不同植被和土壤類型下土壤水分剖面的分異

鄒俊亮，邵明安，龔時(shí)慧

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊陵712100；2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；3.中國(guó)科學(xué)院 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊陵 712100）

土壤水分是土壤的重要組成物質(zhì)，也是影響土地生產(chǎn)力的基本因素之一［1］。在黃土高原干旱半干旱區(qū)，土壤水分是生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的重要基礎(chǔ)物質(zhì)，也是決定該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵因子［2］。長(zhǎng)期以來，土地不合理開墾造成了土壤水分過度利用與水資源總量減少，嚴(yán)重限制了生態(tài)農(nóng)業(yè)的建設(shè)。為合理選擇土地利用類型，研究不同類型土壤水分剖面變化很有必要。土壤水分作為水文模型中的重要變量之一，前人對(duì)其做了大量卓有成效的研究。Chulsang Yoo等人［3］采用土壤水分動(dòng)態(tài)模型和降雨模型估算了降雨和地形對(duì)土壤水分時(shí)空變化的影響。王國(guó)梁等［4］研究認(rèn)為農(nóng)田土壤水分顯著高于林地、灌木地和草地下的土壤水分；坡面土壤水分的空間分布主要受坡度和坡位的影響；土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)土壤水分的空間分布也有一定影響［1］；劉志鵬［5］等在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的研究表明，農(nóng)地和退耕后自然恢復(fù)的荒草地的平均土壤水分含量高于人工苜蓿和檸條地的土壤水分含量。此外，不同植被［5－7］、土壤類型［8］下土壤水分的動(dòng)態(tài)變化、分布特征以及相互循環(huán)機(jī)理也具有顯著差別。在黃土高原小流域尺度上，坡度、坡向等地形因子也對(duì)土壤水分含量有一定影響，但并不是主要因素［9］，所以應(yīng)主要考慮土壤性質(zhì)、植被類型等因素對(duì)土壤水分的影響。

不同土壤因質(zhì)地不同對(duì)水分的涵養(yǎng)能力存在差別，但關(guān)于不同土壤類型對(duì)土壤水分的影響鮮有報(bào)道?；诖耍狙芯恳陨衲玖罍闲×饔?種典型土壤類型為研究對(duì)象，分析不同土壤類型下的土壤水分剖面特征，揭示不同土壤類型下土壤水分的變異規(guī)律，以期為該區(qū)水土資源合理利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站所處的六道溝小流域。該流域位于神木縣以西14 km處，北依長(zhǎng)城，地處毛烏素沙漠的邊緣，屬于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)的強(qiáng)烈侵蝕區(qū)。流域面積6.89 km2，東經(jīng)103°00′－113°53′，北緯35°25′－40°38′，屬于典型的半干旱地區(qū)，平均干燥度為3.1。多年平均降水量為426 mm，6－9月降雨量可占全年降水量的70%～80%。該區(qū)地貌類型為片沙覆蓋的黃土丘陵，主要組成物質(zhì)以第四紀(jì)黃土沉積物為主，主要土壤類型有壩淤土、黃綿土、風(fēng)沙土等［10］。

2 材料與方法

2009年8月對(duì)全流域土壤類型做典型抽樣調(diào)查，共選取3個(gè)典型樣地分別對(duì)應(yīng)3種土壤類型，即壩淤土、黃綿土、風(fēng)沙土，每個(gè)樣地選取3～4個(gè)主要優(yōu)勢(shì)種，對(duì)優(yōu)勢(shì)種下土壤水分進(jìn)行采樣，共計(jì)11個(gè)樣點(diǎn)。土壤水分采樣深度600 cm（其中壩淤土大豆因?yàn)樵?30 cm處已見水，故采樣深度只達(dá)到530 cm），用直徑5 cm土鉆自地表垂直向下每隔10 cm取一次樣，每個(gè)樣點(diǎn)做3次重復(fù)，取樣點(diǎn)每層3個(gè)重復(fù)的算術(shù)平均值作為樣點(diǎn)該層的土壤水分含量。土壤水分采用烘干法（105℃）測(cè)定，用質(zhì)量百分比表示。容重測(cè)定采用環(huán)刀法，分0－20 cm和20－40 cm兩層，每層做5次重復(fù)，取算術(shù)平均值。各樣地的基本屬性特征詳見表1。

表1 樣地基本情況

所得數(shù)據(jù)使用統(tǒng)計(jì)軟件SAS 8.01進(jìn)行分析，采用方差分析（Proc GLM）研究不同土壤類型及不同植被類型對(duì)土壤水分的影響，當(dāng)F檢驗(yàn)顯著時(shí)，再對(duì)不同土壤類型和植被類型的均值進(jìn)行Duncan多重比較。利用SigmaPlot 10.0軟件進(jìn)行圖形的繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土壤類型下土壤水分垂直分布特征

