黃土高原丘陵區(qū)不同植被恢復(fù)方式下土壤水分特征
——以橋子溝流域?yàn)槔?/h1>
2017-09-07 06:36:09馬建業(yè)李占斌馬波王賀張樂濤李朝棟
中國水土保持科學(xué) 2017年4期
馬建業(yè),李占斌,馬波，王賀,張樂濤,李朝棟
(1．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌)
黃土高原丘陵區(qū)不同植被恢復(fù)方式下土壤水分特征
——以橋子溝流域?yàn)槔?/p>
馬建業(yè)1,李占斌2?,馬波1，王賀1,張樂濤2,李朝棟1
(1．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌)
對比流域； 質(zhì)量含水量； 氫氧同位素； 植被； 坡向
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于甘肅省天水市橋子溝小流域(E 105°42′22″～105°43′01″，N 34°36′19″～34°36′57″)，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)第3副區(qū)，流域面積2.45 km2。該區(qū)屬于干旱少雨的大陸性氣候，年均降水量526.1 mm，降水變幅大，年內(nèi)分配不均，5—10月降水占全年的83.5%；年均干旱指數(shù)1.3，年均氣溫11 ℃；土壤以黃土質(zhì)黑褐土和紅色黃土質(zhì)黑褐土型粗骨土為主。橋子溝流域按地形可分為橋子?xùn)|、西2條獨(dú)立的子流域，2子流域狀況基本相似，東溝面積1.36 km2，呈半扇形，干溝長2 km，溝道比降8%，為人工恢復(fù)流域，主要植物種有刺槐(Robiniapseudoacacia)、櫻桃(Cerasuspseudocerasus)、山杏(Armeniacasibirica)等。西溝1.09 km2，呈羽毛狀，干溝長2.18 km，溝道比降8%，為自然恢復(fù)流域，主要植物種有冰草(Agropyroncristatum)、車前草(Plantagodepressa)、白蒿(Leontopodiumdedekensii)等。
2 材料與方法
2.1 土壤樣品采集
土壤樣品采集于2015年雨季(5—8月)進(jìn)行，期間實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)降水量豐沛，植被生長茂盛。分別在橋子?xùn)|、西溝2對比小流域上游、中游、下游進(jìn)行采樣。每個(gè)樣地內(nèi)由坡腳沿坡面向上每隔5 m選取1個(gè)采樣點(diǎn)，共選取3個(gè)采樣點(diǎn)作為重復(fù)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，在西溝共選取4個(gè)坡面樣地，12個(gè)采樣點(diǎn)，在東溝流域共選取5個(gè)坡面樣地，18個(gè)采樣點(diǎn)。用GPS定位每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。以直徑為5 cm的土鉆，鉆取深度為0～2、2～4、5～15、15～25、25～35、35～45、45～65、65～85、85～100 cm，共9層土樣，采集后將一部分土樣裝入鋁盒用封口膜密封以測定土壤質(zhì)量含水量，將另一部分土樣盛裝于20 mL棕色玻璃試劑瓶中，密封并冷藏以測定土壤水氫氧同位素濃度。每層取2個(gè)土樣作為重復(fù)。分別于2015年5月22日、6月29日、7月24日和8月22日進(jìn)行4次采樣。每個(gè)樣地的植被類型、地形屬性、地貌特征等信息見表1。
流域Watershed編號(hào)No.區(qū)位Location坡度Slope/(°)坡向Aspect群落Community樣地位置Plotlocation1上游(UR)38東北(NE)冰草(AC)、車前(P)、白蒿(L)坡地(SF)橋子西溝QiaoziWestWatershed2中游(MR)30東南(SE)冰草(AC)、車前(P)、白蒿(L)坡地(SF)3下游(LR)35西北(NW)冰草(AC)、車前(P)、白蒿(L)坡地(SF)4下游(LR)28東南(SE)冰草(AC)、車前(P)、白蒿(L)坡地(SF)5上游(UR)34北(NN)刺槐(R)壩上坡地(USD)6上游(UR)25南(SS)刺槐(R)壩上坡地(USD)橋子?xùn)|溝QiaoziEastWatershed7中游(MR)25西(WW)刺槐(R)坡地(SF)8中游(MR)10東北(NE)刺槐(R)坡地(SF)9下游(LR)3西北(NW)刺槐(R)坡地(SF)
Note:UR,MR,and LR are upper reaches,middle reaches,and lower reaches.NW,SE,NN,WW and NE are northwest,southeast,north,north,west and northeast.AC,P,L and R areAgropyroncristatum,Plantagodepressa,LeontopodiumdedekensiiandRobiniapseudoacacia.SF and USD are sloping field and upstream slop of dam.
