黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式的土壤水熱特征

唐 敏，李皖寧，劉 銳，顧雷蒙，張 超

（揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

黃土高原是當(dāng)今世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，水土流失已經(jīng)嚴(yán)重消耗了黃土高原的土地資源并加速生態(tài)環(huán)境退化，這直接影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。研究表明，黃土高原水土流失是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果[2]。從人為因素來看，不合理利用土地是引起水土流失的重要原因。新中國成立以來，國家高度重視黃土高原水土流失治理和生態(tài)環(huán)境改善，通過實(shí)施土地整治，對傳統(tǒng)的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使得目前黃土丘陵區(qū)的土地利用方式呈現(xiàn)多元化特征。

土壤水熱狀況是影響植被生長發(fā)育的主要因素，而土壤含水量和土壤溫度是反映土壤水熱特征的兩個重要參數(shù)。植物所需絕大部分水分是通過根系吸收得到的，土壤水分是影響植物光合作用、水分代謝以及物質(zhì)運(yùn)移等生理活動的重要因子，同時也對植物根系生長和形態(tài)發(fā)育有很大影響。土壤溫度不僅影響植物地上部分的生理活動，還影響地下根系呼吸、營養(yǎng)元素吸收等活動，與植物生長發(fā)育關(guān)系密切。因此，研究土壤水熱變化對于了解植被對土壤環(huán)境的適應(yīng)性具有重要意義。研究表明，在不同的下墊面條件下土壤水熱特性及其變化規(guī)律存在差異[3]。LI 等[4]在研究黃土高原旱作區(qū)壟溝覆蓋對土壤溫度、水分以及玉米產(chǎn)量的影響時發(fā)現(xiàn)，相比對照處理（壟上覆蓋塑料薄膜，溝內(nèi)無覆蓋），壟上覆蓋塑料薄膜+溝內(nèi)覆蓋玉米秸稈這種耕作方式能夠改善土壤水熱條件，增加玉米產(chǎn)量。由此可見，土地利用方式是影響土壤水熱變化的重要因素，有研究表明，這種情況在干旱和半干旱地區(qū)尤為明顯[5]。因此，深入研究黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式的土壤水熱效應(yīng)對該地區(qū)植被恢復(fù)與重建具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。本研究對黃土丘陵區(qū)4 種典型土地利用方式（坡耕地、梯田、棗林、草地）的土壤含水量和溫度進(jìn)行了長期定位監(jiān)測，分析了不同土地利用方式的土壤水熱變化特性，并提出了一些土地利用改進(jìn)建議，以期為進(jìn)一步明確黃土高原土地利用結(jié)構(gòu)、優(yōu)化調(diào)整方向提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2015 年5—10 月在陜西省榆林市清澗縣店則溝鎮(zhèn)園則溝小流域（37° 14′ N，110°21′E）進(jìn)行。研究區(qū)屬于黃土高原丘陵溝壑地貌，位于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量為505 mm，70%的降水集中在7—9 月；年均氣溫為8.6 ℃，晝夜溫差及氣溫季節(jié)變化大。2015 年生長季總降水量為228.2 mm，比歷年生長季年均降水量少，2015 年屬于干旱年。土壤為黃綿土，土質(zhì)疏松，田間持水量為25%（體積含水量，下同），永久凋萎系數(shù)為7%。

1.2 試驗(yàn)方案

選擇坡向、坡位和坡度相近的坡耕地（試驗(yàn)期間種植作物為大豆）、梯田（種植作物為玉米）、棗林（12年生梨棗，株行距2 m×3 m）和荒草地作為研究對象。各土地類型試驗(yàn)期間均不灌溉，管理措施與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

試驗(yàn)開始前，沿坡長方向在坡上、坡中、坡下分別安裝一套土壤水熱自動監(jiān)測裝置，土壤水分和溫度分別由EC-5 土壤水分傳感器和RR-7110 土壤溫度傳感器測定。坡耕地和梯田的監(jiān)測探針埋設(shè)在作物行間，棗林的監(jiān)測點(diǎn)距離棗樹樹干30 cm 左右。土壤水分、溫度測定頻率為10 min 一次，剖面測定深度為10 cm、20 cm、40 cm、60 cm。對每一種土地類型3個監(jiān)測點(diǎn)同一土層的含水量和溫度求平均，以此表征該土地類型在該土層深度的土壤水分和溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式的土壤水分變化特征

