沈晗悅, 信忠保,*, 王志杰

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京 100083

2 黃河上中游管理局, 陜西 710000

土壤水分參與地表徑流、入滲、地下水補(bǔ)給、溶質(zhì)運(yùn)移、植物蒸騰以及地表的質(zhì)量和能量收支等過程,它是控制一系列水文和生態(tài)過程的關(guān)鍵變量[1-3]。土壤水分也是限制植被生長的關(guān)鍵因素[4],在很大程度上決定了生態(tài)系統(tǒng)的組織和功能[5]。由于降水量、土地利用和管理、景觀和土壤水文特性的異質(zhì)性,土壤水分與時間有著復(fù)雜的關(guān)系[3],土壤水分在時間上具有變異性,因此了解這種變化對于更深入理解相關(guān)過程至關(guān)重要。

Vachaud等[6]首次提出時間穩(wěn)定性的概念,指出空間上的某些觀測點(diǎn)的土壤水分在時間上表現(xiàn)為持續(xù)偏高或持續(xù)偏低,比如這些觀測點(diǎn)在某一時間的土壤含水量很低,那么它們在另一時間也保持著很低的含水量,即其空間變異格局表現(xiàn)出隨時間持續(xù)不變或變化甚微的穩(wěn)定性特征,這些觀測點(diǎn)能夠代表研究區(qū)域的平均土壤水分狀況。因此通過分析土壤水分的時間穩(wěn)定性,找出觀測樣地具有穩(wěn)定代表性點(diǎn),這樣可以減少土壤水分觀測測點(diǎn),同時又能準(zhǔn)確獲取土壤水分狀況。時間穩(wěn)定性的概念已經(jīng)被引用于許多土壤水分研究中,以驗(yàn)證和校準(zhǔn)遙感土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)[7-9],用時間穩(wěn)定性的代表性點(diǎn)來確定研究區(qū)的平均土壤水分[10-13],并且借助代表性點(diǎn)可以用實(shí)測數(shù)據(jù)校正水文模型[14]。此外,將時間穩(wěn)定性應(yīng)用于預(yù)測模型,有助于得到完整的土壤水分時間序列數(shù)據(jù)[15]。國內(nèi)土壤水分時間穩(wěn)定性研究主要是在黃土高原地區(qū)[16-17]、荒漠化地區(qū)[18-19]。北方土石山區(qū)水資源短缺、氣候易旱、年均降水不均,土層瘠薄、巖石裸露、坡度陡,土壤水分觀測工作相對薄弱,當(dāng)前還缺乏這一區(qū)域土壤水分穩(wěn)定性的研究。

土壤特性、地形、土地利用、植被,降雨和時間等因素綜合影響土壤水分。Feng等[20]認(rèn)為影響土壤水分的主導(dǎo)因素在不同空間尺度上不同,在小流域尺度下主要為土地利用類型、坡度、相對高程,在流域尺度下主要為坡位、植被覆蓋度、坡度；劉宇等[21]發(fā)現(xiàn)樣點(diǎn)離樹距離和坡度是影響雨前土壤水分變化的主導(dǎo)因素,而在雨后則主要受葉面積指數(shù)和枯落物厚度的影響。1988—2000年北京山區(qū)植被嚴(yán)重退化,2000年以后采取大量的生態(tài)恢復(fù)措施[22],其中水保工程措施作為生態(tài)修復(fù)的重要手段[23],尤其是坡面整地工程[24-25],對于北京山區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善十分重要。

