延河流域不同植被帶土地利用方式的土壤水分分析評價

張 哲，焦 峰，2，梁寧霞，王宗仁

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100；4.寶雞市岐山縣祝家莊鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)辦，陜西 岐山722403）

土壤水分是影響黃土高原植被恢復(fù)重建的重要生態(tài)限制因子［1］，同時也是決定土壤生產(chǎn)力的重要因素［2］。土壤中所有物質(zhì)的運(yùn)移，包括植物從土壤中吸取養(yǎng)分，都離不開土壤水分的作用［3］。一方面土壤水分狀況影響植物和農(nóng)作物生長，另一方面植被覆蓋和土地利用也影響著土壤水分的含量及其分布［4］。黃土丘陵溝壑區(qū)屬干旱半干旱地區(qū)，土層深厚，地下水埋藏很深，降水是植物生存的惟一水分來源［5］。土壤水分循環(huán)是較單純的降雨下行入滲和水分上行蒸發(fā)過程［6］，由于人為活動的干涉該地區(qū)土地利用類型呈現(xiàn)多樣化趨勢［7－9］。因此，如何合理有效的開發(fā)利用土壤水分對于黃土丘陵區(qū)非常重要。

關(guān)于黃土丘陵區(qū)小流域不同土地利用方式下土壤水分的效應(yīng)、動態(tài)變化、影響等方面的問題，國內(nèi)已進(jìn)行了廣泛研究［10－13］，但是結(jié)合流域地帶性對土壤水分的評價還很少。本文以整個延河流域為背景，選擇三個典型植被帶毛堡則流域（森林帶）、陳家坬流域（森林草原帶）、周家山流域（草原帶）作為研究對象。引用土壤濕度評價指標(biāo)，將土壤含水量和植被帶及其土地利用空間分布結(jié)合起來，通過對不同植被帶土地利用方式土壤水分變化的觀測分析，因地制宜，為不同植被區(qū)域生態(tài)建設(shè)、水土資源的合理利用以及植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延河是黃河一級支流，流域地處陜西省北部，地理位置為36°23′—37°17′N，108°45′—110°28′E，包括安塞縣、寶塔區(qū)和延長縣的全部，以及志丹、靖邊兩縣的部分地區(qū)，主要支流有西川河、南川河、杏子河等。流域總長約286.9km，面積7 679km2，平均坡度約4.3‰，河網(wǎng)密度約4.7km／km2。延河流域?qū)儆跍貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，年均氣溫約為9℃。流域年均降水量在500mm左右，其中6—9月降雨集中，約占全年降雨量的75%。流域內(nèi)黃土丘陵溝壑區(qū)面積占全流域的90%，從東南向西北，降雨、溫度具有明顯的梯度變化特征。

延河流域從北向南可分為草原帶、森林草原帶、森林帶3個植被帶［14－15］，不同植被帶之間植被狀況差異明顯，地形地貌特征亦有所差異，土地利用狀況表現(xiàn)出不同的特征。各典型小流域基本信息見表1。

表1 典型小流域基本信息

1.2 不同植被帶土地利用空間分布特征

將野外實地調(diào)繪的土地利用分類進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換和重分類，將小流域土地利用類型分成五大類：耕地、林地、灌木林地、草地和其他用地。其中其他用地包括了居民地、道路、水面等土地利用類型。對每個小流域的土地利用柵格圖像進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到不同小流域土地利用分布狀況表（表2）。由表2可見，小流域的土地利用結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同植被帶的基本特征，在毛堡則森林帶流域中，林地所占面積最大，占流域面積的68%；在陳家坬森林草原帶小流域中，以林地和草地為主，占流域總面積的75%；在周家山草原帶小流域中，草地占的流域面積比例最大，達(dá)到了65%。耕地在所有流域中所占比例大小不盡相同，其中所占比例最大的是毛堡則小流域，達(dá)到了流域面積的11.56%，其次是陳家坬和周家山小流域，分別達(dá)到流域總面積的11.44%和8.29%。

表2 不同小流域土地利用分布狀況 km2

1.3 樣點選擇與土壤水分測定

野外測定于2013年6月，雨季開始前進(jìn)行。根據(jù)三個流域的縱深和地形地貌情況，縱深間隔距離約5km，每個小流域均選擇3個斷面，每個斷面分為陰陽兩個坡面，每個坡面由坡頂?shù)狡碌赘鶕?jù)不同土地利用類型間隔約50m用土鉆法測定土壤水分各取5～10個樣地，測定深度為2m，每20cm取一個樣。土壤水分含量用烘干法測定，用烘箱在105℃恒溫下烘8～10h，結(jié)果以質(zhì)量含水量表示。

