黃土高原生態(tài)工程區(qū)土壤容重及飽和導(dǎo)水率的分布特征

趙亞麗，王云強(qiáng)，張興昌

黃土高原生態(tài)工程區(qū)土壤容重及飽和導(dǎo)水率的分布特征

趙亞麗1,2,3，王云強(qiáng)2,3※，張興昌1,3

（1. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊陵 712100；2. 中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所，黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

土壤水力性質(zhì)是影響水分運(yùn)動、溶質(zhì)運(yùn)移以及流域水文模型模擬的重要參數(shù)。近年來，黃土高原實(shí)施的退耕還林（草）工程、治溝造地工程等重大生態(tài)工程，影響了該區(qū)域的地形地貌、土壤水力性質(zhì)等。深入研究流域尺度土壤容重（Bulk Density，BD）與飽和導(dǎo)水率（）的動態(tài)變化特征，對于理解重大生態(tài)工程影響下的水文過程演變規(guī)律具有重要意義。本研究以黃土高原重大生態(tài)工程影響的典型小流域?yàn)閷ο?，采?0 m×80 m的網(wǎng)格布點(diǎn)（89個樣點(diǎn)），分別于2016年9月（夏末）、11月（初冬）和2017年3月（初春）采集土壤表層（0～5 cm）環(huán)刀樣品，分析BD和的動態(tài)分布特征及其影響因素。結(jié)果表明：BD在0.93～1.61 g/cm3之間變動，介于0.01～7.30 cm/min；BD呈弱變異性，變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）為10%，而呈強(qiáng)變異性（CV=166%）。坡面BD顯著小于溝底（<0.05），而則顯著大于溝底（<0.05）。坡面林地和草地BD表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性差異（<0.05），而在林地、灌木和草地之間均表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性差異（<0.05）。地形對流域內(nèi)的土壤水力參數(shù)分布有顯著影響，外界環(huán)境（溫度）變化是決定BD和呈季節(jié)性動態(tài)變化的重要因素。多因素方差分析表明土地利用類型對BD與均有顯著影響；采樣時間對有顯著影響，對BD無顯著影響。相關(guān)結(jié)果可為揭示重大生態(tài)工程區(qū)小流域土壤水力參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律及其主控因素提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考，有助于小流域水文過程的模型模擬研究與精細(xì)調(diào)控。

土壤；流域；容重；飽和導(dǎo)水率；動態(tài)變化；生態(tài)工程區(qū)；黃土高原

0 引 言

土壤容重（Bulk Density，BD）是土壤的基本物理性質(zhì)之一，受母質(zhì)、成土過程、氣候、生物作用及耕作的綜合影響，通常表現(xiàn)出弱變異性[1-2]。BD顯著影響土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移特征以及土壤的抗侵蝕能力[3-5]。土壤飽和導(dǎo)水率（）反映了土壤入滲和導(dǎo)水性質(zhì)，是研究土壤水分、溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律和影響水文模型模擬精度的重要水力參數(shù)。受土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、微地形以及土地利用類型等的共同作用，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的時空變異特征[6-10]。

