黃土丘陵區(qū)坡面整地和植被耦合下的土壤水分特征

于　洋，衛(wèi)　偉,*，陳利頂，馮天驕,2，楊　磊，張涵丹,2

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京　100049

?

黃土丘陵區(qū)坡面整地和植被耦合下的土壤水分特征

于洋1，衛(wèi)偉1,*，陳利頂1，馮天驕1,2，楊磊1，張涵丹1,2

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049

摘要:水分是干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)的主要環(huán)境制約因子。在黃土高原小流域，合理整地能夠有效截留降雨補(bǔ)給土壤水，進(jìn)而促進(jìn)植被恢復(fù)。選擇地處甘肅定西的半干旱黃土小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同植被和整地方式(檸條水平階、山杏水平溝、側(cè)柏反坡臺(tái)，油松反坡臺(tái))綜合影響下的土壤水分特征。采用最優(yōu)分割法將不同整地方式土壤水分垂直層次劃分為活躍層，次活躍層和相對(duì)穩(wěn)定層。結(jié)果表明：生長(zhǎng)季不同整地方式土壤水分的變化與降水量的變化密切相關(guān)，不同月份以及不同深度各整地方式土壤水分之間差異顯著(P<0.05)。根據(jù)土壤水分垂直變化特征，山杏水平溝水分活躍層與次活躍層為0—80cm，其深度范圍均大于其他3種整地方式，而檸條水平階土壤水分均在30 cm以下較為穩(wěn)定，其深度范圍均小于其他3種整地方式。不同整地方式土壤水分含量具體表現(xiàn)為：山杏水平溝>側(cè)柏反坡臺(tái)>檸條水平階>油松反坡臺(tái)。

關(guān)鍵詞：整地方式；土壤水分；植被類(lèi)型；黃土小流域

水資源是制約干旱半干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要因素，干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)的降水量少且蒸發(fā)較強(qiáng)，土壤水分較低，所以土壤水分是影響植物生長(zhǎng)和發(fā)育的最重要環(huán)境因子，在植被恢復(fù)與生態(tài)重建過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。土壤水作為地表水、地下水與大氣水之間相互轉(zhuǎn)化的紐帶，是開(kāi)展退耕還林的決定性要素。土壤層充當(dāng)水庫(kù)的作用，能夠保持水分并緩解植被應(yīng)對(duì)較少的或是多變的降水[1]。在半干旱黃土高原大規(guī)模植被恢復(fù)的背景下，土壤水分影響種子庫(kù)與種子萌發(fā)、植物生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、水土流失與土壤侵蝕、小氣候改變等諸多生態(tài)過(guò)程[2-8]。因此，要綜合評(píng)價(jià)植被恢復(fù)引起的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的具體變化，需重點(diǎn)從土壤水分動(dòng)態(tài)變化入手，圍繞水量平衡進(jìn)行水文過(guò)程的深入研究。

微地形改造是指人類(lèi)根據(jù)科學(xué)研究或改造自然的實(shí)際需要，有目的的對(duì)地表下墊面結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次改造和整理，從而形成多樣的微地形單元[9]。坡面整地通過(guò)改變微地形，有效增加景觀異質(zhì)性并改變物質(zhì)遷移路徑。由于水土流失防治的核心是促進(jìn)水分就地入滲，為了實(shí)現(xiàn)有限水分的持續(xù)利用，黃土高原地區(qū)曾開(kāi)展大范圍流域治理，在植被恢復(fù)過(guò)程中，水平溝、魚(yú)鱗坑、水平溝和反坡臺(tái)等整地方式被廣泛應(yīng)用，原始坡面自然景觀在整地后形成了微地形與植被恢復(fù)耦合下的新景觀。不僅僅在黃土高原，微地形改造同樣開(kāi)展在世界范圍內(nèi)的其他干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)，但對(duì)整地方式改變影響水文過(guò)程的相關(guān)結(jié)論并不一致。相關(guān)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)下墊面的改造，雨季和旱季時(shí)不同坡位土壤水分水平臺(tái)較坡面高[10]，還有報(bào)道說(shuō)明在同一降雨條件下，水平溝整地后可使徑流發(fā)生的時(shí)間得到有效延遲[11]。諸多學(xué)者圍繞黃土丘陵溝壑區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中土壤水分動(dòng)態(tài)變化，植被生產(chǎn)力與土壤水分之間的關(guān)系，土壤侵蝕，林木蒸騰耗水等方面開(kāi)展了多尺度的研究[12-16]。然而對(duì)植被恢復(fù)過(guò)程中，圍繞坡面整地和植被耦合的水文效應(yīng)相關(guān)報(bào)道較少?；诖?，本研究選擇黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域，通過(guò)定位監(jiān)測(cè)，分析坡面整地和植被耦合作用下土壤水分的變化，為植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅定西龍灘流域(104°27′—104°31′E，35°43′—35°46′N(xiāo))，海拔1840—2260m，屬于典型半干旱黃土丘陵區(qū)，流域面積16.1km2，多年平均降水量386.3mm，降水量季節(jié)分配不均，春季降水較為稀少，主要集中在7—9月份，且多暴雨事件發(fā)生。流域年均氣溫為6.8℃，平均無(wú)霜期152d，潛在蒸發(fā)量為1649.0mm，年均相對(duì)濕度72%。流域土壤類(lèi)型為黃綿土，土質(zhì)均一。流域內(nèi)主要土地利用類(lèi)型包括撂荒地、灌木林地、喬木林地、農(nóng)地、人工草地。同時(shí)分布著零星的天然草地。流域內(nèi)的人工植被以檸條(Caragana korshinskii)、側(cè)柏(Platycladus orientalis)、山杏(Prunus armeniaca)、油松(Pinus tabulaeformis)、紫花苜蓿(Medicago sativa)為主，天然植被則以多年生草本為主，主要種類(lèi)包括賴(lài)草(Leymus secalinus)、長(zhǎng)芒草(Stipa bungeana)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus)等。水分是制約流域植被生長(zhǎng)以及作物產(chǎn)量的主要因素。

