川西北高寒沙地不同恢复年限对土壤水分变化的影响

吴世磊, 刘怀谷, 陈德朝, 鄢武先, 邓东周, 文智猷, 苏宇*

1. 四川省林业科学研究院，四川成都 610000；

2. 四川省林业物资供销有限公司，四川成都 610000

沙化问题是目前我国面临的重要环境、社会经济问题，已严重制约人类的生存和发展[1]。在我国不仅分布在干旱、半干旱地区，而且在半湿润及湿润地区也有分布[2-3]。土壤水分状况是沙化地区极其重要的生态因素[4-5]，同时也是制约植被生长的重要限制因子[6-8]。目前，我国关于沙化土地的土壤水分研究主要集中于北方干旱与半干旱地区[6,10-12]，而有关川西北高寒沙地的土壤水分研究较少。川西北地区是我国高寒沙区的重要分布地区，目前该沙化地区植被恢复限制因子的研究较弱，在已开展的研究中主要分析沙化土壤的养分特征[13]，但对沙化土壤水分的研究报道较少。为此，在川西北高寒沙地不同恢复年限对土壤机械组成研究基础上[14]，对此区域的不同沙化类型、不同恢复年限的沙化土壤水分进行测定，探讨其动态变化特征，以期对川西北高寒沙地的植被恢复以及沙化土地的合理利用提供参考。

试验区位于川西北地区若尔盖县辖曼乡、阿西乡，平均海拔在3 600 m以上。降雨量具有极强的季节性，如，从开春3月开始降雨量逐渐增加，4—6月增长率最高，6月达到一年降雨量的峰值152.9 mm，7—8月降雨量有一定下降，9月回升至120.5 mm后开始下降（见图1）。

图 1 若尔盖县2019年降雨量统计Fig. 1 Rainfall statistics of Zoige county in 2019

（1）在若尔盖县选取未治理典型的重度（N-a）、中度（N-b）、轻度（N-c）及草地（G）4种沙化土地类型开展土壤动态水分变化特征研究（见图2）。

图 2 不同沙化土地类型Fig. 2 Different sandy desertification land types

（2）采用时空替代法，即在立地条件相近的条件下，在一定的空间尺度内，选择不同地垫上不同恢复年限的流动沙地来代替同一生长地点上的不同恢复年限的流动沙地。本试验以若尔盖县高寒沙地示范区内未治理流动沙地（N）、植被恢复年限分别为3年、5年、10年的高寒沙地样地（R3、R5、R10）作为研究对象（见表1），采用时空替代法研究不同恢复期限土壤的水分变化特征研究。

每个模式按春、夏、秋3个时间点进行取样；
取样深度：分别在此区域对土壤不同深度土层（0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm）进行采样；
降雨量数据来自试验地若尔盖县自动气象站观测资料；
土壤含水率测定采用烘干法。

3.1 不同沙化类型土壤水分变化特征研究

不同沙化类型土壤平均含水率（0～60 cm）差异明显（见表2），N-a土壤含水率在6.19%～7.23%，N-b土壤含水率6.55%～8.86%，N-c土壤含水率在9.20%～13.18%，G土壤含水率16.05%～20.10%；
可见川西北高寒沙地不同沙化类型土壤平均含水率大小顺序依次为：草地＞轻度沙化＞中度沙化＞重度沙化，各类型的土壤含水率差异性与土壤物理性质、植被盖度等因素有密切关系。草地植被盖度高，土壤以黏粒、粉砂、极细砂为主，保水性强；
随着沙化程度的加深，粗砂、中砂含量逐渐增加，导致植被盖度降低，保水性逐渐降低。

表 1 试验地点概况Tab. 1 General situation of test sites

表 2 不同沙化类型土壤含水率（%）Tab. 2 Soil water content of different desertification types

不同沙化类型土壤含水率动态变化大致呈现夏季＞秋季＞春季，动态变化特征主要受降雨量影响，6、7月降雨量达到一年峰值，土壤含量率也达到一年最高值。进入8月后降雨量相对减少，9月份有一定回升，但气温仍持续高温，蒸发量也较高，土壤含水率一定程度上降低。

