黃土高原溝壑區(qū)不同植被對(duì)土壤水分分布特征影響

呂 渡, 楊亞輝, 趙文慧, 木熱提江·阿不拉, 藺鵬飛, 張曉萍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌712100; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

土壤水分是黃土高原植物生長(zhǎng)發(fā)育和生態(tài)環(huán)境重建的主要限制因子[1]，在土壤—植被—大氣傳輸體的水—熱—溶質(zhì)耦合及運(yùn)移中具有十分重要的位置，與土壤侵蝕水蝕營(yíng)力的變化有密切關(guān)系[2-3]。坡面是黃土高原丘陵溝壑地貌的基本地形單元，植被是控制坡面侵蝕過(guò)程的關(guān)鍵因素，而土壤水分則成為植被進(jìn)行調(diào)節(jié)和遏制坡面侵蝕發(fā)育的重要因子[4]。影響土壤水分分布的主要因子有地形[5]、降雨[6]、植被[7]等。在半干旱黃土高原區(qū)，溝壑縱橫，土層深厚(平均厚度超過(guò)50 m)，地下水埋藏深，人工植被廣泛分布等因素，使得黃土高原土壤水分的空間分布和影響因素存在自身特點(diǎn)[8]。很多學(xué)者分別從多種尺度對(duì)黃土高原水分空間分布規(guī)律進(jìn)行了深入研究。其中在區(qū)域尺度，余新曉等[9]將林地土壤水分垂直變化分為3個(gè)層次：土壤水分弱利用層、土壤水分利用層、土壤水分調(diào)節(jié)層；胡良軍等[10]探討了黃土高原土壤水分在局部的微域分布規(guī)律及其與林草布局的關(guān)系；張建兵等[11]在新疆奇臺(tái)滿營(yíng)湖綠洲—荒漠過(guò)渡帶研究不同植被覆蓋下土壤含水量的變化發(fā)現(xiàn)：植被覆蓋度越高，表層土壤(0—20 cm)的含水量越高；植被覆蓋對(duì)0—40 cm土層剖面土壤含水量的影響比較明顯，隨著土層深度的增加，其對(duì)土壤含水量影響逐漸減小。在流域尺度，胡偉等[12]在神木六道溝流域的研究認(rèn)為：各層土壤含水量之間表現(xiàn)為中等變異，變異系數(shù)隨著土層深度的增加沒(méi)有明顯規(guī)律；王俊等[13]在甘肅中連川流域上游的研究得到坡向?qū)ν寥浪肿儺惖挠绊懽畲?，其次是土地利用類型，坡位的影響最小，土地利用類型只?duì)上層土壤水分狀況具有顯著影響。李俊等[14]在黃土高原對(duì)不同植被類型的土壤水分研究中發(fā)現(xiàn)，人工林相比草地和次生林對(duì)土壤水分有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用。而姚雪玲等[8]在羊圈溝的研究發(fā)現(xiàn)，坡面尺度上，土壤含水量的空間異質(zhì)性主要表現(xiàn)在不同植被類型間，而不是坡位之間。綜合前人的研究結(jié)果，在小區(qū)尺度上，多植被覆蓋條件下土壤水分的對(duì)比研究還有待加強(qiáng)案例研究，利于揭示不同植被覆蓋類型的生態(tài)水文效應(yīng)機(jī)理，深刻理解不同植被恢復(fù)條件下的生態(tài)水文過(guò)程。

本文利用王東溝流域不同植被覆蓋條件下的徑流小區(qū)，測(cè)定土壤含水量在土壤剖面上的分布，分析不同植被類型下土壤含水量的變化特征，為區(qū)域生態(tài)建設(shè)提供科技支持。

1 研究區(qū)概況

王東溝流域(北緯35°14′，東經(jīng)107°41′)隸屬于黃土高原中南部的陜西省長(zhǎng)武縣洪家鎮(zhèn)王東村，海拔940～1 220 m。屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均降水584 mm,年均氣溫9.1℃，2004—2008年月均溫度見(jiàn)表1，無(wú)霜期171 d，地下水埋深50～80 m[15]。塬面地帶性土壤為黑壚土，流域侵蝕溝內(nèi)是發(fā)育于黃土母質(zhì)上的黃綿土。

