側面蒸發條件下土壤水分及養分分布特征
——以黃土高原北部溝岸地為例

李 濤

(1.陜西華正生態建設設計監理有限公司，陜西 西安 710004；2.水利部 水土保持監測中心，北京 100055)

側面蒸發條件下土壤水分及養分分布特征
——以黃土高原北部溝岸地為例

李 濤1,2

(1.陜西華正生態建設設計監理有限公司，陜西 西安 710004；2.水利部 水土保持監測中心，北京 100055)

側面蒸發；土壤養分；土壤水分；黃土高原

為全面了解黃土高原北部地區溝岸地土壤水分養分的分布情況，為該區植被恢復和農業生產提供理論依據，采用野外調查取樣和室內分析相結合的方法，按照不同的距離，分析溝岸地土壤速效磷、速效鉀、有機質的特征，結果表明：①側面蒸發條件下，溝岸地土壤水分含量隨著距溝壁距離的增加有上升趨勢，雙側面蒸發導致土壤水分含量在東西兩側均低于單側面蒸發；②單側面蒸發條件下土壤有機質含量在0～20 cm土層和20～100 cm土層均低于對照，雙側面蒸發條件下土壤有機質含量則呈西高東低的趨勢；③單側面蒸發條件下土壤速效磷含量與對照差異不大，雙側面蒸發條件下土壤速效磷含量明顯高于對照，且呈中間高、靠近溝壁處低的規律；④側面蒸發對土壤速效鉀含量的影響不明顯。

黃土高原是世界上土壤侵蝕最嚴重的地區之一，受多種侵蝕營力作用，形成了一系列復雜而特殊的地形，如水流切割形成千溝萬壑的地貌特征，以及由于黃土的垂直節理發育，重力侵蝕造成侵蝕溝溝壁陡直等，進一步形成多種溝間地貌，如塬、梁、峁[1]。這些復雜的地貌特征與土壤侵蝕的關系密切，尤其是陡直裸露的切溝溝壁受到如太陽輻射、降雨和強烈的蒸發[2-3]等復雜的水熱條件影響，對土壤水分養分的分布也會有直接影響。在該地區，接近溝壁的溝岸地上林相較差，溝沿處向內20 cm左右幾乎無植被分布，說明溝壁強烈的側面蒸發作用致使溝岸地水肥條件較差。因此，研究溝壁側面蒸發條件下溝岸地土壤水分養分的分布規律和變化規律，有助于提高土壤水分養分資源的利用，并為該地區農業生產和生態恢復提供依據。

在地形對土壤水分養分分布的影響方面，國內外學者已經做了大量研究。MILLER et al.[4]發現，土壤特性及其小麥產量與坡位具有明顯的相關性，這些變異主要是由土壤侵蝕造成的。 CIHA[5]、GEIGER et al.[6]研究表明，微地形對土壤養分水分狀況具有明顯的影響。潘成忠等[7]認為，在黃土高原，坡地土壤水分養分含量的橫向變化大于縱向變化。霍竹等[8]認為，溝岸檸條坡地距溝沿不同距離的土壤剖面儲水量與溝沿距離間的關系可以用線性函數y=ax+b來表達。鄭紀勇等[9]通過進一步研究，認為距溝沿不同距離的土壤剖面儲水量增量與距溝沿距離間無明顯相關性，而距溝沿不同距離的土壤剖面儲水量與距溝沿距離間的關系用冪函數y=axb(其中a、b為經驗常數)表達更為可信。

本研究在黃土高原水蝕風蝕交錯區，通過對溝岸地(本研究中提到的溝岸地主要指黃土塬和溝間坪地)土壤水分養分含量的測定，從土層深度和距溝壁不同距離兩個方面確定單側溝壁蒸發條件下和雙側溝壁蒸發條件下土壤水分養分的分布特征，以期為該區植被恢復和農業生產提供理論依據，為進一步研究黃土高原水分養分特征提供研究基礎。

