歐李林齡對不同坡面土壤水分特征的影響

王安民丁愛強豆巧莉汝海麗王可壯

(平涼市水土保持科學研究所,甘肅 平涼744000)

黃土高原丘陵溝壑區(qū),由于降雨季節(jié)性不均勻、植被稀疏和地形破碎等因素導致水土流失嚴重,該區(qū)是黃河流域主要的泥沙策源地。近年圍繞著中央提出的黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展戰(zhàn)略,流域綜合治理得到了快速發(fā)展,而在此治理過程中作為流域水土流失治理的主要方式,水土保持工程措施和林草措施的結合模式顯得尤為重要。在干旱半干旱區(qū),如何在土壤水分承載力范圍內進行合理配置的首要問題就是要掌握不同水土保持工程措施和林草措施結合模式與土壤水分間的相互作用機制。典型的丘陵溝壑狀地形景觀影響著土壤水分的時空分布和穩(wěn)定性,而土壤水分又是影響植物生長和分布的重要因子,亦是該區(qū)小流域綜合治理中植被恢復和重建的限制因子。因此研究該區(qū)水土保持工程和林草措施相結合影響下土壤水分的時空動態(tài)變化和穩(wěn)定性規(guī)律可為半干旱的黃土高原地區(qū)生態(tài)建設和恢復提供重要的理論支持。

歐李(Cerasushumilis)為薔薇科(Rosaceae)櫻桃屬(Cerasus)低矮型灌木,其根系主要分布于淺層土壤中,側根發(fā)達[1],研究表明在水平階種植歐李可降低研究區(qū)土壤可蝕性因子K值,提高土壤抗侵蝕能力,而且對土壤可蝕性因子K值的影響效果比魚鱗坑和自然坡都要好[2],而且在隴東黃土高原有良好的適應性[3-4]。目前,關于歐李的研究主要集中在引種栽植前期對氣候的適應性、生理遺傳特性及經濟價值等[4-7]方面的研究,而關于歐李對土壤水分影響以及土壤水分時空穩(wěn)定性的相關研究還沒有報道。鑒于此,本研究對其栽植后進行4 a監(jiān)測,通過研究不同坡度徑流小區(qū)微區(qū)土壤水分變化及時間穩(wěn)定性,了解其在坡面條件下對土壤水分影響的規(guī)律,以期能為后期歐李在黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域綜合治理中的合理配置提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于隴東黃土高原丘陵溝壑區(qū)的平涼市崆峒區(qū)城南的紙坊溝流域,地理坐標為東經106°47′—106°52′,北緯35°12′—35°21′,屬涇河干流一級支溝。地勢南高北低,地形呈柳葉形,地貌呈丘陵溝壑狀,海拔1 365～2 104 m,相對高差739.8 m,主溝道長15.77 km,溝道平均坡降4.34%,流域總面積18.98 km2。氣候屬北溫帶半濕潤大陸性季風區(qū),多年平均年日照時數2 381 h,總輻射量506.48 kJ/cm2,年均氣溫8.8℃,平均年蒸發(fā)量1 499.2 mm,年均降水量548.7 mm,汛期6—9月平均降水量388.1 mm,占全年降水量的70.7%。土壤從流域東南分水嶺到西北主溝道出口依次為黑壚土、草甸土、紅黏土、黃綿土、新積土5類土壤,植被主要以人工刺槐林和天然灌草為主,總體上呈上游最好、中游次之、下游較差,陰坡較好、陽坡較差。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇與數據來源

試驗樣地為徑流監(jiān)測場內坡度為5°,10°,15°的3個標準徑流小區(qū)(水平投影尺寸20 m×5 m,面積為100 m2),每個小區(qū)上(距上邊沿1 m,左右邊沿2.5 m)、中(矩形小區(qū)幾何中心處)、下(距下沿1 m,左右邊沿2.5 m)坡位處布設TDR水分測管,測管埋設于2016年、2017年2月初開始整地(寬0.5 m,水平階之間無隔坡),2月底栽植歐李,具體情況詳見表1。土壤水分使用時域反射儀TDR測定(型號:AZS-100,北京澳作生態(tài)儀器有限公司),測定深度160 cm,每層20 cm,每層測定3次;每月定期15日和30日前后測定,每次降雨之后第1—2 d內加測1次;儀器在本試驗開始前進行了標定。由于栽植第1 a內需要進行整地和定期進行澆水、施肥、除草等田間管理,秋季對死亡的植株還需要補植,人為擾動嚴重,增加了土壤水分變化的不確定性,從第2 a開始,不需要進行澆水和整地,對土壤環(huán)境的擾動較小,因此本文以歐李長勢穩(wěn)定后的第2 a(2018年)作為研究起點,記為2 a。

