黃土高原六道溝小流域不同立地條件下深層土壤水分及粘粒分布特征

張夢(mèng)杰,孫樹(shù)臣

(1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059)

0 引言

水分是黃土高原等干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要限制因素。在該地區(qū)，大量學(xué)者針對(duì)點(diǎn)位、田間、坡面、流域及區(qū)域等多尺度條件下的土壤水分時(shí)空變異性進(jìn)行了研究[1-4]。研究表明表層土壤水分(3-5 cm)在局部區(qū)域變異性較強(qiáng)，地表覆蓋度和土壤性質(zhì)對(duì)土壤水分具有重要影響，灌木林下土壤與灌木之間土壤水分差異顯著[5]?；谕寥浪謺r(shí)間穩(wěn)定性理論，壓砂地土壤水分時(shí)空分布隨著土層深度增加土壤水分變異性減弱，表層土壤水分變異性最強(qiáng)。古爾班通古特沙漠不同沙丘部位0-200 cm土壤水分變異系數(shù)隨著土層變深由13.6%減小到0.8%[6]。Qiu等[7]對(duì)陜西省大南溝流域土壤水分空間變異性特征進(jìn)行研究，指出0-75 cm土壤水分變異系數(shù)隨土壤含水量升高而降低，土地利用方式、坡向、海拔和坡位是影響表層5 cm土壤水分的主要因素[6,8]，海拔、坡位和坡向是影響10-25 cm土壤水分空間變異的主要因素，土地利用、海拔和坡度是影響40-75 cm土壤水分的主要因素。而另有研究表明土壤含水量越高土壤水分變異性越大[9]，坡度和土壤質(zhì)地(特別是黏粒含量)是影響0-60 cm土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性的最主要因素[10]。在黃土高原刺槐坡面地區(qū)，0-5 m土壤水分變異系數(shù)為26%。而5 m深溝谷土壤水分變異性更高，變異系數(shù)達(dá)到60%[11]。影響土壤水分的主要環(huán)境因子在不同土層深度有所差別。目前相關(guān)研究主要關(guān)注0-2 m土壤水分的時(shí)空變異特征及影響因素，對(duì)深層土壤水分的研究相對(duì)較少。

深層土壤儲(chǔ)水量及其時(shí)空變化，在一定程度上可以反映土壤儲(chǔ)水潛力及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)深層土壤水分動(dòng)態(tài)變化，對(duì)黃土高原土壤水庫(kù)的評(píng)估及植被建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展尤為重要[12]。研究不同立地條件下深層土壤水分垂直分布及其影響因素，有利于科學(xué)確定土地可持續(xù)發(fā)展的管護(hù)對(duì)策與措施，推動(dòng)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的健康和諧發(fā)展。本研究在陜北地區(qū)六道溝小流域，選擇不同立地條件小區(qū)，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤水分，對(duì)比分析0-960 cm土層土壤水分時(shí)空變化，揭示深層土壤水分的主要影響因素。

1 研究區(qū)概況

地處黃土丘陵區(qū)和毛烏素沙地南緣過(guò)渡帶的陜西省神木市屬黃土高原典型的半干旱地區(qū)，是水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的強(qiáng)烈侵蝕中心。六道溝流域距離神木市以西14 km(38°46′-38°51′N(xiāo)，110°21′-110°23′E)，流域面積為6.89 km2，域內(nèi)平均溝壑密度為7.4 km/km2，溝谷地占總面積的32.7%。海拔為1094-1274 m。流域多年平均降水量為437.4 mm，其中6-9月降水量約占全年的65%-85%，年平均氣溫為8.4 ℃。土壤類(lèi)型主要為沙黃土、紅黃土、風(fēng)沙土和淤土。土地利用類(lèi)型主要有林草地、灌草地和草地，主要植物種有檸條(CaraganaKorshinskii) 、苜蓿(MedicagoSativa)、山杏(Armeniacasibirica) 和長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)等。

2 實(shí)驗(yàn)布設(shè)與數(shù)據(jù)分析

2014年8月，在六道溝流域選擇檸條、苜蓿、撂荒、農(nóng)地、山杏、沙地、溝道處埋設(shè)10 m長(zhǎng)中子管，用于土壤水分的長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)。通過(guò)土鉆配合加長(zhǎng)桿鉆孔埋設(shè)中子管，連接鋁質(zhì)中子管并放置于鉆孔內(nèi)，鋁管與土體間隙使用過(guò)篩后干細(xì)土填充。地表露出40 cm管頭，因此實(shí)際測(cè)定深度為960 cm。因?yàn)闇系纼?nèi)基巖埋藏深度為460 cm，土層較淺，實(shí)際測(cè)定深度為460 cm剖面的土壤含水量。

