黃土高原典型植被條件下土壤剖面水、碳分布季節變化研究

張恒宇 安娟 吳元芝 孫樹臣 宋紅麗

［關鍵詞］ 土壤含水量；土壤有機碳含量；剖面分布；季節變化；典型植被；黃土高原

［摘 要］ 采用土鉆法對黃土高原檸條林地、苜蓿草地和撂荒草地0～300 cm土壤水分、有機碳的季節變化及二者相互關系進行了探討，結果表明：①3種植被條件下0～100 cm土壤含水量存在顯著季節變化，但該土層土壤含水量僅雨季后植被間差異顯著；＞100～200 cm和＞200～300 cm土壤含水量季節變化程度不一致，但各季節植被間差異均顯著；檸條林地和苜蓿草地100 cm以下土壤含水量明顯低于撂荒草地，兩者分別在100 cm和200 cm深度以下出現了嚴重土壤干燥化。②3種植被條件下0～300 cm土壤有機碳存儲量均為雨季中最低、除檸條林地0～50 cm土層外雨季前最高，檸條林地季節變化較小，苜蓿草地和撂荒草地季節變化較大。③3種植被條件下土壤有機碳含量具有不同程度的表聚現象；0～50 cm土壤有機碳密度3種植被間差異均顯著；＞50～100 cm土壤有機碳密度檸條林地明顯高于撂荒草地，兩者與苜蓿草地的差異均不顯著；＞100～300 cm土壤有機碳密度3種植被間差異不顯著。檸條和苜蓿的種植分別增加了100 cm和50 cm以上土壤有機碳密度，但導致深層土壤干燥化，不利于植被的長期穩定。

［中圖分類號］ S152.7[文獻標識碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.03.011

［引用格式］ 張恒宇，安娟，吳元芝，等.黃土高原典型植被條件下土壤剖面水、碳分布季節變化研究[J].中國水土保持，2024（3）：39-45.

當前全球變化背景下土壤水碳循環對土地利用、覆被變化的響應備受關注^[1]。黃土高原黃土層深厚，其碳儲量不容忽視^[2]，自實施退耕還林（草）政策以來，植被覆蓋度明顯增加，一定程度上增加了土壤碳的輸入^[3-4]，然而不合理的植被恢復措施過度消耗土壤水分，形成土壤干燥化現象，導致植被退化^[5-6]，反而不利于土壤有機碳的積累^[7]。因而，不同植被條件下土壤水分與有機碳累積關系的研究是當前黃土高原要關注的科學問題，對合理選擇植被恢復措施至關重要。眾多研究表明，植被恢復模式影響土壤有機碳存儲，植被自然恢復較人工造林更有利于土壤碳積累^[4，8]，且自然草地恢復隨著退耕年限增加有明顯的碳累積效應^[9]，而人工植被因受土壤水分條件的限制和植物自身高耗水特性的影響，不具備長期的碳累積能力^[7]。JIA et al.^[10]分析發現，陜北黃土丘陵區植被恢復后，增加了生態系統碳固定，卻降低了水的可用性；LU et al.^[11]發現，植被恢復增加的土壤有機碳也以過度消耗土壤水分為代價；而GAO et al.^[12]發現土壤有機碳固定與水分耗損的關系因植被恢復模式而不同。因此，黃土高原不同植被條件下土壤有機碳與土壤水分的關系存在不確定性，而且不同植被條件下土壤水、碳分布的季節變化的相關研究較少。本研究探討黃土高原典型植被條件下土壤含水量、有機碳剖面分布的季節動態及二者的相互關系，以期對黃土高原地區植被的恢復及生態環境建設提供參考。

