黃土丘陵區(qū)棗林土壤溫濕度特征研究,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文

黃土丘陵區(qū)棗林土壤溫濕度特征研究,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文內(nèi)容摘要：通過(guò)對(duì)棗林根區(qū)土壤水分和溫度進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)定位觀測(cè)，研究了棗林土壤水分和溫度的季節(jié)變化規(guī)律及土壤剖面水分運(yùn)動(dòng)和溫度變化規(guī)律。結(jié)果表示清楚：棗林0～280cm土層水分波動(dòng)在垂直方向隨土層加深而減弱；生育期內(nèi)0～100cm土層水分波動(dòng)強(qiáng)烈，休眠期則相對(duì)穩(wěn)定。0～100cm各層地溫年變化均呈正弦曲線，淺層地溫波動(dòng)較大；不同深度土壤溫度季節(jié)變化特征類似，土壤溫度最大值、均值和變異系數(shù)均隨土層加深而減小。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：黃土高原;半干旱區(qū);棗林;土壤水分;土壤溫度;1研究背景土壤濕度是反映林地土壤水分條件的一個(gè)重要指征，其數(shù)值的高低及分布情況可影響土壤性狀而間接作用于植物的生長(zhǎng)發(fā)育經(jīng)過(guò)[1]。土壤溫度作為土壤的主要物理特性，對(duì)植被的生長(zhǎng)發(fā)育起決定性作用，直接影響根系生長(zhǎng)和根系對(duì)水分、礦物營(yíng)養(yǎng)的吸收以及根系其他代謝活動(dòng)的進(jìn)行[2]。因而，研究土壤水分和溫度的動(dòng)態(tài)變化經(jīng)過(guò)對(duì)于明晰植被對(duì)土壤水熱環(huán)境的適應(yīng)性尤其重要。黃土高原區(qū)域干旱少雨、生態(tài)惡劣。長(zhǎng)久以來(lái)，農(nóng)業(yè)的大力擴(kuò)展導(dǎo)致地表植被毀壞嚴(yán)重，加重了水土流失和生態(tài)環(huán)境退化[3]。自1999年我們國(guó)家施行退耕還林政策以后，黃土丘陵區(qū)棗林栽植范圍迅速擴(kuò)大，僅陜西省榆林地區(qū)面積高達(dá)6.67104hm2，為推動(dòng)區(qū)域農(nóng)林經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)起到了重要作用[4]。然而該地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏，土壤水分是制約該地區(qū)農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[5]。地表蒸發(fā)是土壤中水分散失的主要途徑，而地溫是影響地表蒸發(fā)的主要因子之一[6]。有研究表示清楚，黃土高原氣溫日變幅及季節(jié)溫差大[7]，而土壤溫度對(duì)氣溫的變化較為敏感，其隨氣溫變化而波動(dòng)，進(jìn)而影響土壤濕度。近年來(lái)，關(guān)于黃土丘陵半干旱區(qū)棗林地土壤水分特征已有較多的研究[8]，對(duì)棗林地土壤水分動(dòng)態(tài)變化有了一定認(rèn)識(shí)，但當(dāng)前的研究中長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)資料較少，主要以人工測(cè)量為主，不僅測(cè)量密度低，而且觀測(cè)時(shí)間短，尤其是關(guān)于黃土丘陵區(qū)旱作棗林土壤溫度變化的研究鮮有報(bào)道，這些都制約了對(duì)棗林土壤水熱特征的深切進(jìn)入理解。本研究以12年生旱作棗林為對(duì)象，通過(guò)對(duì)土壤水分和溫度的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)說(shuō)明了棗林土壤水分和溫度的季節(jié)性變化規(guī)律以及土壤剖面水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律和逐層土壤溫度變化規(guī)律，以期為黃土丘陵區(qū)棗林科學(xué)管理以及制定適宜的覆蓋和工程措施提供重要的理論根據(jù)。