N-a与N-b各土层土壤含水率差异不显著，N-c各土层深度与N-a、N-b相对含水率提高了2%～5%，夏季受降雨量提升幅度最大，约50%。G样地0～20 cm土层土壤含水率在春季和秋季与20～40 cm、40～60 cm差异显著，可能是由于草地中下层土壤保水保肥性能较好原因，而表层受地表增发量、植物蒸腾作用等原因造成含水率略微下降，导致两者差异明显，但这种差异性在夏季并没有显著性，土壤的含水率在0～60 cm都维持了较强的一致性（P＞ 0.05）。

3.2 不同恢复年限土壤机械组成研究

已开展对川西北高寒沙地不同恢复年限对土壤机械组成的影响研究[14]，研究得到沙地和草地土壤机械组成对比，沙地主要以细砂和中砂为主，两者含量之和大于50%，草地以粉砂、极细砂、细砂为优势粒级，三者之和大于90%，其中粉砂含量最多，大于50%。随着恢复年限增加，粉砂、极细砂含量增大，恢复10年后以粉砂、极细砂、细砂为优势粒级，三者含量之和在80%以上，粗砂含量极低，土壤颗粒含量表现为细砂＞极细砂＞粉砂＞中砂＞黏粒＞粗砂。

不同恢复年限土壤颗粒组成与未治理沙地在同一深度的分布状况差别不大，表层和下层黏粒、粉砂、极细砂含量R10＞R5＞R3，细砂含量R5＞R3＞R10，中砂、粗砂含量R3＞R5＞R10。

固定样地不同深度的土壤颗粒含量表现为，R10样地黏粒、粉砂、极细砂含量表层＞下层，细砂、中砂、粗砂含量表层＜下层；
R5样地黏粒、粉砂、极细砂含量表层＞下层，细砂含量表层≈下层，中砂、粗砂含量表层＜下层；
R3样地黏粒含量极低，表层和下层粉砂、极细砂、细砂、中砂、粗砂含量差异不明显。

3.3 不同恢复年限土壤水分变化特征研究

重度沙化治理样地土壤整体含水率随恢复年限增加而上升，40～60 cm深度的土层含水率较其他深度高，短期恢复年限内（5年内）底层土壤含水率一年内变化剧烈，夏季含水率能提高75%；
R5-a样地0～40 cm深度的土壤含水率变化趋势逐渐加大，并逐渐靠近40～60 cm（见图3）。其中，从恢复年限来看20～40 cm较表层0～20 cm变化更早。R10-a样地与R5-a样地相比较，各土层土壤含水率均有一定程度提高，但从夏季到秋季变化来看，0～20 cm、20～60 cm含水率有所下降，但都达到显著水平。

图 3 不同恢复年限土壤水分在不同深度的动态分布Fig. 3 Dynamic distribution of soil moisture at different depths in different restoration years

固定样地含水率相比较，0～20 cm土层深度土壤含水率变化趋势大致相同，4—7月含水率提高7%～11%，上升幅度较快，之后8—10月份略有回落，含水率降低4%～5%；
固定样地植被生长期内不同土层深度土壤含水率大致表现出40～60 cm＞20～40 cm，20～60 cm随恢复时间的增加呈祥稳步增加趋势，恢复3年后土壤含水率在9%～18%之间，恢复5年后土壤含水率在12%～20%之间，恢复10年后土壤含水率在16%～20%之间，可看出随着恢复时间的增加土壤底层含水率上升到20%左右就不再上升，而土壤底层最低含水率随着恢复时间的增加逐渐提高，可能与土壤质地改变有关。

草地的表层含水率在春、秋两季较低，但在20 cm深度以后迅速增加，表层含水率在夏季随着降雨量的增加略有上升，整体动态变化程度不明显。

总体来说，20 cm深的土壤水分动态变化较其他深度变化剧烈，其中夏季达到最高值，与降雨量的变化趋势具有很强的一致性，随着土层深度的增加，土壤含水率呈现增加的趋势，可能原因是整个研究区植被盖度不高，随着土层深度的增加，土壤水分的增发量小于降雨水分补充量，而川西北高寒地区降雨大多集中在6—9月份，土壤水分得到积累，因此土壤含水率随着土层深度逐渐增加。

