張 哲，焦 峰，2，梁寧霞，王宗仁

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100；4.寶雞市岐山縣祝家莊鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)辦，陜西 岐山722403）

土壤水分是影響黃土高原植被恢復(fù)重建的重要生態(tài)限制因子［1］，同時(shí)也是決定土壤生產(chǎn)力的重要因素［2］。土壤中所有物質(zhì)的運(yùn)移，包括植物從土壤中吸取養(yǎng)分，都離不開土壤水分的作用［3］。一方面土壤水分狀況影響植物和農(nóng)作物生長(zhǎng)，另一方面植被覆蓋和土地利用也影響著土壤水分的含量及其分布［4］。黃土丘陵溝壑區(qū)屬干旱半干旱地區(qū)，土層深厚，地下水埋藏很深，降水是植物生存的惟一水分來源［5］。土壤水分循環(huán)是較單純的降雨下行入滲和水分上行蒸發(fā)過程［6］，由于人為活動(dòng)的干涉該地區(qū)土地利用類型呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)［7－9］。因此，如何合理有效的開發(fā)利用土壤水分對(duì)于黃土丘陵區(qū)非常重要。

關(guān)于黃土丘陵區(qū)小流域不同土地利用方式下土壤水分的效應(yīng)、動(dòng)態(tài)變化、影響等方面的問題，國內(nèi)已進(jìn)行了廣泛研究［10－13］，但是結(jié)合流域地帶性對(duì)土壤水分的評(píng)價(jià)還很少。本文以整個(gè)延河流域?yàn)楸尘?，選擇三個(gè)典型植被帶毛堡則流域（森林帶）、陳家坬流域（森林草原帶）、周家山流域（草原帶）作為研究對(duì)象。引用土壤濕度評(píng)價(jià)指標(biāo)，將土壤含水量和植被帶及其土地利用空間分布結(jié)合起來，通過對(duì)不同植被帶土地利用方式土壤水分變化的觀測(cè)分析，因地制宜，為不同植被區(qū)域生態(tài)建設(shè)、水土資源的合理利用以及植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延河是黃河一級(jí)支流，流域地處陜西省北部，地理位置為36°23′—37°17′N，108°45′—110°28′E，包括安塞縣、寶塔區(qū)和延長(zhǎng)縣的全部，以及志丹、靖邊兩縣的部分地區(qū)，主要支流有西川河、南川河、杏子河等。流域總長(zhǎng)約286.9km，面積7 679km2，平均坡度約4.3‰，河網(wǎng)密度約4.7km／km2。延河流域?qū)儆跍貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，年均氣溫約為9℃。流域年均降水量在500mm左右，其中6—9月降雨集中，約占全年降雨量的75%。流域內(nèi)黃土丘陵溝壑區(qū)面積占全流域的90%，從東南向西北，降雨、溫度具有明顯的梯度變化特征。

延河流域從北向南可分為草原帶、森林草原帶、森林帶3個(gè)植被帶［14－15］，不同植被帶之間植被狀況差異明顯，地形地貌特征亦有所差異，土地利用狀況表現(xiàn)出不同的特征。各典型小流域基本信息見表1。

表1 典型小流域基本信息

1.2 不同植被帶土地利用空間分布特征

將野外實(shí)地調(diào)繪的土地利用分類進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換和重分類，將小流域土地利用類型分成五大類：耕地、林地、灌木林地、草地和其他用地。其中其他用地包括了居民地、道路、水面等土地利用類型。對(duì)每個(gè)小流域的土地利用柵格圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同小流域土地利用分布狀況表（表2）。由表2可見，小流域的土地利用結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同植被帶的基本特征，在毛堡則森林帶流域中，林地所占面積最大，占流域面積的68%；在陳家坬森林草原帶小流域中，以林地和草地為主，占流域總面積的75%；在周家山草原帶小流域中，草地占的流域面積比例最大，達(dá)到了65%。耕地在所有流域中所占比例大小不盡相同，其中所占比例最大的是毛堡則小流域，達(dá)到了流域面積的11.56%，其次是陳家坬和周家山小流域，分別達(dá)到流域總面積的11.44%和8.29%。

表2 不同小流域土地利用分布狀況 km2

1.3 樣點(diǎn)選擇與土壤水分測(cè)定

野外測(cè)定于2013年6月，雨季開始前進(jìn)行。根據(jù)三個(gè)流域的縱深和地形地貌情況，縱深間隔距離約5km，每個(gè)小流域均選擇3個(gè)斷面，每個(gè)斷面分為陰陽兩個(gè)坡面，每個(gè)坡面由坡頂?shù)狡碌赘鶕?jù)不同土地利用類型間隔約50m用土鉆法測(cè)定土壤水分各取5～10個(gè)樣地，測(cè)定深度為2m，每20cm取一個(gè)樣。土壤水分含量用烘干法測(cè)定，用烘箱在105℃恒溫下烘8～10h，結(jié)果以質(zhì)量含水量表示。

