晉西黃土區(qū)不同水文年土壤水分特征及其主要影響因子分析

孫占薇，馬 嵐，梅雪梅，劉京晶，王福星，張金閣，燕 琳

（1. 北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083；2. 北京林業(yè)大學(xué) 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 吉縣 042200；3. 華北水利水電大學(xué) 水資源學(xué)院，河南 鄭州 450046）

土壤水分作為植被生長的重要限制因素[1]，對生態(tài)系統(tǒng)和水文過程起著重要作用。黃土高原地區(qū)覆蓋的廣袤而深厚的土層，為降水轉(zhuǎn)化為土壤水提供了有利的條件。退耕還林(草)措施實施后，黃土區(qū)植被覆蓋得到了極大改善，覆蓋度由31.6%增加到59.6%[2]，但該措施同時也加快了土壤的干燥化速度，使得植被缺水問題日益嚴(yán)峻[3]。因此，土壤水分的變化規(guī)律和影響因素成為了近些年黃土高原地區(qū)的研究熱點問題。土壤在接受降水補給的同時，也因植被生長而消耗水分。已有研究表明：黃土高原地區(qū)人工植被下的土壤存在不同程度的水分虧缺現(xiàn)象[4]。不同水文年降水量及季節(jié)雨水分配的差異，使得不同時段土壤活躍層存在差異[5]。土壤儲水能力受植被類型、地形和土壤理化性質(zhì)等多因素的制約，這些環(huán)境因子通過交互作用直接或間接發(fā)揮著作用[6]。目前，關(guān)于黃土區(qū)土壤水分時空動態(tài)變化的研究成果較為豐富[7?10]，但是大多數(shù)研究集中在某年的特定時間段，缺乏代表性，且側(cè)重變化規(guī)律或單一影響因素的研究。本研究針對晉西黃土區(qū)具有代表性的人工刺槐Robinia pseudoacacia林、天然三角槭Acer buergerianum林和野艾蒿Artemisia lavandulaefolia草地，探究嚴(yán)重干旱年、平水年和中等濕潤年的土壤水分變化規(guī)律、水分盈虧狀況及環(huán)境因素對不同土層儲水量的影響，為探索有利于區(qū)域土壤水分儲存的植被類型提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省臨汾市吉縣蔡家川流域 (36°14′～36°18′N，110°40′～110°48′E)，地貌屬于黃土高原殘塬溝壑，海拔904～1 592 m，平均海拔1 168 m。該地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為571.0 mm，4?10月降水量占全年的90.5%左右，年平均氣溫10.0 ℃，潛在蒸發(fā)量1 729.0 mm。土壤類型為褐土。研究區(qū)內(nèi)分布著近190余種木本植被，常見天然植被如遼東櫟Quercus liaotungensis、山楊Populus davidiana、白樺Betula platyphylla、側(cè)柏Platycladus orientalis、白皮松Pinus bungeana、黃刺梅Rosa xanthina林等；人工植被主要是刺槐、油松Pinus tabuliformis、側(cè)柏林等。研究區(qū)地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Figure 1 Geographical location of studied area

1.2 樣地設(shè)置

本研究在蔡家川流域內(nèi)的嵌套小流域進(jìn)行，以3種典型植被(人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地)為研究對象，喬木林地采用20 m×20 m的樣方，草地采用1 m×1 m的樣方。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information of experimental sample plots

1.3 方法

在群落調(diào)查的基礎(chǔ)上，隨機選擇3個樣地樣點，采用土鉆法對0～400 cm土層以20 cm為間隔采集土壤樣品。將獲得的土壤樣品一份裝入鋁盒帶回實驗室，烘箱設(shè)定恒溫105 ℃，烘干24 h，放置室溫后測定土壤含水量，另一份用于測定土壤其他理化性質(zhì)。采用環(huán)刀法對0～100 cm土層以10 cm為間隔測定土壤容重。采用MalvernSizer 2000超聲波粒度分析儀對土壤粒徑進(jìn)行分析，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采取環(huán)刀法測定0～100 cm土層土壤孔隙度，以上指標(biāo)均設(shè)置3個重復(fù)。研究期內(nèi)降水氣象資料由觀測點附近的氣象站獲得。土壤水分監(jiān)測時間為2016、2017和2019年3 a的生長季初期(5月)、中期(7月)和末期(10月)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(ISP)為MCKEE等[11]提出的評價旱澇程度的指數(shù)，其優(yōu)點在于化解了降水時空分布差異大，難以直接相互比較的問題。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)可以基于特定時間尺度計算降水量之和，基于降水量的Γ分布，并通過正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化得到[12]。假設(shè)某一時段的降水量為x(mm)，則其Γ分布的概率密度函數(shù)為：

