水分是影响植物生长的重要因素, 特别在干旱半干旱的黄土区, 由于降水量少且时空分布不均, 黄土深厚疏松, 水分在土壤中再分配作用明显, 因此土壤水分成为制约黄土区生态环境建设的“瓶颈问题” (王华田等, 2001; Fedick et al., 2004; 王力等, 2000)。自重大生态环境工程建设开展以来, 黄土高原区营造了大面积防护林, 由于对林地水分环境容量研究不够, 在造林后期出现了“小老头林”和林地土壤干化现象(魏天兴等, 1999; 张晓明等, 2003), 为此林木耗水特性的研究日益引起关注(刘奉觉等, 1997; Wullschleger et al., 1998; 马履一等, 2003)。王百田等(2003)、韩蕊莲等(1994)、刘淑明等(2003)、王华田等(2004)通过研究林木蒸腾、耗水和抗旱的生理学特性, 建立协调的植被与水分的关系, 为黄土区的造林树种选择与林分结构配置提供理论指导。准确定量测算树木蒸腾耗水量技术是另一个研究热点, 国内外也开展了许多这方面的研究(孙长忠等, 1996; 陈建耀等, 1999; 石青等, 2004; Lachenaud et al., 2002; Alarc′on et al., 2000; Green et al., 2003; Ferrara et al., 2005)。目前的测定技术不但能够动态地掌握单株树木的蒸腾耗水规律, 还与生态学尺度转换方法有机结合, 为实现直接测定林分的蒸腾耗水量提供了条件, 并为自然条件尤其是降水量不同的地区适宜耗水量的树种选择提供了重要的理论依据(马履一等, 2002; 刘奉觉等, 1997; 王华田, 2003; 陈永金等, 2004; 苏建平等, 2004)。但关于黄土区造林树种单株耗水量的研究则较少, 本研究利用水量平衡原理, 根据长期定位观测资料定量测算了生长季主要造林树种成熟单株树木耗水量, 并对各树种耗水特性、林木土壤水分供耗特点作了分析, 为黄土区生态环境建设提供科学依据和实践指导。

1 研究地区概况

研究地区位于山西吉县蔡家川流域(110°45′—110°47′ E, 36°00′—36°05′ N)。该区土壤为褐土, 黄土母质。属暖温带大陆性气候, 多年平均年降水量575.9 mm, 降水量年际变化较大, 且季节分配不均, 旱季4—6月降水量占全年总降水量的26.9%, 雨季7—10月降水量占64.2%。吉县年均蒸发量为1 723.9 mm。营造防护林的主要树种有刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)和侧柏(Platycladus orientalis)等乔木。经济林树种主要有苹果(Malus pumila)、杏(Armeniaca vulgaris)和河北梨(Pyrus hopeiensis)等。

2 研究方法 2.1 试验设计

采用大型桶栽试验。桶栽容器蒸腾桶壁厚0.5 cm、桶高2 m、直径1.7 m, 桶无底。试验树种刺槐、侧柏、河北梨、杏, 于1996年栽植, 1998年将蒸腾桶移入。方法是:根据桶的口径沿苗木周围开挖环形坑道, 至适当深度后将蒸腾桶从苗木上方顺入, 桶壁高出桶内地面约5 cm。桶内试验树种土壤为原状土。选择2块试验地:一为林内试验地, 对梨园、杏园林分内桶栽标准木进行观测试验; 二为林外试验地, 即在林外阶地对分别单独桶栽的刺槐、侧柏、河北梨和杏进行观测试验。2块试验地都选择在坡阶地, 高程相差不足50 m。林内试验地土层较厚, 直接采用2 m高的日产蒸腾桶; 林外试验地土层较薄, 下面为基岩, 因此将桶高截为1 m。各试验树种桶底均外接导水管和盛水器, 以便量测暴雨时深层渗漏量。试验地树种特征见表 1 (2002年测定)。