由图3可知，高寒沙地土壤整体含水率随不同恢复年限增加而上升，流动沙地恢复3年后，土壤平均含水率约提高1%；
恢复5年后，土壤平均含水率约提高3%，夏季适逢降雨量充足时期最高达5%，恢复10年后，土壤含水率较未治理提高4%～5%；
流动沙地与草地相比，草地平均含水率约比流动沙地高12%。可见，就土壤含水率来言，流动沙地要恢复到草地蓄水量标准在本研究的时间段内并不能完成，需要大于10年的恢复年限。因同一恢复模式最多追溯到10年前，还需开展更长期的监测与研究。

4.1 土壤水分季节变化规律

由于研究区位于川西北高寒地区，降雨是高寒沙区土壤水分的主要来源，维持着生态系统的稳定性，治沙植物生长期内的降雨对高寒沙区治沙植物的生长至关重要。但川西北高寒沙地降雨量具有极强的季节性，春季、冬季降雨量相对较少，进入夏季后降雨量逐渐增大且持续时间长，5—10月都为降雨多发时期。而研究区植被盖度不高，气温较低，地表蒸腾作用对土壤含水率的作用小于气象条件，整体呈现出土壤含量率夏季＞秋季＞春季。

4.2 土壤水分垂直变化规律

降雨量对高寒沙区土壤水分的影响较为显著，降雨时雨水从地表逐渐渗入到各土。随着土层深度的增加，土壤水分的增发量小于降雨水分补充量，而川西北高寒地区降雨大多集中在6—9月份，土壤水分得到积累，因此土壤含水率随着土层深度逐渐增加。20～60 cm土壤含水率稳定性高于0～20 cm，20 cm深的土壤水分动态变化与降雨量的变化趋势具有很强的一致性，可见其20 cm深度内的土壤含水率与降雨量的相关性明显。

4.3 不同恢复年限土壤水分变化规律

高寒沙地土壤整体含水率随恢复年限时间增加而上升，流动沙地恢复3年后，土壤平均含水率约提高1%；
恢复5年后，土壤平均含水率约提高3%，夏季适逢降雨充足时期最高达5%；
恢复10年后，土壤含水率较未治理提高4%～5%；
与草地相比，草地平均含水率约比流动沙地高12%。可见，就土壤含水率来言，流动沙地要恢复到草地蓄水量标准仅仅10年远远不够，还需要更长久的恢复年限。因同一恢复模式最多追溯到10年前，还需开展更长期的监测与研究。

4.4 土壤物理机械组成与水分土壤变化规律

各类型的土壤水分含水率差异性与土壤物理性质等因素有密切关系。川西北高寒沙地不同沙化类型土壤平均含水率大小顺序依次为：草地＞轻度沙化＞中度沙化＞重度沙化。草地植被盖度高，土壤以黏粒、粉砂、极细砂为主，保水性强；
随着沙化程度的加深，粗砂、中砂含量逐渐增加，导致植被盖度降低，保水性逐渐降低。恢复初期土壤机械组成表层和下层差别不大，各层水分变化趋势不大。随着恢复年限的增加，固沙植物通过捕获大气环境中的降尘，并不断向地表输入，土壤机械组成随之变化，增加土壤机械组成中的细颗粒物。随着黏粒、粉砂的增多，表层较下层细，土壤整体含水率随恢复年限时间增加而上升。但由于高寒地区生态易破坏难恢复，沙化治理对流动沙地的土壤有一定的改善，但川西北高原地区一年生长季节短，植被生长缓慢等因素不利于高寒沙地成土过程，植被恢复措施很难在短时间内显著影响成土母质的变化，土壤含水率恢复到草地蓄水量标准任重而道远，降雨量对高寒沙区土壤水分的影响能最为显著。