北京山區(qū)作為北京的水源涵養(yǎng)區(qū),直接影響首都的生態(tài)環(huán)境建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展。目前,北京山區(qū)土壤水分方面已有一些研究,但多關(guān)注土壤水分動態(tài)變化過程以及對氣象因子的響應(yīng),觀測點(diǎn)多是一個坡面上中下3個觀測點(diǎn)位,當(dāng)前在北京山區(qū)還缺乏自然坡面尺度高密度布點(diǎn)系統(tǒng)觀測研究。側(cè)柏(Platycladusorientalis)是北京山區(qū)分布范圍較廣的典型針葉人工樹種,了解其典型樹種的坡面土壤水分的動態(tài)變化、時間穩(wěn)定性及影響因素具有重要意義。本研究以北京西山鷲峰國家森林公園典型側(cè)柏林坡面為對象,通過自然坡面尺度高密度布點(diǎn)的土壤水分系統(tǒng)觀測,旨在掌握北京山區(qū)坡面土壤水分時間動態(tài)變化特征,揭示坡面土壤水分時間穩(wěn)定性特征及其對多因素的響應(yīng)過程,提升對北京山區(qū)坡面土壤水分時空動態(tài)及其影響因素的認(rèn)識,為北京山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源效益評估和林水關(guān)系精細(xì)化管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)地位于北京林業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)林場-西山鷲峰國家森林公園,北緯39°54′,東經(jīng)116°28′。氣候類型屬于華北暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫11.6 ℃,最高氣溫41.6 ℃,最低氣溫-19.6 ℃,年蒸發(fā)量為1900 mm,年平均降雨量在600—700 mm,多集中在7—9月份,占全年降水量的70% 以上。林場內(nèi)部山地高差較大,海拔高度在100—1153 m之間,地形復(fù)雜多樣,山地坡度以15°—35°為主,占山地總面積的70.4%。研究區(qū)土壤類型為黃土[26],土層較薄,厚度為50—70 cm,較深土層土壤多為礫石層和母質(zhì)層。其植被覆蓋率超過96%,主要的植被類型為人工林和天然次生林,其中人工林有側(cè)柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabulaeformis)、落葉松(Larixgmelinii)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)等。

本研究以鷲峰國家森林公園側(cè)柏林坡面(40 m × 50 m)樣地為研究對象,包括從坡頂?shù)狡碌渍麄€坡面,于2014年6月5日至6月8日進(jìn)行了地形測量和植被調(diào)查工作,調(diào)查坡面樣地海拔在158.1—178.6 m之間,坡度多在15°以上,經(jīng)統(tǒng)計不同高程的平均坡度,樣地可以分為水平階、陡坎、緩坡地、陡坡地4種微地形。樣地為側(cè)柏純林,共林木289株,林分密度1445株/hm2,平均株間距為2.6 m,其中,胸徑> 9 cm的平均株間距為3.0 m,已經(jīng)郁閉,林下灌木沒有很好地發(fā)育,只在坡面中下部零星分布孩兒拳頭(Grewiabiloba)、荊條(Vitexnegundo)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)等灌木,基本無草本分布,林下枯落物亦較少。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)與數(shù)據(jù)采集

研究是從山脊向下到溝緣的整個自然坡面,坡面寬長為40 m × 50 m,順等高線方向布設(shè)3—6個重復(fù)觀測點(diǎn)位,順坡布設(shè)5個條帶,每條條帶布設(shè)4—7個觀測點(diǎn)位,另外考慮了樹木根系對土壤水分的影響,盡可能在同一等高線上布設(shè)不同離樹距離(0.5 m、1.0 m、1.5 m)觀測管各一個。坡面受人工整地影響,土層深度在坡面各個位置有所差別。水平階和下部局部平緩的地方土層較厚,土壤水分觀測深度為70 cm；坡面上部陡坎處和坡下陡坡地上土層相對較薄,土壤水分的觀測深度為50 cm或60 cm。其觀測深度為母質(zhì)層以上,包括整個土壤層。觀測深度為50 cm、60 cm、70 cm分別有10個、4個和16個,共布設(shè)30個觀測點(diǎn)位,觀測點(diǎn)的平均距離為5.7 m,于2014年6月14號完成野外布設(shè)工作(表1,圖1)。本實(shí)驗(yàn)SWC的測定基于Diviner 2000儀器采用電容原理測定土壤水分,觀測間隔為10 cm。野外觀測時間為2014年8月19日至2016年3月31日,共觀測38次,每月至少進(jìn)行一次觀測,在非汛期通常以月、半月間隔觀測,而汛期觀測間隔加密,大致5 d觀測一次。