目前，越來越多研究關(guān)注BD與的時空分異規(guī)律及其尺度依賴性，并取得重要進(jìn)展[5,10-15]。在區(qū)域尺度上，Wang等[16]通過在黃土高原地區(qū)大面積采樣，研究土壤表層和次表層K的空間分布特征發(fā)現(xiàn)，表層和次表層均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間變異性，變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）分別為206%和135%；表層與砂粒、粉粒、坡度、飽和含水量、植被覆蓋和土地利用類型顯著相關(guān)，而次表層則與黏粒、坡度、緯度、飽和含水量、生長年限和土地利用類型顯著相關(guān)。在流域尺度上，傅子洹等[17]在老葉滿渠小流域研究了表層BD和的時空分布特征，結(jié)果表明，在月際尺度，BD變化較小，而變化劇烈，BD與的空間變異結(jié)構(gòu)均可用指數(shù)模型進(jìn)行擬合。在坡面尺度上，毛娜等[18]發(fā)現(xiàn)表層土壤（0～20 cm）顯著高于深層（20～200 cm）；不同植被類型下與容重、黏粒和粉粒呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.01），與毛管孔隙度、飽和含水量、砂粒以及有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)（<0.05）。在田間尺度上，李濤等[19]發(fā)現(xiàn)具有較強(qiáng)的空間變異性，土壤與黏粒、粉粒、砂粒和有機(jī)質(zhì)含量具有一定的空間相關(guān)性，而與土壤容重幾乎沒有空間相關(guān)性。趙春雷等[20]研究了凍融循環(huán)對的作用，發(fā)現(xiàn)凍融過程對具有顯著影響，其影響程度因土地利用類型和土層深度不同而異。在樣方尺度上，Hao等[13]對亞熱帶地區(qū)不同林地類型下的分布特征進(jìn)行了研究和預(yù)測，發(fā)現(xiàn)隨植被類型和土層深度而變化，回歸樹模型（Regression tree）分析進(jìn)一步表明總孔隙度、非毛細(xì)孔隙度和大孔隙水穩(wěn)團(tuán)聚體是決定的主要因子。在微觀尺度上，Sandin等[21]利用X射線層分析技術(shù)研究了結(jié)構(gòu)性孔隙和時間動態(tài)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在近飽和導(dǎo)水率的現(xiàn)場測量中，孔隙網(wǎng)絡(luò)特征隨時間有明顯變化，與孔隙連通率有關(guān)。已有研究深化了對不同尺度BD和分布特征的認(rèn)識，但較少涉及BD和的動態(tài)變化；此外，關(guān)于高強(qiáng)度人為管理措施下（如重大生態(tài)工程的實(shí)施），小流域尺度BD和的時空變化特征及其主控過程研究，鮮有報(bào)道。

2011年，治溝造地工程在延安試點(diǎn)實(shí)施，涉及全市13個縣區(qū)，包含197個子項(xiàng)目，2013－2018年間新造耕地累計(jì)達(dá)3 333 hm2。治溝造地工程顯著改變流域內(nèi)的地形條件及土壤水文環(huán)境，進(jìn)而影響流域土壤水力參數(shù)的分布格局[22-24]。目前，關(guān)于受重大生態(tài)工程影響的小流域BD和動態(tài)變化特征的研究較少，使得對這些小流域內(nèi)發(fā)生的降雨入滲過程、土壤水分運(yùn)動過程、生態(tài)水文過程等認(rèn)識不深刻。因此，本研究在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，選取受退耕還林（草）和治溝造地工程共同影響的代表性小流域，探索流域內(nèi)BD和的動態(tài)變化特征，并揭示其影響因素，以期為黃土高原小流域綜合治理、流域水文模型構(gòu)建與精細(xì)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原中部，距離延安市約40 km的甘谷驛鎮(zhèn)顧屯小流域（圖1）。該區(qū)屬于典型的大陸性暖溫帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量為541 mm，年平均蒸發(fā)量為1 000 mm。降水季節(jié)分配不均，年際差異明顯，夏季降水量約占全年降水量的50%～70%，且多暴雨[22]。年均氣溫9.8 ℃，最高氣溫39.7 ℃，最低氣溫?25.4 ℃，年均無霜期130 d。小流域海拔范圍973～1 188 m。研究區(qū)主要為低肥力風(fēng)積黃土，抗侵蝕力較弱。土地利用類型主要包括農(nóng)地（溝底）、灌木、林地和天然草地（坡面）。流域坡面自2003年實(shí)施退耕還林（草）工程，至今已有16 a。主要的植被類型有刺槐（）、沙棘（）和長芒草（）等。流域溝底自2013年實(shí)施治溝造地工程，溝底造地面積達(dá)50 941 m2。

