黃土高原溝壑區不同植被對土壤水分分布特征影響

呂 渡, 楊亞輝, 趙文慧, 木熱提江·阿不拉, 藺鵬飛, 張曉萍

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌712100; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

土壤水分是黃土高原植物生長發育和生態環境重建的主要限制因子[1]，在土壤—植被—大氣傳輸體的水—熱—溶質耦合及運移中具有十分重要的位置，與土壤侵蝕水蝕營力的變化有密切關系[2-3]。坡面是黃土高原丘陵溝壑地貌的基本地形單元，植被是控制坡面侵蝕過程的關鍵因素，而土壤水分則成為植被進行調節和遏制坡面侵蝕發育的重要因子[4]。影響土壤水分分布的主要因子有地形[5]、降雨[6]、植被[7]等。在半干旱黃土高原區，溝壑縱橫，土層深厚(平均厚度超過50 m)，地下水埋藏深，人工植被廣泛分布等因素，使得黃土高原土壤水分的空間分布和影響因素存在自身特點[8]。很多學者分別從多種尺度對黃土高原水分空間分布規律進行了深入研究。其中在區域尺度，余新曉等[9]將林地土壤水分垂直變化分為3個層次：土壤水分弱利用層、土壤水分利用層、土壤水分調節層；胡良軍等[10]探討了黃土高原土壤水分在局部的微域分布規律及其與林草布局的關系；張建兵等[11]在新疆奇臺滿營湖綠洲—荒漠過渡帶研究不同植被覆蓋下土壤含水量的變化發現：植被覆蓋度越高，表層土壤(0—20 cm)的含水量越高；植被覆蓋對0—40 cm土層剖面土壤含水量的影響比較明顯，隨著土層深度的增加，其對土壤含水量影響逐漸減小。在流域尺度，胡偉等[12]在神木六道溝流域的研究認為：各層土壤含水量之間表現為中等變異，變異系數隨著土層深度的增加沒有明顯規律；王俊等[13]在甘肅中連川流域上游的研究得到坡向對土壤水分變異的影響最大，其次是土地利用類型，坡位的影響最小，土地利用類型只對上層土壤水分狀況具有顯著影響。李俊等[14]在黃土高原對不同植被類型的土壤水分研究中發現，人工林相比草地和次生林對土壤水分有較強的調節作用。而姚雪玲等[8]在羊圈溝的研究發現，坡面尺度上，土壤含水量的空間異質性主要表現在不同植被類型間，而不是坡位之間。綜合前人的研究結果，在小區尺度上，多植被覆蓋條件下土壤水分的對比研究還有待加強案例研究，利于揭示不同植被覆蓋類型的生態水文效應機理，深刻理解不同植被恢復條件下的生態水文過程。

本文利用王東溝流域不同植被覆蓋條件下的徑流小區，測定土壤含水量在土壤剖面上的分布，分析不同植被類型下土壤含水量的變化特征，為區域生態建設提供科技支持。

1 研究區概況

王東溝流域(北緯35°14′，東經107°41′)隸屬于黃土高原中南部的陜西省長武縣洪家鎮王東村，海拔940～1 220 m。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水584 mm,年均氣溫9.1℃，2004—2008年月均溫度見表1，無霜期171 d，地下水埋深50～80 m[15]。塬面地帶性土壤為黑壚土，流域侵蝕溝內是發育于黃土母質上的黃綿土。

表1 試驗小區2004-2008年月平均溫度

于2004年，在流域西南坡向、海拔1 150 m的自然坡面上修建9個試驗小區。本文選取其中草地、沙棘、油松、油松沙棘混交林等黃土高原造林模式中具有代表性的4個小區作為研究對象。沙棘(HippophaerhamnoidesL.)、油松(PinustabuliformisCarr.)均為黃土高原常見退耕還林樹種[16-17]。小區垂直投影面積100 m2(20 m×5 m)，坡度35°。各小區地表均有禾本科植被生長，草種類型有：白羊草[Bothriochloaischaemum(L.) Keng]、野古草(ArundinellaanomalaSteud.)、異葉敗醬(Patriniaheterophylla)、翻白草(PotentilladiscolorBge.)、艾蒿(Artemisiavulgaris)、賴草[Leymussecalinus(Georgi) Tzvel.]等。各徑流小區的基本資料統計見表2。

表2 試驗小區基本資料

2 研究方法

2.1 土壤水分

本試驗采用了CNC503DR型中子儀。確定中子儀標準計數。同時在中子管30—60 cm范圍內用土鉆取相同深度土樣進行烘干估算土壤容積含水量，率定中子儀法觀測結果，獲取各層土壤含水量。本研究中使用的智能中子水分儀的標準計數有兩種，分別為816，1 129。對應的標定方程分別為：

y=88.74x-1.184 (816計數)