式(1)中：Γ指的是Gamma函數(shù)。

式(2)中：α、β分別代表形狀參數(shù)和尺度參數(shù)(α＞0，β＞0)。用最大似然法估算α和β的最佳值。即：

式(3)～(5)中：n為計算序列的長度，為多年平均降水量。A代表觀測點的數(shù)量。

根據(jù)ISP數(shù)值，MCKEE等[11]將水文年劃分為7個大類，分別是ISP≤?2.00為極端干旱年，?2.00＜ISP＜?1.50為嚴(yán)重干旱年，?1.50≤ISP＜?1.00為中度干旱年，?1.00≤ISP＜1.00為平水年，1.00≤ISP＜1.50為中度濕潤年，1.50≤ISP＜2.00為非常濕潤年，ISP≥2.00為極端濕潤年。

土壤儲水量(SWS)的計算公式為：

式 (6)中：θi為第i層體積含水量 (cm3·cm?3)，hi為土層厚度 (mm)。

土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差(DS)能夠反映不同土層土壤水分變化情況。為了研究不同水文年活動層變化特征，采用土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差，將土壤剖面水分分布劃分為3層，分別為土壤水分活躍層(DS≥1.5)，土壤水分次活躍層(1.0≤DS＜1.5)和土壤水分相對穩(wěn)定層(DS＜1.0)[13]。

為分析環(huán)境因子對土壤儲水量的影響程度，通過冗余分析(RDA)探究環(huán)境因子對不同土層(0～100、100～200、200～300和300～400 cm)土壤儲水量的影響，環(huán)境因子包括植被類型、不同水文年旱澇程度、坡度、坡向、土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、容重和毛管孔隙度。采用前向選擇剔除部分冗余變量，并通過蒙特卡洛檢驗分析篩選出的環(huán)境因子與土壤儲水量是否存在顯著相關(guān)性。

本研究中方差分析、LSD多重比較采用SPSS 18.0，冗余分析(RDA)采用CANOCO 4.5，其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和繪圖采用Excel和Origin。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤水分概況

根據(jù)ISP對研究期內(nèi)各時間段的干旱程度進(jìn)行劃分顯示：2016、2017及2019年ISP分別為?0.33(平水年)、1.41(中等濕潤年)以及?1.57(嚴(yán)重干旱年)。人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地平均土壤含水量分別為8.36%～9.63%、10.01%～13.19%、15.43%～19.17%(表2)。3種植被類型0～100 cm土層土壤含水量差異顯著(P＜0.05)，100 cm以下土層含水量差異不顯著(P＞0.05)。野艾蒿草地土壤含水量較高，天然林次之，而人工刺槐林最低。人工刺槐林冠層較高，地面灌草植被覆蓋程度大于天然三角槭林，相應(yīng)耗水量較大，導(dǎo)致人工林表層土壤水分含量較低。0～100 cm人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.12、1.43和1.68，人工刺槐林變異程度最高，野艾蒿草地次之，天然三角槭林變異程度最低，100～400 cm土壤變異程度減小。不同植被類型土壤表層水分波動較大，而深層變幅平緩。該結(jié)論與汪星等[14]和徐志堯等[15]在對黃土高原半干旱區(qū)土壤水分動態(tài)變化研究結(jié)論一致，土壤含水量隨著深度變化發(fā)生浮動，后趨于恒定。土壤表層受地表風(fēng)力、輻射和降水的影響，容易產(chǎn)生波動，而深層干擾較小[16]。

