陜北黃土區(qū)微地形土壤有效水飽和度

李增堯，趙興凱，朱清科

(北京林業(yè)大學水土保持學院， 北京 100083)

陜北黃土區(qū)微地形土壤有效水飽和度

李增堯，趙興凱，朱清科

(北京林業(yè)大學水土保持學院， 北京 100083)

為了明確不同微地形土壤有效水飽和度的特征以及與植被群落特征的關(guān)系，采用小波分析、回歸分析和Mann-Kendall趨勢檢驗等方法，分析了陜北黃土區(qū)陽向陡坡不同微地形0～60 cm土層深度的土壤有效水飽和度。結(jié)果表明：(1) 在0～60 cm土層深度范圍內(nèi)，不同微地形土壤有效水飽和度順序為塌陷<緩臺<原狀坡<切溝<淺溝<陡坎，其中切溝、塌陷和陡坎的土壤有效水飽和度呈現(xiàn)顯著增加趨勢，淺溝、緩臺和原狀坡的土壤有效水飽和度呈現(xiàn)下降趨勢，但趨勢不顯著；(2) 研究期間，不同微地形土壤有效水飽和度的變化周期不同，陡坎、塌陷和緩臺的主周期相同，為22個月，淺溝、切溝和原狀坡的主周期分別為23、21個月和28個月；(3) 在不同微地形中，Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Simpson 多樣性指數(shù)和Alatalo均勻度指數(shù)均與土壤有效水飽和度呈正相關(guān)關(guān)系，其中Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和土壤有效水飽和度的相關(guān)性最高。

陜北黃土區(qū)；陽向陡坡；微地形；土壤有效水飽和度

土壤水分是植物生長所需水分的直接來源[1]，土壤水分不足及利用率低是干旱半干旱區(qū)植物生長和植被構(gòu)建過程中存在的主要問題[2]，土壤水分作為干旱區(qū)半干旱區(qū)植被生長的主要限制因子[3]在陜北黃土區(qū)陽向坡面表現(xiàn)的更為顯著[4]。

國內(nèi)外對于土壤有效水的研究逐漸展開。Verdaguer等[5]研究了地中海地區(qū)夏季土壤有效水對于胭脂蟲橡木幼苗存活的影響；Tramontini等[6]研究了土壤表層有效水對于法國葡萄園生產(chǎn)潛力的影響；張治偉等[7]研究了巖溶山地不同土地類型表層土壤有效水庫容。高曉東等[8]分析了黃土丘陵區(qū)小流域土壤有效水在不同季節(jié)的空間變異特征；呂文強等[9]分析了黃土高原地區(qū)山杏和檸條帶狀植物籬表層土壤水分有效性的空間分異和動態(tài)變化；蔡燕等[10]探討了太行山山前平原的土壤有效水量和土壤水有效性的時間變化特征。潘春翔等[11]提出采用有效水容量來評價不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤持水性能；代海燕等[12]研究了不同植被類型下的土壤有效水供給能力。

在我國黃土高原地區(qū)，各種侵蝕作用形成了不同的微地形如淺溝、切溝、緩臺、陡坎等，這些微地形對降水有再分配的作用并影響水分入滲，從而對植被生長產(chǎn)生影響。鄺高明等[13]研究了陡坡微地形的分布特征；趙薈等[14]和王晶等[15]研究了黃土高原陽坡微地形的不同土壤水分特征；張宏芝等[16-17]對陜北黃土區(qū)坡面微地形的土壤物理性質(zhì)和化學性質(zhì)進行了評價；卜耀軍等[18]也做了相關(guān)類似研究；王晶等[19]分析了不同微地形的植被群落特征；鄺高明等[20]分析了不同微地形土壤水分和生物量之間的關(guān)系。

