植被類型和降雨量對溝谷地土壤水分和溫度空間分布的影響

徐 明， 張 健,*， 劉國彬， 董繼鑫， 石 露， 鄭明清

(1．黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室 中國科學院水利部水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100； 2．貴州大學生命科學學院， 貴州 貴陽550025； 3．中國科學院生態環境研究中心， 北京100086； 4．環境保護部信息中心， 北京 100029)

土壤水分和溫度是反映土壤環境的重要指標，對土壤中各種生物化學過程和非生命的化學過程都具有重要的影響。其中，土壤水分作為黃土高原植物生長發育的主要環境限制因子，對土壤侵蝕、溶質遷移和土壤-大氣之間相互作用等水文學過程以及土壤形成過程有著重要的影響[1]。土壤溫度是重要的土壤物理性質，可以影響植物的生長、發育和土壤的形成，如溫度條件可決定種子是否萌發，或影響環境條件中的其他因子(微生物活性、有機質分解和水分運動等)，從而間接影響植物的生長發育[2]。土壤水分和溫度之間也存在著相互作用關系，如水分作為能量傳遞的介質，可以影響溫度的變化；而土壤溫度的變化同樣影響水分的形態和運動的速率。由此可見，土壤水分和溫度影響著土壤中很多重要的物理、化學以及生物化學過程，獲取完整而準確的土壤水分和溫度時空分布數據在全球氣候變化、環境過程模擬、元素地球化學循環、土壤理化性質演變研究等方面都非常必要[3-4]。因此，深入了解土壤水分和溫度的分布及變化規律，將有助于提高我們對土壤中各種生態過程的認識。

黃土丘陵區是我國西部退耕還林還草及生態環境建設的重點區域[5]。黃土丘陵區的地貌單元可劃分為溝間地(或坡面，包括塬面和梁峁坡)和溝谷地(或溝道，包括溝坡和溝床/溝底)兩種主要形態[6]。溝谷地地貌在世界范圍內普遍存在，是流域泥沙的主要來源，也是黃土丘陵區生態恢復的重點關注地貌類型。對溝谷地植被的恢復和重建已經開展了大量的實踐工作[7]。然而，由于溝谷地坡陡溝深，僅有少量溝谷地土壤水分的相關研究成果[8-11]，而且有關黃土剖面土壤溫度分布特征的研究還鮮有報道。因此，本試驗選取代表性植被恢復模式和降雨量差異地區溝谷地土壤的水分和溫度的空間分布進行調查研究，以期為指導該區溝谷地地貌單元的植被恢復與重建工作提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜北安塞縣(E 108°51′44″～109°26′18″，N 36°22′40″～37°19′31″), 該區地形破碎，溝壑縱橫，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區。其中，梁峁坡地占全縣總土地面積的44.2%，溝谷地占36.4%[12]。氣候屬暖溫帶半干旱半濕潤氣候，年均降雨量為500 mm左右，且70%左右降雨多分布于6-9月，年平均蒸發量1 000 mm，無霜期160～180 d左右，年日照時數2 352～2 573 h， ≥10℃積溫2 866℃，年均氣溫8.9℃。土壤為黃土素母質上發育的黃綿土，土壤質地屬輕壤，田間持水量18.4%[13]，凋萎濕度 4%～5%[14]，毛管斷裂水含量10.0%。植被分區屬于暖溫帶森林草原過渡帶，天然森林已破壞，現有植被主要以刺槐(Robiniapseudoacacia) 和側柏(Platycladusorientalis) 等為主的人工林；以檸條(Caraganakorshinskii)和沙棘(Hippophaerhamnoides) 等為主的人工灌叢。

圖1 樣方設置示意圖
Fig.1 Schematic diagram of sampling quadrats (squares) in each study site along gully slope
注：對照為梁坡中部
Note: control plot sites at the middle of slope