2研究方法

2.1試驗(yàn)地基本特征

于2014年生長(zhǎng)季(5月—10月)，根據(jù)流域內(nèi)所開(kāi)展的不同整地方式并結(jié)合不同植被類(lèi)型進(jìn)行樣地布設(shè)，所選整地方式與植被類(lèi)型分別為檸條水平階，山杏水平溝，側(cè)柏反坡臺(tái)和油松反坡臺(tái)。檸條水平階和側(cè)柏反坡臺(tái)整地造林時(shí)間為1984年，山杏水平溝造林整地為2003年，油松反坡臺(tái)整地造林時(shí)間為1972年。整地措施均已10年以上，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且受干擾較少。采用微創(chuàng)式零干擾徑流小區(qū)搭建技術(shù)，搭建完畢后進(jìn)行土壤水分的定位監(jiān)測(cè)。同時(shí)，調(diào)查記錄每個(gè)樣地的坡向、坡度、坡位等地形因子[17]，并采用每木檢尺對(duì)植被進(jìn)行調(diào)查，記錄不同植被的樹(shù)高、基徑、冠幅，試驗(yàn)地基本特征見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)地基本特征

數(shù)值表現(xiàn)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差

2.2土壤水分測(cè)定方法與儀器校正

土壤水分含量采用便攜式時(shí)域反射儀(TimeDomainReflectometry，TDR，型號(hào)TRIME-FM)分不同土壤深度(0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—60，60—80, 80—100, 100—120，120—140, 140—160, 160—180cm)在生長(zhǎng)季內(nèi)(2014年5月1日—10月31日)進(jìn)行測(cè)定，每?jī)芍軠y(cè)定1次。分別在不同整地方式樣地內(nèi)沿坡面布設(shè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣地每層測(cè)定3個(gè)樣點(diǎn)作為重復(fù)。各樣點(diǎn)于生長(zhǎng)季前布設(shè)2m長(zhǎng)的聚碳酸酯管，同時(shí)，在用便攜式時(shí)域反射儀進(jìn)行測(cè)定前，采用烘干法對(duì)TDR測(cè)定的土壤含水量進(jìn)行校正[18-19]，通過(guò)烘干法實(shí)測(cè)土壤質(zhì)量含水率，并根據(jù)土壤剖面容重?fù)Q算為體積含水率，與TDR的介電常數(shù)進(jìn)行擬合，得出二者的回歸方程Y=1.1805x-0.3851，R2=0.99。Y為采用烘干法測(cè)定的土壤含水量乘以土壤容重，x為時(shí)域反射儀的介電常數(shù)。與此同時(shí)，在流域內(nèi)布設(shè)自動(dòng)氣象站(VantagePro2)記錄生長(zhǎng)季內(nèi)的降水量。