表1 土壤水分觀測點(diǎn)的分布設(shè)計

圖1 土壤水分觀測點(diǎn)空間分布

1.3 分析方法

(1)土壤蓄水量比土壤含水量更能直觀的反映研究區(qū)域土壤水分的供給能力。其轉(zhuǎn)公式[27]如下：

SWS=θ·h·10-1

(1)

式中,SWS是土壤蓄水量(mm),θ是土壤體積含水量(%),h為土層厚度(cm)。

(2)經(jīng)典統(tǒng)計

隨機(jī)變量的離散程度,即變異性的大小,可用變異系數(shù)CV的大小來反映,計算公式[27]為：

(2)

式中,m為樣本平均值；s為標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)變量程度分級：CV<10%為弱變異性；10%≤CV≤100%為中等變異性；CV≥100%為強(qiáng)變異性。

(3)非參數(shù)性Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn)[6]

采用非參數(shù)性Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn),可以檢驗(yàn)不同時間小區(qū)SWC空間格局的一致性或相似性。Spearman秩相關(guān)系數(shù)rs,通過下式來定義：

(3)

式中,n為實(shí)驗(yàn)小區(qū)內(nèi)測點(diǎn)的數(shù)目,Rij為測點(diǎn)i在時間j的秩,Rij′為測點(diǎn)i在時間j′的秩。rs值越接近1,說明土壤水分分時間穩(wěn)定性越強(qiáng)。

(4)相對偏差法[6]和時間穩(wěn)定性指數(shù)(ITSi)[28]

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2 結(jié)果

2.1 土壤水分動態(tài)變化

土壤水分動態(tài)變化因季節(jié)變化而變化。冬季降雨事件較少,土壤蓄水量(SWS)降到最低水平,且整個冬季基本變化不大,春季SWS有較小幅度的下降,隨著夏季雨水補(bǔ)給,SWS逐漸攀升,秋季9—10月達(dá)到峰值,進(jìn)入秋季后SWS出現(xiàn)回落,平均SWS與降水量基本保持一致,土壤水分呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化(圖2)。2014、2015年12月SWS分別為(78.2±24.6)mm、(159.2±37.1)mm，2015年比2014年增加了103.7%,在觀測期內(nèi)該時段增加量最大。

圖2 降雨量與月平均SWS圖

整個監(jiān)測期內(nèi)土壤含水量(SWC)隨著土壤深度的增加而增加(表2)。0—10 cm土層的平均SWC最低,為12.7±7.9%；60—70 cm土層的平均SWC最高,為26.4±8.9%；10—20 cm土層土壤水分快速增加,隨土層的加深土壤水分增加趨勢明顯,但絕對增量不大,變幅只有4.6%；0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—70 cm土層之間平均SWC有顯著性差異(P< 0.05)。全剖面SWC的平均變異系數(shù)為38.4%,表層(0—10 cm)SWC的變異系數(shù)最大(62.2%),10—20 cm土層土壤水分的變異系數(shù)迅速減小到33%,研究區(qū)不同土層的含水量均處于中等變異。平均SWC與變異系數(shù)的相關(guān)性(圖3)表明,平均SWC量的平均值與變異系數(shù)呈顯著的線性相關(guān),當(dāng)研究區(qū)的SWC較高時,SWC的變異性較低。

圖3 平均SWC與變異系數(shù)的關(guān)系(2014年8月19日—2016年3月31日)

表2 不同土層平均SWC的統(tǒng)計分析

2.2 土壤水分時間穩(wěn)定性

研究區(qū)在整個觀測期內(nèi)不同時間段土壤水分含量的Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣顯示(表3),Spearman秩相關(guān)系數(shù)在0.01水平上均顯著相關(guān),說明研究區(qū)內(nèi)SWC在整個觀測內(nèi)都具有較高的時間穩(wěn)定性。秩相關(guān)系數(shù)大于0.8的比列為56.6%,大于0.7的比列為86.0%,可以看出絕大部分時段基本達(dá)到0.7以上。