2.2 单株耗水量计算的原理和方法

桶栽试验苗木土壤表面有秸秆覆盖, 土面蒸发量很小, 且由于桶壁阻隔, 各桶栽土壤水分与周围土体水分不发生交换。在对桶栽的单株苗木长期土壤含水量动态监测的基础上, 由实测资料根据水量平衡计算生长季单株耗水量。水量平衡方程为:

(1)

式中:W₀为某一时段初期土壤贮水量(mm), W_f为时段末期土壤贮水量(mm); P为该时段有效降雨量(mm); ET为单株耗水量(mm), 包括土面蒸发和单株蒸腾; R_s为土内深层渗透量(mm); R_f为地表径流(mm)。土壤贮水量W可根据下式计算:

(2)

试验设计中蒸腾桶壁高于桶内土壤表面约5 cm, 且试验地均为水平阶地, 因此在该试验中无地表径流, 即R_f=0, 因此土壤水分的增量ΔW (mm)为:

(3)

式中:ΔW正值表示土壤水分的盈余, 负值表示该时段水分支出大于收入, 土壤水分亏损。由式(3)得单株蒸腾耗水量为:

(4)

当深层渗透量R_s=0时, 式(4)变为:

(5)

式(2)中不同试验地各层的土壤密度(试验树种桶内土壤密度)见表 2。

2.3 降水

降水量用自计雨量计测定并结合气象站资料得到。

2.4 土壤水分测定

2002年用土钻法测定土壤含水量, 即在生长季(4—10月)每月上旬和中旬分别测定各桶栽树种0~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm 5层土壤含水量, 每次测定时每个层次2个重复。考虑土钻对蒸腾桶内土体的破坏, 于2003年起改用TDR测定, 其埋深也按照上述5个层次进行。土壤贮水量根据式(2)计算。

2.5 试验桶栽树种土壤水分特征曲线测定

用离心机的附带环刀采每一试验树种2个重复的原状土样, 实验室中使其饱和, 利用日产离心机H-1400DF在不同转速下离心60~70 min, 使之达到水分平衡, 称质量。离心结束后土样烘干(105 ℃)称重, 并计算不同水势下的土壤含水量。

转速为n_i (r·min^-1)时的土壤水势Ψ_i (10⁵Pa)为:(r为离心半径, cm)。

土壤水势为Ψ_i时的土壤含水量为:SWC=(Ψ_i时的土壤湿质量-烘干土样质量) /烘干土样质量。根据不同土壤水势下的土壤含水量, 绘制土壤水分特征曲线。

3 结果与分析 3.1 试验树种生长季耗水量测算与分析 3.1.1 林外单株树木生长季耗水量测算与分析

黄土高原地区, 林地的耗水时段主要集中在生长季, 即每年的4—10月, 因此在计算黄土高原地区单株苗木的耗水支出时, 以其生长季(4—10月)为耗水量的计算时段(何永涛等, 2004)。研究区4—10月多年平均降水量为521.4 mm, 2002年生长季降水量为430.7 mm, 低于多年同期的平均值, 属于贫水年; 2003年生长季降水量为870.2 mm, 高于多年同期的平均值, 属于丰水年(张晓明, 2004)。

2002年(贫水年)林外各盆栽树木无深层渗透量(即R_s=0), 根据式(2)、(5)计算树木生长季耗水量(表 4)。2003年(丰水年) 8月降水量大, 林外各盆栽树木产生土内径流, 根据式(2)、(4)计算试验树种生长季耗水量(表 4)。

