歐李林齡對(duì)不同坡面土壤水分特征的影響

王安民丁愛強(qiáng)豆巧莉汝海麗王可壯

(平?jīng)鍪兴帘３挚茖W(xué)研究所,甘肅 平?jīng)?44000)

黃土高原丘陵溝壑區(qū),由于降雨季節(jié)性不均勻、植被稀疏和地形破碎等因素導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重,該區(qū)是黃河流域主要的泥沙策源地。近年圍繞著中央提出的黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略,流域綜合治理得到了快速發(fā)展,而在此治理過程中作為流域水土流失治理的主要方式,水土保持工程措施和林草措施的結(jié)合模式顯得尤為重要。在干旱半干旱區(qū),如何在土壤水分承載力范圍內(nèi)進(jìn)行合理配置的首要問題就是要掌握不同水土保持工程措施和林草措施結(jié)合模式與土壤水分間的相互作用機(jī)制。典型的丘陵溝壑狀地形景觀影響著土壤水分的時(shí)空分布和穩(wěn)定性,而土壤水分又是影響植物生長(zhǎng)和分布的重要因子,亦是該區(qū)小流域綜合治理中植被恢復(fù)和重建的限制因子。因此研究該區(qū)水土保持工程和林草措施相結(jié)合影響下土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化和穩(wěn)定性規(guī)律可為半干旱的黃土高原地區(qū)生態(tài)建設(shè)和恢復(fù)提供重要的理論支持。

歐李(Cerasushumilis)為薔薇科(Rosaceae)櫻桃屬(Cerasus)低矮型灌木,其根系主要分布于淺層土壤中,側(cè)根發(fā)達(dá)[1],研究表明在水平階種植歐李可降低研究區(qū)土壤可蝕性因子K值,提高土壤抗侵蝕能力,而且對(duì)土壤可蝕性因子K值的影響效果比魚鱗坑和自然坡都要好[2],而且在隴東黃土高原有良好的適應(yīng)性[3-4]。目前,關(guān)于歐李的研究主要集中在引種栽植前期對(duì)氣候的適應(yīng)性、生理遺傳特性及經(jīng)濟(jì)價(jià)值等[4-7]方面的研究,而關(guān)于歐李對(duì)土壤水分影響以及土壤水分時(shí)空穩(wěn)定性的相關(guān)研究還沒有報(bào)道。鑒于此,本研究對(duì)其栽植后進(jìn)行4 a監(jiān)測(cè),通過研究不同坡度徑流小區(qū)微區(qū)土壤水分變化及時(shí)間穩(wěn)定性,了解其在坡面條件下對(duì)土壤水分影響的規(guī)律,以期能為后期歐李在黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域綜合治理中的合理配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于隴東黃土高原丘陵溝壑區(qū)的平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)城南的紙坊溝流域,地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°47′—106°52′,北緯35°12′—35°21′,屬?zèng)芎痈闪饕患?jí)支溝。地勢(shì)南高北低,地形呈柳葉形,地貌呈丘陵溝壑狀,海拔1 365～2 104 m,相對(duì)高差739.8 m,主溝道長(zhǎng)15.77 km,溝道平均坡降4.34%,流域總面積18.98 km2。氣候?qū)俦睖貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)區(qū),多年平均年日照時(shí)數(shù)2 381 h,總輻射量506.48 kJ/cm2,年均氣溫8.8℃,平均年蒸發(fā)量1 499.2 mm,年均降水量548.7 mm,汛期6—9月平均降水量388.1 mm,占全年降水量的70.7%。土壤從流域東南分水嶺到西北主溝道出口依次為黑壚土、草甸土、紅黏土、黃綿土、新積土5類土壤,植被主要以人工刺槐林和天然灌草為主,總體上呈上游最好、中游次之、下游較差,陰坡較好、陽坡較差。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇與數(shù)據(jù)來源

