黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式土壤水分變化特征

杜 康, 張北贏

(江蘇師范大學 地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院, 江蘇 徐州 221116)

土壤水分是水循環(huán)重要的一個環(huán)節(jié)，對植物生長、生態(tài)環(huán)境建設以及水資源的有效利用有著重要影響[1]。黃土丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤水分是制約植物生長和生態(tài)恢復的主要因子[2]。經過20年退耕還林還草，黃土丘陵區(qū)產生了多種土地利用方式，多種土地利用方式對土壤水分產生了影響[3]。近年來，研究人員對黃土丘陵區(qū)的土壤水分做了許多試驗研究[4-8]。趙傳普等[9]通過對黃土丘陵區(qū)延安燕溝流域不同植被類型0—200 cm土層土壤水分特征的分析研究，得到不同植被類型對土壤水環(huán)境分異規(guī)律的影響。唐敏等[10]在2014—2015年生長季(5—10月)，利用自動監(jiān)測裝置長期連續(xù)測定4種土地利用類型0—160 cm土層的含水量，得到不同土地利用類型上的土壤水分特征。張敏等[11]在黃土丘陵緩坡風沙區(qū)通過TDR監(jiān)測0—100 cm 土層的含水量，研究了不同土地利用類型土壤水分的變化。馬婧怡等[12]通過試驗得到晉西北黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式下0—300 cm土層含水量，發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式對各土層土壤水分影響不同。張北贏等[13]利用灰色關聯(lián)方法，分析了黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式下各土層土壤水分狀況，掌握各土層間的關聯(lián)相似性。

許多學者從不同方面對土壤水分進行了大量研究，但針對黃土丘陵區(qū)喬、灌、草、農不同土地里利用方式結合起來的深層土壤水分研究相對較少。本研究以典型黃土丘陵區(qū)安塞縣墩山梯田、草地、刺槐林(Robiniapseudoacacia)和沙棘(Hippophaerhamnoides)灌叢作為研究對象，分析0—300 cm土壤水分的時間變化。運用灰色關聯(lián)度分析不同土層土壤水分的變化相似性，得到土壤水分的垂直變化特征。利用變異系數(shù)分析季節(jié)變異程度的分層特征，以期為黃土丘陵區(qū)水資源高效利用和土地利用配置方式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市安塞縣縣城西側墩山(圖1)，地貌類型屬于典型黃土丘陵溝壑區(qū)，研究區(qū)坐標為109°18′02″—109°19′30″E，36°50′36″—36°51′50″N，平均海拔為1 068～1 309 m。氣候類型為暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為8.8℃，≥10℃的積溫為3 114℃，無霜期為143～174 d。多年平均降水量為500 mm，降水集中在7—9月，干燥度為1.48。在土壤類型上為黃綿土與沙黃土交錯區(qū)，以黃綿土為主。植被類型為森林與草原過渡帶。

1.2 試驗設計

本研究以黃土丘陵區(qū)具有代表性的4種土地利用方式為研究對象，選取谷糜梯田、刺槐林、沙棘灌叢、草地作為研究樣地。草地植物種類主要有：野西瓜苗(HibiscustrionumLinn.)、茵陳蒿(ArtemisiacapillarisThunb.)、小薊(Cirsiumsetosum)、苦荬菜(IxerispolycephalaCass.)、杠柳(PeriplocasepiumBunge)等。樣地的地理位置見圖1。采用土鉆法于2019年5月、7月、8月、10月的中旬分別測定一次各樣地的土壤含水量。每次打0—300 cm的土鉆，在0—100 cm土層每10 cm取一次樣裝入鋁盒，在100—300 cm土層每20 cm取一次樣裝入鋁盒，把裝有土樣的鋁盒帶回臺站實驗室，采用經典烘干法測定各土壤樣品的含水量。另外，在沙棘灌叢附近平整的空地上放置雨量筒測定降水量。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點分布

1.3 灰色關聯(lián)分析

灰色關聯(lián)法是依照要素之間相似或相異程度，也就是灰色關聯(lián)度來比較要素之間關聯(lián)大小的一種方法[13]。要素之間灰色關聯(lián)度較小，表明之間關聯(lián)性較小；反之，則較大?；疑P聯(lián)度對樣本數(shù)量沒有嚴格要求，計算結果與定性分析的結果相對接近。

1.4 數(shù)據處理

土壤質量含水量(W)的計算公式為：

W=(W2-W3)/(W3-W1)×100%

式中：W1為鋁盒重量(g)；W2為濕土重加鋁盒重量(g)；W3為干土重加鋁盒重量(g)。

研究采用SPSS 19.0軟件計算含水量變異系數(shù)、差異顯著性、相關性等指標分析不同土地利用方式土壤水分季節(jié)變化規(guī)律和垂直空間變化特征，使用Excel和Origin 8進行統(tǒng)計分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤水分時間變化特征