1 研究區概況

本研究選取地處黃土高原水蝕風蝕交錯帶的六道溝小流域為研究區。六道溝小流域位于陜北神木縣以西14 km處，地理位置為38°46′～38°51′N、110°21′～110°23′E，海拔為1 080～1 274 m，流域面積為6.89 km²。該流域處于黃土高原荒漠草原和典型草原的過渡地帶，為大陸性溫帶半干旱季風氣候區，區內不同地點年均氣溫7～9 ℃，年均降水量437.4 mm，且6—9月降水量占全年降水量的70%～80%，≥10 ℃年積溫3 232 ℃，無霜期169 d，土壤蒸散發強烈，平均蒸發力為785.4 mm，平均干燥度為2.8。地貌多為片沙覆蓋的梁峁狀黃土丘陵，土壤類型多為沙黃土和綿沙土，主要的植被類型為典型草原，伴生沙棘、檸條及沙蒿等半灌木。

2 研究材料與方法

2.1 樣地選取與土壤取樣

在地處神木縣六道溝小流域的中國科學院水利部水土保持研究所神木侵蝕與環境試驗站，選取檸條、紫花苜蓿、撂荒草地3種典型植被的徑流模擬小區（61 m×5 m）進行取樣。小區于2008年在農地上建立，3個小區均無人為灌溉和施肥管理，檸條和紫花苜蓿為人工種植，撂荒草地為自然恢復，撂荒草地的建群種主要有長芒草、茵陳蒿和阿爾泰狗娃花等。檸條林地、苜蓿草地和撂荒草地的植被蓋度分別為70%、45%和55%^[13]。在2017年雨季前（6月2日）、雨季中（7月29日、30日）和雨季后（9月25日），采用土鉆法在各小區坡面的上部和下部分別取樣作為重復，取樣深度達300 cm。在土壤剖面0～200 cm內，每10 cm取1個土樣；在土壤剖面＞200～300 m內，每20 cm取1個土樣。將土樣一部分裝入鋁盒，用于測定土壤含水量；剩余的同一地塊同一深度的2個采樣點采集的土壤收集到一起，揀除枯枝落葉、小石礫等后充分混合，裝入塑封袋，做好標記，帶回實驗室風干，用于土壤有機碳及土壤顆粒組成的測定。

2.2 土壤理化性質的測定與計算

土壤含水量采用烘干法測定，在溫度105～110 ℃恒溫下烘24 h，然后稱取干土質量。土壤有機碳含量通過測定土壤有機質含量獲得，先將風干土過0.25 mm土壤篩，用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤中有機質含量，然后計算土壤有機碳含量。土壤顆粒組成采用激光粒度儀測定。

計算土壤質量含水量的公式為

式中：θ為土壤質量含水量；M₀為烘干后空鋁盒質量，單位g；M₁為烘干前鋁盒及土樣質量，單位g；M₂為烘干后鋁盒及土樣質量，單位g。

本研究選取土壤儲水量表征剖面土壤水分總體狀況，土壤儲水量計算公式為

W_i=ρ_i×θ_i×d_i×10 ???（2）

式中：W_i為第i層土壤儲水量，單位mm；ρ_i為第i層土壤密度，單位g/cm³；θ_i為第i層土壤質量含水量，單位%；d_i為第i層土壤厚度，單位cm。

已有研究^[14]表明，土壤密度主要取決于土壤有機碳含量，因此可以利用基于土壤有機質含量的土壤傳遞函數進行計算，且已有研究^［15］表明，黃土高原地區土壤密度計算適用該方法，其計算公式為

ρ_i=1.510－0.113×c_i/10 ???（3）

式中：

張恒宇等：黃土高原典型植被條件下土壤剖面水、碳分布季節變化研究

c_i為第i層土壤有機碳含量，單位g/kg。

為分析土壤水分虧缺情況，將剖面土壤含水量與凋萎濕度（θ_p）和田間穩定持水量（θ_sf）進行比較。

θ_sf常被用作土壤干燥化評價指標，黃土區θ_sf一般取土壤田間持水量（θ_f）的60%^[5]。θ_f和θ_p均可根據土壤傳遞函數，用黏粒含量（φ_c）和土壤飽和含水量（θ_s）計算^[16]，公式為