2.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SAS9.2軟件PROCMIXED(混合線(xiàn)性模型)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，混合線(xiàn)性模型可不依賴(lài)方差分析表計(jì)算均方，而直接估算各項(xiàng)影響因素的方差分量。相關(guān)數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)來(lái)表示，同一因素不同水平間差異顯著性采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行檢驗(yàn)(顯著性水平P=0.05)，同時(shí)，結(jié)合有序分類(lèi)法中的最優(yōu)分割法，將土壤水分變化層次根據(jù)土壤深度進(jìn)行排序，采用標(biāo)準(zhǔn)差(S)和變異系數(shù)(Cv)為指標(biāo)，按土壤水分含量進(jìn)行聚類(lèi)，進(jìn)而確定土壤水分的垂直變化層次[20-21]。標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的計(jì)算方法見(jiàn)如下計(jì)算公式：

(1)

(2)

3結(jié)果與分析

3.1降水特征

圖1　研究區(qū)生長(zhǎng)季降水分布情況(5—10月)Fig.1　Rainfall distribution in the study area during the growing season (May—October)

流域內(nèi)2014年5月1日至10月31日降水分布情況如圖1所示，研究期間共記錄降水事件40次，累積降水量501.6mm，其中最小降水量為0.20mm，最大降水量為25.8mm。7月至9月降水量為331.4mm，占生長(zhǎng)季降水量的66.07%。在40次降水事件中，降水量大于20mm的有4次，占生長(zhǎng)季總降水量的41.4%，分別發(fā)生在6月28日，7月8日，8月21日和8月23日，降水量大于5mm而小于20mm的降水事件有13次，占生長(zhǎng)季總降水量的40.1%，降水量小于5mm的事件有23次，占生長(zhǎng)季降水量的18.5%，流域內(nèi)降雨主要以中到大雨為主，主要集中在7—9月。

3.2土壤水分時(shí)空變化

不同整地方式土壤水分動(dòng)態(tài)變化與降水量大小關(guān)系密切，以7月的水分變化為例，如圖2所示，0—20cm檸條水平階在該月份的水分變化較為劇烈，而油松反坡臺(tái)水分變化受降水干擾較小。而側(cè)柏反坡臺(tái)與山杏水平溝的剖面水分變化較為接近。雖然檸條水平階在7—8月0—20cm水分變化較為劇烈，綜合該月份各整地方式的水分含量，僅油松反坡臺(tái)的水分含量顯著低于其他3種整地方式(P<0.05)，這說(shuō)明不同整地方式土壤水分對(duì)次降水事件的響應(yīng)不同。如表2所示，各月份各整地方式之間土壤水分含量差異顯著(P<0.05)。具體來(lái)說(shuō)，5月份，山杏水平溝土壤水分含量顯著高于油松反坡臺(tái)和檸條水平階(P<0.05)，但與側(cè)柏反坡臺(tái)無(wú)顯著差異(P>0.05)。6月份，山杏水平溝土壤水分顯著高于油松反坡臺(tái)(P<0.05)，但與檸條水平階和側(cè)柏反坡臺(tái)之間差異不顯著(P>0.05)。7月份，油松反坡臺(tái)土壤水分含量顯著低于其他3種整地方式(P<0.05)，而其他三種整地方式之間土壤水分無(wú)顯著差異(P>0.05)。8月份，山杏水平溝與側(cè)柏反坡臺(tái)之間差異不顯著(P>0.05)，但兩者顯著高于油松反坡臺(tái)和檸條水平階(P<0.05)。9月份，側(cè)柏反坡臺(tái)水分含量顯著高于油松反坡臺(tái)和檸條水平階(P<0.05)，但是山杏水平溝與檸條水平階之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。10月份，山杏水平溝與側(cè)柏反坡臺(tái)之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，但兩者顯著高于檸條水平階和油松反坡臺(tái)(P<0.05)，而檸條水平階和油松反坡臺(tái)之間土壤水分含量無(wú)顯著差異(P>0.05)。綜合對(duì)比不同整地方式土壤水分含量可排序?yàn)?，山杏水平?> 側(cè)柏反坡臺(tái) > 檸條水平階 > 油松反坡臺(tái)。

圖2　不同整地方式土壤水分隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Fig.2　Soil moisture dynamics of different land preparation over time(a)檸條水平階Level bench-Caragana korshinskii; (b)山杏水平溝Level ditch-Prunus armeniaca;(c)側(cè)柏反坡臺(tái)Adverse grade tableland-Platycladus orientalis;(d)油松反坡臺(tái)Adverse grade tableland-Pinus tabulaeformis

