寧南黃土丘陵區(qū)中莊小流域土壤水分空間變異及影響因子

韓新生， 于藝鵬， 蔡進(jìn)軍， 李振華， 許 浩， 李維倩，郭永忠， 萬(wàn)海霞， 王月玲， 董立國(guó)， 劉廣全

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京； 2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)與草地生態(tài)研究所 寧夏防沙治沙與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏生態(tài)修復(fù)與多功能林業(yè)綜合研究中心，750002，銀川； 3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100091，北京； 4.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，750002，銀川；5.新鄉(xiāng)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，453003，河南新鄉(xiāng))

土壤水分是生態(tài)水文過(guò)程和物質(zhì)能量循環(huán)的重要組分[1]，也是限制干旱區(qū)生態(tài)修復(fù)與植被建設(shè)的關(guān)鍵因子之一。受氣候、地形、土壤、植被及人類活動(dòng)等因素的干擾，土壤水分的空間變異非常劇烈[2]，進(jìn)而導(dǎo)致“土壤—植被—大氣連續(xù)體”中水分估算極為復(fù)雜[3]，影響水資源的合理分配及農(nóng)林草業(yè)的科學(xué)發(fā)展[4]。準(zhǔn)確量化土壤水分空間變異并確定其主要影響因子，可為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及農(nóng)林草業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

近年來(lái)，在氣候變化和人類活動(dòng)頻繁影響下，土壤水熱過(guò)程及下墊面均發(fā)生重大變化，尤其是在干旱半干旱區(qū)，其水分變化的空間異質(zhì)性及水資源的合理利用受到廣泛關(guān)注。對(duì)水資源的綜合管理與統(tǒng)籌規(guī)劃通常以流域?yàn)閱卧?，探討流域尺度土壤水分?duì)促進(jìn)區(qū)域水文、生態(tài)、氣候、農(nóng)業(yè)等方面的研究具有重要作用。張璐等[5]在半干旱的錫林河流域分析顯示，土壤水分的變異性隨土層加深逐漸減弱，影響的關(guān)鍵因子為海拔和植被高度；楊志輝等[6]利用遙感估算的方法發(fā)現(xiàn)，石羊河流域土壤水分具有明顯的空間自相關(guān)性，各影響因子解釋能力的大小表現(xiàn)為植被覆蓋度>土壤類型>高程>土地利用；邱揚(yáng)等[7]在陜西安塞縣大南溝流域布設(shè)26個(gè)樣點(diǎn)研究得出，影響土壤水分的主要因子為土地利用和地形；但采用實(shí)地多點(diǎn)取樣綜合分析坡度、坡向、坡位等非生物因子及植被蓋度、種類、土地利用等生物因子對(duì)土壤水分空間變異影響的報(bào)道相對(duì)較少。筆者以寧南黃土丘陵區(qū)中莊小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用經(jīng)典方法揭示小流域不同層次土壤水分的空間變異特征，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析植被特征及立地環(huán)境對(duì)各土層水分狀況的作用，為研究區(qū)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整、提升水土保持功能及實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

中莊小流域位于寧夏南部固原市彭陽(yáng)縣城東北13 km。地貌類型為黃土梁峁丘陵地，海拔大多處于1 400～1 800 m之間。氣候類型屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫7.6 ℃，無(wú)霜期140～160 d；年均降水量420～500 mm，主要集中于7—9月，年均潛在蒸發(fā)量1 360 mm。土壤類型以黃綿土為主，土厚較深>10 m。

寧南黃土丘陵區(qū)是水土流失嚴(yán)重、生態(tài)極為脆弱的地區(qū)，為減少土壤侵蝕和改善區(qū)域環(huán)境，2000年前后實(shí)施“植樹造林”“退耕還林還草”等生態(tài)修復(fù)工程，形成“上退下推”的景觀格局?，F(xiàn)有人工林以山杏(Armeniacasibirica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)等樹種為主，零星或局部分布有紅梅杏(Armeniacavulgaris)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等，在壩底分布有小葉楊(Populussimonii)、旱柳(Salixmatsudana)等天然次生林；草本植被主要分布有長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、百里香(Thymusmongolicus)、早熟禾(Poaannua)等；種植的農(nóng)作物以冬小麥(Triticumaestivum)和玉米(Zeamays)為主，還零星或條帶狀種植有谷子(Setariaitalica)、胡麻(Sesamumindicum)、糜子(Panicummiliaceum)、苜蓿(Medicagosativa)、蕎麥(Fagopyrumesculentum)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等。

