黃土丘陵區(qū)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(xué)院 汾河流域科學(xué)發(fā)展研究中心，山西 太原030012；2.山西大學(xué) 黃土高原研究所，山西 太原030006）

土壤水分是植被生態(tài)系統(tǒng)生物過程中重要環(huán)境因子［1］，在陸地水循環(huán)以及陸地—大氣交互作用中具有重要功能［2］，對(duì)半干旱區(qū)域土壤表層水和降水之間有很強(qiáng)的耦合作用［3］。在半干旱黃土丘陵區(qū)，土壤水是植被生長(zhǎng)需水的最主要來源，是限制植被類型、植被生長(zhǎng)和分布的主要影響因素，尤其該地區(qū)人工植被的生長(zhǎng)，對(duì)深層土壤水分的依賴更為強(qiáng)烈［4］。深層土壤水分的垂向分布特征對(duì)植被的根系分布和正常生長(zhǎng)有重要影響，是該區(qū)域人工植被生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)健康的重要水分來源［5］。在半干旱黃土丘陵區(qū)生態(tài)重建過程中，由于植被類型選擇不當(dāng)或生態(tài)重建缺乏科學(xué)指導(dǎo)，導(dǎo)致深層土壤水分過度消耗，出現(xiàn)利用性土壤干層的現(xiàn)象［6］，對(duì)深層土壤水分產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅，深層土壤干化現(xiàn)象成為區(qū)域性極為嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題［7－9］，因此在半干旱黃土丘陵區(qū)進(jìn)行科學(xué)合理的植被建設(shè)，必須要查清實(shí)際的土壤水分狀況。土壤水具有高度的時(shí)空異質(zhì)性［10－11］，其在空間分布上具有結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性并存的特征，對(duì)不同尺度下土壤水分空間變異規(guī)律揭示是目前土壤水分研究中一個(gè)熱點(diǎn)問題［12］。在不同的空間尺度上，土壤水分異質(zhì)性的影響因子有所不同［13］，分析土壤水分的時(shí)空分異性特征對(duì)半干旱黃土丘陵區(qū)生態(tài)重建以及植被合理配置具有重要作用。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤水分的空間異質(zhì)性已展開了相應(yīng)的研究［14－18］，國(guó)內(nèi)也從不同植被類型、空間尺度效應(yīng)、空間變異分析方法、環(huán)境因子影響等方面［19－24］對(duì)土壤水分的空間異質(zhì)性進(jìn)行了闡述，已有的研究雖然從多個(gè)方面分析了土壤水分空間變異，但對(duì)于半干旱黃土丘陵區(qū)多種植被類型、不同季節(jié)階段、深層土壤水分的時(shí)空分異性特征研究還鮮有報(bào)道，比較不同植被下深層土壤水分時(shí)間、空間尺度上的分布規(guī)律和異質(zhì)性特征，對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)生態(tài)保護(hù)和生態(tài)重建具有重要作用。本研究以地處晉西北的岢嵐縣為目標(biāo)研究區(qū)域，選擇土壤水分大量失墑期的4—7月份進(jìn)行土壤樣品采集，對(duì)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(shí)間階段上的時(shí)空分異性特征進(jìn)行研究，以期為當(dāng)?shù)氐娜斯ぶ脖唤ㄔO(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣點(diǎn)選擇在晉西北半干旱黃土丘陵區(qū)的岢嵐縣高家會(huì)鄉(xiāng)羊圈會(huì)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(fēng)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(qū)域分布很不均勻，平均而言，隨海拔增高降水量增大，山區(qū)降水多于平川，南部山區(qū)多于北部山區(qū)。降雨季節(jié)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(nèi)主要土類有灰褐土、棕壤、山地草甸土和草甸土，有機(jī)質(zhì)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(tài)環(huán)境問題較為嚴(yán)峻。

