人工柠条林地土壤水分补给和消耗动态变化规律

第２１卷第２期水土保持学报Ｖ０１．２１Ｎｏ．２２００７年４月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌａｎｄＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎＡｐｒ．，２００７

耗动态变化规律人工柠条林地土壤水分补给和消

郭忠升，邵明安

（西北农林科技大学，中科院水利部水土保持研究所，陕西杨陵７１２１００）

摘要：黄土高原地区水资源缺乏，水资源，特别是土壤水资源的适度开发和合理利用势在必行。在黄土丘陵半干

旱区的上黄生态试验站对多年生人工柠条林林冠截留，地表径流，土壤水分和植物生长等进行了定位观测，对林

地土壤水分补给和消耗动态变化规律进行分析。结果表明，人工柠条林次降雨林冠截留随降水量增加而逐渐增

加，地表径流与林外降雨量为直线关系。影响土壤水分补给的主要因素为天然降水，其次为林冠截留。土壤水分补

给量与降雨量为线性关系；降水对土壤水分的影响程度随深度的增加而减弱，土壤水分最大人渗深度为１７（）～２７０

ｃｍ。偏早年随着柠条林生长并进人速生期，柠条林地耗水量加大，土壤旱化加剧。丰水年土壤补给量剧增，但柠条

林依然生长不良，储存在土壤中的水分只能等到来年被植物吸收利用。

关键词：人工柠条林ｉ林冠截留；地表径流；土壤水分补给；土壤水分消耗

中图分类号：Ｓ１５２．７文献标识码：Ａ文章编号：１００９—２２４２（２００７）０２—０１１９－０５

ＤｙｎａｍｉｃｓｏｆＳｏｉｌＷａｔｅｒＳｕｐｐｌｙａｎｄＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｎＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＣａｒａｇａｎａＳｈｒｕｂＬａｎｄ

ＧＵＯＺｈｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＳＨＡＯＭｉｎｇ—ａｎ

（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｏｉｌａｎｄＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＳｃｉ—ＴｅｃｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄＦｏｒｅｓｔｒｙ，

ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｙａｎｇｌｉｎｇ７１２１００）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｉｓｓｈｏｒｔ，ａｎｄｒａｔｉｏｎａｌｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｓｏｉｌｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｉｓｉｍｐｅｒａｔｉｖｅｏｎｔｈｅＩ，ｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕ．Ｔｈｅｃａｎｏｐｙｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ，ｒｕｎｏｆｆ，ｓｏｉｌｗａｔｅｒａｎｄｐｌａｎｔｇｒｏｗｔｈｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄｓｏｉｌｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙａｎｄｓｏｉｌｗａｔｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｗａｓａｎａｌｙｓｅｄｉｎｔｈｅｐｅｒｅｎｎｉａｌａｒｔｉｆｉｃｉａｌＣａｒａｇａｎａｓｈｒｕｂｌａｎｄｉｎｔｈｅＳｈａｎｇｓｈｏｎｇｅｃｏ—ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔａｔｉｏｎｏｆＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｃａｎｏｐｉｅｓ’ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｒａｉｎｆａｌｌ．Ｔｈｅｒｕｎｏｆｆｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｒａｉｎｆａｌｌｏｕｔｓｉｄｅｆｏｒｅｓｔｉｓｌｉｎｅａｒ．Ｔｈｅｆｉｒｓｔｆａｃｔｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｓｏｉｌｗａｔｅｒｉｓｐｒｅｃｉｐｉｔａ—ｔｉｏｎ，ｓｅｃｏｎｄｉｓｃａｎｏｐｙｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｒａｉｎｆａｌｌａｎｄｓｏｉｌｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓｌｉｎｅａｒ．Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｒａｉｎｆａｌｌｏｎｓｏｉｌｗａｔｅｒｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｗｉｔｈｄｅｐｔｈｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｄｅｐｔｈｏｆｗｅｔｔｉｎｇｂｙｒａｉｎｆａｌｌｉｓ１７０ｃｍｉｎ２７０ｃｍｉｎ２００４．ＡｌｏｎｇｗｉｔｈＣａｒａｇａｎａｆｏｒｅｓｔｓｔａｒｔｔｏｂｕｄａｎｄｆａｌｌｉｎｔｏｆａｓｔｇｒｏｗｔｈｐｅｒｉｏｄ，ｓｏｉｌｗａｔｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙ，ａｎｄｓｏｉｌｄｒｙｉｎｇｗａｓｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｄｉｎｌｉｇｈｔｄｒｏｕｇｈｔｙｅａｒ．Ｔｈｅｓｏｉｌｓｕｐｐｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｆａｓｔａｎｄｓｏｉｌｗａ—ｔｅｒｓｔｏｒａｇｅｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｂｕｔｔｈｅｓｏｉｌｗａｔｅｒｗｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｂｙｐｌａｎｔｂｙｔｈｅｎｅｘｔｙｅａｒｉｎｒａｉｎｙｙｅａｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＣａｌ’ａｇａｎａｓｈｒｕｂ；ｃａｎｏｐｙｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ；ｒｕｎｏｆｆ；ｓｏｉｌｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｓｏｉｌｗａｔｅｒｃｏｎｓｕｍｐ—ｔｉｏｎ