由表1可知，在2019年5月、7月、8月、10月對研究區(qū)梯田、草地、刺槐林、沙棘灌叢0—300 cm土層土壤水分采樣測試得到，4種土地利用方式梯田的平均土壤含水量最大，其土壤水分明顯好于草地、刺槐林和沙棘灌叢，說明農作物耗水明顯小于草地、刺槐和沙棘，平均土壤含水量呈現(xiàn)梯田>草地>沙棘灌叢>刺槐林。運用單因素方差分析得到，4種土地利用方式與土壤水分的關系具有極顯著差異(p<0.01)。

表1 不同土地利用方式土壤含水量差異 %

不同土地利用方式0—300 cm土層土壤平均含水量具有明顯的季節(jié)變化特征(圖2)，總體上10月份土壤含水量大于5月份土壤含水量，梯田和沙棘灌叢10月份的土壤含水量為最大值，草地8月份的土壤含水量為最大值，刺槐林7月份的土壤含水量為最大值。不同土地利用方式之間含水量變化有所不同，這是因為在降水量相同的條件下，不同土地利用方式的植物蒸騰、消耗和土壤蒸發(fā)不同[11]。5月份，降水量偏少導致4種土地利用方式土壤含水量的最低值均在5月份，其中刺槐林的土壤含水量最低，是由于刺槐萌芽開花期較其他植被早，蒸騰及根部耗水使的土壤水分偏低。5—7月份隨著進入雨季，各土地利用方式土壤水分緩慢增加，7月份降水量最大，而梯田、草地、沙棘灌叢的土壤水分較高時段是在8月份，這是由于土壤水分的滯后效應；7—8月份土壤水分變化較為劇烈，梯田、草地、沙棘灌叢土壤水分快速增加，刺槐林土壤水分與降水同步減少，是因為刺槐林生長進入旺季，蒸騰量和土壤水分蒸散量較其他3種土地利用方式大。8—10月份，植物進入休眠期，使得植物本身需水量降低，加之溫度降低，植物蒸騰耗水和土壤蒸發(fā)的土壤水分減少，造成梯田、刺槐林、沙棘灌叢土壤水分繼續(xù)緩慢增加[14]，而草地、野西瓜(HibiscustrionumLinn.)、茵陳蒿(ArtemisiacapillarisThunb.)(7—10月)開花結果較其他3種土地利用方式上的植被晚，土壤水分呈現(xiàn)隨降水量減少而減小的趨勢。

圖2 不同土地利用方式土壤含水量與降水量的月動態(tài)

2.2 土壤水分垂直變化特征

研究區(qū)4種土地利用方式在5月、7月、8月、10月土壤水分的垂直變化特征見圖3?？傮w上，4種土地利用方式土壤水分的垂直變化基本類同，土壤含水量都是由表土層到深土層上為“S”形,土壤含水量都是先增大后減小，從土壤含水量的變化程度上看0—100 cm土層明顯大于100—300 cm土層，這與以往的研究結果基本一致[12]。降水對0—100 cm淺層土壤水分含量影響較大，土壤水分的波動較大，土壤孔隙在100 cm以下變小，水分入滲能力下降，導致土壤水分保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

梯田4個月份土壤含水量的變化軌跡相同，各月份的土壤含水量在0—140 cm土層變化較大，且土壤水分隨深度的增加先增加后快速減小，土壤水分在140—300 cm土層穩(wěn)定在較高水平。草地4個月份的土壤含水量垂直變化基本相同，在0—300 cm土層上部土壤含水量隨時間變化明顯，下部土壤含水量隨時間變化較弱，在0—200 cm土層范圍內，土壤含水量隨深度的增加先增大后減小，在200—300 cm土層穩(wěn)定在10%左右。刺槐林土壤含水量在雨季的7月、8月、10月表現(xiàn)為0—120 cm土層變化劇烈，120—300 cm土層保持在極低水平，雨季還未展開的5月份，除表層外土壤水分均處于最低值。沙棘灌叢的土壤含水量在0—180 cm土層變化較大，含水量隨剖面的變深表現(xiàn)為先增大后減小，在180—300 cm土層上穩(wěn)定且為較低值。相對于梯田草地，刺槐林和沙棘灌叢的穩(wěn)定層范圍較大且土壤水含水量穩(wěn)定在較低水平。這主要是由于，刺槐林和沙棘灌叢的根系較為發(fā)達、有較多的根系生物量，因而根系消耗水量較大[15]，使得垂直剖面土壤水分減小，土壤含水量穩(wěn)定在較低水平。

2.3 不同深度土壤水分季節(jié)變異程度

由圖4可知，4種土地利用方式的土壤水分季節(jié)變異系數(shù)都是在土壤表層較高，之后雖有小幅波動，但都保持著逐漸減小的趨勢，土壤水分季節(jié)變異系數(shù)的最低值在土壤深層。這一點與以往黃土丘陵區(qū)的研究結果相印證[12]。