土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)利用Excel2007及SPSS19.0統(tǒng)計(jì)完成，方差分析利用SPSS19.0（LSD法及Duncan法）完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被帶土壤水分總體分析

統(tǒng)計(jì)各小流域中所有采樣點(diǎn)土壤含水量的平均值，作為該小流域土壤含水量的近似值，按照不同植被帶將小流域進(jìn)行歸類，并比較不同植被帶之間土壤含水量的大小。結(jié)果表明（表3）：不同植被帶土壤含水量大小順序?yàn)樯謳Вt流域）＞森林草原帶（陳家坬流域）＞草原帶（周家山流域）。其中，森林帶土壤含水量為10.8%，森林草原帶土壤含水量為8.4%，草原帶土壤含水量為5.5%。通過方差分析得出，森林帶與森林草原帶及草原帶土壤含水量差異極顯著（P＜0.01），森林草原帶和草原帶土壤含水量差異顯著（P＜0.05）。

表3 不同植被帶下土壤含水量差異

觀察分析不同植被帶土壤含水量剖面變化發(fā)現(xiàn)（表4），在0—200cm土層中隨著深度的增加各植被帶土壤含水量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。其中，森林草原帶和草原帶不同深度土層土壤含水量差異顯著，森林帶土壤含水量無顯著差異。森林草原帶和草原帶土壤含水量增加趨勢(shì)明顯而森林帶趨勢(shì)相對(duì)平緩。而導(dǎo)致森林草原帶和草原帶土壤含水量差異顯著的原因可能是研究區(qū)土壤含水量測(cè)定時(shí)間在6月份，為土壤水分緩慢蒸發(fā)期［16］且樣地溫度相對(duì)較高，所以表層土壤水分蒸發(fā)量大，植物蒸騰作用及耗水量增強(qiáng)。同時(shí)，測(cè)定時(shí)間為雨季前，降雨量少，表層土壤水分無法得到補(bǔ)給造成表層土壤含水量低于深層，呈現(xiàn)出隨著土層深度增加土壤含水量遞增的趨勢(shì)。此外，林地水分利用層較深，故植被深層土壤水分消耗大于草地與耕地。呈現(xiàn)出森林帶不同深度土層土壤水分差異不顯著，隨深度變化不明顯。

分別對(duì)3種植被帶所有樣地土壤含水量進(jìn)行變異系數(shù)分析（表3）發(fā)現(xiàn)，同一植被帶內(nèi)部土壤含水量有較大差異。森林帶、森林草原帶、草原帶變異系數(shù)分別為0.53，0.28，0.29。土地的不同利用方式會(huì)改變土壤性質(zhì)和植被對(duì)地表的覆蓋，從而影響土壤含水量［17］。因此，需對(duì)植被帶不同土地利用空間分布及土壤水分進(jìn)行分析比較。

表4 不同植被帶土壤含水量剖面變化

2.2 不同植被帶土地利用方式下土壤水分分析評(píng)價(jià)

為了對(duì)研究區(qū)的土壤水分變化情況作簡(jiǎn)單的分析評(píng)價(jià)，將植被帶不同土地利用方式空間分布和其相應(yīng)土壤含水量結(jié)合起來。根據(jù)前人研究成果，選擇土壤濕度綜合指數(shù)SHI［18］，作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中：Pi——土壤含水量狀態(tài)取值；Ri——面積百分比值。當(dāng)土壤含水量在4.5%～7.36%時(shí)，土壤含水量狀態(tài)取值0.32；7.36%～11.04%時(shí)，土壤含水量狀態(tài)取值0.50；11.04%～14.72%時(shí)，土壤含水量狀態(tài)取值0.70；14.72%～18.40%時(shí)，土壤含水量狀態(tài)取值0.90。

