陜北黃土區(qū)不同降水量地點微地形土壤干燥化效應研究

濮陽雪華，茍清平，趙志杰，黃 娟，楊 宇

（1.北京大學環(huán)境科學與工程學院，北京 100871；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，深圳 518040；3.北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083）

陜北黃土區(qū)地處黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)，脆弱的生態(tài)環(huán)境，加之長期人為擾動，導致水土流失嚴重，植被的恢復與重建是緩解這一現(xiàn)狀的重要途徑之一[1-2]。土壤水分是影響植物生長和發(fā)育的最重要環(huán)境因素之一，更是半干旱黃土區(qū)植被生長所需水分的直接來源，土壤水分不足嚴重制約著該區(qū)域植被重建與生態(tài)恢復[3-4]。黃土坡面在土壤侵蝕的長期作用下分割破碎，形成原狀坡、緩臺、淺溝、切溝、塌陷及陡坎等立地條件各異的微地形[5]。由于不同微地形在橫斷面、坡度、植被、光照等方面的差異，影響著降水在坡面上的再分配，改變了坡面原有地表徑流、水分入滲和水分蒸發(fā)的過程，從而導致坡面土壤水分呈現(xiàn)一定的差異[6-7]。目前針對黃土高原微地形土壤水分的研究主要集中在淺層土壤。Ma H.等[8]研究表明，黃土丘陵溝壑區(qū)5種微地形0～120 cm土壤含水量、土壤貯存水分的有效時長及其對降水的響應均存在差異。申明爽等[7]對陜北黃土區(qū)不同微地形0～160 cm土壤含水量研究發(fā)現(xiàn)，切溝土壤含水量最高，陡坎含水量最低，塌陷土壤水分變化速率最快。杜勝莉等[9]對陜北黃土極陡坡0～180 cm土壤水分對微地形的響應研究指出，切溝具備優(yōu)質的土壤水分環(huán)境，而陡坎含水量最低，不適宜植被的生長發(fā)育。趙薈等[5-6]對黃土高原不同微地形0～60 cm土壤水分特征研究表明，微地形顯著影響土壤含水量，其中塌陷土壤含水量最高，陡坎含水量最低。

黃土高原降水量少，潛在蒸發(fā)量大，降水集中，且雨強大、歷時短，不利于降水入滲，土壤水分有效補給不足，使得土壤干燥化現(xiàn)象普遍存在[10-11]。土壤干燥化的出現(xiàn)導致土壤形成干層，難以為植被提供充足的水分，不利于植被穩(wěn)定生長，進而導致植被群落退化，威脅區(qū)域生態(tài)安全。近年來，隨著氣候變暖、降水量減少、人為擾動劇烈等因素的長期共同影響，黃土高原土壤干燥化日趨嚴重，土壤干層空間分布范圍持續(xù)增大[12]。國內(nèi)眾多學者分別從降水梯度[13-14]、植被類型[15-16]、土壤質地[17-18]、地形要素[19-20]、土地利用方式[21]等方面對黃土高原土壤干燥化效應展開了大量研究，取得了重要進展，而對不同降水量地點微地形對深層土壤干燥化影響的研究報道甚少。本研究根據(jù)陜西省吳起縣降水量存在較大差異的2個地點的6種微地形0～10 m土層土壤的水分狀況，對比分析不同微地形土壤干燥化程度及區(qū)域分布特征，以期為陜北黃土區(qū)土壤水分的可持續(xù)利用及植被恢復的可持續(xù)發(fā)展提供科學理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

