不同土地利用和地形條件對黃土丘陵區土壤水分的影響

馬耘秀，夏 露，范 毅，高艷艷

（1.山西農業大學 資源環境學院，農業資源與環境國家級實驗教學示范中心，山西 太谷 030801；2.山西汾河流域管理有限公司，太原 030012）

?水土資源與環境?

不同土地利用和地形條件對黃土丘陵區土壤水分的影響

馬耘秀1，夏 露1，范 毅2，高艷艷2

（1.山西農業大學 資源環境學院，農業資源與環境國家級實驗教學示范中心，山西 太谷 030801；2.山西汾河流域管理有限公司，太原 030012）

【目的】分析不同土地利用和地形條件對黃土丘陵區土壤水分的影響。【方法】采用土鉆法于2020 年7—9月對山西省寧武縣黃土丘陵區不同下墊面條件0～200 cm 土層的土壤含水率進行測定，分析了土壤含水率時空變異性，并探討了土地利用（人工林地、自然草地和耕地）、坡位（上坡位、下坡位和溝床）和坡向（陰坡和陽坡）對土壤含水率變化的影響。【結果】①時間上，土壤含水率變化受降水控制；在垂直空間上，上坡位和下坡位的樣地隨著土層深度的增加，其土壤含水率呈先遞減后穩定或先遞減后遞增的規律，土壤含水率垂直變化分層大致按照速變層-活躍層-次活躍層-相對穩定層的順序自上而下分布，而位于溝床位置的樣地，其垂直變化規律復雜多變；②不同土地利用類型的土壤含水率變異性較大，在上坡位，不同土地利用土壤含水率相對大小為自然草地＞耕地＞人工林地，而在溝床位置，土壤含水率相對大小為人工林地＞耕地＞自然草地；③在地形條件中，坡位對土壤含水率影響顯著，自上坡位到下坡位到溝床土壤含水率大致呈遞增趨勢；陰坡的土壤水分條件均優于陽坡。【結論】在研究區未來的生態恢復過程中，適宜在土壤水分條件較好的下坡位、溝床以及陰坡位置種植耗水量較大的人工林地，而在上坡位和陽坡適宜發展自然生態恢復模式。

土壤水分；土地利用；坡位；坡向；黃土區

0 引 言

【研究意義】黃土高原氣候干旱，植被覆蓋率較低，水土流失嚴重，是我國典型的生態脆弱區[1]。近年來，國家在該區域開展了大規模的生態建設，取得了較好的生態恢復效果，但由于未能充分考慮土壤水分對植被的承載能力，出現了“小老樹”、“土壤干化”等問題。土壤水分是植被生長發育的重要水分來源[2]，是影響區域植物生長的突出限制因子[3]，在區域生態恢復建設中發揮著不可替代的作用[4]。土壤水分受降水[5-7]、土壤性質[8]、地形條件[9-11]、土地利用方式[11-16]等因素影響，呈復雜的動態變化特征，其中，土地利用和地形條件是2 個重要的下墊面因子[17]。因此，充分認識不同土地利用和地形條件下的土壤水分響應規律是科學利用土地資源的前提[13]，對區域生態建設與水土資源高效利用具有重要的意義。

【研究進展】近年來，相關學者對土壤水分變化規律及其驅動因子開展了大量研究。研究表明，人工林地建設會造成土壤干化[14,18-19]，而自然恢復的草地和農田對土壤水分的影響在不同地區存在差異；張北贏等[13]、杜康等[15]、王國梁等[16]、傅伯杰等[20]研究發現，農田土壤含水率明顯高于其他土地利用類型，草地次之；但張敏等[1]研究認為，林地和草地在涵養土壤水分方面優于農田。關于地形條件對土壤水分變化的影響研究主要集中在坡位、坡度、坡向等方面，例如靖亭亭等[21]研究表明，坡位、坡度、坡向是影響土壤水分空間變異的主控因子；邱德勛等[10]研究發現，坡度和坡向是0～200 cm 土壤水分變異的重要影響因素；而孫占薇等[22]研究表明，坡向是100～200 cm 土壤水分的重要影響因素。