土樣在室內(nèi)用烘干法在105 ℃下烘干10 h以上。土壤含水量由以下計(jì)算公式得到：
W=(W1-W2)/W2×100。
式中：W為所測樣品的土壤含水量，%；W1為烘干前土壤樣品質(zhì)量，g；W2為烘干后土壤樣品質(zhì)量，g。
2.2 降水樣品采集
在每個(gè)試驗(yàn)樣地坡面上方，均使用木樁固定1個(gè)J16022型雨量筒，用以收集降水樣品。布設(shè)前，向雨量筒內(nèi)雨水收集器中加入適量液體石蠟油防止水分蒸發(fā)。采集降水樣時(shí)，使用15 mL一次性注射器抽取石蠟油層以下的水層部分，將采集到的降水樣品盛裝于15 mL棕色玻璃試劑瓶中，擰緊瓶蓋并用封口膜密封，以防止水分蒸發(fā)損失。采集完成后，將樣品及時(shí)放入冰箱中冷藏以保證良好的測試結(jié)果。
2.3 氫氧同位素測定
將土壤樣品帶回西安理工大學(xué)水資源研究所實(shí)驗(yàn)室，使用LI- 2000液態(tài)水真空抽提系統(tǒng)(LICA,China)進(jìn)行土壤水抽提。全部樣品均使用DLI- 100型液態(tài)同位素激光分析儀LGR LWIA (Los Ga— tos Research Inc,USA)進(jìn)行D和18O的測定，結(jié)果以同位素比率δ表示：
δX=(RSample/RStandard-1)×1 000‰。
2.4 數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2010對每個(gè)流域各個(gè)采樣點(diǎn)4次采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，并挑選出2個(gè)流域各坡向的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值計(jì)算，用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。Excel 2010軟件進(jìn)行作圖。
3 結(jié)果與分析
3.1 土壤含水量對降水量的響應(yīng)
(a) 土壤含水量隨降雨量的變化(a) Variation of soil moisture content with precipitation (b) 土壤水中關(guān)系(:concentration of 18O,δD:concentration of D)圖1 0～100 cm土壤水分與月均降水量響應(yīng)關(guān)系Fig.1 Response of soil moisture to monthly mean precipitation in 0-100 cm
圖1(a)表示0～100 cm土層平均質(zhì)量含水量與采樣間隔期內(nèi)平均降水量的關(guān)系，以5月22日土壤含水量為前期含水量，2對比流域土壤含水量隨降水量均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。5月22日—8月22日采樣期間平均降水量分別為38.8、27.8和22.3 mm，5月土壤水分經(jīng)過降水補(bǔ)充，使得6月西溝土壤含水量增加5.46%，東溝增加4.14%。7月由于降水量的減少，比6月土壤含水量分別減少7.41%和3.78%；8月的含水量比7月分別減少3.78%和2.20%，表明西溝流域0～100 cm土層含水量對降水量的響應(yīng)強(qiáng)于東溝。
3.2 不同土層土壤水分特征
2對比流域不同土層平均土壤含水量的變異系數(shù)見表2，各層含水量變異系數(shù)均表現(xiàn)為隨土層深度增加而減小，下層土壤含水量較為穩(wěn)定，受降水量、蒸發(fā)、地形等外界因素的影響較小。西溝各層土壤含水量變異系數(shù)為0.09～0.53，東溝為0.11～0.56，除15～35 cm土層變異系數(shù)低于西溝，其他土層變異系數(shù)均較高。表明東溝各土層土壤含水量的穩(wěn)定性較差，受外界條件的影響較大。
表2 橋子溝流域不同深度土壤含水量變異系數(shù)Tab.2 Variation coefficient of soil water content in different depth of Qiaozi Watershed
圖2為土壤含水量隨土層深度的分布。如圖2(a)所示，西溝0～100 cm土層平均含水量為15.96%，較東溝 (12.83%) 高3.13%。2流域土壤含水量隨土層深度均表現(xiàn)為先減小后增大，0～10 cm為土壤含水量減小層，10～30 cm為過渡層，含水量變化不大，30～95 cm為增加層。東溝流域75～95 cm土層含水量出現(xiàn)異常增大，增幅約占30～95 cm土層含水總增幅的59%。
(a) V土壤含水量隨土層的變化 隨土層的變化(a) Variation of soil moisture content with the soil depth 圖2 土壤水分隨土層深度的變化Fig.2 Variation of soil moisture with the soil depth
3.3 坡向?qū)ν寥浪值挠绊?/p>
圖3 不同坡向土壤水分分布Fig.3 Distribution of soil moisture in different slope aspects
4 討論
土壤水分隨土層深度的變化與地形、土地利用方式、植被類型、根系密度及深度等因素有關(guān)[14]。本實(shí)驗(yàn)中以自然恢復(fù)荒草地為主的西溝流域0～100 cm土層含水量高于以人工恢復(fù)刺槐林地為主的東溝流域，各土層變異系數(shù)較低，可能是因東溝主要恢復(fù)植物種刺槐為多年生木本植物，生長發(fā)育周期較長，根系密度大，20～140 cm土層為主要吸水層[15]，主要吸水深度隨著降水量的變化而不斷移動(dòng)[16]，對土壤水分的影響較大；同時(shí)由于林冠截留影響，從草地到林地土壤可補(bǔ)給水量減少25%～45%，植被的蒸騰作用也會(huì)加強(qiáng)土壤水分像空氣中散失[17]，使刺槐林地土壤水分長期處于欠飽和狀態(tài)，各層土壤含水量變異系數(shù)較高。以荒草地自然恢復(fù)為主的流域由于植被水分利用深度較小，地表存在較多的地面枯草層，蒸散量較小、土壤水庫儲(chǔ)存量較高[18]，變異系數(shù)較低。
地形因子通過影響坡面的光照、氣溫、降水等性質(zhì)，使土壤水分存在較大差異。西溝陰坡由于接受太陽輻射少，蒸發(fā)強(qiáng)度較小，植被生長茂盛，枯草層較厚，能有效攔截徑流，使更多的降水以入滲的形式儲(chǔ)存于土壤水庫，導(dǎo)致陰坡含水量較高，植被茂密的根系使得土壤疏松多孔，對蒸發(fā)敏感性較強(qiáng)，其蒸發(fā)深度較大。東溝流域由于林地的蒸騰蒸發(fā)作用較強(qiáng)，各坡向土壤含水量相近且都低于西溝，刺槐屬于深根系植物，對下層土壤改良效果較好，蒸發(fā)影響深度較深。研究表明極端強(qiáng)降雨過后，植被成為影響土壤水分的決定因子[19]。說明坡向等地形因子對土壤水分的作用受植被因子的制約，植被是造成土壤水庫變動(dòng)的主要因素，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，以自然恢復(fù)荒草地為主的恢復(fù)模式能夠較大的提升土壤水庫蓄水量，增強(qiáng)植被的抗旱性。
