砒砂巖區(qū)典型坡面土壤水分空間分布特征

辛軍偉， 尚振坤， 王俊鵬， 朱世雷， 甄 慶，張興昌,，馬炳召

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

砒砂巖廣泛分布于黃土高原北部，它是由厚層砂巖、砂頁巖和泥質(zhì)砂巖組成的巖石互層；由于其成巖程度低，砂粒間膠結(jié)程度差，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，故而遇水狀如泥土，干燥時(shí)則堅(jiān)硬如石。晉陜蒙接壤地區(qū)土壤類型以風(fēng)沙土和黃綿土為主，根據(jù)砒砂巖上層土壤類型的不同，可以將砒砂巖區(qū)分為覆沙區(qū)、覆土區(qū)和裸露區(qū)3個(gè)亞區(qū)[1]。該區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)以及保水保肥性能差，極易發(fā)生水土流失，多年平均土壤侵蝕模數(shù)為3萬t/(km2·a)，0.05 mm粒徑以上的粗沙占80%，是黃河粗沙的主要來源區(qū)之一[2-3]。20世紀(jì)90年代以來，隨著退耕還林(草)工程的施行，該區(qū)域大面積營(yíng)造人工林，植被覆蓋度逐漸提升，生態(tài)環(huán)境得到改善[4-5]。土壤水分是干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的主要限制因子[6-7]，水量平衡過程中輸入項(xiàng)與輸出項(xiàng)的動(dòng)態(tài)變化及各種水源之間的相互轉(zhuǎn)化能夠決定其含量的多少[8]。土壤水分對(duì)該區(qū)的植被生長(zhǎng)、水分循環(huán)和生態(tài)恢復(fù)等有重要影響。

由于成土因素的差異以及人為因素的影響，土壤水分的空間分布表現(xiàn)出不同程度的變異性，并且這種變異性是尺度的函數(shù)[9]。在不同尺度(例如田間、坡面、流域、區(qū)域等)上，土壤水分的變異性有所不同。當(dāng)前，對(duì)土壤水分空間分布特征的研究很多。丁聰?shù)萚10]研究黃土高寒區(qū)人工林恢復(fù)坡面0～200 cm深土壤水分的空間變化特征，發(fā)現(xiàn)在測(cè)定時(shí)間段內(nèi)，剖面各土層土壤含水率無顯著差別，在空間上表現(xiàn)為中等變異性，且呈現(xiàn)隨土層深度增加逐漸增大的趨勢(shì)。安彬[11]研究秦嶺中山區(qū)典型坡面不同用地類型的土壤水分，結(jié)果表明，不同土地利用類型土壤水分均值表現(xiàn)出一致性，且各層多表現(xiàn)出中等程度變異性，坡位、有機(jī)質(zhì)等對(duì)坡面土壤水分影響顯著。張晨成等[12]選取黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)六道溝小流域的2個(gè)典型切溝樣點(diǎn)作研究對(duì)象，分析了土壤水分的時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)土壤儲(chǔ)水量與距溝道距離有關(guān)，植被特征影響土壤水分在垂直方向上的變化，溝道影響較小，坡位能夠影響坡面土壤儲(chǔ)水量的空間分布格局。胡偉等[13]對(duì)黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明土壤水分沿坡長(zhǎng)方向表現(xiàn)為從坡頂?shù)狡履_先減小后增大的趨勢(shì)，變異程度為坡上>坡中>坡下。上述研究多集中在土壤質(zhì)地較為均一的區(qū)域，砒砂巖區(qū)由于上覆土層的差異，形成了層狀的土巖結(jié)構(gòu)，同一坡面不同坡位土層厚度也存在差異，這種分層結(jié)構(gòu)對(duì)土壤水分分布的影響尚不明確。在坡面植被重建過程中，土壤水分作為限制因素，應(yīng)充分考慮坡位對(duì)土壤含水量空間分布的影響。

因此，筆者以砒砂巖典型坡面土壤水分為研究對(duì)象，通過分析不同深度以及不同坡位土壤水分空間分布特征，以期為砒砂巖區(qū)植被恢復(fù)過程中植被配置提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗圪秋溝流域內(nèi)(E 110°25′～110°48′，N 39°42′～39°50′)，平均海拔820～1 582 m，總面積約為96 km2。該流域內(nèi)千溝萬壑，地形起伏大，土壤侵蝕程度強(qiáng)，水土流失非常嚴(yán)重。研究區(qū)屬于典型的中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量約400 mm，年均蒸發(fā)量約2 093 mm，年平均氣溫為6.2～8.7 ℃。該地區(qū)四季分明，太陽輻射強(qiáng)烈，日照時(shí)間長(zhǎng)，平均日照時(shí)間2 900～3 100 h。春季風(fēng)力大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，年平均風(fēng)速3.2 m/s，最大風(fēng)速32 m/s，年平均大風(fēng)時(shí)間10～30 d。