【切入點】雖然以往研究普遍認為土壤水分變異性是由前述幾種因子共同作用的結果，但有關黃土高原地區土壤水分變異性的驅動機制尚不明確，有待進一步研究。【擬解決的關鍵問題】因此，本研究對山西省寧武縣黃土丘陵區3 種典型土地利用類型（林地、草地和耕地）、3 種坡位（上坡位、下坡位和溝床）以及2 種坡向（陽坡和陰坡）的土壤進行采樣，分析不同土地利用和地形條件下土壤含水率的時間變化規律和空間分布特征，探討土壤水分變異性的主要驅動機制，為因地制宜、合理利用該區水土資源，促進當地生態環境的可持續發展提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況

山西省寧武縣地處晉西北黃土高原東部邊緣，區域內山巒疊嶂，山區面積占總面積的90%以上，平均海拔2 000 m（圖1）。寧武縣屬溫帶大陸性氣候，屬高山嚴寒區和寒冷干燥區，年平均降水量為470～770 mm，降水主要集中在6—9 月，占年降水量的65%。年平均氣溫為2～6 ℃，年平均日照時間為2 835 h，無霜期為90～120 d。寧武縣土壤分為棕壤、褐土、栗鈣土、山地草甸土和草甸土5 個土壤類型，其中褐土是主要土壤類型；植被主要有云杉、華北落葉松、油松、樺木、楊樹、柳樹等喬木和沙棘、檸條、黃刺玫、毛榛等灌木以及節節草、蒿草、狗尾草、白草等草本植物，農作物以土豆、莜麥、豌豆、玉米、谷子為主。寧武境內有汾河、洪河、恢河3 條河流，其中汾河是黃河的一級支流，也是寧武第一大河，流域面積為1 373.6 km2，占全縣總面積的75%。寧武縣不同土地利用類型中耕地、林地、草地占比較大，耕地占寧武縣總面積的25.35%，林地占40.56%，草地占29.68%。

寧武縣地貌類型主要包括黃土丘陵區、土石山區和河谷沖積平原區，其中黃土丘陵區主要是汾河、恢河兩岸的山前地帶，境內溝壑縱橫、坡向多變，水土流失嚴重，屬國家級水土流失重點治理區。多年來，寧武縣在國家支持下，實施工程措施和生物措施雙管齊下的治理方略進行水土流失治理。目前，水土流失治理度達到了71%。

圖1 采樣點地理位置及樣地分布Fig.1 Geographical location of the study area and spatial distribution of the sample plots

1.2 數據來源和樣地布設

本研究主要考慮不同土地利用和地形條件對土壤含水率的影響，最終選擇了3 種土地利用類型：人工林地、自然草地和耕地，3 種坡位條件：上坡位、下坡位和溝床，2 種坡向條件：陽坡和陰坡作為影響土壤水分的主控因子，并在寧武縣石家莊鎮汾河干流兩岸黃土丘陵區布設了12 個典型樣地（圖1），各樣地的基本情況見表1。不同樣地的土壤體積質量和質地條件較為一致，因此可以認為不同樣地土壤含水率的差異主要由土地利用和地形條件的差異所造成的。

表1 典型樣地基本情況Table 1 The basic information of typical sample areas

在2020 年7—9 月，每15 天對各樣地采集不同深度土層樣品，用烘干法測定其土壤質量含水率（共6 次），每個樣地選擇3 個重復采樣點，取其平均值代表該樣地的土壤含水率，取樣深度為10、20、40、60、80、100、120、140、160、180 cm 和200 cm。

研究區內寧化堡、杜家村、新堡3 個雨量站距離布設樣點最近，直線距離均在10 km 左右（圖1），且分布較為均勻，因此，研究區日降水量采用這3 個站日降水量的算術平均值。

