全 文 ：收稿日期:2002-04-01。
作者简介:李洪建(1958-),男(汉族),山西洪洞县人 ,副教授。主要从事区域治理 、土壤水分生态和植物生理生态的研究。发表论文 30
余篇。电话:0351-7010700;Email:hongli@sxu.edu.cn
黄土高原北部河北杨林的土壤水分特征
李洪建 ,王孟本 ,柴宝峰
(山西大学黄土高原研究所 ,山西 太原　030006)
摘　要:以河北杨林为研究对象 , 在对其土壤水分进行 7 a定位观测的基础上 , 对其特点进行全面分析。结果表明:
河北杨林土壤水分动态的周年变化规律主要受降水及其分配特点和生长期初土壤水分含量的影响。 0 cm ～ 300 cm
深度内 ,生长期土层内土壤水分的年平均值多数年在64 g kg 左右;特旱年仅 50 g kg;特涝年也只有 76 g kg;土壤水分
条件较差;多数年份土壤水分基本平衡;特旱 、特涝年份土壤水分大量亏缺 、积累 , 其值均达 150 mm 以上。 0 cm ～ 300
cm 深度内土壤水分剖面的垂直分布自上而下分为活跃层 、过渡层和稳定层 ,但各层的厚度变化受年降水量的影响较
大;土壤含水量的平均值随深度增加而减少 ,从 72 g kg～ 57 g kg。除特涝年份的生长季中后期外 ,生长期内的土壤有
效水分含量较少 ,河北杨处于轻胁迫状态;5月下旬到 7 月上旬河北杨有近一半时间处于中胁迫状态。但河北杨有
较大的贮水库容 ,有利于土壤水的年际调节。
关键词:河北杨;土壤水分;周年变化;垂直分层;年际调节
中图分类号:S152.7　　　　文献标识码:A
　　河北杨(Populus hopeiensis)是黄土丘陵地区的重
要造林树种之一 ,在山西主要分布在吕梁山西坡 ,以
晋西北河曲 、保德县较为集中[ 1] 。为了了解河北杨
林土壤水分的特点 ,我们在河曲县对其土壤水分进
行了 7a的定位观测 。观测期间不仅有降水正常年 、
偏旱年和偏涝年 ,而且遇到了极少出现的特旱年和
特涝年 。在进行初步分析的基础上[ 2] ,对河北杨林
的土壤水分特征进行进一步分析 ,全面了解黄土高
原北部地区人工林土壤水分的变化特点 ,对本区水
土保持防护林建设具有一定意义。
1　研究概况
1.1　试验区概况
试验区位于晋西北河曲县境内黄河一级支流的
砖窑沟流域(39°13′06″N ～ 39°13′47″N , 111°12′03″E ～
111°19′28″E),为典型黄土丘陵沟壑区。区内气候见
参考文献[ 2 , 3] 。供试林位于流域中部的沙坪村 ,海拔
1 100 m左右 ,坡度 10°,坡向北。试验用河北杨林密
度2 220株/hm2 ,平均株高 5.13 m ,平均胸径5.9cm 。
其植物群落特点为:分层结构简单 ,有草本层 ,无灌
木层。草本层植物种类较少 ,以菌陈蒿(Artemisia
capillaris)、阿尔泰狗哇花(Heteropappus altaicus)等种
类较为多见。试验地土壤质地为马兰黄土 ,土层深
厚 ,土壤属黄土质淡栗褐土 。整个剖面质地均匀 ,土
壤容重 1.25 g/cm3 ～ 1.39 g/cm3;<0.01 mm的物理
粘粒含量13 %～ 16 %。孔隙度 44.3 %～ 45.8 %;
饱和渗透系数0.35 mm/min ～ 3.74 mm/min。
1.2　测试方法
土壤含水量用烘干法(105℃)测定 。测深
300 cm ,11个层次 。测深下限分别为 10 、20 、40 、60 、
80 、100 、120 、150 、200 、250 和 300(cm)。每层次 3个
重复 。生长季期间(4 ～ 10月)每月中旬取样 1 次
(1988年每月 2次),1988 ～ 1990 、1992 ～ 1995年共测
定了 7 a。用简易雨量筒测定降水量 。不同深度的
土壤贮水量按下面公式计算
WC=0.01R·V·H
式中　WC 为土壤贮水量(mm), R 为土壤含水量
(干土重 , g kg), V为土壤容重(g/cm3), H 为土层深
度(cm)。土壤容重测定用环刀法 。
2　试验结果分析
2.1　不同降水年生长期内土壤水分动态特征
2.1.1　土壤水分动态与降水量的关系
河北杨林地土壤水分的动态与降水量的大小及
20卷 5期 606～ 610页
2002年 10月
山　地　学　报
JOURNAL OF MOUNTAIN SCIENCE
Vol.20, No.5 pp 606～ 610
Oct., 2002
文章编号:1008-2786(2002)05-0606-05
DOI :10.16089/j.cnki.1008-2786.2002.05.017
其分配特点相一致(图 1)。1988 年生长期降水量
436.2 mm ,为正常降水年 ,年降水量及月降水量的分
配亦与平均年份相同 ,生长期 6 月以前土壤水分呈
下降趋势 ,雨季 0 cm ～ 200 cm 土壤水分明显增加 ,
