黃土丘陵區不同植被土壤水分的分異性特征

劉 庚，牛俊杰，朱煒歆，史建偉，梁海斌

（1.太原師范學院 汾河流域科學發展研究中心，山西 太原030012；2.山西大學 黃土高原研究所，山西 太原030006）

土壤水分是植被生態系統生物過程中重要環境因子［1］，在陸地水循環以及陸地—大氣交互作用中具有重要功能［2］，對半干旱區域土壤表層水和降水之間有很強的耦合作用［3］。在半干旱黃土丘陵區，土壤水是植被生長需水的最主要來源，是限制植被類型、植被生長和分布的主要影響因素，尤其該地區人工植被的生長，對深層土壤水分的依賴更為強烈［4］。深層土壤水分的垂向分布特征對植被的根系分布和正常生長有重要影響，是該區域人工植被生長和生態系統健康的重要水分來源［5］。在半干旱黃土丘陵區生態重建過程中，由于植被類型選擇不當或生態重建缺乏科學指導，導致深層土壤水分過度消耗，出現利用性土壤干層的現象［6］，對深層土壤水分產生了嚴重的威脅，深層土壤干化現象成為區域性極為嚴峻的生態環境問題［7－9］，因此在半干旱黃土丘陵區進行科學合理的植被建設，必須要查清實際的土壤水分狀況。土壤水具有高度的時空異質性［10－11］，其在空間分布上具有結構性和隨機性并存的特征，對不同尺度下土壤水分空間變異規律揭示是目前土壤水分研究中一個熱點問題［12］。在不同的空間尺度上，土壤水分異質性的影響因子有所不同［13］，分析土壤水分的時空分異性特征對半干旱黃土丘陵區生態重建以及植被合理配置具有重要作用。目前，國內外關于土壤水分的空間異質性已展開了相應的研究［14－18］，國內也從不同植被類型、空間尺度效應、空間變異分析方法、環境因子影響等方面［19－24］對土壤水分的空間異質性進行了闡述，已有的研究雖然從多個方面分析了土壤水分空間變異，但對于半干旱黃土丘陵區多種植被類型、不同季節階段、深層土壤水分的時空分異性特征研究還鮮有報道，比較不同植被下深層土壤水分時間、空間尺度上的分布規律和異質性特征，對指導該地區生態保護和生態重建具有重要作用。本研究以地處晉西北的岢嵐縣為目標研究區域，選擇土壤水分大量失墑期的4—7月份進行土壤樣品采集，對撂荒地、檸條林和小葉楊林3種類型0—600cm深度剖面土壤水分在該時間階段上的時空分異性特征進行研究，以期為當地的人工植被建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

采樣點選擇在晉西北半干旱黃土丘陵區的岢嵐縣高家會鄉羊圈會村，海拔高度為1 440m。岢嵐縣位于晉西北的黃土高原中部，管涔山西北麓，屬于中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為6℃，年平均無霜期為120d，年平均降水量為456mm，降雨多集中在7—9月份，降水區域分布很不均勻，平均而言，隨海拔增高降水量增大，山區降水多于平川，南部山區多于北部山區。降雨季節不均勻，夏季最多，占全年的60%，冬季最少，只有3%。年際變化也很大，降水量多的年份和最少年份相差2～3倍。境內主要土類有灰褐土、棕壤、山地草甸土和草甸土，有機質含量總體水平不高，土壤貧瘠。該縣東南、南和西南植被較好，北部較差。喬木主要有油松（Pinus tabulaeformis）、落葉松（Larix gmelinii）、小葉楊（Populus simonii）、柳樹（Salix matsudana）等，灌木林主要有檸條（Caragana korshinskii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）等，林草覆蓋率約為18%，生態環境問題較為嚴峻。

1.2 土樣采集與分析

根據研究區人工植被和自然植被的現狀、種類和分布特征，選擇在該縣具有代表性的檸條林、小葉楊林以及撂荒地為研究對象，檸條林和小葉楊林于1968—1970年栽種，撂荒地表層覆蓋有稀疏荒草。采樣時間在2013年4—7月份中每個月的22—26號，采樣時間內無明顯降雨，土壤水分的變化不大。每種植被樣地選3個點進行重復采樣，撂荒地樣地樣方大小為2m×2m，其它兩種植被的樣方大小為10m×10m。采用土鉆取土法，從地表向下垂直每間隔10cm采集1次樣品，將采集好的樣品裝入鋁合內并用膠帶密封。在實驗室內采用烘干法進行土壤水分含量測定，在105℃高溫條件下，連續烘干24h，達到恒重后稱重，依據公式計算。將樣地中每層3次采樣所測定出土壤含水量的平均值作為該層深度的土壤含水量。

1.3 數據分析方法

采用描述性統計分析、單因素方差分析、多因素交互分析、變異系數法等方法學來對研究區域不同植被類型土壤水分的時空異質性進行分析。數據的統計分析計算在軟件SPSS 16.0內完成，制圖在軟件OriginPro 8.0內完成。