5 結(jié)論
不同植被恢復(fù)方式下土壤水分及其在土層中的分布存在明顯差異。以刺槐林地為主的流域0～100 cm土層土壤水受到的蒸發(fā)分餾作用較強(qiáng)，最大蒸發(fā)深度約為55 cm，土壤含水量對降水量的響應(yīng)較低，受坡向影響較小，各土層變異系數(shù)較高。以荒草地為主的流域最大蒸發(fā)深度為30 cm，土壤含水量受降水量的影響較大，各坡向之間土壤含水量差異較大，各土層變異系數(shù)較低；但是2流域各層含水量變異系數(shù)均隨深度增加而減小。
[1] 姜漢僑,段昌群,楊樹華,等.植物生態(tài)學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004:115.JIANG Hanqiao,DUAN Changqun,YANG Shuhua,et al.Phytoecology [M].Beijing:Higher Education Press,2004:115.
[2] SIMMONS M T，ARCHER S R，TEAGUE W R,et al．Tree (Prosopisglandulosa) effects on grass growth:an experimental assessment of above-and below ground interactions in a temperate savanna [J].Journal of Arid Environments,2008,72(4):314．
[3] 李玲芬,延軍平,劉冬梅,等.干旱- 半干旱地區(qū)不同植被條件下土壤含水量變化及植被建設(shè)途徑分析.水土保持通報(bào),2009,1:22.LI Lingfen,YAN Junping,LIU Dongmei,et al.Variation of soil moisture in arid and semi-arid areas under different vegetation and the ways of ecological construction [J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2009,1:22.
[4] 黃志剛,歐陽志云,李鋒瑞,等.南方丘陵區(qū)不同坡地利用方式土壤水分動(dòng)態(tài)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(6):3136.HUANG Zhigang,OUYANG Zhiyun,LI Fengrui,et al.Spatial and temporal dynamics in soil water storage under different use types of sloping fields:a case study in a high land region of southern China [J].Acta Ecologica Sinica,2009,29(6):3136.
[5] 陳洪松,邵明安,王克林.黃土區(qū)深層土壤干燥化與土壤水分循環(huán)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(10):2491.CHEN Hongsong,SHAO Ming’an,WANG Kelin.Desiccation of deep soil layer and soil water cycle characteristics on the Loess Plateau [J].Acta Ecologica Sinica,2005,25(10):2491.
[6] FAMIGLIETTI J S,RUDNICK J W,RODLL M.Variability in surface moisture content along a hill slope transect:Rattlesnake Hill,Texas [J].Journal of Hydrology,1998,2(10):259.
[7] 張小娟,宋維峰,王卓娟.應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)研究土壤水的原理與方法[J].亞熱帶水土保持,2015,1:32 ZHANG Xiaojuan,SONG Weifeng,WANG Zhuojuan.The principle and method of soil water isotope technology research and application [J].Subtropical Soil and Water Conservation,2015,1:32.
[8] LEE K S,KIM J M,LEE D R,et al.Analysis of water movement through an unsaturated soil zone in Jeju Island,Korea using stable oxygen and hydrogen isotopes [J].Journal of Hydrology,2007,345(3/4):199.
[9] 王賀,李占斌,馬波,等.黃土高原丘陵溝壑區(qū)流域不同水體氫氧同位素特征：以紙坊溝流域?yàn)槔齕J].水土保持學(xué)報(bào),2016(4):85.WANG He,LI Zhanbin,MA Bo,et al.Characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in different waters of the loess hilly and gully region:a case study of the Zhifanggou watershed [J].Journal of Soil Water Conservation,2016(4):85.
[10] 謝媛媛,余新曉,張滿良.基于GIS的橋子溝流域土壤侵蝕初步分析[J].水土保持研究,2005(5):267.XIE Yuanyuan,YU Xinxiao,ZHANG Manliang,Primary analysis of soil erosion intensity in Qiaozigou watershed based on GIS [J].Research of Soil and Water Conservation,2005(5):267.
