坝上地区人工林和草地生长季土壤水势动态

为研究坝上地区人工林土壤水势动态，以结缕草（ Zoysia japonica ）为对照，选取坝上地区典型人工林小叶杨（ Populus simonii Carr. ）和樟子松（ Pinus sylvestris var. mongolica ），研究其生长季不同时间、空间土壤水势和变异系数及晴天和降雨下土壤水势变化。结果表明：（1）人工林和草地土壤水势变化趋势相同，在生长季前期和后期土壤水势较高，中期土壤水势进入波动下降期，但不同植被进入波动期时间不同， 樟子松晚于小叶杨和结缕草。小叶杨、樟子松、结缕草土壤水势最低值分别出现在70，10，30 cm处，最低值分别为-1257.24，-747.97，-830.11 kPa。小叶杨、樟子松和结缕草土壤水势变异系数最大值分别在9月10 cm、7月10 cm、7月30 cm处，其值分别为-155.9%，-208.0%，-183.6%。总体上，变异系数生长季中期大于前期和后期，表层大于深层。（2）晴天人工林和草地土壤水势差的最大值与日均温度之间存在显著的相关关系，随着日均温度升高，水势差最大值也增大。典型晴天大气温度在日内上下波动，土壤水势呈现滞后波动，在生长季浅层土壤最为明显。（3）不同降雨量与土壤水势差呈现相关关系，随着降雨量升高，土壤水势差也随之升高。典型降雨事件下，中雨和大雨剖面土壤水势迅速上升，小雨事件下主要呈现波动变化。从不同植被来看，草地土壤水势较人工林波动更为剧烈。综上，生长季樟子松土壤水势进入波动期最晚，波动幅度最大。而土壤水势对于大气温度和降雨的响应方面，结缕草最为敏感。研究结果对于指导当地人工林建设与水资源高效管理具有重要意义。

研究区位于河北省张家口市张北县二台镇林场（114 ^° 52 ^' —114 ^° 53 ^' E，41 ^° 20 ^' —41 ^° 21 ^' N），属于坝上地区，海拔为1 370~1 390 m，地势平缓且无陡坡。气候为温带大陆性季风气候，整体寒冷干燥，多冰雹、霜冻等自然灾害。年均气温3~4 ℃，历史极端低温为-34.8 ℃，极端高温为33.4 ℃。年均降水量不足400 mm，降雨分布少且不均，集中在6—9月，多为小 雨、中雨。蒸发量较大，年蒸发量可达1 700 mm。土壤上呈现弱酸性或中性，母质多为玄武岩、花岗岩，土壤中砂粒含量较高，土壤种类以沙土和栗钙土为主。研究区土壤较为贫瘠，退化程度较高。土壤经历季节性冻结，土壤中有机质以及氮磷钾等含量不高。研究 区在植被上属于林草过渡带，同时存在乔木、灌木、草地等多种植被类型。乔木主要源于20世纪大规模的人工林建设，小叶杨与樟子松是主要的造林树种；灌木以荆条、柠条、沙棘为主；草本植物种类丰富且分布广泛，主要为结缕草。

2018年8月选择坝上地区栽植面积最大的人工林小叶杨和樟子松，在当地分布广泛的牧场选用结缕草进行对照，开挖1 m剖面，剖面内在10，30，50，70， 90 cm分别布设土壤水势探头（MPS-6探头，美国），测量土壤水势，水势测量范围为-9~-100 000 kPa，分辨率为0.1 kPa，布设完毕回填土壤，并等待土壤沉降8个月。监测时间范围为2019年5月1日至 2019年10月31日，数据通过EM50收集，时间间隔为15 min。同时布设HOBO小型气象站（U30，美国），采用气象数据，包括降雨量（分辨率0.2 mm）、温度（分辨率0.1 ℃），气象数据每5min记录1次。