表1 試驗(yàn)小區(qū)2004-2008年月平均溫度

于2004年，在流域西南坡向、海拔1 150 m的自然坡面上修建9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。本文選取其中草地、沙棘、油松、油松沙棘混交林等黃土高原造林模式中具有代表性的4個(gè)小區(qū)作為研究對(duì)象。沙棘(HippophaerhamnoidesL.)、油松(PinustabuliformisCarr.)均為黃土高原常見(jiàn)退耕還林樹(shù)種[16-17]。小區(qū)垂直投影面積100 m2(20 m×5 m)，坡度35°。各小區(qū)地表均有禾本科植被生長(zhǎng)，草種類型有：白羊草[Bothriochloaischaemum(L.) Keng]、野古草(ArundinellaanomalaSteud.)、異葉敗醬(Patriniaheterophylla)、翻白草(PotentilladiscolorBge.)、艾蒿(Artemisiavulgaris)、賴草[Leymussecalinus(Georgi) Tzvel.]等。各徑流小區(qū)的基本資料統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)小區(qū)基本資料

2 研究方法

2.1 土壤水分

本試驗(yàn)采用了CNC503DR型中子儀。確定中子儀標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)。同時(shí)在中子管30—60 cm范圍內(nèi)用土鉆取相同深度土樣進(jìn)行烘干估算土壤容積含水量，率定中子儀法觀測(cè)結(jié)果，獲取各層土壤含水量。本研究中使用的智能中子水分儀的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)有兩種，分別為816，1 129。對(duì)應(yīng)的標(biāo)定方程分別為：

y=88.74x-1.184 (816計(jì)數(shù))

(1)

y=57.136x-6.003 (1129計(jì)數(shù))

(2)

式中：y為土壤體積含水量(%)；x為中子儀計(jì)數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)之比。

測(cè)定深度均為5 m，剖面上共有30個(gè)實(shí)測(cè)層次。1 m內(nèi)按10 cm層次量測(cè)，1—5 m按20 cm層次量測(cè)。測(cè)定時(shí)間為2013年5月—2014年4月一個(gè)完整水文年。11—12月、1—4月每月測(cè)定一次，5—6月按半月時(shí)間測(cè)定，7—10月每10 d一次，有降雨過(guò)程加密。處理數(shù)據(jù)過(guò)程中，按每月進(jìn)行平均，剔除數(shù)據(jù)異常，共獲得10個(gè)月實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)。

(3)

(4)

式中：Ni為每小區(qū)中的測(cè)點(diǎn)數(shù)目；Nj為土壤水分觀測(cè)次數(shù)；Nk為土壤水分觀測(cè)深度數(shù)量。

2.2 土壤貯水量

普遍采用的土壤貯水量計(jì)算方法如下式所示：

Sk=10·h·θk

(5)

式中：Sk為k層土壤貯水量(mm)；h為土層間隔(cm)；θk為k層土壤含水量(%)。范圍內(nèi)的土壤貯水量由各層土壤貯水量累加得到。

數(shù)據(jù)使用SPSS 18.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，利用Excel 2013進(jìn)行圖形繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被覆蓋下土壤含水量的剖面分布及變異性

研究時(shí)段內(nèi)對(duì)不同植被覆蓋下的土壤剖面含水量進(jìn)行平均，見(jiàn)圖1?？梢钥闯?，不同植被覆蓋下都表現(xiàn)出，0—10 cm表層含水量最低，均在9%～10%，較前人在長(zhǎng)武的研究結(jié)果偏小[18]，可能由于土壤的蒸騰較強(qiáng)烈，加上土壤表層含水量變異性較大，而一年的觀測(cè)期還不能完全消除其他因素對(duì)表層含水量的影響，還可能會(huì)與觀測(cè)儀器的誤差有關(guān)。10—20 cm土壤含水量迅速升高，20—500 cm土層呈現(xiàn)波動(dòng)增加的變化特征。

不同植被類型間，0—20 cm土壤水分差異不大，在20—500 cm土層上，草地土壤水分含量明顯高于其他植被類型，且整體上隨深度的增加呈增加趨勢(shì)，見(jiàn)圖1。據(jù)我們對(duì)小區(qū)地表植被的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，4種植被類型條件下，草地小區(qū)枯枝落葉層最厚，達(dá)2～3 cm。枯枝落葉的存在可以有效減弱土壤水分的蒸發(fā)[19]，同時(shí)草地根系分布較喬灌林地淺，深層土壤水分易于保持。