2材料與方式方法2.1研究區(qū)大概情況試驗(yàn)在陜北榆林市清澗縣店則溝鎮(zhèn)園則溝小流域紅棗試驗(yàn)基地進(jìn)行。該地位于黃土高原中部偏北，地形溝壑縱橫交織，水土流失嚴(yán)峻，生態(tài)環(huán)境惡劣。該區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降雨稀少，水分蒸發(fā)嚴(yán)重。多年平均氣溫8.5℃，多年平均降雨量497mm，且7-9月的降雨量占整年降雨量的70%。研究區(qū)土壤主要為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土，入滲能力較強(qiáng)，田間持水率為25%〔體積含水率，下同〕。2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)在棗林內(nèi)具有代表性的典型坡面上，試驗(yàn)樹(shù)種為12年生梨棗〔ZiziphusjujubeMill.〕，株、行距2m3m，棗樹(shù)平均高度2m，冠幅直徑1.4m。棗林采取矮化密植型修剪栽培形式，各棗樹(shù)施肥種類和用量均與當(dāng)?shù)匾恢隆?.3測(cè)定指標(biāo)及方式方法采用RR-7210土壤溫濕度自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置于2020年3月安設(shè)于棗林地，土壤溫度傳感器埋藏深度分別為10、20、40、60、100cm，測(cè)量精度0.2℃，測(cè)量分辨率0.02℃；土壤水分傳感器埋藏深度依次為10、20、40、60、100、160、220、280cm，測(cè)量精度3%，測(cè)量分辨率0.1%。于2020-2021年連續(xù)3年對(duì)棗林地土壤溫度和水分連續(xù)測(cè)定，測(cè)量和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔分別為2min和10min。2.4數(shù)據(jù)處理應(yīng)用MicrosoftExcel2018和MATLABR2021b軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS18.0軟件實(shí)現(xiàn)，采用Excel2018和Origin8.0軟件作圖。3結(jié)果與分析3.1土壤水分時(shí)空變化規(guī)律3.1.1土壤水分垂直變化規(guī)律。由圖1結(jié)果可知，對(duì)于棗林0～280cm土層，土壤含水量在垂直方向上的分布規(guī)律基本一樣，土壤含水量的變異性隨著土壤深度的增進(jìn)逐步減小，土壤含水量變化整體呈倒S型。根據(jù)土壤水分在垂直剖面上的多寡及變異性可分成2個(gè)層次：即土壤水分劇烈變化層〔0～100cm〕和土壤水分緩和變化層〔100～280cm〕。在0～100cm土層，各土層土壤含水量變化都頗為劇烈，各土層的變異系數(shù)〔Cv〕均在14%以上。10、20、40、60cm土壤含水量3年的平均Cv分別到達(dá)46.93%、31.16%、27.13%、20.14%。在100～280cm土層，盡管隨著土層加深，土壤含水量變異性逐步減弱，但是Cv仍高于2%。該土層土壤含水量的拐點(diǎn)出如今160cm處，2020-2021年該深度土壤含水量分別為〔14.471.08〕%、〔14.300.36〕%和〔12.950.33〕%，均高于上、下土層的含水量。0～280cm各土層含水量的變化是降水入滲和棗樹(shù)根系吸水綜合作用的結(jié)果，0～160cm土層相對(duì)較淺，更易于遭到降水補(bǔ)充，有時(shí)甚至超過(guò)根系吸水，因而該土層土壤水分表現(xiàn)出積累趨向；在160cm下面土層，降水的補(bǔ)充效應(yīng)削弱乃至消散，在根系吸水的影響下，土壤水分含量逐步減小。也就是講，160cm以上土層土壤水分變化的首要主宰因子是降水，而160cm下面的土層則是根系吸水。由圖1可知，盡管2020-2021年土壤含水量變化規(guī)律類似，但在不同降水年型下，各土層尤其是上層土壤水分含量的變化還是那樣差異鮮明。2020年棗樹(shù)生育期〔5-10月〕降水量多，土壤水分含量整體比擬高，因而0～20cm土層含水量高于10%長(zhǎng)達(dá)105d，尤其是在7月10日，0～20cm土層含水量高達(dá)19.05%，到達(dá)3年以來(lái)的最高值。