表1 試驗小區(qū)基本信息(2021年9月)

2.2 數據分析處理

2.2.1 相關參數計算方法及原理

(1)土壤蓄水量(SWS)比土壤含水量更能直觀地反映研究區(qū)域土壤水分的供給能力。j時間任意觀測點i的SWSij計 算公式為:

式中:SWS為土壤蓄水量(mm);αi是j時間任意觀測點i的土壤體積含水量(%);d為土層厚度(cm)。

(2)變異系數(Cv)隨機變量的離散程度,即變異性的大小,可用變異系數Cv的大小來反映,計算公式為:

式中:M為樣本平均值;S為標準差。根據變量程度分級:Cv＜10%為弱變異性,10%≤Cv≤100%為中等變異性;Cv≥100%為強變異性。

(3)時間穩(wěn)定性。利用Spearman秩相關系數法[8]研究歐李不同生長期垂直方向土層之間土壤水分空間模式在時間上的相似性。計算公式為:

式中:n為樣點總數;Rij是在位置i和時間j觀測值的秩;Rij'則是觀測值在同一個測量點i而在不同時間j'的秩,其rs值越接近1,說明土層之間的土壤水分的空間模式在時間上越相似,即土壤水分的時間穩(wěn)定性越強[9]。

2.2.2 數據處理 前期數據處理使用Excel,數據分析和圖表制作在Origin Pro 2021中完成。

3 結果與分析

3.1 土壤儲水量年變化

如圖1所示,從不同徑流小區(qū)整體土壤儲水量情況來看(箱線圖所示),不同坡面的年均土壤儲水量隨著坡度增大而增大,5°和10°小區(qū)年均土壤儲水量基本維持在260 mm左右,15°小區(qū)年均土壤儲水量基本維持在280 mm左右,土壤儲水量之間的差異不顯著;不同時期土壤儲水量的波動程度也隨著坡度的增大而增大,極大值出現在5°徑流小區(qū),極小值出現在10°徑流小區(qū),無異常值出現。從歐李生長的不同年份來看(柱狀圖),2 a內,不論是均值還是不同坡度的土壤儲水量均要高于以后年份,通過方差分析,不同坡度之間以及不同年份之間土壤儲水量的差異均不明顯(圖中不作標注);在同一年份內,2 a土壤儲水量表現為:15°＞10°＞5°,此后3 a,4 a,5 a內,5°和10°徑流小區(qū)土壤儲水量不相上下,均小于15°徑流小區(qū)土壤儲水量。此外,在圖1中也能看到,4 a內的降雨量雖然呈波動變化,但是從3 a開始,土壤儲水量呈增加態(tài)勢。

圖1 紙坊溝流域歐李生長季不同坡面和栽植年限土壤儲水量變化

3.2 土壤儲水量時空分布

由圖2可以看出,降雨量在年際間差異較大,第4 a和5 a之間的差值達217.5 mm,年內分布不均勻,主要集中在6—8月,但是2021年降雨卻4月和9月相對較多。結合降雨變化,從土壤水分垂直分布角度來看,歐李長勢穩(wěn)定之后的第2 a,隨著降雨的逐漸增加,徑流小區(qū)內土壤儲水量也呈增加態(tài)勢,隨著坡度增加,土壤深層儲水量增加;第3 a,生長季內降雨相對分布均勻,雨量較上年同期少105.8 mm,5°和10°小區(qū)土壤儲水量在0—2 cm和100 cm以下土層出現明顯干燥情況,6—7月,15°小區(qū)也開始出現這種干燥的情況;第4 a,生長季內的降雨波動變化范圍大,最小4月降雨13.2 mm,最大8月降雨量達到了284.2 mm,約占生長季總降雨的47%,土壤儲水量4—6月表現為0—20 cm和100 cm以下相對干燥,其中100 cm以下土層在6月時最為干燥;第5 a,4月的土壤儲水量較于前3 a同期大,5月之后,5°和10°小區(qū)土壤儲水量0—20 cm和100 cm以下逐漸開始減小,7—8月10°小區(qū)土壤儲水量較低,15°小區(qū)0—100 cm土層儲水量也逐漸開始減小。從歐李的生長過程來看,在生長季,5°和10°小區(qū)0—40 cm和100 cm以下土層土壤儲水量較低,40—100 cm土層土壤儲水量較高;15°小區(qū)0—20 cm土層儲水量較低,20—100 cm土層雖然某個時段也存在的高水期,但并不是連續(xù)的,相較于其他兩個區(qū),120 cm以下土層的土壤儲水量較高。