3.3不同整地方式土壤水分垂直變化

同一深度不同整地方式之間土壤水分差異顯著(P<0.05)，不同深度之間表現(xiàn)不同。如表3所示，0—5cm，油松反坡臺(tái)土壤水分含量顯著低于其他3種整地類(lèi)型(P<0.05)，而另外3種整地類(lèi)型之間無(wú)顯著差異。5—10cm，側(cè)柏反坡臺(tái)顯著高于油松反坡臺(tái)(P<0.05)，但是與檸條水平階和山杏水平溝之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。10—20cm，油松反坡臺(tái)與檸條水平階水分含量無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著低于山杏水平溝與側(cè)柏反坡臺(tái)(P<0.05)。而在20—30cm山杏水平溝與側(cè)柏反坡臺(tái)之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著高于油松反坡臺(tái)和檸條水平階(P<0.05)，同時(shí)，油松反坡臺(tái)與檸條水平階之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，這也與30—40cm、40—60cm和60—80cm深度相同。80—100cm和100—120cm山杏水平溝與側(cè)柏反坡臺(tái)之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著高于檸條水平階和油松反坡臺(tái)(P<0.05)。120—160cm，山杏水平溝、檸條水平階與側(cè)柏反坡臺(tái)之間水分含量無(wú)顯著差異(P>0.05)，但山杏水平溝顯著高于油松反坡臺(tái)(P<0.05)。同時(shí)油松反坡臺(tái)、側(cè)柏反坡臺(tái)和檸條水平階之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。不同整地方式土壤水分垂直變化特征也呈現(xiàn)出顯著的層次性，對(duì)檸條水平階來(lái)說(shuō)0—5cm和5—10cm顯著高于30—180cm各深度(P<0.05)。山杏水平溝0—40cm之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著高于60—180cm各深度(P<0.05)，同時(shí)60—180cm各深度之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。側(cè)柏反坡臺(tái)80—180cm各深度之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著低于0—60cm各深度(P<0.05)。對(duì)油松反坡臺(tái)來(lái)說(shuō)，0—5cm和5—10cm顯著高于10—60cm各深度(P<0.05)，同時(shí)60—180cm各深度之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。

表2　不同整地方式土壤水分逐月變化

不同大寫(xiě)字母表示同一月份不同整地方式之間差異顯著, 不同小寫(xiě)字母表示同一整地方式不同月份差異顯著(P<0.05)

表3　不同整地方式土壤水分垂直變化

不同大寫(xiě)字母表示同一深度不同整地方式之間差異顯著, 不同小寫(xiě)字母表示同一整地方式不同深度差異顯著

圖3　不同整地方式土壤水分垂直層次劃分　Fig.3　Vertical soil moisture level division of different land preparation

為了能夠更加直觀的理解不同整地方式土壤水分的垂直變化特征，采用有序分類(lèi)法中的最優(yōu)分割法，將土壤水分變化層次根據(jù)土壤深度進(jìn)行排序，采用標(biāo)準(zhǔn)差(S)和變異系數(shù)(Cv)為指標(biāo)，按土壤水分含量進(jìn)行聚類(lèi)，進(jìn)而確定土壤水分的垂直變化層次。如圖3所示，將不同整地方式180cm以?xún)?nèi)土壤水分的垂直變化劃分為三個(gè)層次，活躍層、次活躍層與相對(duì)穩(wěn)定層。不同整地方式土壤水分層次劃分結(jié)果不同，檸條水平階水分活躍層為0—10cm(S=4.85—4.91，Cv=39.71%—40.10%)、次活躍層為10—30cm(S=3.29—4.03，Cv=37.18%—38.67%)、30cm以下為相對(duì)穩(wěn)定層(S=0.95—2.32，Cv=15.69%—29.62%)；山杏水平溝水分活躍層為0—40cm(S=4.67—4.94，Cv=36.39%—41.70%)、次活躍層為40—80cm(S=2.74—3.75，Cv=30.80%—35.36%)，80cm以下為相對(duì)穩(wěn)定層(S=1.35—2.43，Cv=18.67%—24.10%)；側(cè)柏反坡臺(tái)水分活躍層為0—30cm(S=5.25—5.88，Cv=43.62%—49.13%)，次活躍層為30—60cm(S=3.21—4.76，Cv=33.51%—36.71%)，60cm以下為相對(duì)穩(wěn)定層(S=0.71—1.70，Cv=9.78%—21.09%)；油松反坡臺(tái)活躍層為0—10cm(S=5.22—5.24，Cv=50.41%—51.49%)，次活躍層為10—60cm(S=2.82—4.27，Cv=39.63%—45.26%)，60cm以下為相對(duì)穩(wěn)定層(S=0.86—1.28，Cv=15.98%—24.97%)。山杏水平溝水分活躍層與次活躍層為0—80cm，其深度范圍均大于其他3種整地方式，而檸條水平階土壤水分均在30cm以下較為穩(wěn)定，其深度范圍均小于其他3種整地方式。