1 研究地區和研究方法

1.1 研究地區

本研究區域位于陜西省榆林市神木縣六道溝小流域，地理坐標為東經110° 21′～110° 23′、北緯38° 46′～38° 51′，海拔1 081.0～1 273.9 m。該區地處黃土高原向毛烏素沙地過渡地帶，同時也是以水力侵蝕作用為主的黃土丘陵區向以干燥剝蝕作用為主的鄂爾多斯高原過渡的地帶，為典型的蓋沙黃土丘陵區。氣候類型屬中溫帶半干旱氣候，特點是冬春季干旱少雨、多風沙，夏秋季多雨且多暴雨及冰雹。多年平均降水量為437.4 mm，降水量年內、年際變化較大，7—8月份降水量約占全年降水量的50%以上。年均氣溫8.4 ℃，≥10 ℃活動積溫為3 248.0 ℃，全年日照時間為2 837.7 h，年總輻射量為5.922 GJ/m2，年平均風速2.5～2.7 m/s，年最大風速為9.68～14.45 m/s(約6級)，全年大于5級風的時間為45 d，大于8級風的時間約16 d，秋末冬春盛行西北風，夏季盛行東南風。從植被區劃來講，該區屬于森林草原與典型草原的過渡帶。植被類型為干旱草原，地帶性植被為溫帶草原植被景觀，天然植被大部分已經遭到破壞，殘存的天然草場也已嚴重退化、沙化，長茅草、達烏里胡枝子、沙竹等沙生植物分布比較廣泛，沙柳、檸條、沙蒿等灌木、半灌木在該地區生態環境中占據著比較重要的地位。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇

所選擇的切溝走向為東西走向，屬于主溝道發育的二級支溝，溝深 12～15 m、寬 25～30 m、長大約100 m，溝道截面基本上呈U形。單側面蒸發條件下的樣地選擇在溝岸地寬約30 m的東側溝壁邊，雙側面蒸發條件下的樣地選擇在寬為6.0 m的溝間坪地上。樣地均為退化的苜蓿地，坡度均小于5°。樣點選取位置見圖1。

圖1 采樣點位置示意

1.2.2 樣品采集與測量管布設

單側面蒸發條件下樣品采集點為沿直線選擇距溝壁20、100、200、300 cm的4個點，對照樣點(CK1)選在距溝壁約700 cm處。雙側面蒸發條件下樣品采集點為沿直線選擇距東西兩側溝壁分別為20、100、300的5個點(中間點距東西兩側溝壁均為300 cm)，分別標記為E20、E100、M300、W100、W20(在測定水分時為提高分析精度，增設距兩側溝壁分別為200 cm的2個點E200、W200)，E表示東側，W表示西側，M表示中間，字母后的數字代表樣點距溝壁的距離，單位為cm；對照樣點(CK2)選在寬14～15 m的溝間坪地的中部。養分樣品采集深度為1 m，以20 cm為間隔；水分樣品采集深度為3 m，用土鉆法采集，以20 cm為間隔，采集完樣品后布設TDR測量管。

1.2.3 測定方法

土壤水分用烘干法測定，在105 ℃烘8 h；風干土過2 mm篩，采用HCl-H2SO4雙酸浸提法測定速效磷；風干土過0.25 mm篩，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質；速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度計法。

2 結果與分析

2.1 溝岸地水分分布特征

側面蒸發條件下溝岸地土壤水分剖面特征見圖2。由圖2(a)可知，溝壁的單側面蒸發作用致使溝岸地土壤水分整體較低，大部分接近萎蔫含水量，其作用強度隨距溝壁距離的增加而減弱，對距溝壁20 cm處土壤水分的影響最為顯著。單側面蒸發條件下，各樣點深度100 cm以上土層土壤水分無明顯差異；在深度100 cm以下， 同一土層深度上溝岸地土壤含水量隨著距溝壁距離的增加而增加， 含水量最低的為距離溝壁20 cm處，該處平均含水量明顯低于距溝壁100 cm處，且在100～260 cm深度處的土壤含水量均小于萎蔫含水量，260～300 cm深度的土壤含水量也接近萎蔫含水量。整體上隨著距溝壁距離的增加，土壤水分含量呈上升趨勢，但變化逐漸變小。

圖2 單、雙側面蒸發條件下溝岸地土壤水分剖面特征

由圖2(b)(c)可看出，雙側面蒸發條件下溝岸地土壤水分分布特征在東西兩個方向上略有不同。從西側來看，土壤水分含量低于萎蔫含水量的深度出現在約150 cm以下，并且距溝壁不同距離處同一深度的土壤含水量差異不大。從東側來看，平均含水量較西側略低，距溝壁20、100、200和300 cm處的土壤含水量開始低于萎蔫含水量的深度分別約為120、140、160和160 cm，隨著距溝壁距離的增加土壤含水量增加。