1.2 土樣采集與分析

根據(jù)研究區(qū)人工植被和自然植被的現(xiàn)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(duì)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(shí)間在2013年4—7月份中每個(gè)月的22—26號(hào)，采樣時(shí)間內(nèi)無明顯降雨，土壤水分的變化不大。每種植被樣地選3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)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(nèi)并用膠帶密封。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用烘干法進(jìn)行土壤水分含量測(cè)定，在105℃高溫條件下，連續(xù)烘干24h，達(dá)到恒重后稱重，依據(jù)公式計(jì)算。將樣地中每層3次采樣所測(cè)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(shù)據(jù)分析方法

采用描述性統(tǒng)計(jì)分析、單因素方差分析、多因素交互分析、變異系數(shù)法等方法學(xué)來對(duì)研究區(qū)域不同植被類型土壤水分的時(shí)空異質(zhì)性進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算在軟件SPSS 16.0內(nèi)完成，制圖在軟件OriginPro 8.0內(nèi)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析

不同植被類型在不同月份土壤含水量數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)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(shù)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(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)指標(biāo)差異明顯。對(duì)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(shù)表現(xiàn)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(shù)為7月＞6月＞5月＞4月；小葉楊林土壤水分含量數(shù)據(jù)最小值同樣出現(xiàn)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(shù)表現(xiàn)為：5月＞7月＞6月＞4月。從水分含量數(shù)據(jù)極差的分析結(jié)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(gè)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(shù)據(jù)的變異系數(shù)值均未超過30%，表明土壤水分含量數(shù)據(jù)不具有較大的空間離散特性。統(tǒng)計(jì)結(jié)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(shù)據(jù)符合正態(tài)或近似正態(tài)分布特征。

