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,這樣可以減少土壤水分觀測測點,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)定性的代表性點來確定研究區(qū)的平均土壤水分[10-13],并且借助代表性點可以用實測數(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),觀測點多是一個坡面上中下3個觀測點位,當(dāng)前在北京山區(qū)還缺乏自然坡面尺度高密度布點系統(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

實驗地位于北京林業(yè)大學(xué)教學(xué)實驗林場-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)觀測點位,順坡布設(shè)5個條帶,每條條帶布設(shè)4—7個觀測點位,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個觀測點位,觀測點的平均距離為5.7 m,于2014年6月14號完成野外布設(shè)工作(表1,圖1)。本實驗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 土壤水分觀測點的分布設(shè)計

圖1 土壤水分觀測點空間分布

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[6]

采用非參數(shù)性Spearman秩相關(guān)檢驗,可以檢驗不同時間小區(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為實驗小區(qū)內(nèi)測點的數(shù)目,Rij為測點i在時間j的秩,Rij′為測點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%,說明大部分測點土壤水分時間穩(wěn)定性較高?；贛RD接近于0(在±5%之內(nèi)視為接近0)原則,可選擇代表性測點來估計研究區(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的點共有7個,這些代表性點位于坡面最上部水平階的2、4、5號觀測點,中下部緩坡地的29號觀測點,陡坡地的21、22、24號觀測點。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個代表性點的ITS,發(fā)現(xiàn)2號觀測點最能代表研究區(qū)的平均土壤水分。樣點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的時間穩(wěn)定性常數(shù)

圖5 樣地平均SWC與代表性點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]。這部分重點從坡位、微地形和觀測點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)觀測點離樹距離。在與土壤水分觀測點離樹距離為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),是否是因為土壤結(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,可能是因為冬季植被休眠或枯死且降雨較少,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為位于上坡水平階的2號觀測點,通過對該點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。