寧夏黃土丘陵區苜蓿土壤水分的時空變異特征

蔡進軍, 張源潤, 潘占兵, 董立國, 許 浩,王月玲, 季 波, 馬 璠, 韓新生, 李生寶

(寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所, 銀川 750002)

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寧夏黃土丘陵區苜蓿土壤水分的時空變異特征

蔡進軍, 張源潤, 潘占兵, 董立國, 許 浩,王月玲, 季 波, 馬 璠, 韓新生, 李生寶

(寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所, 銀川 750002)

土壤水分是影響半干旱區植被生長和生態修復的限制性生態因子，開展土壤水分變化研究對脆弱生態系統的恢復和生產實踐活動的指導都具有重要作用和實際意義。對半干旱黃土丘陵區苜蓿在時空尺度上土壤水分狀況的變化規律進行了分析。結果顯示：(1) 不同類型苜蓿土壤體積含水量的年際變化規律大致相同，生長季變化大致可分為三個時期：土壤水分消耗期(3—5月)、土壤水分相對穩定期(6—7月)和土壤水分積累期(8—10月)；(2) 以不同深度土壤體積含水量的變異系數為標準，可將土壤水分的垂直分布劃分為三個層次：0—20 cm土壤水分速變層、20—80 cm土壤水分活躍層和80—180 cm土壤水分相對穩定層；(3) 土壤體積含水量的坡向變化規律為西坡>北坡>南坡>東坡，不同年份規律大致相同，但有小范圍的波動，坡位變化規律為坡上<坡中<坡下，不同年份間的變化基本一致。

紫花苜蓿; 土壤體積含水量; 時空變異

土壤水分是土壤—植物—大氣連續體關鍵的重要因子之一，是影響半干旱區植被恢復和重建的核心生態因子之一，是土壤中養分流動和循環的重要載體之一[1]。土壤水分狀況受到降雨[2-4]、溫度、太陽輻射等氣象條件和植被種類[5-6]、覆蓋度等生物條件的影響，同時受到坡向、坡位、坡度等地形條件的影響。土壤水分狀況不僅存在空間尺度的差異，還存在著明顯的時間尺度變化，尤其是處于半干旱的黃土丘陵地區，降雨少而分布不均，土壤水分差異較大，分析土壤水分狀況時空尺度的差異規律，為脆弱生態系統的恢復和植被的合理重建提供理論指導和科技支撐。紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生優良牧草，用途廣，營養價值高，有“飼料皇后”和“牧草之王”的美譽[7]，是半干旱區的重要經濟作物，由于黃土丘陵區光照充足、蒸散量大、干旱少雨、且干濕季分明，土壤水分狀況成為影響紫花苜蓿生長的主要限制因子，研究其土壤水分狀況更具緊迫性，本研究選擇在典型半干旱區的黃土丘陵地帶，調查紫花苜蓿的土壤水分狀況，分析其土壤水分時空差異特征，對指導生產實踐活動具有重大的幫助和實際意義。

1　研究區概況與研究方法

1.1研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區固原市彭陽縣白陽鎮中莊小流域，地理坐標為東經106°41′—106°45′，北緯35°51′—35°55′，地貌類型屬于黃土高原腹地梁峁丘陵地，平均海拔1 600～1 700 m。流域氣候類型為典型的溫帶大陸性氣候，年平均風速2.7 m/s，年平均氣溫7.6℃，≥10℃的積溫為2 200～2 750℃，無霜期140～160 d，多年平均降水量442.7 mm，降水量集中且分配不均，主要集中在7—9月，年平均潛在蒸發量1 360.6 mm，干燥度為3.58[8]。土壤類型以普通黑壚土為主，pH值8～8.5。

1.2研究方法

土壤體積含水量采用德國產TDR時域反射儀法(Time Domain Reflectometry)進行觀測。選擇能夠代表半干旱黃土丘陵區的典型梁峁和坡面，分別在峁頂、東坡、西坡、南坡、北坡、上坡、中坡和下坡分別安裝TDR。研究地為2003年的退耕苜蓿地，現為多年生苜蓿地，在2007—2011年每年3—10月，每月上、中、下旬各測定一次，測定土層包括0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm，100—120 cm，120—140 cm，140—160 cm，160—180 cm，以HOB小型氣象站進行降雨量的觀測。數據處理采用Excel 2010軟件。

