韓新生， 于藝鵬， 蔡進軍， 李振華， 許 浩， 李維倩，郭永忠， 萬海霞， 王月玲， 董立國， 劉廣全

(1.中國水利水電科學研究院，100038，北京； 2.寧夏農(nóng)林科學院林業(yè)與草地生態(tài)研究所 寧夏防沙治沙與水土保持重點實驗室，寧夏生態(tài)修復(fù)與多功能林業(yè)綜合研究中心，750002，銀川； 3.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護研究所國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，100091，北京； 4.寧夏農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，750002，銀川；5.新鄉(xiāng)學院土木工程與建筑學院，453003，河南新鄉(xiāng))

土壤水分是生態(tài)水文過程和物質(zhì)能量循環(huán)的重要組分[1]，也是限制干旱區(qū)生態(tài)修復(fù)與植被建設(shè)的關(guān)鍵因子之一。受氣候、地形、土壤、植被及人類活動等因素的干擾，土壤水分的空間變異非常劇烈[2]，進而導致“土壤—植被—大氣連續(xù)體”中水分估算極為復(fù)雜[3]，影響水資源的合理分配及農(nóng)林草業(yè)的科學發(fā)展[4]。準確量化土壤水分空間變異并確定其主要影響因子，可為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及農(nóng)林草業(yè)發(fā)展提供科學依據(jù)。

近年來，在氣候變化和人類活動頻繁影響下，土壤水熱過程及下墊面均發(fā)生重大變化，尤其是在干旱半干旱區(qū)，其水分變化的空間異質(zhì)性及水資源的合理利用受到廣泛關(guān)注。對水資源的綜合管理與統(tǒng)籌規(guī)劃通常以流域為單元，探討流域尺度土壤水分對促進區(qū)域水文、生態(tài)、氣候、農(nóng)業(yè)等方面的研究具有重要作用。張璐等[5]在半干旱的錫林河流域分析顯示，土壤水分的變異性隨土層加深逐漸減弱，影響的關(guān)鍵因子為海拔和植被高度；楊志輝等[6]利用遙感估算的方法發(fā)現(xiàn)，石羊河流域土壤水分具有明顯的空間自相關(guān)性，各影響因子解釋能力的大小表現(xiàn)為植被覆蓋度>土壤類型>高程>土地利用；邱揚等[7]在陜西安塞縣大南溝流域布設(shè)26個樣點研究得出，影響土壤水分的主要因子為土地利用和地形；但采用實地多點取樣綜合分析坡度、坡向、坡位等非生物因子及植被蓋度、種類、土地利用等生物因子對土壤水分空間變異影響的報道相對較少。筆者以寧南黃土丘陵區(qū)中莊小流域為研究對象，采用經(jīng)典方法揭示小流域不同層次土壤水分的空間變異特征，運用統(tǒng)計學方法分析植被特征及立地環(huán)境對各土層水分狀況的作用，為研究區(qū)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整、提升水土保持功能及實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

中莊小流域位于寧夏南部固原市彭陽縣城東北13 km。地貌類型為黃土梁峁丘陵地，海拔大多處于1 400～1 800 m之間。氣候類型屬典型的溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫7.6 ℃，無霜期140～160 d；年均降水量420～500 mm，主要集中于7—9月，年均潛在蒸發(fā)量1 360 mm。土壤類型以黃綿土為主，土厚較深>10 m。

寧南黃土丘陵區(qū)是水土流失嚴重、生態(tài)極為脆弱的地區(qū)，為減少土壤侵蝕和改善區(qū)域環(huán)境，2000年前后實施“植樹造林”“退耕還林還草”等生態(tài)修復(fù)工程，形成“上退下推”的景觀格局?，F(xiàn)有人工林以山杏(Armeniacasibirica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)等樹種為主，零星或局部分布有紅梅杏(Armeniacavulgaris)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等，在壩底分布有小葉楊(Populussimonii)、旱柳(Salixmatsudana)等天然次生林；草本植被主要分布有長芒草(Stipabungeana)、百里香(Thymusmongolicus)、早熟禾(Poaannua)等；種植的農(nóng)作物以冬小麥(Triticumaestivum)和玉米(Zeamays)為主，還零星或條帶狀種植有谷子(Setariaitalica)、胡麻(Sesamumindicum)、糜子(Panicummiliaceum)、苜蓿(Medicagosativa)、蕎麥(Fagopyrumesculentum)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等。

2 材料與方法

2.1 立地和土地利用類型劃分

按坡度、坡向、坡位差異，對小流域立地類型進行劃分：研究區(qū)坡度超過35°的立地較少，因此，將坡度劃分為平坡(0～5°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(>26°)4種類型；坡向以正北方為0°，沿順時針和逆時針方向同時增加，正東坡和正西坡均為90°，正南坡180°為最大坡向數(shù)值(圖1)；坡位按離坡頂水平距離進行劃分，整個坡面的上1/3為上坡位，中1/3為中坡位，下1/3為下坡位。

圖1 坡向的劃分Fig.1 Division of slope direction

依據(jù)中莊小流域的自然環(huán)境、實施的生態(tài)修復(fù)措施、人類活動的影響等，土地利用大致劃分為川道地、次生林、荒地、人工林、梯田5大類。

