青海高寒丘陵區(qū)土壤有效水的時(shí)間穩(wěn)定性

張 鵬， 王冬梅， 丁 聰， 李 平

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

土壤水分是土壤-植物-大氣連續(xù)體中四水(大氣水、地表水、土壤水和潛水)轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在SPAC系統(tǒng)中處于核心地位[1]。在西北半干旱地區(qū)，土壤水分更是限制植被生長(zhǎng)和生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵因素之一。土壤水分受到氣候、地形、土層深度、植被類型、土地利用方式及土地覆蓋狀況等因素綜合影響具有時(shí)空變異性，而有效水和土壤水相關(guān)性較高[2]，亦具有時(shí)間變異性和時(shí)間穩(wěn)定性。土壤有效水是土壤水分中可被植物利用的部分，可以清楚地反映土壤水分的真實(shí)情況，相對(duì)于土壤水，土壤有效水是更好的觀察對(duì)象。

Vachaud等[3]最早提出時(shí)間穩(wěn)定性的概念，將土壤水分空間模式隨著時(shí)間變化的相似性稱為時(shí)間穩(wěn)定性現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性具有深度依賴性[4-7]和季節(jié)依賴性[8-9]，而影響土壤水分穩(wěn)定性的因素是多方面的。不同質(zhì)地土壤顯著影響土壤含水量的穩(wěn)定性[4]；深剖面土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性的垂直分布受土地利用方式的影響而呈現(xiàn)較大差異[10]；土壤水分狀況與時(shí)間穩(wěn)定性之間存在顯著的負(fù)相關(guān)，Gao等[6]研究發(fā)現(xiàn)干旱條件比濕潤(rùn)條件下的時(shí)間穩(wěn)定性略高。而實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性影響較小，Guber[11]在對(duì)比每10 min，每2 h，每d和每周收集的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)采樣頻率對(duì)土壤水分瞬時(shí)穩(wěn)定性的影響不明顯；同樣，測(cè)點(diǎn)間距對(duì)各點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性影響很小[5]。此外，土壤儲(chǔ)水量和土壤水勢(shì)也具有時(shí)間穩(wěn)定性，土壤蓄水量的時(shí)間穩(wěn)定性隨深度的增加而增加[13]。根系是影響SWS時(shí)間穩(wěn)定性的主要因素[14]，而土壤水吸力的穩(wěn)定性在干濕交替時(shí)最差[15]，灌溉對(duì)土壤水勢(shì)時(shí)間穩(wěn)定性影響顯著。盡管眾多學(xué)者對(duì)含水量、儲(chǔ)水量、水勢(shì)的時(shí)間穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，但是土壤有效水時(shí)間穩(wěn)定性的研究較少，高寒丘陵區(qū)有效水時(shí)間穩(wěn)定性的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道。有效水的時(shí)間穩(wěn)定性研究，一方面填補(bǔ)了高寒丘陵區(qū)的空白，另一方面指導(dǎo)了研究區(qū)不同土層土壤有效水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的合理布置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)土壤有效水的預(yù)測(cè)，對(duì)了解高寒丘陵區(qū)生態(tài)水文和土壤水文過(guò)程具有重要意義，為土壤水分管理和小流域的植被配置優(yōu)化提供了有力的支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)安門灘小流域地處青海省西寧市大通回族土族自治縣(E 101.67°， N 36.9°)，大通縣地處青海省東部，祁連山東段的南麓，山區(qū)面積占96.5%，森林覆蓋率為38.1%，縣域東接黃土高原，西接青藏高原，屬于兩大高原的過(guò)渡區(qū)，屬于高原大陸性氣候，年均溫度為2.8 ℃，年較差與日較差均較大，縣域無(wú)霜期一般70～120 d，植物生長(zhǎng)季節(jié)5—9月，期間降雨達(dá)400～600 mm，約占全年降水量的87%左右，雨熱基本同季，樣地海拔2 330～2 560 m，是典型的高寒黃土丘陵區(qū)小流域。土壤類型以山地棕褐土和栗鈣土為主，在小流域內(nèi)植被主要有青海云杉(Piceacrassifolia)、祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)、華北落葉松(PinustabulaeformisCarr.)等人工恢復(fù)植被。

