寧南山區(qū)不同植被退耕林地及其坡位的土壤水分時空分布特征
——以駱駝林流域為例

陶吉楊，譚軍利，2，3，魏 童，鄭飛龍，張維江，2，3

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021)

1 研究背景

土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)多種生態(tài)過程的重要紐帶[1]，一方面土壤水既是區(qū)域水資源的重要組成部分，也是水資源各組分相互轉(zhuǎn)化的重要媒介；另一方面植物的生長發(fā)育離不開土壤水，天然降水和灌溉水均需要轉(zhuǎn)化為土壤水才能被植物所吸收[2]。為了充分了解土壤水分動態(tài)變化情況,提高水資源利用效率,國內(nèi)外學者從不同角度切入進行了大量研究[3-4]。Penna等[5]通過對阿爾卑斯坡地3個不同深度的土壤水分研究發(fā)現(xiàn)隨土層加深土壤水分偏態(tài)值減小。王月玲等[6]發(fā)現(xiàn)土壤的垂直分布受土壤入滲性能的影響，在不同土地利用方式下存在較大差異。李婧[7]等發(fā)現(xiàn)退耕條件下人工植被干預初期對土壤水分有較好的改良效果，但隨年限增加，自然恢復的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來。研究表明，土壤水分的變化是降水、土壤蒸發(fā)、土地利用方式、植被等多種因素共同作用的結(jié)果[8-9]。

寧夏六盤山駱駝林位于黃土高原地區(qū)，自2000年國家推行退耕還林還草政策以來，通過大量營造水源涵養(yǎng)林，有效減少了降水對地表的侵蝕，改善了地區(qū)生態(tài)環(huán)境[10]。但由于地處干旱地帶，水分蒸散量大，地下水埋藏較深，生態(tài)需水虧缺問題日益顯著[11]，土壤水分成為限制當?shù)刂脖恢亟ê突謴偷闹匾蛩刂籟12]。在溝壑縱橫、支離破碎的黃土高原地區(qū)，由于不同坡位地理因素的影響，土壤含水率普遍存在一定的時空分布差異[13-14]。同一坡位的人工植被與天然植被土壤水分分布也不盡相同[15]，可見坡位是影響黃土高原土壤水分特征的重要因子之一。目前將坡位列為影響因子的研究考慮因素比較單一，因此本文綜合坡位、植被、降雨等多種因素探究土壤水分的時空分布特征，依據(jù)土壤水分動態(tài)變化規(guī)律優(yōu)化植樹造林的種類及模式，為該區(qū)域生態(tài)恢復提供理論依據(jù)。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

試驗區(qū)駱駝林流域位于距涇源縣城北28 km處的六盤山石林區(qū)，東經(jīng)106°14′24.4″，北緯35°36′31.0″，海拔高度2 186～2 835 m，流域面積2.3 km2。夏季短暫溫濕多雨，冬季漫長寒冷干燥，是典型的大陸性季風氣候。在常年流水侵蝕作用下形成山間溪流，兩岸巖石裸露多平灘，山頂?shù)貏萜教?，山坡陡峻多階狀。土壤風化程度不一，腐殖質(zhì)較多，主要為黑壚土。土地利用類型以苜蓿草地、天然沙棘、華北落葉松和人工油松為主。

2.2 試驗方法

2.2.1 土樣采集 在試驗區(qū)選擇兩個坡度及朝向均一致的天然沙棘和人工油松坡面，在兩坡面的上、中、下3個坡位分別設(shè)置3個10 m×10 m 的樣地。于2018年5、7、8、9、10月(6月因降雨量大無法上山取樣)在每個樣地中按照5點取樣法用土鉆分別取0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層土樣，每個測點設(shè)2～3個重復，采用烘干法測定土壤含水率。同時每10 cm用環(huán)刀采集0～40 cm土層土樣測定土壤容重和孔隙度?？紫抖雀黜椫笜擞嬎愎綖?

(1)

(2)

T=Q+P

(3)

式中：Q為非毛管孔隙度，%；M1為環(huán)刀樣品在泡水12 h后的質(zhì)量，g；M2為環(huán)刀樣品在泡水后放置在干沙上12 h的質(zhì)量，g；M3為烘干5 h(120℃)后環(huán)刀和干土質(zhì)量，g；V為環(huán)刀體積，取100 cm3；P為毛管孔隙度，%；T為土壤總孔隙度，%。

2.2.2 降雨收集 采用自記式雨量計(JL-21-A3)測量研究區(qū)域2018年5-10月降雨量，其中5、7月降雨量較小，兩月中僅有1 d降雨量達到中雨標準(日降雨量10～25 mm)，降雨量之和僅占總降雨量的23.5%；8月的降雨總量為260 mm，其中日降雨量超過10 mm的次數(shù)達到月觀測降雨數(shù)的42.8%；9月的降雨總量為85.8 mm，日降雨量超過10 mm的次數(shù)為月觀測降雨數(shù)的15%；10月觀測降雨量為14.2 mm。2018年5-10月研究區(qū)域日降雨量分布見圖1。

