黃土高原不同林地土壤水分特征及影響因子通徑分析

胡 波， 陳麗華，2?

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京；2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，042200，山西吉縣)

由于土壤等自然環(huán)境因素的特殊性，黃土高原地區(qū)一直是我國水土流失最為嚴重的區(qū)域之一[1]。長期以來，在黃土高原的水土保持建設過程中，種植了大量植被，但由于黃土高原土壤承載力較低[2]，植被建設消耗了大量深層土壤水分，造成土壤水循環(huán)失衡[3]，土壤干層范圍不斷擴大[4]，水分虧缺成為制約植被生長發(fā)育的主要因子[5]，阻礙著黃土高原地區(qū)水土流失的恢復和水土保持工作的發(fā)展。關(guān)于黃土高原土壤水分的分布特征，目前已有大量研究成果。在不同尺度上，從坡面到流域，土壤水分在時間和空間分布上間均存在顯著的變異性[6-7]；在不同林種間，土壤水分變化也存在較大差異，如在油松(Pinustabuliformis)、刺槐(Robiniapseudoacacia) 和次生林中，刺槐林對土壤水分的消耗較大，易造成土壤水分虧缺[5]。黃土高原的地形復雜，氣候季節(jié)性變化明顯，土壤水分變化受多因素的影響。在過往對土壤水分影響因素的研究中，氣候[8]、地形[9]、土地利用類型[10]、土壤理化性質(zhì)[11]等對土壤水分有著顯著的影響，多采用多元回歸方差分析[12]來分析其直接作用，在方差分析的基礎上，通過相應的數(shù)學變化，進一步將相關(guān)系數(shù)分解，可明確因子對土壤水分變化的直接影響，及因子交互作用下的間接作用。

本研究選取黃土高原典型人工喬木林作為研究對象，分別選取闊葉林刺槐和針葉林油松，同時為了便于將研究結(jié)果用于農(nóng)業(yè)技術(shù)的提升與應用，選擇研究區(qū)典型經(jīng)濟作物蘋果(Malusdomestica)，利用WaterScout SM 100 Sensor-6ft水分探頭，以30 min/次的頻率實時分層監(jiān)測林地樣地0～120 cm土壤剖面含水量，分析不同林地對土壤水分的垂直分布和動態(tài)變化的影響規(guī)律，用通徑分析的方法評價土壤理化性質(zhì)對土壤水分的直接作用和間接影響，衡量通徑分析方法的適用性，為黃土高原地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展、土地資源選擇性利用和生態(tài)環(huán)境提升管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣東北的蔡家川流域，地理坐標為E 110°39′45″～110°47′45″、 N 36°14′27″～36°18′23″。研究區(qū)為黃土殘塬和梁岇侵蝕溝壑區(qū)，走向自西向東，流域面積38 km2，主溝長14 km，海拔900～1 513 m。該區(qū)為溫帶大陸性氣候，年均氣溫10 ℃，年降水量575.9 mm，>10 ℃年積溫3 361.5 ℃；土壤為微堿性褐土、黃土母質(zhì)；流域森林覆蓋率約72%，主要樹種為刺槐、油松、側(cè)柏(Platycladusorientalis)等。

2 研究方法

研究區(qū)植被為1990年后三北防護林建設工程中種植的水土保持林和經(jīng)濟林。在2018年4月，通過樣地調(diào)查，樣地概況如表1所示，在研究區(qū)油松、刺槐和蘋果林地分別劃定20 m×20 m標準樣方，在樣方中心布設土壤水分觀測標準點，采用WaterScout SM 100 Sensor-6ft水分探頭對0～20、20～40、40～60、60～80、80～100和100～120 cm土層以30 min 1次的頻率實時監(jiān)測土壤含水量的動態(tài)變化，用WatchDog 1000 Series采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用SpecWare 9下載。在2018年8月，在各個樣方內(nèi)隨機選取3個樣點，用環(huán)刀分層取原狀土密封帶回實驗室，測定土壤含水量、孔隙度、密度等，并在各樣點分層取土，同層混合后帶回實驗室測理化性質(zhì)。

