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第 l5卷 第 2期
l 9 9 5年 6月
生 态 学 ．报
ACTA ECOLOGlCA SINICA
Vol_l5．No．2
Jun．，l 9 9 5
晋西北黄土区人工林土壤水分
动态的定量研究
重查，奎 蕉
山西大学 黄 土高原地理 研 究所 ，太 碾 ．030006
5 7 ． f-2 -
H 摘 要 车文丰匣据 i988一i990年的定位理鼍贷料 ．对晋西北黄土丘陵区的河北 场林、剌槐林和拧景疆术
’ 林的土壤水分动态规樟进 行了定量分析．依次就永分分布分屡、水分斟面特征 水分季节动态、水分循环
模式与水分循环水平等问息进扦丁探讨．车文采用的新的分析遗径和方法将有勖于时黄土区不同植被粪
型 土壤水 分生态研 究的进 一 步探北 ．
*t ： 兰 !： ． ． 持 ． 循 攘 H 平 ! {l了；
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关于我国黄土区土壤水分的性质与循环特点，历来受到人们的重视。把土壤水分作为一个
肥力因素的研究较早受到注意“ 。对不同植被类型水分生态功能的较撂入的研究始于 80年代
初期 。“七 ·五 期间国家把“黄土高原综合治理研究 列入科技攻关计划．不同植被类型水分
动态规律的研究取得了令人注 目的成果“ ，其范匿与深度均是前所未有的。但是对植物群落
水分生态环境较长期定位试验数据的系统性定量分析仍甚少见到 本文试图在这方面做初步
尝试 。
l 研究概况
1．1 试区及其气候
定位试验 区设在晋西北河曲县砖窑沟流域(北纬 39‘11。06 一39 1 3‘47。，东经 111 12 o3 一
11l 19~zs )。根据距本流域中心西北约 9kin所在县气象站+1954—1973年(1973年之后迁址较
远)纪录年平均气温 8．8"C，最热月平均气温 23．9C．最冷月平均气温一9．4_c：年平均降水量
447．5mm，其中生长期 (4月 2O日一 lo月 2O日)降水量 396．7mm；年平均相对湿度 48 。
1．2 供试林
试验用河北杨(Populus hopeiensix)林、刺槐(Robinla pseudoacacia)林和柠条(Car~【
korshinski)灌木林在 t988年分别为 23a、15a和 20a以上林龄的人工林。
河北杨林位于流域中部的沙坪村南面．海拔 11OOm 左右 ．坡向东至东北．坡度 l0 左右 据
1989年调查数据．林分密度为 2220株 ·hm～．株高 4．63m±1 l0(平均值±标准差 ．下同)、胸
径 5 5cm±1．7 林分无灌木层．其草本层植物恨 lO采种、以披针叶黄华(Thermopsis Lanceo
lata)和阿尔泰狗哇花(Heteropappus attaicus)为优势种。
刺槐林位于流域中部的沙坪村东南面，海拔 1lOOm左右．坡向正西．坡度 l0。左右 据 I990
年调查数据，林分密度 2900株 ·hm ．株高 4．31m±0．96、胸径 4．58cm±1．18。林分无灌木
层，其草本层以阿尔泰狗哇花为优势种。
啦稿 日婀 l293 03 13，晦西 精收 到 日期 ：1993 1l l(}
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2期 王孟本等：晋西北黄土区人工韩土壤水分动态的定量研究
柠 条灌木林位 于流域 中部沙坪村 以西 ，海拔 1070m 左右 ，群落位 于 梁坡 上部 ，坡 向正西 ，
坡度 4。左右。据 1989年调查数字 ，拧条平均株高 I．05m+0．26．盖度约 66 。草本层盖度75
左右，以百里香(Thymus mongolicus)为优势种。伴生植物有沙蒿(Arte~nisia desertorum)、沙珍
棘豆(Oxytropis psammocharis)与山苦婪(1~eris chhwnsis)等。
3种供试林分的土壤基质均为马兰黄土，土壤均为栗褐土。土壤养分均较贫乏(表 1)。
襄 l 3种人工#的土壤养分分析 (1989年 l0月)
TmbJe 1 A曲 l h of soil ttrill# in lhe planlltim of ，．^ 呻 毗 扛·鼻 棚细 蛐 咖 and c． 口 册 i
(Oct ，1989)(Abbr lo P ·Rpp and C in the following tables)
1．3 测定方法
土壤含水量用烘干法进行测定。测探 300em。11个土层的深度下限分别为 l0、2O、4O、6O、
8O、IO0、120、l50、200、250和 300cm。每层每次 3个样品。l988年 4月2O日ml0月 2O日，每
月 5日和 2O日各取样一次。l 989年与 l 990年 4一lO月．每月 2O日左右取样一次。年生长期