2021年生育期降雨較少，僅有206.4mm，觀測(cè)到表層0～20cm土壤含水量大于10%的天數(shù)只要31d，并且表層最大土壤含水量?jī)H有17.15%。固然2020-2021年0～280cm土壤含水量變化規(guī)律基本一樣，Cv均隨著土層深度增進(jìn)而減低，但在同一土層的Cv值卻在逐年增加。2020年棗樹(shù)生育期40、100、220cm處土壤含水量Cv分別為20.68%、7.47%、2.40%,2021年分別提升至24.08%、14.29%、9.57%,2021年再次增大，分別為36.62%、15.27%、10.53%。這主要?dú)w因于棗林內(nèi)采取了魚(yú)鱗坑覆蓋組合措施，使棗林土壤蓄水保墑的能力有所提升，降水對(duì)土壤水分的作用得以增加。表示清楚采用適宜的土壤管理措施尤其是蓄水保墑措施，能夠更好地改良棗林土壤水分環(huán)境，提升棗林的蓄水功能，這對(duì)干旱和半干旱區(qū)域的果園管理具有重要作用。圖1土壤含水量垂直變化圖2土壤含水量年際動(dòng)態(tài)變化3.1.2土壤水分年際變化規(guī)律。鑒于土壤水分在0～100cm土層變化較為強(qiáng)烈〔圖1b〕，因而對(duì)0～100cm土層水分含量進(jìn)行主要分析，發(fā)如今棗樹(shù)生育期內(nèi)土壤含水量由于遭到降雨和根系吸水的共同影響而呈現(xiàn)強(qiáng)烈波動(dòng)的態(tài)勢(shì)，在棗樹(shù)休眠期〔11月至翌年4月〕土壤含水量基本維持穩(wěn)定〔圖2〕。2020、2021、2021年棗樹(shù)生育期內(nèi)降雨量分別是377.4、206.4、374mm，依次占當(dāng)年降水量的83.91%、63.08%、78.94%。同一時(shí)期土壤水分變化受降雨的影響明顯，生育期內(nèi)土壤含水量在降水后快速上升，這與高曉東等[9]研究黃土高原中北部不同土地利用類型土壤剖面水分時(shí)空變化所得結(jié)論一樣，在雨量豐沛的2020年，棗樹(shù)生育期內(nèi)平均土壤含水量為11.12%，至生育末期土壤含水量升高了3.72%,0～100cm土層的儲(chǔ)水量增長(zhǎng)了37.2mm。而在雨水相對(duì)匱乏的2021年，棗樹(shù)生育期內(nèi)平均土壤含水量?jī)H有8.76%，生育末期土壤儲(chǔ)水量相比早期減少了23.7mm。豐水年〔2020年〕不只土壤含水量較高，并且受降雨作用土壤含水量變異性也較大〔Cv=24.87%〕，在2020年7月10日土壤含水量到達(dá)全年最大值16.80%，主要是由于7月8-10日這3d累積降水量高達(dá)86.8mm，并且最高值遠(yuǎn)大于干旱年2021年的最高值12.43%。3.2土壤溫度的變化特征3.2.1土壤溫度的年際變化規(guī)律。對(duì)棗林10、20、40、60、100cm的地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，由圖3可見(jiàn)，各土層溫度表現(xiàn)出一樣的變化規(guī)律，2020-2021年3個(gè)試驗(yàn)?zāi)陜?nèi)均呈現(xiàn)為正弦曲線，這與氣溫的年際變化特征一致。春季〔3-5月〕0～100cm各土層溫度整體呈上升趨勢(shì)；夏季〔6-8月〕土壤溫度基本處在高溫穩(wěn)定階段，20202021年夏季0～100cm土層平均土壤溫度分別為22.78、24.03、23.89℃；秋季〔9-11月〕不同深度土壤溫度均呈現(xiàn)下降走勢(shì)；冬季〔12月-翌年2月〕各土層溫度居于低溫穩(wěn)定階段，2020年和2021年冬季0～100cm土層平均溫度分別為2.30、1.45℃。由地表往下0～100cm各個(gè)深度土壤溫度都有鮮明的季節(jié)變化特點(diǎn)，這也講明了氣溫變化最少影響到了地下100cm處土壤溫度。淺層土壤由于和空氣接觸較為直接，受氣溫季節(jié)變化作用顯著，地溫波動(dòng)較大；而在深層的土體由于和大氣交換不及淺層土壤強(qiáng)烈，因此溫度的周年變化相對(duì)較小，且越往深層波動(dòng)越小。2020年冬季10cm和20cm深度處土壤溫度到達(dá)0℃的時(shí)間分別滯后于空氣1d和13d;2021年冬季10、20、40cm土壤溫度到達(dá)0℃的時(shí)間分別滯后于空氣22、49、60d。由此可見(jiàn)，土壤溫度從地面往下依次落后于氣溫變化，通常土層越深，遲延時(shí)間越長(zhǎng)。