黃土高塬溝壑區(qū)小流域雨季末期土壤水資源狀況及其空間分異

黨興東,程立平,劉文兆,3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;2.平頂山學(xué)院, 河南 平頂山 467000;3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

在干旱缺水、雨熱同期的黃土高原地區(qū)，“土壤水庫(kù)”的調(diào)蓄功能在緩解降水不均引起的旱情方面具有重要作用[1]，雨季“土壤水庫(kù)”內(nèi)儲(chǔ)水量顯著增加[2]，到翌年旱季被植被消耗利用，成為冬小麥(TriticumaestivumL.)等夏糧作物及其他植物生長(zhǎng)的重要水分來(lái)源[3-4]。土壤水資源量及其有效性直接影響到植物的生長(zhǎng)狀況[5]和作物產(chǎn)量[6-9]，另一方面植被類(lèi)型對(duì)土壤水分狀況亦具有顯著影響，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)[10-11]、刺槐林(RobiniapseudoacaciaL.)[12]、蘋(píng)果(MaluspumilaMill.)等[13]高耗水人工林草的種植，使得土壤剖面發(fā)生不同程度[14]的干化[15]。在地形起伏多變的黃土高原，立地土壤水分狀況受多種因素影響，氣候因素之外，植被條件和地形的影響占據(jù)主要位置[2,16]。

深入了解雨季到旱季轉(zhuǎn)換過(guò)程中土壤水分狀況，發(fā)揮土壤水庫(kù)的調(diào)蓄功能，在學(xué)術(shù)研究與生產(chǎn)實(shí)踐上都有重要意義。本研究在王東溝小流域內(nèi)，根據(jù)地形和利用方式的不同組合選取樣地，試圖分析雨季末期不同利用方式和地形的土壤水資源狀況及分異特征，以期為小流域土地利用布局的合理構(gòu)建和水土資源的高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

王東溝小流域(35°12′N(xiāo)，107°40′E)位于陜西省長(zhǎng)武縣以西12 km的秦隴交界處，總面積6.3 km2，地貌分為塬面和溝壑兩大單元，分別占土地總面積的35%,65%。塬面平均海拔高度為1 215～1 226 m，以0°40′向東南傾斜。溝口最低點(diǎn)海拔946 m，地勢(shì)相對(duì)高差280 m。土壤以黑壚土和黃墡土為主[16]，田間持水率和凋萎濕度分別為(21.39±0.13)%,(8.06±0.45)%[17]。氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量578.5 mm，多集中在7—9月且年變率大(圖1)。地下水埋深在60 m以下，對(duì)土壤墑情基本沒(méi)有影響[16]。流域內(nèi)北部塬面的土地利用方式主要有耕地、園地和建設(shè)用地，南部溝道以林草地為主，且近年來(lái)隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，林地、園地和建設(shè)用地面積呈增加趨勢(shì)，耕地面積減少，其中園地面積變化的動(dòng)態(tài)度最大[18-19]。

圖1 長(zhǎng)武縣逐月降水量分布

2019年長(zhǎng)武縣年降水量達(dá)649.5 mm，是多年平均降水量的112%，參照一般的降水年型劃分標(biāo)準(zhǔn)[20]認(rèn)定為豐水年，其中6月和10月降水量大幅增加，為同期多年平均降水量的243%,212%，7—9月累計(jì)降水量與同期多年平均降水量接近。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年雨季末期，11月上旬在王東溝小流域內(nèi)，分別選取不同地形地貌下(塬面、梁頂和坡地)的蘋(píng)果園(樹(shù)齡分別為5，8，12，15，26 a和廢棄蘋(píng)果園)、農(nóng)田(2017—2019年都種植冬小麥)、刺槐林地和荒草地{主要有狗尾巴草[Setariaviridis(L.)Beauv.]、茵陳蒿(ArtemisiacapillarisThunb.)、白羊草[Bothriochloaischaemum(L.)Keng]、鐵桿蒿(ArtemisiasacrorumLedeb.)、賴(lài)草[Leymussecalinus(Georgi)Tzvel.]}(表1)，其中坡地的蘋(píng)果園和農(nóng)田均已修成梯田。用土鉆法取0—6 m土層的土壤樣品，其中0—1 m每10 cm取一次樣，1—6 m每20 cm取一次樣，取回室內(nèi)后用烘干法(105℃，12 h)及時(shí)測(cè)定土壤水分含量。