降雨量用简易雨量筒实测。
2 结果与分析
2．1 土壤 水分垂直 变化特点
2．1．1 土壤水分分布分层 对黄土区土壤水分垂直分布特征的定量分析．目前还没有一致的
方法 。根据标准差(s，D．)判别法” ．3种人工林的土壤湿度剖面可划分为活跃层、次活跃层
和相对稳定层(表
襄 2 3种人工林年生长期的土壤水分分布分层{L988-1990年 )
Tabt~2 Slriltlfi~alfion of water distribution of SOll profile in the three ptaatitions during growing seIL$OIl
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180 生 态 学 报 l5卷
2．I．2 土壤水分剖面特征 在理论上土壤水分梯度可能具有 3种不同情况：上下土层水分含
量相等，梯度为零{下层水分舍量高于上层，梯度为正；下层水分含量少于上层 ．梯度为负。3种
供试林的土壤水分梯度情形如图 l所示。
田 l 3种 人 工 林 的 土 曩 水 丹 垂 置 剖 面 c1988— 1990年 )
Fig 1 The profile。f “ w ter in I p【Hnt ti㈣ 。f C ^ CA)tR． ⋯ m (B)and P．hol~eiensis【C)
定量分析说明，3种供试林下的土壤上层(即水分活跃层+次活跃层)台水量明显高于下
层(即水分相对稳定层)。下层与上层的土壤湿度相对误差在一25．0 一一58．0 之间 ．林下土
壤水分梯度负值很大。天然草地。 的土壤下层与上层含水量的相对误差则为。4．1 ，水分梯
度与零接近(表 3)。
衰 3 上下土层的土壤涅度比较(干土重 ．1988．4 i0月)
Table 3 ^ comparison 。f 0Il moislnre belween upper i．d lower蚰 jll a， cdry soil weighT， D r¨ing Apt．一 L) t．，19B8
相关分析进一步表明．人工林的土壤湿度与土层深度之间具有显著或龊显著负相关。相应
的 3个直线回归方程在表 4中列出。而天然草地的土壤湿度与土层探度之间则没有显著相关
性 (r< *=0．602)
通过以上两方面的分析．同时可以看 出．在 3种人工林中．柠条灌木林的相对稳定层的土
壤湿度最低(仅 3．O5 )．与其上层相比．·水势睇度负值最大(一58．0 ) 因此柠条灌木林的相
对稳定层的水分生态环境更为严峻。
告 一一 d 糙喽l+
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2期 王孟车等，晋西北黄土区』、工林土壤水分动态的定量研究 181
衰 4 土层深度(cm， )与土壤温度(干土重 ， )，之间的目归方程(1988年 )
Table 4 Regression equallon belwea soil moistane td ry soil weight - )and~eplh soil pr~ lle(cm l
I rI>r 05=6 oz，曼 看 亟报* I⋯ l，l>gO。I=0 735一擞 显i负相 关 ．
2．2 土壤水分季节 动态
2．2．1 先期降水对土壤水分季节变化的影响 先期降水是上一个生长期末至当年生长期初
之间的降水，其中主要是上年冬季降水 在本研究中．它是指上年 10月20日一当年 4月 20日
这段时间的降水，约占年均降水量的 l1．4
l 989年与 l 990年生长期初的土壤含水量．即土壤水分季 变化的起始湿度 ，与上年生长
期末的土壤含水量基本相同或明显较高f罔 !)。
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图 2 3种 人工林的 土壤木 丹季 节动态 <1988 1990年 )
Fig．2 The∞ “州 r seasonal dy~ mics in T piantatlons of(a)尸．hopeieusis． b)R pscudd~,Ⅲ ⋯ md “ )C． n
这说明先期降水入渗量等于或大于人工林在同一时期的水分消耗量或蒸发量。尽管后者
同生长期蒸散消耗量相比显得很小。同时说明先期降水对土壤水分季节变化起始湿度的高低
亦具有一定的影响作用。尽管这一作用与上年雨季降水的影响作用相比显得很微弱。
2．2．2 降水状况与土壤干湿状 况 3种人工林的土壤水分季节变化趋势在同一年份 中具有
较强的相似性；同一人工林的土壤水分季节变化趋势，在不同年份则具有明显差异 (图 2)。在
1988年，生长期的降水量高于历年平均量．前期降水量很少．降水峰期出现在．7月中下旬 ，之
后仍有一定量降水。3种人工林的土壤干、湿季与气候干、湿季大致吻合。土壤干、湿季大致以
