趙佰禮，李元臻，張曉華，李文海，李 琳，范之軍，楊 雄

(1.武威市生態(tài)建設(shè)(集團(tuán))有限公司，甘肅 武威 733000；2.武威市人力資源與保障局 人才交流開發(fā)服務(wù)中心，甘肅 武威 733000)

1 引言

土壤水分是黃土高原生態(tài)恢復(fù)和植被生長(zhǎng)的限制因素[1]。伴隨著黃土高原生態(tài)環(huán)境的改變，土壤水分愈來(lái)愈成為生態(tài)恢復(fù)和植被建設(shè)的關(guān)鍵因子[2,3]，對(duì)區(qū)域生態(tài)健康和穩(wěn)定有重要作用[4]。黃土高原地區(qū)土地植被承載力取決于土壤水分的植被承載力[5]。土壤水分在不同的土層變異程度不同，且不同坡位、不同坡向和不同深度的土壤水分存在顯著差異[6]，不同土地利用方式土壤含水量在土壤剖面上下層的表現(xiàn)不一樣[7]，受季節(jié)變化和地上植物生長(zhǎng)情況的影響較大[8]。地形和土壤質(zhì)地是影響深層土壤水分的主要因素[9,10]，土地利用和地形在小流域尺度上對(duì)土壤水分具有顯著的交互作用[11]。黃土高原土壤水分具有顯著的區(qū)域分異和微域分異特征，這種分異特征決定著該區(qū)植被類型及生長(zhǎng)狀況的空間布局[12]。土壤水分在垂直方向和水平方向的變異程度為弱變異，在坡長(zhǎng)方向、二維平面和三維平面為中等變異[13]。小流域坡面和溝道土壤水分表現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征和年際特征[14]。黃土區(qū)土壤剖面水分具有明顯的空間分布規(guī)律，水平方向由東南向西北遞減，垂直方向先減小后增大[15,16]。土壤水分變異性會(huì)對(duì)水文過程和土壤形成產(chǎn)生顯著影響[17]。降雨難以補(bǔ)償深層土壤水分的過度消耗，導(dǎo)致土壤水分嚴(yán)重虧缺[18]。土壤儲(chǔ)水量在不同地形條件下季節(jié)性和年際分布差異明顯[19]。土壤水分在水平和垂直方向都表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，在不同方向上的水分控制過程有所不同，是眾多因素相互作用的結(jié)果[20]。趙伶俐等[21]應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了寧夏南部干旱半干旱黃土丘陵地土壤水分的空間變異性，得到表層土壤水分空間分布破碎化程度較高，深層土壤水分整體分布相對(duì)均勻，劉嬌等[22]對(duì)臭柏群落土壤水分空間分布特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明：在坡位、坡向和林內(nèi)外植被影響下，土壤含水量存在顯著差異(P<0.05)，有學(xué)者選取典型高寒干旱荒漠區(qū)對(duì)不同年代栽植的檸條土壤水分進(jìn)行研究，得出植被恢復(fù)年限越長(zhǎng)，土壤含水量越低[23]。奚成剛等[24]采用典型樣地調(diào)查與自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)土壤水分分布情況進(jìn)行了觀測(cè)，并對(duì)土壤水分的空間分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：不同土層，不同坡位土壤含水量表現(xiàn)出顯著差異。楊凱悅等[25]對(duì)不同深度、不同生長(zhǎng)階段中間錦雞兒人工林土壤水分進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，分析不同深度的土壤水分的分布狀況，得到不同深度的土壤水分都具有顯著的差異性和相關(guān)性。翁倩等[26]對(duì)四川省土壤水分狀況空間分布進(jìn)行研究，結(jié)果表明：土壤水分狀況區(qū)域差異明顯，整體呈現(xiàn)“東濕西干”的空間分布特征征。