[11] 王賀,李占斌,馬波,等.黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同水體間轉(zhuǎn)化特征：以韭園溝流域?yàn)槔齕J].中國水土保持科學(xué),2016(3):19.WANG He,LI Zhanbin,MA Bo,et al.Characteristics of waters transformation in the hilly and gully region of the Loess Plateau:a case study of the Jiuyuangou watershed [J].Research of Soil and Water Conservation,2016(3):19.
[12] CRAIG H.Isotopic variation switch meteoric water [J].Science,1961,133:1702.
[13] 姚西文.紙坊溝流域淤地壩壩地水分環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展[J].甘肅水利水電技術(shù),2004,4:384.YAO Xiwen.Check dam land water environment and sustainable development of the Zhifanggou watershed [J].Gansu Water Conservancy and Hydropower Technology,2004,4:384.
[14] 馬非,張亞紅,謝應(yīng)忠.半干旱黃土高原丘陵區(qū)不同植被條件下土壤水分研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)研究,2007,1:76.MA Fei,ZHANG Yanghong,XIE Yingzhong.Progress of the soil moisture under different vegetation conditions in semi-arid hill area of the Loess Plateau [J].Journal of Agricultural Sciences,2007,1:76.
[15] 曹揚(yáng),趙忠,渠美,等.刺槐根系對深層土壤水分的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,5:765.CAO Yang,ZHAO Zhong,QU Mei,et al.Effects ofRobiniapseudoacaciaroots on deep soil moisture status [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2006,5:765.
[16] 張鐵鋼,李占斌,李鵬,等.土石山區(qū)不同植物土壤水分利用方式對降雨的響應(yīng)特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2016(5):1461.ZHANG Tiegang,LI Zhanbin,LI Peng,et al.Response characteristics of soil water use patterns by different plants to precipitation in rocky mountainous area [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2016(5):1461.
[17] 李海防,衛(wèi)偉,陳利頂,等.黃土高原林草地覆蓋土壤水量平衡研究進(jìn)展[J].水土保持研究,2013(1):287.LI Haifang,WEI Wei,CHEN Liding,et al.Progress in the study of soil water balance under forest and grassland covers on the Loess Plateau [J].Research of Soil and Water Conservation,2013(1):287.
[18] 楊永東,張建生,蔡國軍,等.黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同植被類型土壤水分動(dòng)態(tài)變化[J].水土保持研究,2008(4):149.YANG Yongdong,ZHANG Jianjun,CAI Guojun,et al.Soil water dynamics of different vegetation in gully and hilly regions of the Loess Plateau[J].Research of Soil and Water Conservation,2008(4):149.
[19] 尹秋龍,焦菊英,寇萌.極端強(qiáng)降雨條件下黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被類型土壤水分特征[J].自然資源學(xué)報(bào),2015(3):459.YIN Qiulong,JIAO Junying,KOU Meng.The soil moisture characteristics under different vegetation types after extremely heavy rainfall on the hilly-gullied Loess Plateau [J].Journal of Natural Resources,2015(3):459.
Soil water characteristics under different vegetation recovery modes in hilly and gully region of the Loess Plateau:A case study of the Qiaozigou Watershed
MA Jianye1,LI Zhanbin2,MA Bo1,WANG He1,ZHANG Letao2,LI Chaodong1
(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China; 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,CAS & MWR,712100,Yangling,Shaanxi,China)
paired watershed; soil mass water content; hydrogen and oxygen isotope; vegetation; slope aspect
2017-01-09
2017-05-17
項(xiàng)目名稱：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)—水文響應(yīng)研究機(jī)理”(41330858)；西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金(2452015345)