圖1 2018年5-10月研究區(qū)域日降雨量分布

2.2.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法 觀測數(shù)據(jù)用Excel2010和SPSS22.0軟件統(tǒng)計完成。不同坡位土壤含水率時空變化采用單因素方差和多重比較(Duncan)法(P<0.05)進行分析，不同植被土壤含水率用獨立樣本T檢驗進行比較分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同坡位土壤容重及孔隙度特征

土壤容重及孔隙度反映了土壤密實情況，容重越低、孔隙度越大表明土壤越疏松，水土保持能力越好[16]。表1為天然沙棘和人工油松坡面不同坡位0～40 cm土層土壤容重及孔隙度。由表1可見，天然沙棘土壤容重變化范圍為1.01～1.43 g/cm3，人工油松為1.26～1.51 g/cm3，兩種植被除下坡位外，其他兩坡位同一土層土壤容重均為天然沙棘<人工油松。天然沙棘0～40 cm土層土壤容重均值下坡>上坡>中坡，分別為1.33、1.23、1.14 g/cm3，人工油松土壤容重均值中坡>上坡>下坡，分別為1.42、1.41、1.32 g/cm3。由于土壤細顆粒受雨水淋洗沿坡面下降，使得兩種植被下坡位土壤容重最大值均出現(xiàn)在0～10 cm土層。土壤總孔隙度與土壤容重呈相反的規(guī)律。由表1還可以看出，除下坡位外天然沙棘其他兩坡位0～40 cm土層土壤總孔隙度均值均超出人工油松14%以上。兩種植被各坡位的非毛管孔隙度均小于毛管孔隙度，非毛管孔隙度占總孔隙度的比例集中在7%～20%之間，其中天然沙棘0～40 cm土層非毛管孔隙度均值以中坡位最高，為16.85%，超出人工油松非毛管孔隙度均值最大的下坡位18%以上。

表1 兩種植被樣地不同坡位0～40cm土層土壤容重及孔隙度

3.2 不同坡位土壤含水率垂直變化特征

圖2為研究期內(nèi)兩種植被樣地不同坡位0～100 cm各土層的土壤含水率均值。由圖2可知，天然沙棘3個坡位土壤含水率的最大值均出現(xiàn)在0～10 cm土層，同一坡位10 cm以下土層土壤含水率變化范圍均維持在1%以內(nèi)。人工油松土壤含水率最大值出現(xiàn)在下坡位40～60 cm土層，為28.86%，各坡位土壤含水率隨土層加深無明顯變化趨勢。兩種植被土壤含水率最大的坡位與容重、孔隙度條件最優(yōu)越的坡位一致，分別是天然沙棘的中坡位(各土層土壤含水率均達到了28%)和人工油松的下坡位(各土層土壤含水率均達到了22%)。天然沙棘各土層土壤含水率中坡>上坡>下坡，除0～20 cm土層的土壤含水率在上、中、下坡位間無顯著差異外，20 cm以下土層中坡位與下坡位均存在顯著差異。人工油松各坡位土壤含水率在0～40 cm土層無顯著差異，40 cm以下土層下坡位與上、中坡位均存在顯著差異。

注：圖中不同字母表示同一土層不同坡位土壤含水率差異顯著(P<0.05)。

表2為兩種植被樣地不同坡位0～100 cm土層在研究期內(nèi)各月土壤含水率垂直變異系數(shù)。由表2可知，天然沙棘土壤含水率變異系數(shù)較大值集中在8-10月的上坡位，5、7月由于降雨量較小，土壤含水率變異性中坡>下坡>上坡，當8月降雨量增大為7月降雨量的4倍時，上坡位土壤含水率變異系數(shù)增大為原來的2.28倍，其他坡位變異系數(shù)不增反減，可見降雨量增大加劇了天然沙棘上坡位土壤水分垂直分布的不均勻性。人工油松土壤含水率變異系數(shù)超過10%的集中在下坡位，除9月外，其他月份變異系數(shù)均達到13%以上；上、中兩坡位土壤含水率變異系數(shù)最大值均出現(xiàn)在9月，雖然8月降雨量最大，但變異系數(shù)沒有出現(xiàn)隨降雨量增大而增大的明顯趨勢，說明土壤含水率不僅與降雨有關(guān)，還與前期降雨量有關(guān)。

