黃土區(qū)不同土地利用方式下土壤水分動(dòng)態(tài)特征

馮金超,黨宏忠*,叢日春,姚源,吳麗麗

黃土區(qū)不同土地利用方式下土壤水分動(dòng)態(tài)特征

馮金超1,黨宏忠1*,叢日春1,姚源2,吳麗麗1

1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091 2. 寧夏枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心, 寧夏 銀川 750001

為了評價(jià)黃土高原不同土地利用方式下不同層次土壤水分特征，本研究選擇黃土丘陵溝壑區(qū)石家岔流域紫花苜蓿和耕地（馬鈴薯）土壤為研究對象，在2017年4月至10月對20 cm，50 cm，100 cm，150 cm，200 cm土層土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測，分析兩種土地利用方式下土壤含水量在一個(gè)完整生長季的時(shí)間動(dòng)態(tài)特征和垂直剖面分布特征。結(jié)果表明：（1）土壤含水量的最高值均出現(xiàn)在50 cm深度處，除紫花苜蓿200 cm處含水量高于150 cm處，其他層次表現(xiàn)出隨著深度的增加而降低的趨勢。（2）兩種土地利用方式下0~100 cm的土壤含水量具有明顯的季節(jié)變化特征，最高值出現(xiàn)在降雨量最大的8月份，下層土壤含水量穩(wěn)定在一個(gè)相對較低的水平，耕地的土壤貯水量要大于紫花苜蓿地。研究認(rèn)為，紫花苜蓿消耗更多的土壤水分，更容易引起土壤干燥化。

黃土區(qū); 土壤含水量; 變異系數(shù); 土地利用方式

水分是反映土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)[1,2]，是干旱半干旱地區(qū)植被重建的主要限制因子[3]，土地利用是人類利用土地各種活動(dòng)的綜合反映，是影響土壤變化的最直接、最重要的因素[4]。在半干旱的黃土高原，土壤水分是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)中植物生長發(fā)育的重要來源[5]。黃土高原地勢較高，氣候溫和，土層深厚，非常適宜馬鈴薯的生長發(fā)育，是全國馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一。特別是在定西地區(qū)，占定西糧食播種面積的60%，面積與產(chǎn)量均占甘肅全省的一半。為了重建中西部尤其是黃河中上游的生態(tài)環(huán)境，國家提出了“退耕還林還草”的策略[6]。中國退耕還林還草工程自2001年開始實(shí)施后，大量農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸?。黃土丘陵區(qū)是退耕還林草的主要區(qū)域，從2002年開始退耕，大量的坡耕地轉(zhuǎn)變成為林地和草地，而且草地所占比重遠(yuǎn)大于林地[7]。黃土高原人工草地分布在降水量300~600 mm的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，主要類型是苜蓿草地[8]。退耕草地主要種植苜蓿（），這種土地利用方式的改變必然對其生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，尤其是改變了土壤水文過程和地表侵蝕。了解土壤不同層次水分的時(shí)空變異特征與不同土地利用方式之間的關(guān)系對提高土地利用效率、優(yōu)化利用結(jié)構(gòu)意義重大，并有助于評價(jià)土地利用方式變化對土壤基本理化性狀的影響，進(jìn)而篩選最優(yōu)的退耕方式。因此，本研究選取處于黃土丘陵溝壑區(qū)的石家岔流域耕地和人工紫花苜蓿草地作為研究對象，對退耕還草后的不同層次的土壤水分含量進(jìn)行研究，以期對黃土高原小流域綜合治理中合理利用土地提供科學(xué)依據(jù),尋求有效的退耕還草方式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于甘肅省定西市石家岔小流域，地理位置為104°39'14.00″E、35°43'17. 60″N，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)，海拔1900~2250 m。氣候?yàn)闇貛Т箨懶园敫珊禋夂颍昶骄邓繛?10.2 mm，年平均蒸發(fā)量為1529.4 mm[9]。土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)綿軟，土層深厚，質(zhì)地均勻，貯水性能良好；0~200 cm土壤容重平均為1.19 g/cm3，凋萎含水率7.8%，飽和含水率20.7%[10]。樣地主要分布有天然草本植物長芒草（Trin）、冰草（(Linn.) Gaertn.）、豬毛蒿（Krasch.）、阿爾泰狗哇花（(Willd) Novopokr.）和中亞白草（Tzvel.）等。