前—Ｌ口

黄土高原地区干旱缺水、水土流失严重，水资源缺乏。水资源的紧缺使得人们把水资源的保护和合理开发利用摆在了重要的议事日程ｕ］。植被能保持水土，防风固沙，改善生态环境，但是水又是干旱半干旱地区森林植被建设的主要限制因素。如何合理利用有限的雨水资源，营造林草植被并维持森林生态系统健康，实现人与自然和谐发展，已成为当前植被恢复的中心任务之一。

森林植被是陆地生态系统最重要的群体，森林植被对水分的影响决不是单个树木与株数乘积，从植物个体到群体（种群、群落）存在着尺度转换等问题［２］，近年随着ＳＰＡＣ∞３向ＳＶＡＴ传输体理论的转移和发展，客观上要求从较大尺度上，全面系统地研究森林生态系统中土壤水分与植物生长的相互关系，确定人工林草地土壤水分驱动的植被承载力，为解决生产中存在的土壤旱化等问题服务，为水土资源和林草植被合理经营提供可操作的技术支撑。从目前的研究报道来看，植物生长与土壤水分的研究表现出室内研究多、单项研究多，短期研究

收稿日期：２００６—１０—２０

基金项目：国家自然科学基金重点项目（３０２３０２９０）；国家重点基础研究发展规划项目（Ｇ２００００１８６０５）；中国科学院水土保持研究所领域前沿项目（ＳＷ０５１１１）

作者简介：郭忠升，男，生于１９６３年，博士。主要从事土壤水分与植物生长、森林水文与水土保持等方面的研究。

１２０水土保持学报第２１卷

多，将森林植被对土壤水分影响和土壤水分对植物生长影响分别进行研究。对种群和群落水平研究植物生长与土壤水分相互关系的全面、系统、综合研究少，对于野外条件下植物生长与土壤水分相互关系的系统性、长期性和可操作性的研究报道较少。

２研究方法

２．１研究区概况

实验地位于黄土高原中部黄土丘陵半干旱区的上黄生态试验站，该站位于东经１０６。２６７～１０６。３０’，北纬３５。５９７～３６。０２７。区内沟沿线以上坡度为１０。～２５。，海拔高度约１５３４～１８２４ｍ。年降雨量变化在６３４．７（１９８４年）～２５９，９ｍｍ（１９９１年），多年平均降雨量为４１４．９ｍｍ，降水年变率为２４．６％。无霜期１５２天，土壤为黄绵土，植被类型为森林草原。实验地位于生态站西边的黑刺峁东坡中部，坡度为ｌｏ。～１５。，海拔约１６５０ｍ。该研究以抗旱性和适应性强，在黄土高原干旱和半干旱区分布广的人工柠条林为研究对象。实验柠条林密度为８７００丛／ｈｍ２，平均冠幅１０２，９ｃｍ×８７．２ｃｍ，高１０３．３ｃｍ，地径１１．２ｍｍ，分枝数３４个。林下天然生长的草本植物有长芒草（Ｓｔｉｐａｂｕｎｇｅａｎａ）、阿尔太狗哇花（Ｈｅｔｅ，’ｏｐａｐｐｕｓａｔｔａｉｃｕｓ）、茭蒿（Ａｒｔｅｍｉｓｉａｇｉｒａｌｄｉｉ）、白里香（Ｔｈｙｍｕｓｍｏｎｇｏｌｉｃｕｓ）等。２．２观测项目与测定方法