1.2 野外采樣與室內(nèi)分析

為確保采樣點(diǎn)均勻分布，且能夠代表小流域內(nèi)所有的土地利用類型，在流域坡面，按照80 m × 80 m的網(wǎng)格進(jìn)行布點(diǎn)；根據(jù)每個網(wǎng)格中優(yōu)勢物種分布，選擇1個具有代表性的樣點(diǎn)采集樣品。在流域溝底區(qū)域，按40 m間距沿溝道布設(shè)1條樣線。分別在坡面和溝底布設(shè)64和25個樣點(diǎn)（圖1），共89個樣點(diǎn)。坡面包括3種土地利用類型（林地、草地和灌木），其中林地（刺槐）為主要土地利用類型，樣點(diǎn)個數(shù)為41個，其次是草地，樣點(diǎn)個數(shù)為19個，灌木（沙棘）分布較少，樣點(diǎn)個數(shù)為4個，溝底的25個樣點(diǎn)均為農(nóng)地。通過全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）獲取每個樣點(diǎn)的經(jīng)緯度。分別于2016年9月、11月和2017年3月采用容積為100 cm3的環(huán)刀對每個樣點(diǎn)采集表層（0～5 cm）原狀土壤樣品。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，采用定水頭一維土柱入滲法測定（cm/min），用烘干法測定BD（g/cm3）。3次采樣時間分別對應(yīng)于夏末、初冬和初春，故BD和的動態(tài)變化可以反應(yīng)其季節(jié)特征。流域內(nèi)安裝了氣象站，用于收集流域氣象數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)的分布圖

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究中統(tǒng)計(jì)分析（最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、相關(guān)性分析等）由Excel 2013 和SPSS 16.0 軟件計(jì)算得出。均值差異性檢驗(yàn)采用單因素方差分析（One-way Analysis of Variance，ANOVA）和最小顯著性差異法（Least Significant Difference，LSD）。土地利用類型和采樣時間對BD和的效應(yīng)通過一般線性模型的多因素方差分析進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣點(diǎn)相關(guān)因子和土壤水力參數(shù)的分布特征

表1為顧屯小流域土壤顆粒和高程的基本統(tǒng)計(jì)特征。土壤黏粒、粉粒和砂粒分別在2.3%～7.9%、46.9%～70.0%和23.4%～49.1%之間變動，變異系數(shù)從小到大依次為粉粒、砂粒、黏粒，高程在976～1 156 m之間波動。分別對坡面和溝底樣點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，坡面樣點(diǎn)土壤黏粒和粉粒的平均值比溝底樣點(diǎn)分別低1.8%和3.2%，而坡面樣點(diǎn)砂粒的平均值比溝底樣點(diǎn)高5%。

表2為顧屯小流域3次采樣時間的BD和統(tǒng)計(jì)結(jié)果。BD在0.93～1.61 g/cm3之間變動，3個月份的均值為1.25 g/cm3，平均變異系數(shù)為10%，呈弱變異性。小流域介于0.01～7.30 cm/min，均值為0.59 cm/min。在2016年9月、11月和2017年3月的變異系數(shù)分別為141%、244%和113%（均值為166%），均呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的變異性。BD與表現(xiàn)出不同的變異特征，這與其不同的影響因素和過程有關(guān)。BD主要受成土母質(zhì)、氣候、土粒密度的影響[25]，而則主要受土壤孔隙、土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量等影響[17]。土壤有機(jī)質(zhì)含量高，易形成土壤團(tuán)聚體，進(jìn)而使土壤具有良好的土壤結(jié)構(gòu)，土壤入滲性能較好[26]。另外，土壤干濕交替、凍融循環(huán)、根孔、蟲洞、土壤裂隙等作用常常形成土壤大孔隙，大孔隙有助于水分的快速流動，會顯著增加[27-28]。土壤孔隙、土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量的變異性及其疊加效應(yīng)使比BD表現(xiàn)出更大變異，傅子洹等[17]的研究也得到了類似的結(jié)果。

表1 土壤顆粒組成和高程的統(tǒng)計(jì)特征

注：CV為變異系數(shù)，CV ≤ 10% 時為弱變異，當(dāng)10% < CV < 100%時為中等變異，當(dāng)CV≥100%時為強(qiáng)變異，下同。

Note: CV is coefficient of variation, weak variation if CV≤10%, moderate variation if 10% < CV < 100%, and strong variation if CV≥100%, the same below.

