馬 歡，朱清科，趙維軍，劉蕾蕾，姚文俊，王 瑜

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

水分是制約黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)工作的一個(gè)重要因素，在有限的降水條件下最大限度的提高土壤中水分的利用效率，是提高植被恢復(fù)成功率的一條重要途徑。黃土高原坡面在不同形式土壤侵蝕力的作用下，產(chǎn)生了高低不平的微地形，這些微地形對(duì)坡面降雨、徑流的再分配以及地表蒸發(fā)產(chǎn)生影響，使得坡面尺度內(nèi)仍然存在水分條件的差異。因此在植被恢復(fù)重建過程中，為了避免出現(xiàn)人工林成活率低或林分生長不良等問題，開展了不同規(guī)模緩臺(tái)微地形的土壤水分空間變異性分析。

微地形一般指小尺度上的地形變化，黃土坡面的微地形是指在坡面尺度以內(nèi)由于各種土壤侵蝕作用形成的與原始坡面存在坡度差異、形狀各異、大小不等并且使得土壤養(yǎng)分和水分在小范圍內(nèi)發(fā)生變化的局部地形，朱清科、張巖等［1］將黃土坡面上的微地形劃分為淺溝、切溝、塌陷、緩臺(tái)、陡坎5種。由于坡面造林計(jì)量是以米為計(jì)量單位，因此本研究中微地形是指面積大于1m2的微小地形。其中緩臺(tái)是指其坡度明顯小于原狀坡坡面坡度的一種微地形，有研究［2］提出，緩臺(tái)的土壤水分條件優(yōu)于同一立地條件類型下其它幾種微地形，可優(yōu)先考慮栽植喬木樹種。因此，根據(jù)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，首先根據(jù)面積的數(shù)量級(jí)定義了大（＞1000m2）、中（＞100m2，＜1 000m2），?。ǎ?m2，＜100m2）3種規(guī)模的緩臺(tái)進(jìn)行研究比較。

目前，在黃土坡面及區(qū)域尺度上的土壤水分空間變異特征研究較多，但在微地形尺度的土壤水分空間變異性研究比較少，目前的研究［2－4］均集中在不同微地形種類的水分條件的差異性分析。李萍等［5］通過研究不同規(guī)格的人工整地魚鱗坑發(fā)現(xiàn)，規(guī)格上的不同會(huì)使得魚鱗坑在水分條件上明顯的不同，作為天然集水區(qū)的緩臺(tái)來說，在實(shí)際調(diào)查中我們發(fā)現(xiàn)，微地形的面積大小從1～4 000m2不等，由于面積的不同導(dǎo)致凹凸地表在徑流、集水區(qū)和蒸發(fā)上的差異勢必會(huì)影響到微地形內(nèi)的水分條件，而規(guī)模大小導(dǎo)致的水分條件的差異還鮮見報(bào)道，為了更好地了解土壤水分在微地形尺度上的分布規(guī)律，本研究通過對(duì)陜北黃土區(qū)不同面積大小的緩臺(tái)水分條件及空間變異性進(jìn)行研究，籍以探索土壤水分條件在不同面積大小微地形上的表現(xiàn)，以期為黃土坡面進(jìn)行植被優(yōu)化配置提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市吳起縣的合家溝流域（北 緯 36°33′33″—37°24′27″，東 經(jīng) 107°38′57″—108°32′49″）。吳起縣地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7.8℃，無霜期96～146d；1957—2009年平均降水量466mm，降水量年及變化較大，季節(jié)分配不均勻，7—9月降水占全年降水量的64%以上，多年平均陸地蒸發(fā)量400～450mm；該區(qū)土壤類型為地帶性黑壚土剝蝕后廣泛發(fā)育在黃土母質(zhì)上的黃綿土，質(zhì)地為輕壤。

研究區(qū)合家溝流域自1998年以來實(shí)行全流域封山禁牧，采取人工封育的方式進(jìn)行植被恢復(fù)。目前該流域植被以天然草地為主，主要草本群落有百里香（Thymus mongolicus）、鐵 桿 蒿 （Artemisia gmelinii）、茭蒿（Artemisia giraldii）、長芒草（Stipa bungeana）、達(dá)烏里胡枝子（Lespide zdavurica）、委陵菜（Potentilla chinenisis）、冷 蒿 （Artemisia frigida）等。在溝底部位散生有少量灌木和喬木。流域內(nèi)坡面地形破碎，微地形大量分布，人為干擾因素較少，為本研究的進(jìn)行提供了有利條件。

