立地因子和蓋度對寧南黃土區中莊小流域玉米土壤水分的影響

韓新生, 許 浩, 蔡進軍, 董立國, 郭永忠, 安 鈺, 萬海霞, 王月玲

(1.寧夏農林科學院 林業與草地生態研究所 寧夏防沙治沙與水土保持重點實驗室 寧夏生態修復與多功能林業綜合研究中心, 銀川 750002; 2.中國水利水電科學研究院, 北京 100038; 3.寧夏農林科學院 農業資源與環境研究所, 銀川 750002; 4.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100)

土壤水分是植被生長與分布的主要作用因子之一,易受氣候、地形、植被、土壤和人類活動等因素影響[1],具有明顯的時空差異。西北半干旱區年降雨量為300～550 mm,屬典型的雨養農業區,旱地作物的空間配置、經濟產量受土壤水分的調控與制約。另外,土壤水分還是土壤-植被-大氣連續體中水循環的重要一環,能夠調控陸地表面與大氣之間的相互作用過程,進而影響陸地生態系統水文、生物化學等過程,全面了解和深入刻畫旱地作物土壤水分變化特征,為旱作區作物種植模式構建及合理空間規劃提供科技支撐。

玉米(Zeamays)是全球種植面積最廣的糧食和飼料作物之一,在三大糧食作物(玉米、小麥和水稻)中產量最高。中國是第二大玉米生產國,其玉米產量占全球總產量的20%,在保障糧食安全、飼料供給、國民經濟發展中起著不可替代的作用。同時,玉米也是需水量較多和耗水量較高的作物,我國2/3的玉米在旱地上種植,土壤水分是影響旱地玉米生長及產量的主要因素之一,嚴重干旱可導致玉米大幅減產甚至絕收。以往研究主要集中于多種措施對玉米土壤水分及生長、產量的影響[2-3],對自然狀態下分析玉米土壤水分特征的報道較少。劉繼龍等[4]在東北黑土區、姚小英等[5]在西北黃土旱塬區利用地統計學等方法分析樣地尺度玉米土壤水分時空變異性;王敏政等[6]利用地面遙感信息和氣溫估算了玉米土壤水分;孫寧霞等[7]采用同位素示蹤技術研究了玉米土壤水分的動態變化。上述報道主要針對單一站點或樣地尺度玉米土壤水分開展研究,對流域尺度上玉米土壤水分變化及對主要因子的響應研究還鮮有報道,未能充分認識玉米土壤水分在流域尺度上的空間差異。基于此,本文以寧夏南部黃土區中莊小流域旱地玉米為研究對象,采用經典方法闡述小流域玉米土壤水分的空間變異特征,分析植被蓋度及立地因子對各土層水分條件的影響,為旱作區種植結構調整、保障糧食安全及實施鄉村振興戰略提供理論基礎。

1 研究區概況

研究區位于寧夏南部邊緣、六盤山東麓的固原市彭陽縣(106°32′—106°58′E,35°4l′—36°17′N),海拔區間為1 248～2 418 m。屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風氣候,冬季干燥寒冷,夏季潮濕炎熱;年平均氣溫7.4～8.5℃,≥10℃年積溫2 500～2 800℃,無霜期140～170 d;年降水量350～550 mm,主要集中于6—9月份;年均蒸發量1 360 mm;土壤以黑壚土和黃綿土為主,侵蝕較為嚴重。為控制水土流失和改善生態環境,2000年前后在縣域范圍內開展坡改梯和水平溝整地、退耕還林還草等生態修復工程。現如今,分布的主要林木有山杏(Armeniacasibirica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等;草本植被由委陵菜(Potentillachinensis)、百里香(Thymusmongolicus)、本氏針茅(Stipacapillata)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、茭蒿(Incarvilleasinensis)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)等群落構成;種植的作物主要有玉米、苜蓿(Medicagosativa)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等。