2　結果與分析

2.1土壤含水量的時間動態變化

以不同地形的苜蓿為基準，從2007—2011年連續監測苜蓿土壤體積含水量，研究苜蓿土壤體積含水量年際變化的總體特征。從圖1可以看出，不同地形苜蓿的土壤體積含水量的年變化規律大致相同，2007年逐漸增加到2009年，而后呈現緩慢降低的趨勢，但各地形苜蓿的土壤體積含水量有其自身的變化規律。不同年份土壤體積含水量的大小依次為2007年(11.6%)、2008年(12.8%)、2009年(15.2%)、2010年(14.5%)、2011年(14.5%)。苜蓿土壤水分的年際變化主要受到年內土壤水分的輸入和輸出影響，在沒有灌溉的前提下，年際降雨量是影響年際土壤水分輸入的直接氣象因子[9-10]，同一地區不同年份降雨及降雨時期的長短都存在差異，進而造成年際間土壤水分動態變化的差異[11]，土壤水分的輸出主要受到植被的蒸騰、植被覆蓋度、氣溫、太陽輻射、風速等條件的影響。

圖1　土壤體積含水量的年際變化

苜蓿土壤水分的生長季變化主要受到苜蓿生長節律、大氣降雨量和土壤蒸發的影響[12]，本文選取2008年3—10月份苜蓿的土壤體積含水量及各月份的大氣降雨量，用于分析苜蓿土壤體積含水量的生長季變化及大氣降雨量對土壤體積含水量季節變化的影響，如圖2所示，不同苜蓿的土壤體積含水量變化規律大致相同，從3月份到5月份苜蓿土壤體積含水量逐漸消耗降低，主要是因為從3月份開始氣溫回升，太陽輻射逐漸增強，苜蓿逐漸開始生長，雖然有少量的降雨，但是難以維持苜蓿的生長和發育，必須要消耗土壤中存儲的水分，土壤體積含水量逐漸下降。6—7月份苜蓿土壤體積含水量處于一個相對穩定的時期，隨著降雨量的逐漸增加，基本能滿足苜蓿生長對水分的需求，同時，7月份第一茬苜蓿進入開花初期，也是第一茬苜蓿刈割的時期。從8月份到10月份苜蓿土壤體積含水量逐漸積累增加，主要是8月份，雨季的到來，降雨量逐漸增多，正值苜蓿處于幼苗期，需水量小，降雨能夠滿足苜蓿的生長所需，且還有一部分降雨貯存在土壤中，增加土壤體積含水量；進入9月份以后，溫度降低，苜蓿生長緩慢，蒸騰量減小，且9月份的降雨是一年中最高的，土壤體積含水量逐漸增加；進入10月份，夜晚的最低溫度降到冰點左右，苜蓿生長受到抑制，蒸散量銳減，苜蓿進入第二茬的刈割期，土壤體積含水量再次增加。

由此可以看出，苜蓿土壤體積含水量的生長季變化大致可以分為三個時期：土壤水分消耗期(3—5月)、土壤水分相對穩定期(6月至7月)和土壤水分積累期(8—10月)。

圖2　苜蓿土壤體積含水量的生長季變化特征

2.2土壤含水量隨土層深度的變化

以2007—2011年這5 a的苜蓿各土層深度的平均值來分析不同土層深度土壤體積含水量的年際變化規律，從圖3可以明顯看出，不同土層深度苜蓿土壤體積含水量的變異情況差別很大，0—100 cm土壤體積含水量的變化范圍明顯大于100—180 cm，隨土層增加苜蓿土壤體積含水量的變幅依次為6.8%，5.5%，4.5%，3.4%，2.6%，2.1%，2.1%，1.9%，2%，基本呈現出隨土層深度的逐漸增加變幅逐漸減小，且減小的幅度逐漸縮小。5 a內隨土層加深苜蓿土壤體積含水量依次為15.5%，14.7%，13.8%，13.4%，13%，12.9%，12.9%，12.9%，12.8%，5 a的總平均大致規律為隨土層增加苜蓿土壤體積含水量逐漸減小，但總體差異較小。

