辽西北风沙区典型利用类型下的土壤水分变化特征

摘要 选取科尔沁沙地南缘不同土地利用类型为研究对象，在2022年4—10月对0～150 cm土层土壤含水率进行测量，分析樟子松人工林、灌木林地、草地、农田、半固定沙地5种方式下土壤垂直剖面含水率分布特征、土壤储水量变化特征、土壤蒸散发变化特征。结果表明：灌木林和草地的土壤含水率分布呈“W”形；樟子松人工林、半固定沙地的含水率分布呈“U”形；农田含水率分布呈倒“U”形，且含水率最小值位置与该土地利用类型植被根系分布情况有关。不同土地利用类型土壤储水量具有明显的季节性变化特征，且于降雨量变化基本一致。5种土地利用类型土壤水分皆为盈余状态，其中草地的保墒效果最好。因此，该地区的生态植被应优先考虑修复草本或疏林草地，以利于维护土壤水环境及其可持续利用。

关键词 土壤含水率；土地利用类型；储水量；蒸散发；变化特征；辽西北风沙区

中图分类号 S 152.7  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）23-0062-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.23.014

Characteristics of Soil Moisture Changes Under Typical Utilization Types in the Windy and Sandy Areas of Northwest Liaoning

ZHANG Ri-sheng1， FAN Sheng-hao2， JIANG Tao1，3 et al

（1. Liaoning Institute of Sandy Land Control and Utilization， Liaoning Zhanggutai Desert Ecosystem Research Station， Fuxin， Liaoning 123000;2. Liaoning Provincial Water Resources Affairs Service Center， Shenyang， Liaoning 110003;3.National Agricultural Environment Zhangwu Experimental Station， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract Taking different land use types in the southern edge of Horqin Sandy Land as the research object， the soil moisture content of 0-150 cm soil layer was measured from April to October 2022， and the soil moisture content of 0-150 cm soil layer was measured from April to October 2022， and the distribution characteristics of soil vertical profile moisture content， soil water storage change characteristics and soil evapotranspiration change characteristics under five patterns of the vertical profile distribution characteristics， soil water storage change characteristics， and soil evapotranspiration change characteristics of soil moisture under five patterns of Pinus sylvestris var. mongolica forest land， shrubbery， grassland， farmland and semi fixed sandy land were analyzed. The results showed that the distribution of soil moisture content in shrublands and grasslands was in a “W” shape;the water content distribution of Pinus sylvestris plantation and semi fixed sandy land was “U” shape;the distribution of water content in farmland showed an inverted “U” shape， and the position of the minimum water content was related to the distribution of vegetation roots in the land use type. The soil water storage capacity of different land use types had obvious seasonal variation characteristics， and the changes in rainfall were basically consistent.All 5 types of land use had surplus soil moisture， among which grassland had the best entropy retention effect. Therefore， priority should be given to herbaceous plants for ecological vegetation restoration in the region， in order to facilitate the soil water environment and its sustainable utilization.

Key words Soil moisture content;Land use type;Water storage capacity;Evapotranspiration;Change characteristics;Windy and sandy areas of northwest Liaoning

基金项目 辽宁省农业科学院基本科研业务费计划项目（2021HQ-1913）；辽宁省林业和草原局依托国家林草局科技创新平台研发项目（LLC〔2022〕20）。

作者简介 张日升（1976—），男，辽宁桓仁人，正高级工程师，硕士，从事荒漠化防治和森林培育研究。

收稿日期 2024-01-09

土壤水分是水循环重要的环节之一，对植物生长、生态环境建设以及水资源有效利用有着重要的影响［1］。土壤水分也是地下水、地表水、大气水联系的纽带，在水资源形成、转换、消耗和循环方面起着重要作用［2］。科尔沁沙地气候干燥、降水稀少、水资源短缺、生态环境脆弱，土壤水分是限制植被生长和生态恢复的主要因子。经过50多年固沙造林，科尔沁沙地南缘产生了多种土地利用类型，不同土地利用类型对土壤水分的影响机制不同。郎明翰等［3］通过比较科尔沁沙地樟子松人工林和草地水分差异，得出樟子松人工林生态系统具有较强的涵养水源、抑制土壤盐渍化的功能。赵学勇等［4］通过对科尔沁沙地不同类型土壤水分在降雨后的空间变异特征，得出随着植被覆盖度的增加降雨后土壤水分含量变异幅度逐渐减小。

