科尔沁沙地南缘樟子松人工林对土壤水盐的影响.pdf
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1、第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 8 资助项目:国家自然科学基金项目(3 2 0 7 1 8 3 6);中央财政林业科技推广示范项目(黑2 0 2 0T G 1 6号);辽宁省农业科学院基本科研业务费计划项目(2 0 2 1 HQ 1 9 1 3)第一作者:郎明翰(1 9 9 5),男,辽宁丹东人,硕士,助理工程师,主要从事森林水文学方面的研究。E-m a i
2、 l:1 8 8 0 4 5 0 2 0 0 91 6 3.c o m 通信作者:张日升(1 9 7 6),男,主要从事荒漠化防治和森林培育研究。E-m a i l:z r s 9 7 3 2 0 41 6 3.c o m科尔沁沙地南缘樟子松人工林对土壤水盐的影响郎明翰1,张日升1,韩 辉1,王 旭1,凡胜豪2(1.辽宁省沙地治理与利用研究所,辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测研究站,辽宁 阜新1 2 3 0 0 0;2.辽宁省水利事务服务中心,沈阳1 1 0 0 0 3)摘要:为掌握科尔沁沙地南缘樟子松造林4 0多年对土壤水分、盐度的影响。以科尔沁沙地樟子松林地、草地2 0 2 0年3
3、月至2 0 2 1年1 1月土壤、气象数据为基础,采用双累积曲线法(D CM)验证样地选取的合理性,利用空间代替时间法(S TM)研究樟子松林地、草地土壤含水量、盐度的变化规律,以及与气象因子关系的差异。樟子松林地改变了土壤纵向剖面水分、盐度分布规律,二者均趋于正“S”形分布;林地有效提高土壤储水量(p0.0 5),降低土壤盐度,缩减水分次活跃层范围;林地土壤水分变异性更高(p0.0 5);林地的气象因子与土壤水分、盐度指标各分项之间关联程度与草地不同,减弱与降雨的相关性,增加与水汽压亏缺的相关系数。樟子松林生态系统具有较强的涵养水源、抑制土壤盐渍化的功能。关键词:科尔沁沙地;樟子松人工林;土
4、壤含水量;土壤盐度中图分类号:S 7 1 5.3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5-0 3 7 0-0 7D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 4 5E f f e c t so fP i n u s s y l v e s t r i sv a r.m o n g o l i c aP l a n t a t i o no nS o i lW a t e ra n dS a l t i nt h eS o u t h e r nE d g eo fH o r q i nS
5、 a n d yL a n dL ANG M i n g h a n1,Z HANGR i s h e n g1,HAN H u i1,WANGX u1,F ANS h e n g h a o2(1.L i a o n i n gI n s t i t u t eo fS a n d yL a n dC o n t r o la n dU t i l i z a t i o n,N a t i o n a lP o s i t i o n i n gO b s e r v a t i o na n dR e s e a r c hS t a t i o no fH o r q i nS a n
6、 d yL a n dE c o s y s t e m,F u x i n,L i a o n i n g1 2 3 0 0 0;2.S o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o nB u r e a uo fL i a o n i n gP r o v i n c e,S h e n y a n g1 1 0 0 0 3)A b s t r a c t:T ou n d e r s t a n dt h e i m p a c to fm o r et h a n4 0y e a r so fa f f o r e s t a t i o no fP
7、 i n u s s y l v e s t r i sp l a n t a t i o no ns o i lw a t e r a n ds a l t i n t h e s o u t h e r ne d g eo fH o r q i ns a n d y l a n d,b a s e do n t h e s o i l a n dm e t e o r o l o g i c a l d a t ao fP.s y l v e s t r i sf o r e s t l a n da n dg r a s s l a n df r o m M a r c h2 0 2 0
8、t oN o v e m b e r2 0 2 1i nH o r q i ns a n d yl a n d,t h ed o u b l ec u m u l a t i v ec u r v em e t h o d(D CM)w a su s e dt ov e r i f yt h er a t i o n a l i t yo fs a m p l ep l o ts e l e c t i o n,t h es p a t i a li n s t e a do f t i m em e t h o d(S TM)w a su s e d t o s t u d y t h ev