圖1 六道溝小流域2014-2017年降雨量

通過(guò)中子儀( CNC503DR) 測(cè)定每個(gè)點(diǎn)位不同深度的土壤體積含水量，并使用標(biāo)定方程確定體積含水量。于2014年10月至2017年7月，累計(jì)測(cè)定19次剖面土壤水分的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。深層土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)分析采用每一時(shí)間各點(diǎn)位的平均土壤含水量；不同立地條件下土壤剖面水分分布特征研究采用每一點(diǎn)位累計(jì)19次測(cè)得的平均土壤含水量。利用神木侵蝕與環(huán)境實(shí)驗(yàn)站雨量桶測(cè)定降雨量，觀(guān)測(cè)期內(nèi)降雨量變化如圖1。

圖2 不同處理土壤水分空間分布

埋設(shè)中子管之前，利用土鉆和洛陽(yáng)鏟取土，每20 cm采集一次擾動(dòng)土樣，進(jìn)行土壤剖面顆粒組成分析。同時(shí)測(cè)定表層土壤原狀土(0-30 cm)，用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(100 cm3)采集土樣密封后立即帶回室內(nèi)稱(chēng)重，采用烘干法測(cè)定土壤容重并計(jì)算總孔隙度，采用定水頭法測(cè)定土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)。本實(shí)驗(yàn)未測(cè)定30 cm以下土壤容重與飽和導(dǎo)水率。在中子管附近100 cm范圍內(nèi)放置50 cm×50 cm樣方框，刈割框內(nèi)植物地上部分，并收集樣方內(nèi)枯落物。所有樣本帶回實(shí)驗(yàn)室后在65 ℃條件下烘48 h至恒重，測(cè)定生物量。不同處理土壤性質(zhì)和植被蓋度見(jiàn)表1。利用 CNC503DR型中子儀測(cè)定各樣點(diǎn)土壤含水量[13]。0-100 cm土壤層每隔10 cm深度測(cè)定一次土壤含水量，100 cm以下土層每隔20 cm測(cè)定一次土壤含水量。0-10 cm土層中子儀測(cè)量值由方程(1)SWC=0.111×CR+3.9565(R2=0.8966，p<0.001)計(jì)算體積含水率；10 cm以下土層由方程(2)SWC=0.091×CR+1.8995(R2=0.7579，p<0.001)計(jì)算土壤含水量。式中，SWC為土壤體積含水率，CR是中子儀計(jì)數(shù)數(shù)值。本文中土壤含水率均為土壤體積含水率。土壤水分等相關(guān)數(shù)據(jù)處理在Excel 2016中完成，利用SPSS 16.0進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，利用T檢驗(yàn)分析差異顯著性，圖在Origin 9.0中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分時(shí)空分布特征

不同處理0-960 cm土壤含水量分布特征如圖2。0-200 cm范圍內(nèi)，檸條處理土壤含水量最低(平均含水量9.5%)，其次分別是沙地(10.4%)、苜蓿(10.6%)、山杏(12.6%)、撂荒(13.0%)、農(nóng)地(14.2%)，侵蝕溝溝底土壤含水量最高(15.6%)。但是200 cm以下土壤水分和0-200 cm土層水分差異較大，其中沙地處理200-960 cm土壤水分平均值僅為6.6%，其次分別是山杏(10.7%)、苜蓿(11.6%)、檸條(13.5%)、撂荒(16.1%)、農(nóng)地(18.0%)，侵蝕溝溝底土壤含水量高達(dá)21.0%(200-460cm)。侵蝕溝溝底點(diǎn)位土層深度只有460 cm，但是380-460 cm土層土壤含水量達(dá)到了25%以上，遠(yuǎn)高于其它處理同土層含水量。

除沙地處理外，其它處理200 cm以下土層含水量呈波動(dòng)性增加趨勢(shì)，沙地400-960 cm土層含水量較為穩(wěn)定，且明顯低于其它處理。農(nóng)地、檸條和撂荒處理中900 cm以下土壤含水量呈明顯的增加趨勢(shì)，特別是農(nóng)地處理，960 cm深度處土壤含水量高達(dá)30.3%。