此前學者的研究主要針對實測土壤水分，而土壤水分并不能完全被植物吸收利用，因此研究微地形的土壤水分有效性，對科學合理的植被配置，提高水分利用率有著極其重要的生態(tài)意義。因而，本文以陜北黃土區(qū)陽坡為研究對象，采用小波分析、回歸分析和Mann-Kendall趨勢檢驗等方法，分析不同微地形的土壤有效水飽和度，旨在明確不同微地形土壤有效水飽和度的特征以及與植被群落特征的關(guān)系，為陜北黃土區(qū)人工促進植被恢復提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市吳起縣合家溝流域，地處東經(jīng)107°38′57″～108°32′49″，北緯36°33′33″～37°24′27″，地貌屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，海拔高度1 350～1 525 m，土壤為黃綿土。1957—2014年平均降水量為471.61 mm，其中80%的降雨集中在5—10月份，年均溫8.03℃。1986年自然封禁，經(jīng)過近30年的封禁，合家溝流域的植被主要以賴草(Leymussecalinus)、長芒草(Stipabungeana)、早熟禾(Poasphondylodes)、百里香(Thymusmongolicus)、扁核木(Prinsepiauniflora)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、冷蒿(Artemisiafrigida)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、大針茅(Stipacapillata)、萎陵菜(Potentillachinensis)、胡枝子(Lespidezadavurica)等植物為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用TRIME-HD型手持式讀表高精度時域反射計測定合家溝封禁流域陽坡包含的5 種微地形(淺溝是由于降雨匯流沖刷下切而形成的橫斷面為寬淺槽形，是侵蝕溝發(fā)育的初級階段；切溝是淺溝侵蝕的繼續(xù)發(fā)展，在長、寬、深方面的侵蝕同時進行，橫斷面呈“V”形；塌陷是指坡面在陷穴、集中股流溯源侵蝕等土壤侵蝕作用下形成的凹陷狀地形；緩臺指坡面局部坡度明顯小于坡面平均坡度的平緩地段；陡坎是指坡面局部坡度明顯大于坡面平均坡度的地段)[15]及其所在原狀坡面的土壤體積含水量，每10 cm土層深度一層，每層重復測定3次取平均值，每次探針在水平方向上旋轉(zhuǎn)120°，土壤含水量定點監(jiān)測時間為2010年8月—2013年6月。每隔10天測定采集一次，為避免降水對土壤含水量的短期大幅影響，每次觀測時間連續(xù)7日無明顯降水。為確保測量值的足夠穩(wěn)定性，每次測量工作在一天內(nèi)完成。

在采集土壤含水量的同時，每年的8月份在每個微地形內(nèi)分別按照對角線法選定3個1 m×1 m的樣方調(diào)查植被特征，取平均值作為本研究所使用指數(shù)的原始計算數(shù)據(jù)。

土壤容重和土壤田間持水量均用環(huán)刀法分層采樣，經(jīng)實驗計算得出。土壤凋萎系數(shù)采用高速離心機(日本H-1400pF)模擬[21]的方法測定。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall趨勢檢驗 在Mann-Kendall[22-23]趨勢檢驗中，原假設(shè)H0是n個獨立的隨機變量同分布的時間序列數(shù)據(jù)(x1,x2,…,xn)；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗:對于所有的k，j≤n且k≠j，xk和xj的分布不同，檢驗的統(tǒng)計變量S計算如公式(2)：

(1)

其中，Sgn(x)為符號函數(shù),取值規(guī)則如(2)式：

(2)

S為正態(tài)分布，其均值為0，方差Var=n(n-1)(2n+5)/18，當n>10時，標準的正態(tài)統(tǒng)計變量Z通過下式計算：

(3)

在雙邊趨勢檢驗中，在給定置信水平α上，如果|Z|≥Z1-(α/2)則原假設(shè)H0不可接受，即在α置信水平上時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正則序列具有上升或增加趨勢；Z為負則序列，具有下降或減少的趨勢。若正態(tài)統(tǒng)計變量Z的絕對值大于或等于1.28，1.64和2.32，分別表示通過了信度90%，95%和99%的顯著性趨勢檢驗。

1.3.2 小波分析 小波分析(Wavelet analysis)被認為是傅立葉分析方法的突破性進展。在對時間序列的分析中，小波變換不僅可以給出時間序列的尺度，還可以顯示出變化的時間位置，對氣候的預測十分有效[24-26]。本研究應(yīng)用軟件Matlab(R2010b)對所研究時間序列進行Morlet小波分析，研究陜北黃土區(qū)不同微地形土壤有效水飽和度的周期變化規(guī)律。

對于時間序列f(t)，小波變換定義：

(4)

式中，Wf(a,b)為小波系數(shù)，a是伸縮因子(決定小波寬度)，b是平移因子(反映小波位置移動的參數(shù))，Ψ*是Ψ的共軛函數(shù)。

其連續(xù)小波變換解析形式為：

(5)

小波方差可表示為：

Wp(a)=Wf(a,b)2

(6)