气象资料来源于上黄简易气象站。气象站在实验区附近，距实验地５０ｍ，海拔１６０２ｍ。组织尺度，时间尺度和空间尺度相关联，该项研究的组织尺度为种群和群落水平，相应的时间尺度为年，空间尺度为小区。由于人工柠条林地无枯枝落叶层，因此野外测定项目包括根系分布深度，林冠截留，地表径流，土壤水分和植物生长。根系调查采用挖掘剖面法。土壤水分补给量的测定包括降雨量，林冠截留和地表径流量。在柠条林外安置标准雨量器，在不同密度柠条林内安置微型雨量器并建立５ｍ×２０ｍ的标准径流观测场。每次降雨后，测定林内外降雨量，林冠截留降雨等于林外降雨量减去林内降雨量，林冠截留率一（林外降雨一穿透降雨）／林外降雨×１００％。测定径流桶水位，计算地表径流量。

土壤水分采用ＣＮＣＳ０３Ａ（ＤＲ）型智能中子水分仪进行测定。在径流场中心安置２个４ｍ长的中子仪铝合金套管，用于土壤水分测定。测定前对中子仪进行标定，标定方程为：Ｙ一５５．７６ｘ＋１．８９。每２０ｃｍ测定记录１次，除表层５ｃｍ测点数值代表ｏ～１０ｃｍ平均值外，其他测点土壤水分代表测点高度±１０ｃｍ范围内土壤水分。测定深度为ｏ～４００ｃｍ。从４月中旬到１０月同步进行植物生长和土壤水分测定，每隔１５天测定１次。一定时期内土壤水分补给量（ｒａｍ）＝乏林外降水量一∑林冠截留量一∑地表径流量一∑深层渗漏量；土壤水分消耗量（蒸发散）一三前期土壤储水量一∑末期土壤储水量＋∑期间降雨的土壤水分补给量。

２００２年４月１５日在人工柠条林地进行人工模拟土壤人渗试验。在实验场上方安置～个大水桶，装满水。在代表性地段选一样株，在样株四周围成直径为３０ｃｍ，高１０ｃｍ的土垄。采用内径为４．７ｍｍ的虹吸管从大水桶吸水，进行灌水并控制流量，保持坑内有薄层（ｉｃｍ）水面。实验于下午１３时２０分开始，２３目１６时２０分停水，进行了８天入渗试验。

３结果与讨论

３．１试验区降水的动态变化

自从有记录的１９８３年以来，实验区附近的上黄生态站降水年际变化较大。最大降水年出现在１９８４年，该年降水量为６３４．７ｍｍ。最小年出现在１９９１年，年降水量为２５９．９ｍｍ，多年平均为４１９．４ｍｍ，变异系数为２４．６％。２００２年降水量为３８４．８ｍｍ，略低于多年平均值４１９．４ｍｍ，为偏旱年；２００３年降雨量为６２３．３ｍｍ，接近多年降水量的最大值，相差仅１．８％，为丰水年；２００４年降雨量为３２２．９ｍｍ，比多年平均值低近１００ｍｍ，为偏旱年。

试验区降水不仅年际变化较大，且季节分配不均。多年平均ｌ～３月降水量较少，４和５月降水量分别占年降水的５．１％和１０．０％。降水主要集中于６～９月，占全年降水量的７２．５ｏＡ。１０ｂ１２月占年降水量的８．５％。上黄生态站的次降水多表现出历时短、具有随机性和波动性大的特点。

３．２林地土壤水分补给

降雨在穿过林冠渗入土壤前，部分被林冠截留，部分沿树干流下渗入土壤，部分沿坡面流失。进入土壤水分有可能形成深层渗漏。根据２００２年４月２１日到９月２９日观测，其问降雨量为３１５．５ｍｍ，而同期水面蒸发量为６７９．６ｍｍ。由于实验区降雨一般历时较短，空气相对湿度大，温度低，雨后植物体和表土层几乎被完全湿润，降雨过程中蒸发量较小，见表１，可忽略，林地无枯枝落叶层覆盖，则土壤水分补给主要受林冠截留、地表径流和渗漏的影响。