土壤水分在不同土壤類型下的垂直分布特征具有明顯差異（圖1）?？傮w上，0－20 cm間壩淤土的土壤水分含量比黃綿土、風(fēng)沙土的土壤水分含量高，主要因?yàn)閴斡偻琉ち：枯^高［11］，其土壤涵養(yǎng)水分能力相對(duì)較強(qiáng)。圖1A中的壩淤土水分在20－150 cm間含量較低，該層大量分布著植被根系［12－13］，植物強(qiáng)烈蒸騰耗水導(dǎo)致該層水分含量較低，土壤水分的剖面分布特征與成土過程密切相關(guān)［14］，降雨產(chǎn)生的地表徑流使得淤地壩中土壤的淤積層數(shù)增加，這種特殊的成土過程使150－600 cm壩淤土中土壤水分剖面呈現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)型變化。由圖1B可見，0－50 cm土層黃綿土的水分含量呈先增大后減小的變化趨勢(shì)；隨土層加深，50－180 cm黃綿土水分變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，但在180 cm附近出現(xiàn)小幅突變，而在350 cm和500 cm附近又呈現(xiàn)出波動(dòng)變化規(guī)律。黃綿土顆粒組成以粉粒為主，土壤透水性良好，蓄水能力較強(qiáng)［14］，土壤剖面中根系分布與地下水補(bǔ)充對(duì)土壤水分剖面的趨勢(shì)影響較大。而風(fēng)沙土砂粒含量較高，持水能力較弱，如圖1C所示，0－100 cm土層的水分變化幅度較大，而在100－600 cm之間土壤水分隨深度加深呈增加態(tài)勢(shì)，變化幅度比上層小，水分均接近土壤凋萎濕度。根據(jù)王軍［15］、黃奕龍［16］等人對(duì)土壤水分剖面變化情況的劃分可知，壩淤土土壤水分剖面變化類型為波動(dòng)型，黃綿土土壤水分剖面變化介于波動(dòng)性型和降低型之間，本文將其歸為微弱波動(dòng)性型，而風(fēng)沙土土壤水分剖面變化類型屬于降低型。

圖1 不同土壤類型下土壤水分的垂直分布

3.2 不同土壤類型下土壤水分垂直變異

在檸條植被下（圖2A），各土壤類型土壤水分在0－100 cm間波動(dòng)劇烈，100 cm以下開始出現(xiàn)穩(wěn)定的增加態(tài)勢(shì)；在100－600 cm黃綿土水分出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，且在600 cm處出現(xiàn)觀測(cè)土層含水量的最低值，而風(fēng)沙土的水分一直呈現(xiàn)隨土層增加緩慢升高的趨勢(shì)，但土壤水分含量均很低（＜6%）。表2顯示，0－100 cm的土層中3種土壤類型平均水分差異不顯著（P＞0.05），但100－600 cm間差異顯著（P＜0.05），且壩淤土水分均值顯著高于風(fēng)沙土（P＞0.05）。在0－600 cm平均土壤水分黃綿土＞壩淤土＞風(fēng)沙土，均值間差異顯著（P＜0.05）。壩淤土土壤水分變異系數(shù)（51.76%）均大于黃綿土（41.47%）和風(fēng)沙土（41.73%）。

圖2 同一植被不同土壤類型的土壤水分垂直變異

當(dāng)覆蓋植被為小葉楊時(shí)（圖2B），0－100 cm各類型土壤水分波動(dòng)幅度較大，壩淤土表層水分最高；在100－300 cm各類型土壤的水分都處于較低值，說明此時(shí)各類型土壤中的小葉楊根系耗水劇烈；300 cm以下壩淤土繼續(xù)較大幅度波動(dòng)且水分有增加的趨勢(shì)，黃綿土水分在500 cm左右緩慢降低后再升高，風(fēng)沙土水分波動(dòng)不大，且隨深度緩慢增加。在0－100 cm土層各土壤類型土壤水分差異不顯著（P＞0.05），但在100－600 cm間各土壤類型的水分均值差異顯著（P＜0.05）。0－600 cm各土壤類型平均土壤水分表現(xiàn)為壩淤土＞風(fēng)沙土＞黃綿土，均值間差異顯著（P＜0.05）（表2）。