由图2、图3可知人工林和草地在监测期内不同时间土壤水势的变化。3种植被的土壤水势都呈现剧烈波动，5月、6月和10月土壤水势较高，而在生长季盛期（7月、8月）较低且处于剧烈波动状态，小叶杨在5月、7月的平均水势分别为-28.01，-743.53 kpa。3 种植被土壤水势变化趋势存在明显差异，不同植被进入土壤水势剧烈变化的时间点不同，结缕草最早，5月中旬出现短暂的水势降低，小叶杨其次，出现在6月中旬，樟子松最晚，直到7月下旬。在生长季结束后，小叶杨10 cm保持稳定且较高的土壤水势值，为-24.05~ -32.56 kPa，但樟子松和结缕草，在表层（10 cm）出现土壤水势的下降，例如结缕草，由10月1日的-68.84 kPa下降到10月31日的-886.82 kPa。此外，樟子松和结缕草都出现双峰现象，即出现2个明显的水势下降，但是小叶杨只有1个。以不同深度处的土壤水势进行比较，监测期内小叶杨、樟子松、结缕草土壤水势最低值出现在70，10，50 cm土层，其值分别为 -1257.24，-747.97，-830.11 kPa。由表层向深层变化趋势不同，小叶杨和结缕草为先减后增，而樟子松表现为先减后保持平稳。3种植被的土壤水势最高值都出现在深层，小叶杨和结缕草为90 cm，樟子松最高值虽然出现在70 cm土层，但与90 cm的土壤水势值非常接近。以监测期不同植被在不同土层的土壤水势进行比较，小叶杨和结缕草在10，30，50 cm，小叶杨和樟子松在10 cm无显著差异（ p >0.05），其他均存在显著差异（ p <0.05）。

小叶杨、樟子松和结缕草土壤水势变异系数最大值分别出现在9月10 cm、7月10 cm、7月30 cm处， 其值分别为-155.9%，-208.0%，-183.6%。由图4可知，在监测期的前期和后期（5月、10月），土壤水势的变异最小，小叶杨10月在不同土层的变异系数为-2.8%~-7.5%，在 7月和9月，土壤水势的变异较大，9月不同土层的变异系数为-67.1%~-155.9%。从空间来看，土壤水势的变异随着土层深度加大，土壤变异系数逐渐减小。樟子松7月各土层土壤水势变异系数逐渐减小，分别为-208.0%，-152.0%，-12.0%，-1.9%，-1.2%。但樟子松8月30 cm变异系数<50 cm，总体趋势保持土层加深变异系数减小。

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人工林和草地土壤水势对晴天的响应

不同植被土壤水势对日均温度的响应存在差异，但并未达到显著相关（ p >0.05）。通过回归分析，小叶杨的回归方程为 Y = AX ² + BX + C ， R ² =0.560，樟子松和结缕草的回归方程为 Y = Ae ^BX ， R ² ≥0.498。由图5可知，随着日均温度升高，日均温度与水势差之间的斜率逐渐增大，即单位温度对土壤水势差的改变作用更加明显。

         

由图6可知，生长季前，土壤水势值均>-80 kPa，此过程仅有少数几个探头监测到水势发生变化且变化较小。小叶杨在90 cm的水势从-74.06 kPa上升到-60.01 kPa，樟子松在70 cm也发生类似的水势缓慢上升，不同于小叶杨和樟子松，结缕草10 cm的水势从-15.68 kPa下降到-20.78 kPa。水势探头监测到小叶杨10 cm处水势变化最大， 其变化值为14.05 kPa。生长季后不同植被土壤水势变化差异明显，小叶杨在生长季后各层均无显著变化，樟子松在10 cm发生迅速下降，在4天内累计下降1 274.07 kPa。而结缕草表层发生周期性的波动，4天内无显著下降。相较于生长季前和生长季后，生长季土壤水势变化明显，生长季前期，小叶杨和结缕草均发生水势的显著下降，其中小叶杨水势下降出现在30，70 cm 土层，结缕草主要发生在10，50 cm。以结缕草50 cm为例，在此过程中，其水势下降627.49 kpa， 樟子松没有发生显著变化。生长季中期，3种植被在10，30 cm均出现周期性波动下降，同时10cm的波动幅度均显著>30 cm。生长季后期，3种植被均出现周期性波动，但具体情况不同，小叶杨为10 cm波动上升，樟子松为波动下降，结缕草在10，30 cm都出现波动，在10 cm波动下降，30 cm波动上升。