θf=（0.432+0.531×φc^0.5）×θs ???（4）

θp=（0.132+0.682×φc^0.5）×θf ???（5）

式中：θ_f為田間持水量，單位cm³/cm³；θ_p為凋萎濕度，單位cm³/cm³；φ_c為黏粒含量，單位%；θ_s為體積密度計算的土壤飽和含水量，單位cm³/cm³，也可以由一個土壤傳遞函數計算^[16]，公式為

θ_si=1－ρ_i/2.65 ???（6）

式中：θ_si為第i層土壤飽和含水量，單位cm³/cm³。

計算第i層土壤有機碳含量（c_i）的公式為

c_i=c_mi/1.724 ???（7）

式中：c_mi為第i層土壤有機質含量，單位g/kg。

本研究選取有機碳密度體現土壤有機碳的總儲量。有機碳密度（S_d）是指單位面積一定土體中土壤有機碳質量，其計算公式為

Sd_i=c_i×ρ_i×d_i×（1－α_i）/100 ???（8）

式中：S_di為第i層土壤的有機碳密度，單位kg/m²；α_i為第i層土壤中直徑＞2 mm的石礫所占的體積百分比，鑒于黃土高原典型的土壤特性，幾乎沒有粒徑＞2 mm的礫石，α_i值可忽略不計。

3種植被條件下不同土層中土壤黏粒、粉粒、砂粒含量及土壤密度見圖1。

2.3 數據分析

運用SPSS 16.0軟件對不同季節和不同植被類型條件下土壤有機碳含量和土壤含水量進行單因素方差分析，并利用最小顯著差法進行多重比較，對土壤儲水量與土壤有機碳密度進行相關分析和回歸分析，最后用Excel 2016和Origin 2019軟件作圖。

3 結果與分析

3.1 不同植被條件下剖面土壤含水量分布季節差異

由圖2可知，3種植被條件下剖面土壤含水量均有明顯的季節變化，且表層土壤含水量季節變化均較大，隨土壤深度增加土壤含水量季節差異均減弱，這與降水補給隨土壤深度增加而減少有關。從3種植被土壤含水量剖面變化趨勢的季節差異及與θ_sf和θ_p的對比來看，檸條和苜蓿吸收利用土壤水分的深度均可達300 cm，撂荒草地主要吸收180 cm以上土層的水分，檸條和苜蓿生長分別使得100 cm和200 cm以下土壤水分嚴重虧缺，出現土壤干層，且檸條林地較苜蓿草地土壤水分虧缺程度略重，而撂荒草地耗水量低，深層土壤沒有出現嚴重干燥化現象。

由表1知，0～100 cm土層內，3種植被條件下剖面土壤平均含水量均為雨季中＞雨季后＞雨季前，季節間兩兩差異顯著（P＜0.05）；雨季前，受前期干旱少雨和植被蒸散耗水的影響，3種植被表層土壤含水量均為3個季節最低，檸條林地、苜蓿草地和撂荒草地該土層平均土壤含水量分別為6.19%、6.00%、7.26%，三者間差異不顯著（P＞0.05）；雨季中，受前期連續降雨影響，3種植被表層土壤含水量均為3個季節最高，3種植被條件下土壤含水量均值分別為12.19%、12.47%、13.97%，植被間差異同樣不顯著（P＞0.05）；雨季后，3種植被土壤表層含水量均居中，檸條林地平均土壤含水量（8.29%）顯著低于苜蓿草地（10.43%）和撂荒草地（10.24%）（P＜0.05）。因此，季節變化對該層次土壤水分影響顯著，而植被對該層次水分的影響僅在雨季后表現出來。