吳起縣位于陜西省延安市西北部（36°33'33"～37°24'27"N，107°38'57"～108°32'49"E），地貌類型為黃土高原丘陵溝壑區(qū)，海拔1 233～1 809 m，屬半干旱溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫7.8℃，年均無霜期146 d，年均降水量478.3 mm，年均蒸發(fā)量891.2 mm，干燥度1.86。土壤類型為黃土母質發(fā)育而來的黃綿土，占全區(qū)總面積的97.6%，質地為輕壤。研究區(qū)分別位于吳起縣西北部降水量相對較低的王洼子流域和南部降水量相對較高的白豹流域[22]。根據(jù)研究區(qū)地形地貌特征，結合野外調查，綜合考慮坡度、坡向和海拔等因素，在王洼子和白豹分別選擇6種半陽坡向的微地形（原狀坡、緩臺、淺溝、切溝、塌陷、陡坎）作為研究對象（見表1），每種微地形選取3個2 m×2 m的典型樣地。王洼子和白豹研究樣地年均氣溫分別為6.8℃和7.9℃，年均降雨量分別為370 mm和465 mm。研究樣地選擇無人工干預的多年荒草地，植被群落以針茅（Stipa capillata）、長芒草（Stipa bungeana）、冷蒿（Artemisia frigida）、鐵桿蒿（Artemisia gmelinii）、賴草（Leymus secalinus）等草本植物為主，零星分布沙棘（Hippophae rhamnoides）、檸條（Carag-ana korshinskii）、達烏里胡枝子（Lespedeza davurica）等小灌木。

表1 研究樣地基本概況Table 1 Information of the study area

1.2 土壤樣品采集與分析

土壤樣品于2018年7月進行采集，每次采集時確保前3 d無有效降水。在每個典型樣地中心位置采用人工土鉆法采集0～10 m土層的土壤，其中0～1 m土層每間隔10 cm采樣，1～10 m土層每間隔20 cm采樣。采用烘干法測定土壤含水量，在105℃烘干至恒重，分別稱量濕土質量、干土質量和鋁盒質量，最后計算各層土壤質量含水量。黃土高原黃綿土土壤剖面質地較為均一，但由于缺乏深層土壤容重的測定資料，參考前人在該地區(qū)深層土壤水分計算中容重的取值[15，21，23]，本研究 0～10 m 土層土壤容重取值均為1.3 g/cm3。

1.3 土壤含水量分析方法

1.3.1 土壤含水量

土壤含水量（SMC，soil moisture content）計算公式如下:

式中:SMC為土壤含水量（單位:%）；m1為濕土和鋁盒質量（單位:g）；m2為干土和鋁盒質量（單位:g）；m 為空鋁盒質量（單位:g）。

1.3.2 土壤貯水量

土壤貯水量（SMS，soil moisture storage）表示一定厚度土層所貯存的水量，其計算公式如下:

SMS=SMC×BD×H×0.1

式中:SMS為土壤貯水量（單位:mm）；BD（bulk density）為土壤容重（單位:g/cm3），取值 1.3 g/cm3；H表示土層厚度（單位:cm）。

1.3.3 土壤有效貯水量

土壤有效貯水量（ASMS，available soil moisture storage）表示實際土壤貯水量與凋萎濕度時土壤貯水量的差值，其計算公式如下:

ASMS=SMS-SMSWM

式中:ASMS為土壤有效貯水量（單位:mm）；SMSWM為凋萎濕度時土壤貯水量（單位:mm）。

1.3.4 土壤水分過耗量

土壤水分過耗量（SMO，soil moisture overconsumption）表示穩(wěn)定濕度時土壤貯水量與實際土壤貯水量的差值，其計算公式如下:

SMO=SMSSSM-SMS

式中:SMO為土壤水分過耗量（單位:mm）；SMSSSM為穩(wěn)定濕度時土壤貯水量（單位:mm）。

1.4 土壤干燥化評價方法

土壤干燥化效應評價通常以土壤凋萎濕度值作為干燥化程度的下限，以土壤穩(wěn)定濕度值作為干燥化程度的上限。黃土高原半干旱區(qū)吳起的土壤田間持水量為20.9%，凋萎濕度為4.7%[15，23]。土壤穩(wěn)定濕度是指在黃土高原干旱氣候、土壤質地、自然植被等因素作用下土壤能夠長期保持的土壤濕度，約為田間持水量的50%～70%，輕壤土一般介于10%～14%[24]。因此，本研究土壤穩(wěn)定濕度取田間持水量的60%，即取值12.5%。本研究采用土壤干燥化指數(shù)（SDI，soil desiccation index）分析不同降水量地點各微地形的土壤干燥化程度，其計算公式如下:

