黄土丘陵区枣林土壤温湿度特征研究

　　摘要：通过对枣林根区土壤水分和温度进行长期连续定位观测，研究了枣林土壤水分和温度的季节变化规律及土壤剖面水分运动和温度变化规律。结果表明：枣林0～280cm土层水分波动在垂直方向随土层加深而减弱；生育期内0～100cm土层水分波动强烈，休眠期则相对稳定。0～100cm各层地温年变化均呈正弦曲线，浅层地温波动较大；不同深度土壤温度季节变化特征相似，土壤温度最大值、均值和变异系数均随土层加深而减小。

　　关键词：黄土高原;半干旱区;枣林;土壤水分;土壤温度;

　　1 研究背景

　　土壤湿度是反映林地土壤水分条件的一个重要指征，其数值的高低及分布情况可影响土壤性状而间接作用于植物的生长发育过程[1]。土壤温度作为土壤的主要物理特性，对植被的生长发育起决定性作用，直接影响根系生长和根系对水分、矿物营养的吸收以及根系其他代谢活动的进行[2]。因此，研究土壤水分和温度的动态变化过程对于明晰植被对土壤水热环境的适应性尤其重要。

　　黄土高原区域干旱少雨、生态恶劣。长久以来，农业的大力扩展导致地表植被破坏严重，加重了水土流失和生态环境退化[3]。自1999年我国实施退耕还林政策以后，黄土丘陵区枣林栽植范围迅速扩大，仅陕西省榆林地区面积高达6.67×104hm2，为推动区域农林经济发展和生态环境建设起到了重要作用[4]。然而该地区水资源严重匮乏，土壤水分是制约该地区农林业可持续发展的重要因素[5]。地表蒸发是土壤中水分散失的主要途径，而地温是影响地表蒸发的主要因子之一[6]。有研究表明，黄土高原气温日变幅及季节温差大[7]，而土壤温度对气温的变化较为敏感，其随气温变化而波动，进而影响土壤湿度。近年来，关于黄土丘陵半干旱区枣林地土壤水分特征已有较多的研究[8]，对枣林地土壤水分动态变化有了一定认识，但目前的研究中长期定点监测资料较少，主要以人工测量为主，不仅测量密度低，而且观测时间短，尤其是关于黄土丘陵区旱作枣林土壤温度变化的研究鲜有报道，这些都制约了对枣林土壤水热特征的深入理解。

　　本研究以12年生旱作枣林为对象，通过对土壤水分和温度的长期连续监测，系统阐明了枣林土壤水分和温度的季节性变化规律以及土壤剖面水分运动规律和逐层土壤温度变化规律，以期为黄土丘陵区枣林科学管理以及制定适宜的覆盖和工程措施提供重要的理论依据。

　　2 材料与方法

　　2.1 研究区概况

　　试验在陕北榆林市清涧县店则沟镇园则沟小流域红枣试验基地进行。该地位于黄土高原中部偏北，地形沟壑纵横交错，水土流失严峻，生态环境恶劣。该区属半干旱大陆性季风气候区，降雨稀少，水分蒸发严重。多年平均气温8.5℃，多年平均降雨量497mm，且7-9月的降雨量占整年降雨量的70%。研究区土壤主要为黄土母质上发育的黄绵土，入渗能力较强，田间持水率为25%（体积含水率，下同）。

　　2.2 试验设计

　　试验设在枣林内具有代表性的典型坡面上，试验树种为12年生梨枣（Ziziphus jujube Mill.），株、行距2m×3m，枣树平均高度2m，冠幅直径1.4m。枣林采取矮化密植型修剪栽培模式，各枣树施肥种类和用量均与当地一致。

　　2.3 测定指标及方法

　　采用RR-7210土壤温湿度自动监测装置于2014年3月安设于枣林地，土壤温度传感器埋藏深度分别为10、20、40、60、100cm，测量精度±0.2℃，测量分辨率0.02℃；土壤水分传感器埋藏深度依次为10、20、40、60、100、160、220、280cm，测量精度±3%，测量分辨率0.1%。于2014-2016年连续3年对枣林地土壤温度和水分连续测定，测量和存储数据时间间隔分别为2min和10min。