經取樣在實驗室測定，單側面蒸發條件下3 m深土壤儲水量為408.83 mm，雙側面蒸發條件下東西兩側測定范圍內(以中間為界)3 m深土壤儲水量分別為317.96和355.69 mm，即在測定范圍內單側面蒸發條件下土壤儲水量較雙側面蒸發條件下東西兩側儲水量分別高22.2%和12.9%。這說明雙側面蒸發條件下土壤水分虧缺比單側面蒸發條件下更為嚴重。

2.2 有機質含量特征

經取樣在實驗室測定并分析數據得知，0～20 cm土層土壤有機質含量雙側面蒸發條件下較單側面蒸發條件下高6.02%，而0～80 cm土層有機質含量則低18.95%，說明單雙側面蒸發條件下土壤有機質含量和分布不同。

據實驗室測定結果和圖3(a)可知，在雙側面蒸發條件下，溝岸地表層0～20 cm土壤有機質含量明顯高于下層，樣點E20、E100、M300、W100、W20的表層0～20 cm的有機質含量分別是0～80 cm土層平均值的4.58、2.92、2.54、2.23和1.92倍。20～100 cm深度土壤有機質含量的變化規律東西方向有所不同，溝岸地東側土壤有機質含量的變化無明顯規律，但對照和溝岸地西側，除W100處80～100 cm土層有機質含量略大于60～80 cm土層外，其余各樣點的土壤有機質含量都是隨土層深度的增加而減少。橫向來看，總體西側比東側高9.58%；與對照相比，溝岸地0～20 cm土層的有機質含量各樣點有高有低，無明顯規律，20 cm以下土層的有機質含量溝岸地東西兩側均低于對照。總體來看，溝岸地中部M300樣點的土壤有機質含量最低。

圖3 距溝壁不同距離處土壤有機質含量

注：圖上字母表示同一深度土層在距溝壁不同距離處養分含量的方差分析結果，字母不同表示在0.05水平上差異顯著，下同。

據實驗室測定結果和圖3(b)可知，單側面蒸發條件下，土壤有機質含量在0～20 cm土層最高，距溝岸地20、100、200、300 cm處各樣點的0～20 cm土層有機質含量分別是其0～80 cm土層平均值的4.58、2.92、2.54和2.23倍，對照樣點0～20 cm土層有機質含量為其0～80 cm土層平均值的1.92倍。隨土層深度的增加，各樣點土壤有機質含量的變化無明顯規律。橫向來看，除距溝岸地300 cm處樣點的60～100 cm土層土壤有機質含量顯著高于對照樣點60～100 cm土層外，溝岸地各樣點土壤有機質含量均不同程度地低于對照樣點同一深度的含量。經實驗室測定，距溝岸地20、100、200和300 cm處各樣點0～20 cm表層土壤有機質含量較對照樣點分別低6.34%、22.73%、26.98%和13.57%，即隨距溝壁距離的增加，0～20 cm表層有機質含量呈先減少后增加的趨勢；20～100 cm土層有機質平均含量各樣點則較對照樣點分別低60.90%、45.86%、43.61%和24.81%，即隨距溝壁距離的增加，20～100 cm土層有機質含量呈逐漸增加的趨勢。

2.3 速效磷含量特征

由圖4可看出，縱向上，在雙側面蒸發條件下，溝岸地東側和對照樣點土壤速效磷含量隨土層深度的增加先減小，后呈波動上升趨勢，而溝岸地西側除0～20 cm外為先升高后波動下降趨勢； 在單側面蒸發條件下，土壤速效磷含量在0～40 cm土層呈下降趨勢，40～100 cm則呈上升趨勢。橫向上，雙側面蒸發條件下溝岸地土壤速效磷含量顯著高于對照，且隨著距溝壁距離的增加土壤速效磷含量增加，溝岸地東側土壤的速效磷含量略低于西側；單側面蒸發條件下，溝岸地土壤速效磷含量整體而言與對照組差異不顯著，距溝壁200 cm處土壤速效磷含量最高，距溝壁300 cm處土壤速效磷含量最低，而在距溝壁20和100 cm處，表層土壤速效磷含量較低，底層土壤速效磷含量較高。