2002年生长季降水为430.7 mm, 由式(5)可知:单株树木水分收入项为生长季内降水, 支出项仅为其蒸腾量。4月树木生长初期, 林木蒸腾耗水甚微, 且气温较低, 各盆栽树木耗水量相对较少, 降雨补给与蒸腾消耗基本持平。5月气温回升较快, 植物蒸腾加剧, 而降雨量较4月变化不大, 出现了土壤水分亏缺。而生长旺期的6、7、8月植物蒸腾作用持续加剧, 各树木耗水量明显增加, 约占整个生长季耗水总量的50%~60%, 而唯一水分补给的大气降水为208.5 mm, 占生长季降水的48.4%, 供耗矛盾剧烈, 土壤水分持续亏缺。到生长季末期的9、10月份, 树木耗水量减少, 且降雨补充及时, 供耗矛盾得到缓解, 土壤含水量增加。生长季内总降水量小于同期各树木总耗水量, 贫水年生长季树木供耗失衡, 土壤水分出现亏缺。

2003年生长季各树木耗水特性与2002年基本一致。整个生长季内降水丰沛, 但分配不均, 5、10月出现供耗矛盾, 其余月份土壤水分未出现亏缺现象。生长季内总降水量均大于同期各树木总耗水量, 但因降雨分配不均, 丰水年树木供耗也会略有失衡。

2003年生长季各单株耗水量均大于2002年。侧柏耗水量较刺槐、杏和河北梨耗水量小, 这与前人研究的结果相一致(马履一等, 2003; 韩蕊莲等, 1994), 说明侧柏较刺槐、杏和河北梨为低耗水树种。

3.1.2 林内单株树木生长季耗水量

2002和2003年, 林内盆栽树木生长季耗水量测算方法同林外, 见表 5。对照林内、林外杏和河北梨2002—2003年生长季耗水量发现, 丰水年林内河北梨、杏生长季月耗水量明显大于贫水年的耗水量。无论贫水年和丰水年, 林内河北梨、杏生长季月耗水变化与林外河北梨、杏变化一致。且林内单株受林内小环境的影响, 生长季耗水量约为林外同类单株树种耗水量的0.93~0.95。这可以为进一步研究有林和无林环境的林木耗水尺度转换提供依据。

3.2 单株树木土壤水分有效性分析 3.2.1 单株树木土壤水分有效性季节变化分析

当降水供应不再满足耗水之需时, 通过分析树木土壤水分有效性来考察土壤水分的消耗是否影响苗木生长。土壤水分特征曲线是土壤水分的能量(水势)和数量(含水量)指标间的关系曲线。它反映了土壤保持水分的情况, 可以标定出测试样地的有效水利用范围。根据土壤水分对植物生长有效性原理, 按照凋萎湿度、生长阻滞含水量和田间持水量对土壤水进行分级分析。由原状土测定的田间持水量值反查土壤水分特征曲线模型, 试验样地土壤的田间持水量相当于-0.02~-0.03 MPa水势时的土壤持水量。造林树种的永久凋萎点达到-2 MPa以下, 可将-2 MPa作为有效水下限。在有效水范围内, 随着土壤水势下降, 即含水量降低, 植物根系吸收水分的难度增加。因树木的暂时凋萎点可达-1 MPa以下, -1 MPa水势值是水容量变化的关键点之一, 因此可将-1 MPa作为迟效水的上限。通过测定林外刺槐、侧柏、杏和河北梨土壤水分特征曲线, 得到对应的曲线拟合方程, 并对对应树种的土壤水分进行了分类(表 6)。

树木土壤含水量处于无效水界值以下, 土壤水分不能被植物吸收利用, 其持续时间的长短直接影响树木生长。由表 6可知, 林外单株树种中, 侧柏利用水分能力最强, 其有效水界值下限可以达到8.0%。其次为刺槐, 而杏和河北梨利用水分能力较弱。说明在干旱条件下, 杏和河北梨首先受到水分胁迫, 影响生长。