為了更加明確地體現苜蓿土壤體積含水量垂直變化的年際情況，用變異系數Cv表示其變異特征，值越小表示土壤體積含水量的變異越小，反之則表示土壤體積含水量的變異越大[13]。隨土層增加苜蓿土壤體積含水量的變異系數依次為0.184，0.157，0.128，0.099，0.076，0.065，0.062，0.054，0.059，不同土層苜蓿土壤體積含水量變異系數的變化規律和變化幅度的規律相同。依據變異系數的大小[14-15]，將苜蓿土壤水分狀況的垂直分布劃分為三個層次：0—20 cm土壤水分速變層、20—80 cm土壤水分活躍層和80—180 cm土壤水分相對穩定層。隨土層深度的增加變異系數逐漸減小是因為在沒有灌溉條件下生長的苜蓿，只能依靠降雨輸入進入土壤，降雨后，表層土壤體積含水量迅速增加，深層土壤水分含量只有依靠表層土壤的滲透才能緩慢增加。雨量大時一部分存儲到土壤中，一部分被植物吸收利用和以物理蒸發的形式回到大氣中；雨量小時，可能全部用于植被吸收利用和物理蒸發，使表層土壤水分含量迅速增加后又降低，降雨前后土壤表層體積含水量的波動大于土壤深層，因而表層土壤體積含水量的變異系數較大，而深層土壤的較小。

圖3　土壤體積含水量隨土層深度的年際變化規律

以2008年3—10月份苜蓿各土層的土壤體積含水量來分析不同土層深度土壤體積含水量的生長季變化規律。如圖4所示，不同月份各土層深度苜蓿土壤體積含水量的差異很大。隨著土層深度的增加，土壤體積含水量依次為14.3%，14.5%，14%，13.7%，12.8%，12.4%，12.5%，2.6%，12.5%，總體趨勢表現為隨著土壤深度的增加苜蓿土壤體積含水量逐漸降低，但存在著小范圍的波動，變化特征總體上與年際差異規律相同。隨著土層增加，苜蓿土壤體積含水量的變化幅度特征依次表現為11.2%，13.7%，12.5%，10.1%，3.5%，0.9%，1.4%，1.5%，1.6%，變幅規律大致為0—80 cm處于一個較大的變化范圍，80—120 cm急劇下降，然后120—180 cm處于一個很小的變化幅度，生長季土壤水分變幅的變化規律與年際不同，但從數值上來說生長季的變幅(6.3%)大于年際的變幅(3.4%)，這可能與生長季的降雨量波動程度大于年際的降雨量波動程度有關。

利用變異系數Cv來表示生長季苜蓿土壤體積含水量的垂直變化情況，隨土層增加土壤體積含水量的變異系數依次為0.294，0.331，0.304，0.246，0.087，0.033，0.041，0.041，0.040，變異系數的變化規律與變化幅度的差異規律相同，總體上來說生長季的變異系數大于年際的變異系數，這可能主要還是由于降雨量的差異程度不同和苜蓿的生長節律造成的。

2.3土壤含水量的坡向和坡位變化

坡向和坡位是通過改變其他影響因子進而影響到土壤水分含量的，對土壤水分含量的變化起到間接的影響作用。苜蓿土壤體積含水量的坡向和坡位變化如圖5所示，苜蓿土壤體積含水量的坡向變化總體表現為西坡(14.4%)>北坡(14%)>南坡(13.5%)>東坡(13%)，峁頂的土壤體積含水量與北坡的相同，不同年份規律大致相同，但有小范圍的波動；坡位變化總體表現為坡上(12.8%)<坡中(13.9%)<坡下(14.3%)，不同年份間的變化基本一致。坡向和坡位的光照、溫度等小地形氣候的不同造成苜蓿土壤水分含量的差異。