表1 不同植被土壤水分含量數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析

2.2 不同植被土壤水分垂向分布的時(shí)空異質(zhì)性

3種植被4個(gè)月份內(nèi)在0—600cm土層深度內(nèi)土壤含水量如圖1所示。3種植被4個(gè)月份內(nèi)土壤含水量變化范圍在3.34%～17.19%之間。本次采樣時(shí)間在4—7月內(nèi)，該時(shí)間階段正處于晉西北春末夏初季節(jié)，溫度逐漸升高，野外采樣前研究區(qū)內(nèi)無有效降水，因此表層土壤水分蒸發(fā)較為強(qiáng)烈，受此因素影響，3種植被在0—100cm土層范圍內(nèi)的含水量沒有為最大值。對(duì)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(diǎn)，在交叉點(diǎn)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(gè)月份內(nèi)的含水量近似表現(xiàn)為先升高后降低再升高的趨勢(shì)，其中在0—100cm土層深度范圍內(nèi)升高，100—200cm土層范圍內(nèi)降低，200—600cm土層范圍內(nèi)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(fā)較為強(qiáng)烈，所以表層含水量在0—100cm內(nèi)為升高。由于稀疏荒草根系淺，對(duì)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(dá)到最低值后，土壤含水量又繼續(xù)升高，4和6月份在100—200cm深度內(nèi)降低趨勢(shì)變化較大，而5和7月份在該深度內(nèi)降低較為輕緩。檸條林在4個(gè)月份內(nèi)的變化沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，在4月份表現(xiàn)為0—100cm范圍內(nèi)先降低，100—200cm范圍內(nèi)升高，200—600cm范圍內(nèi)輕緩降低，5月份為0—200cm深度內(nèi)先升高，200—600cm范圍內(nèi)輕緩降低，6月份為0—100cm范圍內(nèi)先降低，100—200cm范圍內(nèi)升高，200—600cm范圍內(nèi)輕緩降低，7月份表現(xiàn)為0—100cm范圍內(nèi)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(nèi)先升高，4和6月份在0—100cm內(nèi)先降低，淺層土壤含水量受季節(jié)以及外界環(huán)境影響因素較大，沒有明顯的規(guī)律。檸條的根系主要分布在0—200cm范圍內(nèi)，對(duì)200cm深度土層需水量較大，200—600cm范圍內(nèi)均出現(xiàn)了輕緩降低的趨勢(shì)。小葉楊林在4和6月0—100cm范圍內(nèi)降低，5和7月0—100cm范圍內(nèi)升高，除7月100—200cm范圍內(nèi)降低，其它規(guī)律均表現(xiàn)為100—200cm 內(nèi)升高，200—400cm 內(nèi)降低，400—600cm范圍內(nèi)再輕緩升高，與撂荒地及檸條林對(duì)比來看，淺層土壤水分受季節(jié)和環(huán)境影響因素沒有明顯規(guī)律外，對(duì)于深層土壤200—600cm范圍內(nèi)，土壤含水量大小和變化規(guī)律受時(shí)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(xiàn)出較大的時(shí)空異質(zhì)性特征，為進(jìn)一步揭示不同植被類型土壤水分含量的相關(guān)性和差異性，對(duì)3種植被的土壤水分含量數(shù)據(jù)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(guī)律趨勢(shì)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(duì)不同月份下各植被類型土壤含水量進(jìn)行單因素方差分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，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(chǔ)上，對(duì)各月份各植被類型土壤含水量進(jìn)行多重比較，比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出顯著差異，這可能是檸條林和小葉楊林在不同月份生長(zhǎng)對(duì)水分需求量的差異造成的。通過對(duì)月份和植被類型這兩個(gè)土壤含水量的顯著因素進(jìn)行雙因素交互作用分析，發(fā)現(xiàn)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(shí)間的變化各植被類型的土壤含水量會(huì)發(fā)生顯著變化，但不會(huì)對(duì)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(zhuǎn)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(zhǎng)深度以及土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)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(shù)反映不同植被含水量的空間變異情況。變異系數(shù)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(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，根據(jù)已有研究結(jié)論，變異系數(shù)≤10%屬于弱變異性，10%＜變異系數(shù)＜100%屬于中等變異性，變異系數(shù)≥100%屬于強(qiáng)變異性。不同植被在0—600cm范圍內(nèi)每層的變異系數(shù)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(shù)值隨深度變化總體上表現(xiàn)為先升高后降低再升高的趨勢(shì)，但個(gè)別土層深度內(nèi)變異系數(shù)值差異明顯。4個(gè)月份的土壤含水量變異系數(shù)值在0.73%～62.24%范圍內(nèi)，除部分深度土層內(nèi)的變異系數(shù)值超過40%外，其它絕大多數(shù)土層的變異系數(shù)值在30%以內(nèi)，表明土壤含水量在總體分布上具有較大的穩(wěn)定性，但存在局部很強(qiáng)的離散特性。4月份變異系數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)值隨土層深度變化情況來看，對(duì)于3種植被在4個(gè)月份中，變異系數(shù)值在100—300cm土層內(nèi)的變化最大，且變異系數(shù)高值部分也大多出現(xiàn)在該范圍土層內(nèi)，這與含水量在該土層范圍內(nèi)的分布有一定聯(lián)系，撂荒地、檸條林和小葉楊林在該土層范圍內(nèi)含水量呈現(xiàn)不同的降低或者升高趨勢(shì)，表明土壤含水量與植被生長(zhǎng)需水量、植被根系生長(zhǎng)深度以及環(huán)境變化等存在密切關(guān)系，從變異系數(shù)值上來看，變異系數(shù)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(shù)變化

3 結(jié)論

（1）3種植被淺層土壤（0—100cm）剖面土壤水分含量在4個(gè)月份內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的時(shí)空異質(zhì)性特征，受植被根系深度以及生長(zhǎng)需水量的影響，檸條林和小葉楊林在200—600土層深度范圍內(nèi)含水量有明顯的趨勢(shì)效應(yīng)，且植被生長(zhǎng)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(shí)間變化具有相應(yīng)的變化響應(yīng)。

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

［1］ Legates D R，Mahmood R，Levia D F，et al.Soil moisture：A central and unifying theme in physical geography［J］.Progress in Physical Geography，2011，35（1）：65-86.

［2］ Montzka C，Moradkhani H，Weihermüller L，et al.Hydraulic parameter estimation by remotely-sensed top soil moisture observations with the particle filter［J］.Journal of hydrology，2011，399（3）：410-421.

［3］ Koster R D，Dirmeyer P A，Guo Z，et al.Regions of strong coupling between soil moisture and precipitation［J］.Science，2004，305（5687）：1138-1140.