表1 各樣點(diǎn)土壤理化性質(zhì)及植被蓋度

不同處理土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)垂直分布如圖3所示。和深層土壤相比，0-100 cm范圍內(nèi)土壤含水量具有較強(qiáng)的變異性，土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差隨著土層深度的增加逐漸降低且趨于穩(wěn)定。侵蝕溝溝底土壤水分標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)性較強(qiáng)，且數(shù)值高于其它處理。但是，溝底土壤水分變異系數(shù)在所有處理中相對(duì)較低(平均值0.24)，遠(yuǎn)低于沙地處理(0.37)。和標(biāo)準(zhǔn)差相比，不同處理間深層土壤水分的變異系數(shù)差別較大，隨深度變化相對(duì)穩(wěn)定。但是沙地處理400-960 cm土層土壤水分變異系數(shù)明顯大于其它處理。土壤水分變異系數(shù)同樣表現(xiàn)出上層土壤大于深層土壤的規(guī)律。

圖3 不同處理土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差(SD)和變異系數(shù)(CV)

除了土壤深度以外，土壤質(zhì)地也顯著影響土壤水分標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差隨土壤中粘粒含量的增加呈顯著的指數(shù)增加趨勢(shì)(R2=0.5134)，而土壤含水量變異系數(shù)則呈對(duì)數(shù)關(guān)系減少(R2=0.7274)(圖4)。

圖4 土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差(A)和變異系數(shù)(B)分別與粘粒含量的回歸關(guān)系

圖5 各處理0-460 cm土層和460-960 cm土層土壤儲(chǔ)水量隨時(shí)間變化

如圖5所示，不同處理間0-460 cm土壤儲(chǔ)水量隨時(shí)間變化規(guī)律高度相似，儲(chǔ)水量主要受降雨事件和植物對(duì)水分消耗作用的影響。2015年6月前降雨稀少，強(qiáng)烈的蒸散發(fā)使土壤濕度相對(duì)較低。在雨季期間，土壤儲(chǔ)水量得到補(bǔ)充。2015年4月至2015年5月，各處理0-460 cm土壤儲(chǔ)水量均有所降低。2016年7月8日和2016年7月10日分別出現(xiàn)了137.1 mm和70.6 mm的高強(qiáng)度降水，導(dǎo)致各處理0-460 cm儲(chǔ)水量都有所增加。特別是溝道處理，降雨前后儲(chǔ)水量增量達(dá)到了117 mm。而460-960 cm土層土壤儲(chǔ)水量對(duì)降雨和植物耗水的響應(yīng)不明顯，在降雨前后和植物生長(zhǎng)季土壤儲(chǔ)水量波動(dòng)較小。

3.2 不同立地條件下土壤粘?？臻g分布特征

0-960 cm土層粘粒含量變化如圖6所示，各處理粘粒含量差異明顯。沙地處理中0-400 cm土層土壤粘粒含量較為穩(wěn)定(9.2%)，400 cm以后大幅下降(1.8%)。山杏處理表現(xiàn)出類(lèi)似變化規(guī)律，但是600 cm以下土層粘粒含量較沙地高。檸條、苜蓿、撂荒和農(nóng)地處理粘粒含量變化相對(duì)穩(wěn)定。溝底粘粒含量最高，0-460 cm土層粘粒含量平均值達(dá)到了12.3%，溝底粘粒含量變化趨勢(shì)和土壤水分變化趨勢(shì)高度相似(圖2和圖6)。對(duì)0-960 cm土壤粘粒含量和土壤含水量做回歸分析，結(jié)果表明土壤含水量隨粘粒含量的增加呈指數(shù)關(guān)系顯著增加(R2=0.7097)。對(duì)0-200 cm和200-960 cm土層土壤粘粒含量和土壤含水量分別做回歸分析，R2值分別為0.4138和0.7684(圖7)，深層土壤含水量和土壤粘粒含量有高度相關(guān)性。