圖4　土壤體積含水量隨土層深度的生長季變化規律

圖5　土壤體積含水量的坡向和坡位變化規律

3　結論與討論

水分是影響干旱半干旱地區植被生長和發育的重要生態因子之一，在半干旱的黃土丘陵區研究苜蓿土壤水分時空變化規律對指導農業生產和脆弱生態系統的恢復具有重要意義。

(1) 不同類型苜蓿土壤體積含水量的年變化規律大致相同，基本表現為從2007年逐漸增加到2009年，而后呈現緩慢降低的趨勢，但存在著微弱的變化，可能是由于年際降雨量的不同造成的。苜蓿土壤水分的年際變化主要受到年際降雨量、植被的蒸騰耗水、溫度、太陽輻射等條件的影響。朱寶文等[16]研究高寒針茅草原植物表明，土壤水分年際變化與年降雨量相關關系顯著，與本研究結果相同。

土壤水分的生長季變化主要受到大氣降雨季節差異、植被生長節律等條件的影響，苜蓿土壤水分的生長季變化大致可以分為三個時期：土壤水分消耗期(3—5月)、土壤水分相對穩定期(6—7月)和土壤水分積累期(8—10月)，主要是由于降雨的生長季節差異、苜蓿的生物學特性和當地的氣候條件引起的。3—5月份土壤水分消耗主要是由于降雨稀少，溫度逐漸升高，苜蓿生長逐漸旺盛，蒸散耗水量逐漸增大；6—7月份水分相對穩定是由于降水增多和苜蓿進入第一茬收獲期等造成的；8月份土壤水分含量增加是因為苜蓿處于幼苗期需水量相對較少和降水量增加；9月份水分增加主要是由降雨量引起的；10月份持續增加主要是因溫度較低和太陽輻射減弱等氣候條件引起的。包志剛等[17]研究大青山不同植被的土壤水分季節變化，土壤水分可分為3個時期，土壤失水期(4—6月)、土壤聚水期(7—9月)和土壤水分持續穩定期(10月到翌年3月)，季節變化規律和本研究生長季節的變化特征存在著一定的差異。孔亮等[18]研究黑龍江東部灌木林土壤水分表明，在整個生長季內，大氣降水是土壤含水量變化的重要控制因子，與本研究結果一致。

(2) 以苜蓿不同土壤深度的平均值來分析土壤體積含水量垂直分布的年際變化規律，變化幅度基本呈現出隨土層深度的增加逐漸減小的規律；5 a的土壤體積含水量總平均大致規律為隨土層增加呈現出逐漸減小的變化趨勢；變異系數的變化規律和變化幅度相同，王晶等[19]研究黃土丘陵區不同林地不同土層深度變異系數的變化特征，結果與本研究相同。以變異系數為標準，可將苜蓿土壤水分的垂直分布劃分為三個層次：0—20 cm土壤水分速變層、20—80 cm土壤水分活躍層和80—180 cm土壤水分相對穩定層。0—20 cm土壤表層的水分含量受降雨的直接影響，降雨經過土壤表層才能逐漸深入到深層土壤，表層土壤對降雨的響應最為敏感，土壤水分含量增加最快，但由于該層與大氣直接接觸，土壤自身的蒸發也是不容忽視的一部分，還有苜蓿的生長需要消耗該層的水分，故雨后土壤水分含量降低也最快，該層為土壤水分速變層。20—80 cm的土壤水分含量也存在明顯的波動，但幅度小于0—20 cm土壤，這與水分在土壤中的運移有關，降雨只能經過表層土壤才能運移到該層，一次降雨過小就只能影響0—20 cm表層的土壤水分含量，對該層無影響，且該層受土壤物理蒸發影響較小，所以變化幅度小于表層，故稱為活躍層。80—180 cm受降雨、土壤蒸發等的影響很小，該層的土壤水分含量是穩定的，但在強烈蒸散和枯水期有一定的調節作用，只有在降雨量較大的情況下，水分才能運移到該層，對于水量適中的降雨，大多數都保留在上層土壤，并用于苜蓿的生長所需，只有少量或沒有水分運移到該層，故該層為土壤水分相對穩定層。