表1樣地基本描述
Table 1 General conditions of experimental field

樣地Sites地點Locations經(E)緯(N)坐標Longitude (E) andLatitude (N)坡位Slopeposition坡向SlopeAspect坡度SlopeDegree/o海拔Elevation/m植被類型Vegetation types溝谷地G-RpG-CkG-NgG-XHKG-LDW真武洞鎮真武洞鎮沿河灣鎮西河口鄉鐮刀灣鄉109°18'22″E, 36°51'17″N109°18'55″E, 36°51'25″N109°15'38″E, 36°45'4″N109°00'52″E, 36°41'58″ N108°58'8″E, 37°13'24″ N每條溝道分西坡上部、西坡下部、溝底、東坡下部和東坡上部,共5個坡位S→N25～521100～1300刺槐林S→N25～591090～1250檸條灌叢S→N20～451080～1275鐵桿蒿草地S→N20～451290～1371鐵桿蒿草地S→N25～651207～1370鐵桿蒿草地坡面S-Rp沿河灣鎮109°16'01″ E, 36°45'43″ N梁坡中ES261241刺槐林S-Ck沿河灣鎮109°16'02″E, 36°45'38″ N梁坡中ES271235檸條灌叢S-Ng真武洞鎮109°18'54″E, 36°51'20″ N梁坡中ES201256鐵桿蒿草地S-XHK西河口鄉109°00'53″E, 36°41'57″ N梁坡中N231280鐵桿蒿草地S-LDW鐮刀灣鄉108°58'38″E, 37°13'24″ N梁坡中WS218301396鐵桿蒿草地

1.2 樣地選擇與土壤采集

研究主要考察不同植被恢復模式和不同降雨量對溝谷地深層土壤水分的影響。研究共涉及3種不同植被恢復模式溝谷地，分別位于土壤和氣候條件較為一致的(縣城附近)墩灘山流域和(沿河灣鎮)紙坊溝流域；選取植被代表了植物的3種生活型(表1)：喬木、灌木和草本，分別為人工喬木-刺槐林溝谷地(G-Rp)、人工灌木-檸條林溝谷地(G-Ck)和自然恢復-天然草地溝谷地(G-Ng)，樣地的相關植被和土壤屬性可詳見文獻[15-17]。同時，依據安塞縣空間上由北到南存在的天然降雨量梯度(變化范圍為400～550 mm)，選取安塞縣境內年均降雨量不同的3個天然草地(鐵桿蒿群落)溝谷地(表1)，分別位于鐮刀灣鄉(G-LDW，年均降雨量約為400 mm)、沿河灣鎮(G-Ng，年均降雨量約為500 mm)、和西河口鄉(G-XHK，年均降雨量約為550 mm)。同時為了更好反映出地區水分狀況，分別在每個溝谷地樣地周圍對應選取一個同樣植被類型的坡面樣地作為對照，其中對照坡面樣地主要涉及人工喬木-刺槐林(S-Rp)、人工灌木-檸條林(S-Ck)、天然草地(S-Ng)、西河口坡面天然草地(S-XHK)和鐮刀灣坡面天然草地(S-LDW)。

所選溝谷地均為南北溝，坡面對照樣地的坡向為東坡。每條溝道橫截面上設置5個不同坡位的采樣點，分別為：西坡上部 (W-upper)、西坡下部 (W-lower)、溝坡底部 (Bottom)、東坡下部 (E-lower)和東坡上部 (E-upper)。坡面對照樣地選取在東坡中部(圖1)。采用“土鉆法”取樣測定樣地土壤水分。取樣深度為500 cm，每隔20 cm取樣，105 ℃下烘干至恒重，用精度為0.01 g的電子天平稱重，計算土壤含水量。應用紅外線測溫儀THI-440NH(日本TASCO溫度計)測定土壤溫度，儀器0.8秒內可讀數，物體溫度為0～199℃時測量精度為±1℃以內，因此，應用該儀器測量剛鉆出的土壤溫度，可較為精確的反映深層土壤溫度的實際情況。