土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)利用Excel2007及SPSS19.0統(tǒng)計完成，方差分析利用SPSS19.0（LSD法及Duncan法）完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被帶土壤水分總體分析

統(tǒng)計各小流域中所有采樣點土壤含水量的平均值，作為該小流域土壤含水量的近似值，按照不同植被帶將小流域進(jìn)行歸類，并比較不同植被帶之間土壤含水量的大小。結(jié)果表明（表3）：不同植被帶土壤含水量大小順序為森林帶（毛堡則流域）＞森林草原帶（陳家坬流域）＞草原帶（周家山流域）。其中，森林帶土壤含水量為10.8%，森林草原帶土壤含水量為8.4%，草原帶土壤含水量為5.5%。通過方差分析得出，森林帶與森林草原帶及草原帶土壤含水量差異極顯著（P＜0.01），森林草原帶和草原帶土壤含水量差異顯著（P＜0.05）。

表3 不同植被帶下土壤含水量差異

觀察分析不同植被帶土壤含水量剖面變化發(fā)現(xiàn)（表4），在0—200cm土層中隨著深度的增加各植被帶土壤含水量均呈現(xiàn)增加趨勢。其中，森林草原帶和草原帶不同深度土層土壤含水量差異顯著，森林帶土壤含水量無顯著差異。森林草原帶和草原帶土壤含水量增加趨勢明顯而森林帶趨勢相對平緩。而導(dǎo)致森林草原帶和草原帶土壤含水量差異顯著的原因可能是研究區(qū)土壤含水量測定時間在6月份，為土壤水分緩慢蒸發(fā)期［16］且樣地溫度相對較高，所以表層土壤水分蒸發(fā)量大，植物蒸騰作用及耗水量增強(qiáng)。同時，測定時間為雨季前，降雨量少，表層土壤水分無法得到補(bǔ)給造成表層土壤含水量低于深層，呈現(xiàn)出隨著土層深度增加土壤含水量遞增的趨勢。此外，林地水分利用層較深，故植被深層土壤水分消耗大于草地與耕地。呈現(xiàn)出森林帶不同深度土層土壤水分差異不顯著，隨深度變化不明顯。

分別對3種植被帶所有樣地土壤含水量進(jìn)行變異系數(shù)分析（表3）發(fā)現(xiàn)，同一植被帶內(nèi)部土壤含水量有較大差異。森林帶、森林草原帶、草原帶變異系數(shù)分別為0.53，0.28，0.29。土地的不同利用方式會改變土壤性質(zhì)和植被對地表的覆蓋，從而影響土壤含水量［17］。因此，需對植被帶不同土地利用空間分布及土壤水分進(jìn)行分析比較。

表4 不同植被帶土壤含水量剖面變化

2.2 不同植被帶土地利用方式下土壤水分分析評價

為了對研究區(qū)的土壤水分變化情況作簡單的分析評價，將植被帶不同土地利用方式空間分布和其相應(yīng)土壤含水量結(jié)合起來。根據(jù)前人研究成果，選擇土壤濕度綜合指數(shù)SHI［18］，作為評價指標(biāo)。

式中：Pi——土壤含水量狀態(tài)取值；Ri——面積百分比值。當(dāng)土壤含水量在4.5%～7.36%時，土壤含水量狀態(tài)取值0.32；7.36%～11.04%時，土壤含水量狀態(tài)取值0.50；11.04%～14.72%時，土壤含水量狀態(tài)取值0.70；14.72%～18.40%時，土壤含水量狀態(tài)取值0.90。