本研究以黃土丘陵區(qū)為研究區(qū)域，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法選擇樣地，對(duì)整個(gè)紙坊溝小流域不同土地利用類型在各種地形條件和不同退耕年限的土壤水分進(jìn)行研究，分析土壤水分的差異和流域內(nèi)土壤水分的空間分布狀況。闡明深層土壤水分的分布狀況以及變化特征，為后期的生態(tài)恢復(fù)和水土保持工作提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市安塞區(qū)紙坊溝小流域(36°43′36″N,109°15′14″E)，海拔1012～1731 m[27](圖1)。它屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)第Ⅱ副區(qū)，屬于黃土高原典型的梁峁?fàn)钋鹆陞^(qū)，是延河支流杏子河下游的一級(jí)支溝，流域包括紙坊溝、峙崾峴和瓦樹塌3個(gè)自然村，流域總面積為8.275 km2[28]。處于暖溫帶森林草原過渡帶，植被以灌草為主，氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，干濕分明，春季氣溫回升較快，變化大，有霜凍，雨量少，年均溫度8.8 ℃，年均降雨量505.3 mm，無(wú)霜期158 d[29]。土壤類型為黃綿土，土質(zhì)疏松，抗沖性和抗蝕性較差，水土流失嚴(yán)重。土壤顆粒以細(xì)沙粒和粉粒為主，土壤容重為1.3 g/cm3左右，總孔隙度為55%左右[28]。

圖1 研究區(qū)地理位置

2.2 研究方法

2.2.1 樣地選擇

在紙坊溝流域地形圖上應(yīng)用不規(guī)則網(wǎng)格布點(diǎn)法(200 m×200 m)選擇了78個(gè)樣地采樣(圖2所示)，在每個(gè)樣地對(duì)角線上選擇三個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)深度為10 m，其中0～100 cm每隔10 cm取一個(gè)樣，100～500 cm每隔20 cm取一個(gè)樣，500～1000 cm每隔50 cm取一個(gè)樣，每個(gè)采樣點(diǎn)分為40層，對(duì)應(yīng)于40個(gè)土樣，一共采樣116640個(gè)(表1)。

表1 野外樣地分布

圖2 樣點(diǎn)布設(shè)

2.2.2 土壤含水量測(cè)量

采用烘干法(105～108 ℃，10 h)測(cè)定土壤含水量(質(zhì)量含水量)，每個(gè)樣地的3個(gè)采樣點(diǎn)各層的土壤含水量取平均值。本文主要研究深層土壤水分含量的變化特征，故采樣時(shí)表層土壤水分含量由于外界條件(降雨)影響下的變化可以忽略。

3 結(jié)果與討論

3.1 小流域土壤水分垂直分布特征

從土壤含水量的垂直分布曲線(圖3)可以看出，不同坡度在120 cm以上、不同坡向在200 cm以上、不同植被類型在100 cm以上、不同退耕年限在120 cm以上，土壤含水量都在較小的范圍內(nèi)變化，且變動(dòng)值不大；在100～500 cm范圍內(nèi)，變化幅度比較大，且變化規(guī)律相似；但500 cm以下，土壤含水量變化幅度小，變化比較穩(wěn)定。鑒于土壤含水量在垂直剖面分布的特性，本研究將從0～100 cm、100～500 cm、500 cm以下3層進(jìn)行分析土壤含水量在土壤垂直剖面上的變化特征。