7月中旬为界。在 l989年与 l990年情况则不同。1989年生长期降水量少于历年平均量 ．在时
间分配上较为均匀，降水峰期出现得异常早(5月下旬)。人工林的土壤湿季在前干季在后．二
者以 8月上旬为界 。l 990年生长期的降水量虽多于历年同期平均量．但初期f 4月 30日前后 )
降水量异常多．且降水峰期始于 7月上旬一直延至 9月中旬 ．峰期水量分配相对均 匀。人工林
的土壤湿季在前，干季在后，二者以 7月中旬为界。
气温变化规律在年际相对一致．生长期 5—8月为林地土壤水分强烈消耗期(以蒸发为
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生 态 学 报 5卷
主)。在此阶段中．若降水较多且较为集中，一般最有利于土壤水舒积累；降水少而均匀分布则
正好反之；降水较多但均匀分布同样不利于土壤水分积累。因为在后 2种情况下．每次入渗到
林地土壤中的降水量较少．会很快被蒸散消耗掉。1988年林地土壤干、湿季与气候干、湿季基
本吻合，主要是由于气候干、湿季分明．7月中下旬降水较多且较集中，有利于土壤水分积 累
1989年土壤干、湿季与气候干、湿季不吻合．则是 由于降水少而均匀分布．入渗降水被迅速消
耗，甚至土壤储水亦同时被消耗丁一部分(如 8月中旬)。1990年林地土壤干、湿季与气候干、
湿季不相吻合，主要是因为在气候湿季中降水分配量均匀，在强烈蒸散耗水情况下，降水同样
入不敷出(如 7月下旬)或积累很少(如 9—10月)。
由此即可看出，在气温年际变化规律相对稳定的情况下．影响人工林土壤干湿季变化的主
导因子是年生长期降水量及其分配情形。土壤干湿季与气候干湿季不相吻台．主要是因为在气
候湿季中．降水少且均匀分布或降水较多但亦均匀分布，降水入不敷出或积累甚少所致。
2．3 土壤水分循环特征
2．3．1 水分循 环模式 由于供 试林所处地段 的地 下水深埋 ．无供给群落需要 之可能 ，在天然
降水条件下+入渗的水量只能湿润土壤上层，在一定深度之下具有相对稳定的低湿层．转化为
地 下径流的过程基本 中断 。因此 ．其土壤 水分循 环模式可简略地归纳如下 ；
植
降水
基本
水在
林 )、
1988
与 1 990，刺槐林 )。
2．3．2．2 蒸发蒸腾作用层深度 有研究表明 40a生辽东栎和白桦混交林的蒸发蒸腾作用层
可达 8m上下。 。作者在田间测得．河北扬林、刺槐林和柠条灌术林地的土壤田问持水量分别
为 l5 7 、15．7 和 13．0 (干土重 )。由 3种人工林的土壤水分垂直剖面(图 1)可以判断
出．它们的蒸发蒸腾作用层深度显然已超出本文所测定的 3m土层深度。有关问题尚需进一步
研 究。
2．3．2．3 水分循环盈亏 据以住 20a气象纪录．本区年生长期平均降水量为 396．7mm。因
1988-1990年 3个生长期的降水量分别为 436．2mm、341．8mm和 423．9mm．可将 3者分别
归为平水年、少水年和平水年。由表 5可见．各种人工林的土壤水分收支亏缺是经常发生的，在
平水年也少有例外。
囊 5 年生长期始末{丰下 0-300era土层储爿c量(mm，l988一l990年1
Tible 5 Soil _Itr contenl tot 300 cm soft depth in Apt 日_1d Oct
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2期 王孟本等 ：晋西北黄土 区人工林土壤术分动态的定量研究
2．3．2．4 水分循环基点 从历年生长期 3m土层湿度剖面数据的总加权平均值可以看出，3
种供试林的土壤水分循环基点很低，分别在 6．4 (河北杨林)、5．5 (刺槐林)和 3．5 (柠条
灌木林)上下波动(表 6) 其形成特点可表示如下：
低水分含量 较高水分含量
衰 6 年生长期林下 0-300~m土层的土壤湿度‘于土重“)总加权平均值( )(1988-[990年 )
Table 6 Total w~ighied average soil moisture(dry 。Il w~ighl ·j)for 300~m soll depth during growing s¨ 1 0I
3 讨论
在气象因子相同的条件下．不同林地的水分动态规律，不仅同林分的种类组成密切相关·
还受到立地因子的强烈影响。在立地因子中，以影响降水再分配的土质、坡向和坡度等起着更
为重要的作用。以上 3种供试林在立地条件上存在的差异．使这 3者间的严格 比较受到了某种
程度的限制，这是先前已经预料到的事情 尽管如此 ，上述从不同角度对 3种供试林土壤l水分
动态的分析，不仅揭示 了3者各 自的土壤水分宏观动态特点 ．而且在一定程度上阐明了林种间
在水分生态环境上的共性与差异。
3．1 河北杨林、刺槐林和柠条灌木林均具有一个土壤水分相对稳定的低湿层，土壤含水量与