2 結果與分析

2.1 不同樣地土壤含水率時間變化規律

不同樣地土壤含水率隨時間的變化規律見圖2。各樣地土壤含水率的波動與降水量的時間變化規律一致，均隨降水量的增加而升高，說明降水是土壤水分的重要補給來源。不同坡位的樣地土壤含水率變化幅度不同，上坡位的樣地土壤含水率受降水影響較大，下坡位次之，溝床位置變化幅度最小。一方面，由于不同坡位土壤含水率的基數不同，基數大的樣地（如溝床）土壤含水率相對變化幅度小，而基數小的樣地（如上坡位）則相對變化幅度大；另一方面，位于上坡位的樣地土壤含水率受降水的影響較大，而下坡位和溝床位置的樣地除了受到降水補給外，可能還受到其他水源的補給。

圖2 不同坡位樣地土壤水分時間變化規律Fig.2 Temporal variation of soil moisture of plots in different slope position

2.2 不同樣地土壤含水率垂直變化特征

將不同樣地土壤含水率垂直變化特征進行對比，結果見圖3。圖3（a）顯示了上坡位和下坡位9 個樣地的對比結果，這些樣地土壤含水率隨土層深度加深呈先遞減后穩定或先遞減后遞增的規律，拐點集中出現于80～120 cm 土層深度處，之后部分樣地（1、2、4、5、8、9 號）土壤含水率趨于穩定，而另外一部分樣地（3、6、7 號）隨土層深度的增加土壤含水率也增加。位于溝床位置的10、11、12 號樣地（圖3（b）），土壤含水率垂直變化并未表現出一致的規律性：10 號樣地土壤含水率隨著土層深度增加先遞增后遞減，拐點出現在140 cm 處，而11 號樣地和12號樣地的土壤含水率在垂直剖面上基本穩定，原因可能是因為溝床樣地容易受地下水和河道徑流水分補給，其土壤含水率補給機制較為復雜，導致其土壤含水率垂直變化規律復雜多變。

圖3 不同樣地土壤含水率垂直變化特征Fig.3 Vertical variation characteristics of soil moisture in different plots

為進一步分析不同樣地土壤含水率垂直變化特征，計算不同深度土壤含水率的變異系數（CV），并按照CV將土壤含水率垂直變化層次分為速變層（CVgt;30%）、活躍層（20%lt;CV≤30%）、次活躍層（10%lt;CV≤20%）、相對穩定層（0lt;CV≤10%）4 個分層[1]，結果見圖4。除了10 號樣地外，其他大部分樣地土壤含水率的CV隨著土層深度加深而不斷減小，水分垂直變化分層均按照速變層-活躍層-次活躍層-相對穩定層的順序自上而下分布：速變層大多在0～100 cm 土層范圍內，20～40 cm 范圍是活躍層，然后土壤含水率垂直變化率顯著下降，進入到次活躍層和相對穩定層，土壤含水率趨于穩定。其中，耕地是最早出現次活躍層的土地利用類型，這可能是由于犁底層的存在阻礙了降水向60 cm 以下土層的補給。各自然草地在200 cm 土層深度內均沒有出現土壤水分穩定層，原因在于自然草地植被截留量和蒸騰耗水量較小，能夠促進降水入滲補給深層土壤水，導致其土壤水分變化仍較活躍。而位于溝床位置的人工林地（10 號樣地），其土壤水分垂直變化層表現出了不一致的規律：在深度40 cm 即進入土壤水分穩定層，但在深度160 cm，其土壤水分進入活躍層，原因是溝床位置的人工林地高程最低，且距離河道最近，其深層土壤容易受到河道徑流和地下水的補給，而林地植被根系較深，可以源源不斷地從深層土壤中吸取水分，因此其深層土壤水反而變化顯著。