(1)

y=57.136x-6.003 (1129計數)

(2)

式中：y為土壤體積含水量(%)；x為中子儀計數和標準計數之比。

測定深度均為5 m，剖面上共有30個實測層次。1 m內按10 cm層次量測，1—5 m按20 cm層次量測。測定時間為2013年5月—2014年4月一個完整水文年。11—12月、1—4月每月測定一次，5—6月按半月時間測定，7—10月每10 d一次，有降雨過程加密。處理數據過程中，按每月進行平均，剔除數據異常，共獲得10個月實際觀測數據。

(3)

(4)

式中：Ni為每小區中的測點數目；Nj為土壤水分觀測次數；Nk為土壤水分觀測深度數量。

2.2 土壤貯水量

普遍采用的土壤貯水量計算方法如下式所示：

Sk=10·h·θk

(5)

式中：Sk為k層土壤貯水量(mm)；h為土層間隔(cm)；θk為k層土壤含水量(%)。范圍內的土壤貯水量由各層土壤貯水量累加得到。

數據使用SPSS 18.0進行顯著性檢驗，利用Excel 2013進行圖形繪制。

3 結果與分析

3.1 不同植被覆蓋下土壤含水量的剖面分布及變異性

研究時段內對不同植被覆蓋下的土壤剖面含水量進行平均，見圖1。可以看出，不同植被覆蓋下都表現出，0—10 cm表層含水量最低，均在9%～10%，較前人在長武的研究結果偏小[18]，可能由于土壤的蒸騰較強烈，加上土壤表層含水量變異性較大，而一年的觀測期還不能完全消除其他因素對表層含水量的影響，還可能會與觀測儀器的誤差有關。10—20 cm土壤含水量迅速升高，20—500 cm土層呈現波動增加的變化特征。

不同植被類型間，0—20 cm土壤水分差異不大，在20—500 cm土層上，草地土壤水分含量明顯高于其他植被類型，且整體上隨深度的增加呈增加趨勢，見圖1。據我們對小區地表植被的調查發現，4種植被類型條件下，草地小區枯枝落葉層最厚，達2～3 cm。枯枝落葉的存在可以有效減弱土壤水分的蒸發[19]，同時草地根系分布較喬灌林地淺，深層土壤水分易于保持。

圖1不同植被覆蓋下2013年5月-2014年4月土壤含水量剖面上的變化特征

油松、沙棘和油松沙棘混交林地整體上土壤水分差異不大，均呈倒“S”型，但在150—400 cm土層上，油松林地明顯大于沙棘和油松沙棘混交林地。我們調查發現，沙棘林植被覆蓋度最大，達到74%，同時扎根深及3～8 m[20]，蒸騰作用劇烈，從而增加了對深層水的利用和消耗。

土壤含水量的變異系數越大說明土壤含水量變化越劇烈，反之則說明土壤含水量越穩定[21]。其變異性質與土壤理化性質密切相關[4]。通常認為：變異系數<0.1，為弱變異；介于0.1～1，為中等變異；大于1時，為強變異[22]。

觀測期內不同植被類型剖面上土壤含水量變異性見圖2。4種不同植被覆蓋剖面上土壤含水量均屬中—弱變異，均表現出隨著土層深度加大，變異系數逐漸減小的特征。地表0—100 cm土層內土壤含水量變異性最大，100 cm以后土壤水分變異系數趨于穩定。剖面上土壤水分的變異性，由于降雨性質(量、強度、歷時)完全相同，因而草、沙棘、油松等不同植被類型的地表特征、根系分布及耗水特性是主要原因[23]。從整體上看，草地和油松林地剖面上土壤水分相對穩定，變異性小，而沙棘和沙棘油松混交林剖面上土壤水分變異性大。草地根系較淺，油松為常綠喬木，剖面對土壤水分的吸持作用較為穩定。而沙棘具有生長茂盛，植被覆蓋度大，扎根很深，落葉性等生物學特性，對土壤水分的影響較大[24]。

3.2 不同植被覆蓋土壤水分的季節變化規律

觀測期內不同植被類型土壤含水量的月均分布見圖3。受降雨、植被耗水特征差異等因素影響，不同植被類型下月均土壤含水量均表現出波動中上升趨勢。2013年7月各植被類型下土壤含水量有較大增加，可以看出，與該月有170 mm降雨量輸入有關。隨著8月、9月份降雨量減少，土壤水分含量迅速降低。而在2013年11月—2014年2月，各樣地的水分變化特征較為一致，都呈現上升趨勢。可能是由于積雪升華造成的損失，導致積雪季節的總雪水當量大于實測值[25]，所以雖沒有降雨量的補給，但是研究區有少量降雪補充，加上此階段為一年中溫度最低時期(表1)，枝葉凋落，根系吸水微弱，生物活動降低，因此土壤水分反而有所積累。春季3月、4月份隨著溫度升高，植被開始新一輪生長發育，土壤水分復而減少降低。圖1可以看出，不同植被類型的月均土壤含水量與降水量補給、溫度變化和植被生長有密切關系，且月尺度土壤含水量滯后性不明顯。