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤體積含水量與土壤質(zhì)量含水量換算按下式計算：

θv=θm×ρ

(7)

其中，θv為土壤體積含水量(%)；θm為土壤質(zhì)量含水量(%)；ρ為土壤容重(g·cm-3)。

本文中土壤有效水為土壤含水量與凋萎系數(shù)的差值，若土壤含水量低于凋萎濕度，則為無效土壤水[27]。土壤有效水用公式可以表現(xiàn)為：

(8)

式中，Wi為土壤有效水飽和度；θi為i土層的土壤質(zhì)量含水量(%)；θ凋萎i為i土層的土壤凋萎系數(shù)(%)；θ田i為i土層的土壤田間持水量(%)。

Margalef物種豐富度指數(shù)DMa：

(9)

其中S為物種數(shù)目；N為全部物種的個體總數(shù)。

Simpson物種多樣性指數(shù)Dsi：

(10)

Shannon物種多樣性指數(shù)Dsh：

(11)

Alatalo均勻度指數(shù)Ea：

(12)

式(10)、(11)和(12)中，Pi為物種i的重要值比例，i=1，2，…，S。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有效水飽和度及其趨勢

不同微地形土壤特征(表1)體現(xiàn)出不同微地形在形成過程中土壤質(zhì)地發(fā)生變化，表現(xiàn)為同一坡面不同微地形相同土層深度的土壤容重、田間持水量和凋萎系數(shù)等的不同，其中土壤容重為塌陷<切溝<緩臺<淺溝<原狀坡<陡坎，切溝、緩臺、淺溝、原狀坡的容重相差不大。不同微地形的田間持水量和凋萎系數(shù)的大小順序一致，均表現(xiàn)為塌陷>緩臺>淺溝>陡坎>切溝>原狀坡，且淺溝、切溝、塌陷的凋萎系數(shù)和田間持水量隨著深度的增加都呈現(xiàn)下降的趨勢。

在0～60 cm土層深度范圍內(nèi)，有效水含量的順序為陡坎>淺溝>切溝>原狀坡>緩臺>塌陷。其中，淺溝、切溝和陡坎的土壤有效水含量隨著深度的增加都呈現(xiàn)下降趨勢，緩臺土壤有效水含量隨著深度的增加而增加。而塌陷和原狀坡20～40 cm土壤有效水含量是最低的，其他深度土壤有效水含量相對較高。

不同微地形土壤有效水飽和度順序為塌陷<緩臺<原狀坡<切溝<淺溝<陡坎。淺溝和切溝的土壤有效水的飽和度在各土層深度相差不大，土壤有效水的垂直分布均勻。而塌陷和緩臺的0～20 cm土壤有效水飽和度都較低，這是由于塌陷和緩臺的坡度較小，且塌陷質(zhì)地較松軟，土壤滲透能力相對較強。陡坎和原狀坡在0～20 cm的土壤有效水飽和度很高，但是隨著深度的增加，土壤有效水的飽和度的降低也很明顯。

MK-Z為不同土層深度有效水飽和度的MK趨勢檢驗統(tǒng)計量，結(jié)果表明，切溝、塌陷、陡坎0～60 cm土層深度的土壤有效水飽和度呈現(xiàn)顯著增加趨勢，而淺溝、緩臺、原狀坡則呈現(xiàn)下降趨勢，但下降趨勢不顯著。淺溝、原狀坡和緩臺0～20 cm的土壤有效水飽和度都呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。切溝40～60 cm土層深度的土壤有效水飽和度以及塌陷、陡坎20～40 cm，40～60 cm土層深度的土壤有效水飽和度都呈現(xiàn)了明顯的上升趨勢。

表1 不同微地形土壤特征

注：*通過90%顯著性檢驗，**通過95%顯著性檢驗。

Note: * represents trends that were identified to be statistically significant at the 10% significance level; ** represents trends that were identified to be statistically significant at the 5% significance level.