且100 cm ～ 200 cm 的水分增加明显滞后于 0 cm ～
100 cm 。1989年降水量 341.8 mm ,三个降水峰期间
隔较远 ,8月份降雨量仅 44.2 mm 。土壤水分整体呈
下降趋势 。1990年由于生长季初降水量较多(4 月
降水 83.5 mm),6 ～ 8月降水量少且分布均匀 ,整个
生长期土壤水分除 0 cm ～ 100 cmm 变化较大 ,总体
变化呈下降趋势 。1992年为偏涝年 ,5月中下旬和 6
月上中旬降水较多 , 7月下旬到 8月下旬降水亦较
集中 ,9月中下旬和 10 月中旬降水仍较多 ,生长期
土壤水分一直增加 ,但 200 cm ～ 300 cm 内土壤水分
相对稳定 。1993 年为特旱年 , 4 ～ 10 月降水量仅
234.8 mm ,受上一年生长季末高土壤含水量的影响 ,
生长季初林地的土壤含水量仍较高 ,由于整个生长
季降水量较少 ,不同深度的土壤含水量一直下降 ,即
使在雨季土壤水分的增加亦不很明显 。1994 年是
紧接着特旱年份后的降水偏少年 ,除 0 cm ～ 100 cm
土层土壤贮水量在 8月份有较大增加外 ,土壤水分
季节变化不大。1995年为特涝年 ,从 6月中旬开始
土壤水分就开始增加 ,土壤含水量的季节变化以后
期大幅度增加为特征 ,它与其它年份的差异在于中 、
下层的土壤水分都有明显增加。
2.1.2　土壤水分循环水平与降水量的关系
以每个测定年各次测定的不同深度土壤水分含
量的平均值与深度进行加权平均 ,可求出生长季
0 cm ～ 300 cm 深度内的土壤含水量值。7 a分别为:
63.6 g kg 、 64.4 g kg 、 68.4 g kg 、 60.7 g kg 、
64.9 g kg 、50.2 g kg和76.1 g kg 。可以看出 ,多数年
份土壤水分在 64.0 g kg 左右 ,最差年仅50 g kg ,最
好年份亦仅 76.1 g kg ,其土壤水分状况较差。
2.1.3　不同降水年土壤贮水量的平衡状况
据河北杨生长期初 、末 300 cm 土层贮水量可以
看出(表 1),偏涝年和特涝年土壤水分积累较大;特
旱年土壤水分亏缺严重;偏旱年和正常降水年土壤
水分基本平衡。土壤水分的年内变化规律可分为平
衡型 、减少型和增加型 。1988 、1989 、1990和 1994年
为“平衡型” ,1993年“减少型” 。1992年和1995年为
“增加型” 。值得注意的是 ,平衡型并非意味着土壤
水分处于最佳平衡状态 。如 1994年虽为平衡型 ,但
其土壤水分的循环水平最低 ,这种平衡是由于土壤
供水不足造成的一种假平衡。因此在考虑生长期
初 、末土壤贮水量的同时 ,还应注意其循环水平 。
图 1　河北杨林地土壤水分的季节变化
Fig.1　Seasonal changes of soil water at different depth in P.Hopeiensis plantation
2.2　土壤水分的空间分布特征
2.2.1　土壤水分统计特征值及剖面层次的划分
根据土壤水分的定位测定数据 ,对不同深度的
土壤水分进行的统计分析结果(表 2)表明 ,土壤水
分的垂直分布特征为:40 cm 以上土壤含水量在
70 g kg以上 ,40 cm ～ 200 cm在 60g kg～ 70 g kg范围
6075期 李洪建 ,等:黄土高原北部河北杨林的土壤水分特征 　
表 1　不同降水年河北杨生长期始末 300 cm土层的贮水量
Table 1　Water storage at depth of 300 cm at the beginning and end
of growing season in P.Hopeiensis plantation (mm)
年份 Year
生长期初贮水量
Water amount at
the beginning of
growing season
生长期末贮水量
Water amount at
the beginning of
growing season
末贮量-初贮量
Balance
1988 245.4 256.3 10.9
1989 265.0 225.0 -44.0
1990 314.2 270.6 -43.6
1992 205.8 313.8 108.0
1993 362.6 213.1 -149.5
1994 216.1 173.2 -42.9
1995 217.0 400.1 183.1
内 ,200 cm以下土壤水分<60 g kg ,总的趋势自上而
下土壤含水量降小。同样 ,标准差和变异系数从上
到下由大变小。95%的均值置信区间的上下界变化
幅度自上而下逐渐变小。根据偏度系数 ,不同深度
的土壤水分均为偏正态分布;偏度系数均>0 ,说明
小于土壤水分平均值的变量分布较为集中 ,偏度系
数越大 ,变量分布越集中 。土壤水分的以上特点与
本区土壤水分的补偿与消耗特点相一致。因为试验