2 材料與方法

2.1 中子儀測(cè)定及土壤有效水計(jì)算

在大通縣內(nèi)安門灘小流域沿坡面等高線取點(diǎn)，水平距離20 m，垂直距離20 m，平均坡度24°，共55個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置如圖1。2018年5月15日至2018年8月15日用CNC503B型中子儀測(cè)定土壤含水率，每15 d測(cè)定在1次，共計(jì)7次(7月6日有強(qiáng)降雨，補(bǔ)充1次)。測(cè)定時(shí)，每隔20 cm測(cè)定1次土壤含水率，每層測(cè)定3次，取平均值作為該層土壤的中子數(shù)，并用烘干法標(biāo)定；一般地，土壤凋萎濕度主要受土壤顆粒組成影響，而地形、土層深度和土地利用類型均能夠顯著影響?zhàn)ち：康目臻g分布[16]。因此對(duì)不同的土地利用類型(表1)，分別計(jì)算各其凋萎濕度；對(duì)小流域內(nèi)主要植被類型(青海云杉、祁連圓柏、荒草地、華北落葉松)，選擇典型坡面，沿坡面自上而下，利用環(huán)刀(高5 cm，直徑5 cm)在0～20、>20～40和>40～60 cm土層各取3個(gè)原狀土，帶回實(shí)驗(yàn)室分析，每個(gè)坡面上取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地，共12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地各取1個(gè)水分點(diǎn)，采用高速離心機(jī)確定土壤水分特征曲線。由于黃土高原土層凋萎濕度20 cm以下變異較小[17]，因此60～80 cm和80～100 cm均采用20～60 cm和40～80 cm凋萎濕度的算術(shù)平均值。

圖1 測(cè)點(diǎn)及樣點(diǎn)布設(shè)位置圖Fig.1 Locations of measuring points and sample points in study area

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

筆者綜合利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)法和時(shí)間穩(wěn)定性分析2種方法分析土壤有效水體積含水量時(shí)間穩(wěn)定性。

2.2.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法 變異系數(shù)(CV)反映隨機(jī)變量的離散程度，即土壤水分變異性的強(qiáng)弱：

(1)

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為樣本均值。根據(jù)變異程度的大小可分為3級(jí)，弱變異(CV<0.1)、中等變異(0.1

表1 不同植被類型水分點(diǎn)概況及凋萎系數(shù)Tab.1 Water point profile and wilting coefficient of different vegetation types

2.2.2 時(shí)間穩(wěn)定性分析方法 目前，時(shí)間穩(wěn)定性研究方法主要有3種:通常采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)、累積概率和相對(duì)差分3種方法來(lái)研究土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性[18]。

Spearman秩相關(guān)系數(shù)表明不同時(shí)間條件下不同空間位置土壤含水率的秩隨時(shí)間變化特征[19]，計(jì)算公式為

(2)

式中：j、k為不同的測(cè)時(shí)間(1≤j，k≤10);Rij、Rik分別為觀測(cè)位置i在測(cè)定時(shí)間j、k下土壤含水率觀測(cè)值的秩；n為土壤水分點(diǎn)的數(shù)量，n取55個(gè)。

累積概率函數(shù)。通過(guò)計(jì)算各測(cè)定時(shí)間下各測(cè)點(diǎn)土壤有效水含水率的累積概率函數(shù)，然后分析判斷不同測(cè)定時(shí)間各測(cè)點(diǎn)土壤含水量是否保持相同的累積概率。

相對(duì)差分法。測(cè)點(diǎn)i在觀測(cè)時(shí)間j的土壤含水率相對(duì)差分δij的計(jì)算公式為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中m為觀測(cè)次數(shù)，m=7。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤有效水體積含水量的時(shí)空變化特征

如圖2和3，研究期內(nèi)，淺層土壤(0～20 cm)有效水含量較低，最高為4.56%，深層土壤(>20～100 cm)有效水含量較高，范圍7.17%～13.0%。而變異系數(shù)相反，淺層土壤有效水變異系數(shù)較高，表現(xiàn)為強(qiáng)變異性，深層土壤有效水變異系數(shù)均<1，表現(xiàn)為中等變異性。在時(shí)間軸上，隨著降雨頻率和降雨量的增加，土壤有效水含量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，變異系數(shù)也發(fā)生劇烈波動(dòng)。表層土壤易受降雨、蒸發(fā)影響，而青海云杉、華北落葉松、祁連圓柏均為淺根性樹(shù)種，根系主要分布在40～60 cm，大量的根系減弱了降雨對(duì)深層土壤水分的擾動(dòng)，土層之間的相互作用和根系分布使深層土壤相對(duì)穩(wěn)定。可以看出：表層土壤有效水含量最低，且土壤有效水具有明顯季節(jié)性特征。旱季土壤有效水以消耗為主，含量明顯偏低；雨季以補(bǔ)充為主，含量較高[20-21]，而土壤有效水變異系數(shù)則相反，6月15日前波動(dòng)均較小，雨季到來(lái)后，各層土壤有效水均產(chǎn)生較高波動(dòng)，變異系數(shù)變化較大，發(fā)現(xiàn)干旱條件下的變異系數(shù)相對(duì)于濕潤(rùn)條件小。這與白一茹等[22]在黃土高原雨養(yǎng)區(qū)的研究結(jié)果一致。