馬建業(yè)( 1995— )，男，碩士研究生。主要研究方向：流域生態(tài)水文。E-mail:Majianye126@126.com
?通信作者簡介：李占斌(1962—)，男，博士，研究員。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail:zhanbinli@126.com
P344
A
2096-2673(2017)04-0008-08
10.16843/j.sswc.2017.04.002
猜你喜歡
內(nèi)蒙古小東溝花崗巖體特征及找礦意義云南化工(2021年6期)2021-12-21 07:31:24 革命中的傳統(tǒng)鄉(xiāng)村轉(zhuǎn)型之路*——《西溝：一個(gè)晉東南典型鄉(xiāng)村的革命、生產(chǎn)及歷史記憶(1943-1983)》述評
農(nóng)業(yè)考古(2021年4期)2021-12-14 03:53:25 河南西溝鉬礦床地質(zhì)特征及控礦因素礦產(chǎn)勘查(2020年4期)2020-12-28 00:29:48 刺槐造林技術(shù)及病蟲害防治方法探究現(xiàn)代園藝(2020年2期)2020-12-22 05:57:04 東溝別滿族文學(xué)(2019年5期)2019-10-08 06:46:23 刺槐樹小溪流(故事作文)(2018年10期)2018-12-28 10:45:08 刺槐造林和病蟲害防治技術(shù)探討現(xiàn)代園藝(2018年2期)2018-03-15 08:00:12 刺槐無性系生態(tài)適應(yīng)性差異研究山東林業(yè)科技(2016年5期)2016-07-05 00:43:00 西溝流域徑流量變化特征及影響因素科技尚品(2016年1期)2016-05-30 07:58:08 東溝“84.6”暴雨洪水分析水利科技與經(jīng)濟(jì)(2016年6期)2016-04-22 05:08:12
馬建業(yè),李占斌,馬波，王賀,張樂濤,李朝棟
(1．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌)
黃土高原丘陵區(qū)不同植被恢復(fù)方式下土壤水分特征
——以橋子溝流域?yàn)槔?/p>
馬建業(yè)1,李占斌2?,馬波1，王賀1,張樂濤2,李朝棟1
(1．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌)
對比流域； 質(zhì)量含水量； 氫氧同位素； 植被； 坡向
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于甘肅省天水市橋子溝小流域(E 105°42′22″～105°43′01″，N 34°36′19″～34°36′57″)，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)第3副區(qū)，流域面積2.45 km2。該區(qū)屬于干旱少雨的大陸性氣候，年均降水量526.1 mm，降水變幅大，年內(nèi)分配不均，5—10月降水占全年的83.5%；年均干旱指數(shù)1.3，年均氣溫11 ℃；土壤以黃土質(zhì)黑褐土和紅色黃土質(zhì)黑褐土型粗骨土為主。橋子溝流域按地形可分為橋子?xùn)|、西2條獨(dú)立的子流域，2子流域狀況基本相似，東溝面積1.36 km2，呈半扇形，干溝長2 km，溝道比降8%，為人工恢復(fù)流域，主要植物種有刺槐(Robiniapseudoacacia)、櫻桃(Cerasuspseudocerasus)、山杏(Armeniacasibirica)等。西溝1.09 km2，呈羽毛狀，干溝長2.18 km，溝道比降8%，為自然恢復(fù)流域，主要植物種有冰草(Agropyroncristatum)、車前草(Plantagodepressa)、白蒿(Leontopodiumdedekensii)等。
2 材料與方法
2.1 土壤樣品采集
土壤樣品采集于2015年雨季(5—8月)進(jìn)行，期間實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)降水量豐沛，植被生長茂盛。分別在橋子?xùn)|、西溝2對比小流域上游、中游、下游進(jìn)行采樣。每個(gè)樣地內(nèi)由坡腳沿坡面向上每隔5 m選取1個(gè)采樣點(diǎn)，共選取3個(gè)采樣點(diǎn)作為重復(fù)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，在西溝共選取4個(gè)坡面樣地，12個(gè)采樣點(diǎn)，在東溝流域共選取5個(gè)坡面樣地，18個(gè)采樣點(diǎn)。用GPS定位每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。以直徑為5 cm的土鉆，鉆取深度為0～2、2～4、5～15、15～25、25～35、35～45、45～65、65～85、85～100 cm，共9層土樣，采集后將一部分土樣裝入鋁盒用封口膜密封以測定土壤質(zhì)量含水量，將另一部分土樣盛裝于20 mL棕色玻璃試劑瓶中，密封并冷藏以測定土壤水氫氧同位素濃度。每層取2個(gè)土樣作為重復(fù)。分別于2015年5月22日、6月29日、7月24日和8月22日進(jìn)行4次采樣。每個(gè)樣地的植被類型、地形屬性、地貌特征等信息見表1。
流域Watershed編號(hào)No.區(qū)位Location坡度Slope/(°)坡向Aspect群落Community樣地位置Plotlocation1上游(UR)38東北(NE)冰草(AC)、車前(P)、白蒿(L)坡地(SF)橋子西溝QiaoziWestWatershed2中游(MR)30東南(SE)冰草(AC)、車前(P)、白蒿(L)坡地(SF)3下游(LR)35西北(NW)冰草(AC)、車前(P)、白蒿(L)坡地(SF)4下游(LR)28東南(SE)冰草(AC)、車前(P)、白蒿(L)坡地(SF)5上游(UR)34北(NN)刺槐(R)壩上坡地(USD)6上游(UR)25南(SS)刺槐(R)壩上坡地(USD)橋子?xùn)|溝QiaoziEastWatershed7中游(MR)25西(WW)刺槐(R)坡地(SF)8中游(MR)10東北(NE)刺槐(R)坡地(SF)9下游(LR)3西北(NW)刺槐(R)坡地(SF)
Note:UR,MR,and LR are upper reaches,middle reaches,and lower reaches.NW,SE,NN,WW and NE are northwest,southeast,north,north,west and northeast.AC,P,L and R areAgropyroncristatum,Plantagodepressa,LeontopodiumdedekensiiandRobiniapseudoacacia.SF and USD are sloping field and upstream slop of dam.