＞100～200 cm土層內，3種植被條件下土壤含水量季節差異均顯著（P＜0.05），檸條林地雨季中土壤含水量明顯低于雨季前和雨季后（P＜0.05），苜蓿草地土壤含水量雨季中<雨季前<雨季后，兩兩差異顯著（P＜0.05），而撂荒草地土壤含水量雨季前最低，顯著低于雨季后（P＜0.05），兩者與雨季中的差異均不顯著（P＞0.05）；3個季節該層次土壤含水量植被間差異均顯著（P＜0.05），雨季前和雨季中檸條林地和苜蓿草地的土壤含水量顯著低于撂荒草地（P＜0.05），雨季后檸條林地＜苜蓿草地＜撂荒草地，兩兩差異顯著（P＜0.05）。因此，植被和季節變化對該層次土壤水分均有顯著影響。＞200～300 cm土層內，3種植被條件下土壤含水量具有不同程度的季節差異，檸條林地平均土壤含水量沒有顯著季節差異（P>0.05），苜蓿草地雨季中平均土壤含水量明顯低于另兩個季節（P<0.05），撂荒草地雨季后平均土壤含水量明顯高于雨季前和雨季中（P<0.05）；3個季節該層次土壤含水量植被間差異均顯著（P＜0.05），且各季節土壤含水量均為檸條林地顯著最低，撂荒草地顯著最高。因此，檸條林地土壤水分干燥化嚴重，季節變化對其影響不明顯。

由表2可知，各季節土壤儲水量均是檸條林地＜苜蓿草地＜撂荒草地，總體上3種植被間土壤儲水量差異顯著（P＜0.05）；與撂荒草地相比，雨季前、雨季中、雨季后檸條林地水分虧缺量分別為87.1、160.4、153.0 mm，苜蓿草地水分虧缺量分別為68.0、130.1、71.6 mm，植被旺盛生長的雨季檸條林地和苜蓿草地水分虧缺最嚴重。

3.2 不同植被條件下剖面土壤有機碳分布季節差異

不同植被條件下剖面土壤有機碳含量季節變化見圖3。3種植被條件下各季節土壤有機碳含量有一定的季節差異，但均為表層最高，且隨土壤深度增加先降低后保持穩定；檸條林地、苜蓿草地表土層有機碳含量平均值分別為4.01、4.39 g/kg，明顯高于撂荒草地的2.71 g/kg；檸條林地、苜蓿草地、撂荒草地土壤有機碳含量分別在大約100、70、50 cm深度降低到1.3 g/kg，之后隨土壤深度增加變化不大，因而3種植被條件下土壤有機碳含量有不同程度的表聚效應。

就土壤有機碳儲量而言（表3），各植被不同土層中土壤有機碳密度均為雨季中最低，除檸條林地0～50 cm土層外均為雨季前最高，在0～300 cm土層中雨季中與雨季前土壤有機碳密度差額檸條林地為0.52 kg/m²，苜蓿草地和撂荒草地分別為0.97、0.99 kg/m²，說明雨季不利于有機碳積累，而且檸條林地土壤有機碳積累受季節變化影響較小，另兩種植被土壤有機碳積累受季節影響較大。＞100～300 cm土層內土壤有機碳密度雨季前和雨季后3種植被間差異均較小，而雨季中植被間差異較大，苜蓿草地和撂荒草地雨季中土壤有機碳密度較雨季前和雨季后低，因而雨季草地100 cm以下土壤有機碳儲量有一定損失，檸條灌木林地則沒有明顯損失。0～50 cm土層內，檸條林地、苜蓿草地和撂荒草地土壤有機碳密度的均值分別為2.06、1.69、1.36 kg/m²，3種植被間兩兩差異顯著（P＜0.05）；＞50～100 cm土層內，檸條林地平均有機碳密度明顯高于撂荒草地（P＜0.05），兩者與苜蓿草地差異均不顯著（P＞0.05）；＞100～300 cm土層內土壤有機碳儲量3種植被間沒有顯著差異（P＞0.05）。