2.2 0～60 cm土層土壤水分飽和度周期分析

土壤有效水飽和度與降水入滲補給、水分蒸發(fā)蒸散及植物生長利用有關(guān)，由于影響入滲和水分蒸發(fā)蒸散的降水、氣溫等因素存在一定的周期性，所以探究土壤有效水飽和度的周期性變化規(guī)律可為人工促進植被恢復提供決策支撐。

2010年8月至2013年6月不同微地形0～60 cm土層深度范圍內(nèi)，土壤有效水飽和度變化的Morlet小波變換系數(shù)實部等值線圖和小波方差圖如圖1所示。在小波變化系數(shù)實部等值線圖中，正值表示土壤有效水飽和度偏高，負值表示土壤有效水飽和度偏低。由圖可知，淺溝土壤水分飽和度小波系數(shù)等值線在7、14、23個月左右時間尺度較為密集，且發(fā)生了小波系數(shù)高低值中心的變化。土壤有效水飽和度小波方差圖顯示小波方差在23、14和7個月處存在極值，因此可以得出淺溝土壤有效水飽和度在35個月尺度內(nèi)存在23個月的強顯著周期，此外還有14、7個月的尺度變化周期。根據(jù)Morlet小波變換系數(shù)的實部等值線圖和小波方差圖可以得出土壤有效水飽和度變化的主周期為23個月。其余各微地形經(jīng)過同樣的分析，可得土壤有效水飽和度主周期分別為21(切溝)，22(塌陷)，22(緩臺)，22(陡坎)，28(原狀坡)個月，結(jié)果表明不同微地形經(jīng)過不同的主周期尺度可以恢復到原來土壤有效水飽和度水平，這體現(xiàn)了微地形對降水的再分配作用。

圖1 土壤有效水飽和度小波等值線圖和方差圖

Fig.1 The isoline of the real part of Morlet Wavelet coefficients, wavelet variance in the principal period scales of saturation of available soil water

2.3 植物群落特征與土壤有效水分飽和度的關(guān)系

本研究選用Margalef豐富度指數(shù)(Ma)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(Sh)、Simpson多樣性指數(shù)(Si)和Alatalo均勻度指數(shù)(Al)研究植物群落特征與土壤有效水飽和度的關(guān)系。不同微地形的群落特征指數(shù)如表2所示。

表2 植被群落特征指數(shù)

表中數(shù)據(jù)表明，不同微地形中4種群落特征指數(shù)差異性較為明顯，其中陡坎的豐富度指數(shù)Ma最大，切溝和緩臺次之，淺溝的豐富度指數(shù)居中，塌陷和原狀坡的豐富度指數(shù)最差。兩個多樣性指數(shù)Sh和Si的大小順序基本相同，為陡坎>切溝>淺溝>緩臺/原狀坡>塌陷。均勻度Al陡坎>淺溝>切溝>原狀坡>塌陷>緩臺。陡坎的植物群落物種數(shù)量是最多的，物種分布是最均勻的，因而其多樣性也最好。原狀坡和塌陷的物種數(shù)較少，分布也不均勻，因為多樣性指數(shù)較差。

將不同的植被群落特征指數(shù)和不同微地形土壤有效水飽和度進行相關(guān)性分析(圖2)的結(jié)果顯示，在所有微地形之間，4種指數(shù)均與土壤有效水飽和度呈正相關(guān)關(guān)系，其中Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和土壤有效水飽和度的相關(guān)性最高(R2最大，為0.8426)。表明隨土壤有效水飽和度的增加，群落的豐富度、多樣性和均勻度均有所增加。

圖2 不同群落特征指數(shù)與土壤有效水飽和度的關(guān)系

Fig.2 The relationship of plant community characteristics indexs and saturation available soil water of different micro-topography

3 討 論

在黃土坡面，由于不同侵蝕作用的長期存在，形成了大小不等、形狀各異的局部地形，對土壤水分等生境條件進行了重新分配[28]，使其在1 m2以上范圍內(nèi)產(chǎn)生變化，根據(jù)不同微地形的土壤水分等特點遵循“適地適樹”的植被恢復原則在研究區(qū)顯得尤為重要。在微地形形成的過程中，坡面土壤質(zhì)地發(fā)生相應(yīng)的改變，塌陷的土質(zhì)可能相對疏松，孔隙度相對較大，所以其土壤容重表現(xiàn)相對較小。在同一坡面的微地形坡度差異較為明顯，坡度可影響承雨面積以及徑流等，從而影響坡面水分的入滲，坡度還可以影響太陽光照的角度，影響坡面接受輻射量的多少，進而影響坡面水分的蒸發(fā)。由于坡度較緩等原因，塌陷在經(jīng)過太陽輻射后對水分的保持能力可能相對較低，所以其有效水的飽和度也相對最低；而陡坎坡度相對較大，可能也是與坡度有一定關(guān)系。