表2 研究區(qū)土壤容重和飽和導(dǎo)水率的基本統(tǒng)計(jì)特征

通過分析坡面和溝底的樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，坡面和溝底BD的均值分別為1.19和1.38 g/cm3。BD在坡面和溝底之間存在顯著性差異（圖2），這是由于溝底作為新造耕地，治溝造地工程實(shí)施過程中機(jī)械作用使土壤壓實(shí)，導(dǎo)致BD較大。這與鞠忻倪等[29]的研究結(jié)果類似。另一方面，坡面自退耕還林（草）工程實(shí)施以來（16 a），較少有人為干擾活動（踩踏、壓實(shí)），在長時間自然演替作用下，坡面植被的根系具有疏松土壤的功能，因此坡面BD值較小[22]。與BD相反，坡面顯著高于溝底（圖2）。與BD在坡面和溝底表現(xiàn)出相反的分布特征，這是由于BD與一般呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[4,17]。與BD變異系數(shù)不同的是，在坡面的平均變異系數(shù)（161%）比溝底的大（111%）。這是由于坡面受退耕還林（草）工程影響，在長時間的植被生長作用下，形成了不同的土地利用類型，不同的植被-土壤界面及其相互作用過程，對土壤水力參數(shù)會產(chǎn)生不同影響。相較于坡面，溝底土壤受治溝造地工程影響，土壤均被施工機(jī)械在一定程度上壓實(shí)，且溝底土地利用類型單一，所以溝底的變異系數(shù)小于坡面。不同數(shù)據(jù)分組統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，BD和總體（所有點(diǎn)）的變異系數(shù)比分組（坡面和溝底）的變異系數(shù)大。Hu等[30]在研究土壤水分分布特征時也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把溝底樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時，流域尺度土壤水分的變異系數(shù)顯著增大。因此，在地形地貌復(fù)雜的區(qū)域，應(yīng)充分考慮地形對土壤水力參數(shù)分布特征的影響。

注：不同小寫字母表示同一指標(biāo)在坡面和溝底存在顯著差異（P<0.05）

2.2 坡面和溝底土壤容重與飽和導(dǎo)水率的動態(tài)變化特征

BD在不同季節(jié)之間呈微弱波動。坡面和溝底BD在不同月份之間均表現(xiàn)為先增加后減?。ū?）。研究表明，在季節(jié)尺度上，BD受氣候變化、地表物理化學(xué)過程和生物擾動的綜合作用[2,17]。3次采樣時間分別對應(yīng)夏末、初冬和初春，夏季降水較多、蒸散強(qiáng)烈、植被根系以及微生物活動活躍，初春溫度逐漸升高，土壤經(jīng)過冬季的凍土過程，逐漸開始融化，變得蓬松，這些綜合作用使夏末和初春的BD略微減小。相反，初冬時期，溫度逐漸降低，地表物理化學(xué)過程逐漸減弱，BD略微增大[2,23]。

相比于BD，在不同采樣時間表現(xiàn)出較大的波動。2016年9月、11月和2017年3月坡面的平均值分別為0.95、0.43和0.60 cm/min，溝底的平均值分別為0.31、0.13和0.81 cm/min。坡面和溝底在不同月份之間均表現(xiàn)為先減小后增加。坡面在夏末時最大，而溝底在初春時最大?？赡苁怯捎谄旅嬷脖辉?月份還處于生長季，根系以及微生物活動比較旺盛，土壤中根孔以及蟲洞密度會有一定的增加，使土壤孔隙增加，也隨之增加。溝底土壤水分含量比坡面高，在冬季，溝底土壤水分易呈凍結(jié)狀態(tài)；當(dāng)溫度升高，土壤從凍結(jié)狀態(tài)逐漸融化時，會受熱膨脹，使土體產(chǎn)生微小裂隙，導(dǎo)致增加。因此，溝底在初春時期比坡面變化劇烈。另外，雖然降水是土壤侵蝕發(fā)生的主要驅(qū)動力，但采樣期間降水較少。除9月底和10月份有4次降雨量較大的降雨事件外（降雨量分別為11.8、13.1、8.3和16.6 mm），其余日降雨量均小于5 mm。因此，可以排除由于水土流失造成表土質(zhì)地發(fā)生顛覆性變化，進(jìn)而導(dǎo)致BD和動態(tài)變化的可能。而采樣期間溫度變化劇烈，最低溫度為?9.8 ℃，最高溫度為19.7 ℃，變幅達(dá)29.5 ℃，是BD和呈現(xiàn)波動變化的主要外界因素。

