黃丘區(qū)典型灌木和荒草地土壤含水量變化對降雨的響應(yīng)

吳遠(yuǎn)菲, 肖培青, 郝仕龍, 楊春霞

(1.華北水利水電大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院, 鄭州 450046;2.黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土保持重點實驗室, 鄭州 450003)

土壤水分是生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的重要組成部分，在生態(tài)和水文過程中具有重要的作用，關(guān)系到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展[1]。在水資源短缺的黃土高原地區(qū)，土壤水分對植被生長、生態(tài)格局和調(diào)控的演變以及退化植被的恢復(fù)起著重要作用[2]。土壤水分受降雨、入滲和蒸散發(fā)等水文過程的影響，具有顯著的時空變化特征[3]。地表植被類型會改變降雨分配、雨水下滲和蒸散發(fā)過程，從而對土壤水分的年內(nèi)分配和降雨補給特征產(chǎn)生巨大影響[4-5]。因此，研究不同土地利用類型下的土壤水分年內(nèi)變化特征及其對降雨的響應(yīng)過程，有助于深入認(rèn)識不同植被類型土壤水分消耗規(guī)律，從而對區(qū)域水資源合理利用和植被重建提供理論依據(jù)。

黃土高原是我國的生態(tài)屏障，也是黃河泥沙最主要來源。近年來，為控制水土流失，開展了以退耕還林還草等為代表的一系列水利水保措施，經(jīng)過多年退耕還林還草，黃土丘陵區(qū)產(chǎn)生了多種土地利用方式，對土壤水分產(chǎn)生了影響[6]，極大地減少了泥沙入黃。然而，一些研究發(fā)現(xiàn)，人工恢復(fù)植被對土壤水分的消耗與自然植被相比，消耗增加，且一些研究發(fā)現(xiàn)，過度的水分消耗甚至引發(fā)土壤干層，嚴(yán)重威脅植被可持續(xù)[7-9]。近年來，對黃土高原地區(qū)土壤水分變化問題的研究已經(jīng)取得一系列的成果[10-11]，這些研究均認(rèn)為不同植被類型下的土壤水分動態(tài)特征與剖面分布具有明顯差異[12-15]。關(guān)于研究土壤水分對降雨的響應(yīng)，部分學(xué)者通過對黃土高原地區(qū)單一類型土地利用方式下的土壤水分進(jìn)行野外連續(xù)監(jiān)測，表明不同深度土層土壤水分對降雨的響應(yīng)時間不同，深層土壤含水量較淺層變化有一定的滯后和延長，體現(xiàn)出土壤水分入滲的先后過程[16-19]。也有學(xué)者通過降雨模擬試驗方法，研究土壤水分在降雨過程中的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)降雨僅增加各土層中的土壤水分，對各層間土壤水分在整體土層范圍中土壤水分的占比影響較小[20]。

近期，一些相關(guān)的研究分析了土壤水分隨時間、垂直空間動態(tài)變化規(guī)律，但野外不同利用方式連續(xù)長期定位觀測的研究不多，而且不同植被類型土壤水分對降水響應(yīng)的研究相對較少。因此本文在黃土高原腹地的辛店溝流域，選取當(dāng)?shù)刈顬榈湫偷膬煞N植被類型(檸條灌木地和撂荒休閑地)為對象，在采用多探頭土壤水分監(jiān)測儀連續(xù)定位觀測兩種植被類型0—50 cm土壤含水量的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析兩種典型土地利用類型剖面土壤水分的年內(nèi)變化規(guī)律及其對降雨的響應(yīng)過程，以期為對區(qū)域水資源合理利用和植被重建提供科學(xué)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省綏德縣無定河流域辛店溝試驗場(110°15′—110°20′E，37°27′—37°32′N)，該區(qū)梁峁起伏，溝壑縱橫，土地貧瘠，地形破碎，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，是典型的峁梁狀黃土丘陵溝壑區(qū)。辛店溝小流域面積約1.44 km2，地貌以梁、峁、坡為主，溝壑密度7.26 km/km2，氣候為溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.7℃，年平均降水量486 mm(70%以上集中于6—9月且多以暴雨形式出現(xiàn))，土壤類型主要為黃綿土(約占65%)，年均土壤侵蝕模數(shù)1.8萬t/km2。

