晉西黃土區(qū)刺槐和油松林地土壤水分動態(tài)變化

常譯方，畢華興，高路博，許華森

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京)

位于干旱、半干旱區(qū)的黃土高原是世界上水土流失最嚴(yán)重與生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一，土壤水分已成為制約黃土區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的“瓶頸問題”［1］。黃土高原大部分地區(qū)地下水埋藏較深，降水是上層土壤水分的主要來源，但是降水總量相對較少，且年際、年內(nèi)分配不均，地貌類型復(fù)雜多樣，使得黃土高原土壤水分時空變異性大［2］;因此，研究土壤水環(huán)境，掌握土壤水分動態(tài)變化規(guī)律，是合理利用黃土高原地區(qū)有限水資源的基礎(chǔ)，也是黃土高原植被恢復(fù)與持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵［3］。

土壤水分季節(jié)變化是研究區(qū)降水量及降水季節(jié)分配情況與地形、植被類型耦合的結(jié)果［4-7］。由于研究地點和植被類型不同，土壤水分季節(jié)變化時段的劃分有所差異［2］。孫中峰等［8］將晉西黃土區(qū)坡面生長季土壤水分變化分為3 個階段，即土壤水分遞減期、土壤水分補充期、土壤水分消退期。牛云等［9］將祁連山水源涵養(yǎng)林主要植被下的生長季土壤水分變化分為土壤失水期、聚水期、退水期和穩(wěn)水期4 個時期;但是，現(xiàn)有研究大多僅根據(jù)土壤水分季節(jié)變化圖的變化趨勢進(jìn)行劃分，這種階段劃分方法在很大程度上受人為主觀因素影響，缺乏科學(xué)性。相關(guān)研究表明，土壤水分年際變化基本與年際降水量的變化趨勢一致［4，10］。不同水文年間土壤水分動態(tài)顯示了土壤水庫的調(diào)蓄作用。李洪建等［11］通過分析晉西北黃土丘陵溝壑區(qū)人工林不同水文年的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，得出不同水文年土壤水分的年循環(huán)水平及生長期末的土壤貯水量與降水量的關(guān)系最為明顯，偏澇年生長期末的土壤水分對翌年生長期初的土壤水分影響較大的結(jié)論。筆者根據(jù)2005—2012年晉西黃土區(qū)不同坡向刺槐林和油松林土壤水分定位監(jiān)測資料，采用有序樣本最優(yōu)分割法分析土壤水分季節(jié)變化規(guī)律，研究不同水文年生長季的土壤水分盈虧平衡，并探討降雨分配對年內(nèi)、年際土壤水分變化的影響，以期系統(tǒng)、定量地掌握土壤水分動態(tài)變化規(guī)律，了解晉西黃土區(qū)刺槐林、油松林土壤水分狀況，為半干旱黃土區(qū)植被建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣蔡家川小流域(E 110°27＇～111°07＇，N 35°53＇～36°21＇)，海拔1 025 m，屬于典型黃土殘塬溝壑區(qū)。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，年均氣溫9.9 ℃，≥10 ℃的積溫3 358 ℃，年均日照時間2 563.8 h，無霜期172 d，年均太陽總輻射量5 424 MJ/m2。該區(qū)多年平均降水量575.9 mm，降水季節(jié)差異顯著，其中6—9 月降水量占全年降水量的70%左右。普遍分布的地帶性土壤類型為褐土，黃土母質(zhì)，土壤性質(zhì)均勻。當(dāng)?shù)刂饕炝謽浞N有刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabuliformis)、側(cè)柏(Platycladus orientalis)、蘋果(Malus pumila)和核桃(Juglans regia)等［12-13］。

2 研究方法

2.1 樣地選取

在研究區(qū)選擇具有代表性的4 塊不同坡向的刺槐林、油松林樣地進(jìn)行取樣和觀測，樣地規(guī)格為5 m×20 m，樣地均為1993 年新造林地，水平梯田整地，林下有少量草本，樣地立地條件基本相同。對樣地進(jìn)行每木檢尺和林分調(diào)查，樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic information of sample plots