式中:SDI為土壤干燥化指數(shù)（單位:%）；SSM為土壤穩(wěn)定濕度（單位:%），取值12.5%；WM為土壤凋萎濕度（單位:%），取值4.7%。

根據(jù)土壤干燥化指數(shù)SDI值的大小，將土壤干燥化程度劃分為6個等級:（1）若SDI≥100%，為極度干燥化；（2）若 75%≤SDI＜100%，為強烈干燥化；（3）若 50%≤SDI＜75%，為嚴重干燥化；（4）若 25%≤SDI＜50%，為中度干燥化；（5）若 0≤SDI＜25%，為輕度干燥化；（6）若 SDI＜0，為無干燥化。

1.5 數(shù)據(jù)分析

釆用Excel 2013和SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用T檢驗、單因素方差分析、雙因素方差分析、LSD多重比較分析不同處理之間的差異，使用SigmaPlot 12.5進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同降水量地點微地形土壤含水量分析

雙因素（不同降水量地點和不同微地形）方差分析結果表明，不同降水量地點、不同微地形以及兩因素的交互作用均對土壤含水量具有極顯著的影響。通過對不同降水量地點各微地形淺層（0～2 m）和深層（2～10 m）土壤含水量的對比分析可知，白豹各微地形淺層和深層土壤的含水量均顯著高于王洼子（見表2）。在降水量較低的王洼子，不同微地形淺層土壤含水量介于8.12%～10.18%，平均值為8.93%，深層土壤含水量則介于4.90%～8.39%，平均值為6.47%。在降水量較高的白豹，不同微地形淺層和深層土壤含水量分別介于13.35%～18.29%和9.11%～13.24%，平均值則分別為15.56%和10.65%。

從不同微地形來看，王洼子切溝淺層土壤含水量顯著高于陡坎和淺溝，不同微地形深層土壤含水量則存在極顯著差異，其中切溝深層土壤含水量最高，為 8.39%，淺溝（5.05%）和陡坎（4.90%）較低且彼此間無顯著差異。白豹不同微地形淺層和深層土壤含水量均存在極顯著差異，其中淺層土壤含水量從高到低依次為切溝＞緩臺＞淺溝＞原狀坡＞塌陷＞陡坎，深層土壤含水量最高的為切溝（13.24%），緩臺和塌陷次之，分別為11.50%和10.81%，原狀坡（9.11%）、淺溝（9.55%）和陡坎（9.67%）土壤含水量較低，且彼此間無顯著差異。

2.2 不同降水量地點微地形土壤貯水量分析

由表3可知，王洼子和白豹不同微地形0～10 m土層土壤含水量的均值分別為7.14%和11.99%，其中兩地切溝土壤含水量均為最高，分別為8.88%和14.62%，兩地土壤含水量最低的微地形則分別為陡坎（5.82%）和原狀坡（10.42%）。除白豹切溝和緩臺外，各微地形土壤含水量均低于土壤穩(wěn)定濕度12.50%，因而均存在不同程度的土壤干燥化現(xiàn)象。王洼子不同微地形0～10 m土層土壤貯水量、土壤有效貯水量和土壤水分過耗量分別介于756.50～1 154.69 mm、145.50～543.69 mm 和 470.31～868.50 mm，平均值分別為928.04 mm、317.04 mm和696.96 mm，其中陡坎土壤水分過耗量是切溝的1.85倍。白豹不同微地形0～10 m土層土壤貯水量、土壤有效貯水量和土壤水分過耗量則分別介于1 354.74～1 900.28 mm、743.74～1 289.28 mm 和-275.28～270.26 mm，平均值分別為1 558.35、947.35和66.65 mm，其中切溝和緩臺土壤水分未出現(xiàn)過耗現(xiàn)象。總體上看，白豹土壤有效貯水量是王洼子的2.99倍，而王洼子土壤水分過耗量則是白豹的10.46倍。

表2 不同降水量地點微地形土壤含水量比較Table 2 Comparison of soil moisture content of micro-topography in different precipitation locations %

表3 不同降水量地點微地形0～10 m土層土壤貯水量比較Table 3 Comparison of soil moisture storage in 0～10 m soil layer of micro-topography in different precipitation locations