2 材料與方法

2.1 觀測樣地設(shè)置

經(jīng)過實地勘察，選擇在綏德辛店溝流域育林溝徑流試驗場布設(shè)Em50多探頭土壤水分監(jiān)測儀。植物檸條(Caraganakorshinskii)具有蒸騰速率低、抗逆性強等特點，被廣泛用于干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)重建和植被恢復(fù)中，撂荒草地具有較好的控制水土流失作用，因此選擇檸條灌木地和多年撂荒草地土壤水分變化過程進(jìn)行對比分析。樣地基本特征見表1。

表1 樣地基本情況

2.2 試驗設(shè)計

土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)通過Em50多探頭土壤水分監(jiān)測儀連續(xù)監(jiān)測獲得，監(jiān)測儀分別布設(shè)于兩個小區(qū)中部，儀器5個土壤水分探頭分別布設(shè)于10，20，30，40，50 cm土層處，傳感器水平插入到安裝深度，對土壤水分進(jìn)行連續(xù)定位觀測，5個探頭沿著一條直線垂直分布，土壤水分的觀測頻率為60 min/次。降雨過程參數(shù)通過雨量計測定獲取，兩類數(shù)據(jù)均持續(xù)連續(xù)觀測。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均用Microsoft Excel和Origin 2018統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析與制圖。利用變異系數(shù)CV表示土壤水分垂直分布的穩(wěn)定性。變異系數(shù)CV和標(biāo)準(zhǔn)差s的計算公式分別為：

3 結(jié)果與分析

3.1 不同地類土壤水分的年內(nèi)時間變化特征

如圖1所示，2020年6—11月對灌木地、荒草地0—50 cm土壤含水量進(jìn)行連續(xù)動態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，灌木地0—50 cm土層各月平均土壤含水量分別為0.059，0.134，0.088，0.060，0.080，0.126，荒草地0—50 cm土層各月平均土壤含水量分別為0.056，0.148，0.101，0.066，0.084，0.136，總體來說荒草地的平均土壤含水量大于灌木地，說明草類植被耗水小于灌木。

圖1 不同土地利用方式0-50 cm土層土壤含水量時間變化過程

如圖2所示，由于降水具有一定的季節(jié)性，不同土地利用方式0—50 cm土層土壤含水量具有明顯的季節(jié)變化特征，灌木地平均土壤含水量最多是7月和11月，分別為0.134，0.126，最少的是6月、9月，為0.059，0.060；而荒草地平均土壤含水量最多是在7月和11月，分別為0.148，0.136，6月、9月最少，為0.056，0.066。

圖2 不同土地利用方式0-50 cm各土層土壤含水量時間變化過程

不同土地利用方式下的土壤水分變化有所不同，除了與降水有關(guān)，還因為不同土地利用方式的植物蒸騰、消耗和土壤蒸發(fā)不同[21]。研究區(qū)檸條從5月中旬到6月中旬快速生長達(dá)到展葉盛期；6月下旬到8月初果實成熟；其后9月中旬生長速度減緩進(jìn)入落葉硬化期[22]。在觀測期間6月份樣地未有降雨，此時檸條進(jìn)入速生期，所需水量日漸增加，氣溫回升，土壤蒸發(fā)旺盛，加之雨季未到，不能及時補充土壤蒸發(fā)等因素造成的土壤水分消耗，此時土壤含水量處于較低水平；7—9月兩種土地利用方式土壤含水量變化劇烈，7月土壤含水量較6月份快速增加，一方面是因為6月份植物生長處于速生期需水量大，另一方面7月份降水35.6 mm土壤水分得以補充；8月份檸條生長處于旺季，加上夏季地表溫度高，表層土壤水分蒸發(fā)量大，植被蒸散發(fā)強烈，因此土壤水分較7月份有所降低；9月份，氣溫逐漸降低，土壤蒸發(fā)明顯減弱，且植被生長速度減緩進(jìn)入生長期末，耗水減少，加上雨季逐漸減退，降水量日漸減少，且9月和10月份有少量降雨對土壤水分進(jìn)行了補充，因此9月份之后植物進(jìn)入休眠期后整體上土壤含水量呈緩慢增加的趨勢，11月份達(dá)到一個小峰值，說明降雨對土壤水分的補充存在滯后?；牟莸赝寥篮扛髟碌淖兓厔菖c灌木地相似，夏季草類植物也進(jìn)入生長旺季，加上荒草地表層植被生物量少，地面蒸散發(fā)強烈，因此土壤含水量也表現(xiàn)出較低水平；而進(jìn)入秋冬季節(jié)后，氣溫降低，土壤蒸發(fā)明顯減弱，植物進(jìn)入生長期末，土壤水分消耗少，因此荒草地土壤含水量在整個秋冬季節(jié)呈現(xiàn)出較高水平。以上分析表明，兩種土地利用方式0—50 cm土層平均土壤含水量具有明顯的季節(jié)變化特征，夏季到秋冬季節(jié)土壤含水量整體上是隨時間的變化呈增加趨勢。這部分研究規(guī)律與王艷萍等[23]在研究黃土塬區(qū)不同土地利用方式土壤水分隨時間的動態(tài)變化特征趨勢大致一致。