2.2 土壤水分測定

在每塊樣地的中心位置布設(shè)一個觀測點，采用TRIME-TDR 土壤水分測定儀定位觀測土壤含水量，用土鉆取土烘干，稱重法進(jìn)行標(biāo)定。于2005—2012年對各固定樣地土壤水分進(jìn)行分層觀測，觀測深度為200 cm，每20 cm 為一個測層;每月上旬、中旬、下旬各觀測一次，3 次重復(fù)，取平均值作為該測層的土壤體積含水量。

2.3 降雨量測定

通過設(shè)置在樣地附近空曠地的翻斗式自記雨量計獲取降雨量數(shù)據(jù)，其中少量監(jiān)測點雨量缺失數(shù)據(jù)根據(jù)研究區(qū)氣象站資料與本監(jiān)測點對應(yīng)雨量關(guān)系補充獲得。

2.4 生長季土壤儲水量變化量計算

土壤儲水量的計算公式為:

式中:W 為200 cm 土層土壤儲水量，mm;Wi為第i測層土壤儲水量，mm;θi為第i 測層土壤體積含水率，%;hi為第i 測層厚度，mm;n 為測層數(shù)。

研究區(qū)生長季為4—10 月。生長季土壤儲水量變化量的計算公式為

式中:ΔW 為生長季土壤儲水量變化量，mm;W4為生長季初(4 月)200 cm 土層土壤儲水量，mm;W10為生長期末(10 月)200 cm 土層土壤儲水量，mm。

2.5 數(shù)據(jù)處理

有序樣本最優(yōu)分割法既能保持樣本的順序性，又能根據(jù)樣本的相似性，通過定義直徑和計算最小誤差函數(shù)，縮小聚類內(nèi)樣本離差平方和，對樣本進(jìn)行最優(yōu)分割，最終確定聚類數(shù)和樣本劃分邊界［14］。

設(shè)一維有序樣本為x1，x2，…，xn，用D(i，j)表示類{xi，xi+1，…xj}(i ＜j)的直徑，公式為:

假設(shè)將總體k 個樣本分成n 類，對分類P(n，k)定義誤差函數(shù)e［P(n，k)］，公式為

選擇P(n，k)使e［P(n，k)］達(dá)到最小。

當(dāng)分類數(shù)確定后，通過遞推公式確定分為n 類的每一類中第1 個向量的序號j，使得以其為界限的劃分結(jié)果誤差函數(shù)值最小。

將總體k 個樣本分成n 類，e［P0(n-1，j-1)］為前j-1 個數(shù)據(jù)聚為n-1 類的誤差函數(shù)最小值。

通過定義直徑和計算最小誤差函數(shù)，擬合最小誤差函數(shù)與聚類數(shù)的關(guān)系曲線，曲線拐點即為最佳分類數(shù)，根據(jù)最佳分類數(shù)計算劃分邊界。

統(tǒng)計分析采用DPS9.50、SPSS20 軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分季節(jié)動態(tài)變化分析

運用有序樣本最優(yōu)分割法對2005—2012 年月平均土壤含水量進(jìn)行季節(jié)變化時段劃分，得出的研究區(qū)各樣地最小誤差函數(shù)與聚類數(shù)的關(guān)系見圖1。可以看出，各樣地最小誤差函數(shù)與聚類數(shù)關(guān)系曲線變化趨勢統(tǒng)一，隨著聚類數(shù)的增加，各樣地最小誤差函數(shù)減小。用對數(shù)函數(shù)擬合最小誤差函數(shù)與聚類數(shù)關(guān)系曲線，各樣地最小誤差函數(shù)與聚類數(shù)關(guān)系顯著。陽坡刺槐、陽坡油松曲線拐點的聚類數(shù)介于4 和5之間，更接近于4，陰坡刺槐曲線拐點的聚類數(shù)為4，陰坡油松拐點的聚類數(shù)接近于4。雖然各樣地曲線特征有細(xì)微差別，但都在聚類數(shù)4 附近曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，聚類數(shù)大于4 后，聚類數(shù)對誤差函數(shù)的影響變得很小?？芍?，4 可作為最佳分類數(shù)。依據(jù)最佳分類數(shù)計算土壤水分季節(jié)變化時段的劃分界線，可將研究區(qū)土壤水分季節(jié)變化分為平穩(wěn)期、波動期、積累期和消退期4 個時段，各樣地季節(jié)動態(tài)變化時段劃分結(jié)果見表2。