土樣在室內(nèi)用烘干法在105 ℃下烘干10 h以上。土壤含水量由以下計(jì)算公式得到：
W=(W1-W2)/W2×100。
式中：W為所測樣品的土壤含水量，%；W1為烘干前土壤樣品質(zhì)量，g；W2為烘干后土壤樣品質(zhì)量，g。
2.2 降水樣品采集
在每個(gè)試驗(yàn)樣地坡面上方，均使用木樁固定1個(gè)J16022型雨量筒，用以收集降水樣品。布設(shè)前，向雨量筒內(nèi)雨水收集器中加入適量液體石蠟油防止水分蒸發(fā)。采集降水樣時(shí)，使用15 mL一次性注射器抽取石蠟油層以下的水層部分，將采集到的降水樣品盛裝于15 mL棕色玻璃試劑瓶中，擰緊瓶蓋并用封口膜密封，以防止水分蒸發(fā)損失。采集完成后，將樣品及時(shí)放入冰箱中冷藏以保證良好的測試結(jié)果。
2.3 氫氧同位素測定
將土壤樣品帶回西安理工大學(xué)水資源研究所實(shí)驗(yàn)室，使用LI- 2000液態(tài)水真空抽提系統(tǒng)(LICA,China)進(jìn)行土壤水抽提。全部樣品均使用DLI- 100型液態(tài)同位素激光分析儀LGR LWIA (Los Ga— tos Research Inc,USA)進(jìn)行D和18O的測定，結(jié)果以同位素比率δ表示：
δX=(RSample/RStandard-1)×1 000‰。
2.4 數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2010對每個(gè)流域各個(gè)采樣點(diǎn)4次采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，并挑選出2個(gè)流域各坡向的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值計(jì)算，用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。Excel 2010軟件進(jìn)行作圖。
3 結(jié)果與分析
3.1 土壤含水量對降水量的響應(yīng)
(a) 土壤含水量隨降雨量的變化(a) Variation of soil moisture content with precipitation (b) 土壤水中關(guān)系(:concentration of 18O,δD:concentration of D)圖1 0～100 cm土壤水分與月均降水量響應(yīng)關(guān)系Fig.1 Response of soil moisture to monthly mean precipitation in 0-100 cm
圖1(a)表示0～100 cm土層平均質(zhì)量含水量與采樣間隔期內(nèi)平均降水量的關(guān)系，以5月22日土壤含水量為前期含水量，2對比流域土壤含水量隨降水量均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。5月22日—8月22日采樣期間平均降水量分別為38.8、27.8和22.3 mm，5月土壤水分經(jīng)過降水補(bǔ)充，使得6月西溝土壤含水量增加5.46%，東溝增加4.14%。7月由于降水量的減少，比6月土壤含水量分別減少7.41%和3.78%；8月的含水量比7月分別減少3.78%和2.20%，表明西溝流域0～100 cm土層含水量對降水量的響應(yīng)強(qiáng)于東溝。
3.2 不同土層土壤水分特征
2對比流域不同土層平均土壤含水量的變異系數(shù)見表2，各層含水量變異系數(shù)均表現(xiàn)為隨土層深度增加而減小，下層土壤含水量較為穩(wěn)定，受降水量、蒸發(fā)、地形等外界因素的影響較小。西溝各層土壤含水量變異系數(shù)為0.09～0.53，東溝為0.11～0.56，除15～35 cm土層變異系數(shù)低于西溝，其他土層變異系數(shù)均較高。表明東溝各土層土壤含水量的穩(wěn)定性較差，受外界條件的影響較大。
表2 橋子溝流域不同深度土壤含水量變異系數(shù)Tab.2 Variation coefficient of soil water content in different depth of Qiaozi Watershed
圖2為土壤含水量隨土層深度的分布。如圖2(a)所示，西溝0～100 cm土層平均含水量為15.96%，較東溝 (12.83%) 高3.13%。2流域土壤含水量隨土層深度均表現(xiàn)為先減小后增大，0～10 cm為土壤含水量減小層，10～30 cm為過渡層，含水量變化不大，30～95 cm為增加層。東溝流域75～95 cm土層含水量出現(xiàn)異常增大，增幅約占30～95 cm土層含水總增幅的59%。
(a) V土壤含水量隨土層的變化 隨土層的變化(a) Variation of soil moisture content with the soil depth 圖2 土壤水分隨土層深度的變化Fig.2 Variation of soil moisture with the soil depth
3.3 坡向?qū)ν寥浪值挠绊?/p>
圖3 不同坡向土壤水分分布Fig.3 Distribution of soil moisture in different slope aspects
4 討論
土壤水分隨土層深度的變化與地形、土地利用方式、植被類型、根系密度及深度等因素有關(guān)[14]。本實(shí)驗(yàn)中以自然恢復(fù)荒草地為主的西溝流域0～100 cm土層含水量高于以人工恢復(fù)刺槐林地為主的東溝流域，各土層變異系數(shù)較低，可能是因東溝主要恢復(fù)植物種刺槐為多年生木本植物，生長發(fā)育周期較長，根系密度大，20～140 cm土層為主要吸水層[15]，主要吸水深度隨著降水量的變化而不斷移動(dòng)[16]，對土壤水分的影響較大；同時(shí)由于林冠截留影響，從草地到林地土壤可補(bǔ)給水量減少25%～45%，植被的蒸騰作用也會(huì)加強(qiáng)土壤水分像空氣中散失[17]，使刺槐林地土壤水分長期處于欠飽和狀態(tài)，各層土壤含水量變異系數(shù)較高。以荒草地自然恢復(fù)為主的流域由于植被水分利用深度較小，地表存在較多的地面枯草層，蒸散量較小、土壤水庫儲(chǔ)存量較高[18]，變異系數(shù)較低。