圖22013年5月-2014年4月不同植被類型下剖面土壤含水量變異系數

圖3還可以看出，土壤剖面平均含水量與植被種類關系密切。草地小區平均土壤含水量在16.72%～20.86%變動，平均值為19.14%，其平均含水量顯著高于沙棘林地(p<0.05)，極顯著高于油松林地、油松沙棘混交林地(p<0.01)。而沙棘、油松、沙棘油松混交林地3種植被類型下的土壤含水量差異不顯著。但在整體趨勢上從2013年5月份—翌年2月份的觀測階段出現土壤含水量：草地>油松>沙棘>油松沙棘混交林。不同類型的植被根系垂直分布不同，這就導致其所能消耗吸收的土壤水深度不同，相對于林地和灌木林地而言，草地的淺根系特征是造成深層土壤含水量、平均含水量高于其他植被類型的主要原因。而不同植被對降雨截留量的不同也是造成土壤水分差異的原因。一般情況下由于其較大的冠層，林地截留量大于草地，本研究中油松沙棘混交林的郁閉度較大，可能是其土壤剖面平均含水量最低的原因。

受降雨、植物蒸騰和地面蒸散的影響，土壤含水量的季節性變化可以分為積累期、消退期、恢復期、穩定期和消耗期[9]。按春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月—翌年2月)4個季節，對不同植被類型下的土壤含水量進行時段平均，分析4種植被類型下平均土壤含水量隨季節的變化特征，見圖4。圖4表明，不同植被覆蓋類型下的土壤含水量，均表現出春季高，夏季驟降，秋季稍有恢復，冬季恢復至春季或甚至超過春季水平的趨勢。表明，春冬季為土壤含水量恢復期，而夏秋季為土壤含水量消耗期。這與植物的生物節律變化有極大關系。夏、秋季溫度較高，地面蒸散和植物蒸騰強烈，雖然這一階段為全年主要降雨補給期(210.4 mm)，但土壤水分含量最低，說明土壤水分的消耗大于補給。而春、冬季由于溫度較低，植被基本停止生長，根系吸水微弱，幾乎無地面蒸散，加上雨雪的補充等，土壤水分含量較高，說明補給大于消耗，土壤水分得以恢復。

圖3不同月份土壤平均含水量的變化

圖4不同植被覆蓋下平均土壤含水量的季節性變化特征

3.3 降雨對土壤貯水量影響的日尺度分析

降雨作為黃土丘陵區土壤水分的唯一來源，是土壤水分變化的決定性因素。研究證實，不同層次土壤水分狀況對降雨的響應是復雜的[26]，李洪建等[27]使用標準差和變異系數對黃土高原土壤水分剖面進行層次劃分：認為200 cm以上為活躍層，200—250 cm為過渡層，250 cm以下為穩定層。本文以200 cm為界限，分析了2013年6月1日—9月8日共100 d內土壤貯水量與降雨量關系的日序列變化見圖5。在0—200 cm剖面上，土壤水分貯量與降雨量具有很強的一致性，同時土壤儲水量變化相對降水具有滯后性特征[28]，但受植被截留、蒸發蒸騰、產流等作用影響，土壤儲水量的變化幅度小于降雨量。而200—500 cm剖面上，土壤水分貯量在日尺度上的變化表現得平穩，與降雨量關系不明顯。可見，降雨的作用對深層土壤水分含量影響作用較小。

圖5還可以看出，0—500 cm剖面上4種不同植被覆蓋類型土壤貯水量變化趨勢基本一致。草地貯水量最大，油松林地次之，沙棘林地和油松沙棘混交林地基本相同，說明降雨量是影響土壤貯水量時間上變化的主要因素，植被覆蓋的影響次之。

圖52013年6-9月土壤貯水量日動態變化

4 結 論

(1) 隨著土層深度的增加，草地小區土壤水分呈增加趨勢，沙棘、油松和沙棘油松混交林地呈倒“S”型。隨深度增加，土壤水分變異系數均為減小態勢，其穩定程度增加。沙棘林的存在加大了剖面上土壤水分的變異性。

(2) 0—500 cm剖面范圍內，草地小區土壤含水量在觀測期內均為最高。4個小區均表現出春冬土壤含水量較高，夏秋含水量較低的現象，表現出積累/恢復和消耗不同的兩個過程。

(3) 地表至200 cm剖面內土壤水分貯量受降雨量影響較大，200—500 cm剖面土壤水分貯量較為穩定。而不同植被的蒸發蒸騰作用加大了其差異性。

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