1.2 研究方法

實(shí)驗(yàn)選擇甘肅定西石家岔流域有代表性的紫花苜蓿和耕地（馬鈴薯）作為研究樣地。耕地為每年種植農(nóng)作物的農(nóng)田，2017年，馬鈴薯在四月初播種并在九月底收獲。紫花苜蓿在2003年“退耕還林”計(jì)劃實(shí)施后引入。樣地內(nèi)土壤質(zhì)地均一，無黏土層、母質(zhì)層等相對不透水層。實(shí)驗(yàn)以紫花苜蓿和馬鈴薯樣地土壤為研究對象，并于2017年6月在樣地表層用環(huán)刀（100 cm3）取原狀土，每個(gè)層次取三個(gè)重復(fù)，用以測定土壤持水特性。土壤田間持水量測定采用威爾科克斯(Wilcox)法也稱環(huán)刀法進(jìn)行測定。

在2016年3月初，在距表層20、50、100、150、和200cm處各安裝1個(gè)ECH2O土壤水分溫度探頭。溫度水分?jǐn)?shù)據(jù)采用EM50數(shù)據(jù)采集器采集，采集間隔為30 min。土壤氣象要素的監(jiān)測均采用SQ2020數(shù)采器采集數(shù)據(jù)，采集間隔為2 min。

1.3 數(shù)據(jù)分析

其中，為監(jiān)測時(shí)間，= 20 cm，50 cm，100 cm，150 cm，200 cm。

根據(jù)變異程度分級規(guī)律，＜0.1為弱變異性，0.1＜＜1為中等變異性，＞1為強(qiáng)變異性。

本文采用配對樣本T檢驗(yàn)比較兩種土地利用方式下相同層次土壤水分和溫度的差異，單因素方差分析比較同種土地利用方式下不同層次間水分的差異，Pearson法進(jìn)行相關(guān)分析。顯著性水平為?<0.05。所用統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS 18.0完成，所用圖形均使用Originlab 9.1繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)氣象特征

研究區(qū)2017年4月1日-10月31日共發(fā)生78次降雨（圖1），總降雨量353.7 mm。24 h降雨量小于10 mm（小雨）68次，共降雨151.5 mm，占觀測期總降雨量的42.83%；降雨大于等于10 mm小于25 mm的事件（中雨）9次，共降雨160.1 mm，占觀測期總降雨量的45.26%；降雨大于等于25 mm小于50mm的事件（大雨）1次，共降雨42.1 mm，占觀測期總降雨量的11.90 %；未出現(xiàn)24 h降雨大于50 mm（暴雨）的降雨事件。從降雨的時(shí)間分布來看，降雨量的月最低值出現(xiàn)在4月份，為7.9 mm，占整個(gè)觀測時(shí)期的2.23%；最高值出現(xiàn)在8月份，為148.1 mm，占觀測期降雨量的41.87%。

圖 1 監(jiān)測時(shí)段內(nèi)降雨與氣溫

2.2 不同土地利用方式下土壤水分的時(shí)間變異特征

對耕地和紫花苜蓿兩種土地利用方式下在生長季內(nèi)的土壤含水量進(jìn)行研究，結(jié)果表明，兩種不同土地利用方式下不同深度的土壤含水量變化趨勢基本一致（圖2）。表層20 cm處的土壤含水量波動(dòng)最為頻繁，越往下層，土壤水分的波動(dòng)次數(shù)越少，150 cm與200 cm深度處土壤含水量已無明顯波動(dòng)。這與楊文治[11]的研究一致，其研究同樣發(fā)現(xiàn)降雨入滲很難達(dá)到1 m以下的深度。淺層次土壤的含水量更容易受到植物蒸騰和土壤蒸發(fā)的影響[12]，且更容易受到植物根系的影響。對于變化最為活躍的表層20 cm處含水量，兩種土地利用方式下的最高值都出現(xiàn)在8月份，紫花苜蓿與耕地分別為15.24%與15.07%（表1）；最低值均出現(xiàn)在7月份，分別為9.94%與10.39%。兩種土地利用方式下的0~200 cm土壤貯水量如圖3，當(dāng)日降雨量大于10 mm（即中雨級別）時(shí)，0~200 cm土壤貯水量均表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)上升。7月份僅有4場小雨級別的降雨事件，缺乏有效降雨，而同期月平均溫度最高（21.4 ℃），土壤蒸發(fā)散較強(qiáng)，導(dǎo)致貯水量出現(xiàn)明顯的下降；進(jìn)入8月份以來，出現(xiàn)了這個(gè)生長季唯一一次大雨級別的降雨（40 mm），且連續(xù)出現(xiàn)中雨級別的降雨，隨著雨季降雨入滲的補(bǔ)充，使得土壤貯水量迅速增加且在8月底出現(xiàn)峰值，紫花苜蓿與耕地分別為271 mm與304 mm。苜蓿是高耗水多年生作物，在干旱半干旱地下水位很深的地區(qū)苜蓿的根系會更加的發(fā)達(dá)，而且苜蓿是多年生作物，植物在非雨季時(shí)也沒有停止生長，持續(xù)性的耗水導(dǎo)致紫花苜蓿的貯水量低于農(nóng)田地。