4討論與結(jié)論

降水是流域內(nèi)植被生長(zhǎng)的主要水源，基于水量平衡，對(duì)于不同整地方式的水文效應(yīng)，需結(jié)合不同植被類(lèi)型研究土壤水分的垂直分布特征，黃土高原地區(qū)不同植被類(lèi)型的水分循環(huán)是單純的降雨入滲，地表蒸發(fā)和植物蒸騰過(guò)程，土壤水分垂直剖面的層次性特征是具體的體現(xiàn)[22]。不同植被類(lèi)型的水分收支特征主要取決于降水輸入、徑流和蒸散發(fā)，同時(shí)在水平溝，水平階，反坡臺(tái)等工程措施的作用下，工程措施的開(kāi)展和應(yīng)用一方面能夠有效的攔截徑流和泥沙，另一方面也使得降水得到再分配，植被能夠通過(guò)攔截到的徑流強(qiáng)化自身的水分供應(yīng)。

生長(zhǎng)季內(nèi)，降水量的大小是影響水分補(bǔ)給深度的重要因素之一，水分的變化主要取決于降水量的變化。降水的季節(jié)分布格局(降水頻率、持續(xù)時(shí)間、降水強(qiáng)度)也直接影響著不同整地方式土壤水分的動(dòng)態(tài)[23]。在降水量恒定的前提下，多次少量的降水與少次大量的降水對(duì)不同類(lèi)型植被的影響并不相同，這也與沙地生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究結(jié)果一致[24]。綜合整個(gè)生長(zhǎng)季，不同整地方式5—6月的土壤水分較低，9—10月的土壤水分較高。降水的季節(jié)分布格局是影響水分變化的因素之一。7—9月是降水集中的時(shí)期，7—8月間雖發(fā)生了次降水量較大的降水事件，但次數(shù)較少，不同整地方式僅在淺層對(duì)降水事件的響應(yīng)較強(qiáng)。在9月下旬—10月底，雖未發(fā)生降水量大于20mm的次降水事件，但正是在多次少量的降水事件影響下，降水對(duì)土壤水分形成了有效的補(bǔ)給，不同整地方式的土壤水分變化較為劇烈。

除降水季節(jié)分布格局外，植被自身的屬性也是影響水分變化的重要因素。冠層截留，樹(shù)干莖流，植被蒸騰耗水等關(guān)鍵水文循環(huán)過(guò)程也會(huì)影響土壤水分的動(dòng)態(tài)變化。冠層截留作為影響降水進(jìn)入土壤中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，影響著降水的再分配過(guò)程，相關(guān)報(bào)道說(shuō)明喬木冠層能夠截留小的降水事件產(chǎn)生的降水，使喬木的土壤水分動(dòng)態(tài)幾乎不受小降水事件的作用[25]，所以油松反坡臺(tái)的水分較低。由于在側(cè)柏的高度較低，冠幅較小，冠層截留的效應(yīng)不及油松顯著且可以利用的坡面徑流比油松多，所以同為反坡臺(tái)整地，側(cè)柏反坡臺(tái)的水分顯著高于油松反坡臺(tái)。另一方面，5月過(guò)后進(jìn)入夏季，伴隨著溫度的逐漸升高，植被的蒸發(fā)散作用也會(huì)增加，降水不僅不能夠及時(shí)的形成補(bǔ)給，再加上受植被截留的影響，使得進(jìn)入土壤中的水分更加有限，進(jìn)而導(dǎo)致土壤含水量逐漸降低。8月后步入秋季，秋季的溫度較夏季低，溫度低植被的蒸散作用會(huì)減弱，降水能夠有效的形成補(bǔ)給，使土壤含水量逐漸增加，不同整地方式的土壤水分在9月和10月均較高。

