豐水年西安地區(qū)土壤含水量的變化

豐水年西安地區(qū)土壤含水量的變化

土壤水作為水量平衡的研究、水循環(huán)和土壤資源的評(píng)價(jià)受到高度重視。水是制約黃土高原植被恢復(fù)的關(guān)鍵性自然因素,土壤水和生長(zhǎng)期降水是該區(qū)植被用水的基本來(lái)源。黃土高原土壤的特殊性,氣候和植被的過(guò)渡帶特征使人們更加重視植被與土壤水資源的相互影響,特別是土壤水分狀況對(duì)植被生長(zhǎng)的作用。根據(jù)前人的研究和實(shí)地觀察發(fā)現(xiàn),陜西黃土高原干層的發(fā)育較為廣泛,只要種植耗水量大的速生植物,無(wú)論是灌草還是喬木,土壤中都常伴有干層出現(xiàn)。陜西黃土高原大致以延安為界,以北至長(zhǎng)城之間為年均降水量400~500mm的半干旱區(qū),以南至關(guān)中平原南界為年降水量600mm左右的半濕潤(rùn)區(qū)。許多資料表明,在這樣的氣候區(qū)是容易發(fā)生土壤干層的地區(qū)。筆者通過(guò)對(duì)豐水年秋季西安地區(qū)土壤水含量變化的研究,探討持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的降水對(duì)土壤干層的影響,這對(duì)黃土高原的干層防治和植被建設(shè)有重要的意義。1研究地點(diǎn)與樣品采集西安地處陜西省關(guān)中平原中部,渭河之南,秦嶺之北,33°39′~34°40′N,107°49′~109°49′E,海拔約400m,年降水量在600mm左右。西安境內(nèi)河流密集,但徑流時(shí)空分布不均,水資源并不豐富。西安市郊徑流量?jī)H0.10億m3。2003年西安地區(qū)降水量超過(guò)800mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于往年降水量,是豐水年。尤其夏秋季降水量明顯多于往年,從9月到12月上旬,西安地區(qū)的降水天數(shù)為40d,其余多為陰天或多云天氣,蒸發(fā)較弱。研究地點(diǎn)選在西安南郊吳家墳附近,屬于黃土覆蓋的階地,潛水埋深達(dá)30~50m,很難為植物吸收利用,大氣降水入滲是植物獲取水分的主要來(lái)源。我們?cè)?003年4月、11月和12月在西安南郊的中齡楊樹(shù)林、中國(guó)梧桐樹(shù)林和法國(guó)梧桐樹(shù)林下土層中進(jìn)行了人工鉆孔采樣,并進(jìn)行土壤含水量的測(cè)定。采樣深度為6m,樣品利用輕型人力鉆采取,采樣間距10cm。含水量測(cè)定采用烘干稱重法。所采樣品用鋁盒包裝密封,并盡快用電子秤稱重,以防止水分散失。然后進(jìn)行烘干,烘干溫度100℃左右,烘干時(shí)間12h以上,以保證土壤中水分全部蒸發(fā)。烘干后再次稱重,并減去鋁盒的重量,然后,計(jì)算土壤含水量。2豐水年土壤水分測(cè)定結(jié)果2.1含水量:2.4根據(jù)梧桐樹(shù)下含水量測(cè)定結(jié)果(圖1中a,b)得知,土壤含水量在a剖面中可分為三層。第一層位于0~190cm,含水量在18.1%~21.6%之間,平均含水量為19.71%;第二層位于200~450cm,含水量在22.8%~27.9%之間,平均含水量為25.84%,最大含水量為27.93%;第三層位于460~600cm,含水量在17.9%~22.9%之間,平均含水量為19.75%。第二層的平均含水量明顯大于其他兩層,這與過(guò)去正常年份的土壤含水量的研究結(jié)果變化相反。b剖面的含水量變化和a剖面相近。2.2土壤含水量的現(xiàn)狀根據(jù)法國(guó)梧桐林下含水量測(cè)定結(jié)果得知(圖2中a,b),土壤含水量在剖面中可分為三層。a剖面第一層位于0~190cm之間,含水量在17.59%~20.14%之間,平均含水量為19.30%;第二層位于200~400cm之間,含水量在20.41%~25.58%之間,平均含水量為23.55%;第三層位于400~600cm之間,含水量在16.50~18.80%之間,平均含水量為17.33%。