3.2 不同地類土壤水分垂直剖面分布特征

對研究區(qū)兩種土地利用方式2020年6—11月土壤水分垂直變化特征進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)(圖3)，土壤水分得到大量補充后又受到高度消耗，其垂直變化表現(xiàn)出不同的特征。

圖3 不同地類土壤水分垂直變異性

灌木地0—50 cm土層土壤含水量隨土層深度的增加而減少，10，20，30，40，50 cm的平均土壤含水量分別為0.122，0.112，0.095，0.083，0.043；荒草地土壤含水量也表現(xiàn)為同樣的趨勢，各土層的土壤含水量分別為0.111，0.107，0.105，0.090，0.080。兩種土地利用方式20—40 cm土層土壤含水量差異不顯著，但荒草地10 cm處土層CV值為27.31%>灌木地CV值17.21%，分析其原因，表層土壤含水量既受降雨量的影響，又受植被蓋度(影響蒸發(fā))和根系分布的影響[24]，使得土壤含水量變化較大，草本植物的根系生物量分布主要集中在表層土層[25]，因此表層土壤水分變化較灌木地劇烈；在50 cm土層處，灌木地土壤含水量急劇減少，CV值為62.05%>荒草地CV值40.60%，在0—100 cm土層深度范圍內(nèi)，檸條細(xì)根主要分布在 30 cm土層深度以下，其根重密度和根長密度隨土層深度的增加呈相同變化趨勢，最大值均出現(xiàn)在 50—60 cm土層[26]，因此灌木地這部分土層表現(xiàn)出較高的變異性?？傮w來看，土地利用類型對垂直方向上土壤含水量的分布特征影響顯著，灌木地對深層土壤水分的消耗明顯要高于荒草地。

3.3 不同地類土壤水分對降雨過程的響應(yīng)

通過研究降雨前后兩種土地利用方式不同深度土壤含水量隨時間的變化特征發(fā)現(xiàn)，灌木地和荒草地土壤含水量的動態(tài)變化和累計降水量的變化是基本一致的，降水量越大，降水雨量級越高，土壤含水量對降水的響應(yīng)就越顯著。

如圖4—5所示，7月份和8月份發(fā)生了兩次大的降水過程，降水量分別為35.6，34.4 mm，7月份降水前期研究區(qū)沒有降雨發(fā)生，可以明顯觀察到降水前期荒草地0—50 cm土層土壤含水量穩(wěn)定在一個較低的水平，變化不大；而灌木地10 cm土層土壤含水量略有波動，因為灌木地植被豐富，林下生物量多，表層土壤含水量變化較為活躍；50 cm土層土壤含水量明顯要低于其他土層土壤含水量，這部分土層是檸條細(xì)根的集中分布層，植被耗水量較大，這與灌木地土壤水分垂直分布特征一致。