表2 不同植被類型平均土壤含水量多重比較Table 2 Multiple comparisons of average soil water contents of different vegetation types

2.2 土壤水分垂直分布的年際差異

土壤水分垂直分布特征如圖2所示?？梢钥闯觯荷L季內(nèi)，人工刺槐林和天然三角槭林的土壤含水量隨著土層深度的增加而減小，而野艾蒿草地則相反。土壤活躍層變化更直觀地反映土壤垂直剖面的年際差異。不同水文年0～400 cm活動程度劃分結(jié)果見表3。對于嚴(yán)重干旱年，人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地活躍層下邊界分別為60、80、40 cm。而在平水年人工刺槐林及野艾蒿草地水分活躍層深度均不足50 cm，但天然三角槭林可達(dá)120 cm。在中等濕潤年，人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地水分活躍層分別可達(dá)140、180和140 cm。在所研究的水文年，天然三角槭林的土壤水分活躍層始終較深，而土壤活躍層反映了土壤受降水和蒸發(fā)等因素的影響程度[17]。這表明天然三角槭林土壤受外界因素干擾較強。人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地活躍層深度從大到小均表現(xiàn)為中等濕潤年、嚴(yán)重干旱年、平水年。次活躍層非普遍存在，天然三角槭林和野艾蒿草地次活躍層均出現(xiàn)在水分較為匱乏的干旱年，而人工刺槐林的次活躍層出現(xiàn)在平水年和中等濕潤年。

圖2 土壤剖面含水量變化Figure 2 Change of soil water contents with soil depth

表3 樣地土壤水分活動層劃分Table 3 Division of soil water active layers in sample plots

黃土高原地區(qū)降水對土壤補給的深度主要集中在100～300 cm，土壤水分活躍層主要集中在100 cm左右。隨植被恢復(fù)年限的增加，活躍層深度也有所增加[18]。本研究表明：土壤活躍層深度最深可達(dá)200 cm左右。野艾蒿草地活躍層深度較淺，人工刺槐林和天然三角槭林活躍層較深，這主要是由于林地如刺槐等具有發(fā)達(dá)的根系，由主根和多層側(cè)根構(gòu)成，側(cè)根豐富而發(fā)達(dá)[19]，且隨著林齡增長，根系生物量逐年增加，根系具有感知水分梯度的能力，其吸水作用將土壤水分向下牽引，而草地的根系分布較淺，對深層土壤水分難以起到作用。土壤水分活躍層深度在干旱年和濕潤年大于平水年。這主要是由于黃土丘陵區(qū)干旱年生長季降水量缺乏，旱季和雨季降水的分布存在明顯差異，導(dǎo)致了土壤水分和根系分布的季節(jié)性差異[20]。同時濕潤年土壤水分在生長季整體性增加，雨季大量降水補充了植物生長消耗的水分，水分下滲程度也較高，生長季前后水分差異較大，從而使得濕潤年土壤活躍層最深[21]。

2.3 土壤水分盈虧狀況的年際差異

生長季前后土壤儲水量差值的大小變化反映了年內(nèi)土壤水分補給或消耗特征。人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地生長季表層土壤儲水量變化范圍較深層土壤大，深層儲水量變化接近于0(圖3)。嚴(yán)重干旱年，生長季土壤儲水量降低，表明由于降水量有限，不足以補充蒸散，不同植被類型均出現(xiàn)土壤水分虧缺的現(xiàn)象。人工刺槐林100～300 cm土壤水分虧缺程度較淺層(0～100 cm)和深層(300～400 cm)更為嚴(yán)重，天然三角槭林在0～200 cm水分虧缺最為嚴(yán)重，而在深層部分土壤得到了補給。對于野艾蒿草地，0～100 cm土層虧缺程度最高，隨深度增加，虧缺程度減弱。人工刺槐林和天然三角槭林的淺層土壤水分損失量大于野艾蒿草地。平水年生長季，土壤水分的輸入和輸出達(dá)到平衡，各植被類型土壤儲水量差異較小。中等濕潤年生長季，各植被類型均表現(xiàn)出降水補給土壤水的現(xiàn)象。在0～100 cm土層中，野艾蒿草地的土壤水分補給量最高；在100～200 cm的土層中，天然三角槭林的土壤水補給量最高；在深層土層(200～400 cm)中，各植被類型土壤水分補給量較小，接近于0。