2.2.1 不同植被帶土壤濕度比較分析 總體來看（表5），三個(gè)植被帶土壤濕度指數(shù)都小于24，土壤水分均處于較低狀態(tài)。其中，森林草原帶土壤濕度最高，其次是森林帶，草原帶土壤濕度最低。通過對(duì)植被帶土壤水分觀察分析發(fā)現(xiàn)，4種土地利用方式中，耕地土壤含水量都是最高，而灌木地土壤含水量最低，林地和草地土壤含水量無顯著差異。這是由于，耕地多分布在溝臺(tái)、壩地或流域坡度較小的地方，而坡度較大的地方均修建了梯田。溝臺(tái)、壩地處于溝道中，長(zhǎng)期受到溝道水及坡面徑流的補(bǔ)給，而梯田具有改變?cè)嫉匦危瑓R集徑流的作用。此外，農(nóng)作物耗水量一般低于喬灌木林地［19］，所以耕地土壤含水量高于其他土地利用類型。所測(cè)灌木林地主要以檸條林為主，由于檸條靠龐大的根系吸收土壤水分以及強(qiáng)烈的蒸騰作用得以在干旱的土地上生存［20］，所以流域內(nèi)灌木地土壤水分最小。從3個(gè)植被帶土地利用方式空間分布特征發(fā)現(xiàn)，耕地和灌木地在整個(gè)流域中所占面積較小，盡管耕地土壤含水量較大，但是對(duì)土壤濕度貢獻(xiàn)率并不突出。而林地與草地占所測(cè)流域面積一半以上，對(duì)土壤濕度其主導(dǎo)作用。

表5 不同植被帶土壤含水量及土壤濕度綜合指數(shù)

2.2.2 不同土地利用方式土壤濕度分析比較 森林帶4種土地利用方式中（表6），林地土壤濕度指數(shù)最高，為34.08，但仍處于干旱狀態(tài)。耕地，草地，灌木地土壤濕度指數(shù)依次減小，均處于極干旱狀態(tài)。盡管耕地土壤含水量最高且顯著高于林地（P＜0.05），但是林地占地面積遠(yuǎn)大于耕地。所以在森林帶，較其他土地利用方式，林地對(duì)土壤含水量的貢獻(xiàn)最大。

在森林草原帶，耕地土壤濕度指數(shù)為8.00，林地土壤濕度指數(shù)為15.46，草地土壤濕度指數(shù)為22.76，灌木地土壤濕度指數(shù)為2.24?？傮w來看，草地土壤濕度最高，林地略低于草地，其次是耕地，灌木地最低。4種土地利用類型均處于極干旱狀態(tài)。通過方差分析發(fā)現(xiàn)，耕地土壤含水量顯著高于林冠草地。林地和草地土壤含水量相近，無顯著差異，且二者占小流域的面積高達(dá)75%，所以森林草原帶土壤濕度有林地和草地共同作用。

在周家山流域草原帶，草地占地面積為6.79 km2，占總面積一半以上，其次是林地，耕地，灌木地。從總體來看，草地土壤濕度指數(shù)最高，為20.71，而耕地、林地、灌木地土壤數(shù)度指數(shù)都小于5。4種土地利用方式中，草地對(duì)草原帶土壤濕度貢獻(xiàn)率最大，但是均處于極干旱狀態(tài)。觀察周家山流域土壤水分發(fā)現(xiàn)，草原帶土壤含水量相對(duì)較小，這可能和草原帶處于延河流域北部，降雨量較少有關(guān)。

表6 不同土地利用方式土壤含水量及土壤濕度綜合指數(shù)

3 結(jié)論與討論

（1）3種植被帶均處于極干旱狀態(tài)，土壤濕度森林草原帶最大，其次是森林帶，草原帶最小。這與植被帶不同土地利用方式空間分布及其土壤含水量有關(guān)。

（2）對(duì)整個(gè)延河流域，草地廣泛分布于延河流域的北部、中部、西部、東部及東南部，林地主要分布在中部及南部廣大區(qū)域。所選3個(gè)小流域，毛堡則小流域以林地為主，占流域面積一半以上；陳家坬小流域林地和草地均占主導(dǎo)作用，占流域總面積達(dá)75%；周家山小流域，以草地為主。耕地和灌木地均零星分布在3個(gè)小流域，耕地所占面積大于灌木地。

（3）不同植被帶土壤含水量差異顯著，森林帶最高，其次為森林草原帶，草原帶最低。對(duì)不同植被帶土壤水分的剖面變化分析表明，0—200cm土層中土壤含水量隨著深度增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

（4）不同植被帶土地利用方式下土壤含水量變化基本相同。耕地的土壤含水量顯著高于其他3種土地利用方式，這主要是與耕地坡度較小和修建梯田有關(guān)，同時(shí)還與農(nóng)作物的耗水量相對(duì)較小有關(guān)。林地和草地土壤含水量無顯著差異，這可能是由于喬灌木耗水量大于草本植物而草地較林地易產(chǎn)生徑流兩者共同作用造成的。灌木地土壤含水量最小。

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