［4］ Chen Hongsong，Shao Mingan，Li Yuyuan.Soil desiccation in the Loess Plateau of China［J］.Geoderma，2008，143（1）：91-100.

［5］ 楊磊，衛(wèi)偉，陳利頂，等.黃土丘陵溝壑區(qū)深層土壤水分空間變異及其影響因子［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，28（4）：355-362.

［6］ 王晗生.旱區(qū)經(jīng)營(yíng)人工植被對(duì)土壤干化過程的調(diào)控［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2011，26（4）：562-577.

［7］ 楊磊，衛(wèi)偉，陳利頂，等.半干旱黃土丘陵區(qū)人工植被深層土壤干化效應(yīng)［J］.地理研究，2012，31（1）：71-82.

［8］ 趙景波，孫桂貞，岳應(yīng)利，等.關(guān)中平原人工林地的干層及其成因［J］.地理研究，2007，26（4）：763-772.

［9］ 牛俊杰，趙景波，王尚義.汾河流域上游人工林地深層土壤干燥化探討［J］.地理研究，2007，26（4）：773-781.

［10］ Martinez C，Hancock G R，Kalma J D，et al.Spatiotemporal distribution of near-surface and root zone soil moisture at the catchment scale［J］. Hydrological Processes，2008，22（14）：2699-2714.

［11］ Stoyan H，De-Polli H，B?hm S，et al.Spatial heterogeneity of soil respiration and related properties at the plant scale［J］.Plant and Soil，2000，222（1／2）：203-214.

［12］ 畢華興，李笑吟，劉鑫，等.晉西黃土區(qū)土壤水分空間異質(zhì)性的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（5）：59-66.

［13］ 姚月鋒，滿秀玲.毛烏素沙地不同林齡沙柳表層土壤水分空間異質(zhì)性［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（1）：111-115.

［14］ Zhao Long，Yang Kun，Qin Jun，et al.Spatiotemporal analysis of soil moisture observations within a Tibetan mesoscale area and its implication to regional soil moisture measurements［J］.Journal of Hydrology，2013，482（3）：92-104.

［15］ Savva Y，Szlavecz K，Carlson D，et al.Spatial patterns of soil moisture under forest and grass land cover in a suburban area，in Maryland，USA［J］.Geoderma，2013，192（1）：202-210.

［16］ Maeda K，Tanaka T，Park H，et al.Spatial distribution of soil structure in a suburban forest catchment and its effect on spatio-temporal soil moisture and runoff fluctuations［J］.Journal of Hydrology，2006，321（1）：232-256.

［17］ He′brard O，Voltz M，Andrieux P，et al.Spatiotemporal distribution of soil surface moisture in a heterogeneously farmed Mediterranean catchment［J］.Journal of Hydrology，2006，329（1／2）：110-121.

［18］ Korres W，Reichenau T G，Schneider K.Patterns and scaling properties of surface soil moisture in an agricultural landscape：An ecohydrological modeling study［J］.Journal of Hydrology，2013，498（8）：89-102.

［19］ 姚雪玲，傅伯杰，呂一河.黃土丘陵溝壑區(qū)坡面尺度土壤水分空間變異及影響因子［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32（16）：4961-4968.

［20］ 馬曉東，李衛(wèi)紅，朱成剛，等.塔里木河下游土壤水分與植被時(shí)空變化特征［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（15）：4035-4045.

［21］ 王存國(guó)，韓士杰，張軍輝，等.長(zhǎng)白山闊葉紅松林表層土壤水分空間異質(zhì)性的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21（4）：849-855.

［22］ 蔡慶空，蔣金豹，崔希民，等.環(huán)境因子對(duì)土壤水分空間異質(zhì)性的影響：以北京市懷柔區(qū)為例［J］.山地學(xué)報(bào)，2013，31（3）：294-299.

［23］ 黃奕龍，陳利頂，傅伯杰，等.黃土丘陵小流域土壤水分空間格局及其影響因素［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2005，20（4）：483-492.

［24］ 尹傳華，馮固，田長(zhǎng)彥，等.塔克拉瑪干沙漠邊緣檉柳對(duì)土壤水鹽分布的影響［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2007，27（5）：670-675.