試驗(yàn)樣地為徑流監(jiān)測(cè)場(chǎng)內(nèi)坡度為5°,10°,15°的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)(水平投影尺寸20 m×5 m,面積為100 m2),每個(gè)小區(qū)上(距上邊沿1 m,左右邊沿2.5 m)、中(矩形小區(qū)幾何中心處)、下(距下沿1 m,左右邊沿2.5 m)坡位處布設(shè)TDR水分測(cè)管,測(cè)管埋設(shè)于2016年、2017年2月初開始整地(寬0.5 m,水平階之間無隔坡),2月底栽植歐李,具體情況詳見表1。土壤水分使用時(shí)域反射儀TDR測(cè)定(型號(hào):AZS-100,北京澳作生態(tài)儀器有限公司),測(cè)定深度160 cm,每層20 cm,每層測(cè)定3次;每月定期15日和30日前后測(cè)定,每次降雨之后第1—2 d內(nèi)加測(cè)1次;儀器在本試驗(yàn)開始前進(jìn)行了標(biāo)定。由于栽植第1 a內(nèi)需要進(jìn)行整地和定期進(jìn)行澆水、施肥、除草等田間管理,秋季對(duì)死亡的植株還需要補(bǔ)植,人為擾動(dòng)嚴(yán)重,增加了土壤水分變化的不確定性,從第2 a開始,不需要進(jìn)行澆水和整地,對(duì)土壤環(huán)境的擾動(dòng)較小,因此本文以歐李長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定后的第2 a(2018年)作為研究起點(diǎn),記為2 a。

表1 試驗(yàn)小區(qū)基本信息(2021年9月)

2.2 數(shù)據(jù)分析處理

2.2.1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法及原理

(1)土壤蓄水量(SWS)比土壤含水量更能直觀地反映研究區(qū)域土壤水分的供給能力。j時(shí)間任意觀測(cè)點(diǎn)i的SWSij計(jì) 算公式為:

式中:SWS為土壤蓄水量(mm);αi是j時(shí)間任意觀測(cè)點(diǎn)i的土壤體積含水量(%);d為土層厚度(cm)。

(2)變異系數(shù)(Cv)隨機(jī)變量的離散程度,即變異性的大小,可用變異系數(shù)Cv的大小來反映,計(jì)算公式為:

式中:M為樣本平均值;S為標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)變量程度分級(jí):Cv＜10%為弱變異性,10%≤Cv≤100%為中等變異性;Cv≥100%為強(qiáng)變異性。

(3)時(shí)間穩(wěn)定性。利用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法[8]研究歐李不同生長(zhǎng)期垂直方向土層之間土壤水分空間模式在時(shí)間上的相似性。計(jì)算公式為:

式中:n為樣點(diǎn)總數(shù);Rij是在位置i和時(shí)間j觀測(cè)值的秩;Rij'則是觀測(cè)值在同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)i而在不同時(shí)間j'的秩,其rs值越接近1,說明土層之間的土壤水分的空間模式在時(shí)間上越相似,即土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性越強(qiáng)[9]。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理 前期數(shù)據(jù)處理使用Excel,數(shù)據(jù)分析和圖表制作在Origin Pro 2021中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤儲(chǔ)水量年變化

如圖1所示,從不同徑流小區(qū)整體土壤儲(chǔ)水量情況來看(箱線圖所示),不同坡面的年均土壤儲(chǔ)水量隨著坡度增大而增大,5°和10°小區(qū)年均土壤儲(chǔ)水量基本維持在260 mm左右,15°小區(qū)年均土壤儲(chǔ)水量基本維持在280 mm左右,土壤儲(chǔ)水量之間的差異不顯著;不同時(shí)期土壤儲(chǔ)水量的波動(dòng)程度也隨著坡度的增大而增大,極大值出現(xiàn)在5°徑流小區(qū),極小值出現(xiàn)在10°徑流小區(qū),無異常值出現(xiàn)。從歐李生長(zhǎng)的不同年份來看(柱狀圖),2 a內(nèi),不論是均值還是不同坡度的土壤儲(chǔ)水量均要高于以后年份,通過方差分析,不同坡度之間以及不同年份之間土壤儲(chǔ)水量的差異均不明顯(圖中不作標(biāo)注);在同一年份內(nèi),2 a土壤儲(chǔ)水量表現(xiàn)為:15°＞10°＞5°,此后3 a,4 a,5 a內(nèi),5°和10°徑流小區(qū)土壤儲(chǔ)水量不相上下,均小于15°徑流小區(qū)土壤儲(chǔ)水量。此外,在圖1中也能看到,4 a內(nèi)的降雨量雖然呈波動(dòng)變化,但是從3 a開始,土壤儲(chǔ)水量呈增加態(tài)勢(shì)。

