黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶不同植被類型下土壤水分動態(tài)特征

傅子洹，王云強(qiáng)安芷生

doi：10.7515/JEE201503007

黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶不同植被類型下土壤水分動態(tài)特征

傅子洹1，2，王云強(qiáng)1，安芷生1

（1.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710061；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

為掌握黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶不同植被類型下0～500 cm土壤含水量的時(shí)空變化特征及其剖面變異規(guī)律，采用定位觀測和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，本文研究了陜西神木六道溝小流域老爺滿渠4種不同植被類型（杏樹、楊樹、沙蒿以及檸條）下的土壤水分狀況。結(jié)果表明：在氣象、地形、地貌、土壤等立地條件基本一致的情況下，同種植被下土壤含水量的變化趨勢具有較高一致性，表層（0～40 cm）土壤含水量在雨季顯著大于旱季，并且上層土壤水分（0～40 cm）的變異程度大于下層（40～500 cm）；不同植被類型間，杏樹地土壤含水量在垂向的變化趨勢最穩(wěn)定，楊樹地和沙蒿地次之，檸條地最劇烈。不同植被類型下的土壤水分動態(tài)特征與剖面分布具有明顯差異。

植被類型；土壤含水量；時(shí)空變異性；六道溝小流域

土壤水分是氣象（如太陽輻射、降水、氣溫），地形地貌（如坡度、坡向、坡位），水文（如徑流、蒸發(fā)、入滲），植被（如密度、蓋度、種類），人為活動（如地下水開采、土地利用管理）等多種因素共同作用的結(jié)果，在時(shí)間和空間尺度上表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性和尺度依賴性（Cantón et al，2004）。另一方面，土壤含水量的多少對土壤侵蝕、植被生長以及土壤—大氣之間水分傳輸過程具有重要影響。相對氣象、地形地貌而言，植被建設(shè)和土地利用轉(zhuǎn)換是人類活動改變區(qū)域土壤含水量水平的直接和有效手段。因此，研究不同植被類型下土壤含水量的動態(tài)變化特征，是研究土壤水分與相關(guān)水文模型的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對區(qū)域植被選擇與布局具有實(shí)踐意義。

目前，國內(nèi)對于土壤水分動態(tài)變化的研究較多，何其華等對于干旱半干旱地區(qū)土壤水分動態(tài)變化的研究表明，土壤水分季節(jié)動態(tài)與降水的季節(jié)性變化基本一致，而含水量的垂直變化一般是有季節(jié)性的，雨季為降低型，旱季為增長型（何其華等，2003）?；糁竦葘S土高原水蝕風(fēng)蝕帶溝岸灌木林地土壤水分變化的研究表明，雨季（7—10月）的天然降水對檸條地坡上、坡中、坡下的補(bǔ)給深度依次為220 cm，160 cm以及180 cm，以及溝岸檸條地距溝不同距離土壤水分含量與距離成一定的線性關(guān)系（霍竹和邵明安，2005）。王云強(qiáng)等對不同土地利用方式下坡面土壤含水量的空間變異性進(jìn)行研究，結(jié)果表明草地和農(nóng)地坡面土壤含水量的垂直變化特征不同，前者為降低型，后者在100 cm 以上為波動型，以下為穩(wěn)定型（王云強(qiáng)等，2006）。已有研究大都針對降水條件、地形地貌以及土地利用方式等，對不同植被類型下土壤含水量的垂向特征與動態(tài)研究相對較少。

黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶是黃土高原土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)，前期含水量的多少及含水量動態(tài)對土壤侵蝕的發(fā)生與侵蝕量的多少具有重要影響。鑒于此，本文在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的典型區(qū)域，選擇杏樹、楊樹、沙蒿以及檸條4種常見植被，研究0～500 cm深度的土壤水分?jǐn)?shù)量特征及其動態(tài)變化規(guī)律，以期更好地理解不同植被類型下土壤水分差異所導(dǎo)致的生態(tài)水文效應(yīng)，這對于土壤侵蝕控制、區(qū)域植被配置具有重要參考意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于中國科學(xué)院水土保持研究所神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站六道溝流域老葉滿渠（110°26′ E，38°49′ N），該區(qū)域經(jīng)過數(shù)十年的退耕還林還草，目前生態(tài)狀況較好。六道溝流域面積6.89 km2，年平均氣溫9～14℃，屬于干旱半干旱季風(fēng)氣候，寒暑分明，氣候比較干燥，降水偏少且年際變化較大，年平均降水量為437.4 mm，且5至10月占全年降水的65％～85％。研究區(qū)位于黃河中游，北沿長城，地處毛烏素沙漠外延，屬典型的黃土高原風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)帶，土壤侵蝕嚴(yán)重。地貌類型為黃土丘陵，部分地區(qū)零星分布有小范圍沙漠。主要植被類型屬于灌叢草原類型，然而天然的植被大都被破壞，近年來通過一系列的人工種植植被建設(shè)，現(xiàn)已發(fā)展成為以檸條—沙柳—沙蒿—長芒草以及一些灌叢草本植被為主的植被群落。

1.2 采樣點(diǎn)的布設(shè)

充分考慮老爺滿渠內(nèi)東坡、西坡植被特征、土壤特性及地形要素對土壤含水量的影響，我們將不同植被類型下的所有樣點(diǎn)布設(shè)在西坡，以確保各樣點(diǎn)間的立地條件（如海拔、坡向、坡度）基本一致。4種植被類型分別為杏樹、楊樹、沙蒿和檸條，每種植被選擇兩個(gè)樣地作為重復(fù)，共8個(gè)樣地，樣點(diǎn)分布見圖1。

1.3 含水量測定方法

本文選擇中子儀法測定土壤水分含量。2012年分別在杏樹、楊樹、沙蒿以及檸條四種植被類型下安裝0～530 cm中子管（其中露出地表30 cm，實(shí)際監(jiān)測土壤水分的深度為500 cm）。本研究從2014年6月至10月開始，定位觀測這4種植被（共8個(gè)樣點(diǎn)）土壤含水量。對每個(gè)觀測點(diǎn)，在0～100 cm和100～500 cm深度分別按10 cm及20 cm的間距進(jìn)行測定，每個(gè)樣點(diǎn)單次測定的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為30個(gè)，共測定5次。需要說明的是，在每次測定8個(gè)樣點(diǎn)的土壤含水量期間，無有效降雨發(fā)生，確保了上層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)間的可比性。將中子儀所測原始數(shù)據(jù)經(jīng)過校準(zhǔn)，獲得土壤水分的實(shí)際體積含水量。采用Excel 2010和SigmaPlot 12.5等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形處理。

圖1 小流域采樣點(diǎn)位分布圖（不同顏色代表不同的植被類型）Fig.1 Distribution of sampling points （different colors represent different vegetation types）

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的整體變化特征

不同植被類型土壤含水量介于2.0％～22.0％，變化范圍較大，剖面含水量集中在8％左右，表層土壤水分（0～20 cm）受降水補(bǔ)給明顯，20～80 cm深度受植被根系吸水作用影響，含水量有下降趨勢，80 cm以下土層的土壤含水量整體上表現(xiàn)為增加趨勢，在300 cm處其含水量超過本年度的降雨補(bǔ)給數(shù)量（圖2）。這與黃土高原其他地區(qū)土壤水分在垂向（0～500 cm）呈現(xiàn)先減小后增加的分布特征具有較好的一致性（王云強(qiáng)等，2012）。土壤含水量是黃土高原植被恢復(fù)的關(guān)鍵因子之一，其整體變化規(guī)律不但受土壤質(zhì)地、孔隙度以及容重的影響，而且還要受到大氣降水、土壤水分蒸發(fā)、土地利用方式以及不同植被類型等一系列因素的制約（Coronato and Bertiller，1996；李洪建等，1998；Qiu et al，2001）。