2 材料與方法

2.1 立地和土地利用類型劃分

按坡度、坡向、坡位差異，對(duì)小流域立地類型進(jìn)行劃分：研究區(qū)坡度超過(guò)35°的立地較少，因此，將坡度劃分為平坡(0～5°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(>26°)4種類型；坡向以正北方為0°，沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛲瑫r(shí)增加，正東坡和正西坡均為90°，正南坡180°為最大坡向數(shù)值(圖1)；坡位按離坡頂水平距離進(jìn)行劃分，整個(gè)坡面的上1/3為上坡位，中1/3為中坡位，下1/3為下坡位。

圖1 坡向的劃分Fig.1 Division of slope direction

依據(jù)中莊小流域的自然環(huán)境、實(shí)施的生態(tài)修復(fù)措施、人類活動(dòng)的影響等，土地利用大致劃分為川道地、次生林、荒地、人工林、梯田5大類。

2.2 小流域土壤水分特征調(diào)查

圖2 樣點(diǎn)示意圖Fig.2 Sample point diagram

通常來(lái)說(shuō)，同一時(shí)段內(nèi)，植被與立地是影響土壤水分空間變化的主要因子。于2020年9月19—29日，首先，按坡向和坡位等立地環(huán)境，選擇代表小范圍內(nèi)植被特征的位置布設(shè)樣點(diǎn)，保證每個(gè)樣點(diǎn)距離邊界在10 m外；其次，依據(jù)研究區(qū)植被種類選擇觀測(cè)點(diǎn)位，確保每2個(gè)樣點(diǎn)間的距離超過(guò)100 m，共設(shè)置141個(gè)臨時(shí)樣點(diǎn)(圖2)，基本覆蓋中莊小流域中部的所有立地及植被特征。采用土鉆法測(cè)定各點(diǎn)位的土壤水分，測(cè)量深度為200 cm，每20 cm一層，將各點(diǎn)位的土樣采集后帶回實(shí)驗(yàn)室，利用烘干法測(cè)得土壤含水量。次生林、川道地、梯田、荒地、人工林5種土地利用的樣點(diǎn)數(shù)分別為5、14、40、16、66；糜子、玉米、谷子、蕎麥、馬鈴薯、小麥、胡麻、苜蓿、紅梅杏、山杏、山桃、刺槐、混交林、檸條、沙棘15種植被類型的樣點(diǎn)數(shù)依次為3、20、3、3、6、5、3、6、7、7、5、4、37、3、3；平坡、陡坡、緩坡、斜坡、陰坡、半陰坡、半陽(yáng)坡、陽(yáng)坡、下坡、中坡、上坡各立地條件的樣點(diǎn)數(shù)分別為84、14、19、24、27、38、52、24、36、62、43。取樣時(shí)收集每個(gè)樣點(diǎn)的表層土壤，采用MS 3000型激光粒度儀測(cè)定土壤顆粒組成，采用美國(guó)制進(jìn)行土壤顆粒分級(jí)，小流域黏粒、粉粒、砂粒所占比例的范圍分別為2.82%～8.80%、43.22%～78.81%、15.82%～53.96%。為便于分析，依據(jù)相同地區(qū)以往的研究結(jié)果[8]，將200 cm土層劃分為0～20 cm(速變層)、20～80 cm(活躍層)和80～200 cm(相對(duì)穩(wěn)定層)3個(gè)層次。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0比較均值中ANOVA單因素方差分析，比較各植被類型及土地利用土壤水分的差異顯著性(P<0.05)。將土壤水分含量作為響應(yīng)變量，土地利用方式、植被種類、蓋度、坡度、坡向、坡位、海拔作為解釋變量，通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)分析的方法，采用主成分分析對(duì)解釋變量進(jìn)行降維分析。數(shù)據(jù)整理和作圖分別使用Excel 16.0和Origin 9.0軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 小流域土壤水分變化

如圖3所示，隨土壤厚度增加，土壤水分呈逐漸降低的變化，當(dāng)土層深度超過(guò)140 cm時(shí)，基本趨于穩(wěn)定；從變異程度上看，0～100 cm土層的土壤水分變異略小于100～200 cm土層。

圖3 小流域土壤水分變化特征Fig.3 Variation characteristics of soil moisture in small watershed

主成分分析(表1)表明，3個(gè)土壤水分影響因子主成分累計(jì)解釋率達(dá)65.05%，具有較強(qiáng)的信息代表性。第一主成分中，坡位和海拔包含最大的信息，代表29.21%的影響因子解釋率；第二主成分中，蓋度包含最大的信息，代表19.27%的影響因子解釋率；第三主成分中，土地利用包含最大的信息，代表16.57%的影響因子解釋率。