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人工林和草地植被土壤水势对降雨的响应                  

由图 7 可知，随着降雨量增大，对于某特定降雨事件前后土壤水势差也随之增大。

由图8可知，小雨量状况下，土壤水势的变化程度较小，降雨后小叶杨10 cm土壤水势呈现周期性波动，深层水势无显著变化。樟子松为表层阶梯式上升，深层无响应。结缕草变化最为剧烈，由降雨前的-1 824.99 kPa上升到-422.80 kPa，并在稳定维持一段时间后开始下降，同时30 cm土壤水势呈现周期性波动。在中雨的作用下，3种植被在降雨后10 cm水势均迅速上升，并在较长时间内维持在较高值，在30 cm处，3种植被水势变化有差异，小叶杨为缓慢下降，樟子松为迅速上升，并达到较高值，而结缕草呈现不规则波动趋势，水势维持稳定。大雨事件下，3种植被水势均呈现剧烈响应，樟子松降雨前期10，30，50 cm土壤水势分别为-4 656.05，-2 712.67，-4 359.28 kPa，降雨后，土壤水势快速上升到-100 kPa以上。从响应深度来看，各植被响应深度均大于中雨、小雨事件，小叶杨在10，30 cm水势发生变化，而樟子松和结缕草在10，30，50 cm发生变化。

                     

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结论                      

（1）人工林和草地土壤水势变化趋势相同，在生长季前段和后段土壤水势较高，中期土壤水势进入波动下降期，但不同植被进入波动期时间不同，樟子松晚于小叶杨和结缕草。此外，小叶杨土壤水势最低值出现在70 cm处，为-1 257.24 kPa，樟子松出现在10 cm，为-747.97 kPa，结缕草出现在30 cm，为-830.11 kPa。小叶杨、樟子松和结缕草土壤水势变异系数最大值分别出现在9月10 cm、7月10 cm、7月30 cm处，其值分别为-155.9%，-208.0%，-183.6%。变异系数总体上生长季中期大于前期和后期，表层大于深层。

（2）晴天人工林和草地土壤水势差的最大值与日均温度之间存在显著的相关关系（ p <0.05），其关系符合 Y = AX ² + BX + C 或 Y = Ae ^BX ， R ² ≥0.498。随着日均温度升高，水势差最大值也增大。典型晴天大气温度在日内上下波动，土壤水势呈现滞后波动，这种关系在生长季浅层土壤最为明显。

（3）不同降雨量与土壤水势差呈现显著相关关系（ p <0.05），随着降雨量升高，土壤水势差也随之升高，两者之间符合 Y = AX ² + BX + C ， R ² ≥0.583。典型降雨事件下，中雨和大雨剖面土壤水势迅速上升，小雨事件下主要呈现波动变化。从不同植被来看，草地较于人工林更为剧烈。

（4）相较于草地，8月、9月人工林土壤水势低于-1 500 kPa的土壤层更多，最低值更低。人工林吸取水分，需要花费更多的能量，是导致人工林退化的原因之一。但人工林退化原因复杂，还需要深入研究。

（5）本研究不足之处在于只监测2019年的土壤水势数据，而土壤水势在不同年份（平水年、枯水年、丰水年）存在怎样的差异，这种差异对环境因子如何响应，有待于进一步研究。

                     

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引用格式                      

引用格式 ： 张益,王渝淞,武昱鑫等.坝上地区人工林和草地生长季土壤水势动态[J].水土 保持学报,2023,37(03):181-189.DOI:10.13870/j.cnki.stbcxb.2023.03.024.