圖1不同植被覆蓋下2013年5月-2014年4月土壤含水量剖面上的變化特征

油松、沙棘和油松沙棘混交林地整體上土壤水分差異不大，均呈倒“S”型，但在150—400 cm土層上，油松林地明顯大于沙棘和油松沙棘混交林地。我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沙棘林植被覆蓋度最大，達(dá)到74%，同時(shí)扎根深及3～8 m[20]，蒸騰作用劇烈，從而增加了對(duì)深層水的利用和消耗。

土壤含水量的變異系數(shù)越大說(shuō)明土壤含水量變化越劇烈，反之則說(shuō)明土壤含水量越穩(wěn)定[21]。其變異性質(zhì)與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)[4]。通常認(rèn)為：變異系數(shù)<0.1，為弱變異；介于0.1～1，為中等變異；大于1時(shí)，為強(qiáng)變異[22]。

觀測(cè)期內(nèi)不同植被類型剖面上土壤含水量變異性見(jiàn)圖2。4種不同植被覆蓋剖面上土壤含水量均屬中—弱變異，均表現(xiàn)出隨著土層深度加大，變異系數(shù)逐漸減小的特征。地表0—100 cm土層內(nèi)土壤含水量變異性最大，100 cm以后土壤水分變異系數(shù)趨于穩(wěn)定。剖面上土壤水分的變異性，由于降雨性質(zhì)(量、強(qiáng)度、歷時(shí))完全相同，因而草、沙棘、油松等不同植被類型的地表特征、根系分布及耗水特性是主要原因[23]。從整體上看，草地和油松林地剖面上土壤水分相對(duì)穩(wěn)定，變異性小，而沙棘和沙棘油松混交林剖面上土壤水分變異性大。草地根系較淺，油松為常綠喬木，剖面對(duì)土壤水分的吸持作用較為穩(wěn)定。而沙棘具有生長(zhǎng)茂盛，植被覆蓋度大，扎根很深，落葉性等生物學(xué)特性，對(duì)土壤水分的影響較大[24]。

3.2 不同植被覆蓋土壤水分的季節(jié)變化規(guī)律

觀測(cè)期內(nèi)不同植被類型土壤含水量的月均分布見(jiàn)圖3。受降雨、植被耗水特征差異等因素影響，不同植被類型下月均土壤含水量均表現(xiàn)出波動(dòng)中上升趨勢(shì)。2013年7月各植被類型下土壤含水量有較大增加，可以看出，與該月有170 mm降雨量輸入有關(guān)。隨著8月、9月份降雨量減少，土壤水分含量迅速降低。而在2013年11月—2014年2月，各樣地的水分變化特征較為一致，都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)?？赡苁怯捎诜e雪升華造成的損失，導(dǎo)致積雪季節(jié)的總雪水當(dāng)量大于實(shí)測(cè)值[25]，所以雖沒(méi)有降雨量的補(bǔ)給，但是研究區(qū)有少量降雪補(bǔ)充，加上此階段為一年中溫度最低時(shí)期(表1)，枝葉凋落，根系吸水微弱，生物活動(dòng)降低，因此土壤水分反而有所積累。春季3月、4月份隨著溫度升高，植被開(kāi)始新一輪生長(zhǎng)發(fā)育，土壤水分復(fù)而減少降低。圖1可以看出，不同植被類型的月均土壤含水量與降水量補(bǔ)給、溫度變化和植被生長(zhǎng)有密切關(guān)系，且月尺度土壤含水量滯后性不明顯。

圖22013年5月-2014年4月不同植被類型下剖面土壤含水量變異系數(shù)

圖3還可以看出，土壤剖面平均含水量與植被種類關(guān)系密切。草地小區(qū)平均土壤含水量在16.72%～20.86%變動(dòng)，平均值為19.14%，其平均含水量顯著高于沙棘林地(p<0.05)，極顯著高于油松林地、油松沙棘混交林地(p<0.01)。而沙棘、油松、沙棘油松混交林地3種植被類型下的土壤含水量差異不顯著。但在整體趨勢(shì)上從2013年5月份—翌年2月份的觀測(cè)階段出現(xiàn)土壤含水量：草地>油松>沙棘>油松沙棘混交林。不同類型的植被根系垂直分布不同，這就導(dǎo)致其所能消耗吸收的土壤水深度不同，相對(duì)于林地和灌木林地而言，草地的淺根系特征是造成深層土壤含水量、平均含水量高于其他植被類型的主要原因。而不同植被對(duì)降雨截留量的不同也是造成土壤水分差異的原因。一般情況下由于其較大的冠層，林地截留量大于草地，本研究中油松沙棘混交林的郁閉度較大，可能是其土壤剖面平均含水量最低的原因。