　　2.4 数据处理

　　应用Microsoft Excel 2010和MATLAB R2015b软件进行数据处理，统计分析采用SPSS 18.0软件实现，采用Excel 2010和Origin 8.0软件作图。

　　3 结果与分析

　　3.1 土壤水分时空变化规律

　　3.1.1 土壤水分垂直变化规律。

　　由图1结果可知，对于枣林0～280cm土层，土壤含水量在垂直方向上的分布规律基本相同，土壤含水量的变异性随着土壤深度的增进逐渐减小，土壤含水量变化整体呈倒S型。

　　按照土壤水分在垂直剖面上的多寡及变异性可分成2个层次：即土壤水分剧烈变化层（0～100cm）和土壤水分缓和变化层（100～280cm）。在0～100cm土层，各土层土壤含水量变化都颇为剧烈，各土层的变异系数（Cv）均在14%以上。10、20、40、60cm土壤含水量3年的平均Cv分别达到46.93%、31.16%、27.13%、20.14%。在100～280cm土层，尽管随着土层加深，土壤含水量变异性逐渐减弱，但是Cv仍高于2%。该土层土壤含水量的拐点出现在160cm处，2014-2016年该深度土壤含水量分别为（14.47±1.08）%、（14.30±0.36）%和（12.95±0.33）%，均高于上、下土层的含水量。0～280cm各土层含水量的变化是降水入渗和枣树根系吸水综合作用的结果，0～160cm土层相对较浅，更易于受到降水补充，有时甚至超过根系吸水，因此该土层土壤水分表现出积累趋向；在160cm以下土层，降水的补充效应削弱乃至消散，在根系吸水的影响下，土壤水分含量逐渐减小。也就是说，160cm以上土层土壤水分变化的首要主宰因子是降水，而160cm以下的土层则是根系吸水。

　　由图1可知，尽管2014-2016年土壤含水量变化规律相似，但在不同降水年型下，各土层尤其是上层土壤水分含量的变化依旧差异鲜明。2014年枣树生育期（5-10月）降水量多，土壤水分含量整体比较高，因此0～20cm土层含水量高于10%长达105d，尤其是在7月10日，0～20cm土层含水量高达19.05%，达到3年以来的最高值。2015年生育期降雨较少，仅有206.4mm，观测到表层0～20cm土壤含水量大于10%的天数只有31d，并且表层最大土壤含水量仅有17.15%。虽然2014-2016年0～280cm土壤含水量变化规律基本相同，Cv均随着土层深度增进而减低，但在同一土层的Cv值却在逐年增加。2014年枣树生育期40、100、220cm处土壤含水量Cv分别为20.68%、7.47%、2.40%,2015年分别提升至24.08%、14.29%、9.57%,2016年再次增大，分别为36.62%、15.27%、10.53%。这主要归因于枣林内采取了鱼鳞坑覆盖组合措施，使枣林土壤蓄水保墒的能力有所提升，降水对土壤水分的作用得以增加。表明采用适宜的土壤管理措施尤其是蓄水保墒措施，能够更好地改进枣林土壤水分环境，提升枣林的蓄水功能，这对干旱和半干旱区域的果园管理具有重要作用。

图1 土壤含水量垂直变化

图2 土壤含水量年际动态变化

　　3.1.2 土壤水分年际变化规律。

　　鉴于土壤水分在0～100cm土层变化较为强烈（图1b），因此对0～100cm土层水分含量进行主要剖析，发现在枣树生育期内土壤含水量因为受到降雨和根系吸水的共同影响而呈现强烈波动的态势，在枣树休眠期（11月至翌年4月）土壤含水量基本维持稳定（图2）。2014、2015、2016年枣树生育期内降雨量分别是377.4、206.4、374mm，依次占当年降水量的83.91%、63.08%、78.94%。同一时期土壤水分变化受降雨的影响明显，生育期内土壤含水量在降水后快速上升，这与高晓东等[9]研究黄土高原中北部不同土地利用类型土壤剖面水分时空变化所得结论相同，在雨量丰沛的2014年，枣树生育期内平均土壤含水量为11.12%，至生育末期土壤含水量升高了3.72%,0～100cm土层的储水量增长了37.2mm。而在雨水相对匮乏的2015年，枣树生育期内平均土壤含水量仅有8.76%，生育末期土壤储水量相比早期减少了23.7mm。丰水年（2014年）不只土壤含水量较高，并且受降雨作用土壤含水量变异性也较大（Cv=24.87%），在2014年7月10日土壤含水量到达全年最大值16.80%，主要是由于7月8-10日这3d累积降水量高达86.8mm，并且最高值远大于干旱年2015年的最高值12.43%。