1.3 土壤有效水計算

(5) 土壤水分虧缺率RDSW(%)=SDSW/SFC×100%

式中，SSWC表示土壤儲水量(Storage of soil water content)；SFC表示土壤潛在儲水量(Potential storage of soil water content)；SDSW表示土壤水分虧缺量(Soil water deficit)；RDSW(%)為土壤水分虧缺率(Ratio of soil water deficit)；BDi表示第i層土壤容重(Bulk density)；θi表示第i層土壤含水量(Soil water content)；H表示土層厚度(Thickness of soil layer)；θWH表示萎蔫濕度(Wilting humidity，取4.5%)；θFC表示田間持水量(Field capacity，取18.4%)。有效水含量為土壤實際水含量至凋萎系數之間的含水量，虧缺量為田間持水量與土壤實際水含量之間的含水量。

1.4 數據統計分析

采用變異系數(CV=標準偏差/平均值×100%)反映溝谷地剖面不同深度土壤水分和溫度的變異程度，采用單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(LSD)方法分析不同處理之間的差異。采用 Excel 2010 和SPSS 19.0進行數據整理與處理。

2 結果與分析

2.1 溝谷地剖面土壤水分含量統計分析

剖面土壤水分變異系數的差異是剖面土壤水分差異大、變化較為劇烈的一種表征，也反映出土壤水分含量受植被或者氣候條件影響的程度。通過對不同溝谷地剖面土壤水分的平均值和變異系數進行統計分析(表2)。結果表明：土壤水分變異系數變化程度為刺槐溝 >檸條溝 >草地溝；溝谷地土壤水分的變異程度與植被生活型耗水能力一致。

降雨量差異對溝谷地土壤水分含量產生重要的影響。本研究統計了3條不同降雨量條件下溝谷地不同土層土壤水分的平均值和變異系數(表2)。不同降雨量地區溝谷地5 m剖面土壤水分平均值表現為西河口> 沿河灣> 鐮刀灣，土壤含水量變異系數表現為鐮刀灣 >沿河灣 >西河口。結果表明，400 mm降雨量的鐮刀灣溝谷地土壤水分含量明顯偏低，且溝谷地剖面土壤水分的變異系數最大，波動最劇烈。

2.2 溝谷地土壤水分剖面分布特征

不同植被恢復模式間溝谷地0～500 cm剖面土壤含水量空間分布存在明顯差異(圖2a,b,c)。其中，刺槐溝不同坡位間土壤水分的變化差異最大，與坡面刺槐林土壤水分相比，只有溝底水分含量高于對照，并且在大于4 m深的土壤水分出現虧缺，開始趨于土壤干化(表2)；天然草地溝坡位間土壤水分變化差異最小，各坡位土壤水分含量均高于對照坡面土，且土壤水分含量隨土層加深呈現逐漸增加趨勢；檸條溝坡位間土壤水分的變化差異介于刺槐溝和草地溝之間。總體上，溝道內土壤水分空間分布表現出隨著地勢的下降，土壤水分含量升高的趨勢；但不同植被類型間溝谷地土壤含水量存在明顯差異，表現為刺槐溝>檸條溝>草地溝。

表2 不同植被類型和降雨量條件下溝谷地剖面土壤水含量的平均值和變異系數Table 2 Mean value and coefficient variation of soil moisture in different vegetation types and precipitation gullies

注:不同小寫字母表示同一溝谷地不同土層間土壤水分含量差異顯著(P< 0.05)

Note:Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level among soil moisture in different soil layers at the same gully

不同降雨量地區間溝谷地0～500 cm剖面的土壤含水量空間分布存在明顯差異(圖2c,d,e)。其中，西河口和沿河灣溝谷地土壤含水量變化趨勢較為一致(表4)，且溝谷地各坡位的土壤含水量均高于對照坡面草地。而鐮刀灣溝谷地土壤水分空間分布情況與前兩個降雨量地區相比，表現出明顯差異。

