趙傳普, 徐學(xué)選,, 高朝俠, 張少妮

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土丘陵區(qū)不同植被類型下土壤水分動態(tài)

趙傳普1, 徐學(xué)選1,2, 高朝俠1, 張少妮2

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

摘要：[目的] 探討黃土丘陵區(qū)不同植被類型對土壤水環(huán)境分異規(guī)律的影響。[方法] 以陜西省延安市燕溝雞蛋卯小流域1997年退耕建造的樣板坡面為對象，于2009年4—10月對其西坡面，自坡頂向下分布的7種植被類型(蘋果園、刺槐林、沙棘灌叢、檸條林、紫穗槐灌叢、荒草地、農(nóng)地(谷子))，采用土鉆法每月中旬監(jiān)測。[結(jié)果] 生長季(4—10月)0—200 cm深度平均土壤含水量大小呈現(xiàn)：紫穗槐灌叢>荒草地>農(nóng)地(谷子)>刺槐林>檸條林>沙棘灌叢>蘋果園。不同植被類型下土壤水分垂直剖面分布有較大差異，在淺層(0—40 cm)，恢復(fù)時段的紫穗槐灌叢、刺槐林下土壤含水量一般高于荒草地，沙棘灌叢、農(nóng)地(谷子)、蘋果園土壤含水量低于荒草地；在中層(40—120 cm)，荒草地土壤含水量最高，蘋果園含水量最低，喬灌林地居中；在深層(120—400 cm)，只有紫穗槐灌叢、農(nóng)地(谷子)土壤含水量高于荒草地，其他喬灌林地、蘋果園含水量較低。[結(jié)論] 延安地區(qū)植被恢復(fù)的喬灌林土壤含水量以紫穗槐灌叢偏高，檸條林、刺槐林、沙棘灌叢對深層土壤水分消耗較大，不利于土壤水環(huán)境及其永續(xù)利用。

關(guān)鍵詞：黃土丘陵區(qū); 土壤水分; 植被類型; 時空變異性

土壤水分是流域水循環(huán)中的關(guān)鍵因子，也是制約干旱半干旱區(qū)植被恢復(fù)的主要因子[1-2]。近幾十年來，國內(nèi)外已有大量關(guān)于土壤水分時空變異性及其影響因子的研究。Y.Cantón等[3]對西班牙半干旱區(qū)不同植被類型下的土壤水分連續(xù)觀測18個月發(fā)現(xiàn)，地表植被類型及土壤質(zhì)地是引起土壤水分空間變異的主要因子。受氣候地帶性分布規(guī)律影響，各研究結(jié)果得到的土壤水分時空變異規(guī)律并不完全一致。在中國黃土高原地區(qū)，土壤水分的時空變異具有其自身特點。自1999年“退耕還林(草)”工程實施后[4]，黃土高原土壤水分動態(tài)一直是研究的熱點，已取得大量成果。主要包括降水年型、土壤特性、植被類型、坡度和坡向、土地利用方式等對土壤水分時空變異性的影響。雖然土壤水分時空變異性是由上述因子共同作用的結(jié)果，但是姚雪玲等[5]研究發(fā)現(xiàn)，坡面尺度上土壤水分空間差異的主導(dǎo)因子是植被類型。以往研究多集中于單一植被類型下短時間序列的淺層土壤水分(100 cm以內(nèi))，而對黃土高原森林草原交錯帶植被下的深層土壤水分研究還不是很多。黃土丘陵區(qū)是黃土高原植被恢復(fù)的關(guān)鍵地區(qū)，而該區(qū)處在森林向草原的過渡區(qū)[6]，因此，研究該區(qū)不同植被類型下土壤水分動態(tài)對于黃土高原植被建設(shè)具有重要意義。