圖1 紙坊溝流域歐李生長(zhǎng)季不同坡面和栽植年限土壤儲(chǔ)水量變化

3.2 土壤儲(chǔ)水量時(shí)空分布

由圖2可以看出,降雨量在年際間差異較大,第4 a和5 a之間的差值達(dá)217.5 mm,年內(nèi)分布不均勻,主要集中在6—8月,但是2021年降雨卻4月和9月相對(duì)較多。結(jié)合降雨變化,從土壤水分垂直分布角度來看,歐李長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定之后的第2 a,隨著降雨的逐漸增加,徑流小區(qū)內(nèi)土壤儲(chǔ)水量也呈增加態(tài)勢(shì),隨著坡度增加,土壤深層儲(chǔ)水量增加;第3 a,生長(zhǎng)季內(nèi)降雨相對(duì)分布均勻,雨量較上年同期少105.8 mm,5°和10°小區(qū)土壤儲(chǔ)水量在0—2 cm和100 cm以下土層出現(xiàn)明顯干燥情況,6—7月,15°小區(qū)也開始出現(xiàn)這種干燥的情況;第4 a,生長(zhǎng)季內(nèi)的降雨波動(dòng)變化范圍大,最小4月降雨13.2 mm,最大8月降雨量達(dá)到了284.2 mm,約占生長(zhǎng)季總降雨的47%,土壤儲(chǔ)水量4—6月表現(xiàn)為0—20 cm和100 cm以下相對(duì)干燥,其中100 cm以下土層在6月時(shí)最為干燥;第5 a,4月的土壤儲(chǔ)水量較于前3 a同期大,5月之后,5°和10°小區(qū)土壤儲(chǔ)水量0—20 cm和100 cm以下逐漸開始減小,7—8月10°小區(qū)土壤儲(chǔ)水量較低,15°小區(qū)0—100 cm土層儲(chǔ)水量也逐漸開始減小。從歐李的生長(zhǎng)過程來看,在生長(zhǎng)季,5°和10°小區(qū)0—40 cm和100 cm以下土層土壤儲(chǔ)水量較低,40—100 cm土層土壤儲(chǔ)水量較高;15°小區(qū)0—20 cm土層儲(chǔ)水量較低,20—100 cm土層雖然某個(gè)時(shí)段也存在的高水期,但并不是連續(xù)的,相較于其他兩個(gè)區(qū),120 cm以下土層的土壤儲(chǔ)水量較高。

圖2 紙坊溝流域歐李生長(zhǎng)季月降雨特征和坡面土壤儲(chǔ)水量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

3.3 土壤水分時(shí)空變異分布特征

由圖3可以看出,從土壤水分整體變異情況來看,在歐李生長(zhǎng)的不同時(shí)期,不同坡面土壤儲(chǔ)水量的變異系數(shù)小于25%,表現(xiàn)為弱變異或中等變異,相對(duì)穩(wěn)定,其中弱變異層主要分布在5°徑流小區(qū)60—120 cm土層,10°徑流小區(qū)20—100 cm土層,15°小區(qū)無弱變異層;中等變異層5°徑流小區(qū)為0—60 cm和120 cm以下土層,10°徑流小區(qū)0—20 cm和100 cm以下土層,15°小區(qū)全部為中等變異;隨土層深度的增加,變異系數(shù)變化表現(xiàn)為5°和10°小區(qū)先減弱后增強(qiáng),15°小區(qū)則先呈減弱趨勢(shì),60 cm土層以下基本保持在12%左右。同一時(shí)期,隨著坡度的增大,弱變異區(qū)逐漸減小,穩(wěn)定層主要集中在40—120 cm,但是在不同生長(zhǎng)期表現(xiàn)不盡相同,特別是在10°小區(qū)第5 a的7月前后和15°小區(qū)3 a的5月,第4 a的6—7月之間及5 a的5月前后土壤儲(chǔ)水量在垂直方向變異程度增大。同一坡度(圖4),隨著歐李生長(zhǎng)年限的增加,5°小區(qū)在5.32%～6.7%的小范圍內(nèi)呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì),10°小區(qū)土壤儲(chǔ)水量變異系數(shù)在6.16%～8.32%的較小區(qū)間呈“增—減—增”波動(dòng)變化,15°小區(qū)在5.97%～11.64%的相對(duì)大區(qū)間呈“增—減—增”波動(dòng)變化。

圖3 紙坊溝流域土壤水分變異系數(shù)時(shí)空變化分布特征(黑色虛線代表Cv=10%)