中間第二層平均含水量也明顯大于其他兩層,這也與正常年份的土壤含水量研究結(jié)果變化相反。b剖面的含水量變化具有和a相同的變化特點(diǎn)。2.3含水量:2.4%以上根據(jù)楊樹(shù)林下含水量測(cè)定結(jié)果得知(圖3中a,b),土壤含水量在剖面中也可分為三層。a剖面第一層位于0~180cm之間,含水量在13.83%~18.25%之間,平均含水量為16.44%;第二層位于190~340cm之間,含水量在18.49%~23.28%之間,平均含水量為21.05%,最大含水量為23.28%;第三層位于350~600cm之間,含水量在15.07%~16.72%之間,平均含水量為15.68%。第二層的平均含水量明顯高于其他兩層,這與上述兩個(gè)鉆孔的土壤含水量變化相同。2.4不同年份楊樹(shù)林的平均含水量根據(jù)在南郊不同時(shí)間不同地點(diǎn)的同種人工林含水量測(cè)定結(jié)果得知,同種人工林的含水量變化趨勢(shì)相同,在相近月份差異不大(圖1中a、b;圖2中a,b;圖3中a,b)。以楊樹(shù)林為例(圖3中a,b),11月份楊樹(shù)林第一層的平均含水量為16.44%,第二層的平均含水量為21.05%,最大含水量為23.28%,最大值出現(xiàn)在270cm深度,第三層的平均含水量為15.68%。12月份楊樹(shù)林第一層的平均含水量為18.88%,第二層的平均含水量為21.11%,最大含水量為23.16%,最大值出現(xiàn)在270cm深度,第三層的平均含水量為15.46%。無(wú)論從最大含水量的出現(xiàn)深度還是各層的含水量變化都很接近。3討論3.1不同層系楊樹(shù)林土層含水量的變化我們?cè)?003年4月和5月曾分別對(duì)西安南郊吳家墳楊樹(shù)林地和法國(guó)梧桐樹(shù)林地進(jìn)行了鉆孔取樣,這可作為與豐水年人工林土壤含水量差異對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)。4月20日在吳家墳法國(guó)梧桐林下進(jìn)行了2個(gè)鉆孔剖面的取樣,采集樣品120塊。含水量測(cè)定結(jié)果(圖4中a,b)表明,a孔的土壤含水量在8.1%~13.9%之間,剖面中的含水量變化也可分為三層。第一層在0~200cm之間,含水量變化在9%~13.9%之間,平均含水量為10.63%;第二層在210~400cm之間,含水量變化在8.0%~9.5%之間,平均含水量為8.65%;第三層在410~600cm之間,含水量變化在8.6%~13.4%之間,平均含水量為11.83%。b孔的土壤含水量在8.1%~13.7%之間,0~200cm之間的含水量變化在9.2%~13.5%之間,平均含水量10.77%;210~400cm之間的含水量在8.1%~9.2%之間,平均含水量8.51%;410~600cm之間的含水量變化在8.2%~13.7%之間,平均含水量為11.54%。5月12日我們對(duì)吳家墳15齡楊樹(shù)林下土層所取60塊樣品的含水量測(cè)定表明,楊樹(shù)林土層含水量變化在7.5%~13.0%之間(圖4中c)。據(jù)含水量的變化可分為3層。第一層在0~190cm之間,含水量變化在10.6%~13.0%之間,平均含水量為12.4%;第二層在200~400cm之間,含水量變化在7.5%~9.5%之間,平均為8.5%;第三層在410~600cm之間,含水量變化在8.7%~12.7%之間,平均含水量為10.0%。根據(jù)前人的研究,200~400cm土層土壤含水量低于10%為土壤干層,顯然西安正常年份發(fā)育了土壤干層。根據(jù)我們秋季的測(cè)定結(jié)果,豐水年西安地區(qū)中齡人工林的土壤含水量均超過(guò)15%,明顯高于正常年份的土壤含水量,土壤干層得到了恢復(fù)(圖1,圖2,圖3)。3.2不同地區(qū)進(jìn)行造林有利于更好地保護(hù)好土地上的不同植物生長(zhǎng)所需的水分主要來(lái)自土壤水,土壤水分的多少制約著植物的生長(zhǎng)狀況。