本文通過對黃土丘陵區(qū)典型坡面不同植被類型下土壤水分的定點觀測，旨在探討植被類型對土壤水分時空變異規(guī)律的影響，為研究模擬半干旱區(qū)地表徑流、侵蝕過程及黃土高原植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)與研究方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市燕溝流域(36°20′—36°32′N，109°20′—109°35′E)，流域面積46.9 km2，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤偏旱季風(fēng)氣候，年均降水量532.3 mm，主要集中在6—9月，年均溫度9.8 ℃，年均蒸發(fā)量約1 000 mm。土壤類型主要為綿黃土，占90%以上。自1999年實施“退耕還林(草)”工程，土地利用類型以農(nóng)地、疏林地、灌木地、草地為主。植被主要有：遼東櫟(Quercusliaotungensis)、黃刺玫(Rosaxanthina)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganamicrophylla)等。

2009年降水量為535.8 mm，接近多年平均水平(1952—2006年延安氣象站年均532.3 mm，其中4—10月493.3 mm。)，其中4—10月降水量為494.0 mm(圖1)。降水年內(nèi)分布狀況為4—6月干旱少雨，降雨集中于7—9月，占整個生長季降雨總量的76%，8月份降雨量最多為161.4 mm，而10月份降雨量僅為1.7 mm。2009年降雨屬于正常年份，因此該研究代表了正常降雨年份水平。

圖1　燕溝雞蛋卯小流域2009年生長季降雨量

1.2　研究方法

選取流域內(nèi)康圪嶗一處典型西坡面，坡度12°~26°范圍，從坡頂向下選取7個樣地，植被類型分別為蘋果園、刺槐林、沙棘灌叢、檸條林、紫穗槐灌叢、荒草地、農(nóng)地(谷子)。樣地坡度在12°~22°之間，土壤為質(zhì)地均一的黃綿土，這樣對結(jié)果進行分析時，可以忽略土壤質(zhì)地、坡向的影響。采用土鉆定位監(jiān)測土壤含水量，2009年4—10月每月測定一次，為了更好的研究生長季前后土壤水分值的差異,4，10月測定土層深度為4 m，5—9月為2 m。0—1 m土層每隔10 cm取樣，1 m以下每隔20 cm取樣。采用GPS對樣地進行坐標定位，同時記錄各樣地的坡度、林冠郁閉度、地表覆蓋度、退耕年限等信息(表1)。采用樣點法估算林冠郁閉度，沿標準地對角線和四對邊中點連線穿過標準地進行“米”字形路線調(diào)查，根據(jù)望見的樹冠點數(shù)求得郁閉度，郁閉度=郁閉點數(shù)/總點數(shù)[7]。采用照相法估算地表覆蓋度，通過Pcover軟件自動判讀并估算地表覆蓋度[8]。烘干法測定土壤含水量，用重量百分比表示。沿坡面設(shè)置5個雨量桶測定雨量，取平均值代表降雨量。

1.3　數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用方差分析、LSD多重比較法分析不同植被類型下土壤水分的季節(jié)差異。

2結(jié)果與分析

2.1　不同植被類型下土壤水分的時間動態(tài)

表2為不同植被類型下0—200 cm土層平均土壤含水量季節(jié)動態(tài)及其差異的方差分析。由表2可知，不同植被類型生長季(4—10月)平均土壤含水量排序為：紫穗槐灌叢>荒草地>農(nóng)地(谷子)>刺槐林>檸條林>沙棘灌叢>蘋果園，紫穗槐灌叢下土壤含水量較荒草地(11.06%)高出0.69%，農(nóng)地(谷子)、刺槐林、檸條林、沙棘灌叢、蘋果園土壤含水量低于荒草地，差值分別為0.04%，0.28%，1.42%，1.45%和2.47%。刺槐林雖為疏林地，但林下生物量大，耗水量較荒草地大；檸條林、沙棘灌叢退耕年限較長，沙棘灌叢生長旺盛密度大，檸條林下生物量較大，故耗水量大。蘋果樹具有較強的耗水能力[9]，且蘋果園株行距為2 m×3 m，種植密度較大，樹齡有9 a以上，加之人工管理(施肥、翻耕)措施下果樹生長狀況良好，所以對土壤水分消耗較大。紫穗槐灌叢退耕年限短，蒸騰耗水量相對較小。