2.2 不同植被類型下土壤含水量垂向變化規(guī)律

圖3為四種植被類型下0～500 cm土壤水分分布，由該圖可見：①杏樹、楊樹、沙蒿以及檸條地土壤含水量變化范圍依次為10.7％～19.6％、3.1％～7.5％、3.0％～10.8％、4.6％～11.0％，整體變異性較弱，變異系數(shù)（Coef f cient of Variation，CV）分別為5％、8％、10％以及13％；②四種植被類型下表層（0～20 cm）土壤含水量均呈增加趨勢；③杏樹地土壤含水量在0～140 cm整體上表現(xiàn)出增加趨勢，在140～260 cm為減小，260～500 cm深度表現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢；楊樹地在0～60 cm為先增加后減小趨勢，在60 cm以下，土壤含水量表現(xiàn)為穩(wěn)定型（維持在5％左右）；與楊樹地類似，沙蒿地土壤含水量在0～60 cm為先增加后減小趨勢，然而在60～320 cm，土壤含水量呈現(xiàn)為增加趨勢，在320～500 cm表現(xiàn)為穩(wěn)定型，穩(wěn)定在9.5％左右；檸條地0～500 cm土壤含水量總體呈緩慢上升趨勢。

圖2 小流域0～500 cm土壤含水量剖面分布Fig.2 Profles distribution of soil water content in small watershed

圖3 不同植被類型下0～500 cm土壤含水量剖面分布Fig.3 Profle distribution（0～500 cm）of soil water content under different vegetation types

由于不同植被根系的分布情況、吸水能力以及土壤質(zhì)地存在差異，杏樹在垂直方向上（0～150 cm），根長密度隨著土層深度的增加，先增大后減小，吸收根最大根長密度分布在20～40 cm土層（陳高安，2011）。所以在20～40 cm深度，含水量雖然可以得到降水補(bǔ)給，但由于根系吸水強(qiáng)烈，依然表現(xiàn)為減小趨勢，在40～100 cm深度，隨著根系吸水減弱，含水量逐漸增加，而杏樹地含水量整體較高與杏樹的栽種間距較大有直接關(guān)系。楊樹為深根系喬木，其根系對于土壤水分的利用范圍較大且深，加之植物在生長季蒸騰作用較強(qiáng)，使得水分含量較低；此外，楊樹所在地土壤類型為沙黃土，其持水性能較弱，不利于水分的保存，所以楊樹地含水量整體表現(xiàn)為較低的穩(wěn)定趨勢，這與Singh等在美國西部科羅拉多州半干旱草原的研究結(jié)果“粘質(zhì)壤土的有效水含量最高，沙質(zhì)壤土有效水含量最低”一致（Singh et al，1998）。沙蒿屬于半灌木，高度30～80 cm，根系生物量集中分布在0～40 cm土層中（占75％以上），而表層土壤含水量受降水補(bǔ)給遠(yuǎn)大于根系吸水消耗，由此，沙蒿地含水量在0～40 cm表現(xiàn)為增長，而在降水補(bǔ)給較弱的深度（40～60 cm），由于根系吸水作用，含水量呈現(xiàn)出遞減的趨勢（康博文等，2010）。檸條已有25年生長期，研究表明，12～15年生檸條其主根超過6米（王志敏和姚延濤，2002），根系密集層主要分布在10～100 cm，根深和根幅大多在1～4米（牛西午等，2003），因此檸條地含水量整體變異最大。因此，在地形地貌和高程相近的情況下，土壤含水量是降水、冠層截留、植被蒸騰、土壤蒸發(fā)、植被類型、根系分布等要素以及不同深度土層質(zhì)地、孔隙度以及連通性等綜合作用的結(jié)果。盡管如此，相同植被類型下土壤含水量垂向變化趨勢依然呈現(xiàn)出較高的一致性。

