黃土丘陵區深層土壤水分空間分布特征研究

趙佰禮，李元臻，張曉華，李文海，李 琳，范之軍，楊 雄

(1.武威市生態建設(集團)有限公司，甘肅 武威 733000；2.武威市人力資源與保障局 人才交流開發服務中心，甘肅 武威 733000)

1 引言

土壤水分是黃土高原生態恢復和植被生長的限制因素[1]。伴隨著黃土高原生態環境的改變，土壤水分愈來愈成為生態恢復和植被建設的關鍵因子[2,3]，對區域生態健康和穩定有重要作用[4]。黃土高原地區土地植被承載力取決于土壤水分的植被承載力[5]。土壤水分在不同的土層變異程度不同，且不同坡位、不同坡向和不同深度的土壤水分存在顯著差異[6]，不同土地利用方式土壤含水量在土壤剖面上下層的表現不一樣[7]，受季節變化和地上植物生長情況的影響較大[8]。地形和土壤質地是影響深層土壤水分的主要因素[9,10]，土地利用和地形在小流域尺度上對土壤水分具有顯著的交互作用[11]。黃土高原土壤水分具有顯著的區域分異和微域分異特征，這種分異特征決定著該區植被類型及生長狀況的空間布局[12]。土壤水分在垂直方向和水平方向的變異程度為弱變異，在坡長方向、二維平面和三維平面為中等變異[13]。小流域坡面和溝道土壤水分表現出明顯的季節特征和年際特征[14]。黃土區土壤剖面水分具有明顯的空間分布規律，水平方向由東南向西北遞減，垂直方向先減小后增大[15,16]。土壤水分變異性會對水文過程和土壤形成產生顯著影響[17]。降雨難以補償深層土壤水分的過度消耗，導致土壤水分嚴重虧缺[18]。土壤儲水量在不同地形條件下季節性和年際分布差異明顯[19]。土壤水分在水平和垂直方向都表現出明顯的空間異質性，在不同方向上的水分控制過程有所不同，是眾多因素相互作用的結果[20]。趙伶俐等[21]應用統計學和地統計學方法分析了寧夏南部干旱半干旱黃土丘陵地土壤水分的空間變異性，得到表層土壤水分空間分布破碎化程度較高，深層土壤水分整體分布相對均勻，劉嬌等[22]對臭柏群落土壤水分空間分布特征進行研究，結果表明：在坡位、坡向和林內外植被影響下，土壤含水量存在顯著差異(P<0.05)，有學者選取典型高寒干旱荒漠區對不同年代栽植的檸條土壤水分進行研究，得出植被恢復年限越長，土壤含水量越低[23]。奚成剛等[24]采用典型樣地調查與自動連續監測相結合的方法，對土壤水分分布情況進行了觀測，并對土壤水分的空間分布特征進行了分析，結果表明：不同土層，不同坡位土壤含水量表現出顯著差異。楊凱悅等[25]對不同深度、不同生長階段中間錦雞兒人工林土壤水分進行連續監測，分析不同深度的土壤水分的分布狀況，得到不同深度的土壤水分都具有顯著的差異性和相關性。翁倩等[26]對四川省土壤水分狀況空間分布進行研究，結果表明：土壤水分狀況區域差異明顯，整體呈現“東濕西干”的空間分布特征征。

本研究以黃土丘陵區為研究區域，采用網格布點法選擇樣地，對整個紙坊溝小流域不同土地利用類型在各種地形條件和不同退耕年限的土壤水分進行研究，分析土壤水分的差異和流域內土壤水分的空間分布狀況。闡明深層土壤水分的分布狀況以及變化特征，為后期的生態恢復和水土保持工作提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市安塞區紙坊溝小流域(36°43′36″N,109°15′14″E)，海拔1012～1731 m[27](圖1)。它屬于黃土高原丘陵溝壑區第Ⅱ副區，屬于黃土高原典型的梁峁狀丘陵區，是延河支流杏子河下游的一級支溝，流域包括紙坊溝、峙崾峴和瓦樹塌3個自然村，流域總面積為8.275 km2[28]。處于暖溫帶森林草原過渡帶，植被以灌草為主，氣候屬于中溫帶大陸性半干旱季風氣候，干濕分明，春季氣溫回升較快，變化大，有霜凍，雨量少，年均溫度8.8 ℃，年均降雨量505.3 mm，無霜期158 d[29]。土壤類型為黃綿土，土質疏松，抗沖性和抗蝕性較差，水土流失嚴重。土壤顆粒以細沙粒和粉粒為主，土壤容重為1.3 g/cm3左右，總孔隙度為55%左右[28]。