2 研究方法

2.1 流域選擇和取樣點位布設

中莊小流域位于彭陽縣中部,屬于黃土區,面積為88.38 km2,最高海拔為1 858 m,最低海拔為1 410 m,小流域內作物種植以玉米(鋪設地膜)為主,種植密度約為75 000株/hm2。2021年7月3日—24日(共22 d),在中莊小流域共設置276個玉米(抽雄期)土壤水分測定點位(圖1),每個點位均在玉米地的中間位置,同時,調查各點位的經緯度、海拔、坡向、坡位、蓋度等指標,以取樣點位中心,設置100 m2的臨時樣地,利用對角線法確定玉米取樣點的蓋度。取樣期間總降水量為23.4 mm,其中僅有1日的降水量大于5 mm,因此,降水對土壤水分的影響極其微弱。

圖1 小流域玉米土壤水分取樣點位示意圖Fig. 1 The corn soil moisture sampling point diagram in small watershed

2.2 立地類型劃分

中莊小流域基本無坡耕地,將各取樣點位整體劃分為川地和梯田。梯田依據坡向劃分為陰坡(0°～90°和270°～360°)和陽坡(90°～270°),按照梯田的相對海拔高差劃分為上坡位和下坡位。

2.3 土壤水分測定

依據各立地條件玉米的種植面積決定采樣點數量,川地的取樣點為64個,梯田的取樣點位212個(其中,陰坡上坡位40個,陰坡下坡位74個,陽坡上坡位14個,陽坡下坡位84個)。利用土鉆在各樣點分層采集土壤樣品,取樣層次包括0—20,20—40,40—60,60—80,80—100,100—120,120—140,140—160,160—180,180—200 cm,共10個層次,采集的樣品分別放入到鋁盒中,帶回實驗室稱濕重,然后在烘箱內烘24 h稱干土重,將干土倒掉后稱鋁盒重,計算不同點位各土層的土壤含水量。中莊小流域及各立地類型的土壤含水量是由各調查樣點的算術平均值計算得出。

2.4 數據處理

變異系數可反映數據的離散程度,根據變異系數大小劃分為強變異性(變異系數>30%)、中等變異性(30%≤變異系數≤10%)和弱變異性(變異系數<10%)。采用SPSS 21.0軟件的單因素方差分析(LSD)比較土壤水分的差異顯著性(p<0.05)。使用Excel 2016和Origin 2021進行數據分析和作圖,圖中的誤差棒指的是標準差(SD)。

3 結果與分析

3.1 小流域玉米土壤水分變化

隨土層深度增加(圖2),中莊小流域、川地、梯田玉米土壤水分整體均呈穩定(0—60 cm)—增加(60—140 cm)—穩定(140—200 cm)的變化;小流域土壤水分的變異系數基本表現為先降低后升高的趨勢(圖3),川地呈先升—后降—再升的變化,梯田大致呈降低的趨勢;土壤水分變異性總體表現為淺層(0—100 cm)大于深層(100—200 cm),三者不同土層均屬中等變異性。0—200 cm土層中莊小流域玉米土壤含水量平均為11.93%,川地(13.91%)土壤水分顯著(p<0.05)高于梯田(11.37%)。從各土層平均值的極差看,川地(6.50%)最大,小流域(4.25%)次之,梯田(3.84%)最小。

圖2 小流域玉米土壤水分隨土層深度的變化Fig. 2 The variation of soil moisture of maize with soil depth in small watershed

圖3 小流域玉米土壤水分變異系數隨土層深度的變化Fig. 3 The variation coefficient of soil moisture of maize with soil depth in small watershed

3.2 蓋度對玉米土壤水分的影響

中莊小流域玉米蓋度平均為0.39(圖4),川地(0.45)蓋度顯著(p<0.05)高于梯田(0.37)。梯田陰坡上坡位、陰坡下坡位、陽坡上坡位、陽坡下坡位玉米的平均蓋度分別為0.24,0.34,0.38,0.46(圖5);陽坡上坡位蓋度與陰(陽)坡下坡位差異不顯著(p>0.05),其余立地類型間差異顯著(p<0.05);陽坡(下坡位)蓋度顯著(p<0.05)高于陰坡(上坡位)。