2.3 土地利用類型對土壤含水率的影響

比較不同土地利用類型對土壤水的影響，選取同在上坡位且處于陰坡的1、2、3 號樣地和同在溝床位置的10、11、12 號樣地分別進行對比分析，結果見圖5。由圖5（a）可知，位于上坡位陰坡的1、2、3號樣地，土壤含水率排序為：自然草地＞耕地＞人工林地。相較于自然草地和耕地，林地根系吸水強烈，植被蒸騰作用較強，導致其土壤水消耗較大[23-25]，因此1 號人工林地土壤含水率最低。然而，在溝床位置（圖5（b））的10、11、12 號樣地，其土壤含水率大小排序為人工林地＞耕地＞自然草地，原因是因為溝床的人工林地高程最低，離河道最近，其土壤含水率受到了河道徑流的側向補給和地下水的上升補給，所以土壤含水率反而最高；另外溝谷耕地平時會有灌溉補給，因此其土壤含水率高于自然草地。這說明在溝床位置，地表高程和距離河道的遠近成為影響土壤含水率的重要因素，其影響程度超過了土地利用類型對土壤含水率的影響。

圖4 不同樣地0～200 cm 土壤含水率垂直變化層分布Fig.4 Vertical variation layer of soil moisture in 0～200 cm soil layers in different plots

圖5 不同土地利用類型樣地土壤含水率對比分析Fig.5 Comparative analysis of soil moisture in different land use types

2.4 地形條件對土壤含水率的影響

2.4.1 坡位對土壤含水率的影響

為了比較不同坡位對土壤含水率的影響，選取同為人工林地的1 號、6 號、10 號樣地，同為自然草地的2 號、7 號、11 號樣地以及同為耕地的3 號、12 號樣地分別進行對比分析，結果見圖6。不同坡位人工林地和耕地的土壤含水率對比結果一致：溝床位置的土壤含水率最高，下坡位的次之，而上坡位的最低。以往研究[26-28]也表明，同一坡面自坡底到坡頂土壤水分呈降低趨勢，這與本文結論一致。這主要包括二方面原因：一方面是由于降水徑流不斷從上坡位匯集到下坡位再到溝床，導致下坡位和溝床的土壤受到了更多的降水徑流水分補給；另一方面是由于下坡位和溝床位置更容易受到地下水和河道徑流的補給。然而，不同坡位的自然草地表現出了不一樣的規律：在0～140 cm 深度，溝床位置的自然草地土壤含水率最大，上坡位的次之，而下坡位的最小。這可能是因為下坡位土壤水分條件優于上坡位，植被生長更加茂密，而本研究的采樣時間在7～9 月，正值植被生長旺盛期，下坡位茂盛的植被根系在0～140 cm 深度大量吸收土壤水分以支持植被生長，造成土壤水分消耗較大，從而使得下坡位土壤含水率反而小于上坡位。

圖6 不同坡位不同土地利用類型土壤含水率對比分析Fig.6 Comparative analysis of soil moisture in different slope positions with different land use types

2.4.2 坡向對土壤含水率的影響

選取其他條件相同但坡向不同的4 組樣地進行比較分析，結果見表2。無論是人工林地還是自然草地，陰坡的土壤含水率均值都大于陽坡的土壤含水率平均值。大量研究[10-11,18,25]表明，坡向通過影響坡面的光照、輻射等條件，使得陰坡的土壤含水率明顯高于陽坡。

2.5 土壤含水率影響因素分析

根據前文對土壤含水率垂直變化規律的分析，按土層深度把土壤分為表層（0～60 cm）、中層（60～120 cm）和深層（120～200 cm）土壤，應用方差分析進一步探討土地利用和地形條件對不同土層土壤含水率的影響程度，結果見表3。土地利用類型對表層和中層土壤含水率的影響不顯著，但對深層土壤含水率有極顯著影響；坡位對中層和深層土壤含水率有極顯著影響，但對表層土壤含水率影響不顯著；坡向對表層和中層土壤含水率有極顯著影響，但對深層土壤含水率影響不顯著。對于表層土壤，坡向的F 統計值最大，并且通過了P=0.01 的顯著性檢驗，說明對表層土壤含水率影響最大的因素是坡向條件；在中層土壤中，坡向的F 統計值最大，坡位的次之，且二者均通過了P=0.01 的顯著性檢驗，說明對于中層土壤，影響其土壤含水率的主要控制因素是坡向和坡位條件；在深層土壤中，坡位的F 統計值最大，土地利用類型的次之，且二者均通過了P=0.01 的顯著性檢驗，說明坡位和土地利用類型是影響深層土壤含水率的主控因素。總體來看，地形條件對0～200 cm 土層的土壤含水率具有主導作用，而土地利用類型只對深層土壤含水率有顯著影響。