圖1 研究區地理位置

2.2 研究方法

2.2.1 樣地選擇

在紙坊溝流域地形圖上應用不規則網格布點法(200 m×200 m)選擇了78個樣地采樣(圖2所示)，在每個樣地對角線上選擇三個取樣點，每個樣點深度為10 m，其中0～100 cm每隔10 cm取一個樣，100～500 cm每隔20 cm取一個樣，500～1000 cm每隔50 cm取一個樣，每個采樣點分為40層，對應于40個土樣，一共采樣116640個(表1)。

表1 野外樣地分布

圖2 樣點布設

2.2.2 土壤含水量測量

采用烘干法(105～108 ℃，10 h)測定土壤含水量(質量含水量)，每個樣地的3個采樣點各層的土壤含水量取平均值。本文主要研究深層土壤水分含量的變化特征，故采樣時表層土壤水分含量由于外界條件(降雨)影響下的變化可以忽略。

3 結果與討論

3.1 小流域土壤水分垂直分布特征

從土壤含水量的垂直分布曲線(圖3)可以看出，不同坡度在120 cm以上、不同坡向在200 cm以上、不同植被類型在100 cm以上、不同退耕年限在120 cm以上，土壤含水量都在較小的范圍內變化，且變動值不大；在100～500 cm范圍內，變化幅度比較大，且變化規律相似；但500 cm以下，土壤含水量變化幅度小，變化比較穩定。鑒于土壤含水量在垂直剖面分布的特性，本研究將從0～100 cm、100～500 cm、500 cm以下3層進行分析土壤含水量在土壤垂直剖面上的變化特征。

在0～100 cm土層內，不同坡度(圖3a)土壤含水量在8%～13%范圍內交叉變化；不同坡向(圖3b)土壤含水量在6%～12%之間交叉變化；不同植被類型(圖3c)在6%～14%之間交叉變化；不同退耕年限(圖3d)土壤含水量在8%～13.5%之間交叉變化。此層土壤含水量無規律變化，是由于土壤表層土壤含水量受眾多外界因素的影響。100～500 cm土層內，不同坡度(圖3a)土壤含水量40°<30°<20°<10°<平地，但在此層內10°和20°土壤含水量交叉變化，可能是在10～20°的坡面上土壤含水量的變化沒有明確的臨界值；不同坡向(圖3b)土壤含水量總體上西南坡<西坡<南坡<東坡<東北坡<西北坡<北坡，根據地理學對陰坡和陽坡的界定，山南為陽，山北為陰，不同坡向的土壤含水量變化特征總體上是陰坡<陽坡；不同植被類型(圖3c)土壤含水量喬木<灌木<草地<農地，草地和農地在此層內交叉變化；不同退耕年限(圖3d)土壤含水量退耕40年<30年<20年<15年，退耕30年和40年在此范圍內土壤含水量變化趨勢和范圍相似。500 cm以下，不同坡度(圖3a)土壤含水量40°<30°<20°<10°<平地，且變化范圍都不大，變化趨勢也基本相同；不同坡向(圖3b)土壤含水量總體上西南坡<西坡(南坡)<東坡<東北坡<西北坡<北坡，西坡和南坡土壤含水量變化范圍相似，且所有坡面土壤含水量變化穩定；不同植被類型(圖3c)喬木<灌木<草地<農地，喬木和灌木變化趨勢相同，農地在此范圍內土壤含水量不斷增大，是由于在此層內，農地對土壤水分的利用率低；不同退耕年限(圖3d)土壤含水量退耕40年<30年<20年<15年，此層內退耕40年和30年土壤含水量變化趨勢相同，穩定變化，退耕20年和15年土壤含水量變化趨勢相同，有減小的趨勢。