2009年5和9月份降水較往年充足，受降雨年內(nèi)分布的影響，不同植被類型下土壤水分的年內(nèi)變化大致呈現(xiàn)不規(guī)則的“M”型變化(圖2)。生長季初期(4—5月)植被蒸騰耗水量小，土壤蒸發(fā)潛力小，經(jīng)5月份降雨補給后，土壤含水量呈增大趨勢，4—5月蘋果園土壤含水量最低，是由于蘋果樹春季萌發(fā)期較其他植被類型早，蒸騰耗水使得土壤水分偏低。生長季中期(5—8月)是土壤水分消耗期，氣溫逐漸升高，充足的降水補給下植被生長旺盛，植被蒸騰耗水及土壤蒸發(fā)能力逐漸增強，耗水量大于補給量，土壤含水量呈下降趨勢，8月份達最低值。此時蘋果園土壤含水量僅為5.72%，這是由于蘋果處在果實膨大期(6月底—8月下旬)，耗水量較大。生長季后期(9—10月)是土壤水分補償期，植被需水量降低，植被蒸騰及土壤蒸發(fā)潛力弱，土壤水分進入恢復(fù)期，較8月份顯著增大。10月份降水量僅為1.7 mm，9—10月土壤含水量呈現(xiàn)下降趨勢，由于降雨集中于7—9月，占整個生長季降雨總量的76%，雨季后土壤含水量顯著超過雨季前水平。也超過年初4月份的值。這與延安在4月份溫度回暖、氣候干燥有關(guān)[10]。從表2可以看出，西面坡上的農(nóng)地土壤水分與荒草地相差不大，而紫穗槐灌叢則顯著地提高了坡地土壤水分值。這可能是由于紫穗槐是較好的耐旱樹種且耗水量小，能夠有效的增加土壤孔隙度，提高土壤的蓄水保水能力[11-12]。這也與紫穗槐灌叢退耕年限較短有關(guān)。

表2　不同植被類型下0-200 cm土層土壤水分季節(jié)變化　%

注：*同行不同字母代表差異達到0.05顯著水平。

圖2　不同植被類型下0-200 cm土層平均土壤含水量月動態(tài)

2.2　不同植被類型下土壤水分的垂直空間動態(tài)

為研究植被類型對土壤水分垂直空間變化的影響，根據(jù)黃土高原林、灌、草植被根系分布及土壤水分利用分層特點[13-16]，現(xiàn)將0—200 cm深度土層分為3個層次：淺層(0—40 cm)、中層(40—120 cm)、深層(120—200 cm)，選取雨季前的4月份、耗水量最大的8月份、雨季后的10月份觀測數(shù)據(jù)(見表3)分析土壤水分的垂直空間動態(tài)。

在4月份，同一植被類型下中層和深層土壤水分之間差異不大，此時植被處于生長初期，不會對深層土壤水分造成消耗。不同植被類型下表層土壤水分差異較大，紫穗槐灌叢(14.38%)和沙棘灌叢(6.94%)土壤含水量相差達7.44%，這與紫穗槐發(fā)芽晚有關(guān)。紫穗槐灌叢下表層和中層土壤含水量較荒草地高，檸條林、沙棘灌叢、蘋果園較荒草地低。農(nóng)地(谷子)的深層土壤含水量最高，蘋果園最低。

在8月份，不同植被類型下各層土壤含水量較接近，此時植被蒸騰耗水及土壤蒸發(fā)耗水量遠大于降水補給量，土壤含水量都處于低值。在表層，紫穗槐灌叢土壤含水量最低為5.59%。在中層和深層，蘋果園土壤含水量最低。