由各樣地2005—2012 年月平均土壤水分實際變化情況(圖2)和依據(jù)有序樣本最優(yōu)分割法劃分的各樣地土壤水分季節(jié)變化時段(表2)可知，采用有序樣本最優(yōu)分割法劃分土壤水分季節(jié)變化時段的結(jié)果與土壤水分季節(jié)變化的實際情況吻合;因此，運用有序樣本最優(yōu)分割法，以最小聚類誤差函數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)確定土壤水分季節(jié)時段劃分邊界，結(jié)合研究區(qū)研究時段內(nèi)土壤水分變化趨勢對年內(nèi)土壤含水量進(jìn)行季節(jié)變化時段劃分，可以降低人為主觀因素對土壤水分季節(jié)劃分的影響，提高時段劃分的科學(xué)性。

圖1 最小誤差函數(shù)與聚類數(shù)關(guān)系圖Fig.1 Relationship between minimum error function and clustering numbers

表2 各樣地土壤水分季節(jié)變化時段劃分結(jié)果Tab.2 Stage division of seasonal variation of soil moisture in sample plots

由表2 可知，研究區(qū)土壤水分季節(jié)變化分為平穩(wěn)期、波動期、積累期和消退期4 個時段，是因為土壤水分季節(jié)變化是土壤蒸發(fā)、降雨、植物耗水等因素共同作用的結(jié)果［4-7］。平穩(wěn)期氣溫低，降雨少，土壤蒸發(fā)小，植物未進(jìn)入生長期，土壤水分的補給和消耗都很小;波動期氣溫上升，植物開始進(jìn)入生長期，土壤蒸發(fā)強烈，有少量降雨，土壤水分呈現(xiàn)波動狀態(tài);進(jìn)入雨季，大量降雨補充土壤水分，雖然氣溫高，土壤蒸發(fā)強烈，植物蒸散耗水旺盛，但土壤水分仍以補給為主，此為積累期;雨季過后，降水減少，氣溫逐漸下降，植物耗水量、土壤蒸發(fā)量減少，雨季補給的土壤水分漸漸消耗，土壤水分進(jìn)入消退期。

由圖2 還可看出，各樣地年內(nèi)土壤水分季節(jié)動態(tài)變化趨勢一致。同一植被條件下，陰坡和陽坡土壤含水量存在極顯著的差異性(P ＜0.01)，陰坡土壤含水量都高于陽坡。陽坡油松林地和刺槐林地土壤含水量無顯著差異(P ＞0.05)，陰坡油松林地和刺槐林地土壤含水量表現(xiàn)出極顯著差異性(P ＜0.01)，刺槐林地土壤含水量略高于油松林地，這與油松林郁閉度較高有關(guān)。

圖2 各樣地2005—2012 年月平均土壤水分變化圖Fig.2 Variation of average monthly soil moisture from 2005 to 2012 in sample plots

3.2 土壤水分年際動態(tài)變化分析

研究區(qū)2005—2012 年降水特征見表3。研究區(qū)歷史多年平均降水量為575.9 mm，根據(jù)山西省氣象科學(xué)研究所擬定的降水量5 級判別標(biāo)準(zhǔn):年降水量與多年平均降水量之差占多年平均降水量的比率在±15%之間為正常，±15%～40%之間為偏澇或偏旱，+40%以上為特澇，-40%以上為特旱［11］。可知，研究區(qū)2008、2010、2012 年的降水量都屬于偏旱型，其他年份屬于正常型。

表3 2005—2012 年降水特征Tab.3 Precipitation characteristics from 2005 to 2012

由各樣地2005—2012 年生長季土壤水分盈虧平衡圖(圖3)可知，各樣地偏旱年(2008、2010、2012年)生長季土壤儲水量虧缺，正常年生長季土壤儲水量盈余。在偏旱年，同一坡向油松林地土壤水分虧缺量比刺槐林地小，陰坡油松林經(jīng)過正常年(2009 年)降水補給后在2010 年(偏旱年)生長季土壤儲水量略有盈余(0.6 mm)。