2.3 不同降水量地點微地形土壤含水量剖面分布特征

不同降水量地點各微地形0～10 m土壤剖面的土壤含水量隨著土層深度的增加總體上呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，但王洼子各微地形底層土壤含水量較中層升高幅度小于白豹，且王洼子各土層土壤含水量明顯低于白豹（見圖1）。在降水量較低的王洼子，除原狀坡、淺溝、切溝和塌陷表層（0～30 cm）土壤外，各微地形土壤含水量均低于土壤穩(wěn)定濕度，其土壤干燥層已達到或超過10 m，且淺溝在160～740 cm土層以及陡坎在220～860 cm土層土壤含水量接近甚至低于土壤凋萎濕度。在降水量較高的白豹，各微地形土壤含水量均高于土壤凋萎濕度，不同微地形土壤干燥化出現(xiàn)的土層深度存在一定差異，其中塌陷在80 cm土層就開始出現(xiàn)干燥化，原狀坡、緩臺、淺溝和陡坎則分別在110 cm、150 cm、130 cm和125 cm出現(xiàn)干燥化，切溝出現(xiàn)干燥化的土層最深，為210 cm。

2.4 不同降水量地點微地形土壤干燥化程度評價

不同降水量地點各微地形土壤干燥化程度評價結果表明，王洼子和白豹不同微地形0～10 m土層土壤干燥化指數(shù)的均值分別為68.72%和6.54%，分別為嚴重干燥化和輕度干燥化（見表4）。在降水量較低的王洼子，各微地形土壤平均干燥層厚度已達到1 000 cm，土壤達到強烈干燥化的有陡坎（干燥化指數(shù)為85.65%）和淺溝（84.73%），甚至分別出現(xiàn)了280 cm和340 cm厚的極度干燥層，土壤嚴重干燥化的有原狀坡（70.41%）、緩臺（67.67%）和塌陷（57.55%），土壤中度干燥化的則為切溝（46.38%）。在降水量較高的白豹，各微地形土壤平均干燥層厚度為780 cm，其中原狀坡土壤干燥層厚度最大，為900 cm，達到中度干燥化；淺溝、陡坎和塌陷次之，其土壤干燥層厚度分別為880、820和800 cm，均為輕度干燥化；緩臺和切溝土壤干燥層以中度和輕度干燥層為主，總體無干燥化。

3 討論

圖1 不同降水量地點微地形土壤含水量剖面分布特征Figure 1 Distribution characteristics of soil moisture content of micro-topography in different precipitation locations

表4 不同降水量地點微地形土壤干燥化程度及土壤干層厚度Table 4 Soil desiccation degree and desiccation thickness of micro-topography in different precipitation locations

土壤水分與降水、地形、土壤質地、植被群落等因素密切相關，而在地形破碎、溝壑縱橫的黃土丘陵區(qū)，降水是土壤水分最主要的來源，地形則是影響土壤水分空間變異的重要因素[11，25]。因此，在坡面未被人為擾動的情況下，降水可能是王洼子和白豹土壤含水量及土壤貯水量存在顯著差異的主要原因，這也與黃土高原從西北向東南深層土壤濕度逐漸增加的總體變化趨勢相一致[17]。半干旱黃土丘陵區(qū)淺層土壤水分更易受植被蒸騰、土壤蒸發(fā)及降水入滲的影響，因而各微地形土壤水分剖面垂直分布特征總體呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，這與茍清平等[15]對不同林地、胡偉和陳豫[26]對旱作農(nóng)田、楊磊等[27]對不同類型植被深層土壤水分剖面分布特征的研究結果基本一致。不同微地形在坡度、植被等方面的差異改變了坡面的承雨面積及徑流入滲，也影響著坡面的光照角度和水分蒸發(fā)，從而改變淺層土壤水分含量[6，28]。本研究中不同微地形淺層土壤水分存在顯著差異，切溝淺層土壤含水量最高，陡坎較低。申明爽等[7]和杜勝莉等[9]對不同微地形淺層土壤水分的研究也同樣證實了這一觀點。這可能是由于切溝橫斷面呈V形，長、寬、深下切規(guī)模較大，利于水分匯集入滲，并且切溝底光照相對較弱，植被蓋度相對較高，土壤水分蒸發(fā)較小，而陡坎坡度相對較大，徑流流速和流量較快，不利于降水的停留，并且陡坎相對較低的植被蓋度也不利于淺層土壤水分的保持。