表3 不同觀測日期SWC的Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣

將SWC的平均相對偏差(MRD)由小到大排序(圖4),描述其時間穩(wěn)定性特征。SWC的MRD變化范圍為-28.9%—52.7%,變幅為81.6%,可以看出MRD的波動范圍較大。平均相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差介于3.8%—16.9%之間,大部分測點(diǎn)平均相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差小于10%,且平均相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差的平均值為8.2%,說明大部分測點(diǎn)土壤水分時間穩(wěn)定性較高。基于MRD接近于0(在±5%之內(nèi)視為接近0)原則,可選擇代表性測點(diǎn)來估計研究區(qū)的平均土壤水分[27,29]。從圖5可以看出能預(yù)測全剖面SWC的點(diǎn)共有7個,這些代表性點(diǎn)位于坡面最上部水平階的2、4、5號觀測點(diǎn),中下部緩坡地的29號觀測點(diǎn),陡坡地的21、22、24號觀測點(diǎn)。根據(jù)時間穩(wěn)定性指數(shù)(ITS)值越小土壤水分的時間穩(wěn)定性就越強(qiáng)的原則[27],計算7個代表性點(diǎn)的ITS,發(fā)現(xiàn)2號觀測點(diǎn)最能代表研究區(qū)的平均土壤水分。樣點(diǎn)2的SWC與研究區(qū)平均SWC顯著相關(guān)(圖5),能代表研究區(qū)的平均土壤水分。

圖4 SWC的平均相對偏差和代表性點(diǎn)的時間穩(wěn)定性常數(shù)

圖5 樣地平均SWC與代表性點(diǎn)2的SWC的比較

2.3 土壤水分影響因素

坡面土壤水分動態(tài)變化以及空間分布格局,受氣候、地形、植被以及采樣方式等多種因素綜合影響[30-31]。這部分重點(diǎn)從坡位、微地形和觀測點(diǎn)布置方式三個方面對坡面土壤水分空間變化的影響因素進(jìn)行分析(表4)。

表4 2015年3月至2016年3月影響因素下SWS的季節(jié)性變化

(1)微地形影響。結(jié)果表明,水平階、緩坡地、陡坡地、陡坎4種微地形下SWS存在明顯差異(P< 0.05),水平階的SWS顯著高于陡坎,水平階在整個觀測期內(nèi)的平均蓄水量春、夏、秋、冬的SWS分別為(96.3±31.8)mm、(167.7±53.3)mm、(182.6±43.8)mm、(159.7±42.0)mm,顯著高于陡坎的SWS,分別高出40.3 mm、71.0 mm、72.9 mm、58.9 mm,微地形對坡面SWS具有明顯的影響,水平階對土壤水分具有良好保持作用。

(2)坡位。坡上與坡中SWS差異不顯著,坡上和坡中與坡下之間SWS存在差異。春季和冬季上坡位與下坡位之間SWS不存在顯著差異,但其他2個季節(jié)上坡位顯著高于下坡位(P< 0.05)。夏、秋二個季節(jié)上坡位的SWS分別為(158.8±48.8)mm、(173.6±39.4)mm,下坡位的SWS分別為(138.3±43.7)mm、(152.5±33.0)mm,上坡位比下坡分別高出20.5 mm、21.1 mm。