圖4 小流域玉米蓋度的變化Fig. 4 The variation of corn coverage in small watershed

圖5 梯田各立地條件玉米蓋度的變化Fig. 5 The variation of corn coverage under different site conditions in terraced fields

川地玉米土壤水分除受蓋度影響外,還與微氣象、本底土壤性質等密切相關,因此對蓋度的響應關系較差。為簡化分析,將所有點位按蓋度大小分為5段(<0.21,0.21～0.40,0.41～0.60,0.61～0.80,>0.80),分別計算每組蓋度與土壤水分均值,并分析兩者關系(圖6)。0—100 cm土層,土壤水分隨蓋度增加呈線性降低的變化,擬合精度(R2)范圍為0.24～0.55;當蓋度增大到0.2(100—160 cm)或0.4(160—200 cm)時土壤含水量降低,之后趨于穩定。

圖6 川地玉米蓋度對土壤水分的影響Fig. 6 Effect of corn coverage on soil moisture in plat fields

將梯田玉米蓋度劃分為3個等級(0～0.3,0.3～0.6,0.6～0.9),不同蓋度土壤水分隨土層深度增加大致呈不完整的“S”型(圖7)。從0—200 cm土層均值看,蓋度為0.3～0.6最大(11.45%),蓋度為0～0.3次之(11.38%),蓋度為0.6～0.9最小(11.21%),三者間差異不顯著(p>0.05)。不同蓋度土壤水分變異系數大致表現為淺層(0—100 cm)大于深層(100—200 cm)(圖8),且均屬于中等變異性。

圖7 梯田玉米蓋度對土壤水分的影響Fig. 7 Effect of corn coverage on soil moisture in terraced fields

圖8 梯田不同蓋度玉米土壤水分變異系數Fig. 8 The variation coefficient of soil moisture of maize with coverage in terraced fields

為了更深入地分析梯田玉米蓋度對土壤水分的影響,且盡可能排除立地因子的干擾,將立地因子劃分為陰坡上坡位、陰坡下坡位、陽坡上坡位、陽坡下坡位4個。首先,分析陰坡上坡位蓋度對土壤水分的影響(圖9),整體來說,不同土層兩者間均呈正效應,擬合精度范圍0.007 3～0.29,擬合效果相對較差。

圖9 梯田陰坡上坡位玉米蓋度對土壤水分的影響Fig. 9 Effect of corn coverage on soil moisture at upslope of shady slope in terraced fields

隨蓋度增大(圖10),陰坡下坡位40—60 cm,140—200 cm土層水分條件呈不明顯的降低,其余土層呈不明顯的升高,擬合精度范圍2.37×10-6～0.024,擬合效果極差。

圖10 梯田陰坡下坡位玉米蓋度對土壤水分的影響Fig. 10 Effect of corn coverage on soil moisture at downslope of shady slope in terraced fields

陽坡上坡位玉米蓋度與土壤水分的關系呈現出和陰坡上坡位相反的規律(圖11),隨蓋度增加,各層次土壤水分均表現不同程度的下降趨勢,且擬合精度(0.12～0.64)較高,關系更為緊密。

圖11 梯田陽坡上坡位玉米蓋度對土壤水分的影響Fig. 11 Effect of corn coverage on soil moisture at upslope of sunny slope in terraced fields

陽坡下坡位40—180 cm土層含水量隨蓋度增加呈不明顯升高趨勢(圖12),其余土層呈不明顯的降低,蓋度與土壤水分擬合效果極差(擬合精度為0.001 0～0.053)。

圖12 梯田陽坡下坡位玉米蓋度對土壤水分的影響Fig. 12 Effect of corn coverage on soil moisture at downslope of sunny slope in terraced fields

