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)和土壤資源的評價受到高度重視。水是制約黃土高原植被恢復(fù)的關(guān)鍵性自然因素,土壤水和生長期降水是該區(qū)植被用水的基本來源。黃土高原土壤的特殊性,氣候和植被的過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植被生長的作用。根據(jù)前人的研究和實地觀察發(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)。筆者通過對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)時間長的降水對土壤干層的影響,這對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,但徑流時空分布不均,水資源并不豐富。西安市郊徑流量僅0.10億m3。2003年西安地區(qū)降水量超過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源。我們在2003年4月、11月和12月在西安南郊的中齡楊樹林、中國梧桐樹林和法國梧桐樹林下土層中進行了人工鉆孔采樣,并進行土壤含水量的測定。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。然后進行烘干,烘干溫度100℃左右,烘干時間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,計算土壤含水量。2豐水年土壤水分測定結(jié)果2.1含水量:2.4根據(jù)梧桐樹下含水量測定結(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)法國梧桐林下含水量測定結(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。2.3含水量:2.4%以上根據(jù)楊樹林下含水量測定結(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,這與上述兩個鉆孔的土壤含水量變化相同。2.4不同年份楊樹林的平均含水量根據(jù)在南郊不同時間不同地點的同種人工林含水量測定結(jié)果得知,同種人工林的含水量變化趨勢相同,在相近月份差異不大(圖1中a、b;圖2中a,b;圖3中a,b)。以楊樹林為例(圖3中a,b),11月份楊樹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不同層系楊樹林土層含水量的變化我們在2003年4月和5月曾分別對西安南郊吳家墳楊樹林地和法國梧桐樹林地進行了鉆孔取樣,這可作為與豐水年人工林土壤含水量差異對比的標(biāo)準(zhǔn)。4月20日在吳家墳法國梧桐林下進行了2個鉆孔剖面的取樣,采集樣品120塊。含水量測定結(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日我們對吳家墳15齡楊樹林下土層所取60塊樣品的含水量測定表明,楊樹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)進行造林有利于更好地保護好土地上的不同植物生長所需的水分主要來自土壤水,土壤水分的多少制約著植物的生長狀況。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)合理地進行植樹造林,就會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。在土壤干層發(fā)育嚴(yán)重的地區(qū),樹木生長到10a左右,常出現(xiàn)彎曲、干梢等生長不良現(xiàn)象,進一步的生長很緩慢,甚至?xí)霈F(xiàn)樹木的死亡現(xiàn)象。在這樣的地區(qū)進行植樹造林,不僅沒有經(jīng)濟效益,更不會有良好的環(huán)境效益。在土壤干層發(fā)育較輕的地區(qū)可以進行植樹造林,但應(yīng)該選擇耗水少生長較慢的樹種,并適當(dāng)加大人工林植株間距,使林木能較好的生長。因此,在進行地區(qū)植被恢復(fù)的過程中,必須事先了解當(dāng)?shù)赝寥浪智闆r,應(yīng)堅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)也可以選擇耐旱樹種營造生長不良的人工林,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)的中齡人工林生長正常,沒有出現(xiàn)明顯生長不良的現(xiàn)象,說明西安地區(qū)是基本適合人工造林的地區(qū)。3.3對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而過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給時期。通過對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,我們可以采取一定的集水措施,增加土壤含水量。如通過建造魚鱗坑等工程措施,增加雨水的入滲,特別是在坡度較大的斜坡上,利用魚鱗坑、改變土層結(jié)構(gòu)、增加地表枯枝落葉等集雨措施,會對樹木成活和長期正常的生長有明顯的作用。3.4大氣降水滲透過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水分生長及干層發(fā)育情況綜上所述,我們可以得到如下認(rèn)識:(1)在