表1 試驗(yàn)采樣點(diǎn)基本信息

1.3 數(shù)據(jù)處理

(1)儲(chǔ)水量計(jì)算。

(1)

式中:W為土壤儲(chǔ)水量(mm);θi為第i層土壤質(zhì)量含水率(g/g);hi為第i土層厚度(cm),本文中,在0—1 m土層深度取10 cm;在1—6 m土層深度取20 cm;ρi為第i土層的土壤容重,本文統(tǒng)一取1.3 g/cm3[17];n為土層數(shù)。

(2)降水量等氣象資料從陜西長(zhǎng)武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(http:∥cwa.cern.ac.cn/)獲取。

(3)用Excel 2010處理數(shù)據(jù)并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用方式對(duì)土壤水資源狀況的影響

2.1.1 塬面 塬面農(nóng)田、26 a蘋(píng)果園、刺槐林地0—6 m平均濕度分別為19.9%，17.8%，17.1%，可見(jiàn)農(nóng)田水分狀況優(yōu)于26 a蘋(píng)果園、26 a蘋(píng)果園優(yōu)于刺槐林地，但是不同深度范圍內(nèi)土壤濕度變化并不一致。由圖2A可知，雨季末，塬面0—1.4 m土層內(nèi)農(nóng)田、26 a蘋(píng)果園、刺槐林地的土壤含水量均到田間持水量水平，分別為21.8%，22.0%，21.9%，儲(chǔ)水量則分別為398，401，398 mm，方差分析表明無(wú)顯著差異。1.4 m以下土層不同利用方式之間土壤水分出現(xiàn)明顯差異，其中1.4—3.6 m深度范圍內(nèi)表現(xiàn)為26 a蘋(píng)果園>農(nóng)田>刺槐林地，平均含水量分別為19.9%，18.7%，14.6%，該層土壤水分狀況在蘋(píng)果園表現(xiàn)最好。3.6 m以下土層土壤水分表現(xiàn)為農(nóng)田>刺槐林地>26 a蘋(píng)果園，平均含水量分別19.9%，17.0%，13.8%，這表現(xiàn)出植被類(lèi)型對(duì)深層土壤水分狀況的影響，農(nóng)田因作物根系深度較淺對(duì)深層土壤水分幾乎沒(méi)有影響，水分狀況最好。

由圖2B可以看出，不同林齡蘋(píng)果園的土壤濕度隨著深度的增加差異性逐漸增大。經(jīng)過(guò)雨季降水補(bǔ)給，5，8，12，15，26 a的蘋(píng)果園在0—2.6 m的平均含水量均保持在田間持水量水平，無(wú)顯著差異，分別為21.6%，21.5%，21.6%，22.0%，21.3%，儲(chǔ)水量均在730 mm左右。2.6—6 m不同林齡的蘋(píng)果園的平均含水量分別為22.9%，20.9%，20.6%，19.8%，15.3%，呈現(xiàn)出隨著林齡增加而減少的趨勢(shì)，表明其對(duì)深層土壤水分狀況的影響隨林齡增加而增大。

圖2 塬面不同利用方式和不同林齡蘋(píng)果園土壤水分剖面

2.1.2 梁頂 梁頂荒草地、農(nóng)田、26 a蘋(píng)果園、刺槐林地0—6 m土層平均含水量分別為20.6%，19.9%，15.1%，12.3%，荒草地土壤平均濕度均接近田間持水量，土壤水資源總體表現(xiàn)出荒草地>農(nóng)田>26 a蘋(píng)果園>刺槐林地的規(guī)律。由圖3可知，在0—0.8 m土層內(nèi)荒草地、農(nóng)田、26 a蘋(píng)果園、刺槐林地的平均土壤濕度均達(dá)到田間持水量且無(wú)顯著差異，分別為21.8%，20.8%，21.2%，20.9%，儲(chǔ)水量分別為226，217，220，218 mm。0.8 m以下土層不同利用方式之間土壤水分出現(xiàn)明顯差異，其中0.8—3.4 m深度范圍內(nèi)表現(xiàn)為荒草地>農(nóng)田>26 a蘋(píng)果園>刺槐林地的規(guī)律，平均濕度分別為22.3%，19.4%，14.7%，10.2%，其中荒草地平均土壤含水量達(dá)到田間持水量水平，而刺槐林地土壤濕度在1.6 m處最小，其值為8.1%。3.4 m以下土層表現(xiàn)為農(nóng)田>荒草地>26 a蘋(píng)果園>刺槐林地的特征，平均土壤濕度分別為20.0%，18.5%，13.7%，11.6%，各利用方式的土壤水分差異隨深度增加呈減小趨勢(shì)。