2.3 不同植被類型下土壤水分的時(shí)間變化特征

土壤含水量受太陽輻射、大氣降水、溫度變化等一系列氣象因素的影響，因此研究不同土壤含水量隨時(shí)間的變化特征，對于理解土壤—植被—大氣間的水分養(yǎng)分循環(huán)有著重要意義。我國氣候類型不盡相同，因此各地區(qū)在一年中出現(xiàn)旱季和雨季的月份也有很大差異，從年際尺度上看，土壤含水量受控于地方氣候變化；而從月際尺度上，不同月份劃分為旱季和雨季，土壤含水量在旱季穩(wěn)定于一個(gè)相對較低的水平，雨季則維持在一個(gè)相對較高的狀態(tài)（盛才余等，2010）。降水作為本研究區(qū)土壤水分的主要來源，在氣候、地形等因素差異不大的情況下，由于同種植被類型土壤含水量垂向變化趨勢具有較好的一致性（圖3），我們將杏樹地、楊樹地、沙蒿地以及檸條地6 —10月各測點(diǎn)數(shù)據(jù)做平均值，研究不同植被類型下含水量在月際尺度上的變化特征。圖4為杏樹（a）、楊樹（b）、沙蒿（c）以及檸條（d）地6 —10月土壤含水量的動態(tài)變化曲線，由該圖可見，①表層（0～40 cm）土壤含水量在旱季顯著低于雨季；②剖面含水量范圍變化較大（杏樹、楊樹、沙蒿、檸條地含水量分別介于5.3％～20.4％、2.2％～9.4％、2.0％～10.8％、3.0％～18.4％）；③同種植被類型下土壤含水量在月際尺度上變化趨勢較為一致。出現(xiàn)以上結(jié)果的主要原因有：表層土壤含水量主要受降水控制，研究中第一次測定為旱季（6月初），其余4次測定（7—10月）為雨季，因此表層水分與降水量成正相關(guān)關(guān)系。剖面含水量除受土壤質(zhì)地、植被根系影響外，降水在月際尺度上的顯著差異性也是導(dǎo)致含水量范圍增大的一個(gè)主要原因。測定土壤含水量的時(shí)間（6 —10月）集中于雨季，因此整體剖面含水量變化特征較為一致。

圖4 杏樹（a）、楊樹（b）、沙蒿（c）以及檸條（d）地6 —10月土壤含水量剖面分布Fig.4 Profle distribution of soil water content from June to October（a），（b），（c） and （d） represent Apricot tree，Poplar，Artemisia desertorum and Caragana，respectively

2.4 不同植被類型下土壤水分剖面變化比較

圖5為四種植被類型下0 ～ 500 cm土壤含水量及其變異系數(shù)的剖面分布。由該圖可見，①土壤含水量的變異系數(shù)范圍較大（杏樹、楊樹、沙蒿以及檸條地分別介于1％ ～ 33％、2％ ～ 35％、3％ ～ 44％、3％ ～ 47％），上層0 ～ 40 cm深度土壤含水量變異顯著，而40 ～ 500 cm深度土壤含水量變異較弱，最大變異深度均為20 cm。②剖面土壤含水量整體變異系數(shù)較小，杏樹地、楊樹地、沙蒿地以及檸條地（CV）依次為5％、9％、9％、13％，杏樹地含水量垂直變化最穩(wěn)定，楊樹地和沙蒿地含水量較穩(wěn)定，而檸條地含水量變化最為劇烈。在研究區(qū)，降水補(bǔ)給深度一般為100 cm左右（程立平，2013），在此深度間，植被根系生物量最大，生物擾動頻繁，土壤蒸散強(qiáng)烈，導(dǎo)致剖面上部土壤含水量呈現(xiàn)中等變異，而表層（0 ～ 20 cm）土壤更是受各種因素集中影響的區(qū)域，比如，植被覆蓋度，土壤特性，根系分布特點(diǎn)等。在100 ～ 500 cm深度，由于植被根系分布相對較少，降水補(bǔ)給與生物擾動微弱，因此含水量呈現(xiàn)出弱變異。

