黃土丘陵區不同土地利用類型土壤水分時空變異特征

朱樂天，焦 峰，劉源鑫，賀國鑫

（1.西北農林科技大學 資源與環境學院，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4.北京市面上天竺苗圃，北京 100621）

黃土丘陵區不同土地利用類型土壤水分時空變異特征

朱樂天1，焦 峰2，3，劉源鑫1，賀國鑫4

（1.西北農林科技大學 資源與環境學院，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4.北京市面上天竺苗圃，北京 100621）

以黃土丘陵區的延河流域為研究區域，分析了3個時期（雨季前、雨季中、雨季后）不同土地利用類型對土壤水分動態的影響。結果表明：在水平層面、垂直剖面上土地利用類型對土壤水分動態有著顯著的影響，農耕地土壤水分含量最高，并且對土壤水分含量影響最為明顯，使其保持在一個較高的水平；其次是天然草地、撂荒地、喬木林地、果園用地和幼林地；含量最低的為灌木林地。在垂直剖面上，雨季前干旱期為遞增型；雨季中濕潤期為遞減型和波動型；雨季后半濕潤期為先減后增型。從總體趨勢上來看，土壤水分的時空格局與降雨季節變化、植物蒸騰作用以及土地耕作利用方式密切相關。在延河流域，土地利用方式對土壤水分在不同的季節都具有顯著性的影響。在該流域的管理中，應充分考慮不同土地利用類型對土壤水分的影響，優化土地利用結構，使流域的治理達到最優。

土壤水分；土地利用類型；延河流域

土壤水分在干旱半干旱地區是土壤微生物、植物最主要的水源，是土壤肥力的最重要的因素之一［1］。相關文獻已經表明，土壤含水率同地表環境因素有著密切的聯系，受降雨、植被、地形、土壤質地和土地利用方式等的顯著影響［2］。黃土丘陵溝壑區屬干旱半干旱地區，由于人為活動的干涉，該地區土地利用類型呈現多樣化趨勢［3－5］。而土壤水分狀況又與土地利用方式密切相關，一方面土壤水分狀況影響到植被和農作物的生長，同時植被覆蓋和土地利用方式也影響著土壤水分的含量及其分布［6－8］。因此研究土地利用類型和土壤水分間的關系對植被建設、水土流失治理等方面具有十分重要的意義。本文通過使用經典統計學方法，對延河流域的水平方向和垂直方向土壤水分含量與該地區主要土地利用類型之間關系進行分析，從而為該流域內植被的建設以及土地合理利用方式提供可靠的科學依據。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

研究區延河流域位于陜北黃土高原中部，地理位置為36°21′－37°19′N，108°38′－110°29′E，干流總長286.9km，面積7 687km2。該流域屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候，年平均氣溫8.8～10.2°C，年均降雨量為520mm，其中6－9月降雨量占全年降雨量的75%以上。流域植被區劃屬于森林草原地帶。流域內土壤質地主要以黃綿土為主，土壤結構為粉沙質，由于幾千年來掠奪式的墾殖制度，濫砍濫伐，導致自然林草植被急劇減少，土面蒸發強烈，抗沖性差，水土流失嚴重，屬極強度侵蝕區［9－10］。流域主要土地利用類型包括：農耕地、灌木林地、喬木林地、果園用地、撂荒地、天然草地、幼林地，詳見表1。

1.2 研究方法

在流域內共選取7個典型土地利用類型，根據地形特征選取293個樣地。對各個樣地的立地條件進行了調查記錄。用烘干法測定0－20，20－40，40－60，60－80，80－100cm土層水分含量。測定時間分別為2010年5月底（雨季前）、8月初（雨季中）和11月底（雨季后），土壤水分含量采用土壤質量含水量表示。采用單因素方差分析（ANOVA）分析不同土地利用類型之間土壤水分含量的差異。

表1 流域各土地利用類型基本情況

2 結果與分析

2.1 土壤水分總體變化特征分析

通過圖1可以看出，在雨季前較為干旱的時期內，由于植被覆蓋不同，致使植被根系分布以及植被蒸騰作用相異，導致在沒有充分水分補給的情況下，土壤含水量處于凈消耗狀態，土地利用狀況對每一層土壤含水率都具有顯著的影響，尤其對0－20，20－40，60－80cm土壤的含水率影響極為顯著；在雨季中的濕潤時期，土地利用類型只對表層土壤0－20 cm和20－40cm具有顯著的影響，對深層土壤影響不顯著，其原因與水分下滲密切相關，由于處于雨季之中，降雨只對表層土壤的水分進行補給，接觸不到深層土壤，并且無法快速滲透到土壤深層，所以對土壤深層水分含量影響不大。因為不同土地利用類型的地表植被覆蓋程度不同，降雨對土壤水分補給有著顯著的影響；在雨季后半濕潤時期內，由于降雨補給之后，土壤水分的下滲以及植物的蒸騰作用，土地利用類型對0－20，20－40，40－60cm的土層有極為顯著的影響，對60－80cm和80－100cm的土層有顯著的影響。