植物通過(guò)根系進(jìn)行水分的吸收與利用，相關(guān)研究表明黃土高原地區(qū)降水入滲深度一般為1—3m[26]，不同植被類(lèi)型根系的分布特征決定著不同深度土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，也使得不同植被類(lèi)型土壤垂直剖面水分變異程度不同。相關(guān)研究將檸條植物籬土壤水分垂直變化按照深度劃分為弱利用層、利用層和調(diào)節(jié)層，其中利用層主要指植被根系的主要分布區(qū)，也是降雨入滲到土壤中的水分儲(chǔ)存的層次[27]，還有學(xué)者將高寒干旱針茅的草原土壤水分劃分為敏感層、活躍層和穩(wěn)定層[28]，本研究采用最優(yōu)分割法，根據(jù)不同層次土壤水分的變異程度依照前人研究的劃分方式[22]，將不同整地方式的土壤水分劃分為活躍層、次活躍層和相對(duì)穩(wěn)定層。活躍層在降水入滲以及蒸散發(fā)的作用下，水分含量變化較為劇烈，次活躍層是降水-植被-深層土壤水分進(jìn)行水分交換的緩沖區(qū)，也是植被根系主要的分布區(qū)，對(duì)植被生長(zhǎng)所需水分提供保障。隨著深度的增加，水分的變化逐漸減弱，變異強(qiáng)度較活躍層和次活躍層低。不同植被類(lèi)型的活躍層、次活躍層與穩(wěn)定層分布不同。相關(guān)報(bào)道說(shuō)明檸條水平階在生長(zhǎng)14a以后即進(jìn)入老齡期[29]，根系深度可達(dá)地下5m，土壤水庫(kù)已失去調(diào)節(jié)功能，檸條的生長(zhǎng)受不同程度的抑制，生長(zhǎng)主要靠天然降水來(lái)維持，地上部分的生長(zhǎng)主要利用發(fā)達(dá)的主根吸收土壤水分，由于我們的研究中測(cè)定的土壤深度最深為180cm，這個(gè)深度的變化從對(duì)土壤層次劃分的結(jié)果看，既包含降水及工程措施對(duì)土壤水分的補(bǔ)充，也包含根系對(duì)深層水分的利用，所以深入研究根系分布特征與土壤水分變化的關(guān)系，也能夠?yàn)檠芯克盅卮怪逼拭娴姆謱觿澐忠约巴寥栏蓪拥姆植继峁┬碌乃伎?。研究區(qū)的檸條栽植已有30年，已步入老齡期，相關(guān)研究表明在一定區(qū)域，較高的群落蓋度下。檸條土壤容積含水率一般較低[30]，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示側(cè)柏反坡臺(tái)的土壤容積含水率顯著高于檸條水平階，一方面是由檸條自身蓋度較高，另一方面也說(shuō)明反坡臺(tái)整地通過(guò)對(duì)徑流的利用對(duì)水分進(jìn)行調(diào)節(jié)的效果更好。山杏水平溝土壤活躍層與次活躍層集中在0—80cm，生長(zhǎng)季中山杏水平溝整地對(duì)水分的補(bǔ)充和調(diào)節(jié)作用體現(xiàn)的最為明顯，使山杏水平溝的土壤容積含水率顯著高于其他3種整地類(lèi)型。

綜合不同整地方式土壤水分含量的分析結(jié)果，在工程措施與植被類(lèi)型的耦合作用下，不同整地方式生長(zhǎng)季的土壤水分含量呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05)。山杏水平溝整地方式的土壤水分含量顯著高于其他3種整地方式，側(cè)柏反坡臺(tái)其次，檸條水平階和油松反坡臺(tái)較低。根據(jù)當(dāng)前的監(jiān)測(cè)結(jié)果，水分垂直變化可劃分為活躍層、次活躍層和相對(duì)穩(wěn)定層3個(gè)層次，山杏水分的活躍層與次活躍層分布在0—80cm，其深度范圍均大于其他3種整地方式。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]MongerC,SalaOE,DuniwayMC,GoldfusH,MeirIA,PochRM,ThroopHL,Vivoni,ER.Legacyeffectsinlinkedecological-soil-geomorphicsystemofdrylands.FrontiersinEcologyandtheEnvironment, 2015, 13(1):13-19.

[2]AustinAT,YahdjianL,StarkJM,BelnapJ,PorporatoA,NortonU,RavettaDA,SchaefferSM.Waterpulsesandbiogeochemicalcyclesinaridandsemiaridecosystems.Oecologia, 2004, 141(2): 221-235.

[3]BochetE.Thefateofseedsinthesoil:Areviewoftheinfluenceofoverlandflowonseedremovalanditsconsequencesforthevegetationofaridandsemiaridpatchyecosystems.SOIL, 2015, 1: 131-146.

[4]PottsDL,Scott.RL,BayramS,CarbonaraJ.Woodyplantsmodulatethetemporaldynamicsofsoilmoistureinasemi-aridmesquitesavanna.Ecohydrology, 2010, 3(1): 20-27.