無論是小葉楊還是檸條覆蓋下，在0－100 cm處不同土壤類型對(duì)水分影響不大，但在100－600 cm土壤類型不同對(duì)水分影響極為明顯，在0－600 cm土層平均土壤水分呈現(xiàn)壩淤土大于風(fēng)沙土，黃綿土0－600 cm土壤水分受植被覆蓋影響相對(duì)較大。土壤黏粒含量越高，粒間孔隙越小，吸水、保水性能就會(huì)越強(qiáng)［18］，因此不同土壤類型由于質(zhì)地的差異對(duì)土壤水分剖面的垂直分布會(huì)造成較大影響。

3.3 不同植被類型下土壤水分的垂直分布特征

土壤中不同植物根系的分布狀況、吸水能力各有差異，同時(shí)植物的地上部分，如植物葉片大小、植株高度、植株冠幅及枯枝落葉層等會(huì)影響降雨、徑流對(duì)土壤水分的作用。不少學(xué)者研究了不同植被類型對(duì)土壤水分的影響，有人測(cè)量了500－1 000 cm土層間的土壤水分后發(fā)現(xiàn)平均含水率表現(xiàn)為農(nóng)田＞草地＞灌木林＞林地［4］，而有人對(duì)200－400 cm土層水分測(cè)量后顯示土壤平均含水率為旱農(nóng)坡地＞草地＞檸條灌叢＞果園＞黃刺玫灌叢＞刺槐［19］。為考察植被類型對(duì)不同深度土壤水分的影響大小，本文分析比較了同一土壤類型不同植被覆蓋下土壤水分的垂直分布。

表2 不同土壤類型下土壤水分的描述統(tǒng)計(jì)

3.3.1 壩淤土不同植被下土壤水分垂直分布差異壩淤土0－600 cm土層平均含水量呈現(xiàn)豬毛蒿（11.15%）＞大豆（9.50%）＞小葉楊（7.10%）＞檸條（5.06%），且均值間差異顯著（P＜0.05）（表3），可見草本、農(nóng)地下水分狀況要好于喬灌木。在0－20 cm相比于其它植被下土壤水分含量，大豆平均水分含量最低，這跟農(nóng)地的頻繁翻耕，土壤疏松利于降雨的垂直入滲有關(guān)，同時(shí)土壤表層是大豆根系主要的分布層，且表層水分蒸發(fā)較快也使得大豆表層水分含量降低，在該層雖然4種植被類型平均含水率差異顯著（P＜0.05），但小葉楊、豬毛蒿、檸條的平均水分含量卻無顯著性差異（P＞0.05），說明壩淤土下植被類型的不同對(duì)表土層土壤水分含量的差異影響較小。到了20－200 cm土層，測(cè)量的4種植物下土壤水分均出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)低濕層，檸條下平均含水量最低（3.62%），同時(shí)4種植被類型平均水分含量差異顯著（P＜0.05），壩淤土水分隨深度增加呈現(xiàn)波動(dòng)型的變化趨勢(shì)［17］，但該層的土壤水分波動(dòng)幅度較小，且平均水分也是0－600 cm間最低的，說明該層中植物根系廣泛分布，穩(wěn)定的植物耗水使得水分含量處于較低水平。200－600 cm土層間4種植被類型下平均水分含量差異顯著（P＜0.05），同時(shí)表現(xiàn)出小葉楊（7.93%）和檸條（5.25%）的平均水分小于大豆（10.73%）和豬毛蒿（13.19%）的水分，可見此時(shí)喬、灌木根系分布較農(nóng)地和草地深。壩淤土不同植被下水分均值基本呈現(xiàn)從表層到深層先迅速降低后緩慢升高的趨勢(shì)（圖3A），深層水分含量受降雨影響小，但可以得到地下水補(bǔ)充而升高。在20－600 cm間檸條和小葉楊下土壤水分相比其它兩種植被下水分含量低，均值差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），說明檸條和小葉楊根系在深層土壤中耗水厲害。

3.3.2 黃綿土不同植被下土壤水分垂直分布差異0－600 cm的黃綿土剖面上，平均土壤水分含量大豆（10.75%）＞豬毛蒿（6.85%）＞檸條（5.12%）＞小葉楊（4.00%），且均值間差異顯著（P＜0.05）（表4），整體上，農(nóng)地和草本地土壤水分含量高于喬灌木下土壤水分含量。

在0－20 cm的表層土壤，大豆田土壤水分含量最高（12.51%），因?yàn)榇蠖狗N植在梯田上，而梯田具有改變?cè)嫉匦?，匯集雨水徑流的作用，使得土壤水分增加。在20－200 cm土層間，大豆地平均水分含量（11.4%）仍處于最高，豬毛蒿和檸條地次之，小葉楊最低。在200－600 cm土層間，幾乎沒有大豆根系分布，因而大豆的平均水分（10.36%）最高，分別是豬毛蒿的1.5倍、檸條的2.2倍、小葉楊的2.9倍；而小葉楊和檸條植被下土壤水分在200－600 cm間逐漸降低并接近凋萎濕度，表明土壤水分處于虧缺狀態(tài)。方差分析結(jié)果為黃綿土0－20 cm土層間各植被土壤水