表2 不同坡向土地利用類型土壤含水率Table 2 Soil moisture content of different slope land use types

表3 土地利用和地形條件對土壤水分影響的方差分析結果Table 3 Results of variance analysis of effects of land use and topographic conditions on soil moisture

3 討 論

土壤含水率受降水、土壤性質和土地利用方式等因素影響，呈復雜的動態變化[25-26]。研究表明，在上坡位，自然草地土壤含水率最高，耕地次之，人工林地的土壤含水率最低。這與邱德勛等[10]、施政樂等[12]研究結果一致，主要是因為林地根系活躍層較深，根系吸水能力較強，從而導致林地土壤含水率較低甚至出現土壤干化的情況[29]。但張北贏等[13]、杜康等[15]、傅伯杰等[20]研究發現，黃土區不同土地利用類型土壤含水率總體水平由高到低依次是農地gt;草地gt;林地；張敏等[1]研究認為，不同土地利用類型土壤含水率表現為苜蓿草地＞檸條林地＞玉米農地。這些研究與本文結論不一致，原因是土壤含水率除了受到土地利用方式因素影響外，還受到地形條件、土壤性質等其他因素的制約，土地利用類型對土壤含水率的影響可能會被其他驅動因素掩蓋。本研究還發現在溝床位置，不同土地利用類型土壤含水率大小排序為人工林地＞耕地＞自然草地。溝床位置的人工林地土壤水分受到了河道徑流的側向補給和地下水的上升補給，而溝床耕地平時會有灌溉補給，因此其土壤含水率高于自然草地。這說明在溝床位置，高程和距離河道的遠近成為影響土壤含水率的重要因素，其影響程度超過了土地利用類型對土壤含水率的影響。方差分析結果表明，土地利用類型是影響120～200 cm 深度土壤含水率的重要因素，通過改變土地利用方式可以顯著影響120 cm 以下土層深度的水分狀況。

地形條件對土壤水分的影響主要包括坡位和坡向。本研究表明，林地和耕地不同坡位土壤含水率排序均為溝床＞下坡位＞上坡位，同一坡面自坡底到坡頂土壤水分呈降低趨勢，這與前人[27,28]的研究結果一致。這主要由于下坡位和溝床的土壤更容易受到降水徑流的匯集補給以及地下水和河道徑流的補給。但研究區自然草地不同坡位的土壤含水率出現了上坡位大于下坡位的情況，原因可能是受到了草地生長耗水的影響，其影響機制需進一步研究。關于坡向對土壤水分的影響，本研究表明陰坡較陽坡具有更好的土壤水分條件，這與前人的研究結果[10-11,18,25]非常一致。方差分析結果表明，坡位是影響60～200 cm 深度土壤含水率的重要因素，原因是不同坡位接受地下水上升補給和河道側向補給的條件不同，地表高程越低，越容易受到地下徑流和河道徑流的補給，而隨著坡位升高，地表高程越高，越難以接受二者的補給；坡向是影響土壤表層0～60 cm 土壤含水率的重要因素，一般來說，陽坡的土壤受到的太陽輻射更強烈，表層的土壤水分更容易散失，導致陰坡的土壤表層含水率比陽坡高[29]。