地形因子通過影響坡面的光照、氣溫、降水等性質(zhì)，使土壤水分存在較大差異。西溝陰坡由于接受太陽輻射少，蒸發(fā)強(qiáng)度較小，植被生長茂盛，枯草層較厚，能有效攔截徑流，使更多的降水以入滲的形式儲(chǔ)存于土壤水庫，導(dǎo)致陰坡含水量較高，植被茂密的根系使得土壤疏松多孔，對蒸發(fā)敏感性較強(qiáng)，其蒸發(fā)深度較大。東溝流域由于林地的蒸騰蒸發(fā)作用較強(qiáng)，各坡向土壤含水量相近且都低于西溝，刺槐屬于深根系植物，對下層土壤改良效果較好，蒸發(fā)影響深度較深。研究表明極端強(qiáng)降雨過后，植被成為影響土壤水分的決定因子[19]。說明坡向等地形因子對土壤水分的作用受植被因子的制約，植被是造成土壤水庫變動(dòng)的主要因素，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，以自然恢復(fù)荒草地為主的恢復(fù)模式能夠較大的提升土壤水庫蓄水量，增強(qiáng)植被的抗旱性。
5 結(jié)論
不同植被恢復(fù)方式下土壤水分及其在土層中的分布存在明顯差異。以刺槐林地為主的流域0～100 cm土層土壤水受到的蒸發(fā)分餾作用較強(qiáng)，最大蒸發(fā)深度約為55 cm，土壤含水量對降水量的響應(yīng)較低，受坡向影響較小，各土層變異系數(shù)較高。以荒草地為主的流域最大蒸發(fā)深度為30 cm，土壤含水量受降水量的影響較大，各坡向之間土壤含水量差異較大，各土層變異系數(shù)較低；但是2流域各層含水量變異系數(shù)均隨深度增加而減小。
[1] 姜漢僑,段昌群,楊樹華,等.植物生態(tài)學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004:115.JIANG Hanqiao,DUAN Changqun,YANG Shuhua,et al.Phytoecology [M].Beijing:Higher Education Press,2004:115.
[2] SIMMONS M T，ARCHER S R，TEAGUE W R,et al．Tree (Prosopisglandulosa) effects on grass growth:an experimental assessment of above-and below ground interactions in a temperate savanna [J].Journal of Arid Environments,2008,72(4):314．
[3] 李玲芬,延軍平,劉冬梅,等.干旱- 半干旱地區(qū)不同植被條件下土壤含水量變化及植被建設(shè)途徑分析.水土保持通報(bào),2009,1:22.LI Lingfen,YAN Junping,LIU Dongmei,et al.Variation of soil moisture in arid and semi-arid areas under different vegetation and the ways of ecological construction [J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2009,1:22.
[4] 黃志剛,歐陽志云,李鋒瑞,等.南方丘陵區(qū)不同坡地利用方式土壤水分動(dòng)態(tài)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(6):3136.HUANG Zhigang,OUYANG Zhiyun,LI Fengrui,et al.Spatial and temporal dynamics in soil water storage under different use types of sloping fields:a case study in a high land region of southern China [J].Acta Ecologica Sinica,2009,29(6):3136.
[5] 陳洪松,邵明安,王克林.黃土區(qū)深層土壤干燥化與土壤水分循環(huán)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(10):2491.CHEN Hongsong,SHAO Ming’an,WANG Kelin.Desiccation of deep soil layer and soil water cycle characteristics on the Loess Plateau [J].Acta Ecologica Sinica,2005,25(10):2491.
[6] FAMIGLIETTI J S,RUDNICK J W,RODLL M.Variability in surface moisture content along a hill slope transect:Rattlesnake Hill,Texas [J].Journal of Hydrology,1998,2(10):259.
[7] 張小娟,宋維峰,王卓娟.應(yīng)用氫氧同位素技術(shù)研究土壤水的原理與方法[J].亞熱帶水土保持,2015,1:32 ZHANG Xiaojuan,SONG Weifeng,WANG Zhuojuan.The principle and method of soil water isotope technology research and application [J].Subtropical Soil and Water Conservation,2015,1:32.
[8] LEE K S,KIM J M,LEE D R,et al.Analysis of water movement through an unsaturated soil zone in Jeju Island,Korea using stable oxygen and hydrogen isotopes [J].Journal of Hydrology,2007,345(3/4):199.
[9] 王賀,李占斌,馬波,等.黃土高原丘陵溝壑區(qū)流域不同水體氫氧同位素特征：以紙坊溝流域?yàn)槔齕J].水土保持學(xué)報(bào),2016(4):85.WANG He,LI Zhanbin,MA Bo,et al.Characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in different waters of the loess hilly and gully region:a case study of the Zhifanggou watershed [J].Journal of Soil Water Conservation,2016(4):85.