圖 2 兩種土地利用方式下土壤不同層次含水量

Fig.2 Water content at different soil depths under two land use types

表 1 不同土地類型各土層土壤水分統(tǒng)計(jì)

注：不同的小寫字母表示統(tǒng)一土地利用方式下不同層次土壤含水量在0.05水平上的差異

Note: different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level among different soil layers under the same land use type.

2.3 不同土地利用方式下土壤水分空間變異特征

圖3 不同土地利用方式下0~2 m土壤貯水量

兩種土地利用方式下不同層次的土壤含水量變化如圖3?？傮w而言，土壤含水量具有共同點(diǎn)的特征，均呈現(xiàn)自上而下減少的趨勢。紫花苜蓿在最下層200 cm處的平均含水量為8.52%，高于150 cm處的平均含水量7.64%（各層次最低值）。這可能是由于植物根系對土壤水分的調(diào)節(jié)作用，即水分再分配作用引起的。具體來講是水分在水勢差的驅(qū)動(dòng)下由根系向土壤中釋放出一種雙向和被動(dòng)的水分運(yùn)轉(zhuǎn)過程，包含水分由土壤深層向表層土壤的釋出，表層土壤向深層土壤的流動(dòng)以及在水平方向上的側(cè)向運(yùn)輸過程[13]。喬木、灌木和草本植物都發(fā)現(xiàn)有水分再分配情況存在，且其對土壤含水量有較大的調(diào)節(jié)作用[14]。本研究中土壤表層的含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于200 cm處，形成水勢梯度差；而紫花苜蓿的根系深度能夠超過200 cm，200 cm處含水量的升高可能是由于水分通過紫花苜蓿根系的再分配而形成。耕地的平均含水量最高值出現(xiàn)在50 cm處，為15.44%。在半干旱區(qū)域，土壤水分的蒸發(fā)散一般出現(xiàn)在表層，因其更容易受到太陽輻射和風(fēng)力的影響，這可能是50 cm含水量高于20 cm含水量的原因。下層依次降低，最低值出現(xiàn)在最深處200 cm深度，僅為4.92%。這是由于降雨的入滲能力減弱，而深層地下水無法補(bǔ)給所引起。降雨使表層土壤體積含水量迅速增加，深層土壤水分只能通過表層土壤的入滲才能得以補(bǔ)充。土壤中的水分，一部分被植物吸收利用用于植物自身生長和植物的蒸騰作用返回大氣，另一部分以物理蒸發(fā)和入滲的模式回到大氣或者向深層入滲。當(dāng)雨量小時(shí)，水分大部分用于植被吸收利用和物理蒸發(fā)，很少水分能入滲到深層，從而使表層土壤水分含量迅速增加后又降低，降雨前后土壤表層體積含水量的波動(dòng)大于土壤深層。因而表層土壤體積含水量的變異系數(shù)較大，而深層土壤的較小。雨量大時(shí)一部分變異系數(shù)CV的變化趨勢與平均含水量基本一致，最高值均出現(xiàn)在50 cm深度處，紫花苜蓿與耕地的CV分別為0.26與0.21。這可能是由于在生長旺盛的8月份，由于降雨較多，導(dǎo)致入滲較強(qiáng)，使50 cm深度處的含水量有充足的水分補(bǔ)給而處于較高的含水量水平；同時(shí)，持續(xù)性的降雨使此層的含水量得以累積，最大的含水量極差也出現(xiàn)在此層次。而表層雖然受降雨影響最為直接，變化最為劇烈，但同時(shí)高溫使的降雨增加的水分更容易被蒸散發(fā)損失，因此其變異程度并不如50 cm處，含水量變異系數(shù)小于50 cm深度處。根據(jù)變異程度分級規(guī)律，兩種土地利用方式下上三層土壤含水量均達(dá)到了中等變異的程度，說明其波動(dòng)幅度較大，受降雨的影響較強(qiáng)。而100 cm以下的變異系數(shù)為弱變異性，且穩(wěn)定在較低的水平。除200 cm深度處，紫花苜蓿地各層次土壤水分均低于耕地。