地土壤水分的唯一补充来源是大气降水 ,无地下水
补给 ,土壤水分的消耗主要是土壤蒸发和林木蒸腾 ,
表层土壤水分受降水与蒸发影响最为激烈 ,土壤含
水量变化幅度也最大 , 17.8g kg ～ 171.8g kg 。随深
度增加 ,受降水与蒸发影响逐渐减小 ,林木蒸腾消耗
比重增加 ,而降水只在特涝年份才能下渗到 250 cm
～ 300 cm 以下 ,下层土壤水分亦只在特旱年份才能
得以消耗。
表 2　河北杨林土壤水分的剖面特征值
Table 2　Profile of soil water in P.Hopeiensis plantation
深度
Depth
(cm)
平均值
Mean
(g kg)
标准差 SD
(g kg)
变异系
数
CV
中位数
Median
(g kg)
95%置信区域(g kg)
95% Confident interval
下界
Lower bound
上界
Upper bound
最小值
Min.
(g kg)
最大值
Max.
(g kg)
偏度系数
Skewness
10 71.6 36.4 50.8 73.1 61.8 81.2 17.8 171.8 0.63
20 71.7 29.0 40.4 70.4 63.9 79.4 27.8 163.8 0.75
40 72.7 30.2 41.5 69.5 64.6 80.8 30.4 153.2 0.62
60 68.3 28.7 42.0 65.7 60.7 76.0 28.1 148.6 0.71
80 68.0 27.9 41.0 63.3 60.5 75.5 31.3 141.5 0.72
100 67.8 27.2 40.1 62.4 60.5 75.1 30.3 134.6 0.67
120 63.7 23.9 37.5 55.2 57.3 70.1 34.2 120.8 0.84
150 63.3 20.8 32.9 57.5 57.7 68.8 35.4 114.5 0.83
200 60.9 20.5 33.7 55.2 55.4 66.4 35.2 129.7 1.50
250 58.9 17.0 28.9 53.3 54.4 63.5 39.9 122.0 2.00
300 57.9 14.5 25.0 55.2 54.0 61.8 37.7 116.0 1.99
　　根据标准差和变异系数对河北杨的土壤水分剖
面进行的分层[ 3 , 4] 表明 ,河北杨的土壤水分剖面至上
而下可分为活跃层 、过渡层和稳定层。活跃层(变异
系数>50%)深度 0 cm ～ 10 cm;过渡层(变异系数
25%～ 50%)10 cm ～ 250 cm;稳定层(变异系数 <
25%)250 cm ～ 300 cm 。但是 ,不同降水年差别较大
(表 3),因为土壤水分的垂直分布 ,不仅与当年降水
量有关 ,还受上年降水的影响。1994年是特旱年后
的干旱年 ,连续两年的土壤水分消耗 ,土壤水分亏缺
量很大 ,降水很难入渗到120 cm以下。而1995年是
特涝年份 ,尽管前两年的干旱使土壤水分严重亏缺 ,
但大量的降水使其入渗深度达 300 cm 以下 ,稳定层
同样在300 cm 以下 。
2.2.2　土壤含水量与土层深度的关系模型
以各测定年相同深度的土壤水分含量的平均值
(y ,g kg)为因变量 ,对应的土层深度(x , cm)为自变
量进行相关分析 ,其最佳关系方程分别为
　y =8E-06x3-0.0039x2 +0.375x1+67.94 ,
　R2=0.9316(1988);
　y =-5E-06x3+0.0022x2-0.324x +84.649 ,
　R2=0.8933(1989);
　y =3E-06x3-0.0008x2 -0.1073 x+86.53 ,
　R2=0.9802(1990);
　y =-8.1284Ln(x)+100.84 ,
　R2 =0.8753(1992);
　y =-9E-06x3+0.0039x2-0.3355x+56.764 ,
　R2=0.9189(1993);
　y =2E-06x3-0.0003x2 -0.0685 x+56.11 ,
608 山　地　学　报 20卷 　
　R2=0.6626(1994);
　y =-0.0579x+83.398 ,
　R2=0.3996(1995)。
多数年份的关系方程为多项式 ,1992年为对数
关系 , 1995 年为线性关系 。除 1995 年相关性较差
外 ,其余年份显著或极显著相关。
表 3　不同降水年河北杨林土壤水分剖面分层
Table 3　Profile layer in P.Hopeiensis plantation at different year
年份
Year
活跃层深度
Active layer(cm)
过渡层深度
Translation layer(cm)
稳定层深度
Stability layer(cm)
降水量