图 1为各苗木生长季0~1 m层的平均土壤含水量与其无效水界值时的土壤含水量对比。从图中可看出, 贫水年与丰水年各树木土壤含水量月变化趋势基本一致, 仅变幅不同。从4月初到6月底雨季来临为止, 因气温回升很快, 土壤水分大量蒸散消耗, 其含量不断降低, 处于消耗状态。7月初到8月底, 树木生长最为旺盛, 气温达到全年最高值, 树木蒸腾作用强烈。2002年雨季降水量少, 土壤水分未得到及时补充, 除河北梨外, 土壤水分均处于无效水界值以下, 不能被树木有效利用, 此时试验树种的生长受到抑制, 但由于少量降雨的补充, 试验苗木仍然存活。2003年雨季降水丰沛, 土壤水分入渗量大于消耗量, 且都能被充分吸收利用, 处于水分积累期。8月底各树木的土壤含水量都达到雨季最高值。9月初到10月底, 降水少, 但气温仍很高, 林木蒸腾强度大, 土壤水分处于消退时期。2002年刺槐、侧柏的土壤含水量接近但略高于无效水界值, 而杏、河北梨则低于无效水界值。2003年该时期土壤水分也处于下降阶段, 但因8月份的有效积累, 仍维持在较高水平。

3.2.2 单株树木土壤水分年际供耗分析

树木蒸腾耗水主要集中在生长季, 进入11月树木停止生长, 土壤开始冻结, 水分损耗主要是以蒸发为主。表土因枯落物及积雪覆盖防止了土壤水分损耗, 至次年4月初, 若有大量积雪融化或有降雨补给, 土壤水分含量会持续增加, 恢复到去年4月初的状态, 从而可保证林木一直正常生长。表 7为2000—2004年(不包括2001年)林外单株树木4月中旬土壤含水量。

除侧柏2000年和2003年4月中旬土壤含水量波动较大外, 其余树种变化不明显。对照表 6可知, 各树种土壤含水量均在速效水范围内。1999—2003年各年降水量分别为402.3、489.8、432.6 (4—10月)、485.5、922.5 mm, 分别为贫水年、正常年、贫水年、正常年和丰水年。从中可看出侧柏2000年和2002年4月中旬土壤含水量偏低是由于1999年和2001年为贫水年, 土壤水分损耗较大; 而正常年和丰水年后, 各树种土壤水分都可在次年生长季初恢复到较高水平。因此, 2000—2004年树木的土壤水分在得到冬季和次年春季降水补充后, 生长季初期都能恢复到速效水水平。因此, 试验树种在保持适当营养空间下(本试验盆栽容器直径1.7 m), 林地土壤水分在每年生长季初能恢复到相同水平, 林木能稳定生长, 这对晋西退耕还林区植被的营造具有一定指导意义。

4 结论

依据水量平衡方程, 通过测算得出试验地各树种生长季各月耗水量, 通过与同期降水量比较, 贫水年生长季降水量小于同期各树木耗水量, 生长季单株树木供耗失衡。丰水年生长季内降水丰沛但降雨分配不均, 5、10月树木供耗也略有失衡。丰水年各林木耗水量大于贫水年各林木耗水量。侧柏生长季耗水量最小, 较刺槐、杏和河北梨为低耗水树种。林内杏、河北梨单株受林内小环境的影响, 生长季耗水量约为林外同类单株树种耗水量的0.93~0.95倍。

不同树种年内土壤含水量变化趋势相近而同月耗水量差异较大, 同一树种不同月耗水量差异也较大。丰水年各试验地土壤水分状况要好于贫水年。通过土壤水分特征曲线, 标定出侧柏、刺槐、杏和河北梨有效土壤水范围, 其中上述树种的无效水界值分别为8.0%、8.4%、9.2%和9.7%, 侧柏较其他3个树种利用水分能力强。贫水年林外单株树木土壤含水量在一段时间内低于对应树种的无效水界值, 影响树木正常生长。单株树木依靠冬季和次年春季降水补充, 生长季初期都能恢复到速效水水平, 各单株树木土壤水分能达到年际供耗平衡。

刺槐、侧柏、杏和河北梨作为晋西黄土区退耕还林造林树种, 在保持合理营养空间下, 树木可正常生长, 此可以为黄土区植被营造提供依据。