圖2 降雨量和土壤分層有效水含量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系折線圖Fig.2 Dose diagram of dynamic relationship between rainfall and soil stratification effective moisture content over time

圖3 分層土壤有效水變異系數(shù)Fig.3 Variation coefficient of stratified soil effective moisture

3.2 土壤有效水的相關(guān)性分析

表2是研究區(qū)20～100 cm 4個(gè)不同深度土壤有效水含水率在各測(cè)定時(shí)間對(duì)之間的Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣。由表可知，除5月15日和8月14日的Spearman秩相關(guān)系數(shù)值為0.681，其他時(shí)間段的值均高于0.75，且極顯著相關(guān)，表明研究區(qū)小流域20～100 cm土壤的有效水在整個(gè)觀測(cè)期間都有較高的時(shí)間穩(wěn)定性。不同時(shí)間段隨土層的加深，秩相關(guān)系數(shù)呈波動(dòng)上升狀態(tài)。不同深度土層有效水秩相關(guān)系數(shù)在研究期內(nèi)均隨著時(shí)間推移不斷降低，相鄰時(shí)間段的秩相關(guān)系數(shù)最大，間隔時(shí)間越長(zhǎng)，秩相關(guān)系數(shù)越小，時(shí)間間隔與相關(guān)系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。7月6日的秩相關(guān)系數(shù)明顯下降，結(jié)合前日強(qiáng)降雨，說(shuō)明降雨量對(duì)土壤有效水的穩(wěn)定性有一定影響。降雨會(huì)增加土壤水分分布格局的時(shí)間穩(wěn)定性[23]，但短時(shí)間的強(qiáng)降雨反而會(huì)破壞土壤水分的穩(wěn)定性，對(duì)總體變化趨勢(shì)影響較小?？傊?，時(shí)間穩(wěn)定性表現(xiàn)出與時(shí)間相關(guān)的變化趨勢(shì)，采樣時(shí)間越接近，相關(guān)系數(shù)越大，隨著時(shí)間滯后的增加有減小趨勢(shì)。這一結(jié)果證明高寒丘陵區(qū)土壤有效水在植物生長(zhǎng)期內(nèi)具有較高的時(shí)間穩(wěn)定性，且土壤有效水的時(shí)間穩(wěn)定性是具有期限性得。

3.3 極端條件下土壤有效水的累計(jì)概率函數(shù)

累積概率函數(shù)是判斷具體測(cè)點(diǎn)時(shí)間穩(wěn)定性的有效方法，通過(guò)分析不同測(cè)定時(shí)間各測(cè)點(diǎn)土壤含水率累積概率的相似性來(lái)判斷時(shí)間穩(wěn)定性的強(qiáng)弱。在整個(gè)觀察期內(nèi)0～100 cm土壤有效水含水量平均值最大為8月14日的9.93%，最小為7月30日的7.27%，代表了干旱和濕潤(rùn)2種水分條件。0～20 cm土層有效水普遍接近0，變化較小，忽略不計(jì)；圖4可以看出，在干旱、濕潤(rùn)兩種極端條件下，相同秩次，>20～40 cm土層有效水差值最大，>80～100 cm差值最小，>20～40 cm土層僅有9號(hào),33號(hào)2個(gè)點(diǎn)保持相同累積概率，>40～60、>60～80和>80～100 cm分別有5、4、7個(gè)點(diǎn)保持相同累積概率，發(fā)現(xiàn)只有較少的測(cè)點(diǎn)能在2種極端水分條件下保持相同的土壤有效水累積概率值，這與Brocca等[24]的研究結(jié)果一致。同時(shí)在深層保持相同累積概率的測(cè)點(diǎn)數(shù)比淺層數(shù)量多，累積概率位置變化小，主要由于淺層土壤易受氣候、地形等因子擾動(dòng)，在土壤水分條件由干旱狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶?rùn)狀態(tài)這一過(guò)程中，深層土壤有效水空間分布格局的時(shí)間穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3.4 土壤有效水的相對(duì)差分分析

圖5為55個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壤有效水含量平均相對(duì)偏差由小到大的排序結(jié)果，圖中數(shù)字為測(cè)點(diǎn)序號(hào)，垂直誤差線為各測(cè)點(diǎn)平均相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差。由圖5可知，0～20 cm土層有效水含量普遍接近于0，導(dǎo)致土壤有效水含水量平均相對(duì)偏差及平均相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差誤差較大，無(wú)實(shí)際分析意義；>20～40、>40～60、>60～80和>80～100 cm土層土壤有效水平均相對(duì)偏差(MRD)平均相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差(SDRD)，隨土層厚度的增加，波動(dòng)范圍都逐漸減小，表明樣點(diǎn)土壤有效水時(shí)間穩(wěn)定性隨土層厚度增加而增強(qiáng)，這與張帥普等[25]和潘顏霞等[26]在荒漠地區(qū)的研究結(jié)果一致。

表2 不同土層深度的土壤有效水的Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.2 Spearman rank correlation coefficient matrix of soil effective moisture in different soil depths

注：** 表示差異顯著(P<0.01)。Notes: ** indicates significant difference (P<0.01).