9、 a r i a t i o np a t t e r no f s o i lw a t e r c o n t e n t a n ds a l i n i t y i nP.s y l v e s t r i sf o r e s t l a n da n dg r a s s l a n da n dt h ed i f f e r e n c e si nt h e i rc o r r e l a t i o nw i t h m e t e o r o l o g i c a l f a c t o r s.P.s y l v e s t r i sf o r e s t c h
10、 a n g e dt h ed i s t r i b u t i o no fw a t e r a n ds a l t i nt h e l o n g i t u d i n a l p r o f i l eo f t h e s o i l,b o t ht e n d e dt ob e i nap o s i t i v e S s h a p e.F o r e s t e f f e c t i v e l y i n c r e a s e ds o i lw a t e r s t o r a g e(p0.0 5),r e d u c e ds o i l s a
11、l i n i t y,a n dr e d u c e dt h er a n g eo fw a t e rs u ba c t i v e l a y e r.T h ev a r i a b i l i t yo f f o r e s ts o i lw a t e rw a sh i g h e r(p0.0 5).T h ec o r r e l a t i o nd e g r e eb e t w e e nt h em e t e o r o l o g i c a lf a c t o r sa n ds o i lm o i s t u r ea n ds a l i
12、n i t y i n d i c a t o r s i n f o r e s tw a sd i f f e r e n t f r o mt h a t i ng r a s s l a n d,w e a k e n i n g t h ec o r r e l a t i o nw i t hr a i n f a l la n di n c r e a s i n gt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tw i t hw a t e rv a p o rp r e s s u r ed e f i c i t.T h e s
13、 er e s u l t si n d i c a t e d t h a tP.s y l v e s t r i sf o r e s t e c o s y s t e mh a da s t r o n g f u n c t i o no fw a t e r c o n s e r v a t i o na n ds o i l s a l i n i z a t i o n i n h i b i t i o n.K e y w o r d s:H o r q i nS a n d yL a n d;P i n u s s y l v e s t r i sp l a n t
14、a t i o n;s o i lm o i s t u r ec o n t e n t;s o i l s a l i n i t y 土地沙化是气候变化和人为活动的作用下,在干旱、半干旱和亚湿润干旱区引起的土地退化1造成土地资源逐渐减少、土地生产力逐渐下降、地表呈现出类似沙漠的景观2。科尔沁沙地是我国最大的沙地,其南缘又处农牧交错带,生态环境脆弱,土地极易沙化。沙地主要由石英砂组成,具有易飞扬和流动的特性,土壤中营养物质极微,有机质含量低,透水性强,持水量低3。这样的环境特征对植被尤其树种的生长极其不利4,严重制约农林业的可持续发展。沙地樟子松林是营造的巨量防护林中最具代表性的一类植被5
15、,占地面积接近8 0万h m26。沙地樟子松人工林的成败被认为是“三北”防护林建设工程成功与否的重要标志7。自2 0世纪9 0年代后,引种区樟子松出现中幼龄期生长量加速、成熟期提前的“早衰”8现象,“早衰”是林水关系严重失调的结果。土壤水、盐度是土壤重要组成部分,是植物生长的重要影响因子。所以研究沙地樟子松土壤水盐运移规律的影响因素及调控机理具有重要的现实意义。土壤水盐运动规律主要指土体中盐分和水分在不同时期一定的生态环境中的运动变化规律和特征,是相伴进行密不可分的9。对土壤水盐运移的研究最早起源于D a r c y定律(固体热传导方程)。此后,国内外学者在研究水盐运动规律过程中建立了大量模型