圖4 不同土地利用方式7月份土壤含水量變化

當(dāng)降水入滲到某一土層時，土壤水分傳感器會做出響應(yīng)，在灌木地和荒草地均觀測到5個響應(yīng)，表明這兩次降水強度足以入滲到50 cm土層深度，但是各土層對降雨響應(yīng)的時間不同，灌木地各土層土壤含水量對降雨的響應(yīng)時間約為雨后3，8，22，30，35 h，荒草地各土層土壤含水量對降雨的響應(yīng)時間約為雨后4，11，23，28，33 h，總體表現(xiàn)為淺層土壤含水量對降雨的響應(yīng)迅速，隨著土層深度的增加，土壤含水量對降雨的響應(yīng)時間也在增加，存在著滯后效應(yīng)。0—30 cm土層灌木地對降雨的響應(yīng)時間要小于荒草地，且灌木地受到降雨補充后土壤水分峰值要大于荒草地，分析原因可能是荒草地植被覆蓋度比灌木地大，植被生長茂盛，地上生物對降雨有截留作用，降雨到達(dá)地面時間增大，到達(dá)地面的有效降雨量減少，且這部分是荒草地植物根系分布的主要土層，因此導(dǎo)致荒草地表層土壤水分對降雨的響應(yīng)時間大于灌木地且土壤水分的有效補給量要小于灌木地；30—50 cm這部分土層中，灌木地土壤含水量對降雨的響應(yīng)時間要大于荒草地，且土壤水分峰值要略小于荒草地，與表層土壤水分呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，檸條細(xì)根分布在30 cm土層深度以下，其根重密度和根長密度隨土層深度的增加呈相同變化趨勢，最大值均出現(xiàn)在50—60 cm土層，因此這部分土層受到檸條根系的吸收作用及下滲作用，導(dǎo)致其對降雨的響應(yīng)時間和降雨后的土壤水分峰值要小于荒草地。

如圖5—6所示，8月份和9月份研究區(qū)共發(fā)生了19次小降水事件，8月15號的兩次小降水事件降雨量分別為0.6，0.2 mm，僅0—20 cm表層土壤水分做出了響應(yīng)，；9月18—27日發(fā)生了陸陸續(xù)續(xù)的小降雨事件，僅0—10 cm土層土壤含水量對降雨作出了響應(yīng)，單次降雨量過小，地面生物對降雨有攔截作用，到達(dá)土壤表層的有效降雨量有限，難以入滲到更深層次的土層。8月份前期土壤水分分布，灌木地0—50 cm土層土壤含水量大小順序為：10—20 cm>30—40 cm>20—30 cm>0—10 cm>40—50 cm，7月份降水對土壤水分作了補充，但50 cm處土壤含水量最低，因為此處是檸條細(xì)根大量分布的地方，土壤水分消耗較快，而0—10 cm土層受到植被蒸散發(fā)和水分蒸發(fā)的作用，含水量也較低；荒草地0—50 cm土層土壤含水量大小順序為：40—50 cm>30—40 cm>20—30 cm>10—20 cm>0—10 cm，降水對土壤水分補充后，荒草地根系分布較淺，深層土壤水分未受到大量消耗，而淺層土壤水分受到草類植被根系吸收和蒸騰作用的影響，導(dǎo)致土壤水分在垂直剖面上從上到下是依次減少的，這一現(xiàn)象也側(cè)面說明了檸條灌木地比荒草地要更耗水。

圖5 不同土地利用方式8月份土壤含水量變化

圖6 不同土地利用方式9月份土壤含水量變化

4 結(jié) 論

(1) 不同土地利用方式的土壤含水量表現(xiàn)為明顯的時間特征，監(jiān)測期內(nèi)兩種土地利用方式平均土壤含水量變化趨勢相似，土壤含水量隨時間的變化與降雨隨季節(jié)的變化相同，但存在著滯后效應(yīng)，總體上平均土壤含水量表現(xiàn)為荒草地>檸條灌木地，檸條灌木地比草地更加耗水。

(2) 灌木和荒草地兩種土地利用方式0—50 cm土層土壤含水量垂直變化趨勢相似，總體上隨著土層深度的增加而減少，土壤含水量隨土層深度的增加變化劇烈，土地利用方式對土壤含水量的垂直分布的變化及其變異性特征有一定的影響；相比荒草地，灌木地對深層土壤水分消耗更多。

(3) 不同土地利用方式土壤含水量受降雨的影響較大，淺層土壤水分對降水的響應(yīng)迅速，隨著土層深度的增加土壤水分對降水的響應(yīng)時間逐漸增加；灌木地和荒草地垂直方向上各土層對降雨響應(yīng)也表現(xiàn)為不同規(guī)律，灌木地0—30 cm土層土壤含水量對降雨的響應(yīng)時間小于荒草地，且灌木地降雨后的土壤含水量峰值要高于荒草地，而30—50 cm土層表現(xiàn)出相反的規(guī)律。

不同土地利用方式對土壤水分的變化存在著一定影響作用，本文僅分析了典型的灌木和荒草地土壤含水量變化規(guī)律，關(guān)于植被恢復(fù)重建的其他土地利用方式和大暴雨作用下的深層土壤水分變化特征還需要進(jìn)一步研究。