3.3 坡向和坡位對梯田玉米土壤水分的影響

梯田4個立地條件土壤水分隨土層深度增加均呈先微弱降低后升高(先快后慢升高)的變化(圖13)。從0—200 cm土層水分條件均值來說,陰坡(11.62%)略高于陽坡(11.07%),上坡位(11.76%)略高于下坡位(11.23%),坡向和坡位間差異均不顯著(p>0.05)。隨土層深度增加,坡向和坡位間土壤水分的差異逐漸增大。各坡向和坡位土壤水分的變異系數基本表現為淺層(0—100 cm)大于深層(100—200 cm)(圖14),且均屬于中等變異性。

圖13 梯田玉米土壤水分的坡向和坡位差異Fig. 13 The variation of slope aspect and slope position of corn soil moisture in terraced fields

圖14 梯田不同立地玉米土壤水分的變異系數Fig. 14 The variation coefficient of soil moisture of maize under different site in terraced fields

為減弱玉米蓋度對土壤水分的影響,分析立地因子對土壤水分的影響時,將玉米蓋度劃分為3個等級(0～0.3,0.3～0.6,0.6～0.9)。總體來看,隨土層加深,同一蓋度等級玉米土壤水分均表現為不同程度的增加趨勢(圖15)。當蓋度為0～0.3時,不同立地條件土壤水分均值的大小順序為陽坡上(12.46%)>陰坡上(11.63%)>陰坡下(11.59%)>陽坡下(10.58%),陽坡上顯著(p<0.05)高于陽坡下,其余立地因子間差異均不顯著(p>0.05)。當蓋度為0.3～0.6時,不同立地條件土壤水分均值的大小順序為陰坡上(12.82%)>陽坡上(12.59%)>陰坡下(11.35%)>陽坡下(11.06%),各立地因子間差異均不顯著(p>0.05)。當蓋度為0.6～0.9時,不同立地條件土壤水分均值的大小順序為陰坡下(11.72%)>陽坡下(11.37%)>陽坡上(8.55%),陽坡上坡位顯著(p<0.05)低于其他立地因子,陰坡和陽坡下坡位差異不顯著(p>0.05)。

圖15 梯田同一等級蓋度玉米土壤水分對坡向和坡位的響應Fig. 15 Responses of soil moisture on slope aspect and slope position of maize with the same coverage in terraced fields

從變異系數看(圖16),蓋度為0～0.3的陽坡下坡位、蓋度為0.3～0.6的陰坡上坡位大致表現為深層(100—200 cm)土壤水分變異系數大于淺層(0—100 cm),其余基本變現為淺層(0—100 cm)變異系數大于深層(100—200 cm);蓋度為0.3～0.6的陽坡上坡位20—40 cm土壤含水量為強變異性,蓋度為0～0.3的陽坡上坡位100—120,140—160 cm土層、蓋度為0.3～0.6的陰坡上坡位80—100 cm土層和陽坡上坡位(60—80,120—200 cm土層)、蓋度為0.6～0.9陰坡下坡位180—200 cm和陽坡上坡位0—200 cm土壤水分屬弱變異性,其余均為中等變異性。

圖16 梯田同一等級蓋度不同立地玉米土壤水分的變異系數Fig. 16 The variation coefficient of corn soil moisture in different sites with the same coverage in terraced fields