2.2.1 不同植被帶土壤濕度比較分析 總體來看（表5），三個植被帶土壤濕度指數(shù)都小于24，土壤水分均處于較低狀態(tài)。其中，森林草原帶土壤濕度最高，其次是森林帶，草原帶土壤濕度最低。通過對植被帶土壤水分觀察分析發(fā)現(xiàn)，4種土地利用方式中，耕地土壤含水量都是最高，而灌木地土壤含水量最低，林地和草地土壤含水量無顯著差異。這是由于，耕地多分布在溝臺、壩地或流域坡度較小的地方，而坡度較大的地方均修建了梯田。溝臺、壩地處于溝道中，長期受到溝道水及坡面徑流的補(bǔ)給，而梯田具有改變原始地形，匯集徑流的作用。此外，農(nóng)作物耗水量一般低于喬灌木林地［19］，所以耕地土壤含水量高于其他土地利用類型。所測灌木林地主要以檸條林為主，由于檸條靠龐大的根系吸收土壤水分以及強(qiáng)烈的蒸騰作用得以在干旱的土地上生存［20］，所以流域內(nèi)灌木地土壤水分最小。從3個植被帶土地利用方式空間分布特征發(fā)現(xiàn)，耕地和灌木地在整個流域中所占面積較小，盡管耕地土壤含水量較大，但是對土壤濕度貢獻(xiàn)率并不突出。而林地與草地占所測流域面積一半以上，對土壤濕度其主導(dǎo)作用。

表5 不同植被帶土壤含水量及土壤濕度綜合指數(shù)

2.2.2 不同土地利用方式土壤濕度分析比較 森林帶4種土地利用方式中（表6），林地土壤濕度指數(shù)最高，為34.08，但仍處于干旱狀態(tài)。耕地，草地，灌木地土壤濕度指數(shù)依次減小，均處于極干旱狀態(tài)。盡管耕地土壤含水量最高且顯著高于林地（P＜0.05），但是林地占地面積遠(yuǎn)大于耕地。所以在森林帶，較其他土地利用方式，林地對土壤含水量的貢獻(xiàn)最大。

在森林草原帶，耕地土壤濕度指數(shù)為8.00，林地土壤濕度指數(shù)為15.46，草地土壤濕度指數(shù)為22.76，灌木地土壤濕度指數(shù)為2.24?？傮w來看，草地土壤濕度最高，林地略低于草地，其次是耕地，灌木地最低。4種土地利用類型均處于極干旱狀態(tài)。通過方差分析發(fā)現(xiàn)，耕地土壤含水量顯著高于林冠草地。林地和草地土壤含水量相近，無顯著差異，且二者占小流域的面積高達(dá)75%，所以森林草原帶土壤濕度有林地和草地共同作用。

在周家山流域草原帶，草地占地面積為6.79 km2，占總面積一半以上，其次是林地，耕地，灌木地。從總體來看，草地土壤濕度指數(shù)最高，為20.71，而耕地、林地、灌木地土壤數(shù)度指數(shù)都小于5。4種土地利用方式中，草地對草原帶土壤濕度貢獻(xiàn)率最大，但是均處于極干旱狀態(tài)。觀察周家山流域土壤水分發(fā)現(xiàn)，草原帶土壤含水量相對較小，這可能和草原帶處于延河流域北部，降雨量較少有關(guān)。

表6 不同土地利用方式土壤含水量及土壤濕度綜合指數(shù)

3 結(jié)論與討論

（1）3種植被帶均處于極干旱狀態(tài)，土壤濕度森林草原帶最大，其次是森林帶，草原帶最小。這與植被帶不同土地利用方式空間分布及其土壤含水量有關(guān)。

（2）對整個延河流域，草地廣泛分布于延河流域的北部、中部、西部、東部及東南部，林地主要分布在中部及南部廣大區(qū)域。所選3個小流域，毛堡則小流域以林地為主，占流域面積一半以上；陳家坬小流域林地和草地均占主導(dǎo)作用，占流域總面積達(dá)75%；周家山小流域，以草地為主。耕地和灌木地均零星分布在3個小流域，耕地所占面積大于灌木地。

（3）不同植被帶土壤含水量差異顯著，森林帶最高，其次為森林草原帶，草原帶最低。對不同植被帶土壤水分的剖面變化分析表明，0—200cm土層中土壤含水量隨著深度增加呈現(xiàn)增長趨勢。

（4）不同植被帶土地利用方式下土壤含水量變化基本相同。耕地的土壤含水量顯著高于其他3種土地利用方式，這主要是與耕地坡度較小和修建梯田有關(guān)，同時還與農(nóng)作物的耗水量相對較小有關(guān)。林地和草地土壤含水量無顯著差異，這可能是由于喬灌木耗水量大于草本植物而草地較林地易產(chǎn)生徑流兩者共同作用造成的。灌木地土壤含水量最小。

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