圖2 紙坊溝流域歐李生長季月降雨特征和坡面土壤儲水量時空動態(tài)變化

3.3 土壤水分時空變異分布特征

由圖3可以看出,從土壤水分整體變異情況來看,在歐李生長的不同時期,不同坡面土壤儲水量的變異系數小于25%,表現為弱變異或中等變異,相對穩(wěn)定,其中弱變異層主要分布在5°徑流小區(qū)60—120 cm土層,10°徑流小區(qū)20—100 cm土層,15°小區(qū)無弱變異層;中等變異層5°徑流小區(qū)為0—60 cm和120 cm以下土層,10°徑流小區(qū)0—20 cm和100 cm以下土層,15°小區(qū)全部為中等變異;隨土層深度的增加,變異系數變化表現為5°和10°小區(qū)先減弱后增強,15°小區(qū)則先呈減弱趨勢,60 cm土層以下基本保持在12%左右。同一時期,隨著坡度的增大,弱變異區(qū)逐漸減小,穩(wěn)定層主要集中在40—120 cm,但是在不同生長期表現不盡相同,特別是在10°小區(qū)第5 a的7月前后和15°小區(qū)3 a的5月,第4 a的6—7月之間及5 a的5月前后土壤儲水量在垂直方向變異程度增大。同一坡度(圖4),隨著歐李生長年限的增加,5°小區(qū)在5.32%～6.7%的小范圍內呈現先減小后增大趨勢,10°小區(qū)土壤儲水量變異系數在6.16%～8.32%的較小區(qū)間呈“增—減—增”波動變化,15°小區(qū)在5.97%～11.64%的相對大區(qū)間呈“增—減—增”波動變化。

圖3 紙坊溝流域土壤水分變異系數時空變化分布特征(黑色虛線代表Cv=10%)

圖4 紙坊溝流域土壤水分變異系數年均值變化

3.4 時間穩(wěn)定性分析

利用Spearman秩相關系數法對不同栽植年限歐李坡面土壤儲水量的時間穩(wěn)定性進行分析,結果詳見表2—4。由表2—4可看出,2 a時,5°和10°徑流小區(qū)土壤儲水量不同土層間的時空穩(wěn)定性較15°徑流小區(qū)強,rs＞0.7的比例分別為67.86%,57.14%,28.57%;3 a時,5°和10°徑流小區(qū)土層土壤儲水量的時空穩(wěn)定性在個別土層表現較弱,但是15°徑流小區(qū)相鄰土層間土壤儲水量的時間穩(wěn)定性很強(0.81≤rs≤0.92),rs＞0.7的比例分別為25%,25%,35.71%;4 a時,5°和10°徑流小區(qū)不同土層土壤儲水量的時間穩(wěn)定性出現分層現象,即5°徑流小區(qū)分別在0—80 cm和80—160 cm土層內穩(wěn)定性強,10°徑流小區(qū)分別在0—100 cm和100—160 cm土層內穩(wěn)定性強,但是15°徑流小區(qū)除0—20 cm與40 cm以下土層間的時間穩(wěn)定性較弱外,其他土層之間的時間穩(wěn)定性都很強,rs＞0.7的比例分別為75%,53.57%,89.29%;5 a時,除5°和15°徑流小區(qū)0—20 cm土層與10°土層0—40 cm土層外,小區(qū)內其他土層土壤儲水量的空間模式在時間上表現的十分相似(0.82≤rs≤1),rs＞0.7的比例分別為75%,78.57%,78.57%。

表2 5°徑流小區(qū)不同深度土壤水分之間的Spearman秩相關系數矩陣

表3 10°徑流小區(qū)不同深度土壤水分之間的Spearman秩相關系數矩陣

表4 15°徑流小區(qū)不同深度土壤水分之間的Spearman秩相關系數矩陣

4 討論與結論

4.1 討論

在干旱區(qū),諸多學者通過研究不同喬、灌木林分對土壤水分的影響得出,植被在生長過程中會使得土壤出現“干化”現象[10],產生“干層”,不同植物對應的土壤干層出現的深度有所不同,而且隨著林齡的增加,干層的厚度增加[11],土壤的干化現象逐漸嚴重,土壤水分恢復到土壤水分穩(wěn)定濕度所需的時間以及難易程度逐步上升[12],最典型的如刺槐、檸條、山杏、棗等,但是相對于檸條、油松和葡萄而言,歐李的耗水程度較低[13-15]。本研究結果0—160 cm土層土壤儲水量在第3 a略降低后,基本維持在260—280 mm左右,保持穩(wěn)定態(tài)勢,除0—30 cm和100 cm以下土層相對較為干燥,5°和10°小區(qū)30—100 cm土層土壤儲水量較高。一方面,水平階的攔蓄作用增加了土壤水分,在黃土高原小流域水土保持綜合治理中,水土保持工程措施作為生態(tài)修復的重要手段,為生物措施實施提供了保障,它主要通過改變坡面立地條件,如坡長、坡度、坡面粗糙度等,增加坡面對地表徑流的攔蓄作用,提高了土壤水分含量[16-17];另外,在該區(qū)已有的研究表明,歐李在坡地及類似的稍硬土質上根幅較大,根系集中分布在20—70 cm土層內[3],在根系水力提升和土壤水勢差的作用下[18],下層土壤水分向該區(qū)域內移動,這就導致了淺層的根系集中分布區(qū)域內水分含量較高,它是土壤水庫與土壤干層相轉變的閾值界面[19],土壤干層出現在根系集中分布區(qū)域的下方[20]。