2 研究方法

2.1 土壤水分布點(diǎn)及測定

為了研究緩臺(tái)規(guī)模對(duì)其土壤水分的影響，選擇吳起縣分布較廣泛的坡度在25°～35°的東坡和西坡等立地類型中不同規(guī)模的緩臺(tái)作為研究對(duì)象。采樣點(diǎn)所在坡面植被全部為天然草地。在小規(guī)模緩臺(tái)和中規(guī)模緩臺(tái)中采用隨機(jī)布點(diǎn)的采樣方式設(shè)置土壤水分觀測點(diǎn)，分別在不同的緩臺(tái)內(nèi)部進(jìn)行取樣，取樣盡量覆蓋緩臺(tái)的特征點(diǎn)。對(duì)于大規(guī)模的緩臺(tái)，采取以5m×5m的間距均勻布設(shè)樣點(diǎn)。同時(shí)取每個(gè)緩臺(tái)同一高度處兩側(cè)的原狀坡土壤樣品作為對(duì)照。土壤水分測定方法采用土鉆分層采土室內(nèi)烘干的方法，包括0—20cm，20—40cm，40—60cm，60—80cm，80—100cm等5個(gè)土層，3個(gè)重復(fù)的平均值作為該層次的土壤含水量。

土壤水分觀測樣點(diǎn)數(shù)量根據(jù)不同緩臺(tái)規(guī)模分別為小規(guī)模緩臺(tái)20個(gè)、中規(guī)模緩臺(tái)25個(gè)和大規(guī)模緩臺(tái)107個(gè)，對(duì)照組坡面樣地36個(gè)。

2.2 分析方法

2.2.1 土壤水分差異顯著性檢驗(yàn) Wilcoxon秩檢驗(yàn)適用于配對(duì)資料的差異比較，如果計(jì)算結(jié)果中的p＜0.05，說明兩組數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異，如果p＜0.01，則表示兩組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上存在極顯著差異。利用SPSS 18.0對(duì)不同規(guī)模的緩臺(tái)水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了兩兩配對(duì)的Wilcoxon秩檢驗(yàn)，觀測其水分差異情況。

2.2.2 土壤水分變異系數(shù) 變異系數(shù)Cv和標(biāo)準(zhǔn)差SD的計(jì)算公式為：

式中：ˉx——為樣本（土壤水分觀測值）平均值；n——樣本總個(gè)數(shù)；xi——樣本的地i個(gè)觀測值。

變異系數(shù)表征了土壤水分變異的程度，在本研究中該值反映了土壤各層水分在空間上的穩(wěn)定性，Cv越大說明土壤水分變化越劇烈，越小說明土壤水分越穩(wěn)定。當(dāng)Cv≤10%時(shí)為弱變異性，當(dāng)10%＜Cv＜100%時(shí)為中等變異，當(dāng)Cv≥100%為強(qiáng)變異性。

2.2.3 地統(tǒng)計(jì)學(xué)法 地統(tǒng)計(jì)學(xué)由法國學(xué)者M(jìn)atheron于20世紀(jì)60年代建立，他提出了區(qū)域變量理論，使傳統(tǒng)的地學(xué)方法與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相結(jié)合。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量、隨機(jī)函數(shù)和平穩(wěn)性假設(shè)等概念為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為核心，以克立格插值法為手段分析研究自然現(xiàn)象的空間變異問題。關(guān)于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究方法國內(nèi)外文獻(xiàn)都有大量介紹［6－11］，本文不再贅述。本研究利用ArcGIS 9.3中的geostatistical analyst模塊對(duì)研究區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，生成緩臺(tái)內(nèi)部的土壤水分分布圖。

3 結(jié)果分析

3.1 不同規(guī)模緩臺(tái)水分特征

3.1.1 不同規(guī)模緩臺(tái)土壤含水量比較 利用SPSS 18.0對(duì)不同規(guī)模的緩臺(tái)水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行兩兩配對(duì)樣本的Wilcoxon秩檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果詳見表1。

表1 不同規(guī)模緩臺(tái)土壤水分差異性檢驗(yàn)