受降雨、植物蒸騰和地面蒸散的影響，土壤含水量的季節(jié)性變化可以分為積累期、消退期、恢復(fù)期、穩(wěn)定期和消耗期[9]。按春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月—翌年2月)4個(gè)季節(jié)，對(duì)不同植被類型下的土壤含水量進(jìn)行時(shí)段平均，分析4種植被類型下平均土壤含水量隨季節(jié)的變化特征，見(jiàn)圖4。圖4表明，不同植被覆蓋類型下的土壤含水量，均表現(xiàn)出春季高，夏季驟降，秋季稍有恢復(fù)，冬季恢復(fù)至春季或甚至超過(guò)春季水平的趨勢(shì)。表明，春冬季為土壤含水量恢復(fù)期，而夏秋季為土壤含水量消耗期。這與植物的生物節(jié)律變化有極大關(guān)系。夏、秋季溫度較高，地面蒸散和植物蒸騰強(qiáng)烈，雖然這一階段為全年主要降雨補(bǔ)給期(210.4 mm)，但土壤水分含量最低，說(shuō)明土壤水分的消耗大于補(bǔ)給。而春、冬季由于溫度較低，植被基本停止生長(zhǎng)，根系吸水微弱，幾乎無(wú)地面蒸散，加上雨雪的補(bǔ)充等，土壤水分含量較高，說(shuō)明補(bǔ)給大于消耗，土壤水分得以恢復(fù)。

圖3不同月份土壤平均含水量的變化

圖4不同植被覆蓋下平均土壤含水量的季節(jié)性變化特征

3.3 降雨對(duì)土壤貯水量影響的日尺度分析

降雨作為黃土丘陵區(qū)土壤水分的唯一來(lái)源，是土壤水分變化的決定性因素。研究證實(shí)，不同層次土壤水分狀況對(duì)降雨的響應(yīng)是復(fù)雜的[26]，李洪建等[27]使用標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)對(duì)黃土高原土壤水分剖面進(jìn)行層次劃分：認(rèn)為200 cm以上為活躍層，200—250 cm為過(guò)渡層，250 cm以下為穩(wěn)定層。本文以200 cm為界限，分析了2013年6月1日—9月8日共100 d內(nèi)土壤貯水量與降雨量關(guān)系的日序列變化見(jiàn)圖5。在0—200 cm剖面上，土壤水分貯量與降雨量具有很強(qiáng)的一致性，同時(shí)土壤儲(chǔ)水量變化相對(duì)降水具有滯后性特征[28]，但受植被截留、蒸發(fā)蒸騰、產(chǎn)流等作用影響，土壤儲(chǔ)水量的變化幅度小于降雨量。而200—500 cm剖面上，土壤水分貯量在日尺度上的變化表現(xiàn)得平穩(wěn)，與降雨量關(guān)系不明顯。可見(jiàn)，降雨的作用對(duì)深層土壤水分含量影響作用較小。

圖5還可以看出，0—500 cm剖面上4種不同植被覆蓋類型土壤貯水量變化趨勢(shì)基本一致。草地貯水量最大，油松林地次之，沙棘林地和油松沙棘混交林地基本相同，說(shuō)明降雨量是影響土壤貯水量時(shí)間上變化的主要因素，植被覆蓋的影響次之。

圖52013年6-9月土壤貯水量日動(dòng)態(tài)變化

4 結(jié) 論

(1) 隨著土層深度的增加，草地小區(qū)土壤水分呈增加趨勢(shì)，沙棘、油松和沙棘油松混交林地呈倒“S”型。隨深度增加，土壤水分變異系數(shù)均為減小態(tài)勢(shì)，其穩(wěn)定程度增加。沙棘林的存在加大了剖面上土壤水分的變異性。

(2) 0—500 cm剖面范圍內(nèi)，草地小區(qū)土壤含水量在觀測(cè)期內(nèi)均為最高。4個(gè)小區(qū)均表現(xiàn)出春冬土壤含水量較高，夏秋含水量較低的現(xiàn)象，表現(xiàn)出積累/恢復(fù)和消耗不同的兩個(gè)過(guò)程。

(3) 地表至200 cm剖面內(nèi)土壤水分貯量受降雨量影響較大，200—500 cm剖面土壤水分貯量較為穩(wěn)定。而不同植被的蒸發(fā)蒸騰作用加大了其差異性。

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