Precipitation(mm)
1988 0～ 150 150 ～ 200 200～ 300 436.2
1989 0～ 120 120 ～ 150 150～ 300 341.8
1990 0～ 100 100 ～ 150 150～ 300 423.9
1992 0～ 200 200～ 300 494.3
1993 0～ 150 150 ～ 250 250～ 300 234.8
1994 0～ 120 120～ 300 338.5
1995 0～ 300 651.6
2.2.3　生长期末土壤含水量与生长期初土壤含水
量及降水量的关系
以生长期末的土壤贮水量(WC ,mm)为自变量 ,
降水量(P , mm)和生长期初的土壤贮水量(x , mm)
为因变量 ,进行二元线性回归分析 ,生长期末土壤含
水量与生长期初土壤含水量及降水量的关系方程为
WC =0.488x +0.654P -135.494 ,
F=29.043(p<0.01)
用生长期末的土壤含水量与年降水量简单相关分析
表明 ,生长期末的土壤贮水量与降水量关系极显著 ,
关系方程为
WC=0.517p+48.924 , r=0.92(p<0.01)
因此 ,可用降水量预测当年生长季末的土壤贮水量 。
2.3　土壤水分状况评价
2.3.1　有效水分状况
测定表明 ,河北杨林 0 cm ～ 300 cm 土层的贮水
量绝大多数时段在 190 mm ～ 320 mm 间。根据土壤
水分的分类标准:-0.3×105 Pa 以上为重力水(无
效水), -0.3×105 Pa ～ -3×105 Pa 为正常生理水 ,
-3×105 Pa～ -10×105 Pa 为轻胁迫水 , -10×105
Pa ～ -20×105 Pa为中胁迫水 , -20×105 Pa以下为
重胁迫水(无效水)[ 5] ,同时根据河北杨土壤水分特
征曲线相应水势的参数[ 6] ,可以计算出各类有效水
分的上限值 。结果表明 ,多数年份河北杨在轻胁迫
状态(0 cm ～ 300 cm贮水量<316.5 mm)下生长;个
别时段(1988年的 5 ～ 6 月份;1992 年的 5 ～ 7月;
1994年的 6 ～ 10月份)在中胁迫状态(0 cm ～ 300 cm
贮水量<194.5 mm);只在少数时段土壤水分处于正
常生长状态(0 cm ～ 300 cm 贮水量在 316.5 mm ～
479.5 mm)。用不同月份土壤的实测贮水量与田间
持水量(-0.3×105Pa 对应的含水量)之比(Wfc)来
衡量河北杨林潜在的贮水性能[ 7] ,其值多在 0.5 左
右 ,说明其潜在的贮水能力较大 ,有利于土壤水分的
年内 、年际调节。
2.3.2　土壤水分的补充 、消耗过程
在测定的 0 cm～ 300 cm 土层内 ,土壤水分的补
充来源是大气降水 ,而其消耗则主要是蒸腾和蒸发。
与本区柠条林的的土壤水分特点不同[ 8] ,河北杨林
地土壤水分不存在明显的“干层” ,300 cm 土层以下
的土壤水分多数年份参与土壤水分循环 。图 2为
1993-04 ～ 1995-09不同月份的土壤水分剖面测定
结果 ,它们构成了土壤水分由高到低 、又由低到高的
年际变化过程 。1993-04的剖面受 1992 年(丰水
年)的降水补充 , 生长期初土壤含水量较高 , 然而
1993年为少有的特旱年 , 生长期降水量不到
250mm ,整个生长期消耗的土壤水分来源于入渗的
降水及中 、下层土壤贮水 ,到生长期末整个剖面土壤
水分明显减少 。紧接着的 1994年为偏旱年 ,由于 4
～ 6月降水量较少 ,尽管 7 、8 月份的降水量近于年
平均水平 ,但是由于上一年以及生长前期的土壤水
分亏缺 ,土壤水分也难以补充 ,生长期末土壤水分水
平与 6月份相似。1995年为特涝年 ,但前期降水量
较少 ,土壤水分以消耗为主 , 7月上旬开始 ,降水量
大量增加 ,上层土壤水分迅速增加 , 0 cm ～ 50 cm 达
田间持水量水平 , 8月下旬至 9 月上旬的大量降水 ,
使土壤水分下渗重新分配 , 9月中旬测定时土壤水
分已下渗到 300 cm以下。由此可见 ,极端的大量降
水对土壤水分的补充 、恢复及其年际调节具有重要
意义 ,深层贮水在干旱年份对林木生长所需水分的
供给起着不可忽视的重要作用。
3　小结
1.试区土壤水分的季节变化主要受降水量及其
季节分配的影响 ,其变化规律与降水量的分配相一
致 ,但是中(100 cm ～ 200 cm)、下(200 cm ～ 300 cm)
层存在明显的滞后现象 。河北杨林地 0 cm ～ 300 cm
深度内土壤水分的年循环水平在 50 g kg ～ 76 g kg
间 ,土壤水分状况较差 。大多数年份土壤水分基本
6095期 李洪建 ,等:黄土高原北部河北杨林的土壤水分特征 　
平衡;特旱年份土壤水分亏缺严重;偏涝年和特涝年
土壤水分有较大积累 。
图 2　河北杨土壤水分的年际变化