由表1可以看出，3種規(guī)模的緩臺(tái)與原狀坡的土壤含水量均有顯著的差異性（p＜0.05），這與以前的研究結(jié)果［7］是一致的，說明緩臺(tái)微地形的水分條件明顯不同于原狀坡面，因此在人工植被恢復(fù)的過程中需要區(qū)別對(duì)待。同時(shí)，大規(guī)模緩臺(tái)的水分含量和中等規(guī)模及小規(guī)模的含水量也有著顯著的差異（p＜0.05），說明由于緩臺(tái)面積的差異導(dǎo)致的含水量的差別是存在的。這主要是由于緩臺(tái)規(guī)模的大小影響了徑流的入滲時(shí)間，從而影響了不同規(guī)模緩臺(tái)的土壤水分含量。

為了比較不同規(guī)模緩臺(tái)的水分含量的大小差異，本研究引入土壤水分指數(shù)K值（K＝緩臺(tái)水分含量／對(duì)應(yīng)原狀坡水分含量），當(dāng)K＞1時(shí)表示該緩臺(tái)水分優(yōu)于其所在坡面的原狀坡，當(dāng)K＜1時(shí)則表示該緩臺(tái)水分含量低于其所在坡面的原狀坡，通過數(shù)據(jù)處理得當(dāng)陰坡和陽坡的3種規(guī)模緩臺(tái)的K值（圖1）。

由圖1可以看出，在陽向坡上，3種規(guī)模的緩臺(tái)總體上呈現(xiàn)面積越大，水分條件越好的趨勢，但小規(guī)模緩臺(tái)表現(xiàn)出了水分條件和原狀坡面差別不大，中等規(guī)模的緩臺(tái)表現(xiàn)出當(dāng)土層深度＞40cm時(shí)水分條件才優(yōu)于原狀坡面。說明了在陽坡，小規(guī)模的緩臺(tái)盡管有一定的集水蓄水效果，但在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下，使得其保水效果較差。在陰向坡，大規(guī)模緩臺(tái)土壤水分總體上同樣要優(yōu)于其它兩種緩臺(tái)及原狀坡，但在0—20cm土層內(nèi)，大規(guī)模緩臺(tái)的水分含量較低，僅優(yōu)于中規(guī)模的緩臺(tái)，這主要是因?yàn)樵陉幭蚱碌拇笠?guī)模緩臺(tái)上，草本覆蓋度較高，草本植物的蒸騰作用使得表層土壤水分含量較低。

因此在土壤含水量上，在兩種坡向上只有大規(guī)模的緩臺(tái)土壤水分含量明顯好于原狀坡，其它兩種規(guī)模的緩臺(tái)水分條件也均優(yōu)于原狀坡面，但相比較大規(guī)模緩臺(tái)，其優(yōu)越程度要小，同時(shí)在中規(guī)模和小規(guī)模緩臺(tái)之間的大小趨勢變化不明顯，這與前面得到的結(jié)論一致，說明當(dāng)緩臺(tái)越大水分條件越好，但這一趨勢應(yīng)該在緩臺(tái)面積達(dá)到一定規(guī)模的時(shí)候才能體現(xiàn)。

圖1 研究區(qū)不同規(guī)模緩臺(tái)含水量指數(shù)

3.1.2 不同規(guī)模緩臺(tái)水分變異系數(shù) 變異系數(shù)反映了不同面積大小的緩臺(tái)水分變化的差異性，從表2中數(shù)據(jù)可以得出，3種規(guī)模的緩臺(tái)和原狀坡隨著土層深度的增大，土壤水分變異系數(shù)變化趨勢一致，均表現(xiàn)出表層水分空間變化激烈，下層水分比較穩(wěn)定的趨勢，這主要是因?yàn)樵谕寥辣韺铀值南聺B、蒸發(fā)等水分活動(dòng)較劇烈，表層土壤水分較底層土壤水分含量較少，同時(shí)由于地形分異使得不同位置土壤蒸發(fā)量有所不同，因此土壤表層水分差異較大。