圖4 紙坊溝流域土壤水分變異系數(shù)年均值變化

3.4 時(shí)間穩(wěn)定性分析

利用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對(duì)不同栽植年限歐李坡面土壤儲(chǔ)水量的時(shí)間穩(wěn)定性進(jìn)行分析,結(jié)果詳見表2—4。由表2—4可看出,2 a時(shí),5°和10°徑流小區(qū)土壤儲(chǔ)水量不同土層間的時(shí)空穩(wěn)定性較15°徑流小區(qū)強(qiáng),rs＞0.7的比例分別為67.86%,57.14%,28.57%;3 a時(shí),5°和10°徑流小區(qū)土層土壤儲(chǔ)水量的時(shí)空穩(wěn)定性在個(gè)別土層表現(xiàn)較弱,但是15°徑流小區(qū)相鄰?fù)翆娱g土壤儲(chǔ)水量的時(shí)間穩(wěn)定性很強(qiáng)(0.81≤rs≤0.92),rs＞0.7的比例分別為25%,25%,35.71%;4 a時(shí),5°和10°徑流小區(qū)不同土層土壤儲(chǔ)水量的時(shí)間穩(wěn)定性出現(xiàn)分層現(xiàn)象,即5°徑流小區(qū)分別在0—80 cm和80—160 cm土層內(nèi)穩(wěn)定性強(qiáng),10°徑流小區(qū)分別在0—100 cm和100—160 cm土層內(nèi)穩(wěn)定性強(qiáng),但是15°徑流小區(qū)除0—20 cm與40 cm以下土層間的時(shí)間穩(wěn)定性較弱外,其他土層之間的時(shí)間穩(wěn)定性都很強(qiáng),rs＞0.7的比例分別為75%,53.57%,89.29%;5 a時(shí),除5°和15°徑流小區(qū)0—20 cm土層與10°土層0—40 cm土層外,小區(qū)內(nèi)其他土層土壤儲(chǔ)水量的空間模式在時(shí)間上表現(xiàn)的十分相似(0.82≤rs≤1),rs＞0.7的比例分別為75%,78.57%,78.57%。

表2 5°徑流小區(qū)不同深度土壤水分之間的Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 10°徑流小區(qū)不同深度土壤水分之間的Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣

表4 15°徑流小區(qū)不同深度土壤水分之間的Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

在干旱區(qū),諸多學(xué)者通過研究不同喬、灌木林分對(duì)土壤水分的影響得出,植被在生長(zhǎng)過程中會(huì)使得土壤出現(xiàn)“干化”現(xiàn)象[10],產(chǎn)生“干層”,不同植物對(duì)應(yīng)的土壤干層出現(xiàn)的深度有所不同,而且隨著林齡的增加,干層的厚度增加[11],土壤的干化現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重,土壤水分恢復(fù)到土壤水分穩(wěn)定濕度所需的時(shí)間以及難易程度逐步上升[12],最典型的如刺槐、檸條、山杏、棗等,但是相對(duì)于檸條、油松和葡萄而言,歐李的耗水程度較低[13-15]。本研究結(jié)果0—160 cm土層土壤儲(chǔ)水量在第3 a略降低后,基本維持在260—280 mm左右,保持穩(wěn)定態(tài)勢(shì),除0—30 cm和100 cm以下土層相對(duì)較為干燥,5°和10°小區(qū)30—100 cm土層土壤儲(chǔ)水量較高。一方面,水平階的攔蓄作用增加了土壤水分,在黃土高原小流域水土保持綜合治理中,水土保持工程措施作為生態(tài)修復(fù)的重要手段,為生物措施實(shí)施提供了保障,它主要通過改變坡面立地條件,如坡長(zhǎng)、坡度、坡面粗糙度等,增加坡面對(duì)地表徑流的攔蓄作用,提高了土壤水分含量[16-17];另外,在該區(qū)已有的研究表明,歐李在坡地及類似的稍硬土質(zhì)上根幅較大,根系集中分布在20—70 cm土層內(nèi)[3],在根系水力提升和土壤水勢(shì)差的作用下[18],下層土壤水分向該區(qū)域內(nèi)移動(dòng),這就導(dǎo)致了淺層的根系集中分布區(qū)域內(nèi)水分含量較高,它是土壤水庫與土壤干層相轉(zhuǎn)變的閾值界面[19],土壤干層出現(xiàn)在根系集中分布區(qū)域的下方[20]。