[5]DengL,ShangguanZP,SweeneyS. “GrainforGreen”drivenlandusechangeandcarbonsequestrationontheLoessPlateau,China.ScientificReports, 2014, 4:7039.

[6]ChenLD,HuangZL,GongJ,FuBJ,HuangYL.Theeffectoflandcover/vegetationonsoilwaterdynamicinthehillyareaoftheloessplateau,China.Catena, 2007,70 (2): 200-208.

[7]WangYQ,ShaoMA,ZhangCC,HanXW,MaoTX,JiaXX.Choosinganoptimalland-usepatternforrestoringeco-environmentsinasemiaridregionoftheChineseLoessPlateau.EcologicalEngineering, 2015, 74: 213-222.

[8]屈振江, 張勇, 王景紅, 張燾, 楊芳, 高峰. 黃土高原蘋(píng)果園不同生長(zhǎng)階段的小氣候特征. 生態(tài)學(xué)雜志, 2015, 34(2): 399-405.

[9]衛(wèi)偉, 余韻, 賈福巖, 楊磊, 陳利頂. 微地形改造的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(20) : 6462-6469.

[10]李艷梅, 王克勤, 劉芝芹, 王建英, 周祥.云南干熱河谷不同坡面整地方式對(duì)土壤水分環(huán)境的影響．水土保持學(xué)報(bào), 2006, 20(1):15-19．

[11]穆興民,徐學(xué)選,陳霽巍.黃土高原生態(tài)水文研究. 北京: 中國(guó)林業(yè)出版社, 2001.

[12]張建軍, 李慧敏, 徐佳佳. 黃土高原水土保持林對(duì)土壤水分的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(23): 7056-7066.

[13]張雷明, 上官周平. 黃土高原土壤水分與植被生產(chǎn)力的關(guān)系.干旱區(qū)研究, 2002, 19(4): 59-63.

[14]姚雪玲, 傅伯杰, 呂一河. 黃土丘陵溝壑區(qū)坡面尺度土壤水分空間變異及影響因子. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(16): 4961-4968．

[15]ChenLD,WangJP,WeiW,FuBJ,WuDP.EffectsoflandscaperestorationonsoilwaterstorageandwateruseintheLoessPlateauRegion,China．ForestEcologyandManagement, 2010, 259(7): 1291-1298．

[16]ZhangJG,GuanJH,ShiWY,YamanakaN,DuS.Interannualvariationinstandtranspirationestimatedbysapflowmeasurementinasemi-aridblacklocustplantation,LoessPlateau,China.Ecohydrology, 2015, 8(1): 137-147.

[17]邱揚(yáng),傅伯杰,王軍,陳利頂.黃土丘陵小流域土壤水分的空間異質(zhì)性及其影響因子.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 12(5): 715-720.

[18]ZhuHD,ShiZH,FangNF,WuGL,GuoZL,YangY.Soilmoistureresponsetoenvironmentalfactorsfollowingprecipitationeventsinasmallcatchment.Catena, 2014, 120: 73-80.

[19]蔡燕，王會(huì)肖. 黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同植被類(lèi)型土壤水分動(dòng)態(tài). 水土保持研究, 2006, 13(6): 79-81.

[20]李俊，畢華興，李笑吟,郭夢(mèng)霞,劉鑫,林靚靚, 郭超穎.有序聚類(lèi)法在土壤水分垂直分層中的應(yīng)用.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 29(1): 98-101.

[21]王信增，焦峰. 基于有序聚類(lèi)法的土壤水分剖面劃分. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2011, 39(2): 191-196, 201-201.

[22]莫保儒, 蔡國(guó)軍, 楊磊, 蘆娟, 王子婷, 黨宏忠, 王多鋒, 戚建莉. 半干旱黃土區(qū)成熟檸條林地土壤水分利用及平衡特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(13) : 4011-4020．

[23]趙文智, 劉鵠. 干旱、半干旱環(huán)境降水脈動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(1): 243-249．

[24]張軍紅, 吳波, 楊文斌, 雷亞凱, 李秀梅. 不同演替階段油蒿群落土壤水分特征分析. 中國(guó)沙漠, 2012, 32(6): 1597-1603.

[25]LoikME,BreshearsDD,LauenrothW.K,BelnapJ.Amulti-scaleperspectiveofwaterpulsesindrylandecosystems:climatologyandecohydrologyofthewesternUSA.Oecologia, 2004, 141(2): 269-281.