土壤水分的有效性體現(xiàn)了植物對土壤水分的可利用程度[29]，相比于實測土壤水與植物生長、植被重建的關(guān)系更為密切。此前學者對土壤有效水含量的研究往往直接采用土壤含水量與凋萎系數(shù)的差值[7-12]，由于不同區(qū)域土壤物理性質(zhì)的差異，不同區(qū)域的研究結(jié)果往往不具有通用性，而本文采用的土壤有效水飽和度是一個沒有單位的標量，是土壤有效水含量與土壤有效水庫容的比值。用土壤有效水飽和度作為標準，是對不同土層深度土壤的有效水含量進行了標準化，因此該標準在不同土壤及不同土層深度之間通用，更具有可比性。

本研究并未使用生物量、蓋度、植株高度等直觀指標，這是因為考慮到在研究區(qū)近30年封禁的情況下，不同微地形由于微生境的不同，所形成的植物群落灌草種類有可能不同，因此，不同微地形中植被的生物量、蓋度、植株高度等指標的差異性會相對明顯，不具有說服力。本研究中采用的Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Alatalo均勻度指數(shù)，是對不同微地形植被群落特征的綜合描述，能更加客觀地描述不同微地形的植被群落特征與土壤有效水飽和度之間的關(guān)系。

4 結(jié) 論

本研究利用Mann-Kendall趨勢檢驗和小波分析方法對不同微地形的土壤有效水飽和度進行分析，并對土壤有效水飽和度與植被群落特征指數(shù)進行回歸分析，得出以下結(jié)論：

1) 在0～60 cm土層深度范圍內(nèi)，不同微地形土壤有效水飽和度順序為：塌陷<緩臺<原狀坡<切溝<淺溝<陡坎，其中切溝、塌陷和陡坎的土壤有效水飽和度呈現(xiàn)顯著增加趨勢；淺溝、緩臺和原狀坡的土壤有效水飽和度呈現(xiàn)下降趨勢，但趨勢不顯著。

2) 研究期間，不同微地形土壤有效水飽和度的變化周期不同。陡坎、塌陷和緩臺的主周期相同，為22個月；淺溝、切溝和原狀坡的主周期分別為23、21和28個月。

3) 在不同微地形中，Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Alatalo均勻度指數(shù)均與土壤有效水飽和度呈正相關(guān)關(guān)系，其中Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和土壤有效水飽和度的相關(guān)性最高。

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Saturation of available soil water for micro-topography in loess area of north Shaanxi

LI Zeng-yao, ZHAO Xing-kai, ZHU Qing-ke

(SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing, 100083,China)

The paper investigated the saturation of available soil water at soil depths of 0～60 cm for sunny, steep slope micro-topography in a loess area of north Shaanxi on the basis of wavelet analysis, regression analysis, and the Mann-Kendall trend test, aiming to clarify the characteristics of saturation of available soil water in different micro-topographies and its relationship with plant community characteristics. The following findings were made: (1) At soil depths of 0～60 cm, in terms of the saturation of available soil water, different landform units can be ranked in the following ascending order: collapse, platform, undisturbed slope, gully, shallow gully, and scarp. The saturation of available soil water of the gully, collapse, and scarp increased significantly; the saturation of the available soil water of the shallow gully, platform, and undisturbed slope showed a downward trend, but the trend was not significant. (2) During the study period, the main cycles of different micro-topographies were different. Scarp, collapse, and platform had the same main cycle. The main cycles of the shallow gully, gully, and undisturbed slope were 23, 21, and 28 months, respectively. (3) In different micro-topographies, the Margalef richness, Simpson diversity, Shannon-Wiener diversity, and Pielou evenness indices were positively correlated with the saturation of available soil water. The highest correlation was found between the Shannon-Wiener diversity index and the saturation of available soil water.

loess area of north Shaanxi; sunny steep slope; micro-topography; saturation of available soil water

1000-7601(2017)04-0088-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.14

2016-05-10

“十二五”國家科技支撐計劃課題(2015BAD07B02)；深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司合作項目(THRD002)

李增堯(1992—),女,河北張家口人,碩士研究生,主要研究方向為林業(yè)生態(tài)工程。 E-mail: lizengyao@bjfu.edu.cn。

朱清科(1956—),男,教授,博士生導師,主要從事林業(yè)生態(tài)工程及農(nóng)林復合研究。 E-mail: zhuqingke@sohu.com。

S152.7

A