摘要
在干旱半干旱地区，植被恢复主要受到水分的限制。降水是干旱半干旱地区土壤水分重要的补给来源，也是植被生长的重要制约因素，特别是在黄土高原，人工刺槐林土壤水分受到降水的入渗补给是植被利用土壤水分的重要前提。土壤水分对降水的响应是土壤水分时空动态的重要内容，是研究流域水文模型与人工林水文管理等重要基础。刺槐是黄土高原生态恢复的最主要的树种之一，刺槐林土壤水分时空动态对区域水循环具有重要的影响。长期的植被恢复，黄土高原植被覆盖明显提升，取得良好的生态效应，同时也出现新的问题，如因植被过度消耗土壤水分形成部分区域“土壤干层”和刺槐不成林的“小老头树”等现象，这些问题亟待解决。对此本研究从人工刺槐林土壤水分出发点，研究土壤水分时空动态，为进一步揭示黄土高原人工刺槐林对土壤水分利用特征提供参考依据。在黄土高原生态恢复的背景下，不同植被类型的土壤水分时空动态特征及差异已较为清晰明确，但随恢复时间的增加，人工林土壤水分时空动态以及对降水的响应研究尚且了解有限，并缺乏降水梯度下土壤水分时空动态及其对降水响应特征的量化。因此，本文基于点位以空间代时间的方法，以黄土高原生态恢复主要树种——刺槐林的土壤水分作为研究对象，建立从样点扩展到样带尺度刺槐林土壤水分观测网络，分别于2014-2018年对不同恢复年限刺槐林土壤体积含水量(VWC，m3/m3)进行30min时间间隔观测以及2017年7月-2020年6月开展黄土高原刺槐林南北样带土壤温湿度（VWC和TempS，℃）30min时间间隔观测。结合对应时间长时间序列高时间分辨率的降水数据，提取降雨梯度及不同恢复年限VWC对降水的响应特征，比较分析VWC随恢复年限与降水梯度变化的动态特征以及VWC对降水响应的差异性，分并析不同恢复年限刺槐林土壤水分时间稳定性，对理解人工刺槐林在生态恢复过程中水循环与土壤水分利用特征具有重要意义，并针对黄土高原区域性森林管理提出建议。主要研究结果如下: 1.以空间代时间的方法研究不同恢复年限人工刺槐林土壤水分时间动态及其时间稳定性、土壤水分收支特征和土壤水分对降水的响应，选取自2014年5月至2018年10月生长季黄土丘陵沟壑区羊圈沟小流域15a（幼林）、20a（近熟林）、30a（成熟林）和35a（过熟林）等4个不同恢复年限人工刺槐林的VWC进行观测，采用相对差分和Spearman秩相关分析研究不同恢复年限刺槐林土壤水分时间稳定性;同时选取2017年生长季不同恢复年限刺槐林土壤体积含水量和降水数据，定量分析累积入渗量、入渗深度、初始土壤含水量以及入渗率等响应特征并刻画不同降水类型下的响应过程。研究结果如下:(1)人工刺槐林土壤储水量(Soil water storage，SWS，mm)随恢复年限增加呈先增加后降低的趋势;土壤水分动态主要受降水及植被生长的影响，其变异性的时空格局也说明土壤水分稳定性随土壤深度的增加而增加;(2)结合相对差分与时间稳定性指数确定15a、20a、30a以及35a刺槐林土壤水分时间稳定性可代表深度分别为80cm、100cm、80cm以及150cm土层;(3)灰色关联度分析表明，土壤质地（砂粒），土壤总氮、土壤容重、土壤有机碳、土壤总孔隙度以及坡度是不同恢复年限刺槐林土壤水分时间稳定性主要影响因素;(4)土壤水分补充主要由8个有效降水事件完成，占生长季总降水量的88.73％;湿润锋运移过程分析发现，20a恢复年限的湿润锋运移过程较15a和30a恢复年限的更为复杂;(5)降雨入渗主要发生在0-60cm土层，尤其生长季后期（8-9月），降雨入渗可到达0-100cm土层。降雨特征显著影响湿润锋的运移，通常降雨量和降雨持续时间越大入渗深度越大，当一次连续降水的降雨量小于约30mm的阈值时，在60cm土层深度没有发生明显的入渗;(6)降雨入渗主要受降雨特征和不同恢复年限人工刺槐林土壤性质的共同影响，在造林时可适当考虑对于有利于降水入渗的森林管理措施。 2.2017年7月-2020年6月，基于黄土高原刺槐南北样带（SNT-RP）观测0-200cm土壤剖面的5个不同深度(20cm、50cm、100cm、150cm及200cm)的土壤温湿度、降水观测数据，以及0-500cm深层土壤质量含水量，分析降水梯度下刺槐林土壤温湿度时空动态特征;并基于2018年黄土高原刺槐南北样带土壤水分和降水数据，分析降水梯度下累积入渗量、入渗历时及入渗强度等响应特征的变化规律，确定响应特征的影响因素，讨论降水梯度下刺槐林土壤水分收支的差异性。研究结果如下:(1)刺槐林土壤饱和导水率随着土壤深度增加而增加，并随降水梯度递减而增加，表明黄土高原从南到北刺槐林的土壤更有利降水入渗;(2)0-500cm深层土壤水分以延安为分界点呈现南北分异的空间分布格局，南部永寿县槐坪林场、宜君县赵家塬、富县任家台林场的土壤含水量显著高于北部的延安市羊圈沟、绥德县辛店沟与神木市六道沟，并以约10％的土壤质量含水量为分界，延安以北刺槐林土壤含水量约3％-10％，接近各地的永久萎蔫点，而延安以南刺槐林土壤含水量可达10％-30％;刺槐林土壤水分随土壤深度增加而逐渐减小，减小幅度随降雨梯度增加而减小;(3)降水梯度下刺槐林土壤水分对降水的响应特征存在较大差异，并且响应特征没有随着降雨梯度的增加而规律变化。 综上所述，针对目前黄土高原大面积人工刺槐林存在的生态问题，本文以样点和样带尺度，分别研究不同恢复年限和降水梯度刺槐林土壤水分时空动态。研究结果当前黄土高原人工刺槐林提出建议:为尽量减少人工林土壤水分亏缺，幼林密度不宜过高，为避免未来近熟林与成熟林出现上述问题，可通过改善林分结构，提升生态功能。同时，定量分析不同恢复年限及降水梯度刺槐林土壤水分对降水的动态响应过程与特征，有助于加深理解该区土壤水文效应，并为干旱半干旱区人工林植被恢复提供科学依据，为人工林管理提供应用价值。为黄土高原区域森林与水资源管理提供理论依据支撑，进而为提升黄河流域生态文明建设提供科学依据。
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