圖3 小流域土壤水分垂直變化特征

3.2 小流域土壤水分水平分布特征

為了研究小流域土壤水分水平分布特征，選取自北向南方向上的采樣點，分別計算每個樣點的平均土壤含水量，然后按照樣點的經緯度進行排列。圖4顯示了小流域土壤平均含水量變化趨勢，小流域土壤水分在水平方向上從南到北有減小的趨勢，從東到西也逐漸減小，且在水平方向上土壤水分最小值6.22%，最大值13.8%。土壤水分在水平方向上南高北低，東高西低的分布格局是氣候、植被以及土壤特性共同作用的結果。本研究得到的土壤水分水平分布格局與前人研究所得出的黃土高原200～1000 cm土壤水分分布圖相比，整體上土壤水分格局趨勢線基本相同，但局部的土壤水分分布特征發生變化[30]；與楊文治[31]在研究所確定的黃土高原土壤水分分區圖相比，整體上土壤水分格局的趨勢性也沒有改變，而局部特征發生變化；與賈小旭[15]研究結果一致。局部發生變化的原因主要有：①采樣的隨機性，研究結果受地形因子、土地利用方式和植被根系的分布狀況影響；②在小流域范圍內受人為因素的影響比大區域范圍內明顯，所以會出現與黃土高原分布特征的差異。但是，黃土高原土壤水分水平分布格局整體比較穩定，而且這種穩定的分布格局可能會持續更長時間。主要有以下幾個原因：①在黃土高原區域尺度，影響土壤水分分布的主要因素，如降水，其從南向北，從東向西逐漸遞減的分布格局沒有改變；②在區域尺度，由于人類活動或干擾對黃土高原地形地貌造成的變化非常小，不足以影響土壤水分區域分布格局。但是在小尺度上對土壤水分的水平分布特征進行研究，由于人類活動，例如退耕還林還草工程、溝道治理工程等會使研究區土壤水分格局產生顯著變化，但在區域尺度，這種效應可能會比較弱而不足以影響區域尺度土壤水分分布格局。

圖4 小流域土壤水分水平變化特征

3.3 不同土層土壤水分空間分布特征

依據土壤各層含水量的實測值，采用克里金插值法進行插值并生成小流域各層土壤水分分布圖(圖5)。根據垂直剖面上土壤水分的變異系數范圍，將土壤剖面分為5層進行研究。由圖可以看出，小流域在各層土壤水分分布基本一致。由圖5可知，0～20 cm土層范圍內土壤含水量在4.86%～17.94%范圍內變化，可以看出在此層范圍內，整體上表現出南高北低，溝口土壤含水量最高，中部土壤含水量最低，溝底土壤含水量居中，是由于在采樣時，溝口部分樣地受到人為灌溉，導致溝口表層土壤含水量較高；20～160 cm土層范圍內土壤含水量在4.97%～13.11%范圍內變化，表現出明顯的南高北低，且流域中部和南部土壤含水量變化比較穩定，溝口土壤含水量最低；160～500 cm土層范圍內土壤含水量在5.28%～20.12%范圍內變化，從圖中可以看出，土壤含水量表現出南高北低的分布特征；500～900 cm土層范圍內土壤含水量在5.46%～23.08%范圍內變化，從圖中可以看出，土壤含水量變化與160～500 cm深度范圍內分布特征基本相同，表現出南高北低的分布特征；900～1000 cm土層范圍內土壤含水量在5.53%～30.68%范圍內變化，從圖中可以看出，此層內土壤含水量整體上表現出南高北低的分布特征，但在南部有一部分范圍土壤含水量較低，是因為在此區域內此層出現了土壤干層現象。

圖5 不同土層深度土壤水分分布特征

從圖中可以看出每一層的土壤含水量整體上都表現出南高北低的分布特征；160～500 cm和500～900 cm土層深度范圍內，土壤含水量的分布特征很相似，說明在此范圍內存在土壤含水量的穩定變化層。

4 結論

(1)在垂直方向上，不同坡度在120 cm以上、不同坡向在200 cm以上、不同植被類型在100 cm以上、不同退耕年限在120 cm以上，土壤含水量都在較小的范圍內變化，且變動值不大；在100～500 cm范圍內，變化幅度比較大，且變化規律相似；但500 cm以下，土壤含水量變化幅度小，變化比較穩定。且隨著坡度的增加土壤含水量減小；陰坡土壤含水量大于陽坡；土壤含水量喬木<灌木<草地<農地；隨著退耕年限的增加，土壤含水量減小。

(2)小流域土壤水分在水平方向上從南到北有減小的趨勢，從東到西也逐漸減小，土壤水分在水平方向上最小值6.22%，最大值13.8%。土壤水分在水平方向上南高北低，東高西低的分布格局是氣候、植被以及土壤特性共同作用的結果。與前人研究所得出的黃土高原土壤水分分布圖相比，整體上土壤水分格局趨勢線基本相同，但局部的土壤水分分布特征發生變化，局部發生變化的原因主要有：①采樣的隨機性，研究結果受地形因子、土地利用方式和植被根系的分布狀況影響；②在小流域范圍內受人為因素的影響比大區域范圍內明顯，所以會出現與黃土高原分布特征的差異。但是，黃土高原土壤水分水平分布格局整體比較穩定，而且這種穩定的分布格局可能會持續更長時間。

(3)小流域在各層土壤水分分布基本一致。整體上都表現為南高北低的分布特征；在中間土層深度范圍內，土壤含水量的分布特征很相似，說明在此范圍內存在土壤含水量的穩定變化層。