2.3 不同土地利用類型的土壤容重與飽和導(dǎo)水率的動態(tài)分布特征

圖3展示了不同土地利用類型下BD與的分布特征。為消除地形的影響，同時也便于理解退耕還林（草）工程對土壤水力參數(shù)的作用，此部分不對溝底的農(nóng)地進(jìn)行討論，僅對坡面3種土地利用類型間的土壤水力參數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，坡面林地、灌木和草地的BD與均無顯著性差異。本研究的采樣深度位于表層，該層位的土壤易受外界環(huán)境（干濕交替、凍融作用、生物擾動）的綜合影響，因此，在不同土地利用類型下沒有表現(xiàn)出明顯差異。毛娜等[18]的研究也表明同一坡向內(nèi)不同植被類型0～20 cm土層的沒有顯著差異。

注：不同小寫字母表示同一指標(biāo)在土地利用類型之間差異顯著（P<0.05）。

圖4顯示了不同土地利用類型下3次采樣時間BD和的動態(tài)分布特征。林地和草地BD在2016年9月和11月之間存在顯著差異，灌木BD無季節(jié)性差異。而林地、灌木和草地的在不同月份之間均存在顯著差異（<0.05）。與2016年9月和次年3月相比，3種土地利用類型在2016年11月的均顯著較低。不同季節(jié)條件下，氣候條件、地表土壤物理化學(xué)過程和不同植被的根系分布形態(tài)表現(xiàn)出動態(tài)變化，使BD與在不同土地利用類型之間呈現(xiàn)出季節(jié)變化特征[17]。與土地利用類型不同的是（圖3），BD與在不同季節(jié)之間差異顯著，表明BD與易受采樣時間的影響。Hu等[23]對4種不同土地利用類型下的土壤水力參數(shù)進(jìn)行測定，也發(fā)現(xiàn)在不同土地利用類型之間差異不顯著，但是每種土地利用類型下的在月際尺度之間差異顯著。

注：不同的小寫字母表示容重和飽和導(dǎo)水率在同一土地利用類型下不同采樣時間之間存在顯著差異（P<0.05）.

2.4 土壤容重與飽和導(dǎo)水率的影響因素

表3為BD和與影響因素的相關(guān)性分析。在整個流域尺度，BD與黏粒、高程和土地利用呈顯著相關(guān)，而與土壤顆粒、高程不顯著相關(guān)，與土地利用顯著相關(guān)。分別對坡面和溝底樣點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)BD和與土壤顆粒、高程和土地利用的相關(guān)關(guān)系均不顯著。因此，所有樣點(diǎn)、坡面和溝底樣點(diǎn)相關(guān)性分析的對比結(jié)果表明，高程和土地利用是影響B(tài)D和分布的主要因素。甘淼等[5]通過對黃土高原典型切溝土壤表層BD和的研究，同樣發(fā)現(xiàn)地形對BD和具有顯著影響，溝緣和坡面位置BD隨坡位上升總體呈微弱減小趨勢，切溝分布改變了BD和的空間格局。而本研究中高程和土地利用差異的根本原因是治溝造地工程改變了該流域的地形地貌，使得流域內(nèi)土壤水文環(huán)境以及人類活動發(fā)生了重大改變，導(dǎo)致土壤水力參數(shù)分布格局明顯不同。

表3 土壤容重和飽和導(dǎo)水率與影響因素的相關(guān)性分析

注：**和*分別表示在0.01和0.05水平上顯著相關(guān)（二尾檢驗(yàn)）。

Note: ** and * indicate significant correlation at 0.01 and 0.05 level (2–tailed test), respectively.