在土壤水分變異系數(shù)的總體變化中，變異系數(shù)在0—60cm各層均呈現(xiàn)小規(guī)模緩臺(tái)＞大規(guī)模緩臺(tái)＞中規(guī)模緩臺(tái)的趨勢。這主要是因?yàn)樾∫?guī)模的緩臺(tái)更容易受坡度、坡向和植被的影響，從而使得其接受的降雨、徑流及蒸發(fā)差別較大，所以導(dǎo)致了小規(guī)模的緩臺(tái)在水分上的差異比較大。而通過數(shù)據(jù)得出大規(guī)模緩臺(tái)的變異系數(shù)也比較高，可以推斷其內(nèi)部不均衡的水分分布使得變異系數(shù)在總體上呈現(xiàn)一個(gè)比較高的數(shù)值。在土層深度大于60cm時(shí)各種緩臺(tái)水分變異系數(shù)均比較小（＜10%）且差別不大，主要是因?yàn)殡S著土層深度的增加，深層水分和表層以及大氣進(jìn)行交換活動(dòng)比較緩慢，使得深層水分含量在空間上分布較為穩(wěn)定。

3.2 大規(guī)模緩臺(tái)水分空間分布

3.2.1 土壤水分在垂直方向上的變異規(guī)律 由表3可以看出，除了表層土壤水分以外，從坡上部到坡下部（東西向），土壤水分變異總體呈中等變異（10%＜Cv＜100%），表明在坡面縱向上水分變異程度較高，坡腳處和緩臺(tái)邊緣處之間水分差異較大。沿著坡向向下，變異系數(shù)呈增加的趨勢，這和以前的研究結(jié)論略有差異［2，6－18］，這主要是因?yàn)樵撎幘徟_(tái)上草本植被覆蓋度總體較高，使得土壤表面蒸發(fā)量趨于一致。有研究［8］證明，土壤水分的變異程度和土壤的水分含量均值呈正相關(guān)關(guān)系，因此由于植物的耗水，使得表層土壤含水量較低。使得表層土壤變異系數(shù)較低。

表2 研究區(qū)不同規(guī)模緩臺(tái)土壤水分變異系數(shù) %

由表4可以看出，在沿坡向橫向上（南北向），土壤水分變異程度與縱向相比較弱，只有在40—60cm土壤處呈中等變異，0—40cm土層均呈弱變異，這說明在大規(guī)模緩臺(tái)沿坡向橫向上土壤水分總體較穩(wěn)定，變化程度不明顯。

綜合比較縱向和橫向上的水分變異程度，可以得出在大規(guī)模緩臺(tái)的內(nèi)部，由于水分初始分布不均引起的水分變化程度要大于由于蒸發(fā)導(dǎo)致的變化，總體使得在大規(guī)模緩臺(tái)內(nèi)部，沿坡向縱向的變化大于橫向變化。

表3 大規(guī)模緩臺(tái)縱坡向土壤水分統(tǒng)計(jì)特征值

表4 大規(guī)模緩臺(tái)橫坡向土壤水分統(tǒng)計(jì)特征值

3.2.2 土壤水分在水平方向上的變異規(guī)律 通過對(duì)一個(gè)獨(dú)立連續(xù)的大規(guī)模緩臺(tái)0—60cm土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)特征分析，得到其土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的偏態(tài)系數(shù)和峰度系數(shù)分別為1.161和0.96，近似正態(tài)分布，因此，可以對(duì)大規(guī)模緩臺(tái)內(nèi)0—60cm土層土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析。

實(shí)驗(yàn)半方差及其理論變異函數(shù)擬合模型如圖2所示，根據(jù)決定系數(shù)最大和殘差平方和最小的原則對(duì)半方差模型進(jìn)行篩選，選取球狀模型為最優(yōu)的半方差理論模型，最終對(duì)未測點(diǎn)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行克里格插值方法進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，得到大規(guī)模緩臺(tái)內(nèi)部的土壤水分（為0—60cm土壤水分平均值）分布圖（圖3）。

由圖3可以得出，在研究區(qū)內(nèi)部，土壤水分介于8.5%～13.0%，具有較大的差異。沿坡面縱向土壤平均水分含量呈逐漸降低的趨勢，這種趨勢主要是因?yàn)樵诮邓a(chǎn)生徑流之后，由上坡集水區(qū)產(chǎn)生的徑流首先經(jīng)由緩臺(tái)上方的陡坎流入坡腳處下滲，使得坡腳處的土壤水分初始值較高，同時(shí)由于坡腳處在下午太陽高度降低時(shí)首先進(jìn)入由梁峁造成的陰影區(qū)，使得日蒸發(fā)量比遠(yuǎn)離坡腳處的小。另外，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)坡腳處的草本植物蓋度也較高，使得直接輻射到地表的太陽輻射減小，這些因素共同影響使得在大規(guī)模緩臺(tái)內(nèi)部，水分呈現(xiàn)出沿坡面縱向逐漸減小的趨勢（西高東低）。