16、,并逐步针对土壤水盐展开更加深入的研究。目前国内外对干旱区天然芦苇和黍、葡萄园、灌区、柽柳、人工固沙植被、不同荒漠植被、绿洲、沙漠植物园等土壤水盐特征、空间异质性与新方法1 0进行研究,对樟子松人工林土壤的研究主要集中在沙地土壤含水量的分析。本研究利用空间代替时间1 1的方法,以草地为对照,研究樟子松人工林对土壤水盐的影响,为樟子松人工林修复、经营管理提供理论依据。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于辽宁省彰武县章古台镇辽宁省沙地治理与利用研究所实验林场(4 2 4 3 N,1 2 2 2 2 E)三家子试验区,地处科尔沁沙地东南部,原分布着大面积沙丘沙地,经过治理后,大多数转化固定沙丘
17、沙地7。试验区年平均气温6.3,全年无霜期1 5 0 1 6 0天,年平均降水量5 0 0mm,年平均蒸发量1 5 5 0mm,历年最低气温-3 0.5,属于半湿润气候。土壤以风沙土为主,沙层厚度为1 2 61 2 8m9,沙土贫瘠,流动风沙土03 0c m内有机质含量为3.33.6g/k g,樟子松林地03 0c m土层有机质含量为4.25.0g/k g。1.2 样地的选取在前期大量踏查的基础上,选择营建于1 9 7 8年、林龄已达4 4年的樟子松人工林作为样地,同时选择地形相似草地作为对照样地。樟子松林样地与对照样地的海拔相差较小,樟子松林地2 0 0m,草地2 2 0m;2个样地均为平地
18、(坡度为0);樟子松人工林林下主要植被有细叶胡枝子(L e s p e d e z ad a u r i c a)、兴安胡枝子(j u n-c e av a r.s u b s e r i c e aL.)、拂子茅(C a l a m a g r o s t i s e p i g e i o s)、马唐(D i g i t a r i as a n g u i n a l i s)和披碱草(C h l o r i sv i r g a t a)等,草地主要植被有苔草(C.t r i s t a c h y a)、隐子草(C.s q u a r r o s a)、茵陈蒿(A r t e m i
19、 s i ac a p i l l a r i s)和糙叶黄耆(A s t r a g a l u s s c a b e r r i m u s)等。1.3 数据获取与处理在样地中布设土壤原位多要素监测站型(F l e b-3 0 c)仪器,对土壤1 0,5 0,1 0 0,1 5 0,2 0 0c m土层的土壤含水量和盐度进行连续监测,记录时间间隔为1h。气象数据来源于试验林场自动气象站(C AWS 6 0 0-B型),自动记录气象指标有气温、空气湿度、辐射、降雨、风速,记录时间间隔为1h。观测时段为2 0 2 0年3月1日至2 0 2 1年1 1月3 0日,共计2 1个月。土壤储水量(S
20、WS,mm)为一定厚度土壤中所含的水量,计算公式为:SWSi=ihi(1)SWS=miSWSi(2)式中:SWSi为每层土壤储水量(mm);i为土壤体积含水量(%);hi为土层厚度(mm);m为土壤层序号;SWS为土壤总储水量(mm)。变异性的计算公式为:v=si-ss(3)式中:v为变异性;s为土壤储水量(mm)或者土壤盐度(d S/m)。土壤储水量浮动系数公式为:F I n d e x=ni=1qi-qi-1ni=1qi(4)式中:F I n d e x为浮动系数;q为土壤储水量(mm)。水汽压亏缺的公式为:V P D=0.6 1 1e1 7.5 0 2TT+2 4 0.9 7(1-HR)
21、(5)式中:V P D为水汽压亏缺(k P a);T为气温();HR为辐射(W/m2)。文中所有数据采用R-S t u d i o、M i c r o s o f tE x c e l和O r i g i n2 0 1 7等统计分析软件对试验数据进行分析与作图,分析气象因子与土壤水分、盐度之间关系之前,利用A R I MA模型去除各时间序列数据自相关性。2 结果与分析2.1 草地、樟子松林地储水量特征双累积曲线是检验2个水文变量在研究时段内变化趋势的一致性1 2,如果双累积曲线出现明显的拐点,则代表着2个样地之间降雨存在极大的空间异质性1 3,证明样地选择不合理,存在除土地利用类型之外的其他未
22、知差异。由图1可知,樟子松人工林与草地储水量累积量双累积曲线呈现极显著的线性关系(p1.5%,1%S D1.5%,S D1%3个等级(表1),土壤湿度剖面自上而下可以划分为水分活跃层、水分次活跃层和水分相对稳定层1 4。土壤水分动态成因主要有降雨、植被根系吸水、地面蒸发和浅层地下水补给等。通过02 0 0c m土壤含水量纵向分布曲线可以看出,樟子松林地、草地土壤水分剖面具有共同的特征,即剖面上部水量变化剧烈,下部水量变化较小。土壤剖面上层的土壤处于水分消耗、补充的交替过程中,土壤含水量剧烈波动,称为活动层;林地导致土壤活动层发生较大的变化(表2)。2 0 2 0年和2 0 2 1年草地水分活跃
23、层为02 5c m,樟子松林地水分活跃层为07 5c m,林地水分活跃层向下增加5 0c m;2 0 2 1年草地土壤2 57 5c m为水分次活跃层,林地水分次活跃层消失;2 0 2 0年草地水分相对稳定层分别为7 52 0 0c m,樟子松林地水分相对稳定层为1 2 52 0 0c m,林地导致水分相对稳定层向上增加5 0c m。2 0 2 1年草地和樟子松林地水分相对稳定层均为7 52 0 0c m。2.4 土壤水盐季节性动态特征土壤水分、盐度曲线具有明显的季节性动态特征,其曲线变化过程线形态与降雨事件存在明显的一一对应关系,林地导致土壤储水量升高,盐度降低(图3)。降雨事件主要集中在6
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