （Stipa bungeana Trin.）、百里香（Thymus quinquecostatus Celak.）、西山委陵菜（Potentilla sischanensis Bge.ex Lehm.）、二裂委陵菜（Potentilla bifurca L.）、达乌里胡枝子（Lespedeza davurica （Laxm.） Schindl.）等植物为建群种的群落类型为主，其次还有中生和早中生的落叶阔叶灌丛、落叶阔叶林、草甸。人工植被以山杏（Prunus sibirica L.）、山桃（Prunus davidiana Franch.）、沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）、柠条（Caragana Korshinskii Kom.）等为主。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集及测定

2021年5月上旬植物生长初期，在实地调查研究的基础上，选取宁夏彭阳中庄小流域5种不同植被类型（山桃林、沙棘林、柠条林、苜蓿地、农田）进行土壤样品采集。每个样点类型选择3个样地，采用土钻取样，取样深度为0~1 000 cm，每20 cm采样，每层3个重复，即每个样点采集150个土样，将采集的样品装入铝盒并用胶带封闭带回实验室，采用烘干法测定土壤含水量（105 ℃，24 h）。同时在每个采样点利用环刀采集0~20 cm土层原状土样3个，测定土壤田间持水量。将土壤田间持水量的60%作为土壤稳定含水量^［18-19］。凋萎含水量采用Van Genuchten模型拟合。不同植被类型样地信息见表1。

1.2.2 土壤水分及干燥化指标

为定量评价研究区域不同植被类型相对于农地土壤剖面水分的亏缺程度，本文采用土壤水分相对亏缺指数（CSWDI）、土壤干燥化指数（SDI）和表征土壤干层特征主要参数进行分析^［9］，计算模型如下：

CSWDI_i=（CP_i-SMC_i）/（CP_i-WM_i）（1）

式中：CSWDI_i 为不同植被类型第i层土壤水分相对亏缺指数，i为采样土层深度；CP_i 为对照农田样地第i土层土壤含水量（%）；SMC_i 为不同植被类型第i土层土壤含水量（%）；WM_i 第i土层凋萎含水量。CSWDI_i 值越大，则表明该层土壤水分相比对照样地亏缺程度越高，若CSWDI_i 值小于0时，说明土壤水分良好，相比没有出现亏缺。

SDI_i（%）=（SMC_i-WM_i）/（SSM_i-WM_i）×100%（2）

式中：SDI_i 为不同植被类型第i层土壤干燥化指数，i为采样土层深度；SSM_i 为第i层土壤稳定含水量（%），WM_i 为土壤凋萎含水量（%）。根据SDI值将土壤干燥化强度划分为：100%≤SDI为无干燥化，75%≤SDI<100%为轻度干燥化，50%≤SDI<75%为中度干燥化，25%≤SDI<50%为严重干燥化，0%≤SDI<25%为强烈干燥化，SDI<0%为极度干燥化。

表征土壤干层特征主要参数：

DSLFD是垂直剖面上SMC开始小于SSM的土层深度（cm）；DSLT是垂直面上所有SMC小于SSM的土层范围总和（cm）；DSL-SMC是干层内土壤平均含水量。

1.3 数据统计与分析

利用Excel 2016、DPS1 7.10和SPSS 18.0软件对各变量进行作图和统计分析，采用单因素方差分析进行差异显著性分析（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下土壤水分特征

如表2和图1所示，分析不同植被深层土壤平均含水量变异及其差异性可知，不同植被类型0~1 000 cm土壤平均含水量呈现：农地（16.29%）>山桃林（13.06%）>沙棘林（12.22%）>柠条林（9.12%）>苜蓿地（8.08%），不同植被类型0~1 000 cm土壤含水量存在显著差异（P<0.05）。农地土壤含水量均显著高于其他林地和苜蓿地（P<0.05），苜蓿地土壤含水量最低。说明研究区林地和苜蓿地对土壤水分的消耗要显著高于农地，尤其是多年生的苜蓿更容易耗水。5种植被类型下土壤水分的变异系数大小排序为：柠条林（37.39%）>苜蓿地（21.34%）>山桃林（17.07%）>农地（15.88%）>沙棘林（15.37%），由10%<CV<100%为中等变异^［20］可知，5种植被类型0~1 000 cm的土壤水分变异系数均大于10%，属于中等变异。其中柠条林的土壤水分变异系数最大，说明柠条林的土壤水分变化最剧烈。通过对每组数据用Kolmogorov-Smirnova正态分布检验概率进行检验，结果表明：在95%的显著水平上，农地P>0.05，符合正态分布，山桃林、柠条林、沙棘林和苜蓿地P<0.05，不符合正态分布（表2）。