圖2 不同植被恢復模式和不同降雨量地區溝谷地坡位間0～500 cm剖面土壤含水量
Fig.2 Soil water content along 0～500 cm profile at different gully positions associated with different vegetation restoration patterns and different precipitation regions
注：(a)刺槐溝谷地；(b)檸條溝谷地；(c)天然草地(沿河灣)溝谷地；(d)西河口溝谷地；(e)鐮刀灣溝谷地
Note:(a)R. pseudoacacia gully;(b)C. korshinskii gully;(c)Natural grassland(Yanhewan) gully;(d)Xihekou gully;(e)Liandaowan gully

2.3 溝谷地土壤儲水量剖面分布特征

不同植被恢復模式溝谷地坡位間的土壤儲水量分布存在明顯差異(圖3a,b,c)。總體上，刺槐溝的0～500 cm土壤儲水量呈先增加后降低的“凸面型”變化趨勢，而且刺槐溝只有溝底和溝坡下部的土壤儲水量高于對照；盡管外觀上刺槐溝的植被長勢良好，但土壤水分還是呈虧缺趨勢；檸條溝與草地溝在0～500 cm深度土壤儲水量呈“凹面型”變化趨勢、幅度較小，且總體高于對照。

不同降雨量地區溝谷地不同坡位上0～500 cm剖面土壤儲水量的空間分布存在一定差異(圖3c,d,e)。總體上，西河口和沿河灣溝谷地土壤儲水量變化趨勢較為一致；其中，沿河灣溝谷地各層土壤儲水量變異不大，隨土層加深西河口溝谷地土壤儲水量有逐漸增加趨勢(圖3d)。但隨地區降雨量下降到400 mm，鐮刀灣溝谷地剖面土壤儲水量有明顯降低趨勢(圖3e)。

2.4 溝谷地剖面土壤溫度統計分析

溝谷地0～500 cm剖面上土壤溫度表現為先下降后緩慢上升的變化趨勢，總體表現為：土壤上層(0～200 cm)溫度受到大氣環境溫度影響較大且夏季溫度較高，0～60 cm土壤溫度降幅最大，200～500 cm土壤溫度變化幅度較小(表3)。不同生活型植物群落下，溝谷地0～500 cm剖面土壤溫度表現為喬木 >草本 >灌木，變異系數呈現出草本 >灌木 >喬木。

圖3 不同植被恢復模式和不同降雨量地區溝谷地坡位間0～500 cm剖面土壤儲水量
Fig.3 Soil water storage along 0～500 cm profile at different gully positions associated with different vegetation restoration patterns and different precipitation regions
注：(a)：刺槐溝谷地；(b)：檸條溝谷地；(c)：天然草地溝谷地；(d)：西河口溝谷地；(e)：鐮刀灣溝谷地
Note:(a): R. pseudoacacia gully;(b): C. korshinskii gully;(c): Natural grassland(Yanhewan) gully;(d): Xihekou gully;(e): Liandaowan gully

不同降雨量溝谷地0～500 cm剖面上土壤溫度總體上表現隨土層加深而下降的趨勢，且0～100 cm溫度降幅最大(表 3)。不同降雨量條件下，溝谷地0～500 cm剖面土壤溫度的平均值表現為鐮刀灣 >西河口 >沿河灣，變異系數呈現出沿河灣 >西河口 >鐮刀灣。

2.5 溝谷地土壤溫度剖面分布特征

不同植被恢復模式間溝谷地0～500 cm剖面土壤溫度空間分布存在一定差異(圖4a,b,c)。總體上，3種不同植被恢復模式溝谷地土壤溫度的變化趨勢略有不同，0～60 cm土壤溫度變幅為草本 >灌木 >喬木，同一溝谷地內不同坡位間土壤溫度也略有差異，其中，刺槐溝不同坡位間較灌木溝和草地溝明顯。