3.2 土地利用及植被蓋度對(duì)土壤水分的影響

由圖4可見，隨土層加深，次生林土壤水分大致呈先降—后升—再降的“S”型變化，其他土地利用與中莊小流域的變化相似。水分條件在各土地利用的大小順序?yàn)榇紊?川道地>梯田>荒地>人工林。方差分析顯示，在0～20 cm土壤水分中，次生林顯著高于其他土地利用；在20～80 cm土層，次生林也顯著高于其余4種方式，川道地顯著高于剩余的3種土地利用；80～200與20～80 cm土層的差異顯著性特征大致類似，不同的是人工林顯著低于其他4種方式。

表1 土壤水分影響因子的主成分分析Tab.1 Principal component analysis of soil moistureinfluencing factors

圖4 不同土地利用方式的水分變化特征Fig.4 Variation characteristics of soil moisture in different land use patterns

隨土深增加(圖5)，作物大致呈緩慢減少的趨勢(shì)，林木基本呈先較快降低后趨于穩(wěn)定的變化。作物的水分條件整體高于人工林；作物種類土壤水分的大小順序依次為糜子>玉米>谷子>蕎麥>馬鈴薯>小麥>胡麻>苜蓿；人工林土壤水分的大小順序?yàn)榧t梅杏>山杏>山桃>刺槐>混交林>檸條>沙棘。

圖5 作物與人工林的土壤水分變化特征Fig.5 Variation characteristics of soil moisture in crops and plantations

在各作物的0～20 cm土壤水分中，糜子、玉米和蕎麥顯著高于小麥；在20～80 cm土層，糜子、玉米和谷子顯著高于苜蓿，玉米和谷子顯著高于馬鈴薯，玉米顯著高于小麥和胡麻；在80～200 cm土層，苜蓿顯著低于其他作物，糜子顯著高于胡麻。在各林木的0～20 cm土壤水分中，各林木種類間差異不顯著；在20～80 cm土層，紅梅杏和山杏顯著高于山桃、刺槐、混交林、沙棘；在80～200 cm土層，紅梅杏顯著高于其他林木，沙棘顯著低于山杏、山桃、刺槐、混交林，山桃顯著高于混交林。

如圖6所示，蓋度對(duì)各土層水分的影響較為微弱(R2均較低)；隨蓋度增加，0～60 cm土層水分呈升高的趨勢(shì)，60～200 cm呈降低的變化。

圖6 不同植被蓋度的土壤水分變化特征Fig.6 Variation characteristics of soil moisture with different vegetation coverage

3.3 立地因子對(duì)土壤水分的影響

如圖7所示，水分差異表現(xiàn)為平坡>陡坡>緩坡>斜坡；在0～20 cm土層，平坡顯著高于斜坡；在20～80 cm土層，平坡顯著高于緩坡和斜坡；80～200 cm土層，平坡顯著高于緩坡、斜坡和陡坡；在3個(gè)層次中，各坡度最大極差分別為2.52%、3.01%和4.51%。從各坡向上看，水分大小順序?yàn)殛?半陰>半陽(yáng)>陽(yáng)；在3個(gè)層次中，陰坡均顯著高于其他坡向，各坡向最大極差分別為3.28%、3.12%和4.05%。從3個(gè)坡位出發(fā)，水分高低依次為下、中、上，在3個(gè)層次中，下坡位顯著高于其他坡位，各坡位最大極差分別為3.53%、4.83%和5.78%。

圖7 不同立地因子的土壤水分變化特征Fig.7 Variation characteristics of soil moistures under different site factors