圖1 不同時期土地利用類型對0－100cm剖面土壤水分影響F值分布

2.2 不同土地利用方式的土壤水分動態變化特征

土壤水分的季節性變化受該地區降雨的強烈影響，從總體趨勢上看，土壤水分季節性變化與當地氣候的季節性變化，尤其是降雨的季節性變化是一致的［11］。對不同時期土地利用類型與土壤含水量的關系進行單因素方差分析，雨季前、雨季中、雨季后3個時期的F值分別為2.587，4.525，3.194，其在0.05水平上的顯著性分別為0.019，0.001，0.006，都小于0.05，土地利用類型對土壤水分含量的影響極為顯著。

從表2分析可知，在這3段時期內，各土地利用類型的土壤水分變化格局相似，總體趨勢都是土壤水分含量隨著時間的推移先增后減，與延河流域一年中的降雨分布基本保持一致。農耕地和撂荒地具有較高的土壤含水率，這是因為農耕地通常地形平坦、且大多居于下坡易于接受更多的上坡徑流與壤中流的補充；同時農耕地經過長期耕作其表層疏松，土壤容重較小，可容納更多的雨水入滲；此外農作物多為淺耕性植被，其蒸發蒸騰作用主要集中在表層，而深層水分很少上升補給［12］；撂荒地是經過耕種，肥力下降的并荒廢的土地，其土壤物理、化學性質及周圍環境因素與農耕地較為相似，所以也含有較高土壤水分。喬木林地、灌木林地和天然草地在雨前雨后土壤含水量較低，經過雨中水分補給之后，土壤水分明顯有上升趨勢，但由于植物蒸騰作用強烈，在雨后土壤水分含量又快速回落到較低水平。其中以灌木林地最為明顯，在雨前雨后含水量與其他土地利用類型相比處于最低水平，主要原因是其多居于上坡且地形坡度較大；同時其表層緊實，土壤容重較大，其雨水入滲小，剖面持水量低，致使其含水量與其他土地利用類型相比始終處于較低的水平［13］。根據F值的檢驗，在3個不同的時期，延河流域的土地利用類型對土壤水分動態含量均有顯著的影響。

表2 不同土地利用類型土壤水分含量 %

2.3 不同土地利用類型的土壤水分剖面變化特征

圖2為不同土地利用類型在各個時期各層土壤水分含量。從圖2可以看出，在雨前干旱季節，總體上隨著土層加深土壤水分含量增多，呈現遞增趨勢。其原因是土壤水分由土壤水分損失與降雨補給決定。在表層0－20cm層次范圍內，該層土壤水分與其他各層土壤水分差異較大，表層土壤因為各種干旱氣候以及日光作用，水分蒸發量最大，并且沒有雨水的充分補給，所以致使深層土壤水分含量高于表層土壤水分含量。在雨前干旱狀態下，土地利用類型對土壤各個層次的影響都很顯著，各個層次以果園用地和農耕地土壤含水量最高，灌木林地土壤含水量最低。其原因與其地表覆蓋植被關系密切，果園用地覆蓋率小于灌木林地，并且由于灌木林地多處于上坡以及峁頂位置，土壤侵蝕嚴重，各種氣候條件較其他土地利用類型差，由植物蒸騰等作用引起的土壤水分耗散較大，所以果園用地土壤水分含量高于灌木林地。強烈的蒸騰耗水造成灌木林地的各層土壤都顯著比其他土地利用類型干旱［5］；在雨中濕潤季節，每種土地利用類型較雨前土壤含水量都有很大的提高。農耕地、喬木林地、撂荒地和灌木林地都隨著土層加深土壤水分含量減小，天然草地、幼林地和果園用地先增后減，屬于波動型。其原因由土壤水分的損失和土壤水分的降雨補給決定。降雨對表層土壤的土壤水分含量有極為顯著的作用，由于表層土壤比深層土壤更容易得到雨水的凈補給，因此表層土壤水分有了明顯的增高。其中以農耕地土壤水分含量最高，因為其種植多為玉米、豆子等谷物，葉面覆蓋率小，植物蒸騰作用較小，并且表層土壤經過長期耕作之后質地較為疏松，雨水更容易儲存和下滲，土壤水分補給最大，所以土壤水分含量最高。