4 討論

4.1 典型植被條件下土壤水分狀況季節變化

土壤水分的變化受氣象條件變化和植物利用共同影響。本研究發現，3種植被條件下0～100 cm土層土壤含水量呈現雨季中＞雨季后＞雨季前的規律，而植被間的差異僅在雨季后顯著，這是植物吸收利用超過了降雨補給的結果。＞100～200 cm土層土壤含水量受季節和植被影響均顯著，檸條和苜蓿蒸散耗水量大，其根系吸水對該層次土壤水分季節變化影響顯著，而撂荒草地蒸散耗水少，其土壤水分主要受降水入滲影響。＞200～300 cm土層土壤含水量各植被條件下季節差異程度不一致，但各季節植被間差異均顯著，檸條林地該層次土壤水分虧缺較嚴重，各季節＞250～300 cm土層含水量均接近θ_p（圖2），難以被植物利用，降雨入滲也難以補給，因而檸條林地土壤含水量季節之間差異不顯著；苜蓿對這一層次水分有一定利用，但利用程度較檸條輕，土壤水分虧缺可以部分得到降雨入滲補給，季節之間有一定差異；撂荒草地該層次土壤水分的差異主要是降雨入滲補給的滯后性帶來的。因此，不同季節及不同植被間剖面土壤水分的差異大小取決于植物消耗與降水補給的相對差異。已有研究^[17]發現，苜蓿撂荒地0～100 cm土層土壤水分受降水影響明顯，而降水使得不同撂荒群落0～40 cm土層土壤含水量差異不顯著，也是降水補給植物生長消耗的原因。

黃土高原土層深厚，有利于根系的下扎，檸條和苜蓿這類高耗水植物，根系下扎深度可超過10 m^[5]，以便吸收深層土壤水分，而深層土壤水分很難得到降水的補給，導致土壤水分虧缺不斷持續，出現土壤干燥化現象^{[5，18]}。本研究中種植14 a的檸條林地和苜蓿草地分別在100 cm和200 cm深度以下出現了嚴重土壤干燥化現象，且檸條林地土壤水分虧缺程度較苜蓿草地嚴重，而撂荒草地出現的季節性水分虧缺雨季后可以得到補給，而且就土壤儲水量而言，檸條林地＜苜蓿草地＜撂荒草地，植被之間差異顯著，這說明人工植被檸條林地和苜蓿草地蒸散耗水明顯高于撂荒草地，且檸條林地較苜蓿草地蒸散耗水量高，即人工灌木林地較人工草地對深層土壤水分的利用程度更高，人工植被較自然恢復植被對深層土壤水分的利用程度更高。鑒于檸條和苜蓿的高耗水特性，進行植被恢復時宜以自然恢復為主。

4.2 典型植被條件下土壤有機碳存儲季節變化

通過不同植被條件下土壤有機碳密度季節差異分析發現，各植被不同土層中土壤有機碳密度均為雨季中最低，除檸條林地0～50 cm土層外均為雨季前最高，而且檸條林地土壤有機碳密度季節差額較小，另兩種植被土壤有機碳季節差額較大。這一方面是因為土壤碳礦化量和礦化速率與溫度成正相關^[19]，土壤有機碳含量與氣溫成負相關^[20]，雨季中恰逢黃土高原夏季，氣溫較高，土壤有機碳礦化量和礦化速率較高，從而使雨季土壤有機碳含量有降低的可能性；另一方面，根系周轉是深層土壤有機碳的主要來源，而干旱會使根系周轉加速^[21]，檸條林地100 cm以下土壤含水量均低于θ_sf，雨季中土壤含水量甚至低于θ_p，土壤干燥化嚴重，根系很難生長，根系死亡增加土壤有機碳儲量的程度可能抵消了雨季該土層有機碳的礦化損失，使土壤碳匯功能保持相對穩定，而苜蓿草地和撂荒草地則有不同程度的損失；再一方面，檸條生物量遠高于苜蓿和撂荒草地，枯落物量也較高，提供了充足的供礦化分解的有機物料，雨季土壤有機碳的礦化損失能得到一定補給，即生物量高的植被有機碳儲量受季節變化影響較小，生物量低的植被則相反。因此，不同植被間土壤有機碳儲量季節變化的差異是土壤有機碳礦化分解與根系周轉增加有機碳積累和有機物料補給之間平衡的結果，檸條林地因生物量較高和土壤干燥化嚴重導致根系周轉加速而具有相對穩定的碳匯功能。