圖3土壤溫度年際變化3.2.2土壤溫度垂直分布特征。圖4是根據(jù)不同土層溫度的月平均值作出的2020-2021年土壤溫度時(shí)空分布圖。由圖4可知，在2020年和2021年，10、20、40cm深處溫度均在7月到達(dá)最高，60cm和100cm處地溫最高值顯現(xiàn)的時(shí)間遲延到8月，槽線脊線表現(xiàn)出右傾趨勢(shì)。地溫變化之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，是由于上下土層間存在熱量交換，通常情況下，在冬季地表凈輻射是負(fù)值，表層土壤散失大量熱量，深層土壤的熱量逐步向表層土壤輸送，因而土壤溫度隨土層加深而升高，而在夏季情況則相反。除此之外，3-8月土層自上而下，土壤溫度呈遞減趨勢(shì)，圖上表現(xiàn)為隨深度增加，色調(diào)逐步變冷；10月-翌年2月則呈現(xiàn)相悖的態(tài)勢(shì)。在季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)期〔3月和9月〕，0～100cm土壤溫度垂向變異較小，分布也較為均勻；4月開(kāi)場(chǎng)從地表往下土壤溫度的垂直梯度逐步增長(zhǎng)，十分是60cm下面深層土壤溫度的垂直梯度變化愈加顯著，因而表示清楚季候變化時(shí)由太陽(yáng)輻射引發(fā)的地溫變化對(duì)深層土壤溫度的作用較小。4結(jié)論(1〕旱作棗林0～280cm土層水分波動(dòng)在垂直方向上隨土層加深而減小。棗樹(shù)生育期內(nèi)0～100cm土壤含水率波動(dòng)劇烈，而休眠期相對(duì)穩(wěn)定。在平水年〔2020年〕該層土壤儲(chǔ)水量增加了37.2mm，而在干旱年〔2021年〕土壤儲(chǔ)水量減少了23.7mm。(2)0～100cm各層土壤溫度年變化均具有正弦曲線的特點(diǎn)，淺層土壤受隨機(jī)氣象因素影響波動(dòng)較大。不同深度土壤溫度季節(jié)變化特征格局類似，在1-2月到達(dá)一年中的最小值，且到達(dá)年最低土壤溫度的時(shí)間隨著土層的加深依次滯后，2月初始土壤溫度開(kāi)場(chǎng)上升，于8月初到達(dá)最高值。2020-2021年不同土層地溫最大值、均值以及變異系數(shù)均隨土層的加深而逐步降低。圖4土壤溫度垂直分布以下為參考文獻(xiàn)[1]羅永忠，李廣.土壤水分助迫對(duì)新疆大葉苜蓿的生長(zhǎng)及生物量的影響[J]草業(yè)學(xué)報(bào),2020.23(04):213-219.[2]吳俊松,劉建劉曉菲等稻麥秸稈集中溝埋還田對(duì)麥田土壤物理性狀的影響[J]生態(tài)學(xué)報(bào),2021,36(07):2066-2075.[3]ZhaoG,MuX,WenZ.etal.Soilerosion,conservation,andeco-environmentchangesintheLoessPlateauofChina[J].LandDegradationDevelopment,2020,24(5):499-510.[4]LiuY,GaoM.WuW,etal.Theeffectsofconservationtllagepracticesonthesoilwater-holdingcapacityofanon-irrigatedappleorchardintheLoessPlateau,China[J]SoilandTillageResearch,2020,130:7-12.[5]孫琛梅,程冬冬,楊越超等.土壤肥力質(zhì)量與蘋(píng)果生長(zhǎng)、產(chǎn)量及品質(zhì)關(guān)系的研究進(jìn)展[J].中國(guó)土壤與肥料,2022,(02):207-215.[6]王美林姜群鷗.邵雅琪等基于TVDI的瑪曲土壤濕度時(shí)空變化及其影響因[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2022,17(04):141-152.[7]劉錚，楊金貴馬理輝等黃土高原草地凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空趨勢(shì)及其驅(qū)動(dòng)因素[J]應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2021,32(01):1