土壤貯水量的計算公式為：

s=10h(θ10+θ20+…+θ120)。

(1)

式中：s為土壤貯水量，mm；h為土層深度，cm；θ為土壤體積含水量，cm3/cm3，其下標為土層深度。

表1 樣地概況

3 通徑分析原理

通徑分析是Sewall Wright于1921年提出的分析方法[13]。通徑分析的中心思想是通過計算通徑系數(shù)，排除度量單位和自變量變異程度的影響，將自變量對因變量的直接作用和間接作用進行區(qū)分[14]。通徑分析的分析原理如圖1所示。通過通徑分析，在當樣本中影響因變量的自變量較多且存在較大共線可能性時，可以排除相關(guān)性較大的自變量間的共線作用，明確不同自變量間的相互作用和對因變量的直接及間接影響，同時通過決策系數(shù)可確定每個自變量對結(jié)果的影響程度。

圖1 通徑關(guān)系圖Fig.1 Path diagram

4 結(jié)果與分析

4.1 不同林分土壤含水量的空間變化

圖2為生長季油松、刺槐和蘋果林地0～120 cm土壤體積含水量的平均值，同時，對不同林地土壤含水量隨土壤深度的變化進行差異顯著性檢驗，結(jié)果如表2所示。在0～120 cm土層中，土壤含水量總體呈現(xiàn)蘋果>刺槐>油松。隨著土層深度增加，油松林地土壤含水量呈先上升后下降趨勢，20～40 cm土層平均土壤含水量最大，為10.78%，100～120 cm平均土壤含水量最小，為3.93%；刺槐林地土壤含水量波動不大，介于4%～10%之間，呈先上升后下降趨勢，40～60 cm土層土壤含水量最大，為8.63%，80～100 cm土壤含水量最小為4.39%；蘋果林地土壤含水量變化明顯，在60～80 cm土壤含水量最大，為14.79%，100～120 cm含水量最小，為5.01%。在0～40 cm土層中，油松的土壤含水量大于刺槐林和蘋果林，隨著深度加深，油松土壤含水量不斷下降，小于刺槐和蘋果林地土壤含水量，蘋果林地60～120 cm土層土壤含水量顯著大于油松和刺槐林地，同時和表2對比，蘋果林土壤含水量變化分別與油松林和刺槐林有顯著性差異(P<0.050)，油松林與刺槐林土壤含水量變化無顯著性差異(P=0.541)。

圖2 黃土高原不同林地土壤含水量的剖面分布Fig.2 Profile distribution of soil moisture content in different forest lands on the Loess Plateau

4.2 不同林分土壤含水量的時間變化

土壤貯水量是土壤涵養(yǎng)水分的指標，反應土體對水分入滲的吸收和儲存能力。研究區(qū)林地貯水量如表3和圖3所示，在0～120 cm土層中，不同林分土壤貯水總量蘋果>油松>刺槐。在油松林中，土壤貯水量呈先上升后下降趨勢，4月貯水量最低，0～120 cm土層土壤貯水量為67.54 mm，8月達到最大值256.80 mm；刺槐林在4—7月土壤貯水量呈波動狀態(tài)，8月達到最大值，為175.31 mm，10月最低為85.82 mm；蘋果林土壤貯水量呈先上升后下降趨勢，4月最低為100.53 mm，在7月經(jīng)歷小幅度下降后在8月達到最大值280.23 mm。油松、刺槐和蘋果林土壤貯水量變化趨勢與同期降雨量相同，在整體上呈先上升后下降趨勢，降雨在7月最大，為124.50 mm，油松、刺槐及蘋果林土壤貯水量均在8月達到最大值，延后于降水量。