在10月份，同一植被類型下土壤水分隨土層深度呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。此時植被處在生長季末期，蒸騰耗水量減少，降水補給量開始大于蒸騰及蒸發(fā)消耗量，土壤水分處于恢復(fù)期，表層土壤水分開始向下層入滲，下層土壤得到更多的凈補給水分。表層土壤含水量排序為：紫穗槐灌叢>刺槐林>荒草地>檸條林>沙棘灌叢>農(nóng)地(谷子)>蘋果園。中層排序較表層變化不大：荒草地>刺槐林>紫穗槐灌叢>沙棘灌叢>檸條林>農(nóng)地(谷子)>蘋果園。深層排序較表層和中層出現(xiàn)較大的變化，排序為：紫穗槐灌叢>荒草地>蘋果園>農(nóng)地(谷子)>沙棘灌叢>刺槐林>檸條林。這一結(jié)果與沙棘、檸條、刺槐根系下扎較深有關(guān)，蘋果、谷子、荒草地它們根系一般集中于淺層，深根少有關(guān)?？梢钥闯?—200 cm土壤水分波動是不同植被類型生長耗水特性決定的。為了探究不同植被類型土壤水分的垂直變化規(guī)律，我們對10月份0—400 cm深度土層土壤水分動態(tài)進行研究(見圖3)。

表3　不同植被類型下土壤水分垂直空間差異

圖3　不同植被類型下10月土壤水分剖面

從圖3可以看出，在0—200 cm深度土層土壤水分隨深度的波動較大，其不同植被類型引起的土壤含水量差異尚存在不確定的先后差異。在200—400 cm深度土壤水分隨深度變化逐漸趨于穩(wěn)定，其土壤含水量大小呈現(xiàn)：紫穗槐灌叢>農(nóng)地(谷子)>荒草地>蘋果園>沙棘灌叢>檸條林>刺槐林。紫穗槐灌叢、農(nóng)地(谷子)含水量高于荒草地(9.98%)，分別高出4.98%，2.56%，沙棘灌叢(9.09%)，檸條林(7.72%)，刺槐林(7.56%)深層土壤含水量處于低值，不利于土壤水環(huán)境及其永續(xù)利用。

2.3　不同植被類型下土壤水分的時間穩(wěn)定性

表4為整個生長季(4—10月)不同植被類型下土壤水分時間變異系數(shù)隨土層深度的變化。

由表4可見，土壤水分時間變異系數(shù)大小順序為：農(nóng)地(0.30)<林地(0.37)<草(灌)地(0.39)，與王云強等[17]在黃土高原區(qū)域尺度上的研究結(jié)果(農(nóng)地(0.25)<林地(0.40)<草地(0.43))相一致。

在10—30 cm深度土層，土壤水分時間變異系數(shù)較大，這主要由于表層土壤水受降水、溫度、蒸發(fā)等因子的影響較大，水分變化劇烈。

在50—120 cm深度土層，時間變異系數(shù)依然較大，這主要由于植被根系耗水引起土壤水分有較大波動。在160—200 cm深度土層，時間變異系數(shù)趨于低值，土壤水分穩(wěn)定性增強。

表4　不同植被類型下土壤水分時間變異系數(shù)Cv

3結(jié) 論

從不同植被類型土壤水分的時間動態(tài)來看，研究區(qū)不同植被類型生長季(4—10月)0—200 cm深度土壤含水量大小呈現(xiàn)：紫穗槐灌叢>荒草地>農(nóng)地(谷子)>刺槐林>檸條林>沙棘灌叢>蘋果園。這說明以紫穗槐為恢復(fù)植被，至少在7 a內(nèi)和密度為1 500株/hm2低密度時，其對土壤水環(huán)境尚為補償效應(yīng)，而刺槐林、檸條林、沙棘灌叢、蘋果園土壤含水量低于荒草地，表明了此類植被在其達到完全郁閉或覆蓋時，會使得土壤水分處于過度消耗。