此外，土壤水分垂直變化規律研究結果表明，上坡位和下坡位土壤水分垂直變化分層均按照速變層-活躍層-次活躍層-相對穩定層的順序自上而下分布，而溝床位置土壤水分受徑流或地下水補給，其垂直變化并未按照上述規律分布，而是出現了次活躍層-相對穩定層-活躍層、活躍層-速變層-次活躍層等不同組合。可見，河道徑流和地下水對溝床的土壤水分補給有著重要影響，未來的研究可進一步分析河道徑流和地下水對土壤水分的補給過程及機制。

因此，在研究區未來的植被恢復過程中，應以自然恢復模式為主，人工林地只適宜在土壤水分條件較好的位置進行種植；同時，還需要兼顧考慮地形條件的影響，上坡位及陽坡位置不適宜種植耗水量較大的植被類型。

4 結 論

1）各樣地土壤含水率與降水量的時間變化規律大體一致；位于上坡位和下坡位的樣地，隨著土層深度加深，土壤含水率先遞減后穩定或先遞減后遞增；而位于溝床位置的樣地，其土壤水分垂直變化規律復雜多變。

2）不同土地利用類型的土壤含水率有所差異。在上坡位，土壤含水率排序為：自然草地gt;耕地gt;人工林地，自然草地具有更好的土壤水分條件。但在溝床位置的排序為：人工林地gt;耕地gt;自然草地，土地利用對土壤水分的影響被地形條件的影響所掩蓋。

3）地形條件對土壤含水率的影響顯著。從坡位上來看，同一坡面自坡底到坡頂土壤水分大致呈降低趨勢；從坡向上來看，陰坡較陽坡具有更好的土壤水分條件。

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The Combined Effects of Land Usage and Topography on Soil Moisture Change in a Loess Area

MA Yunxiu1, XIA Lu1, FAN Yi2, GAO Yanyan2
(1. National Experimental Teaching Demonstration Center of Agricultural Resources and Environment, College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2. Shanxi Fenhe Valley Management Co. Ltd., Taiyuan 030012, China)

【Background and objective】Soil water is the main water resource for plants grown in the semi-arid loess plateau in northwestern China. Understanding its dynamics in response to environment and management changes is important to improve its use efficiency. The aim of this paper is to investigate the combined effect of land usage and topography on soil moisture.【Method】The experiment was conducted at a loess area in Ningwu county, Shanxi province. We measured soil water content in the depth of 0～200 cm under different conditions from July to September in 2020. The effect of land usage including artificial forest, natural grassland and cultivated land, on soil moisture at different locations in slopes and slope direction was analyzed and discussed.【Result】①Temporal variation in soil moisture and precipitation was consistently correlated. With the increase in soil depth, soil moisture content decreased first followed by stabilization or increase at both the up-slope and the down-slope. In contrast, the change in soil moistures along the soil profiles in the gully bed was variable and did show any identifiable trend. ②Soil moisture content varied with land usage due to the difference in water consumption between the plants, with the soil moisture in the uphill varying with land usage in the order of natural grassland gt; cultivated land gt; artificial forest. In contrast,the soil moisture content at the gully bed varied with land usage in the order of forest land gt; cultivated land gt; natural grassland due to the low elevation of the artificial forest and its closeness to a river. ③On average, soil moisture content increased from the uphill to the gully bed, and the soil moisture in the shady slopes was greater than in the sunny slopes.【Conclusion】Our results show that to maintain soil moisture at ecologically functional levels, the best solution is to plant artificial forest with high water consumption at the downhill, gully bed and the shady slope, while letting the plants to grow naturally is suitable for the uphill and sunny slopes.

soil moisture; land use; slope position; slope direction; loess area

S157.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022097

OSID：

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1672 - 3317（2022）09 - 0077 - 08

2022-02-25

山西省水利科學技術研究與推廣項目（SZ-2020-24）

馬耘秀（1979-），女。講師，碩士，主要從事資源環境與可持續發展和土地利用研究。E-mail: myx01_01@126.com

責任編輯：韓 洋