　　3.2 土壤温度的变化特征

　　3.2.1 土壤温度的年际变化规律。

　　对枣林10、20、40、60、100cm的地温数据进行分析，由图3可见，各土层温度表现出相同的变化规律，2014-2016年3个试验年内均呈现为正弦曲线，这与气温的年际变化特征一致。春季（3-5月）0～100cm各土层温度整体呈上升趋势；夏季（6-8月）土壤温度基本处在高温稳定阶段，2014—2016年夏季0～100cm土层平均土壤温度分别为22.78、24.03、23.89℃；秋季（9-11月）不同深度土壤温度均呈现下降走势；冬季（12月-翌年2月）各土层温度居于低温稳定阶段，2014年和2015年冬季0～100cm土层平均温度分别为2.30、1.45℃。由地表往下0～100cm各个深度土壤温度都有鲜明的季节变化特点，这也说明了气温变化最少影响到了地下100cm处土壤温度。浅层土壤因为和空气接触较为直接，受气温季节变化作用显着，地温波动较大；而在深层的土体由于和大气交换不及浅层土壤强烈，因而温度的周年变化相对较小，且越往深层波动越小。2014年冬季10cm和20cm深度处土壤温度到达0℃的时间分别滞后于空气1d和13d;2015年冬季10、20、40cm土壤温度到达0℃的时间分别滞后于空气22、49、60d。由此可见，土壤温度从地面往下依次落后于气温变化，通常土层越深，迟延时间越长。

图3 土壤温度年际变化

　　3.2.2 土壤温度垂直分布特征。

　　图4是根据不同土层温度的月平均值作出的2014-2016年土壤温度时空分布图。由图4可知，在2014年和2015年，10、20、40cm深处温度均在7月达到最高，60cm和100cm处地温最高值显现的时间迟延到8月，“槽线脊线”表现出右倾趋势。地温变化之所以出现上述现象，是由于上下土层间存在热量交换，通常情况下，在冬季地表净辐射是负值，表层土壤散失大量热量，深层土壤的热量逐步向表层土壤输送，因此土壤温度随土层加深而升高，而在夏季情况则相反。

　　此外，3-8月土层自上而下，土壤温度呈递减趋势，图上表现为随深度增加，色调逐渐变冷；10月-翌年2月则呈现相悖的态势。在季节转换时期（3月和9月），0～100cm土壤温度垂向变异较小，分布也较为均匀；4月开始从地表往下土壤温度的垂直梯度逐渐增长，特别是60 cm以下深层土壤温度的垂直梯度变化更加显着，因此表明季候变化时由太阳辐射引发的地温变化对深层土壤温度的作用较小。

　　4 结论

　　(1）旱作枣林0～280 cm土层水分波动在垂直方向上随土层加深而减小。枣树生育期内0～100cm土壤含水率波动剧烈，而休眠期相对稳定。在平水年（2014年）该层土壤储水量增加了37.2mm，而在干旱年（2015年）土壤储水量减少了23.7mm。

　　(2)0～100cm各层土壤温度年变化均具有正弦曲线的特点，浅层土壤受随机气象因素影响波动较大。不同深度土壤温度季节变化特征格局相似，在1-2月到达一年中的最小值，且到达年最低土壤温度的时间随着土层的加深依次滞后，2月初始土壤温度开始上升，于8月初到达最高值。2014-2016年不同土层地温最大值、均值以及变异系数均随土层的加深而逐步降低。

图4 土壤温度垂直分布

　　参考文献

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