圖3 不同植被類型土壤水分盈虧狀況Figure 3 Status of soil water in different vegetation types

黃土高原土壤的蓄水能力受到土壤性質(zhì)的影響，其入滲深度一般較淺，降水無法到達(dá)土壤深層，使得土壤蓄水能力在淺層和深層存在較大的差異[22]。本研究中，人工刺槐林中等濕潤年的土壤水分補給量較小，嚴(yán)重干旱年水分虧缺情況較嚴(yán)重，且水分虧缺土層與天然三角槭林和野艾蒿草地不同，說明了人工刺槐林地的耗水模式與天然三角槭林和野艾蒿草地的耗水模式存在差異。這主要是因為人工刺槐林扎根較深，對深層水分的吸收大于其他林地，其深根系的分布，更是改變了土壤理化性質(zhì)。水分的過度消耗極有可能會導(dǎo)致土壤出現(xiàn)干層，從而阻礙降水的垂直入滲進(jìn)而導(dǎo)致該地區(qū)的地下水無法得到補給[23]。降水特征、氣象因子、冠層結(jié)構(gòu)和這些因素的相互作用影響了林冠降水的再分配[24]。與人工刺槐林相比，天然三角槭林枝葉茂盛，林冠結(jié)構(gòu)更為扁平致密，該結(jié)構(gòu)不利于穿透雨的形成[25]。野艾蒿草地深層土壤較難得到補給的原因是根系主要分布在淺層[26]，表層土壤吸收了大部分降水，從而使得深層土壤水分很難通過降水入滲得到補給。

2.4 環(huán)境因子對土壤水分的影響

土壤儲水能力與植被類型、地形、土壤理化性質(zhì)、降水等因素息息相關(guān)。由圖4可以看出：0～100 cm土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和砂粒含量較高，隨土層深度增加降低，黏粒含量和粉粒含量變化趨勢相反，以上性質(zhì)在100 cm以下土層相對穩(wěn)定。因此將土壤有機碳、黏粒、粉粒和砂粒分為0～100 cm和100～400 cm等2個部分與土壤儲水量進(jìn)行分析。冗余分析(RDA)結(jié)果表明：環(huán)境因子解釋了前4軸土壤儲水量變化的93.6%，其中環(huán)境因子解釋了前2軸土壤儲水量變化的89.4%，因此前2軸很好地說明了環(huán)境因子對土壤儲水量的影響。單個環(huán)境因子與前2軸的土壤儲水量變化的相關(guān)系數(shù)見表4，環(huán)境因子與第1軸的相關(guān)系數(shù)更大，坡度、植被類型、100～400 cm黏粒含量、容重以及毛管孔隙度與第1軸均表現(xiàn)為極顯著相關(guān)(P＜0.01)。

圖4 土壤理化性質(zhì)Figure 4 Physical and chemical properties of soil

表4 環(huán)境因子與前 2 軸相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between environmental factors and the first two axes

RDA排序圖展示了不同土層深度土壤儲水量與環(huán)境因子之間的關(guān)系(圖5)。圖5顯示：植被類型、容重和坡向是影響0～100 cm土層土壤儲水量的主要環(huán)境因子，容重和坡向是影響100～200 cm土層土壤儲水量的主要環(huán)境因子，不同水文年旱澇程度和粉粒含量是影響200～300 cm土層土壤儲水量的主要環(huán)境因子，300～400 cm土層土壤儲水量主要是由土壤黏粒含量和毛管孔隙度控制。對影響土壤儲水量的環(huán)境因子進(jìn)行前向選擇和蒙特卡洛檢驗結(jié)果顯示(表5)：主導(dǎo)土壤儲水量的環(huán)境因子為植被類型、坡度、不同水文年旱澇程度以及土壤表層的黏粒含量(0～100 cm)，其中植被類型、坡度與土壤儲水量極顯著相關(guān)(P＜0.01)，它們分別解釋了土壤儲水量66.4%和14.2%，而不同水文年旱澇程度和土壤表層粉粒含量與土壤儲水量顯著相關(guān)(P＜0.05)，它們分別解釋了土壤儲水量的3.3%和2.4%。