以2008年3—10月份不同土層的土壤體積含水量來分析生長季的變化規律，土壤體積含水量隨土壤深度的變化規律總體上與年際的相同；變幅的變化規律與年際變化不同，但從數值上來說生長季的變幅(6.3%)大于年際的變幅(3.4%)；變異系數的變化規律與變化幅度的規律相同，總體上說生長季的變異系數大于年際的變異系數。劉強等[20]研究紅松人工人土壤水分的垂直變化得出，隨著土層加深，土壤含水率呈遞減的趨勢，主要是由于各層土壤質地、吸水力、水分垂直運動速度不同造成的，與本研究結果相同。王孟本等[21]按土壤含水量的變幅將土壤剖面分為活躍層、次活躍層和相對穩定層，與本研究結論基本相同。土壤水分含量的垂直變化主要是當地的時空條件決定的，旱季一般隨土層加深呈增長型，雨季一般呈降低型，植物的生長狀況也會影響到土壤水分含量的垂直變化，另外特殊的小地形等條件也會影響土壤水分的垂直分布。

(3) 坡向和坡位是影響土壤水分的重要地形因子[22]。苜蓿土壤體積含水量的坡向變化規律為西坡>北坡>南坡>東坡，不同年份變化規律大致相同，但有小范圍的波動；坡位變化規律為坡上<坡中<坡下，不同年份間的變化基本一致。一般情況下，西坡和北坡相對于東坡和南坡有較好的土壤結構、持水通透性能[23]，土壤水分含量的坡向變化主要是由于土壤結構和特性不同造成的。本研究中西坡土壤水分含量大于北坡可能是由坡向不同引起的局地降雨量不同造成的，在半干旱地區，北坡比西坡的苜蓿生長相對較好，生長消耗的水分也相對較多，也可能是造成土壤水分西坡稍高于北坡的原因。另外，坡向影響光照、溫度等外界環境條件，導致不同坡向土壤水分含量存在差異。同一坡面上不同坡位土壤水分再分配導致不同坡位土壤水分含量差異，小地形的氣候條件也會影響到不同坡位的土壤水分含量，土壤含水量的坡位變化還會受降雨的影響，降雨后不同坡位的土壤水分含量由于水分的大量輸入可能趨于一致，尤其是大暴雨。

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The Characteristics of Spatiotemporal Variability of Soil Water of Alfalfa Fields in Hilly and Gully Loess Regions of Ningxia

CAI Jinjun, ZHANG Yuanrun, PAN Zhanbing, DONG Liguo, XU Hao,WANG Yueling, JI Bo, MA Pan, HAN Xinsheng, LI Shengbao

(InstituteofDesertificationControl,NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan750002,China)

Soil moisture is one of the restrictive ecological factors affecting the growth of vegetation and ecological restoration in the semi-arid region, the research for variation of soil moisture has the important role and practical significance for guidance to fragile ecosystems restoration and production practices. The temporal and spatial scales of variation of soil moisture condition in alfalfa fields were analyzed in semi-arid loess hilly region. The results showed that: (1) the inter annual variation of soil volumetric water contents in different types of alfalfa fileds was substantially same, variations in the growing season could be roughly divided into three periods: the soil water consumption period (from March to May), relative soil moisture stabilization period (from June to July) and soil moisture accumulation period (from August to October ); (2) if the coefficients of variation of the soil volumetric water contents in different soil depths were set as the standard, vertical distribution could be divided into three layers in soil profile: soil moisture rapid change layer(0—20 cm), soil moisture active layer(20—80 cm), and soil moisture relative stabilizing layer(80—180 cm); (3) soil volumetric water contents decreased in the order: the west slope>north slope>south slope>east slope, the patterns of soil water contents were almost the same in different years in terms of the slope aspects, but there were small-scale fluctuations, the variation levels increased in the order: upper slope

Medicagosativa; soil water content; spatial and temporal variability

2015-08-12

2015-09-02

“十二五”國家科技支撐計劃課題(2015BAC01B01);寧夏科技支撐計劃重點項目(2012ZZS50);寧夏國際合作項目(2012ZYH169)

蔡進軍(1976—),男,寧夏平羅人,碩士,副研究員,主要研究方向:黃土丘陵區流域生態修復。E-mail:nxyccai@163.com

S152.7

A

1005-3409(2016)01-0075-05