表4為所有樣點(diǎn)多因素方差的分析結(jié)果。土地利用類型對BD和均有顯著影響，這主要是由于溝底農(nóng)地的作用。而采樣時間只對有顯著影響，對BD沒有顯著影響。土地利用類型和采樣時間的交互作用也只對有顯著效應(yīng)。本研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果相似，均證實(shí)了采樣時間對有重要作用。季節(jié)變化會使外界條件和土壤環(huán)境產(chǎn)生明顯差異（干濕交替、凍融循環(huán)、熱脹冷縮），進(jìn)而引起的劇烈變動。相比于，采樣時間對BD的效應(yīng)沒有達(dá)到顯著水平，表明BD呈現(xiàn)弱的季節(jié)性變化特征。Hu等[23]的研究表明土地利用類型對沒有顯著影響，這是由于其研究區(qū)域較?。ú煌恋乩妙愋臀挥谕黄旅妫恋乩妙愋蛯Φ男?yīng)沒有達(dá)到顯著水平，本研究區(qū)域受到重大生態(tài)工程的影響，流域內(nèi)有明顯的坡面和溝底位置差異，導(dǎo)致土地利用類型對BD和均呈現(xiàn)出顯著影響。

表4 土地利用和采樣時間對容重與飽和導(dǎo)水率的影響

顧屯小流域的坡面于2003年實(shí)施了退耕還林（草）工程，地表植被蓋度的增加有效減緩了坡面水土流失，緩解了表土遷移和擾動對土壤BD和的影響。不同土地利用類型下的植被和土壤受季節(jié)交替等外界因素的影響，其根系分布格局和土壤環(huán)境發(fā)生變化，進(jìn)而引起坡面土壤水力參數(shù)的動態(tài)變化。該流域溝底于2013年實(shí)施了治溝造地工程，目前溝底為新造耕地，土地利用類型單一，且地表覆蓋度在生長季和非生長季差異明顯。除了人為活動（翻耕、機(jī)械壓實(shí)）的干擾外，溝底作為流域的匯流區(qū)域，土壤水分含量較高，更易受到季節(jié)性凍融循環(huán)和熱脹冷縮的影響，進(jìn)而導(dǎo)致BD和的動態(tài)變化[2,23]。隨著生態(tài)工程的不斷推進(jìn)和功能發(fā)揮，流域土壤水文過程將發(fā)生明顯改變，而影響流域土壤水力參數(shù)的時空變化。

重大生態(tài)工程的實(shí)施會改變原有的地貌和地形條件，進(jìn)而改變流域內(nèi)的徑流形成、水分下滲、匯流、地下水補(bǔ)給等過程[22,31-32]。BD和作為評估降水入滲、徑流形成、土壤水分運(yùn)動以及土壤可蝕性的重要參數(shù)和眾多水文模型的輸入?yún)?shù)，其時空動態(tài)分布特征對模型結(jié)果具有至關(guān)重要的影響。本研究結(jié)果表明，在重大生態(tài)工程實(shí)施的小流域進(jìn)行土壤水文過程研究和模擬時，應(yīng)充分考慮地形改變、采樣時間等因素的影響。對于需要輸入BD和參數(shù)的模型，應(yīng)關(guān)注BD和的動態(tài)變化特征，建立不同時期BD和的數(shù)據(jù)庫，以便得到更為精確的模擬結(jié)果。

3 結(jié) 論

本文選擇重大生態(tài)工程影響下的顧屯小流域，通過不同采樣時間下土壤容重（BD）和飽和導(dǎo)水率（）的動態(tài)變化與分析研究，得出以下結(jié)論：

1）BD在0.93～1.61g/cm3之間變動，在不同季節(jié)均呈弱變異，平均變異系數(shù)為10%。介于0.01～7.30 cm/min，平均變異系數(shù)為166%，呈強(qiáng)變異。坡面BD顯著小于溝底，則顯著大于溝底（<0.05）。

2）不同采樣時間下，BD和在坡面和溝底的整體變化規(guī)律一致。BD在3個季節(jié)間表現(xiàn)為先增加后減小，表現(xiàn)為先減小后增加。

3）退耕還林（草）工程影響的坡面土壤水力參數(shù)受土地利用類型和外界環(huán)境的相互作用。BD在林地和草地間存在顯著季節(jié)性差異，而在林地、灌木和草地之間均呈顯著的季節(jié)性差異。治溝造地工程影響的溝底土壤水力參數(shù)受土壤狀態(tài)和外界環(huán)境影響。