2 結果與分析

2.1 不同植被土壤水分數據的描述性統計分析

不同植被類型在不同月份土壤含水量數據的描述性統計分析結果詳見表1，土壤水分含量最小值范圍在3.34%～8.66%，最大值范圍在11.02%～30.09%，平均值范圍在8.02%～14.46%，變異系數范圍在0.12～0.25。同一種植被在不同月份以及相同月份不同植被類型的土壤水分含量數據描述性統計指標差異明顯。對同一種植被不同月份來看，撂荒地土壤含水量最小值為5月，其次是4月＞6月＞7月；最大值為4和6月，其次為5和7月，變異系數表現為：5月＞6月＞4月＞7月；檸條林土壤含水量最小值為5月，其次為6月＞4月＞7月；最大值為7月，其次為6月＞4月＞5月；變異系數為7月＞6月＞5月＞4月；小葉楊林土壤水分含量數據最小值同樣出現在5月，其次為4月＞7月＞6月；最大值為7月，其次為4月＞5月＞6月；變異系數表現為：5月＞7月＞6月＞4月。從水分含量數據極差的分析結果來看，撂荒地在不同月份的最小值明顯都高于其它兩種植被類型。最大值為7月份的檸條林，撂荒地在其它3個月份的最大值均大于檸條林和小葉楊林。不同植被類型不同月份土壤水分含量數據的變異系數值均未超過30%，表明土壤水分含量數據不具有較大的空間離散特性。統計結果中中值和均值較為接近，除5月份檸條林、7月份撂荒地的峰度值較大外，其它偏度和峰度值均較小，說明數據符合正態或近似正態分布特征。

表1 不同植被土壤水分含量數據的描述性統計分析

2.2 不同植被土壤水分垂向分布的時空異質性

3種植被4個月份內在0—600cm土層深度內土壤含水量如圖1所示。3種植被4個月份內土壤含水量變化范圍在3.34%～17.19%之間。本次采樣時間在4—7月內，該時間階段正處于晉西北春末夏初季節，溫度逐漸升高，野外采樣前研究區內無有效降水，因此表層土壤水分蒸發較為強烈，受此因素影響，3種植被在0—100cm土層范圍內的含水量沒有為最大值。對同一月份不同植被類型來看，200cm分別為4，5和6月以及100cm為7月土壤含水量的交叉點，在交叉點的深度下層，撂荒地的含水量明顯高于其它兩種植被，檸條林略高于小葉楊林。

圖1 不同植被類型土壤在不同月份的水分狀況

撂荒地在4個月份內的含水量近似表現為先升高后降低再升高的趨勢，其中在0—100cm土層深度范圍內升高，100—200cm土層范圍內降低，200—600cm土層范圍內再升高。由于撂荒地表層僅有稀疏荒草覆蓋，表層土壤水分蒸發較為強烈，所以表層含水量在0—100cm內為升高。由于稀疏荒草根系淺，對土壤水分的吸收或者干擾較小，可以看出，100—200cm為承上啟下土層，在大概200cm達到最低值后，土壤含水量又繼續升高，4和6月份在100—200cm深度內降低趨勢變化較大，而5和7月份在該深度內降低較為輕緩。檸條林在4個月份內的變化沒有呈現出明顯的規律性，在4月份表現為0—100cm范圍內先降低，100—200cm范圍內升高，200—600cm范圍內輕緩降低，5月份為0—200cm深度內先升高，200—600cm范圍內輕緩降低，6月份為0—100cm范圍內先降低，100—200cm范圍內升高，200—600cm范圍內輕緩降低，7月份表現為0—100cm范圍內先升高，迅速降到200cm后再輕緩降低，總體上來看，5和7月在0—100cm范圍內先升高，4和6月份在0—100cm內先降低，淺層土壤含水量受季節以及外界環境影響因素較大，沒有明顯的規律。檸條的根系主要分布在0—200cm范圍內，對200cm深度土層需水量較大，200—600cm范圍內均出現了輕緩降低的趨勢。小葉楊林在4和6月0—100cm范圍內降低，5和7月0—100cm范圍內升高，除7月100—200cm范圍內降低，其它規律均表現為100—200cm 內升高，200—400cm 內降低，400—600cm范圍內再輕緩升高，與撂荒地及檸條林對比來看，淺層土壤水分受季節和環境影響因素沒有明顯規律外，對于深層土壤200—600cm范圍內，土壤含水量大小和變化規律受時間和植被類型影響較大。