圖3 梁頂不同利用方式的土壤水分剖面

2.1.3 上坡位 上坡位荒草地、農(nóng)田、26 a蘋(píng)果園、刺槐林地0—6 m土層平均含水量分別為20.9%，21.3%，14.0%，12.6%，荒草地和農(nóng)田的平均土壤濕度均達(dá)到田間持水量，土壤水資源總體表現(xiàn)出農(nóng)田(梯田)>荒草地>26 a蘋(píng)果園>刺槐林地的規(guī)律，與梁頂一致。由圖4可以看出，0—0.8 m土層范圍內(nèi)荒草地、農(nóng)田、26 a蘋(píng)果園、刺槐林地的平均土壤濕度分別為23.1%，20.3%，20.7%，20.2%，均接近或超過(guò)田間持水量，儲(chǔ)水量分別為240，212，215，210 mm。0.8—3 m土層表現(xiàn)為農(nóng)田(梯田)>荒草地>26 a蘋(píng)果園>刺槐林地的規(guī)律，其平均含水量分別為22.1%，21.7%，15.9%，11.2%，該層荒草地和農(nóng)田的平均土壤濕度均達(dá)到田間持水量水平，刺槐林地和蘋(píng)果園的土壤含水量急劇減少，土地利用方式是影響該層土壤水分的主要因素。3—6 m土層不同利用方式的土壤水資源表現(xiàn)為農(nóng)田>荒草地>刺槐林地>26 a蘋(píng)果園的特征，其平均含水量分別為21.0%，19.8%，11.5%，10.8%，該層刺槐林地的土壤濕度有所增加，在3 m深度處反超蘋(píng)果園，表現(xiàn)出蘋(píng)果園3—6 m深度范圍內(nèi)發(fā)達(dá)的根系對(duì)水分的吸收消耗，使土壤水分含量保持在較低水平。

圖4 上坡位不同利用方式的土壤水分剖面

2.1.4 下坡位 由圖5看出，下坡位農(nóng)田在測(cè)定深度內(nèi)的水分含量剖面變化不大，且其平均土壤濕度達(dá)到田間持水量水平，而蘋(píng)果園、刺槐林地上下層的水分含量變化劇烈，3種利用類(lèi)型0—6 m土層的平均土壤濕度依次分別為22.2%，16.7%，13.3%，表現(xiàn)為農(nóng)田>蘋(píng)果園>刺槐林地的特征。0—0.6 m范圍內(nèi)農(nóng)田、蘋(píng)果園、刺槐林地的平均土壤含水量分別為21.4%，23.3%，21.0%，該層各利用方式的土壤濕度較高。0.6—2.6 m土層蘋(píng)果園、刺槐林地的土壤水分隨深度增加急劇減小，農(nóng)田則無(wú)顯著變化。2.6—6 m范圍內(nèi)農(nóng)田、蘋(píng)果園、刺槐林地的平均土壤含水量分別為21.7%，14.0%，11.9%，各利用方式土壤濕度較上層有明顯減小。刺槐林地從0.8 m以下深度的含水量即急劇減少到較低水平，至6 m均無(wú)大幅變化。

圖5 下坡位不同利用方式的土壤水分剖面

2.2 地形對(duì)土壤水資源狀況的影響

地形是土壤水分狀況的重要影響因素之一，不同地形條件下同一土地利用方式土壤水分剖面分布具有一定的相似性，但土壤水分含量具有明顯差異(圖6)。農(nóng)田0—6 m通層含水量都較高，平均土壤濕度表現(xiàn)出下坡位>上坡位>塬面>梁頂?shù)囊?guī)律(圖6A)，塬面和梁頂因有較好的管理措施，農(nóng)作物產(chǎn)量較高導(dǎo)致水分消耗較多，加之梁頂有地表徑流損失，因而土壤水分含量較低。

不同地形下蘋(píng)果園和刺槐林地的土壤水分在0—6 m深度范圍內(nèi)均隨深度增加而減小(圖6B—C)，其原因在于蘋(píng)果和刺槐均為深根喬木，雖然在雨季末淺層土壤水分得到一定程度的恢復(fù)，但深層土壤依然處于干燥化狀態(tài)。蘋(píng)果園0—6 m土層平均濕度表現(xiàn)出塬面>下坡位>梁頂>上坡位的規(guī)律，刺槐林地則表現(xiàn)為塬面>下坡位>上坡位>梁頂。塬面地形平坦，土層深厚，降水可全部入滲補(bǔ)充土壤水，而坡地和梁頂有徑流產(chǎn)生，損失部分降水量，因此塬面蘋(píng)果園和刺槐林地土壤水分狀況較好。