圖2 不同時期不同土地利用類型土壤水分在0－100cm土壤剖面分布

0－100cm剖面內，農耕地和果園用地層次土壤水分變最為明顯，天然草地和灌木林地次之，撂荒地、喬木林地、幼林地層次土壤水分變化較為平緩；在雨后半濕潤季節中，隨著土層深度的增加，土壤水分總體趨勢先減后增。與灌木林地、天然草地、喬木林地、幼林地相比，農耕地和果園用地具有較高的層次土壤含水量。撂荒地在0－100cm剖面的層次含水量變化最為明顯。表層0－20cm土層比其它各層更容易得到水分的補給，而中間層次40－60cm土壤水分因植被根系分布的差異，造成水分消耗速度不同而差異顯，深層土壤水分補給小，消耗也小，所以沒有表層和中層差異顯著。

土壤水分時空變異是由多重尺度上的土地利用（植被）、氣象（降雨）、地形、土壤、人為活動等諸因子綜合作用的結果，但各個地區都有自己的重點尺度和主控因子，土壤水分時空變異的尺度和影響因子的選擇因時間、空間和尺度而異［12］。土壤水分的時空變異是地形、植被以及氣候等多因子綜合作用的結果，土地利用類型只是影響土壤水分含量重要的因素之一。在研究土地利用類型對其影響的同時，還可加入坡度、坡向以及降水等環境因素，從多方面對土壤水分含量進行分析，尋找其主要因素，為該流域水土保持治理提供參考。

3 結論

（1）土地利用類型在水平以及垂直方向，都對土壤水分有顯著影響。

（2）在土壤垂直剖面上，各土地利用類型的土壤水分動態變化總體趨勢與降雨保持一致。雨季前干旱時期，層次土壤水分含量呈遞增型；雨季中濕潤期，農耕地、喬木林地、撂荒地和灌木林地都屬于遞減型，天然草地、幼林地和果園用地屬于波動型；雨季后半濕潤期，層次土壤水分含量呈先減后增趨勢。

（3）不同土地利用類型之間，農耕地含水量最高；其次是天然草地、撂荒地和喬木林地、果園用地和幼林地；含量最低的為灌木林地。

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Spatio－temporal Varation Characteristics of Soil Moisture under Different Land Uses in the Loess Hilly Region

ZHU Le－tian1，JIAO Feng2，3，LIU Yuan－xin1，HE Guo－xin4
（1.College of Resources and Environment，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi712100，China；2.Institute of Soil and Water Conservation，CAS，Yangling，Shaanxi712100，China；3.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi712100，Chinaj；4.Beijing Tianzhu Nursery，Beijing，100621，China）

Effects of land use types on dynamic of soil moisture in three different periods（before the rainy season，at the rainy season，after the rainy season）in Yanhe basin were analyzed in this paper.The results show that the land use types have the significant influences on soil moisture on the horizontal and vertical scales，soil moisture of farm land is the highest and land use as farm land obviously influences soil moisture，which is followed by the natural grassland，bare land，woodland，orchard land and young forest land，and the soil moisture is the lowest in shrub land.In profile，the soil moisture increases along the depth of soil layer before the rainy season（drought period），the soil moisture decreases or fluctuates in the middle period of rainy season（humid period）.The soil moisture declines firstly and then it increase in the late rainy season.It can be seen that the spatio－temporal pattern of soil moisture is closely related to rainfall distribution，plant transpiration and land use.In Yanhe River basin，land use types significantly influence soil moisture in different seasons.It is essential for management of this river basin and optimal basin administration that the effects of different land use types on soil moisture are paid attention and the land use structure is optimized.

soil moisture；land use；Yanhe River Basin

S152.7；F301.24

A

1005－3409（2011）06－0115－04

2011－05－09

2011－06－10

中科院知識創新重要方向項目（KZCX2－EW－406）；國家重點基金（41030532）；中科院西部之光項目（2009y236）

朱樂天（1988－），男，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事GIS與土壤方向的研究。E－mail：zhuletian＿123＠163.com

焦峰（1967－），男，陜西三原人，副研究員，博士，主要從事GIS應用、水土保持與環境效應監測評價研究。E－mail：jiaof11＠126.com