表2 兩種植被樣地不同坡位0～100 cm土層在研究期內(nèi)各月土壤含水率垂直變異系數(shù) %

對于天然沙棘而言，強降雨條件下短時間內(nèi)大量水分迅速打擊在上坡，使得表層土壤含水率激增，隨土層加深土壤孔隙減少，水分的深層滲漏較慢，導致層間土壤含水率變異系數(shù)較大；人工油松上坡位地勢相對平緩，有利于土壤水分在各層平穩(wěn)入滲使得土壤含水率變異系數(shù)較小，而下坡位40 cm以下土層受植物根系作用且蒸散量較小，土壤含水率顯著大于40 cm以上土層，導致沿深度方向土壤含水率變異系數(shù)較大。

3.3 不同坡位土壤含水率季節(jié)變化特征

土壤水分的變化主要受降水和蒸散發(fā)過程影響[17]，圖3為兩種植被樣地不同坡位0～100 cm土層在研究期內(nèi)各月土壤含水率均值。由圖3可以看出，天然沙棘土壤含水率中坡>上坡>下坡，5、7月由于降水較少，受光照與溫度影響，上坡位土壤水分蒸發(fā)較快，下坡位土壤含水率增幅為上坡位的3倍，使得上、下兩坡位土壤含水率的差異減?。?月降雨量增加后上、中、下3個坡位土壤含水率分別增加了29%、14%、16%，降雨量的增加可以減小上坡位與中坡位土壤含水率的差異。人工油松土壤含水率變化范圍在21.06%～27.08%，除8月外，其他月份降雨條件下各坡位土壤含水率均無顯著差異，在本次試驗中月降雨量達到200 mm時人工油松各坡位間土壤水分才會產(chǎn)生差異。

注：圖中不同字母表示同一月份不同坡位土壤含水率差異顯著(P<0.05)。

表3為兩種植被樣地不同坡位0～100 cm土層在研究期內(nèi)各土層土壤含水率變異系數(shù)。由表3可知，天然沙棘在0～40 cm土層土壤含水率變異系數(shù)均值以上坡最大，為17.82%，在40 cm以下土層以下坡最大，為17%，人工油松在0～100 cm土層土壤含水率變異系數(shù)均以下坡最大。兩種植被中坡位的變異系數(shù)均較其他兩個坡位小，這與中坡植被稀疏，各土層土質(zhì)受植被影響小且比較均一有關(guān)[18]。上坡位與中坡位的變異系數(shù)均隨土層加深而減小[19]，下坡變異系數(shù)則呈現(xiàn)以40～60 cm土層為分界線先減小后增大的趨勢。這是由于植物根系在土壤深層分布密集，耗水作用區(qū)位于40 cm以下土層，從而影響了水分的分布。天然沙棘10%以上的變異系數(shù)明顯多于人工油松，產(chǎn)生這樣的結(jié)果與植被改變了降雨入滲情況和坡面徑流過程密不可分[20]。

表3 兩種植被樣地不同坡位0～100 cm土層在研究期內(nèi)各土層土壤含水率變異系數(shù) %

3.4 不同坡位土壤含水率對植被類型的響應

不同植被類型下土壤垂直剖面土壤含水率存在差異，圖4為兩種植被樣地不同坡位0～100 cm土層在研究期內(nèi)各月土壤含水率垂向分布比較。由圖4可知，除5月外，其他月份兩種植被中坡位土壤含水率均出現(xiàn)顯著差異，且在8月最大降雨前后出現(xiàn)差異的土層較多。除7月外，各個時段內(nèi)，兩種植被上、中兩坡位土壤含水率沿土層深度方向有相同的變化趨勢，說明土壤水分對這兩個坡位的影響有相似的響應。天然沙棘各坡位0～40 cm和40～100 cm土層土壤含水率的差異均比人工油松小，人工油松下坡位0～40 cm和40～100 cm土層土壤含水率的差異最明顯，在7月達到最大，9月最小。

注：*表示同一土層兩種植被土壤含水率差異顯著(P<0.05)。

兩種植被5月下坡位土壤含水率在40 cm以下土層出現(xiàn)顯著差異，7-9月下坡位土壤含水率變化具有相似性，即在20～40 cm土層兩種植被土壤含水率最接近，天然沙棘土壤含水率隨土層加深而減小，人工油松土壤含水率隨土層加深先減小后增大再減小。原因是天然沙棘下坡位20 cm以下土層土壤孔隙度隨土層加深而減小，而人工油松水分利用層較淺，除孔隙度外還受植物根系影響，土壤含水率波動較大。與5月相比，兩種植被7-9月下坡位土壤含水率接近點下移，說明在前期降雨量較小的情況下，降雨量增加會增大兩種植被0～20 cm土層土壤含水率的差異，減小20 cm以下土層土壤含水率的差異。與其他月不同，10月下坡位土壤含水率出現(xiàn)兩個重合點，分別在40～60 cm和60～80 cm土層。5-10月間天然沙棘上坡位土壤含水率增長了7.46%，增幅為人工油松的24倍，中坡位土壤含水率增長了3.74%，人工油松不增反減，下坡位土壤含水率增長了8.16%，增幅為人工油松的4.25倍。