圖6 不同地形的農(nóng)田、26 a蘋(píng)果園和刺槐林地土壤水分剖面

3 討 論

土壤水分狀況受降水、地形、植被類(lèi)型等多重因素的影響，處于動(dòng)態(tài)變化之中。經(jīng)過(guò)雨季降水的補(bǔ)給，小流域內(nèi)土壤水資源均有所增加。不同土地利用方式下，塬面、梁頂、上坡位、下坡位土壤濕度增加至田間持水量的深度最淺的均是刺槐林地，其深度分別為1.4，0.8，0.8，0.6 m；最深的分別為5 a蘋(píng)果園、農(nóng)田、荒草地、農(nóng)田，其深度依次為6，3，2.2，3.8 m，可見(jiàn)雨季末期塬面土壤水分的恢復(fù)程度最好，梁頂、上坡位次之，下坡位土壤含水量的恢復(fù)程度最低[21]，主要原因在于不同地形對(duì)于降水?dāng)r蓄程度不同，塬面地形平坦土層深厚，雨季降水能夠全部就地入滲，梁頂坡地易產(chǎn)生徑流損失[22]，這也是蘋(píng)果園在0—6 m土層的儲(chǔ)水量呈現(xiàn)出塬面>梁頂>上坡位的原因(表2)。

表2 雨季末小流域0-6 m土層的土壤儲(chǔ)水量 mm

植被類(lèi)型對(duì)土壤水分的影響，更多地通過(guò)植物根系深度分布以及吸水能力的差別上反映出來(lái)。比如荒草主要影響1 m以?xún)?nèi)深度范圍的土壤水分[20]，小麥根系可達(dá)3 m，影響到0—3 m左右深度的土壤水分[23]，而蘋(píng)果園的土壤水分波動(dòng)深度可達(dá)10 m以下[24]。表2可知，同一地形下不同利用方式的土壤水資源總體表現(xiàn)為荒草地>農(nóng)田>26 a蘋(píng)果園>刺槐林地的特征。蘋(píng)果園深層土壤水分隨著蘋(píng)果林齡的增加逐年減少[25]，但是經(jīng)過(guò)雨季降水補(bǔ)給，雨季末期不同林齡蘋(píng)果園在一定深度范圍內(nèi)土壤水分并無(wú)差異，這與雨季降水量的多少相關(guān)[26-27]。

4 結(jié) 論

(1)小流域內(nèi)的土壤水資源狀況，在氣候因素之外，主要受地形與土地利用方式共同影響。塬面不同林齡蘋(píng)果園的土壤濕度在2.6 m以下深度出現(xiàn)明顯差異，且對(duì)深層土壤水分狀況的影響隨林齡增加而增大，梁頂和上、下坡位的26 a蘋(píng)果園在0—0.8 m的土壤含水量均較高，而0.8 m以下呈遞減趨勢(shì)；梁頂和上、下坡位刺槐林地的土壤水分含量在1.5 m左右深度達(dá)到最低值，0—6 m平均土壤濕度分別為12.3%，12.6%，13.3%；塬面農(nóng)田在1.4—2.6 m深度的土壤含水量處于較低水平，0—6 m的平均土壤含水量為19.9%，梁頂和坡地農(nóng)田的土壤含水率在測(cè)定深度內(nèi)無(wú)明顯差異。

(2)相同地形下不同土地利用方式土壤濕度的差別，塬面表現(xiàn)出農(nóng)田>26 a蘋(píng)果園>刺槐林地的特征，梁頂和上坡位表現(xiàn)為荒草地>農(nóng)田>26 a蘋(píng)果園>刺槐林地，下坡位表現(xiàn)為農(nóng)田>26 a蘋(píng)果園>刺槐林地；而在利用方式相同時(shí)，地形對(duì)土壤含水量的影響，蘋(píng)果園表現(xiàn)為塬面>下坡位>梁頂>上坡位的特征，刺槐林地表現(xiàn)為塬面>下坡位>上坡位>梁頂，農(nóng)田則表現(xiàn)為下坡位>上坡位>塬面>梁頂。