圖5 杏樹（a）、楊樹（b）、沙蒿（c）以及檸條（d）四種植被類型下0～500 cm土壤含水量的剖面分布，藍(lán)色圓點(diǎn)為各層的平均值，紅色方格為各層土壤含水量的變異系數(shù)。Fig.5 Profle distributions （0～500 cm） of soil water content （SWC） under different vegetation types.Blue circle points represent means，red square points are coef f cients of variation for SWCs.（a），（b），（c） and （d） represent Apricot tree，Poplar，Artemisia desertorum and Caragana，respectively

3 結(jié)論

通過對黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶四種植被類型下0 ～ 500 cm土壤含水量進(jìn)行對比研究，得出以下主要結(jié)論：（1）在立地條件基本一致的情況下，同種植被類型下土壤含水量垂向變化趨勢具有較高一致性；（2）表層（0 ～ 40 cm）土壤含

水量雨季顯著大于旱季，整體剖面含水量變化趨勢在月際尺度上趨于一致；（3）不同植被類型下（杏樹、楊樹、沙蒿以及檸條），上層土壤含水量（0 ～ 40 cm）變異較大，下部（40 ～ 500 cm）變異較弱，杏樹地土壤含水量在垂向的變化趨勢最穩(wěn)定，楊樹地和沙蒿地次之，檸條地最為劇烈，這是植被特性（包括種植密度、根系深度等）和剖面土壤異質(zhì)性等共同作用的結(jié)果。

陳高安.2011.間作條件下杏樹根系分布研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué).[Chen G A.2011.Study on roots distributing of apricot in the intercropping systems [D].Urumqi：Xinjiang Agricultural University.]

程立平.2013.黃土塬區(qū)深剖面土壤水分特征及其補(bǔ)給地下水過程研究[D].楊凌：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心）.[Cheng L P.2013.The characteristics of soil water in deep loess pro f le and the process of groundwater recharge on the Loess Tableland [D].Yangling：University of Chinese Academy of Sciences （Institute of Soil and Water Conservation，CAS ＆ MWR）.]

何其華，何永華，包維楷.2003.干旱半干旱區(qū)山地土壤水分動態(tài)變化[J].山地學(xué)報(bào)，21（2）：149-156.[He Q H，He Y H，Bao W K.2003.Research on dynam ics of soil moisture in arid and sem iarid mountainous areas [J].Journal of Mountain Science，21（2）：149-156.]

霍 竹，邵明安.2005.黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶溝岸灌木林地土壤水分變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，21（6）：45-49.[Huo Z，Shao M A.2005.Soil water distribution of the shrub land at the gully bank in the w ind-water erosion crisscross region of Loess Plateau in China [J].Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineering，21（6）：45-49.]

康博文，劉建軍，孫建華，等.2010.陜北毛烏素沙漠黑沙蒿根系分布特征研究[J].水土保持研究，17（4）：119-123.[Kang B W，Liu J J，Sun J H，et al.2010.Study on root distribution of Artem isa Ordosica in mu us sand land [J].Research of soil and water conservation，17（4）：119-123.]

李洪建，王孟本，柴寶峰.1998.晉西北人工林土壤水分特點(diǎn)與降水關(guān)系研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，4（4）：61-66.[Li H J，Wang M B，Chai B F.1998.Study on characteristics of soil water of planted forest and its relation to precipitation in northwestern Shanxi [J].Journal of Soil and Water Conservation，4（4）：61-66.]

牛西午，丁玉川，張 強(qiáng)，等.2003.檸條根系發(fā)育特征及有關(guān)生理特性研究[J].西北植物學(xué)報(bào)，23（5）：860-865.[Niu X W，Ding Y C，Zhang Q，et al.2003.Studies on the characteristics of Caragana root development and some relevant physiology [J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica，23（5）：860-865.]