(3)觀測點(diǎn)離樹距離。在與土壤水分觀測點(diǎn)離樹距離為0.5 m、1.0 m、1.5 m處時,隨著離樹距離的增加,SWS有逐漸增加的趨勢。不同季節(jié)這種增加趨勢的顯著程度不同,冬季不同離樹距離之間SWS增加不顯著,其他3個季節(jié)樣點(diǎn)離樹距離0.5 m與1.5 m之間的增加趨勢尤其顯著(P< 0.05)。春、夏、秋樣點(diǎn)離樹0.5 m處SWS分別為75.318.6 mm、(142.8±44.4)mm、(155.0±34.9)mm，1.5 m處SWS分別為(95.6±34.9)mm、(168.9±59.0)mm、(179.3±50.3)mm，春、夏、秋季離樹距離1.5 m處比0.5處SWS分別增加了20.3 mm、26.1 mm、24.3 mm。

3 討論

降水對坡面土壤蓄水量影響。2015年8—12月的SWS比2014年同期增加58.4%,2016年3月比2015年3月的SWS增加了77.2%,2016年3月甚至比2014年雨季的SWS還高。由于森林對降水具有截留作用,使降雨強(qiáng)度減弱,而降雨前土壤量水分的蓄存量少,因此前期降雨量不足引起坡面產(chǎn)流[32],延緩地表徑流的匯流,從而增加降雨入滲補(bǔ)給的歷時,使土壤得到更多的水分補(bǔ)給[33]。Wang等[34]對3種人工林進(jìn)行長期土壤水分定位觀測發(fā)現(xiàn)林地具有明顯土壤水分累積特征,與本研究結(jié)果相似。2016年3月植被已經(jīng)進(jìn)入休眠或枯死,此時段主要是土壤蒸發(fā)影響土壤水分,而側(cè)柏為常綠樹種,林冠層對土壤有良好的遮陰,因此能較好的減少土壤蒸發(fā)[26],又加上2015年雨季充分的雨水補(bǔ)給,所以此時段的SWS較高。表層土壤更容易受到環(huán)境的影響,隨時間變化會有較大的波動,隨著土壤深度的加深含水量逐漸增加,其變異系數(shù)減小。全剖面土壤水分的變異系數(shù)均屬于中等變異,對于其他不同地區(qū)和不同土地利用方式也得出來相似的結(jié)論[29,35-36]。由于表層土壤受太陽輻射、降水、風(fēng)等外界環(huán)境的影響,隨著深度的增加,外界環(huán)境對土壤水分的影響逐漸減弱[37]。其次側(cè)柏屬于淺根性樹種,其根系分布在表層[38],大部分集中在0—60 cm土層中[39-40],主要利用10—30 cm土層的土壤水分[41-42],因此研究區(qū)土壤水分在時間上的離散程度較大。研究區(qū)土壤水分與變異系數(shù)之間呈負(fù)相關(guān),這與Brocca等[43]和白一茹等[44]的研究結(jié)果相同。

自然坡面土壤水分時間穩(wěn)定性較好。研究區(qū)內(nèi)土壤水分具有較好的時間穩(wěn)定性,大部分測點(diǎn)Spearman秩相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.7以上且相關(guān)性極顯著。潘顏霞等[45]研究荒漠人工固沙植被區(qū)淺層土壤(0—30 cm)土壤水分、趙文舉等[36]研究壓砂地0—20 cm土壤水分和Zhao等[46]研究中國西北礫石覆蓋區(qū)0—50 cm土壤水分均得出類似結(jié)論。而白一茹等[44]研究黃土丘陵區(qū)粉壤土0—30 cm土壤水分發(fā)現(xiàn)總體上采樣坡面土壤水分Spearman秩相關(guān)系數(shù)較小。Spearman秩相關(guān)系數(shù)越接近1,土壤水分時間穩(wěn)定性強(qiáng)[6]。這說明土壤水分時間穩(wěn)定性與所處的環(huán)境有關(guān)[47],主要由土壤的結(jié)構(gòu)與質(zhì)地決定[6],沙質(zhì)土比粉壤土更能維持土壤水分的時間穩(wěn)定性[48]。研究區(qū)SWC的MRD的波動范圍較大這與白一茹、劉澤彬、He等的研究結(jié)果相似[29,44,49],與朱緒超的研究結(jié)果相反[35]。MRD的波動范圍與地形、氣象、植被等因素有關(guān)。研究區(qū)MRD的波動范圍較大原因主要是,研究坡面為林地,雨季觀測較多,且冬季也進(jìn)行了觀測,研究坡面進(jìn)行了水土保持工程整地措施,坡度多在15°以上。這些原因共同導(dǎo)致平均相對偏差的波動范圍較大。