表3 生長季不同林地土壤貯水總量

圖3 不同林地土壤貯水量和降雨量Fig.3 Soil moisture storage and rainfall in different woodlands

4.3 土壤含水量影響因素的通徑分析

土壤含水量變化是一個復雜的過程，在土壤層面受土壤理化性質(zhì)的綜合作用，由通徑分析，說明土壤含水量為Y和林地類型X1、全氮X2、全鉀X3、全磷X4、堿解氮X5、速效鉀X6、速效磷X7、有機質(zhì)X8、pH值X9、<0.002 mm土壤顆粒X10、0.050～0.002 mm土壤顆粒X11、2.000～0.050 mm土壤顆粒X12、密度X13、毛管孔隙度X14、總孔隙度X15和非毛管孔隙度X16的直接影響和間接作用。用SPSS對數(shù)據(jù)進行通徑分析，得出相關(guān)系數(shù)和直接通徑系數(shù)，計算間接通徑系數(shù)及決策系數(shù)，結(jié)果如表4和表5所示。

由表4可知，林地類型、全磷、密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度呈極顯著相關(guān)，相關(guān)性最大的因子為非毛管孔隙度X16。在對各影響因子進行通徑分析后(表5)可知，對土壤含水量有影響的因子分別為：林地類型X1、全氮X2、全鉀X3、全磷X4、有機質(zhì)X8、pH值X9、<0.002 mm土壤顆粒X10、0.050～0.002 mm土壤顆粒X11、2.000～0.050 mm土壤顆粒X12、密度X13、毛管孔隙度X14、總孔隙度X15和非毛管孔隙度X16。其中：0.050～0.002 mm土壤顆粒X11的決策系數(shù)最大，為9.825，是影響土壤含水量的主導因子，對土壤含水量起正向的決定作用，其直接通徑系數(shù)為2.737；密度X13、<0.002 mm土壤顆粒X10通過X11對土壤含水量有較大的正向間接作用，間接通徑系數(shù)分別為1.005和0.476，2.000～0.050 mm土壤顆粒X12通過X11的負向間接作用最大，間接通徑系數(shù)為-0.670。<0.002 mm土壤顆粒X10、密度X13對土壤含水量的變化決定作用較大，其決策系數(shù)分別為8.110和4.826。有機質(zhì)X8和2.000～0.050 mm土壤顆粒X12對土壤含水量有極顯著的抑制作用，其決策系數(shù)分別為-2.229和-5.646，有機質(zhì)含量越高，2.000～0.050 mm土壤顆粒含量越多，土壤水分越容易流失。

表4 土壤含水量與影響因素的相關(guān)系數(shù)

表5 土壤含水量影響因素通徑分析

5 討論

5.1 土壤含水量空間差異性

土壤水分影響著地上植被的生長恢復及土壤侵蝕流失，受植物根系、雨熱變化和地下水補給的影響，土壤含水量在不同林分中隨土層深度變化存在顯著的差異性。在黃土高原退耕還林中，不同植物種對土壤水的利用與其根系分布一致[15]，同時，土壤含水量在灌木和喬木林地間有顯著的差異性，根系分布差異是造成含水量差異的原因之一[16]。本研究中蘋果林土壤含水量大于刺槐和油松林，是由于根系分布的差異性，油松吸水根系在垂直方向上主要分布在0～100 cm土層內(nèi)[17]，刺槐0～60 cm土層[18]，蘋果0～40 cm土層[19]，根系的分布影響著降雨在土壤中的再分配，在淺層根系分布范圍內(nèi)，油松及刺槐根系對土壤的固持作用較大，土壤含水量總體大于深層土壤含水量；由于蘋果的淺根性及地面人為活動的影響，土壤水向深層滲漏，出現(xiàn)60 cm以上土壤含水量增多的情況。