圖2 大規(guī)模緩臺(tái)0－60cm土壤水分半方差函數(shù)及擬合模型圖

在沿坡面橫向上，土壤平均水分呈現(xiàn)“中間高兩頭低”的趨勢，并且在緩臺(tái)北向邊緣水分含量要高于緩臺(tái)南向邊緣。這是因?yàn)樵诰徟_(tái)南北兩頭各有一個(gè)較大的侵蝕溝，使得緩臺(tái)內(nèi)部水分發(fā)生側(cè)向遷移而產(chǎn)生損失。該緩臺(tái)總體上呈“啞鈴”形狀，在坡腳處有一道梁的存在使得緩臺(tái)南北發(fā)生了坡向上的變化，使得南端呈現(xiàn)出更傾向陽坡的水分特征，北段呈現(xiàn)出類似于陰坡的水分特征?？傮w上使在緩臺(tái)內(nèi)部出現(xiàn)以坡腳水分含量最高，向四周輻射下降的趨勢。因此在進(jìn)行植被恢復(fù)的過程中，不僅對(duì)于不同面積的緩臺(tái)要區(qū)別對(duì)待，配置不同的喬灌木樹種，對(duì)于面積較大的緩臺(tái)，在其上的配置也需要有一定的差異。

圖3 大規(guī)模緩臺(tái)內(nèi)部0－60cm土壤平均水分分布

4 結(jié)論

（1）無論是在陰坡還是陽坡，大規(guī)模緩臺(tái)（面積＞1 000m2）的水分條件要好于中等規(guī)模（100～1 000 m2）和小規(guī)模（＜100m2）的緩臺(tái)，而中等規(guī)模緩臺(tái)和小規(guī)模緩臺(tái)在水分含量差別不大。證明只有當(dāng)緩臺(tái)面積達(dá)到一定程度的時(shí)候，其水分條件會(huì)出現(xiàn)明顯的優(yōu)勢，在進(jìn)行植被配置時(shí)可以采用比原狀坡面高一等級(jí)的植被配置模式。

（2）隨著土層深度的增加，土壤水分變異系數(shù)總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，就規(guī)模來說，各緩臺(tái)的變異系數(shù)存在小規(guī)模緩臺(tái)＞大規(guī)模緩臺(tái)＞中規(guī)模緩臺(tái)的趨勢。

（3）在大規(guī)模緩臺(tái)內(nèi)部，在緩臺(tái)上邊界靠近陡坎處土壤水分條件較好，由于緩臺(tái)周圍的地表起伏遮擋引起的太陽輻射的不均衡對(duì)緩臺(tái)內(nèi)部水分分布的影響是明顯的，因此在進(jìn)行植被配置的過程中，對(duì)于大規(guī)模的緩臺(tái)，除了在整體配置上要優(yōu)于原狀坡面的等級(jí)配置，同時(shí)在緩臺(tái)內(nèi)部也要注意合理的布局，可以在坡腳處考慮配置以灌木為主的植被群落，在遠(yuǎn)離坡腳處的緩臺(tái)邊緣則應(yīng)以需水量較小的草本為主。

（4）通過分析發(fā)現(xiàn)，由于面積的大小不一致導(dǎo)致的水分的差異在緩臺(tái)微地形的表現(xiàn)較為明顯的，然而在本研究中，中等規(guī)模的緩臺(tái)和小規(guī)模的緩臺(tái)水分差異程度并不大，因此，當(dāng)緩臺(tái)面積何種程度的時(shí)候才會(huì)對(duì)對(duì)其中的水分產(chǎn)生顯著的影響，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究來確定。同時(shí)在研究大規(guī)模緩臺(tái)水分分布時(shí)發(fā)現(xiàn)，緩臺(tái)的自然形狀也會(huì)對(duì)其中的水分產(chǎn)生明顯的影響，因此形狀因子對(duì)微地形土壤水分分布的影響也應(yīng)將在未來的研究中加以考慮。

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