各土地類型淺層（深度0～20 cm）土壤含水量受降雨和土壤蒸發(fā)影響，有效降雨后土壤水分含量迅速升高，整個生長季內(nèi)該層土壤含水量變化較為劇烈，它屬于土壤水分季節(jié)性波動層，如圖1 所示。試驗(yàn)期間，梯田淺層土壤含水量顯著高于其他土地利用方式（概率P＜0.05），其生長季平均土壤含水量為13.91%，而坡耕地、棗林和草地的淺層土壤含水量均值分別相對于梯田減少4.01%、5.80%和3.59%。隨著土壤深度增加，各土地類型土壤水分受降雨影響減弱，土壤含水量的波動幅度逐漸減小。4 種土地利用方式的深層（深度20～60 cm）土壤含水量表現(xiàn)為梯田（13.61%）＞草地（12.54%）＞坡耕地（8.76%）＞棗林（7.54%），如圖2 所示。

圖1 淺層土壤水分變化

圖2 深層土壤水分變化

由于土地利用方式不同，相同土層深度土壤含水量變化存在一定差異。對于淺層和深層土壤，梯田的水分變化波動性較小，其含水量的變化幅度分別為5.69%和1.08%，而坡耕地、棗林和草地的土壤含水量變化幅度相對于梯田均有所提高，且逐漸增大。另外，梯田的淺層和深層土壤含水量序列標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.07%、0.26%，坡耕地、棗林和草地的標(biāo)準(zhǔn)差相對于梯田也依次呈現(xiàn)升高趨勢。

2.2 不同土地利用方式的土壤溫度變化特征

4 種土地類型淺層（深度0～20 cm）和深層（深度20～60 cm）土壤溫度在生長季前期（5—7 月）呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，且均在7 月底8 月初達(dá)到最大，之后則表現(xiàn)為下降趨勢，這與氣溫的變化規(guī)律基本一致，如圖3、圖4 所示。各土地類型淺層土壤溫度受氣溫影響較大而呈現(xiàn)強(qiáng)烈的波動，在生長季前期，梯田土壤溫度顯著低于坡耕地、棗林和草地（P＜0.05），而4 種土地類型的初始土壤溫度相差不大，由此可知，梯田土壤升溫較慢。在降溫階段，梯田土壤溫度變化幅度為18.4 ℃，坡耕地、棗林和草地的溫度變化幅度均大于梯田，且依次呈現(xiàn)增大的趨勢。隨著土壤深度的增加，土壤溫度的變化幅度減小，溫度變化趨于平緩，表明土壤溫度受氣溫影響逐漸減弱。

圖3 淺層土壤溫度變化

圖4 深層土壤溫度變化

不同土地利用方式的土壤溫度表現(xiàn)出不同程度的變化。在淺土層，梯田的溫度變化幅度較小，溫度變化范圍為9.0～27.9 ℃，坡耕地、棗林和草地的溫度變化范圍分別為7.6～29.6 ℃、7.8～31.1 ℃和6.0～30.9 ℃，溫度變化范圍在逐漸擴(kuò)大。梯田的土壤溫度序列標(biāo)準(zhǔn)差僅為4.18 ℃，坡耕地、棗林和草地的溫度序列標(biāo)準(zhǔn)差相對于梯田均有所增大。由此可見，在淺層土壤，梯田的溫度變化波動性相比其他土地類型明顯降低，溫度序列的穩(wěn)定性更強(qiáng)。對于深層土壤，梯田的溫度序列標(biāo)準(zhǔn)差依舊最小（2.84 ℃），坡耕地、草地和棗林的標(biāo)準(zhǔn)差相對于梯田均出現(xiàn)不同程度的升高，表明這3 種土地利用方式土壤溫度變化更為劇烈，變化規(guī)律相對復(fù)雜。

3 結(jié)論

梯田淺層（深度0～20 cm）和深層（深度20～60 cm）土壤含水量均高于坡耕地、棗林和草地，且梯田各土層含水量的變化幅度和標(biāo)準(zhǔn)差均為最小。由此可見，在干旱條件下，梯田具有明顯的蓄水保墑效益，能夠保持土壤水分的穩(wěn)定性。梯田0～60 cm 各土層的溫度變化波動性較小，尤其在淺層土壤，梯田的溫差為18.9 ℃，坡耕地、棗林和草地的溫度變化范圍分別為7.6～29.6 ℃、7.8～31.1 ℃和6.0～30.9 ℃，穩(wěn)定性逐步降低；坡耕地、棗林和草地的溫度序列標(biāo)準(zhǔn)差相對于梯田的標(biāo)準(zhǔn)差（4.18 ℃）均有不同程度的增大。由此可見，梯田能夠保持土壤溫度的穩(wěn)定性。