4 討 論

4.1 小流域土壤水分變異

土壤水分受植被特征、立地環境、土壤結構、氣象要素、地形條件、人為活動等因子影響,且各因子間存在交互作用[8]。在黃土區,降雨入滲、土壤蒸散、植被蒸騰等水文過程復雜導致剖面土壤水分存在明顯變異性,本研究發現,土壤水分隨土層加深呈先穩定—再增加—后穩定的變化,這與研究年份降水季節分布不均密切相關(4月、5月、6月、7月、8月、9月、10月的降水量分別為46.6,50.8,30.8,29.6,75.8,176.6,110.2 mm),6月和7月份降水量少,而玉米生長和土壤蒸發消耗的土壤水分多,導致7月份淺層(0—100 cm)的土壤水分含量低于深層(100—200 cm)。有學者在相同地區發現與本研究相反的土壤水分變化[9],主要是由取樣時段(9月底)不同引起的;程諒等[10]在旱季發現與本研究相同的規律,主要是因太陽輻射較強和地表覆蓋度較低造成的。小流域玉米土壤水分變異性總體表現為0—100 cm土層大于100—200 cm土層,是因氣溫、太陽輻射等氣象因子對表層土壤影響強,且隨土層加深影響逐漸減弱。本研究顯示川地玉米土壤水分顯著高于梯田,主要是因川地地形平坦且位于海拔相對較低的區域,受微氣象、地形等多因子共同影響,水分含量相比梯田較高。

4.2 植被蓋度變化及對土壤水分的影響

研究發現,川地玉米蓋度顯著高于梯田,與川地的土壤水分高于(植被生長優于)梯田有關,郭艷菊等[11]在寧夏東部風沙區研究表明,植被蓋度與各層次土壤水分呈(極)顯著正相關,主要因土壤水分是限制干旱區植被生長的重要因子;陸豐帥等[12]在祁連山高寒草原發現,隨土壤水分增加,植被蓋度呈反比例函數遞增趨勢,可能是因土壤水分供給使植被地上部分具有一定的膨壓,上述結果與本研究結論相似。中莊小流域梯田玉米不同立地環境蓋度的大小順序為陽坡下坡位>陽坡上坡位>陰坡下坡位>陰坡上坡位,可能與陽坡的氣溫、太陽輻射等氣象因子較高、下坡位土壤水分含量較高等有關;馬扎雅泰等[13]分析顯示不同立地類型梭梭(Haloxylonammodendron)人工林蓋度存在顯著差異,這與不同立地類型的質量等級相一致;有學者發現坡度是影響植被覆蓋度的主要因子[14];王采娥等[15]研究三江源高寒坡地退化植物發現上坡位植被蓋度顯著大于下坡位,主要是因下坡位家畜踐踏和啃食頻繁等人類活動較多導致的,與本研究結論相反;還有研究者發現半陰坡的植被蓋度高于半陽坡[16],主要是因半陰坡光照時間相對較短,土壤水分較高且分布均勻,更適合植被生長。

植被蓋度影響土壤的遮陰情況、植被的蒸散發特征等,進而對土壤水分變化起作用。研究顯示,川地玉米土壤水分隨蓋度增加呈線性降低(0—100 cm土層)或先降低后穩定(100—200 cm土層)的變化,主要是因玉米蓋度高、生長好導致消耗的土壤水分較多,可能也與隨土層加深,玉米根系的吸水能力逐漸減弱、對土壤水分的影響逐漸減小有關。梯田不同玉米蓋度(0～0.3,0.3～0.6,0.6～0.9)對土壤水分的影響微弱,可能是因立地環境的差異減弱了蓋度的作用。為排除立地因子干擾,分析梯田4個立地因子玉米蓋度對土壤水分的作用,陰坡下坡位和陽坡下坡位玉米蓋度對土壤水分的影響較弱,斜率范圍分別為-2.15～1.65和-0.67～2.63;陰坡上坡位和陽坡上坡位蓋度對土壤水分的影響相對較強,斜率范圍分別為3.31～18.63和-9.40～-4.58,可能與上坡位土壤水分較高、植被生長較差等有關。隨蓋度增加,梯田陰坡上坡位土壤水分呈增加趨勢,陽坡上坡位呈減小變化,這可能與陰坡上坡位玉米蓋度分布在較小的范圍內(集中于0.1～0.3)、陽坡上坡位玉米蓋度分布范圍較大(集中于0.2～0.8)等有關,在一定較小的蓋度范圍內,植被蓋度增加,能增加土壤遮陰面積,減少土壤蒸發,當植被蓋度過大時,植被增加消耗的土壤水分大于減小的土壤蒸發量,導致土壤水分降低。有學者分析顯示,隨植被蓋度增大,0—60 cm(60—200 cm)的土壤水分逐漸增加(減小)[9],可能與植被蓋度增大降低地表蒸發且同時對深層土壤水分需求逐漸增加等有關;還有研究得出,植被蓋度與土壤水分之間呈正效應[11,17]或負效應[18],前者是因土壤水分高時植被生長較好,后者是因土壤水分主要用于植被的生長發育消耗,植被蓋度越高,土壤水分越少;再有報道發現隨植被蓋度增加,土壤水分呈倒“V”型[19]。因氣候帶、土壤特性、植被類型等存在差異,同時,植被蓋度和土壤水分的影響因子較多且復雜,導致植被蓋度與土壤水分的關系形式多樣且差別較大。