圖4 距溝壁不同距離處土壤速效磷含量

2.4 速效鉀含量特征

由實驗室測定結果和圖5(a)可知，雙側面蒸發條件下土壤速效鉀含量隨深度的變化無明顯規律，經測算相鄰土層土壤速效鉀含量的變化范圍為0.2%～27.1%；而對照樣點土壤速效鉀含量在0～80 cm隨土層深度的增加逐漸上升，80～100 cm略有下降，相鄰土層的變化范圍為0.3%～14.3%。由此可見，雙側面蒸發條件下不同深度土層土壤速效鉀含量波動較明顯。橫向來看，雙側面蒸發條件下土壤速效鉀含量整體水平低于對照，溝岸地東側略高于西側，溝岸地中部即M300處土壤速效鉀含量最低。

圖5 距溝壁不同距離處土壤速效鉀含量

由圖5(b)可知，單側面蒸發條件下，各樣點0～20 cm土層土壤速效鉀含量均高于下層土壤，除距溝壁300 cm處樣點80～100 cm土層速效鉀含量較60～80 cm土層升高20.7%外，其他各樣點20～100 cm深度相鄰土層速效鉀含量的變化均低于11.7%，變化不明顯。橫向來看，單側面蒸發條件下溝岸地土壤速效鉀含量均高于對照，0～20 cm土層土壤速效鉀含量在距離溝壁200 cm處陡然增至(189.91±5.34)mg/kg，其他各點在橫向上無明顯變化。

3 結論與討論

(1)側面蒸發條件下，溝岸地土壤水分含量隨著距溝壁距離的增加有上升趨勢，雙側面蒸發的土壤水分含量在東西兩側均低于單側面蒸發。單側面蒸發條件下各樣點土壤有機質含量在0～20 cm土層和20～100 cm土層均低于對照，雙側面蒸發條件下土壤有機質含量則呈西高東低的趨勢。單側面蒸發條件下土壤速效磷含量與對照組差異不大，雙側面蒸發條件下土壤速效磷含量明顯高于對照，且呈中間高、靠近溝壁處低的規律。

(2)土壤水分是土壤最主要的組成成分之一，也是植物生長的限制條件之一。研究發現，溝岸地距溝壁距離不同，同一土層的土壤含水量有明顯差異，并且距離溝壁越近差異越大。黃土高原北部地區侵蝕溝道兩側溝壁大都裸露，強烈的蒸發使土壤水分降低，造成土壤橫向水勢差，因此距溝壁較遠的土壤水分含量高，距溝壁越近蒸發越強烈、水分含量越低。在雙側面蒸發條件下，土壤水分橫向分布與單側面蒸發條件下土壤水分分布規律一致，但是由于該地夏季盛行東南風，東側溝壁受盛行風的影響，側面蒸發作用較西側強烈，因而東側水分比西側虧缺更嚴重。

(3)土壤有機質的累積受氣候、植被，還有地形、土壤營養元素、土壤質地、土壤pH值、人為活動等因素影響，隨距溝壁距離的增加，土壤水分含量升高，有利于微生物活動，土壤有機質應該呈降低趨勢，并且水分條件較好的對照樣點對微生物活動較有利，有機質不容易積累。但研究還發現，據溝壁越近，水分狀況越差，植物分布越稀疏，在靠近溝壁20 cm范圍內，幾乎無植物分布，這導致凋落物較少，因此出現前文分析的土壤有機質分布特征。同樣，在雙側面蒸發條件下，水分狀況較好的溝岸地西側有機質含量大于水分含量相對較差的東側，除微生物分解和凋落物歸還外，迎風面與背風面的差異也是最主要的原因之一。

(4)在雙側面蒸發條件下M300處土壤有機質含量最低，而土壤速效磷含量最高，對照土壤有機質含量較高，而速效磷含量最低；在單側面蒸發條件下，對照有機質含量略高于溝岸地，對照速效磷含量與溝岸地并沒有明顯差異，但數據方差分析結果顯示，土壤有機質較高處速效磷含量較低，反之，則高。

(5)溝岸地土壤速效鉀含量在橫向上無明顯的變化規律，但與對照相比，雙側面蒸發條件下溝岸地土壤的速效鉀含量略低于對照，單側面蒸發條件下則高于對照。土壤鉀的含量主要受成土母質的影響，速效鉀含量的影響因素則較多。

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(責任編輯 徐素霞)

S159

A

1000-0941(2017)04-0054-05

李濤(1987—)，男，陜西榆林市人，助理工程師，學士，主要從事水土保持研究、管理、技術工作。

2016-06-19