Fig.2　Yearly changes of soil water in P.Hopeiensis plantation
2.土壤水分的空间分布特征表现为自上而下土
壤水分含量逐渐减少 ,根据土壤水分的变化情况 ,可
将其分为活跃层 、过渡层和稳定层 。但是不同降水
年份各层的厚度变化较大 。各测定年土壤水分变化
与深度的关系模型拟合较好。
3.河北杨林地的土壤水分状况总体较差;多数
年份河北杨在轻胁迫状态下生长 ,春季约一半时间
处于中胁迫状态 。但其潜在的在贮水能力较大 ,有
利于接纳伏秋降水 。
4.土壤水分补充主要来自降水和深层土壤贮水。
一般年份土壤水分靠当年降水进行年内调节 ,但在极
端降水年深层贮水参与土壤水分的年际调节。
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A Study on the Soil Water Characteristics of Populus Hebeinsis
Plantation on Northern Loess Plateau
LI Hong-jian ,WANG Meng-ben and CHAI Bao-feng
(Institute of Loess Plateau , Shanxi University , Taiyuan 030006 China)
Abstract:Based on the data of seven-year field measurement , the paper deals with the characteristics of soil moisture of
Populus hopeiensis plantation.The results showed that the annual changing regularity of soil moisture of P.hopeiensis
plantation depended mainly on both annual precipitation and its distribution as well as soil moisture storage amount in the
beginning of growing season.The cycle level of soil moisture from extra-dry year to extra-wet yearwas from 50 g kg to 76 g kg ,
and the mean value was about 64 g kg.The soil water content was in balance inmost of the years , but was in a greatly deficit
in extra-dry year and a considerably surplus in extra-wet year reaching as much as 150mm.According to the vertical profile of
soil water , the distribution of soil moisture were divided from surface to bottom into three layers:active layer , transitive layer
and stable layer.The thickness of the each layer changed greatly from year to year.The available water storage amount in the
plantation was lower in the whole growing season.The plantation suffered from water stress slightly in most of the year , and
suffered from water stress moderately about a half period of time from May to July , and had a high capacity for raining water
storage.But this kind of situation provided with a favorable condition for soil water regularity between years.
Key words:Populus hopeiensis plantation;soil water dynastic;distribution of vertical profile;water regularity between years
610 山　地　学　报 20卷