圖4 干旱和濕潤(rùn)條件下不同土層深度土壤有效水的累積概率(注：圖中數(shù)字代表測(cè)點(diǎn))Fig.4 Cumulative probability of the soil effective moisture on different depths in the dry and wet conditions (Note: The numbers represent the measuring points)

圖5 不同厚度土層的有效水含量的相對(duì)偏差及標(biāo)準(zhǔn)差(注：圖中數(shù)字代表測(cè)點(diǎn))Fig.5 Relative deviation and standard deviation of effective moisture content in different thickness soil layers (Note: the numbers in the figure represent measuring points)

3.5 土壤含水率代表性測(cè)點(diǎn)的選擇及合理性驗(yàn)證

根據(jù)平均相對(duì)偏差接近于0且SDRD較小的原則選擇代表點(diǎn)，在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)18、測(cè)點(diǎn)29、測(cè)點(diǎn)12、測(cè)點(diǎn)29可分別代表0～40、0～60、0～80和0～100 cm土層土壤有效水均值。為驗(yàn)證代表性測(cè)點(diǎn)的合理性，對(duì)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)不同土層土壤水分均值與代表性測(cè)點(diǎn)作回歸分析發(fā)現(xiàn)，決定系數(shù)的變化范圍在0.668 2～0.811 7，表明各代表性測(cè)點(diǎn)與相應(yīng)土層土壤有效水均值的相關(guān)性較高，可以較準(zhǔn)確的估計(jì)研究區(qū)域各土層的平均土壤含水率。均方根誤差和平均偏差分別介于0.339～0.949和-0.19～0.37，均方根誤差和平均偏差均較小說(shuō)明代表性測(cè)點(diǎn)的土壤含水率與研究區(qū)各層的平均土壤含水率的關(guān)系密切，差異較小。

4 結(jié)論

基于對(duì)青海大通高寒丘陵區(qū)暗門灘小流域坡面上55個(gè)測(cè)點(diǎn)在7個(gè)時(shí)段的5個(gè)土層厚度的土壤有效水體積含水量的實(shí)地測(cè)定和數(shù)據(jù)分析，得出主要結(jié)論如下：

1)研究區(qū)各土層土壤有效水含水量旱季減小，雨季增加。表層土壤有效水(0～20 cm)受降雨、蒸發(fā)影響顯著，表現(xiàn)為強(qiáng)變異性，無(wú)時(shí)間穩(wěn)定性；深層土壤有效水(>20～100 cm)由于根系分布及深層土壤相互作用均表現(xiàn)為中等變異性，有較高的時(shí)間穩(wěn)定性。

表3 最佳代表測(cè)點(diǎn)估算樣地平均土壤含水率的精度參數(shù)Tab.3 Accuracy parameters of estimated field mean soil moisture content in the best representative measuring points

2)Spearman秩相關(guān)系基本均高于0.75，且呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)，表明土壤有效水的時(shí)間穩(wěn)定性在空間上是相關(guān)的，表層有效水除外。穩(wěn)定性表現(xiàn)出與時(shí)間相關(guān)的變化趨勢(shì)，采樣時(shí)間越接近，相關(guān)系數(shù)越大，隨著時(shí)間滯后的增加有減小趨勢(shì),強(qiáng)降雨會(huì)破壞土壤瞬時(shí)穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)研究期內(nèi)影響不大。

3)較少的測(cè)點(diǎn)能在2種極端水分條件下保持相同的土壤有效水累積概率值，在土壤干濕交替這一過(guò)程中，深層土壤有效水空間分布格局的時(shí)間穩(wěn)定性更強(qiáng)。

4)隨著土壤深度的增加，土壤有效水的時(shí)間穩(wěn)定性也相應(yīng)增強(qiáng)，通過(guò)相對(duì)差分分析，選擇測(cè)點(diǎn)18、測(cè)點(diǎn)29、測(cè)點(diǎn)12、測(cè)點(diǎn)29分別代表本研究區(qū)該時(shí)段內(nèi)0～40，0～60，0～80，0～100 cm土層的土壤平均有效水含水率，驗(yàn)證準(zhǔn)確度較高，精度要求不高時(shí)，可用于小流域各層土壤有效水估算。