在0～100 cm土層內(nèi)，不同坡度(圖3a)土壤含水量在8%～13%范圍內(nèi)交叉變化；不同坡向(圖3b)土壤含水量在6%～12%之間交叉變化；不同植被類型(圖3c)在6%～14%之間交叉變化；不同退耕年限(圖3d)土壤含水量在8%～13.5%之間交叉變化。此層土壤含水量無(wú)規(guī)律變化，是由于土壤表層土壤含水量受眾多外界因素的影響。100～500 cm土層內(nèi)，不同坡度(圖3a)土壤含水量40°<30°<20°<10°<平地，但在此層內(nèi)10°和20°土壤含水量交叉變化，可能是在10～20°的坡面上土壤含水量的變化沒有明確的臨界值；不同坡向(圖3b)土壤含水量總體上西南坡<西坡<南坡<東坡<東北坡<西北坡<北坡，根據(jù)地理學(xué)對(duì)陰坡和陽(yáng)坡的界定，山南為陽(yáng)，山北為陰，不同坡向的土壤含水量變化特征總體上是陰坡<陽(yáng)坡；不同植被類型(圖3c)土壤含水量喬木<灌木<草地<農(nóng)地，草地和農(nóng)地在此層內(nèi)交叉變化；不同退耕年限(圖3d)土壤含水量退耕40年<30年<20年<15年，退耕30年和40年在此范圍內(nèi)土壤含水量變化趨勢(shì)和范圍相似。500 cm以下，不同坡度(圖3a)土壤含水量40°<30°<20°<10°<平地，且變化范圍都不大，變化趨勢(shì)也基本相同；不同坡向(圖3b)土壤含水量總體上西南坡<西坡(南坡)<東坡<東北坡<西北坡<北坡，西坡和南坡土壤含水量變化范圍相似，且所有坡面土壤含水量變化穩(wěn)定；不同植被類型(圖3c)喬木<灌木<草地<農(nóng)地，喬木和灌木變化趨勢(shì)相同，農(nóng)地在此范圍內(nèi)土壤含水量不斷增大，是由于在此層內(nèi)，農(nóng)地對(duì)土壤水分的利用率低；不同退耕年限(圖3d)土壤含水量退耕40年<30年<20年<15年，此層內(nèi)退耕40年和30年土壤含水量變化趨勢(shì)相同，穩(wěn)定變化，退耕20年和15年土壤含水量變化趨勢(shì)相同，有減小的趨勢(shì)。

圖3 小流域土壤水分垂直變化特征

3.2 小流域土壤水分水平分布特征

為了研究小流域土壤水分水平分布特征，選取自北向南方向上的采樣點(diǎn)，分別計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)的平均土壤含水量，然后按照樣點(diǎn)的經(jīng)緯度進(jìn)行排列。圖4顯示了小流域土壤平均含水量變化趨勢(shì)，小流域土壤水分在水平方向上從南到北有減小的趨勢(shì)，從東到西也逐漸減小，且在水平方向上土壤水分最小值6.22%，最大值13.8%。土壤水分在水平方向上南高北低，東高西低的分布格局是氣候、植被以及土壤特性共同作用的結(jié)果。本研究得到的土壤水分水平分布格局與前人研究所得出的黃土高原200～1000 cm土壤水分分布圖相比，整體上土壤水分格局趨勢(shì)線基本相同，但局部的土壤水分分布特征發(fā)生變化[30]；與楊文治[31]在研究所確定的黃土高原土壤水分分區(qū)圖相比，整體上土壤水分格局的趨勢(shì)性也沒有改變，而局部特征發(fā)生變化；與賈小旭[15]研究結(jié)果一致。局部發(fā)生變化的原因主要有：①采樣的隨機(jī)性，研究結(jié)果受地形因子、土地利用方式和植被根系的分布狀況影響；②在小流域范圍內(nèi)受人為因素的影響比大區(qū)域范圍內(nèi)明顯，所以會(huì)出現(xiàn)與黃土高原分布特征的差異。但是，黃土高原土壤水分水平分布格局整體比較穩(wěn)定，而且這種穩(wěn)定的分布格局可能會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。主要有以下幾個(gè)原因：①在黃土高原區(qū)域尺度，影響土壤水分分布的主要因素，如降水，其從南向北，從東向西逐漸遞減的分布格局沒有改變；②在區(qū)域尺度，由于人類活動(dòng)或干擾對(duì)黃土高原地形地貌造成的變化非常小，不足以影響土壤水分區(qū)域分布格局。但是在小尺度上對(duì)土壤水分的水平分布特征進(jìn)行研究，由于人類活動(dòng)，例如退耕還林還草工程、溝道治理工程等會(huì)使研究區(qū)土壤水分格局產(chǎn)生顯著變化，但在區(qū)域尺度，這種效應(yīng)可能會(huì)比較弱而不足以影響區(qū)域尺度土壤水分分布格局。