5.2 土壤含水量季節(jié)差異

由于黃土高原土層深厚，地下水補給較少，植被生長發(fā)育所需水和土壤水分主要靠降雨補充。降雨具有季節(jié)變異性，因此土壤水分也呈現(xiàn)相應的季節(jié)變異性。研究黃土高原油松、刺槐人工林等的土壤含水量發(fā)現(xiàn)，不同林種對土壤中水分的消耗不同[20]；在不同的土地利用方式下，土壤水文狀況也存在季節(jié)變異性，土壤含水量變化和降雨變化一致，且土壤貯水量變化滯后于降水[21]，土壤含水量的季節(jié)性差異主要表現(xiàn)在表土和中層(1.0～2.4 m)土壤中[22]。在本研究中，油松、刺槐和蘋果林地土壤貯水量均有明顯的季節(jié)性變化，4—6月較低，7—8月上升，8月達到最大值，9—10月開始下降。由于4—6月植物進入生長期，所需水量日益增加，但降雨量少，溫度升高，蒸發(fā)加大，土壤貯水量較小；同期6月蘋果林土壤貯水量增長明顯，6月是蘋果的坐果期，生命活動旺盛，需水量大，為保證蘋果生產(chǎn)，通過額外的灌溉補水，提高土壤濕度。7—8月雨季來臨，降雨量增大，土壤水得到補充，土壤貯水量增大到最大值。9—10月隨著降雨的減少，氣溫下降，植物生命活動減弱，土壤貯水量呈下降趨勢，但并未降到最低值。以上分析表明，油松、刺槐和蘋果3種林地0～120 cm土層土壤貯水量具有顯著的季節(jié)性，且變化時間晚于降雨量季節(jié)性變化，是植被林冠層和枯枝落葉對降雨的截留，及水分在土壤中的運移導致土壤水分的移動和儲存具有的滯后效應。

5.3 土壤含水量空間變異影響因素

研究區(qū)位于同一流域，溫度、降雨、地形等因子基本一致，土壤水分的變化主要受土壤理化性質(zhì)的影響。本研究用通徑分析的方法分析大量土壤特征，直接通徑系數(shù)最大的因素為土壤顆粒組成。土壤密度和孔隙度與土壤顆粒組成有較大的交互作用，間接通徑系數(shù)最大，密度和孔隙度通過影響土壤顆粒組成間接影響土壤含水量。在化學性質(zhì)中，有機質(zhì)X8的直接通徑系數(shù)最大，對土壤含水量有較大的正向決定作用，同時，土壤顆粒組成(X10、X11和X12)通過有機質(zhì)含量對土壤含水量起較大的間接作用。在過往研究中，通過單因素方差分析，土壤孔隙影響土壤涵養(yǎng)水分的能力[23]；用相關(guān)分析的方法，土壤含水量的變化趨勢和有機質(zhì)變化趨勢一致[24]；劉效東等[25]基于灰色關(guān)聯(lián)方法，分析馬尾松針葉林等3種林地的土壤水分變化和土壤理化性質(zhì)關(guān)系中，有機質(zhì)含量改變土壤孔隙，對土壤含水量有顯著影響。本文通過通徑分析，明確了土壤孔隙、有機質(zhì)對土壤含水量的直接作用，同時反映了因子間的間接作用，結(jié)果同過往研究相同，通徑分析適用于分析土壤理化性質(zhì)對土壤含水量的相互作用。

6 結(jié)論

1)研究區(qū)不同林地土壤含水量有顯著的差異性，油松和刺槐林含水量小于蘋果林，同時，由于根系分布差異，油松和刺槐林土壤含水量隨土壤深度增加呈先上升后下降趨勢，蘋果林淺層土壤含水量小于深層含水量。

2)油松、刺槐和蘋果林地土壤貯水量變化趨勢大體同降雨量變化一致，呈先上升后下降趨勢，貯水量峰值在時間尺度上落后于降雨量峰值，即土壤貯水量變化存在滯后性。

3)土壤理化性質(zhì)對土壤含水量作用復雜，用通徑分析可以很好地描述因子對含水量的直接作用和間接影響。在土壤理化性質(zhì)中，0.050～0.002 mm土壤顆粒是影響土壤含水量的主導因子，土壤密度、<0.002 mm土壤顆粒、2.000～0.050 mm土壤顆粒和有機質(zhì)交互作用，間接影響土壤水分，通徑分析可在相關(guān)分析的基礎上進一步拆分土壤理化性質(zhì)對土壤含水量變化的直接作用和間接影響，有很好的適用性。