[26]莫保儒, 王子婷, 蔡國(guó)軍, 楊磊, 黨宏忠, 王多峰, 薛睿.半干旱黃土區(qū)成熟檸條林地剖面土壤水分環(huán)境及影響因子研究.干旱區(qū)地理,2014, 37(6): 1207-1215.

[27]黨漢瑾, 黨宏忠, 王玉魁, 周澤福. 半干旱區(qū)檸條植物籬水分再分配格局研究. 林業(yè)科學(xué)研究, 2014, 27(6): 745-751.

[28]朱寶文, 鄭有飛, 陳曉光. 高寒針茅草原植物生長(zhǎng)季土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2009, 27(3): 96-100.

[29]程積民, 萬(wàn)惠娥, 王靜, 雍紹萍. 半干旱區(qū)不同整地方式與灌草配置對(duì)土壤水分的影響. 中國(guó)水土保持科學(xué), 2003, 1(3): 10-14．

[30]程積民, 萬(wàn)惠娥, 王靜, 雍紹萍. 半干旱區(qū)檸條生長(zhǎng)與土壤水分消耗過(guò)程研究. 林業(yè)科學(xué), 2005, 41(2): 37-41．

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371123, 41401209, 41501091)

收稿日期:2015- 05- 05;

修訂日期:2015- 08- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: weiwei@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201505050911

Couplingeffectsofdifferentlandpreparationandvegetationonsoilmoisturecharacteristicsinasemi-aridloesshillyregion

YUYang1,WEIWei1，*,CHENLiding1,FENGTianjiao1,2,YANGLei1,ZHANGHandan1,2

1 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China

Abstract：Soil moisture is the main environmental factor affecting vegetation restoration in the arid and semi-arid regions. In the small watershed of the Loess Plateau, reasonable land preparation methods can be utilized the surface runoff effectively and thus supply for the soil moisture during the vegetation restoration processes. In the present study, a small watershed located in Dingxi City Gansu Province was selected, based on the field survey data in the growing season. Different land preparation methods combined with various vegetation types (Level bench-Caragana korshinskii, Level ditch-Prunus armeniaca, Adverse grade tableland-Platycladus orientalis, Adverse grade tableland-Pinus tabulaeformis) were used to investigate the soil moisture dynamics during the re-vegetation. Time domain reflectometry was applied to record volumetric soil moisture in the research plots at 12 different soil depths below the ground surface (0—5, 5—10, 10—20, 20—30, 30—40, 40—60, 60—80, 80—100, 100—120, 120—140, 140—160, 160—180 cm) during the growing season of 2014. Meanwhile, the vertical soil moisture layer could be divided into the active layer, the second active layer and the stable layer according to the optimal segmentation method. The results indicated that: soil moisture variation exhibited closed relationship with the changes of precipitation, the rainfall events were scattered during the growing season, the precipitation with a small amount with more frequency and large amount with small frequency can led to different effects to different vegetation types. In addition, soil moisture content was relative lower from May to June, whereas higher soil moisture content exhibited from September to October. Moreover, soil moisture showed significant differences between different months and soil depths (P<0.05). Different land preparations showed different hierarchy partition. The depth of the active layer and second active layer can reach 80 cm of the level ditch with Prunus armeniaca, which was higher than the other land preparation types, while the stable layer was below 30 cm of the level bench-Caragana korshinskii, which was lower than the other land preparation types. The active layer, second active layer and stable layer of the Level bench-Caragana korshinskii were 0—10, 10—30 and 30—180 cm, of the Level ditch-Prunus armeniaca were 0—40, 40—80 and 80—180 cm, of the adverse grade tableland-Platycladus orientalis were 0—30, 30—60 and 60—180 cm, and of the adverse grade tableland-Pinus tabulaeformis were 0—10, 10—60 and 60—180 cm, respectively. In conclusion, during the growing season, different soil moisture variation showed as the followed order, Level ditch-Prunus armeniaca > Adverse grade tableland-Platycladus orientalis > Level bench-Caragana korshinskii > Adverse grade tableland-Pinus tabulaeformis.

Key Words:land preparation; soil moisture; vegetation types; small loess watershed

于洋，衛(wèi)偉，陳利頂，馮天驕，楊磊，張涵丹.黃土丘陵區(qū)坡面整地和植被耦合下的土壤水分特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(11):3441- 3449.

YuY,WeiW,ChenLD,FengTJ,YangL,ZhangHD.Couplingeffectsofdifferentlandpreparationandvegetationonsoilmoisturecharacteristicsinasemi-aridloesshillyregion.ActaEcologicaSinica,2016,36(11):3441- 3449.