從不同植被類型土壤水分的垂直空間動態(tài)來看，0—200 cm深度土壤水分存在波動，200—400 cm深度土壤水分趨于穩(wěn)定，研究區(qū)不同植被類型下土壤水分垂直剖面分布具有較大差異。在表層(0—40 cm)，紫穗槐灌叢、刺槐林土壤含水量較高，沙棘灌叢、農(nóng)地(谷子)、蘋果園土壤含水量較低；在中層(40—120 cm)，荒草地土壤含水量最高，農(nóng)地(谷子)、蘋果園含水量依然處于低值；在深層(120—400 cm)，紫穗槐灌叢、農(nóng)地(谷子)土壤含水量高于荒草地，而沙棘灌叢、檸條林、刺槐林含水量較低。這種水分消耗在垂向的差異，應(yīng)是今后建造混交林的依據(jù)，結(jié)果有助于提出最優(yōu)化的植被配置模式，指導(dǎo)干旱區(qū)植被建設(shè)。

不同植被類型下土壤水分的時間穩(wěn)定性存在差異，0—200 cm深度土壤水分時間變異系數(shù)谷子農(nóng)地(0.30)<林地(0.37)<草(灌)地(0.39)，這與植被根系分布趨勢相一致。

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Dynamics of Soil Moisture Under Different Vegetation Types in Loess Hilly Area

ZHAO Chuanpu1, XU Xuexuan1,2, GAO Zhaoxia1, ZHANG Shaoni2

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofScienceand

MinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWater

Conservation,NorthwestAgriculturalandForestryUniversity,Yangling,Shaanxi712100 ,China)

Abstract：[Objective] To determine the spatial and temporal dynamics of soil moisture under different vegetation types in loess hilly area.[Methods] We studied the typical slope which was built in Yangou watershed of Yan’an City, Shaanxi Province in 1997. The soil moisture content was measured using drilling method from April to October in 2009 under seven vegetations(apple orchard, Robinia pseudoacacia forest, Hippophae rhamnoides scrubland, Caragana microphyllas forest, Amorpha fruticosa scrubland, grassland, farmland with Setaria talica) in the middle of each month.[Results] The average soil moisture(0—200 cm) in growing season(April to October) was: A.fruticosa scrubland>grassland>farmland(Setaria talica) >R. pseudoacacia forest > C. microphyllas forest > H. rhamnoides scrubland >apple orchard. Soil moisture under different vegetation types was significantly different in the vertical profile. The soil moisture of A.fruticosa scrubland and R. pseudoacacia forest was generally higher than that of grassland. In 0—40 cm, the soil moisture in H. rhamnoides farmland and apple orchard was lower than that in grassland. In 40—120 cm, soil moisture was highest in grassland and lowest in apple orchard. In 120—200 cm, soil moisture of amorpha shrub and farmland was higher than that of grassland, whereas the soil moisture of bushes trees and apple orchard was relatively lower. [Conclusion] The results revealed that C. microphyllas forest, R. pseudoacacia forest and H. rhamnoides scrubland made greater consumption of deep soil moisture, being harmful to the soil water environment and its sustainable utilization.

Keywords:loess hilly region; soil moisture; vegetation type; spatial-temporal variability

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0068-05

中圖分類號：S157.2

通信作者：徐學(xué)選(1966—),男(漢族),陜西省大荔縣人,博士，研究員,主要從事土壤水分生態(tài)方面研究。E-mail:xuxuexuan@nwsuaf.edu.cn。

收稿日期：2014-05-02修回日期：2014-05-23

資助項目：國家自然科學(xué)基金資助項目“黃土丘陵區(qū)小流域大氣降水—土壤水—地下水轉(zhuǎn)化行為機理研究”(41171421)； 中國科學(xué)院重點項目“近百年黃土高原侵蝕環(huán)境與水沙變化”(KZZD-EW-04-03)

第一作者：趙傳普(1990—),男(漢族),山東省臨沂市人,碩士研究生,研究方向為流域管理、水土保持。E-mail:chuanpu2008ok@163.com。