土壤水分空間分布特征和時(shí)空穩(wěn)定性與植被、地形、氣候及土壤自身特性及其之間的相互作用聯(lián)系緊密[21]。本研究結(jié)果表明15°徑流小區(qū)的土壤儲(chǔ)水量比5°和10°徑流小區(qū)高,這主要與歐李的生長(zhǎng)狀況相關(guān),由表1可知,歐李的生物量、蓋度和株高10°最大,5°小區(qū)次之,15°小區(qū)最小,說明10°小區(qū)歐李長(zhǎng)勢(shì)最好,耗水量最大,15°小區(qū)歐李長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)較差,耗水量小。劉志賢等[22]在對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)不同立地條件下歐李生長(zhǎng)狀況的研究中有相似的研究結(jié)果,0°和8°緩坡明顯好于20°徑流小區(qū)和38°陡坡坡面(p＜0.05),雖然靖亭亭等[23]指出坡位和坡向也是影響土壤水分空間變異的主控因子,但本研究中標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)在同一坡向上,而且面積小,坡位的影響可以忽略。本研究結(jié)果表明,在不同時(shí)段和不同土層深度,儲(chǔ)水量與變異系數(shù)的關(guān)系不盡相同,在大范圍上表現(xiàn)出土壤水分含量較高時(shí),變異性較低,但在15°小區(qū)第5 a的4月,土壤儲(chǔ)水量較高,但是此時(shí)的變異程度也較大,已有的研究結(jié)果也不盡相同,有的認(rèn)為二者之間正相關(guān)[17,23],有的認(rèn)為負(fù)相關(guān)[24],也有認(rèn)為沒有相關(guān)性[25],Penna等[26]研究發(fā)現(xiàn)土壤水分含量和變異系數(shù)之間先呈正相關(guān),在土壤含水量26%～30%時(shí)變異系數(shù)為最大值,之后又呈負(fù)相關(guān),而拐點(diǎn)的大小與土壤質(zhì)地有關(guān)。本研究結(jié)果與Penna等的研究結(jié)果相似,但它可能是多個(gè)外部因子共同決定的,而具體的影響因子及影響機(jī)制期望能在下一步研究中得以解決。

降雨是土壤水分最主要來源,也是導(dǎo)致土壤水分值和變異系數(shù)在夏、秋季變化的主要因素[27],但并非所有降雨都對(duì)土壤水分有影響,降雨的入滲和遷移深度與降雨事件連續(xù)性、降雨量、降雨強(qiáng)度、初始土壤含水量等因素有關(guān)[28]。本文研究結(jié)果表明歐李生長(zhǎng)期季內(nèi)降雨量與土壤儲(chǔ)水量之間的相關(guān)性不顯著,這一方面是由于降雨歷時(shí)短而雨量大導(dǎo)致絕大部分降雨以坡面徑流的方式流失,只有少部分入滲到土壤淺層之中;另一方面是由于歐李的冠層截流和蒸發(fā)耗散。

利用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對(duì)不同栽植年限歐李坡面土壤儲(chǔ)水量的時(shí)間穩(wěn)定性進(jìn)行分析中看到,相較于2 a時(shí)(rs＞0.7的比例分別為67.86%,57.14%,28.57%),第5 a(rs＞0.7的比例分別為75%,78.57%,78.57%)時(shí)土層的時(shí)間穩(wěn)定性提高了10.5%～175%,這說明到歐李在生長(zhǎng)過程改變了原來土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定狀態(tài),使不同深度土層土壤水分的相似性加強(qiáng),即穩(wěn)定性更強(qiáng),這種現(xiàn)象在15°的坡面表現(xiàn)更明顯。這主要是由于植物根系能夠使小粒徑團(tuán)粒凝聚成更大粒徑的土壤團(tuán),增加土壤的孔隙度[29],為水分在不同土層之間的流動(dòng)提供了通道,在外力作用下水分的轉(zhuǎn)移速度更快,也使得土層之間水分的相似性更高,時(shí)間穩(wěn)定性更高。

4.2 結(jié)論

在歐李生長(zhǎng)過程中對(duì)不同坡度土壤水分的耗散相對(duì)較低,在5 a內(nèi)土壤水分并沒有持續(xù)下降,土壤水分的變異處于中等以下(Cv＜25%),并使得土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性逐步增強(qiáng),結(jié)合歐李在坡面的生長(zhǎng)和坡面土壤水分含量及變化,認(rèn)為“歐李+水平階”的坡面治理模式在黃土高原溝壑區(qū)10°以下坡面上實(shí)施有一定優(yōu)勢(shì)。但歐李影響下土壤水分含量與水分變異之間的關(guān)系尚不明確,有待于進(jìn)一步深入研究。