梯田在0—10 cm土層變異系數(shù)(CV)為最大值，在0—60 cm土層逐漸降低，在60—90 cm土層有小幅上升，之后繼續(xù)減小并在220—300 cm土層趨于穩(wěn)定。草地的季節(jié)變異系數(shù)在0—10 cm土層出現(xiàn)最大值，在20—100 cm土層一直是較高數(shù)值，在100—200 cm土層持續(xù)降低，最終在200—300 cm土層范圍內趨于平穩(wěn)。刺槐林淺層與深層的土壤水分季節(jié)變異系數(shù)值相差較大，土壤變異系數(shù)在40—50 cm土層出現(xiàn)最大值，土壤水分季節(jié)變異系數(shù)在50—120 cm土層減小，土壤水分季節(jié)變異系數(shù)在120—300 cm土層保持在較低數(shù)值，深層土壤含水量穩(wěn)定在4%附近。沙棘灌叢與其他3種土地利用方式有明顯不同，沙棘灌叢土壤水分季節(jié)變異系數(shù)在100—120 cm土層出現(xiàn)最大值，淺層的變異系數(shù)有很小波動變化，但數(shù)值均較大，在120—180 cm土層CV值急劇減小，最終穩(wěn)定在土壤深層。降水、溫度、蒸發(fā)等因素對土壤表層含水量有明顯影響，含水量波動較大。隨著垂直深度的增大，外部條件對土壤的影響降低，土壤水分季節(jié)變異系數(shù)在垂直方向上呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢[9]。

圖3 不同時段不同土地利用方式0-300 cm土壤含水量垂直變化特征

圖4 不同土地利用方式不同土層深度的土壤水分季節(jié)變異程度

2.4 土壤水分灰色關聯(lián)分析

運用灰色關聯(lián)法研究不同土地利用方式以及不同土層土壤水分的變化相似性。土壤垂直剖面可以被劃分為3個層次，0—30 cm土層為表層，30—100 cm土層為中層，100—300 cm土層為深層。5月、7月、8月、10月各層土壤水分數(shù)列分別設為X1={X1(k)|k=5,7,8,10}，X2={X2(k)|k=5,7,8,10}，X3={X3(k)|k=5,7,8,10}。分別計算設置表層為參考數(shù)列，設置中層和深層為比較數(shù)列(分別記為R12和R13)，以及設置中層為參考數(shù)列，設置深層為比較數(shù)列(記為R23)的灰色關聯(lián)度。

由表2可知，梯田、沙棘灌叢和刺槐林的灰色關聯(lián)度呈現(xiàn)相似規(guī)律，表現(xiàn)為表層土壤水分和中層土壤水分關聯(lián)性大，與深層的關聯(lián)性小，說明這3種土地利用方式的中層土壤水大部分由表層土壤水補給，降水產生的表層滲流能直接補給中層(100 cm)，另有一小部分可以補給到深層(100 cm以下)。刺槐林深層土壤水分與中層土壤水分關系緊密，表層與深層關聯(lián)性的關聯(lián)性小于深層與中層的關聯(lián)性，說明來自中層土壤水間接補給到深層較多，而自表層土壤水直接補給到深層較少，表層土壤水經過中層也會流失掉一部分。梯田和沙棘灌叢深層和中層聯(lián)系不密切，說明這2種土地利用方式中層土壤水間接補給到深層較少，主要是表層直接補給深層，其次表層水經過中層的流失較少。草地表層與深層關聯(lián)性大，與中層關聯(lián)性相對較小，表明草地表層直接補給作用最大。在不同土地利用方式下，都表現(xiàn)為表層與中層的相似性最大，從橫向比較來看，梯田的相似程度最好，沙棘灌叢次之，草地和刺槐林較差，說明不同土地利用方式下表現(xiàn)為不同的表層對中層補給程度。表層與深層、中層與深層的土壤水分變化的相似程度較表層與中層差，從不同土地利用方式來看，梯田的相似程度較好，刺槐較差，說明相對于刺槐林地梯田對土壤水分的調控作用大，土壤水分在垂直剖面上的變化較為平緩。

表2 不同深度土壤水分灰色關聯(lián)度

3 結 論

(1) 不同土地利用方式的土壤含水量表現(xiàn)為明顯的時間特征，隨時間的變化而增加，不同土地利用方式的土壤含水量大體表現(xiàn)為梯田>草地>沙棘灌叢>刺槐林，土壤含水量隨時間的變化與降水隨時間的變化相同，但存在滯后效應。在100 cm土層附近土壤水分季節(jié)變異系數(shù)曲線出現(xiàn)明顯拐點，不同土地利用方式的變異系數(shù)均隨剖面深度的增加而表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢，并穩(wěn)定在土壤深層。

(2) 不同土地利用方式的土壤含水量具有典型的垂直變化特征，土壤含水量都是由表土層到深土層上為“S”形,土壤含水量都是先增大后減小，從土壤含水量的變化程度上看0—100 cm土層明顯大于100—300 cm土層。相對于梯田草地，刺槐林和沙棘灌叢的穩(wěn)定層范圍較大且土壤含水量穩(wěn)定在較低水平。

(3) 不同土層土壤水分的變化相似性不同，總體上0—30 cm的表層與30—100 cm的中層土壤水分變化的相似度較高，不同土地利用方式變化相似性不同，總體表現(xiàn)為：梯田>沙棘灌叢>草地>刺槐林。梯田對土壤水分的調控作用較好，土壤水分在垂直方向上的變化較為平緩。