2.2 不同植被类型下土壤水分的垂直分布特征

由图2可知，在垂直剖面上，不同植被类型0~1 000 cm土壤水分除沙棘林外基本随土层深度增加总体呈现先增加后减小再增加再逐渐稳定的趋势，且土壤水分均表现出上部变化剧烈，下部变化较小的特征。山桃林、柠条林、沙棘林和苜蓿地土壤含水量在0~1 000 cm的最低值分别为10.39%、5.13%、10.36%、5.74%，均出现在不同的深度，分别为480、440、180、180 cm。除了农地外，其他4种植被类型均出现了SMC小于SSM的土层，说明山桃林、柠条林、沙棘林和苜蓿地均产生了不同程度的土壤干层现象，而且他们的土壤干层起始深度（DSLFD）、干层厚度（DSLT）、干层内土壤平均含水量（DSL-SWC）均不相同。山桃林、柠条林、沙棘林和苜蓿地的DSLFD分别为110、140、120、80 cm，DSLT分别为890、860、800、920 cm，DSL-SWC分别为12.42%、8.14%、11.56%、7.76%。农地除了在120 cm的SMC小于SSM外，其他土层SMC均大于SSM，说明农地基本不产生土壤干层现象。柠条林在320~480 cm的SMC接近或小于WM，苜蓿地在140~180 cm的SMC小于WM，说明柠条林和苜蓿地在该土层范围内土壤水分消耗严重，土壤干燥化程度非常明显。山桃林、柠条林、沙棘林、苜蓿地和农地相比，在80~1 000 cm土壤平均含水量分别减少了3.78%、7.76%、4.53%、8.68%，同样说明苜蓿地和柠条林比其他植被类型更容易消耗深层水分，导致土壤干层发生。另外结合表2也可以看出0~1 000 cm土壤水分亏缺程度由重到轻依次为苜蓿地、柠条林、沙棘林、山桃林、农地。

2.3 不同植被类型下土壤水分相对亏缺指数

如图3所示，可以看出山桃林、柠条林、沙棘林和苜蓿地0~1 000 cm的CSWDI随着土壤深度的增加基本上呈现出先增加后减小的趋势，且不同植被类型CSWDI最大值出现的深度各不相同。在垂直剖面上，山桃林、柠条林、沙棘林和苜蓿地0~1 000 cm平均CSWDI分别为0.22、0.62、0.35、0.79，可以看出苜蓿地的土壤水分亏缺最严重。如表3可知，山桃林和沙棘林CSWDI最大值均出现在500~600 cm，柠条林CSWDI最大值出现在400~500 cm，苜蓿地CSWDI最大值出现在100~200 cm。这主要与不同植被根系分布情况和根系耗水有一定的关联。从CSWDI>0的土层范围可以看出，山桃林、柠条林、沙棘林和苜蓿地在200~1 000 cm均呈现土壤水分亏缺的状态，且亏缺量最大的为苜蓿地，其次为柠条林、沙棘林、山桃林。

2.4 不同植被类型下土壤干燥化评价

由表4可知，在0~1 000 cm山桃林、柠条林、沙棘林、苜蓿地和农地的平均SDI分别为67.45%、51.55%、87.35%、36.10%、185.5%，说明山桃林、柠条林、沙棘林、苜蓿地出现了不同程度的土壤干燥化现象，农地土壤水分可以满足植被生长需求，没有出现土壤干燥化。其中山桃林和柠条林土壤属于中度干燥化，沙棘林属于轻度干燥化，苜蓿地属于严重干燥化。极度干燥层苜蓿地主要出现在140~180 cm，柠条林主要出现在340~480 cm，强烈干燥层苜蓿地主要出现在200~360 cm和80~1 000 cm，柠条林主要出现在260~320 cm。山桃林、柠条林、沙棘林、苜蓿地的轻度干燥层厚度分别为80、180、520、20 cm，中度干燥层厚度分别为740、120、200、20 cm；严重干燥层厚度分别为80、240、60、600 cm。通过上述分析，总体反映出不同植被类型所对应的土壤干燥化程度均存在明显差异，其中苜蓿地和柠条林土壤水分消耗过多，土壤干层现象严重。