研究區(qū)土壤類型主要是黃綿土和風(fēng)沙土，主要草本植物有羊草(Leymuschinensis)、本氏針茅(Stipacapillata)、沙蒿(Artemisiaordosica)。該區(qū)植被以人工植被為主，造林樹種主要為沙棘(Hippophaerhamnoides)、油松(Pinustabuliformis)、錦雞兒(Caraganakorshinskii)和山杏(Prunussibirica)等[2]。

2 研究方法

2.1 取樣方法

自退耕還林(草)工程實(shí)施以來，魚鱗坑整地是該區(qū)域常見的造林整地方式。筆者選擇長(zhǎng)度約為200 m，寬度約為40 m，植被恢復(fù)類型為油松的完整坡面作為研究區(qū)域，其中油松種植在魚鱗坑內(nèi)。沿坡頂至坡下均勻布設(shè)38個(gè)采樣點(diǎn)，編號(hào)如圖1所示。將1-A至4-C 12個(gè)樣點(diǎn)作為坡下代表樣點(diǎn)，5-A至8-C 12個(gè)樣點(diǎn)作為坡中代表性樣點(diǎn)，9-A至13-B 14個(gè)樣點(diǎn)作為坡上代表性樣點(diǎn)。于2019年7月29日至8月2日完成1-A至5-C樣點(diǎn)的采樣工作，于8月21日至9月2日完成其余樣點(diǎn)的采樣工作，8月2日至8月21日期間有降雨發(fā)生。在每一樣點(diǎn)，用土鉆(直徑5 cm)分層采集土壤樣品，其中0～20 cm每10 cm采集1個(gè)土樣，20 cm以下每20 cm分層取樣。受堅(jiān)硬砒砂巖層的影響，采樣深度最淺到達(dá)2 m，最深達(dá)到6 m，共采集土壤樣品862份。當(dāng)天采樣后，采用烘干法(105 ℃，12 h)測(cè)定土壤質(zhì)量含水量。

圖1 砒砂巖典型坡面樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of sampling sites on a typical slope in the feldspathic sandstone area

2.2 分析方法

利用Excel 2016和SPSS 23進(jìn)行各變量的描述性統(tǒng)計(jì)、單因素方差分析(ANOVA)及數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)；利用Origin 2019、 SigmaPlot 12.5進(jìn)行繪圖；采用GS+確定各層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)符合的最優(yōu)理論模型及其參數(shù)；利用Arcmap10.2對(duì)樣點(diǎn)土壤水分分布進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析并繪圖。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)理論及相關(guān)參數(shù)的含義詳見參考文獻(xiàn)[14-16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡面土壤水分變化特征

3.1.1 樣點(diǎn)土壤水分隨深度變化特征 表1為油松人工林坡面0～200 cm深剖面土壤含水量的基本統(tǒng)計(jì)特征值。整個(gè)坡面平均含水量為12.03%，變異系數(shù)為33.08%。根據(jù)Nielsen等[17]的劃分，當(dāng)變異系數(shù)>100%時(shí)，為強(qiáng)變異；介于10%～100%之間時(shí)，為中等變異；<10%時(shí)，為弱變異；因此，筆者研究中坡面土壤水分為中等程度變異。土壤含水量在不同深度的變化范圍為3.21%～27.51%，均值的變化范圍為9.93%～13.83%，變異系數(shù)介于18.68%～39.80%之間，均為中等程度變異性。表層土壤平均含水量最低，僅為9.93%，隨著深度的增加，平均含水量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，180～200 cm土層平均含水量最高，達(dá)到13.88%。單因素方差分析結(jié)果表明，0～120 cm各層土壤含水量均值差異不顯著(P>0.05)，10～140 cm土層土壤含水量差異也不顯著(P>0.05)，140 cm深度以下土壤含水量呈微弱增加趨勢(shì)，而表層0～20 cm土壤含水量顯著低于140～200 cm土壤含水量(P<0.05)。各層土壤平均含水量與變異系數(shù)之間呈負(fù)極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。每層數(shù)據(jù)經(jīng)過K-S檢驗(yàn)結(jié)果顯示都符合正態(tài)分布。

表1 油松人工林坡面0～200 cm剖面土壤水分統(tǒng)計(jì)特征值

3.1.2 樣點(diǎn)土壤水分隨坡位變化特征 圖2顯示了不同坡位土壤水分隨深度的變化趨勢(shì)。淺層0～40 cm土壤含水量坡中和坡下大于坡上(P<0.05)，且0～20 cm坡中土壤含水量大于坡下(P>0.05)；40～160 cm土壤含水量坡上和坡中大于坡下(P>0.05)，除60 cm以外，坡上的土壤含水量大于坡中；160～180 cm土壤含水量坡上最大，坡下次之，坡中最小。此外，在同一坡位，坡下土壤水分呈波動(dòng)狀，隨著深度的增加，土壤水分先增加而又下降，在80 cm處達(dá)到最小值后開始逐漸上升；坡中的土壤含水量在0～200 cm整體上變化不大，比較穩(wěn)定；而坡上的土壤含水量呈逐漸上升趨勢(shì)，在60 cm深度以下坡上的土壤含水量是整個(gè)坡面上最高的。