圖5 土壤儲水量與環(huán)境變量的冗余分析排序圖Figure 5 RDA ranking chart of soil water storage and environmental variables

表5 環(huán)境因子的前向選擇和蒙特卡洛檢驗Table 5 Forward selection and Monte Carlo test of environmental factors

不同植被類型的林冠層結(jié)構(gòu)、凋落物以及根系等的差異影響了植被截留、蒸發(fā)和吸水，這些因素在不同時間尺度上影響著土壤水分的分布[27]。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為：旱季土壤理化性質(zhì)主導(dǎo)了土壤水分的空間分布，雨季則主要受地形因素的影響[28]。土壤水分的主控因素在不同季節(jié)表現(xiàn)差異較大[29]。本研究區(qū)非生長季，坡向極大地影響著融雪程度[30]，而在干旱生長季，研究區(qū)盛行西北風(fēng)，坡向?qū)\層土壤儲水量的影響極大[31]。黃土高原地區(qū)降水對土壤水分的補給程度可達(dá)1.6～2.3 m[32]。當(dāng)出現(xiàn)低強度連續(xù)性降水時，深層土壤水可以得到一定程度的補給，可見在水分條件較好時段，降水可以補給2.0 m以下較深土層，因此不同水文年的旱澇程度(降水量分布情況)對200～400 cm土層儲水量的影響作用不可輕視。土壤物理性質(zhì)是土壤其他性質(zhì)的結(jié)構(gòu)性基礎(chǔ)，對土壤入滲能力及持水量有極大影響[33]，同時，深層土壤受蒸發(fā)等作用擾動較小，因而土壤粉粒含量、黏粒含量對200～400 cm土層儲水量影響也極為顯著。

結(jié)合以上分析認(rèn)為：今后黃土高原地區(qū)的造林工程，不僅要考慮樹種耐旱能力，更應(yīng)充分調(diào)查恢復(fù)區(qū)的地形、土質(zhì)條件及生長季降水的分配情況，采取因地制宜的原則，使生態(tài)環(huán)境得到可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論

人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地0～400 cm土層土壤水分平均變化范圍分別為8.36%～9.63%、10.01%～13.19%、15.43%～19.17%，野艾蒿草地0～100 cm土壤含水量顯著高于人工刺槐林和天然三角槭林(P＜0.05)，100～400 cm土壤含水量差異不顯著。

不同植被類型和不同水文年的土壤水分活躍層均有差異，嚴(yán)重干旱年人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地土壤水分活躍層下邊界分別為60、80、40 cm。在平水年人工刺槐林及野艾蒿草地土壤水分活躍層深度均不足50 cm，但天然三角槭林可達(dá)120 cm。在中等濕潤年，人工刺槐林、天然林和野艾蒿草地土壤水分活躍層分別可達(dá)140、180和140 cm。

土壤盈虧狀況年際差異較大：嚴(yán)重干旱年，人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地土壤水分虧缺程度嚴(yán)重土層分別為100～300、0～200和0～100 cm；平水年土壤水分的輸入和輸出達(dá)到平衡；中等濕潤年，人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地分別在0～100、100～180和0～100 cm土層土壤水分補給量最高，而在深層土層(200～400 cm)中，各植被類型下補給量較小，接近于0。

不同深度土層土壤儲水量變化受不同環(huán)境因子主導(dǎo)：0～100 cm土層主要受植被類型和土壤容重控制；100～200 cm土層主要受容重和坡向控制；區(qū)域干濕狀況、土壤黏粒和粉粒含量是200～400 cm深土層的主導(dǎo)因子。今后，黃土高原地區(qū)的造林工程，不僅要考慮樹種的耐旱能力，更應(yīng)充分考慮地形、土質(zhì)及生長季降水分配的影響。