表3 壩淤土不同植被類型下土壤水分描述統(tǒng)計(jì)

3.3.3 風(fēng)沙土不同植被下土壤水分垂直分布差異從圖3C可見，3種植被深層土壤水分含量均接近5%，0－600 cm土層平均土壤水分含量為小葉楊（5.55%）＞沙蒿（5.52%）＞檸條（3.83%），且均值間差異顯著（P＜0.05）（表5）。風(fēng)沙土土壤顆粒較大，粒間孔隙利于雨水下滲，且持水能力較弱，導(dǎo)致水分含量相對(duì)較低，說明此時(shí)植被類型的不同對(duì)土壤水分垂直分布影響力度較大。0－20 cm間小葉楊和檸條植被下平均土壤水分處于整個(gè)研究深度的最大值，而沙蒿則相對(duì)較低，這由于風(fēng)沙土持水能力較低，降雨入滲快，植物根系為吸收更多水分向更深土層生長(zhǎng)，使得下層土壤水分消耗劇烈，而沙蒿根系主要分布在0－40 cm［20］，因此在淺層耗水較多；而方差分析顯示沙蒿、檸條、小葉楊在0－20 cm土層間平均水分無顯著性差異（P＞0.05），這說明植被不同對(duì)淺層風(fēng)沙土土壤水分垂直分布影響相對(duì)較小。在20－200 cm間，3種植被下土壤水分為整個(gè)觀測(cè)土層的最低值，分別為小葉楊（2.77%）＞ 檸條（1.85%）＞沙蒿（1.76%）；3種植被下土壤水分含量在20－200 cm間差異不顯著（P＞0.05），200－600 cm間差異顯著（P＜0.05）。可以認(rèn)為風(fēng)沙土淺層土壤水分垂直分分含量無顯著性差異（P＞0.05），而在20－200 cm、200－600 cm間土壤水分差異顯著（P＜0.05），可見黃綿土表層土壤水分受植被類型影響較小，而深層水分含量受植被影響較大；同時(shí)20－600 cm間小葉楊的平均水分最低，大豆土壤水分含量在每層均處于較高水平，這與大豆和小葉楊根系分布層次差異及其根系耗水能力關(guān)系密切。異受植被影響較小，深層土壤水分受植被類型影響更大。

表4 黃綿土不同植被類型下土壤水分描述統(tǒng)計(jì)

表5 風(fēng)沙土不同植被類型下土壤水分描述統(tǒng)計(jì)

綜上，同一土壤類型下不同植被類型對(duì)土壤水分影響顯著（P＜0.05）。由于表層（0－20 cm）土壤水分受植被根系消耗和蒸發(fā)的共同作用，加之深層（20－600 cm）土壤水分受根系影響相對(duì)較小，地下水有所補(bǔ)給，3種土壤類型下土壤水分隨土層加深基本呈現(xiàn)先迅速降低后緩慢增加的趨勢(shì)（圖3）。

圖3 不同土壤類型土壤水分含量分層比較

4 結(jié)論

（1）土壤水分在不同土壤類型下的垂直分布特征具有明顯差異。壩淤土土壤水分剖面呈現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)型變化，土壤水分呈層狀分布；黃綿土淺層（0－100 cm）土壤水分含量呈先增大后減小，隨土層深度增加變化緩慢，且水分含量低，剖面基本呈微弱波動(dòng)型變化；而風(fēng)沙土在0－100 cm土層水分變化幅度較大，在100－600 cm之間土壤水分隨深度加深而緩慢小幅增加，整體土壤水分剖面變化類型屬于降低型。

（2）植被覆蓋為檸條或小葉楊時(shí)，不同土壤類型由于質(zhì)地的差異對(duì)土壤水分剖面的垂直分布會(huì)造成較大影響。在0－100 cm間不同土壤類型對(duì)水分影響微弱，但100－600 cm間的土壤水分受土壤類型影響極為明顯；同時(shí)0－600 cm的土層深度，平均土壤水分呈現(xiàn)壩淤土大于風(fēng)沙土，黃綿土土壤水分受覆蓋植被不同而不同。

（3）同一土壤類型下的土壤水分受植被類型的影響顯著（P＜0.05），且植被類型的不同對(duì)表層（0－20 cm）土壤水分狀況影響較小，對(duì)深層（20－600 cm）土壤水分影響顯著（P＜0.05）；整體上，3種土壤類型的農(nóng)地和草地的土壤水分狀況要好于灌木和喬木。

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