本研究中，不同植被條件下土壤有機碳含量均具有明顯的表聚現象，但3種植被條件下土壤有機碳含量表聚程度不同，這與已有研究^[22-23]結果一致。與撂荒草地相比，人工植被檸條和苜蓿的生長分別明顯增加了100 cm 和50 cm以上土層土壤有機碳儲量，即其表聚現象分別延續到了100 cm和50 cm深度，因此人工植被有利于提高淺層土壤有機碳儲量。已有研究結果也表明農田和草地造林后土壤有機碳含量增加^[24]，且自然恢復草地表土層有機碳儲量顯著低于人工植被^[5]，本研究對0～300 cm土層有機碳含量的研究結果與此一致。

4.3 典型植被條件下土壤水、碳存儲關系

本研究發現：雨季前土壤儲水量較低，有機碳密度較高，而雨季中土壤儲水量較高，有機碳密度卻較低，因此有機碳和土壤儲水量具有不同的季節變化規律。就不同植被而言，各季節撂荒草地土壤有機碳密度較低，土壤儲水量較高，而檸條和苜蓿土壤有機碳密度較高，土壤水分虧缺卻嚴重。因此，檸條和苜蓿的生長在增加土壤有機碳儲量的同時導致土壤水分過度消耗，出現土壤干燥化。有研究表明，植被自然恢復較人工造林更有利于土壤碳積累^[8]，退耕后種植檸條和苜蓿等人工植被引發土壤干燥化的程度隨退耕年限延長而增強，最終導致植被退化^[5-6]，因而人工植被不具備長期的碳累積能力^[7]。本研究結果表明，人工植被生長使土壤有機碳儲量增加的同時卻導致土壤儲水量降低（見圖4），這與JIA et al.^[10]研究結果較為一致，說明雖然較高的土壤水分條件有利于植物生長，進而有利于土壤有機碳含量增加，但嚴重的干燥化會限制深層有機碳的固存與增加，這與劉新春等^[25]對人工刺槐林的研究結果一致。因而，植被生長導致的土壤儲水量降低不利于植被的長期穩定?？紤]到生物量大的檸條具有相對穩定的碳匯功能，在半干旱的黃土高原進行植被恢復增加碳匯，要注意植被對土壤水分吸收利用的變化，當植被生長導致土壤干燥化土層出現時，需要對植被進行更新或者管護，如刈割、間伐，這樣既可防止土壤水分過度消耗，又可以保障土壤碳儲量的持續增加。

5 結論

1）3種植被條件下各土層土壤含水量的變化因植物消耗與降水補給的相對差異而不同。人工植被對土壤水分消耗較多，檸條林地和苜蓿草地分別在100 cm和200 cm深度以下出現了嚴重土壤干燥化現象，且檸條林地土壤干燥化現象更加嚴重。

2）3種植被條件下土壤有機碳存儲量均為雨季中最低，雨季前最高，但各植被季節間差異程度不同，檸條林地季節差異較苜蓿草地和撂荒草地小，具有相對穩定的碳匯功能。

3）3種植被條件下土壤有機碳含量具有不同程度的表聚現象，與撂荒草地相比，檸條林地、苜蓿草地可分別明顯增加100 cm和50 cm以上土層的有機碳含量，但使深層土壤出現了嚴重干燥化現象，這不利于植被的長期穩定。

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收稿日期： 2023-02-22

基金項目： 中國博士后基金項目（2016M601118）

第一作者： 張恒宇（1997—），女，山東蓬萊人，碩士研究生，主要從事土壤水分與植物作用關系研究。

通信作者： 吳元芝（1982—），女，山東濟南人，副教授，博士，主要從事土壤物理與生態水文相關研究。

E-mail： wuyuanzhi05@163.com

（責任編輯 徐素霞）