土壤干化現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)60年代。研究表明，土壤干層是黃土高原廣泛發(fā)生的一種水文現(xiàn)象，是環(huán)境旱化和土壤干化綜合作用的結(jié)果。王力等[15]將土壤干層分為3級，土壤含水量低于5%為強(qiáng)烈干燥化土層，5%~8%為中等干燥化土層，8%~10%為弱干燥化土層。孫蕾等[16]發(fā)現(xiàn)，雨季結(jié)束后，土壤含水量呈現(xiàn)上層大、下層遠(yuǎn)低于上層、深層發(fā)生干燥化的趨勢。幾乎所有的人工喬、灌林和紫花苜蓿等多年生豆科牧草均能使土壤形成干層[17]。本文中紫花苜蓿50 cm深度處含水量為11.91%，100 cm處含水量為8.93%；耕地50 cm深度處含水量為11.90%，100 cm處含水量為8.36%。這表明紫花苜蓿在50 cm深度以下就有干化的趨勢，耕地在100 cm以下才會出現(xiàn)此現(xiàn)象。劉沛松等[18]通過兩年的連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)，三年齡、六年齡和十年齡的干層分別出現(xiàn)在720 cm，1000 cm和920 cm，但均未在300 cm內(nèi)出現(xiàn)干層。因其并未監(jiān)測16年齡的紫花苜蓿，我們的研究結(jié)果可為其提供補(bǔ)充。

3 結(jié)論

土壤水分在生長季的變化主要受到降雨量和植被類型等因素的影響，降水和土地利用方式共同控制著土壤含水量剖面變化，并對其時(shí)空動(dòng)態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。通過對黃土丘陵溝壑區(qū)一個(gè)完整生長季的研究，我們得出以下結(jié)論：

（1）黃土丘陵溝壑區(qū)的降雨呈現(xiàn)雨熱同期的特點(diǎn)。降雨量峰值出現(xiàn)在8月份，達(dá)到148.1 mm，占觀測期降雨量的41.87%。不僅降雨的頻度高，雨強(qiáng)也大，中雨及以上級別的降雨出現(xiàn)五次，包含一次大雨級別的降雨；

（2）兩種不同土地利用方式下不同深度的土壤含水量變化趨勢基本一致，在生長季前期保持基本穩(wěn)定，7月份由于降雨較少而呈現(xiàn)出下降的趨勢，8月份開始由于降雨量的增加，0~1 m處的含水量得到補(bǔ)充，1 m以下的含水量基本保持穩(wěn)定。0~2 m的貯水量，耕地要高于紫花苜蓿地；

（3）以不同土壤深度的平均值來分析土壤體積含水量垂直分布的生長季變化規(guī)律，紫花苜?；境尸F(xiàn)出隨土層深度的增加逐漸減小的規(guī)律，最下層200 cm處的土壤含水量由于土壤水分的再分配而略微升高，但仍處于較低水平；耕地含水量的最高值出現(xiàn)在50 cm深度處，以下深度含水量依次降低。紫花苜蓿出現(xiàn)干化現(xiàn)象的深度要淺于耕地。

[1] Gregorich EG, Monreal CM, Carter MR,. Towards a minimum data set to assess soil organic matter quality agricultural soils[J]. Canadian Journal of Soil Science, 1994,74(4):367-385

[2] Haynes RJ. Labile organic matter as an indicator of organic matter quality in arable and pastoral soils in New Zealand[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2000,32(2):211-219

[3] Huo Z, Shao MA, Horton R. Impact of gully on soil moisture of shrubland in wind-water erosion crisscross region of the Loess Plateau Pedosphere, 2008,18(5):674–680

[4] 傅伯杰,陳利項(xiàng),邱揚(yáng),等.黃土丘陵溝壑區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)與生態(tài)過程[M].北京:商務(wù)出版社,2002:1-14