4 結(jié)論與討論

4.1 不同土層深度的土壤水分變異

隨土層加深，水分呈先降低后穩(wěn)定的變化，主要因取樣時(shí)間在生長(zhǎng)季后期，溫度低，土壤蒸發(fā)和植被蒸騰均較小，聚集在淺層的土壤水分相對(duì)較多，而馬婧怡等[9]在相似區(qū)域6—11月研究表明，土壤水分隨土深增加呈先增大后減小的變化，結(jié)論分歧與研究時(shí)段不同有關(guān)；史君怡等[10]在草原區(qū)域調(diào)查結(jié)果與筆者研究相似，主要因表層土壤腐殖質(zhì)增強(qiáng)蓄水能力，在森林區(qū)域則表現(xiàn)出相反的變化，推測(cè)因氣候和土壤的差異造成的；程諒等[11]在旱季發(fā)現(xiàn)與筆者研究相反的規(guī)律，主要是由地表覆蓋度較低和太陽(yáng)輻射較強(qiáng)引起的。小流域土壤水分變異性表現(xiàn)為0～100 cm土層小于100～200 cm：氣候和地形是影響淺層土壤水分的主要因子，植被類型是深層土壤水分變化的主控因子。MEI等[12]在黃土區(qū)發(fā)現(xiàn)淺層土壤蓄水量的主要作用因子為地形，深層為植被；有研究者分析表明，隨土層加深，土壤水分主要與植被利用類型有關(guān)[9]；也有學(xué)者認(rèn)為苜蓿草地撂荒過(guò)程中，100 cm以下土壤水分主要受植被類型的影響[13]，上述分析與筆者研究結(jié)果相似。坡位、蓋度和土地利用分別包含解釋土壤水分空間異質(zhì)性29.21%、19.27%、16.57%的信息，主要因坡位造成潛在蒸散發(fā)、風(fēng)速、土壤水分入滲及運(yùn)移等差異，蓋度和土地利用對(duì)各蒸散組分、地形因素、種植結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響，張璐等[5]在半干旱草原型流域發(fā)現(xiàn)海拔、植被高度和坡度能解釋土壤水分變異68.50%的信息，而有研究顯示土地利用是影響坡面土壤水分變異的主控因素，其次為坡度[3]，各研究區(qū)的地形特征及植被結(jié)構(gòu)導(dǎo)致土壤水分的主導(dǎo)因子存在差異。

4.2 不同土地利用的土壤水分變異

不同土地利用土壤水分的差異表現(xiàn)為次生林>川道地>梯田>荒地>人工林。其中，次生林明顯高于其他類型，因次生林生長(zhǎng)在壩底，積水面積大，且溫度、太陽(yáng)輻射較低。川道地位于相對(duì)海拔較低的區(qū)域，受地形、微氣象等因子的綜合作用，高于其他3種類型。梯田改變?cè)械奈⒌匦?，減緩坡度，田面相對(duì)平整，避免發(fā)生地表徑流，且增加土壤入滲、加大集雨面積、改善土壤蓄水狀況[14]，因此，土壤水分高于荒地和人工林地。人工林分布在坡上或坡中位置，且林木蒸騰耗水較高，導(dǎo)致不同層次土壤水分均較低，特別是80～200 cm土層，土壤水分顯著低于其他4種類型；楊文治等[15]在黃土丘陵區(qū)人工林研究中，依據(jù)林木根系對(duì)土壤水分吸收利用的程度將0～350 cm土壤層劃為4個(gè)層次，分別為微弱利用層(0～20 cm)、利用層(20～200 cm)、調(diào)節(jié)層(200～300 cm)和微弱調(diào)節(jié)層(300～350 cm)，林木根系吸收土壤水分利用層與80～200 cm土層重疊度較高；有學(xué)者將黃土高原土壤干層劃分為強(qiáng)烈干燥化土層(土壤含水量<5%)、中等干燥化土層(5%～8%)、弱干燥化土層(8%～10%)3個(gè)層次[16]，而研究區(qū)人工林120 cm以下土層的土壤含水量為11.0%～11.8%，與弱干燥化土層極為接近。因此，進(jìn)行植被規(guī)劃時(shí)，保證主要目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的前提下，應(yīng)最大限度優(yōu)化人工林結(jié)構(gòu)特征(如優(yōu)選樹種、合理配置、降低密度等)，減少土壤干燥化的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 不同植被特征的土壤水分變異