圖7 0-200 cm土層(A)和200-960 cm土層(B)土壤粘粒含量和土壤含水量的回歸分析

4 討論

4.1 土壤水分空間分布及其與土壤粘粒含量的關(guān)系

圖6 不同處理0-960 cm土壤粘粒含量空間分布

20 世紀(jì)末，為減少土壤侵蝕，保護(hù)黃土高原生態(tài)環(huán)境，中國(guó)政府在黃土高原大規(guī)模實(shí)施“退耕還林還草”工程。隨著大規(guī)模的植被恢復(fù)，土壤水分大幅降低，深層土壤水分減少量超過(guò)35%[14]。土壤水分時(shí)空變化主要受氣象條件、蒸散、植被特征及土壤性質(zhì)等的共同影響。在本研究中，農(nóng)地和撂荒的土壤儲(chǔ)水量明顯高于其它處理，檸條和苜蓿處理水分含量較低(圖5)，這與前人研究結(jié)果相似。下滲雨水不斷被植物根系利用，土壤水分沿土層深度增加而逐漸減少[15-16]。但是本研究中，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這一變化規(guī)律，本研究各處理土壤水分呈波動(dòng)性變化。除沙地處理外，上層土壤體積含水量(0-460 cm)總體上低于下層(460-960 cm)，特別是在溝道處理和農(nóng)田處理中，下層土壤含水量達(dá)到了25%以上。沙地處理地表植被蓋度很低，植被耗水量較小，土壤水分不會(huì)被植被大量消耗，但是和其它處理相比，沙地土壤含水量處于較低水平，只有5%左右，我們認(rèn)為這和土壤質(zhì)地密切相關(guān)。其它研究也表明土壤質(zhì)地的空間異質(zhì)性造成土壤導(dǎo)水率產(chǎn)生空間變異，從而間接地導(dǎo)致土壤水分空間分布差異。因此，土壤質(zhì)地是土壤水分空間分布特征的重要影響因素[17]，特別是在較為干旱期間，土壤水分變異性主要受土壤性質(zhì)的影響[18]。相同降水條件下，在根系活動(dòng)范圍內(nèi)，土壤水分分布主要是由土壤質(zhì)地和植物耗水特性共同決定[19，20]，在根系活動(dòng)較弱的深層土壤內(nèi)，土壤水分分布特征主要受土壤質(zhì)地影響[21]。本研究結(jié)果表明無(wú)論在含水量較低的沙地以及含水量較高的溝道，其土壤含水量與土壤粘粒均具有顯著的相關(guān)性。

4.2 土壤含水量變異性分析

土壤水分具有明顯的時(shí)空變異性，即使在小流域和坡面尺度，土壤水分都顯示出較大的異質(zhì)性。人工植被增強(qiáng)了土壤水分的變異性，不同立地條件土壤含水量時(shí)空變異性特征差異很大[22,23]。在植物根系層，降水特征、蒸發(fā)強(qiáng)度以及植物分布等對(duì)土壤水分的影響較大，故為水分變化不穩(wěn)定層。由于受降水入滲及植物根系吸水的影響更小，深層土壤水分與表層相比變化較小[24,25]。在本研究中得到類(lèi)似結(jié)果，淺層土壤儲(chǔ)水量隨時(shí)間推移發(fā)生明顯變化，而深層土壤儲(chǔ)水量變異較小(圖5)。降雨也是影響土壤含水量空間變異的主要因素之一[19]。本研究中，和2016年6月相比，2016年7月各處理中0-460 cm土層土壤儲(chǔ)水量急劇上升，而9月份土壤儲(chǔ)水量又明顯下降，這主要是受到極端降雨和高強(qiáng)度植被耗水的影響。除沙地處理，其它處理2 m以下土壤水分比較穩(wěn)定，隨著土壤深度的增加土壤水分變異系數(shù)降低(圖3)。而高變異層厚度是由植被覆蓋和降雨量決定的[26-29]。沙地處理深層土壤水分變異性遠(yuǎn)大于表層，可能是深層較低的粘粒含量導(dǎo)致的。本研究結(jié)果表明土壤粘粒含量是影響土壤水分時(shí)空變異的重要因素?；貧w分析發(fā)現(xiàn)，土壤水分變異系數(shù)和土壤粘粒含量呈顯著相關(guān)關(guān)系(圖4)，土壤質(zhì)地對(duì)深層土壤水分的變異性具有重要影響，不同深度條件下土壤物理性質(zhì)的差別可能也是引起土壤水分時(shí)空變化的重要原因。

5 結(jié)論

陜北地區(qū)土壤水分和土壤質(zhì)地空間異質(zhì)性較大，不同處理中0-200 cm土壤含水量受植物影響表現(xiàn)出明顯差異，檸條地0-200 cm土層平均含水量?jī)H為9.5%。0-100 cm土層土壤含水量具有較強(qiáng)的時(shí)間變異性，土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差隨著土層深度的增加逐漸降低且趨于穩(wěn)定。但是，深層土壤含水量時(shí)空分布與上層土壤差異較大，200-960 cm土壤含水量變異系數(shù)較低，而且與土壤粘粒含量顯著相關(guān)。深層土壤水分受植被影響較小，土壤粘粒含量是其空間分布特征的主要影響因素。