近年來，隨著黃土高原氣溫上升、降水減少、干旱加劇[29]，植被蒸騰耗水及土壤物理蒸發(fā)日趨增加，各微地形深層土壤含水量均長期低于土壤穩(wěn)定濕度，尤其是在降水量較低的王洼子地區(qū)，土壤呈現(xiàn)嚴重干燥化。李軍等[21]研究發(fā)現(xiàn)，半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和半干旱偏旱區(qū)林地、草地和農(nóng)田0～10 m土層均存在不同程度的土壤干燥化，且土壤干燥化程度隨著降水量減少而趨于加劇。郭正等[14]對黃土高原不同降水量區(qū)旱作蘋果園地土壤干燥化效應分析表明，土壤干層形成及加深速度、土壤干燥化效應均存在顯著的區(qū)域差異。由于黃土高原深層土壤水分的影響因素較多且錯綜復雜[17]，不同微地形植物群落物種組成、數(shù)量特征及多樣性存在明顯差異，切溝和塌陷呈現(xiàn)較好的植被群落和生長趨勢[30-31]。因此，在同一地點的降水條件和土壤質地基本一致的條件下，不同微地形深層土壤含水量及土壤干燥化程度的差異可能主要是由植被群落和微地形等因素疊加作用的結果，其主導因子及內(nèi)在關系還有待于進一步深入研究。

半干旱黃土區(qū)降水入滲層很難超過蒸發(fā)蒸騰作用層，從而導致深層土壤持續(xù)干化，土壤水分恢復較為困難，但合理的整地措施、優(yōu)化的植物配置以及恰當?shù)墓芾砟Ｊ揭材茱@著改善土壤水分[11，27]。針對陜北黃土區(qū)土壤干燥化程度的區(qū)域及微地形差異，植被恢復重建應避免傳統(tǒng)造林沿等高線統(tǒng)一配置植被的模式，在遵循土壤水分承載力及植被耗水演替規(guī)律的基礎上，充分利用切溝、緩臺、塌陷等土壤水分環(huán)境較好的微地形，選擇節(jié)水耐旱的鄉(xiāng)土植物，因地制宜的配置植被群落，科學合理的調控植被密度，輔以有效的水土保持工程措施，構建以自然恢復為主，人工造林為輔的近自然人工植被群落，確保土壤水分長期穩(wěn)定有效。

4 結論

不同降水量地點及不同微地形土壤含水量均存在顯著差異，降水量高的白豹0～10 m土層土壤含水量、有效貯水量及水分過耗量均優(yōu)于降水量低的王洼子，切溝、緩臺和塌陷土壤含水量、有效貯水量及水分過耗量相對較好，原狀坡、淺溝和陡坎相對較差。

不同降水量地點各微地形土壤含水量隨土層深度增加總體呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，不同微地形土壤干燥層出現(xiàn)的深度存在差異，降水量低的王洼子各微地形在0～30 cm以下土層即出現(xiàn)干燥層，而降水量高的白豹各微地形土壤干燥層出現(xiàn)在80～210 cm以下土層。

降水量低的王洼子土壤總體呈現(xiàn)嚴重干燥化，各微地形土壤干燥層厚度介于970～1 000 cm，干燥化程度依次為陡坎＞淺溝＞原狀坡＞緩臺＞塌陷＞切溝，降水量高的白豹土壤總體為輕度干燥化，各微地形土壤干燥層厚度介于280～900 cm，干燥化程度依次為原狀坡＞陡坎＞淺溝＞塌陷＞緩臺＞切溝。

綜合而言，降水量及微地形對深層土壤含水量及干燥化程度影響顯著，植被恢復重建時應依據(jù)當?shù)亟邓亢推旅嫖⒌匦尾扇〔町惢幕謴痛胧嵤┚珳首鳂I(yè)，充分利用切溝、緩臺、塌陷等土壤水分環(huán)境較好的微地形構建近自然的植被群落。