土壤水分空間分布特征和時空穩(wěn)定性與植被、地形、氣候及土壤自身特性及其之間的相互作用聯(lián)系緊密[21]。本研究結果表明15°徑流小區(qū)的土壤儲水量比5°和10°徑流小區(qū)高,這主要與歐李的生長狀況相關,由表1可知,歐李的生物量、蓋度和株高10°最大,5°小區(qū)次之,15°小區(qū)最小,說明10°小區(qū)歐李長勢最好,耗水量最大,15°小區(qū)歐李長勢相對較差,耗水量小。劉志賢等[22]在對黃土丘陵溝壑區(qū)不同立地條件下歐李生長狀況的研究中有相似的研究結果,0°和8°緩坡明顯好于20°徑流小區(qū)和38°陡坡坡面(p＜0.05),雖然靖亭亭等[23]指出坡位和坡向也是影響土壤水分空間變異的主控因子,但本研究中標準徑流小區(qū)在同一坡向上,而且面積小,坡位的影響可以忽略。本研究結果表明,在不同時段和不同土層深度,儲水量與變異系數的關系不盡相同,在大范圍上表現出土壤水分含量較高時,變異性較低,但在15°小區(qū)第5 a的4月,土壤儲水量較高,但是此時的變異程度也較大,已有的研究結果也不盡相同,有的認為二者之間正相關[17,23],有的認為負相關[24],也有認為沒有相關性[25],Penna等[26]研究發(fā)現土壤水分含量和變異系數之間先呈正相關,在土壤含水量26%～30%時變異系數為最大值,之后又呈負相關,而拐點的大小與土壤質地有關。本研究結果與Penna等的研究結果相似,但它可能是多個外部因子共同決定的,而具體的影響因子及影響機制期望能在下一步研究中得以解決。

降雨是土壤水分最主要來源,也是導致土壤水分值和變異系數在夏、秋季變化的主要因素[27],但并非所有降雨都對土壤水分有影響,降雨的入滲和遷移深度與降雨事件連續(xù)性、降雨量、降雨強度、初始土壤含水量等因素有關[28]。本文研究結果表明歐李生長期季內降雨量與土壤儲水量之間的相關性不顯著,這一方面是由于降雨歷時短而雨量大導致絕大部分降雨以坡面徑流的方式流失,只有少部分入滲到土壤淺層之中;另一方面是由于歐李的冠層截流和蒸發(fā)耗散。

利用Spearman秩相關系數法對不同栽植年限歐李坡面土壤儲水量的時間穩(wěn)定性進行分析中看到,相較于2 a時(rs＞0.7的比例分別為67.86%,57.14%,28.57%),第5 a(rs＞0.7的比例分別為75%,78.57%,78.57%)時土層的時間穩(wěn)定性提高了10.5%～175%,這說明到歐李在生長過程改變了原來土壤水分的時間穩(wěn)定狀態(tài),使不同深度土層土壤水分的相似性加強,即穩(wěn)定性更強,這種現象在15°的坡面表現更明顯。這主要是由于植物根系能夠使小粒徑團粒凝聚成更大粒徑的土壤團,增加土壤的孔隙度[29],為水分在不同土層之間的流動提供了通道,在外力作用下水分的轉移速度更快,也使得土層之間水分的相似性更高,時間穩(wěn)定性更高。

4.2 結論

在歐李生長過程中對不同坡度土壤水分的耗散相對較低,在5 a內土壤水分并沒有持續(xù)下降,土壤水分的變異處于中等以下(Cv＜25%),并使得土壤水分的時間穩(wěn)定性逐步增強,結合歐李在坡面的生長和坡面土壤水分含量及變化,認為“歐李+水平階”的坡面治理模式在黃土高原溝壑區(qū)10°以下坡面上實施有一定優(yōu)勢。但歐李影響下土壤水分含量與水分變異之間的關系尚不明確,有待于進一步深入研究。