[5] Cao S, Chen L, Yu X. Impact of China’s Grain for Green Project on the landscape of vulnerable arid and semi-arid agricultural regions: a case study in northern Shaanxi Province[J]. Journal of Applied Ecology, 2009,46(3):536-543

[6] China National Committee for Implementation of the UNCCD. China National Report on the Implement of the United Nation’s Convention to Combat Desertification[R/OL].[S.l.]:[s.n.],2006. https://www.jinchutou.com/p-35209181.html

[7] 許浩,張?jiān)礉?潘占兵,等.黃土丘陵區(qū)苜蓿地的土壤呼吸[J].草業(yè)科學(xué),2013,30(4):535-540

[8] 李玉山.苜蓿生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)及其水分生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].土壤學(xué)報(bào),2002,39(3):404-411

[9] 黨漢瑾,黨宏忠,王玉魁,等.半干旱區(qū)檸條植物籬水分再分配格局研究[J].林業(yè)科學(xué)研究,2014,27(6):745-751

[10] 趙巖,楊越,孫保平,等.黃土丘陵區(qū)不同退耕模式對土壤物理性狀影響研究——以甘肅定西市為例[J].中國農(nóng)學(xué) 通報(bào),2009,25(16):99-105

[11] 楊文治.黃土高原土壤水資源與植樹造林[J].自然資源學(xué)報(bào),2001,16(5):433-438

[12] Wang L, D"Odorico P, Evans JP,. Dryland ecohydrology and climate change: critical issues and technical advances[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2012,16(8):2585-2603

[13] 劉美珍,孫建新,蔣高明,等.植物-土壤系統(tǒng)中水分再分配作用研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,26(5):1550-1557

[14] Brooks JR, Meinzer FC, Coulombe R,. Hydraulic redistribution of soil water during summer drought in two contrasting Pacific North west coniferous forests[J]. Tree Physiology, 2002,22:l107-1117

[15] 王力,邵明安,張青峰.陜北黃土高原土壤干層的分布和分異特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2004,15(3):436-442

[16] 孫蕾.渭北地區(qū)果園土壤質(zhì)量演變趨勢[D].陜西:西北農(nóng)林科技大學(xué),2010:50-53

[17] Hou QC. Preliminary study on soil dry layer of artificial forest and grass in Loess Plateau[J]. Journal of China Soil Water Conservation, 1999(5):457-459

[18] 劉沛松,賈志寬,李軍,等.寧南山區(qū)紫花苜蓿()土壤干層水分動(dòng)態(tài)及草糧輪作恢復(fù)效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué) 報(bào),2008,28(1):183-191

Dynamic Characteristics of Soil Moisture under Different Land Use Types in Loess Region

FENG Jin-chao1, DANG Hong-zhong1*, CONG Ri-chun1, YAO Yuan3, WU Li-li1

1.100091,2.750001,

In order to evaluate soil moisture characteristics at different soil depths on the loess plateau under different land use types, we selected alfalfa and arable land (potato) soil in Shijiacha watershed of the loess hilly-gully region as the research object. This research monitored soil moisture at the depth of 20cm, 50cm, 100cm, 150cm, 200cm from April to October 2017 to analyze temporal dynamic characteristics and vertical profile distribution characteristics of soil moisture content under two land use types in a complete growing season. The results showed that: (1) the highest values of soil moisture content were found at the depth of 50cm. Except that the water content of alfalfa at 200cm was higher than 150cm, other layers showed a tendency of decreasing with the increase of depth. (2) Under the two land use types, the soil moisture of 0-100cm had obvious seasonal change characteristics, the highest value occurred in August when the rainfall was the largest, the moisture of the lower soil was stable at a relatively low level, and the soil water storage of cultivated land was larger than that of alfalfa field. According to the research, alfalfa consumed more soil moisture and was more likely to cause soil desiccation.

Loess region; soil moisture; coefficient of variation; land use type

S152.7

A

1000-2324(2019)04-0729-06

2019-03-23

2019-05-04

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金:半干旱區(qū)退耕林地降水入滲過程研究(CAFYBB2016QA021)

馮金超(1984-),男,博士,助理研究員.主要研究方向:氮水循環(huán). E-mail:fengjinchao@caf.ac.cn

Author for correspondece.E-mail:hzdang@caf.ac.cn