微地形影響坡面土壤水分分布。微地形對坡面SWS影響顯著,水平階能有效的保持坡面土壤水分。水土保持整地工程措施對土壤的靜態(tài)分布和動態(tài)過程有一定的影響[50],可以有效地提高土壤含水量[51]。水平階作為北京山區(qū)重要的整地工程之一,改變了微地貌,增加了地表粗糙度和起伏度,截斷了坡面徑流,使降雨再分配[52],而且其地勢平坦,有利于土壤水分的下滲和積蓄。而階地陡坎和陡坡地土層相對較薄,且因坡度較大,排水條件良好,不利于土壤水分蓄積。研究區(qū)坡上SWS大于坡下SWS,白一茹等[53]研究黃土高原雨養(yǎng)區(qū)坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)空間特征也得出相似的研究規(guī)律,但也有研究[54]發(fā)現(xiàn)SWC下坡位比上坡位高。一方面,本研究坡面經(jīng)過整地,水平階阻斷了地表徑流和壤中流在重力作用下向下坡位運(yùn)移,且具有良好保持土壤水分的作用；另一方面,這可能是由于上坡位和下坡土壤結(jié)構(gòu)不同,白一茹等[53]發(fā)現(xiàn)上坡位土壤結(jié)構(gòu)比下坡位好,坡面徑流的沖刷作用下,使下坡位土壤顆粒較粗,因此上坡位持水能力比下坡為好,然而本研究并沒測定上坡位和下坡位土壤結(jié)構(gòu),是否是因?yàn)橥寥澜Y(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步探討。不同坡位之間SWS有差別,但春季和冬季上坡位與下坡位之間SWS差異不顯著。本研究區(qū)春季和冬季降雨較少,樹冠冠層也能截留小的降雨事件的降雨,所以土壤水分的動態(tài)幾乎不受小降雨事件的作用[55],同時春季植被處于生長階段,因此植被削弱了不同坡位SWS的差異性。由于側(cè)柏根系分布量隨離樹干距離的增加而減少[40],同時樹冠冠層截留,因此土壤水分隨著離樹距離的增加呈逐漸增加的趨勢。而冬季和夏季不同離樹距離之間SWS無顯著差異,可能是因?yàn)槎局脖恍菝呋蚩菟狼医涤贻^少,土壤水分的補(bǔ)給量與消耗量幾乎平衡,因此不同離樹距離之間SWS無顯著差異。

4 結(jié)論

本研究基于坡面尺度長時間序列多點(diǎn)監(jiān)測的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù),探究坡面尺度土壤水分的時時空動態(tài)及其影響因素。觀測期內(nèi)北京山區(qū)側(cè)柏林土壤水分具有明顯的季節(jié)特征、累積特征和垂直差異,土壤水分與降雨量基本保持一致,土壤水分隨深度加深而明顯增加。坡面30個點(diǎn)位土壤水分在整個觀測期內(nèi)具有較高的時間穩(wěn)定性,土壤水分含量的Spearman秩相關(guān)系數(shù)在0.01水平上均顯著相關(guān)。結(jié)合ITS確定研究區(qū)平均土壤水分的最佳代表點(diǎn)為位于上坡水平階的2號觀測點(diǎn),通過對該點(diǎn)土壤水分的測量可以預(yù)測整個研究區(qū)的平均土壤水分。微地形對土壤水分影響明顯,水平階土壤蓄水量顯著大于陡坎(P< 0.05),坡上與坡中SWS差異不顯著,夏、秋季下坡位土壤SWS顯著高于上坡位(P< 0.05),因此水土保持整地工程能有效的保持坡面土壤水分。