[10] 謝媛媛,余新曉,張滿良.基于GIS的橋子溝流域土壤侵蝕初步分析[J].水土保持研究,2005(5):267.XIE Yuanyuan,YU Xinxiao,ZHANG Manliang,Primary analysis of soil erosion intensity in Qiaozigou watershed based on GIS [J].Research of Soil and Water Conservation,2005(5):267.
[11] 王賀,李占斌,馬波,等.黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同水體間轉(zhuǎn)化特征：以韭園溝流域?yàn)槔齕J].中國水土保持科學(xué),2016(3):19.WANG He,LI Zhanbin,MA Bo,et al.Characteristics of waters transformation in the hilly and gully region of the Loess Plateau:a case study of the Jiuyuangou watershed [J].Research of Soil and Water Conservation,2016(3):19.
[12] CRAIG H.Isotopic variation switch meteoric water [J].Science,1961,133:1702.
[13] 姚西文.紙坊溝流域淤地壩壩地水分環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展[J].甘肅水利水電技術(shù),2004,4:384.YAO Xiwen.Check dam land water environment and sustainable development of the Zhifanggou watershed [J].Gansu Water Conservancy and Hydropower Technology,2004,4:384.
[14] 馬非,張亞紅,謝應(yīng)忠.半干旱黃土高原丘陵區(qū)不同植被條件下土壤水分研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)研究,2007,1:76.MA Fei,ZHANG Yanghong,XIE Yingzhong.Progress of the soil moisture under different vegetation conditions in semi-arid hill area of the Loess Plateau [J].Journal of Agricultural Sciences,2007,1:76.
[15] 曹揚(yáng),趙忠,渠美,等.刺槐根系對深層土壤水分的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,5:765.CAO Yang,ZHAO Zhong,QU Mei,et al.Effects ofRobiniapseudoacaciaroots on deep soil moisture status [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2006,5:765.
[16] 張鐵鋼,李占斌,李鵬,等.土石山區(qū)不同植物土壤水分利用方式對降雨的響應(yīng)特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2016(5):1461.ZHANG Tiegang,LI Zhanbin,LI Peng,et al.Response characteristics of soil water use patterns by different plants to precipitation in rocky mountainous area [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2016(5):1461.
[17] 李海防,衛(wèi)偉,陳利頂,等.黃土高原林草地覆蓋土壤水量平衡研究進(jìn)展[J].水土保持研究,2013(1):287.LI Haifang,WEI Wei,CHEN Liding,et al.Progress in the study of soil water balance under forest and grassland covers on the Loess Plateau [J].Research of Soil and Water Conservation,2013(1):287.
[18] 楊永東,張建生,蔡國軍,等.黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同植被類型土壤水分動(dòng)態(tài)變化[J].水土保持研究,2008(4):149.YANG Yongdong,ZHANG Jianjun,CAI Guojun,et al.Soil water dynamics of different vegetation in gully and hilly regions of the Loess Plateau[J].Research of Soil and Water Conservation,2008(4):149.
[19] 尹秋龍,焦菊英,寇萌.極端強(qiáng)降雨條件下黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被類型土壤水分特征[J].自然資源學(xué)報(bào),2015(3):459.YIN Qiulong,JIAO Junying,KOU Meng.The soil moisture characteristics under different vegetation types after extremely heavy rainfall on the hilly-gullied Loess Plateau [J].Journal of Natural Resources,2015(3):459.
Soil water characteristics under different vegetation recovery modes in hilly and gully region of the Loess Plateau:A case study of the Qiaozigou Watershed
MA Jianye1,LI Zhanbin2,MA Bo1,WANG He1,ZHANG Letao2,LI Chaodong1
(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China; 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,CAS & MWR,712100,Yangling,Shaanxi,China)
paired watershed; soil mass water content; hydrogen and oxygen isotope; vegetation; slope aspect
2017-01-09
2017-05-17
項(xiàng)目名稱：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)—水文響應(yīng)研究機(jī)理”(41330858)；西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金(2452015345)
馬建業(yè)( 1995— )，男，碩士研究生。主要研究方向：流域生態(tài)水文。E-mail:Majianye126@126.com
?通信作者簡介：李占斌(1962—)，男，博士，研究員。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail:zhanbinli@126.com
P344
A
2096-2673(2017)04-0008-08
10.16843/j.sswc.2017.04.002
猜你喜歡
云南化工(2021年6期)2021-12-21 07:31:24
農(nóng)業(yè)考古(2021年4期)2021-12-14 03:53:25
礦產(chǎn)勘查(2020年4期)2020-12-28 00:29:48
現(xiàn)代園藝(2020年2期)2020-12-22 05:57:04
滿族文學(xué)(2019年5期)2019-10-08 06:46:23
小溪流(故事作文)(2018年10期)2018-12-28 10:45:08
現(xiàn)代園藝(2018年2期)2018-03-15 08:00:12
山東林業(yè)科技(2016年5期)2016-07-05 00:43:00
科技尚品(2016年1期)2016-05-30 07:58:08
水利科技與經(jīng)濟(jì)(2016年6期)2016-04-22 05:08:12