其上层部分相 比．相对误差可达一25．o 一一58．0 ．水分梯度负值显著；林地土壤水分季节
变化趋势主要受降水量及其分配情形所制约，土壤干湿季与气候干湿季不相吻 合(1989与
1990年)．主要是因为在气候湿季中，降水少而均匀分布或虽然降水较多但亦均匀分布．降水
入不敷出或／和积累甚少所致 ；3种供试林的水分循环模式相同．降水入渗最大深度较浅·水分
收支亏缺屡有发生 。
3．2 土壤水分梯度负值显著．降水入渗最大深度较浅．水分收支亏缺频频出现 ．均说明林分面
临的水分生态条件相当严峻 。 ，
3．3 河北杨林同刺槐林相比，这 2者的土质和坡度差异可以忽略。前者的水势梯度负值较小 ·
降水入渗最大深度相对较深 ．水分收支亏缺较少发生．土壤水分生态环境相对较为优越 。其根
本原因可能是前、后者分别生长于东北坡与正西坡之故。柠条灌木林 的相对稳定层含水量最
低，水势梯度负值最大 ，水分收支亏缺连年发生 ，说明其水分生态环境最为严酷 其可能原因
有：一是其土质较沙 ．土壤田问持水量较小 ；二是拧条具有发达的根系与很强的吸水抗旱能力。
由此 同时可以看出 在探索黄土区不同植被类型水分生态环境特征问题时 ，本文所采用的
定量分 析方法是适 宜可行的 。
参 考 文 献
1 李玉 山 ±娄土水丹 状况与 作物生 长 土 壤学报 ．I962-l0‘3)：2 0—30
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t84 生 态 学 报 L5卷
享玉山 黄土区术舟循环特征丑萁对陆地术分循环的影响．生态学报一1983 r3(2)：9l一101
王盂奉 ，辛洪建 柠著林土壤水分生意环境研竞1吁报．中国科学院、木利部西北木土保持研究所集刊 ，第 10集．西安：陕西
科学技术出版社．1989 1铀一160
王盂本，享洪建 晋西北河北畅林术舒生志的研究．生态学报r1991，儿(4)：3i3—3l7
韩仕嶂．黄土高骧农田水量平膏 黄土高原区域拖理与评价 北京一科学出版杜 I99 一19I 一Z40
襞一民．橱文治．黄土毫原人工#草地术丹生态条件丑生产力 黄土高原区域治理与评价 北京：科学出版社 1992·241-
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王盂 本 ．享洪 楚 拧 象样燕 ■壮况 与土壤 术分动 态研究 ．术土保 持通报 一i990 rIl{4】·313 3l 7
QUANTITATIVE STUDY ON THE SOIL wATER
DYNAM ICS 0F VAR10US FOREST PLANTAT10NS IN
TH E LoESS PLATEAU REGIoN IN NoRTHW ESTERN SHANXI
Wang Mengben Li Hongjian
( Plateau Itl$titnte ofGeography—Shan．rl[ Ⅲ cr m-一Taiyuan，a3a006)
Based orl the 1988— 1990 data of field monitoring．an analysis was made on the soil water
dynamics of Populus hopeiensis．Robinia p．wudoacacia and Caragana korshinskii Plantations in
the loess plateau region in Northwestern Shanxi，by examining the iollowing ~ss ktes：
the stratification of soi1 water distribut[on。the characterjstics of sotl water profile．the soil
water seasonal dynamics．the Water cycle m odel and water cycle 1eve1．The new analysis
method used in this study can facilitate the further researches on soil water ecology for vari—
OUS types of vegetation hl the 1oe．sa plateau region．
Key words：forest plantation．soil water dynamics．stratification of．~oil water distribu
t[on，characteristics of soil water profile，soil water cycle model，soil water cycle leve1． ．
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