2.3 不同植被土壤含水量的差異性分析

上述分析可知，3種植被類型土壤水分含量呈現出較大的時空異質性特征，為進一步揭示不同植被類型土壤水分含量的相關性和差異性，對3種植被的土壤水分含量數據做單因素方差分析和雙因素交互作用分析。檸條林、撂荒地和小葉楊林在4—7月份間的土壤含水量變化規律趨勢并不一致，小葉楊林土壤含水量的變化幅度差異更為明顯，3種植被不同月份土壤含水量比較如圖2所示（p＝0.05），小葉楊林土壤含水量的月變化幅度要明顯高于檸條林和撂荒地，檸條林土壤含水量在不同月份之間變化最小，在6和7月份之間幾乎沒有變化。

通過對不同月份下各植被類型土壤含水量進行單因素方差分析結果可以發現，各植被類型土壤含水量在各月份之間都存在顯著差異（p＜0.01），在此基礎上，對各月份各植被類型土壤含水量進行多重比較，比較結果發現撂荒地和其他兩種植被類型的土壤含水量均存在顯著差異（p＜0.05），但不同月份之間不同植被類型之間的顯著性差異略有不同，由各月份不同植被類型各土層土壤含水量總體分布情況可以看出，不同植被在不同月份間存在異常高值或低值的情況。4月份檸條林和小葉楊林土壤含水量差別不顯著，5—7月份間土壤含水量均呈現出顯著差異，這可能是檸條林和小葉楊林在不同月份生長對水分需求量的差異造成的。通過對月份和植被類型這兩個土壤含水量的顯著因素進行雙因素交互作用分析，發現各植被類型土壤含水量在各月份之間的顯著差異不存在交互作用，說明隨著時間的變化各植被類型的土壤含水量會發生顯著變化，但不會對不同植被類型土壤含水量的差異性造成顯著影響。

圖2 不同植被類型的土壤在不同月份中含水量比較

2.4 不同植被土壤水分含量分布的變異特征

土壤水分的轉化或賦存受多種因素影響，包括植被類型、不同月份降水量、植被根系生長深度以及土壤質地結構等，因此有必要揭示土壤含水量在空間上的變異特征，采用變異系數反映不同植被含水量的空間變異情況。變異系數值越大，表示土壤含水量具有越大的空間離散特征，反之表示土壤含水量結構越穩定，根據已有研究結論，變異系數≤10%屬于弱變異性，10%＜變異系數＜100%屬于中等變異性，變異系數≥100%屬于強變異性。不同植被在0—600cm范圍內每層的變異系數值如圖3所示。從圖3可以看出，3種植被在不同月份的變異系數值隨深度變化總體上表現為先升高后降低再升高的趨勢，但個別土層深度內變異系數值差異明顯。4個月份的土壤含水量變異系數值在0.73%～62.24%范圍內，除部分深度土層內的變異系數值超過40%外，其它絕大多數土層的變異系數值在30%以內，表明土壤含水量在總體分布上具有較大的穩定性，但存在局部很強的離散特性。4月份變異系數值最小為280cm深度土層的撂荒地，其值為0.73%，最大值為10cm土層深度的小葉楊林，其值為34.28%；5月份變異系數值最小為270cm土層深度的撂荒地，其值為1.73%，最大值為200cm深度土層的撂荒地，其值為43.02%；6月份變異系數最小值為280cm土層深度的小葉楊林，其值為2.67%，最大值為170cm深度土層的撂荒地，其值為62.24%；7月份變異系數最小值為130cm深度土層的小葉楊林，其值為1.71%，最大值為240cm深度的撂荒地，其值為45.45%。從變異系數值隨土層深度變化情況來看，對于3種植被在4個月份中，變異系數值在100—300cm土層內的變化最大，且變異系數高值部分也大多出現在該范圍土層內，這與含水量在該土層范圍內的分布有一定聯系，撂荒地、檸條林和小葉楊林在該土層范圍內含水量呈現不同的降低或者升高趨勢，表明土壤含水量與植被生長需水量、植被根系生長深度以及環境變化等存在密切關系，從變異系數值上來看，變異系數在該土層深度的變化也最為劇烈。

圖3 不同植被土壤含水量變異系數變化

3 結論

（1）3種植被淺層土壤（0—100cm）剖面土壤水分含量在4個月份內表現出較強的時空異質性特征，受植被根系深度以及生長需水量的影響，檸條林和小葉楊林在200—600土層深度范圍內含水量有明顯的趨勢效應，且植被生長需水大于撂荒地，在200cm深度以下，撂荒地剖面含水量高于檸條林和小葉楊林。

（2）小葉楊林土壤含水量月變化幅度高于另外兩種植被，單因素方差分析和雙因素交互分析顯示不同植被類型在不同月份以及其相互之間均存在一定差異性，表明不同植被類型土壤含水量隨時間變化具有相應的變化響應。

（3）不同深度土壤水分含量的變異系數值分布上具有較大的穩定性，變異系數值主要集中在0～30%范圍內，總體變化趨勢為先升高后降低再升高，個別深度土層內的變異系數值超過50%，具有局部較強離散特征。

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