圖4 小流域土壤水分水平變化特征

3.3 不同土層土壤水分空間分布特征

依據(jù)土壤各層含水量的實(shí)測(cè)值，采用克里金插值法進(jìn)行插值并生成小流域各層土壤水分分布圖(圖5)。根據(jù)垂直剖面上土壤水分的變異系數(shù)范圍，將土壤剖面分為5層進(jìn)行研究。由圖可以看出，小流域在各層土壤水分分布基本一致。由圖5可知，0～20 cm土層范圍內(nèi)土壤含水量在4.86%～17.94%范圍內(nèi)變化，可以看出在此層范圍內(nèi)，整體上表現(xiàn)出南高北低，溝口土壤含水量最高，中部土壤含水量最低，溝底土壤含水量居中，是由于在采樣時(shí)，溝口部分樣地受到人為灌溉，導(dǎo)致溝口表層土壤含水量較高；20～160 cm土層范圍內(nèi)土壤含水量在4.97%～13.11%范圍內(nèi)變化，表現(xiàn)出明顯的南高北低，且流域中部和南部土壤含水量變化比較穩(wěn)定，溝口土壤含水量最低；160～500 cm土層范圍內(nèi)土壤含水量在5.28%～20.12%范圍內(nèi)變化，從圖中可以看出，土壤含水量表現(xiàn)出南高北低的分布特征；500～900 cm土層范圍內(nèi)土壤含水量在5.46%～23.08%范圍內(nèi)變化，從圖中可以看出，土壤含水量變化與160～500 cm深度范圍內(nèi)分布特征基本相同，表現(xiàn)出南高北低的分布特征；900～1000 cm土層范圍內(nèi)土壤含水量在5.53%～30.68%范圍內(nèi)變化，從圖中可以看出，此層內(nèi)土壤含水量整體上表現(xiàn)出南高北低的分布特征，但在南部有一部分范圍土壤含水量較低，是因?yàn)樵诖藚^(qū)域內(nèi)此層出現(xiàn)了土壤干層現(xiàn)象。

圖5 不同土層深度土壤水分分布特征

從圖中可以看出每一層的土壤含水量整體上都表現(xiàn)出南高北低的分布特征；160～500 cm和500～900 cm土層深度范圍內(nèi)，土壤含水量的分布特征很相似，說明在此范圍內(nèi)存在土壤含水量的穩(wěn)定變化層。

4 結(jié)論

(1)在垂直方向上，不同坡度在120 cm以上、不同坡向在200 cm以上、不同植被類型在100 cm以上、不同退耕年限在120 cm以上，土壤含水量都在較小的范圍內(nèi)變化，且變動(dòng)值不大；在100～500 cm范圍內(nèi)，變化幅度比較大，且變化規(guī)律相似；但500 cm以下，土壤含水量變化幅度小，變化比較穩(wěn)定。且隨著坡度的增加土壤含水量減??；陰坡土壤含水量大于陽(yáng)坡；土壤含水量喬木<灌木<草地<農(nóng)地；隨著退耕年限的增加，土壤含水量減小。

(2)小流域土壤水分在水平方向上從南到北有減小的趨勢(shì)，從東到西也逐漸減小，土壤水分在水平方向上最小值6.22%，最大值13.8%。土壤水分在水平方向上南高北低，東高西低的分布格局是氣候、植被以及土壤特性共同作用的結(jié)果。與前人研究所得出的黃土高原土壤水分分布圖相比，整體上土壤水分格局趨勢(shì)線基本相同，但局部的土壤水分分布特征發(fā)生變化，局部發(fā)生變化的原因主要有：①采樣的隨機(jī)性，研究結(jié)果受地形因子、土地利用方式和植被根系的分布狀況影響；②在小流域范圍內(nèi)受人為因素的影響比大區(qū)域范圍內(nèi)明顯，所以會(huì)出現(xiàn)與黃土高原分布特征的差異。但是，黃土高原土壤水分水平分布格局整體比較穩(wěn)定，而且這種穩(wěn)定的分布格局可能會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。

(3)小流域在各層土壤水分分布基本一致。整體上都表現(xiàn)為南高北低的分布特征；在中間土層深度范圍內(nèi)，土壤含水量的分布特征很相似，說明在此范圍內(nèi)存在土壤含水量的穩(wěn)定變化層。