3 讨论

在半干旱黄土丘陵区土壤水分亏缺是在气候干旱的环境背景下，不合理的人工植被配置导致植被蒸腾作用过度消耗土壤储水造成的^［5］。自1999 年退耕还林还草工程大规模实施以来，在生态环境建设方面取得成效的同时也对土壤水量平衡产生了重要影响。包维斌等^［9］研究发现宁南山区0~600 cm草地、弃耕地和农地未出现土壤干层，林地和灌木地分别呈现中等和轻度干燥化。李祥东等^［21］研究发现西北干旱区不同土地利用类型条件下0~500 cm干层发育草地>林地>农地。刘丙霞^［22］等研究发现黄土区多年种植柠条和紫花苜蓿会导致土壤产生干燥化。缪凌等^［2］研究也发现黄土丘陵区0~900 cm枣林、苜蓿草地和杏林土壤水分存在一定的亏缺，由重到轻排序为苜蓿草地>杏林>农地。本研究结论与上述学者的研究结论相吻合。根据本研究中土壤水分剖面分布特征可知，农田、林地和苜蓿地的耗水具有明显差异。林地和苜蓿地的耗水显著高于农地。农地未出现明显的土壤水分亏缺和干层现象，苜蓿地水分亏缺和干燥化最为严重，其次是柠条林、山桃林和沙棘林。主要是因为在黄土丘陵区人工植被多样，植被和土壤水分关系极为密切，土壤水分是影响植物生长发育的主要因素，植物生长状况反之也决定水分分布。因此其耗水和根系分布差异较大。农地一般为1年生作物根系较浅^［23］，主要是受前期耕作的影响，土壤疏松，降雨入渗能力强，作物根系较浅，蒸散量相对较小，对深层土壤水分利用有限，故土壤含水量较高。苜蓿地在生长过程中长期剧烈耗水，年耗水量约为300~1 450 mm^［24］，根系吸水层超过10 m深度^［25-26］，水分的过度消耗进一步导致了土壤干层出现。柠条、沙棘这类植被也是根系分布广而深^［27］，吸水能力极强，可使土壤含水量低至凋萎湿度以下，导致植被与降水之间不平衡，进而形成土壤干层^［1］。据程积民等^［28］针对柠条生长的不同阶段（0~6 a，幼龄期；6~14 a，中龄期；14 a以上，老龄期），研究了0~800 cm土层的含水量变化，结果发现14 a年以上老龄期柠条干层厚度达到700 cm。另外结合本研究不同植被类型下土壤水分相对亏缺指数和土壤干燥化指数可知，山桃林、柠条林、沙棘林和苜蓿地对深层土壤水分过度消耗，表现出不同程度的土壤水分亏缺，其中苜蓿地土壤水分亏缺和干燥化最严重，其次是柠条林，沙棘林和山桃林，出现了中度和轻度干燥化。殷地迟等^［8］、王云强等^［29］也发现人工植被存在不同程度的土壤水分亏缺，其中苜蓿草地和柠条林地土壤水分亏缺相对较严重。宁南黄土区由于气候干旱，降水稀少，对深层土壤水分的补给往往满足不了植被的耗水需求，导致干层发生。因此，为解决土壤干层严重、水文小循环破坏等问题，在进行该区域人工植被恢复的同时，必须根据当地的土壤水分背景，因地制宜，充分考虑植被的耗水特征，选择合理的植被类型和配置模式，并辅以相应的水土保持工程措施如挖水平沟、鱼鳞坑等拦蓄降水，恢复土壤水分使生态环境得到可持续发展。本研究存在的不足及问题：根据汪星等^［30］前期通过实地观测认为，降雨在当年的影响深度不超过300 cm，冯金超等^［31］认为在丰水年能够达到500 cm，对深层干化土壤水分恢复没有作用，故本研究没有研究深层土壤水分的季节变化和年度变化，缺乏一定的说服力。因此为了更加深入地了解不同人工植被对深层土壤水分的影响，需要进行长期稳定的监测数据提供支撑。

4 结论

本文通过定量计算分析和评价宁南黄土区不同植被类型深层土壤水分亏缺状况，发现植被类型不同导致深层土壤含水量存在显著差异。在0~1 000 cm土层深度5种植被类型平均土壤含水量的大小排序为农地>山桃林>沙棘林>柠条林>苜蓿地，农地、林地和苜蓿地土壤含水量均存在显著差异。在垂直剖面上随着土层深度的增加呈现先减小后增加再逐渐稳定的趋势。相比农地，林地和苜蓿地对深层土壤水分的消耗更容易，表现出不同程度的土壤水分亏缺，进而导致土壤干层发生。其中苜蓿地土壤水分亏缺最严重，其次是柠条林、沙棘林、山桃林，农地基本没有水分亏缺。总体表明除了农地外，其他4种植被类型均不能很好地适应宁南黄土区半干旱的环境，必须采取适当的人为干预措施进行土壤水分的恢复。

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基金资助

宁夏区自然科学基金项目“宁南黄土区不同结构人工林深层土壤水分干燥化特征及影响因子研究”(2022AAC03422)

宁夏农业高质量发展和生态保护科技创新示范课题“黄土丘陵区水土保持关键技术集成研究与示范”(NGSB-2021-14-02)