不同降雨量溝谷地不同坡位上0～500 cm剖面土壤溫度的空間分布差異不明顯(圖4c,d,e)。總體上，地處3個不同降雨量梯度環境下天然草地溝谷地的土壤溫度變化趨勢略有不同，同一溝谷地內不同坡位間土壤溫度也略有差異；其中，沿河灣溝谷地土壤溫度明顯低于對照，西河口也有同樣趨勢且與對照相差幅度變小；鐮刀灣溝谷地不同坡位間土壤溫度的變化趨勢基本一致且與對照坡面草地土壤溫度也較為一致。

表3 不同植被類型和降雨量條件下溝谷地剖面土壤溫度的平均值和變異系數Table 3 Mean value and coefficient variation of soil temperature in different vegetation types and precipitation gullies

注: 同行不同小寫字母表示同一溝谷地不同土層間土壤溫度差異顯著(P< 0.05)

Note: Different lowercase letters in the same row indicate significant difference at the 0.05 level among soil temperature in different soil layers on the same gully

圖4 不同植被恢復模式和不同降雨量地區溝谷地坡位間0～500 cm剖面土壤溫度
Fig.4 Soil temperature along 0～500 cm profile at different gully positions associated with different vegetation restoration patterns and different precipitation regions
注：(a)：刺槐溝谷地；(b)：檸條溝谷地；(c)：天然草地溝谷地；(d)：西河口溝谷地；(e)：鐮刀灣溝谷地
Note: (a): R. pseudoacacia gully;(b): C. korshinskii gully; (c): Natural grassland(Yanhewan) gully; (d): Xihekou gully; (e): Liandaowan gully

2.6 溝谷地間土壤水分和溫度的比較

通過對不同植被恢復模式溝谷地的土壤水分和土壤溫度的獨立性配對T檢驗分析。不同恢復模式溝谷地間的土壤水分和土壤溫度都存在顯著性差異(表4)，表明溝谷地植被類型不同將會影響土壤水分和溫度的顯著性差異；具體表現出刺槐溝與檸條溝和草地溝間土壤水分差異顯著水平分別為P<0.001和P<0.001，土壤溫度差異顯著水平分別為P<0.001和P<0.05；而檸條溝與草地溝在土壤水分和溫度間均無顯著性差異。

不同降雨梯度溝谷地間的土壤水分和溫度均存在顯著性差異(表4)，具體表現為：除西河口與沿河灣在土壤水分間無顯著性差異(P=0.400)，其余均為顯著性差異P<0.001。結果表明降雨量不同可造成溝谷地土壤水分和溫度間的顯著差異。

表4 不同溝谷地間土壤水分和溫度的獨立性T檢驗Table 4 Differences in soil moisture and temperature among pairwise comparisons between gullies based on two-tailed paired t-tests and F test

2.7 溝谷地水分狀況統計

從不同植被恢復模式和降雨量梯度條件下溝谷地和坡面的土壤水分狀況統計分析來看(表5)，不同植被恢復模式間溝谷地的土壤有效水量表現出草地溝(672.24) >檸條溝(652.55) >刺槐溝(497.71)，且刺槐溝500 cm水分虧缺率最高為32.50%；溝谷地土壤水分狀況與降雨量梯度呈現正相關，即降雨量高的地區溝谷地土壤水分含量高；值得注意的是在降雨量400 mm的鐮刀灣溝谷地土壤水分虧缺率達到了64.30%，略低于坡面66.42%；表明這一地區的土壤水分狀況虧缺相當嚴重。不同植被類型間坡面土壤水分虧缺率表現為草地(40.73%)>檸條林(31.06%)>刺槐林(28.16%)。