4）在小流域尺度，采樣時間對具有顯著影響。

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Distribution characteristics of bulk density and saturated hydraulic conductivity in intensive land restoration project areas on the Loess Plateau

Zhao Yali1,2,3, Wang Yunqiang2,3※, Zhang Xingchang1,3

(1.,,&,712100,; 2.,,,710061,; 3.,100049,)

Soil bulk density and saturated hydraulic conductivity are two important hydraulic parameters of soil, and thereby highly affect water holding capacity of soil, infiltration, runoff formation, and soil erosion. There are great topographical changes on the Loess Plateau of China, as the projects of Grain for Green and Gully Land Consolidation have been largely implemented in recent years. It is essential to understanding the temporal change of soil bulk density and saturated hydraulic conductivity, and their response to the intensive land restoration projects for the ecological management on Chinese Loess Plateau. Taking Gutun watershed as the research area, the objective of this study was to investigate the temporal variation of soil bulk density and saturated hydraulic conductivity and their controlling factors in the intensive land restoration area, where the projects of Grain for Green and the Gully Land Consolidation were widely implemented. The sampling point of an 80 m × 80 m grid, and totally with 89 sampling sites were selected, in order to ensure that the sampling sites were uniformly distributed and represented all types of land use in the watershed. Measurements of soil bulk density and saturated hydraulic conductivity were conducted on undisturbed soil samples at each site taken from the surface soil layers (0-5 cm) on three periods in September and November 2016 and March 2017 at Gutun watershed on the Chinese Loess Plateau. The results showed that the soil bulk density ranged from 0.93 to 1.61 g/cm3, while the saturated hydraulic conductivity was from 0.01 to 7.30 cm/min (for all sites). The soil bulk density displayed a weak variability (Coefficient of Variation (CV) was 10%) among different seasons, while the saturated hydraulic conductivity indicated a strong variability (CV=166%, for all sites). The soil bulk density on slope was significantly smaller than that in gully (<0.05), while the saturated hydraulic conductivity on slope was significantly larger than that in gully (<0.05). The soil bulk density increased from September to November 2016, and then decreased from November 2016 to March 2017, whereas the saturated hydraulic conductivity showed an adverse trend among the three measurements. The soil bulk density under forest and grassland showed a significantly seasonal variation, whereas the saturated hydraulic conductivity displayed a significantly seasonal variation under all land use types. Topography (elevation) played an important role in determining the soil bulk density and saturated hydraulic conductivity in the area, where the projects of intensive land restoration implemented. External environment (temperature) was the controlling factor that determined the temporal change of soil bulk density and saturated hydraulic conductivity. Multivariate analysis revealed that the land use posed a significant impact on the soil bulk density and saturated hydraulic conductivity. The duration and the interaction of land use had significant impact on saturated hydraulic conductivity, not for soil bulk density. The results demonstrate that it is necessary to consider the temporal variation of soil bulk density and saturated hydraulic conductivity and their affecting factors, when modelling and predicting the relevant soil hydraulic processes. This finding can also provide a deep insight to the related eco-hydrology processes in the implemented areas of intensive land restoration.

soil; watershed; bulk density; saturated hydraulic conductivity; dynamic change; intensive land restoration project; the Loess Plateau

趙亞麗，王云強(qiáng)，張興昌. 黃土高原生態(tài)工程區(qū)土壤容重及飽和導(dǎo)水率的分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(10)：83-89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.010 http://www.tcsae.org

Zhao Yali, Wang Yunqiang, Zhang Xingchang. Distribution characteristics of bulk density and saturated hydraulic conductivity in intensive land restoration project areas on the Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 83-89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.010 http://www.tcsae.org

2019-12-08

2020-04-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41971045，41722106）

趙亞麗，博士生，主要從事土壤水文過程研究。Email：zhaoylgkd@163.com

王云強(qiáng)，博士，研究員，主要從事土壤水分生態(tài)、土壤性質(zhì)空間變異研究。Email：wangyunq04@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.010

S152.5

A

1002-6819(2020)-10-0083-07