4.3 立地因子對土壤水分的影響

立地因子影響微氣象、植被生境、降雨的下滲、徑流等,進而造成土壤水分差異,且相關研究[8]認為,土壤水分較低的區域,立地環境的影響作用更為顯著。寧南黃土區中莊小流域梯田玉米土壤水分的立地條件差異總體表現為,陰坡高于陽坡,上坡位高于下坡位,主要是因陽坡的氣溫、太陽輻射等與蒸散能力相關的氣象要素均高于陰坡,導致陽坡的土壤水分消耗量高于陰坡,這與黃土高原其他區域的研究結論[20-21]相同。研究區梯田上坡位玉米生長較差、蓋度較低,玉米生長消耗的土壤水分較少,是導致上坡位玉米土壤水分高于下坡位的主要原因,白一茹[22]和沈晗悅[23]等均發現了相同的結論,前者是因上坡位土壤結構好于下坡位、土壤水力學性質空間差異等,后者是因坡面整地后,水平臺階阻斷了地表徑流和壤中流由上至下運移等。相似區域大多研究均顯示,下坡位土壤水分高于上坡位[24-25],與土壤水分坡面產流匯流、局地微氣象、土壤結構、植被特征等因子密切相關。為減小植被生長的干擾,分析了相似玉米蓋度時土壤水分的坡位差異,當蓋度為0～0.3,0.3～0.6時,上坡位高于下坡位,當蓋度為0.6～0.9時,下坡位高于上坡位,可能與不同玉米蓋度對降雨再分配特征、局地微氣象變化等的影響有關。

本研究取樣時間為生長季中期的7月份,能較好地體現小流域玉米土壤水分空間變異及對立地因子和蓋度的響應,如在生長季前期或末期取樣,不能很好地體現玉米生長對土壤水分的影響。受取樣時間和數量限制,僅采集了一個年份生長季中期的土壤水分,未來研究中,應增加取樣的年份、次數、數量等,分析不同年份(豐水年、平水年、枯水年)、不同生長時段(不同月份)玉米土壤水分空間特征,為流域尺度上作物種植結構優化調整提供理論基礎。

5 結 論

小流域200 cm深的土壤含水量平均為11.93%,川地為13.91%,顯著高于梯田(11.37%);土壤水分隨土層加深整體表現為先穩定(0—60 cm)、再增加(60—140 cm)、后穩定(140—200 cm)的變化,淺層(0—100 cm)土壤水分的變異性高于深層(100—200 cm),均屬中等變異性。隨蓋度增加,川地玉米土壤水分呈線性降低或先下降后穩定的變化,梯田陰坡上坡位呈線性升高的趨勢,陽坡上坡位呈逐漸減小的變化,陰坡和陽坡下坡位變化微弱。整體來看,陰坡(上坡位)土壤水分高于陽坡(下坡位),差異均不顯著;而當蓋度為0～0.3,0.3～0.6時,上坡位土壤水分高于下坡位,當蓋度為0.6～0.9時,下坡位高于上坡位。