表5 溝谷地土壤水分狀況分析Table 5 Analysis of gully soil water content

3 討論

土壤作為農業生產的基本資料和作物生長的重要環境條件，是一種疏松多孔的物體，由大小不等的微細土粒堆集而成，在固體顆粒之間是各種大小、形狀各異的孔隙，所以土壤是由固、液、氣三相組成的。土壤的固相包括礦物質和有機質，液相即土壤水分，氣相即土壤空氣。在土壤的組成部分中，固體部分的數量一般變化不大，而空氣和水的含量卻是經常變化的。因此，土壤的比熱容主要取決于其中水和空氣的含量。土壤水分的運動和土壤中熱量的傳輸是一個統一不可分割的動態系統[18]，研究土壤水分和溫度的分布特征，有利于揭示二者的變化規律。本研究分析了黃土丘陵區不同植被恢復模式和降雨量溝谷地地貌單元土壤水分和溫度的空間分布特征。

不同植被恢復模式對溝谷地的土壤水分和溫度的影響差異顯著。由于不同植被恢復模式的群落優勢種在生活型(喬、灌、草)上不同，他們在水分利用率、小氣候調節能力、土壤改善等方面對生境條件產生綜合影響，進而導致不同植被恢復模式溝谷地土壤水分和溫度的分異。3種不同植被恢復模式溝谷地土壤水分含量呈現出草地溝>灌木溝>喬木溝，這與不同植物生活型水分消耗能力吻合[18]，如不同生活型植物間根系分布深度及其對水分吸收利用的差異。3種不同植被恢復模式溝谷地土壤溫度的平均值呈現出喬木溝 >草本溝 >灌木溝，這與不同植物生活型的小氣候調節能力差異相關，由于不同生活型植被在形態上的明顯差異，通過對光照、風速、降雨等產生影響，進而影響著土壤溫度的變化，其中，喬木植被在微氣候調節方面優勢最大。

不同降雨梯度溝谷地間土壤水分和溫度存在差異。盡管調查地區都屬安塞縣境內，但在年均降雨量存在梯度差異(400～550 mm)。3個降雨梯度溝谷地0～500 cm剖面土壤平均含水量表現為西河口 > 沿河灣 > 鐮刀灣，這表面在半濕潤和半干旱條件的黃土高原溝谷地貌單元的土壤水分與降雨量條件一致，隨著溝坡變得更加陡峭及地區降雨量減少，在鐮刀灣地區溝谷地的一些坡位土壤含水量也會低于對照坡面草地。溝谷地0～500 cm剖面土壤溫度的平均值為鐮刀灣 >西河口 >沿河灣，變化趨勢與降雨量基本相反，這反映了土壤溫度與土壤水分的運動緊密聯系[19]；溝谷地在一定程度上由于地勢原因，會在接受太陽輻射能量方面相對于坡面有所減少，而土壤溫度的能量主要來源就是太陽的輻射能。因此，在西河口和沿河灣可以看出較為明顯的坡面與溝谷地在土壤溫度間的差異。鐮刀灣溝坡和坡面在土壤溫度上基本一致，與前兩者(西河口和沿河灣)的溝坡土壤溫度特征不一致，其主要原因可能是鐮刀灣地區溝坡系統土壤中含水量明顯不足，且幾乎沒有自由水，土壤與環境的熱量交換以空氣為媒介，可能是形成坡面與溝谷地間土壤溫度差異不明顯的重要原因。

4 結論

本研究基于不同植被類型(喬、灌、草)和相同植被類型(天然草地)不同降雨量(550 mm、500 mm、400 mm)梯度溝谷地空間(5個代表性坡位)上土壤水分和溫度的剖面分布特征的調查研究，以同一地區坡面對應植被類型樣地為對照，揭示了植被類型和降雨量梯度對溝谷地土壤水分和溫度分布的影響。

結果表明，不同植被類型溝谷地土壤水分和溫度間存在著顯著差異，不同生活型植物的生物學特性可以對植物群落土壤的水分和溫度產生分異。不同降雨梯度地區溝谷地土壤水分和溫度間存在顯著差異，降雨量差異可以對溝谷地的土壤水分和溫度產生顯著影響。因此，在黃土丘陵區溝谷地地貌植被恢復重建過程中，需要綜合考慮地區降雨條件，進而注意植被類型的配置，這將有助于促進地區生態環境的改善和提升。