盛才余，劉倫輝，劉文耀.2000.云南南澗干熱退化山地人工植被恢復(fù)初期生物量及土壤環(huán)境動態(tài)[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，24（5）：575-580.[Sheng C Y，Liu L H，Liu W Y.2000.Biomass and dynam ics of soil environment during the early stage of vegetation restoration in a degraded dry hot mountain area of Nanjian，Yunnan [J].Chinese Journal of Plant Ecology，24（5）：575-580.]

王云強(qiáng)，邵明安，劉志鵬.2012.黃土高原區(qū)域尺度土壤水分空間變異性[J].水科學(xué)進(jìn)展，23（3）：310-316.[Wang Y Q，Shao M A，Liu Z P.2012.Spatial variability of soil moisture at a regional scale in the Loess Plateau [J].Advance in Water Science，23（3）：310-316.]

王云強(qiáng)，張興昌，從 偉，等.2006.黃土區(qū)不同土地利用方式坡面土壤含水量的空間變異性研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，22（12）：65-71.[Wang Y Q，Zhang X C，Cong W，et al.2006.Spatial variability of soil moisture on slope-land under different land uses on the Loess Plateau [J].Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineering，22（12）：65-71.]

王志敏，姚延濤.2002.楊樹檸條混交林的研究[J].防護(hù)林科技，51（2）：20-22.[Wang Z M，Yao Y T.2002.Study on mixed forest of poplar w ith caragana microophylla [J].Protection Forest Science and Technology，51（2）：20-22.] Cantón Y，Solé-Benet A，Dom ingo F.2004.Tem poral and spatial patterns of soil moisture in sem iarid badlands of SE Spain [J].Journal of Hydrology，285（1-4）：199-214.

Coronato F R，Bertiller M B.1996.Precipitation and landscape related effects on soil moisture in semi-arid rangelands of Patagonia [J].Journal of Arid Environments，34（1）：1-9.

Qiu Y，F(xiàn)u B J，Wang J，et al.2001.Spatial variability of soil moisture content and its relation to environmental indices in a sem i-arid gully catchment of the Loess Plateau，China [J].Journal of Arid Environments，49（4）：723-750.

Singh J S，M ilchunas D G，Lauenroth W K.1998.Soil water dynamics and vegetation patterns in a semiarid grassland [J].Journal of Plant Ecology，134（1）：77-89.

Dynam ics of deep soil moisture under different vegetation types in the w ind-water erosion crisscross on the Chinese Loess Plateau

FU Zi-huan1，2，WANG Yun-Qiang1，AN Zhi-sheng1
（1.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

To investigate the spatial and temporal patterns of soil water content （SWC） in 0～500 cm depth under different vegetation types in the w ind-water erosion crisscross on the Chinese Loess Plateau，we installed neutron probes （530 cm in length） at eight sites under Apricot tree，Poplar，Artemisia desertorum and Caragana，respectively，w ith two replicates，in the Liudaogou watershed on the northern Shaanxi Province，and monitored SWCs from June to October in 2014.Results showed that for the same vegetation type，the dynam ic patterns of SWC were sim ilar since the environmental conditions （i.e.，meteorological and topographical factors） of the eight sites were homogenous；the values of SWC in subsurface （0～40 cm） measured in rainy season were signi f cantly higher than that in dry season，while the variation of SWC in upper soil layers （0～40 cm） was greater than that in the deeper layers （40～500 cm）.For different vegetation types，the vertical pattern of SWC under Apricot tree was the most stable，followed by Poplar and Artemisia desertorum，while the change of SWC under Caragana had the highest vertical variation.Different vegetation types had different profile characteristics and dynam ic patterns of SWC.

vegetation types；soil moisture；spatiotemporal variability；Liudaogou watershed

S152.7

A

1674-9901（2015）03-0188-07

2015-01-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41101204，41471189）；中國科學(xué)院“西部之光”項(xiàng)目

王云強(qiáng)，E-mail：wangyunq04@163.com