许多学者从不同方面对土壤水分进行了研究［5-7］，但针对科尔沁沙地乔、灌、草、农等不同土地利用类型结合起来的土壤水分研究较少。该研究以辽西北风沙区樟子松人工林、灌木林地、草地、农田、半固定沙地为研究对象，系统分析了不同土地利用类型下0～150 cm土层土壤水分变化，揭示不同土地利用类型下土壤水分的垂直分布特征、季节性变化特征和蒸散发变化特征，以期为提高该地区水资源利用率提供科学依据，也为科尔沁沙地植被恢复与配置提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地选在辽宁省沙地治理与利用研究所章古台实验林场的试验林内，属中温带亚湿润干旱地区，隶属辽宁省阜新市彰武县，主要气候特点是干旱多风。1983—2022年年平均气温 6.64 ℃，年降水量490.8 mm，降水变化率大，各季节分配不均，70%以上集中在夏季；年蒸发量1 451 mm，相对湿度64%，旱季长达270 d。冬季以西北和偏北风为主，平均风速2.6 m/s；春季多南风、偏西南风，风力大，持续时间长。土壤类型以风沙土为主，占89.4%，土壤有机质及其他养分含量均较低。该地区主要分布的乔木树种有樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、小钻杨（Populus X），灌木树种有兴安胡枝子（Lespedeza davurica）、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla），草本植物有马唐（Digitaria sanguinalis）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、披碱草（Elymus dahuricus）等。

1.2 试验设计

选取樟子松人工林（成熟林）、灌木林地、草地、农田、半固定沙地5种土地利用类型为研究对象，详见表1。每个样地内间隔一段距离埋设 1 根测管，3 次重复；4—10月每月上、中、下旬利用便捷式土壤水分测量仪（TRIME-Pico 64/32 TDR）分别测定各样地土层10、20、50、100、150 cm处的土壤含水率。另外在平整的、无遮挡物空地处放置雨量筒测定降雨量。

1.3 数据处理

土壤水分的标准差（S）和变异系数（CV）反映了不同土地利用类型水分活跃程度，二者越大，意味着该地区土壤水和大气水的交替变换越频繁。公式如下：

S=ni=1（xi-）21n-1（1）

CV=S×100%（2）

式中：n为样本总个体数；xi为第i个土壤体积含水率（%）；为土壤含水率平均值（%）。

土壤储水量（SWS）为一定厚度土壤中所含的水量，计算公式如下：

SWSi=θihi（3）

SWS=mi=1SWSi（4）

式中：SWSi为每层土壤储水量（mm）；θi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）。

土壤蒸散发的计算原理为水量平衡，公式如下：

ET=P-GW-ΔSWS（5）

ΔSWS=mi=1（SWSi+1-SWSi）（6）

GW=ΔHφ（7）

式中：ET为蒸散发（mm）；P为降雨量（mm）；GW为入渗量（mm）；ΔSWS为土壤储水变化量（mm）；ΔH为地下水位差值（mm）； φ为土壤孔隙度，沙地土壤取值0.377。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型下土壤剖面水分变化

从沙地不同利用类型2022年4—10月不同土层平均土壤含水率变化（图1）可以看出，灌木林和草地的土壤含水率分布呈“W”形，10 cm土层的土壤含水率较高，20 cm土层土壤含水率较低，随后升高，到50 cm土层土壤含水率最高，然后下降，至100 cm土层后再次升高。樟子松人工林的各土层土壤含水率分布呈“U”形，0～20 cm表层土壤含水率高，然后下降，土层深度100 cm时，土壤含水率上升，这是因为樟子松的水平根发达，主要分布于20～100 cm土层中［8］，因此对这一层次的水分利用多，造成土壤含水率较低。半固定沙地10 cm表层土壤受2022年6—8月降水多的影响含水率较高，但因半固定沙地的土壤保水性差，半固定沙地的草本植物根系多分布于土层20 cm深度左右，因此20 cm土层的土壤含水率最低，向下各层土壤含水率逐渐升高。农田（玉米）10 cm土层的土壤含水率较低，到20 cm深度时土壤含水率最高，向下各层土壤含水率逐渐下降，形成倒“U”形，产生这种现象的原因可能与农田耕作产生犁底层，降水难以入渗到20 cm以下土层有关。从当地植物生长季4—10月0～150 cm土层平均含水率来看，灌木样地的含水率最高（11.88%），其次是樟子松人工林（9.67%）、半固定沙地（9.18%）、草地（8.61%），农田（7.45%）最低。