US、MS、LS分別表示坡上、坡中、坡下。US，MS and LS refers to the up，middle and low slope, respectively). 圖2 不同坡位土壤水分隨深度變化趨勢(shì)Fig.2 Change of soil moisture in different slope positions with different depths

3.2 坡面土壤水分變異的地統(tǒng)計(jì)分析

利用地統(tǒng)計(jì)方法對(duì)坡面0～200 cm深度土壤水分的空間結(jié)構(gòu)及其自相關(guān)性進(jìn)行分析。表2為各土層土壤含水量半方差函數(shù)最優(yōu)模型及其相關(guān)參數(shù)，根據(jù)決定系數(shù)最大和殘差平方和最小的原則確定最優(yōu)模型。除40～80 cm土層以外，其他各層決定系數(shù)均>0.456。高斯模型能夠擬合大部分土層土壤水分的空間結(jié)構(gòu)，其次是球狀模型。各土層的塊金值都不為0，表明存在采樣誤差和小于采樣尺度的變異[15]?？臻g異質(zhì)比可以體現(xiàn)隨機(jī)變異占總變異的大小，該值越小，表明變量的空間結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)。除60～80 cm土層土壤含水量為弱空間依賴性以外，其他各層土壤含水量均為強(qiáng)空間依賴性[16]。

無論采樣點(diǎn)密度多大，傳統(tǒng)的野外采樣和室內(nèi)測(cè)定的手段無法得到所有區(qū)域的土壤水分值，而空間插值技術(shù)則可以將離散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的空間曲面進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)全覆蓋[10]。利用普通克里格插值繪制坡面0～200 cm各層土壤含水量的空間分布圖(圖3)，可以直觀地反映各土層土壤含水量的變異性及空間分布特征。可見，各土層土壤含水量大多呈斑塊狀鑲嵌分布，尤其是0～20 cm以及120～200 cm各土層更為明顯。

表2 各土層土壤水分半變異函數(shù)的參數(shù)

圖3 坡面土壤水分空間分布趨勢(shì)圖Fig.3 Maps for the spatial distribution of soil moisture in slopes

4 討論

土壤水分受土壤質(zhì)地、地形因子、植被耗水、降雨入滲、土壤蒸散、干濕季節(jié)交替和人類活動(dòng)等因素的影響，因此具有高度的異質(zhì)性[18]。砒砂巖區(qū)位于半干旱區(qū)，年均蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于年均降雨量。采樣過程中發(fā)現(xiàn)，隨著深度的增加，砒砂巖開始出現(xiàn)，未風(fēng)化的砒砂巖比較致密，具有較強(qiáng)的持水能力[19]。土壤質(zhì)地、蒸發(fā)以及植被蒸騰的共同作用導(dǎo)致淺層土壤含水量低于深層(表1)[20]。淺層土壤含水量的變異系數(shù)比深層土壤大，這是因?yàn)樵诓蓸悠陂g存在降雨。此外，土壤的蒸發(fā)以及植物的蒸騰作用都會(huì)對(duì)淺層土壤含水量產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生較大的變異[9]。坡面大量存在的魚鱗坑也會(huì)增加淺層土壤含水量的變異性[11]。Penna等[21]研究意大利阿爾比斯山坡面表層土壤水分時(shí)空異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)土壤含水量與土壤水分變異性呈反比，這與本研究結(jié)果一致。對(duì)不同坡位土壤含水量的分析得出，0～40 cm土層坡中和坡下的土壤含水量大于坡上(P<0.05)(圖2)，表明土壤含水量受坡位影響。徐學(xué)選等[22]以及安彬[11]研究發(fā)現(xiàn)，坡位是影響地塊尺度和坡面尺度土壤含水量空間分布的主要因子。下坡位更易于獲取水分的補(bǔ)充，但是由于下坡位植被生長(zhǎng)茂密，消耗水分更多，使得坡上和坡下土壤含水量沒有明顯差別，這也說明土壤水分受多個(gè)因素的共同影響。

5 結(jié)論

1)砒砂巖區(qū)典型坡面土壤水分的變異特征具有深度依賴性。各層土壤水分均為中等程度變異，隨著土層深度的增加，土壤含水量逐漸升高，而變異系數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2)砒砂巖區(qū)典型坡面不同深度土壤水分的差異與坡位有關(guān)。淺層(0～40 cm)土壤水分坡中和坡下高于坡上，坡中和坡下更有利于植被恢復(fù)。

3)0～200 cm各土層土壤含水量的變程介于15.60～91.07 m之間，可以為該區(qū)后續(xù)土壤水分空間分布特征研究的樣點(diǎn)布設(shè)提供參考依據(jù)。