圖3 各樣地2005—2012 年生長季土壤水分盈虧平衡Fig.3 Soil moisture balance of sample plots during 2005—2012 growing seasons

3.3 降水分配情況對刺槐油松土壤水分的影響

3.3.1 年內(nèi)降水 圖4 為各樣地2005—2012 年生長季土壤水分變化圖?？梢钥闯?生長季各月降水分配均勻的年份(2009、2010 年)，土壤水分波動較小，而在其他年份則反之，除2011 年外，其他年份生長季末期(9、10 月)較多的降水可大幅提升土壤含水量;2005—2008 年，生長季末期總降水量都在100 mm 以上，能較好地補給土壤水分，10 月的土壤含水率與9 月相比都有所提高，而2009、2010 和2012年，生長季末期總降水量都在100 mm 以下，10 月的土壤含水率與9 月相比都略有下降。

3.3.2 年際降水 圖5 為2005—2012 年年平均土壤含水量變化圖?？梢钥闯?，各樣地年平均土壤含水量并不與當(dāng)年的年降水量完全成正比，土壤含水量的變化滯后于降水量的變化。

圖4 2005—2012 年生長季刺槐、油松樣地土壤水分變化圖Fig.4 Soil moisture variation of Robinia pseudoacacia and Pinus tabuliformis sample plots during 2005—2012 growing seasons

圖5 各樣地2005—2012 年年際土壤水分變化圖Fig.5 Interannual variation of soil moisture of sample plots during 2005—2012

由圖5 還可以看出，不論是正常年還是偏旱年，各樣地年際土壤水分變化趨勢一致。同一植被條件下，陰坡和陽坡土壤含水量存在極顯著的差異性(P ＜0.01)，陰坡土壤含水量都高于陽坡。陽坡油松林地和刺槐林地土壤含水量無顯著差異(P ＞0.05)，陰坡油松林地和刺槐林地土壤含水量在0.1的水平上具有差異性(P ＜0.10)，刺槐林地土壤含水量略高于油松林地。

4 結(jié)論與討論

1)研究區(qū)刺槐、油松土壤水分季節(jié)變化可分為平穩(wěn)期、波動期、積累期和消退期4 個時段，不同坡向、不同植被條件下的土壤水分季節(jié)變化時段劃分邊界不同。各樣地年內(nèi)土壤水分條件陽坡刺槐林地和油松林地接近，陰坡刺槐林地土壤水分條件最好。晉西黃土區(qū)植被建設(shè)應(yīng)考慮在陽坡種植油松，陰坡種植刺槐。

2)偏旱年刺槐、油松生長季土壤儲水量呈現(xiàn)虧缺狀態(tài)，正常年生長季土壤儲水量呈現(xiàn)盈余狀態(tài)。在偏旱年，油松林地土壤水分虧缺量比刺槐林地小。當(dāng)偏旱年與正常年相間時，油松林地土壤水分恢復(fù)速度比刺槐林地快。

3)降水季節(jié)分配情況對刺槐油松土壤水分狀況有影響，年內(nèi)降水分配均勻度與土壤水分年內(nèi)波動幅度成反比，同時，土壤水庫在不同水文年具有一定的調(diào)蓄作用，刺槐、油松土壤含水量年際變化滯后于降雨的年際變化。

土壤水分動態(tài)變化包括年內(nèi)變化和年際變化，有序樣本最優(yōu)分割法對土壤水分季節(jié)變化時段的定量分析豐富和完善了土壤水分動態(tài)變化研究;但土壤水分動態(tài)變化除受降水分配影響外，還與其他因子(植被耗水量、土壤蒸發(fā)量、土地利用狀況、立地條件、土壤特性等)的共同作用有關(guān)，因此，在今后的研究中應(yīng)綜合分析各影響因子，并在更小的時間尺度上對土壤水分時間變化進(jìn)行更加深入和更全面的研究。