黃土高原是降水較少的地區(qū),土壤水分不足始終是影響該區(qū)農(nóng)林業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。在黃土高原地區(qū)如果不科學(xué)合理地進(jìn)行植樹(shù)造林,就會(huì)引起土壤干層的形成,土壤干層的出現(xiàn)又嚴(yán)重影響了人工林的正常生長(zhǎng)。在土壤干層發(fā)育嚴(yán)重的地區(qū),樹(shù)木生長(zhǎng)到10a左右,常出現(xiàn)彎曲、干梢等生長(zhǎng)不良現(xiàn)象,進(jìn)一步的生長(zhǎng)很緩慢,甚至?xí)霈F(xiàn)樹(shù)木的死亡現(xiàn)象。在這樣的地區(qū)進(jìn)行植樹(shù)造林,不僅沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益,更不會(huì)有良好的環(huán)境效益。在土壤干層發(fā)育較輕的地區(qū)可以進(jìn)行植樹(shù)造林,但應(yīng)該選擇耗水少生長(zhǎng)較慢的樹(shù)種,并適當(dāng)加大人工林植株間距,使林木能較好的生長(zhǎng)。因此,在進(jìn)行地區(qū)植被恢復(fù)的過(guò)程中,必須事先了解當(dāng)?shù)赝寥浪智闆r,應(yīng)堅(jiān)持林跟水走的原則才能收到預(yù)期的效益。需要指出的是,為了防風(fēng)固沙和建設(shè)防護(hù)林帶,即使是在土壤干層發(fā)育較嚴(yán)重地區(qū)也可以選擇耐旱樹(shù)種營(yíng)造生長(zhǎng)不良的人工林,但只能在非常必要的特殊地區(qū)方可采取這樣的措施,而不能作為恢復(fù)植被的正常方式。根據(jù)野外觀察,西安地區(qū)的中齡人工林生長(zhǎng)正常,沒(méi)有出現(xiàn)明顯生長(zhǎng)不良的現(xiàn)象,說(shuō)明西安地區(qū)是基本適合人工造林的地區(qū)。3.3對(duì)土壤含水量的考慮土壤干層的存在指示土層深部發(fā)生了缺水。這種缺水也表明由地表向地下滲透的大氣降水主要達(dá)到干層的上部。深層的土壤缺水是當(dāng)年正常的大氣降水所不能恢復(fù)的,需要多年的雨水補(bǔ)給才能恢復(fù)。土壤干層是由于降水不能滿足植被需求,植被為了維持其生長(zhǎng)而過(guò)度消耗土壤貯水造成的。因此,如果當(dāng)年降水量明顯增加,則土壤干層有可能恢復(fù)。黃土高原氣候具有明顯的雨季(6~9月)和旱季(10~5月),雨季也是土壤水分的主要補(bǔ)給時(shí)期。通過(guò)對(duì)豐水年秋季土壤含水量的研究,我們發(fā)現(xiàn)土壤干層在一定程度上得到了恢復(fù)。因此,黃土高原的植樹(shù)造林區(qū)應(yīng)選在降水較多、土壤水分含量較高的地區(qū)。而在降水量較少的地區(qū),則一定要注意樹(shù)種的選擇,并減小人工林的密度,以減少土壤含水量的消耗。同時(shí),我們可以采取一定的集水措施,增加土壤含水量。如通過(guò)建造魚(yú)鱗坑等工程措施,增加雨水的入滲,特別是在坡度較大的斜坡上,利用魚(yú)鱗坑、改變土層結(jié)構(gòu)、增加地表枯枝落葉等集雨措施,會(huì)對(duì)樹(shù)木成活和長(zhǎng)期正常的生長(zhǎng)有明顯的作用。3.4大氣降水滲透過(guò)高豐水年不同種類的中齡人工林的土層含水量差別很小。前人的研究表明,土壤干層一般發(fā)育在地表之下2~4m之間,由地表向地下滲透的大氣降水主要到達(dá)干層的上部,正常年份的大氣降水不能滲入補(bǔ)給地下水。從我們的研究結(jié)果(圖1,圖2,圖3)可以看出,在2003年降水豐富的條件下,西安人工林下3~4m的土壤水分都得到了恢復(fù),一般恢復(fù)到了3.5~4m,最大的恢復(fù)深度達(dá)到了5m。4水分生長(zhǎng)及干層發(fā)育情況綜上所述,我們可以得到如下認(rèn)識(shí):(1)在