4 討 論

土壤水分的時空分布在不同植被類型、坡位、降雨等因素作用下有不同的表現(xiàn)。在土壤水分的垂直分布上，天然沙棘和人工油松分別在20、40 cm以下土層表現(xiàn)出了坡位間土壤含水率的差異，對于天然沙棘來說，這種差異的產(chǎn)生主要是由于下坡位土壤孔隙度最低，以及其中坡位植被稀疏，而森林郁閉度越小，冠層截留的降雨量越小，穿透雨越大[21]，兩種因素綜合作用下加大了下坡位與中坡位土壤含水率的差異。而對于人工油松來說，林下枯落物蓄積量大，枯落物持水減小了地表徑流，增加了降雨入滲，且下坡位地下水埋深較淺、水分的蒸散發(fā)小，使得下坡位土壤含水率顯著高于其他兩坡位。植被類型除了影響截留雨量外，對土壤水分的深層入滲也有很大的影響。沙棘為喬灌木種，根細且長，對土壤的水分利用主要在地面2 m以下；而油松的根系在0～100 cm土層分布較廣[22]，耗水層較淺，因此在0～100 cm土層土壤含水率較低。除此之外，有研究表明土壤水分從下坡到上坡呈逐漸降低的趨勢[23-24]，但本次試驗中兩種植被土壤水分分布均不符合這一規(guī)律，這除了與土壤特性有關(guān)外，還因為不同坡位植被生長情況以及生物量不同，分別影響了穿透雨量和耗水情況有關(guān)。

土壤含水率在5-10月有隨降雨和前期雨量增大而增大的趨勢[25]，這是因為5-7月氣溫回升快，土壤蒸發(fā)潛力大，植物蒸騰作用加強，土壤水分消耗大于補給，為水分消耗階段；8-10月降雨量顯著增多，降雨入滲使得土壤水分得到補充[26]。天然沙棘坡位間土壤水分的差異性總體上大于人工油松，而當月降雨量超過200 mm時，人工油松坡位間土壤水分才產(chǎn)生差異。這也從側(cè)面說明了人工林會降低土壤水分的異質(zhì)性，不利于自然差異的產(chǎn)生[27]。土壤水分變異系數(shù)大體上隨著土壤深度的加深而減小，這與李小英等[28]、韓新生等[29]的研究結(jié)果一致，主要是由于0～40 cm的土壤水分受自然環(huán)境影響較大，變化極不穩(wěn)定，而40～100 cm土層植物根系分布廣泛，土壤水分為植物生長發(fā)育所消耗，受根系影響較大[30]。研究期內(nèi)小降雨居多，人工油松同一坡位的變異系數(shù)不及天然沙棘變化范圍大，而這應該是人工林對降雨時空分布的響應不及天然林導致的。

通過以上分析，坡位間土壤水分的差異是普遍存在的，且因植被類型、降雨量、土壤特性而異，人工林對水分的消耗不僅會降低土壤水分對降雨的響應，還會減少坡位間的自然差異。研究表明深層土壤水分貯量也受降雨和植被類型的影響[31]，在本次試驗中初步探究了不同坡位土壤含水率對降雨和植被類型的響應，還可以在此基礎(chǔ)上研究降雨量對不同坡位深層土壤水分的影響，進一步得到降雨條件下土壤水分動態(tài)變化的一般規(guī)律。

5 結(jié) 論

(1)天然沙棘與人工油松植被類型分別以中坡位和下坡位土壤容重最小、孔隙度最大，非毛管孔隙度占比最大。

(2)天然沙棘的3個坡位和人工油松上、中兩坡位土壤含水率均有隨土層加深而減小的變化趨勢。天然沙棘各土層土壤含水率中坡>上坡>下坡，20 cm以下土層土壤含水率在坡位間出現(xiàn)差異，人工油松各坡位土壤含水率大小以40 cm土層為界呈不同的分布規(guī)律，在 40 cm以下土層出現(xiàn)差異，土壤含水率受坡位影響的程度因植被而異，天然沙棘在20 cm以下，人工油松林在40 cm以下。

(3)土壤含水率隨降雨量增大而增加，天然沙棘土壤含水率對降雨量的響應更敏感。降雨量的增加可以減小天然沙棘上坡位與中坡位土壤含水率的差異，而人工油松只有達到一定降雨量各坡位間土壤含水率才會產(chǎn)生差異。