林地土壤水分狀況低于農(nóng)地，在黃土高原其他區(qū)域也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象[3]。沙棘和刺槐在20～80 cm土壤水分低于其他人工林，沙棘和檸條在80～200 cm土壤水分也低于其他人工林，與沙棘的覆蓋度高和密度大緊密相關(guān)，刺槐與檸條和林木的耗水特性等有關(guān)。在黃土丘陵區(qū)，檸條林土壤蓄水狀況最差[9,17]，特別是在較深的土層中；沙棘和刺槐土壤水分低于其他土地利用[18]；這些結(jié)論均證實(shí)沙棘、檸條、刺槐土壤水分較低。檸條和沙棘林120 cm以下土層的土壤含水量分別為9.1%～10.3%和8.8%～9.4%，屬弱干燥化土層的范圍。紅梅杏各土層水分含量均高于其他林木，與其種植在梯田、且坡位相對(duì)較低緊密相關(guān)。苜蓿土壤水分在80～200 cm土層顯著低于其他農(nóng)地，且140 cm土層以下的土壤含水量為8.3%～9.9%，也屬弱干燥化土層范圍，與苜蓿為多年生草本植被及根系較深等有關(guān)。白曉等[19]利用校驗(yàn)Hydrus-1D模型，模擬黃土高原北部0～400 cm土壤水分變化過(guò)程，當(dāng)苜蓿地轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊徊莸睾?，蒸散發(fā)下降31%，土壤水分以每年45 mm的速率補(bǔ)給，之后處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；繆凌等[20]在黃土丘陵區(qū)定位監(jiān)測(cè)4種植被0～900 cm土壤水分得出，苜蓿地的水分虧缺最為嚴(yán)重；上述報(bào)道顯示苜蓿的耗水量高于其他作物。在20～80 cm土層水分含量中，玉米顯著高于小麥、胡麻、馬鈴薯、苜蓿，谷子顯著高于馬鈴薯和苜蓿，糜子顯著高于苜蓿，主要因玉米和谷子種植時(shí)均鋪設(shè)地膜，糜子較高可能與生物學(xué)特性有關(guān)。沙棘、檸條、刺槐(苜蓿)土壤水分低于林地(農(nóng)地)，在小流域植被結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)，減少以上植被的面積，增加林農(nóng)復(fù)合種植的面積。植被蓋度與0～20 cm土層水分條件的相關(guān)性最強(qiáng)，陸豐帥等[21]在祁連山發(fā)現(xiàn)群落蓋度對(duì)表層土壤水分的響應(yīng)敏感，與筆者研究結(jié)果相似。蓋度對(duì)0～60 cm土壤水分起促進(jìn)作用，對(duì)60～200 cm起抑制作用，可能與植被覆蓋增加降低地表蒸散發(fā)的作用[5-6]有關(guān)，而隨植被蓋度逐漸增加，對(duì)深層土壤水分的需求逐漸升高，導(dǎo)致60～200 cm土壤水分與植被蓋度呈負(fù)相關(guān)；在植被調(diào)整時(shí)，不應(yīng)片面追求覆蓋度，應(yīng)注重優(yōu)化植被結(jié)構(gòu)(如喬灌草合理搭配等)，充分發(fā)揮其多種功能。

4.4 不同立地環(huán)境的土壤水分變異

平坡的土壤水分變異均高于其他坡度；隨坡度增加，土壤水分大致表現(xiàn)為先降低后平穩(wěn)的變化，坡度對(duì)降雨的入滲速率及深度、地表徑流、壤中流等影響較大[22]，坡度較大時(shí)易引起水分(徑流)順坡而下，滲入到土壤中的水分減小，導(dǎo)致水分含量下降[3,5]，有關(guān)分析結(jié)論與本研究相似。陰坡土壤水分顯著高于其他坡向，陰坡的光照強(qiáng)度較弱，植被蒸騰與土壤水分蒸發(fā)較小[23]，這與其他黃土區(qū)的分析結(jié)論[24]一致。下坡位土壤水分的變異性明顯高于其他坡位，這與毛烏素沙地在不同坡位上的分析結(jié)果相同[25]，下坡位的土壤水分最高，上坡位最低，與下坡位更易接收到上坡匯流或雨水匯集、可緩解坡面徑流流速增加入滲速率、風(fēng)力較小、地表蒸發(fā)較低等[23]密切相關(guān)。

筆者取樣時(shí)間為9月下旬(生長(zhǎng)季后期)，如在此前(生長(zhǎng)季中期)取樣，土壤水分的空間差異受植被蒸騰和土壤蒸發(fā)較大，難以反映植被因覆蓋和雨水入滲對(duì)土壤水分的存儲(chǔ)效應(yīng)，且在生長(zhǎng)季中期，降水量大、次數(shù)多，對(duì)土壤水分的影響較大，而在生長(zhǎng)季后期觀測(cè)能更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同立地與植被條件下的水資源存儲(chǔ)狀況。受土壤水分取樣數(shù)量和時(shí)間的限制，分析立地環(huán)境的作用時(shí)，沒(méi)有兼顧到植被結(jié)構(gòu)的影響；討論植被特征的影響時(shí)，沒(méi)有考慮立地環(huán)境的作用；也未探討土壤水分的時(shí)間動(dòng)態(tài)，未來(lái)研究中，應(yīng)增加取樣時(shí)間及數(shù)量，分析立地和植被對(duì)土壤水分時(shí)空差異的綜合效應(yīng)，為確定不同立地下植被結(jié)構(gòu)合理布局提供科學(xué)依據(jù)。