2.2 小流域土壤水分特征調(diào)查

圖2 樣點示意圖Fig.2 Sample point diagram

通常來說，同一時段內(nèi)，植被與立地是影響土壤水分空間變化的主要因子。于2020年9月19—29日，首先，按坡向和坡位等立地環(huán)境，選擇代表小范圍內(nèi)植被特征的位置布設(shè)樣點，保證每個樣點距離邊界在10 m外；其次，依據(jù)研究區(qū)植被種類選擇觀測點位，確保每2個樣點間的距離超過100 m，共設(shè)置141個臨時樣點(圖2)，基本覆蓋中莊小流域中部的所有立地及植被特征。采用土鉆法測定各點位的土壤水分，測量深度為200 cm，每20 cm一層，將各點位的土樣采集后帶回實驗室，利用烘干法測得土壤含水量。次生林、川道地、梯田、荒地、人工林5種土地利用的樣點數(shù)分別為5、14、40、16、66；糜子、玉米、谷子、蕎麥、馬鈴薯、小麥、胡麻、苜蓿、紅梅杏、山杏、山桃、刺槐、混交林、檸條、沙棘15種植被類型的樣點數(shù)依次為3、20、3、3、6、5、3、6、7、7、5、4、37、3、3；平坡、陡坡、緩坡、斜坡、陰坡、半陰坡、半陽坡、陽坡、下坡、中坡、上坡各立地條件的樣點數(shù)分別為84、14、19、24、27、38、52、24、36、62、43。取樣時收集每個樣點的表層土壤，采用MS 3000型激光粒度儀測定土壤顆粒組成，采用美國制進行土壤顆粒分級，小流域黏粒、粉粒、砂粒所占比例的范圍分別為2.82%～8.80%、43.22%～78.81%、15.82%～53.96%。為便于分析，依據(jù)相同地區(qū)以往的研究結(jié)果[8]，將200 cm土層劃分為0～20 cm(速變層)、20～80 cm(活躍層)和80～200 cm(相對穩(wěn)定層)3個層次。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0比較均值中ANOVA單因素方差分析，比較各植被類型及土地利用土壤水分的差異顯著性(P<0.05)。將土壤水分含量作為響應(yīng)變量，土地利用方式、植被種類、蓋度、坡度、坡向、坡位、海拔作為解釋變量，通過多元統(tǒng)計分析的方法，采用主成分分析對解釋變量進行降維分析。數(shù)據(jù)整理和作圖分別使用Excel 16.0和Origin 9.0軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 小流域土壤水分變化

如圖3所示，隨土壤厚度增加，土壤水分呈逐漸降低的變化，當土層深度超過140 cm時，基本趨于穩(wěn)定；從變異程度上看，0～100 cm土層的土壤水分變異略小于100～200 cm土層。

圖3 小流域土壤水分變化特征Fig.3 Variation characteristics of soil moisture in small watershed

主成分分析(表1)表明，3個土壤水分影響因子主成分累計解釋率達65.05%，具有較強的信息代表性。第一主成分中，坡位和海拔包含最大的信息，代表29.21%的影響因子解釋率；第二主成分中，蓋度包含最大的信息，代表19.27%的影響因子解釋率；第三主成分中，土地利用包含最大的信息，代表16.57%的影響因子解釋率。

3.2 土地利用及植被蓋度對土壤水分的影響

由圖4可見，隨土層加深，次生林土壤水分大致呈先降—后升—再降的“S”型變化，其他土地利用與中莊小流域的變化相似。水分條件在各土地利用的大小順序為次生林>川道地>梯田>荒地>人工林。方差分析顯示，在0～20 cm土壤水分中，次生林顯著高于其他土地利用；在20～80 cm土層，次生林也顯著高于其余4種方式，川道地顯著高于剩余的3種土地利用；80～200與20～80 cm土層的差異顯著性特征大致類似，不同的是人工林顯著低于其他4種方式。

表1 土壤水分影響因子的主成分分析Tab.1 Principal component analysis of soil moistureinfluencing factors

圖4 不同土地利用方式的水分變化特征Fig.4 Variation characteristics of soil moisture in different land use patterns

隨土深增加(圖5)，作物大致呈緩慢減少的趨勢，林木基本呈先較快降低后趨于穩(wěn)定的變化。作物的水分條件整體高于人工林；作物種類土壤水分的大小順序依次為糜子>玉米>谷子>蕎麥>馬鈴薯>小麥>胡麻>苜蓿；人工林土壤水分的大小順序為紅梅杏>山杏>山桃>刺槐>混交林>檸條>沙棘。

圖5 作物與人工林的土壤水分變化特征Fig.5 Variation characteristics of soil moisture in crops and plantations

在各作物的0～20 cm土壤水分中，糜子、玉米和蕎麥顯著高于小麥；在20～80 cm土層，糜子、玉米和谷子顯著高于苜蓿，玉米和谷子顯著高于馬鈴薯，玉米顯著高于小麥和胡麻；在80～200 cm土層，苜蓿顯著低于其他作物，糜子顯著高于胡麻。在各林木的0～20 cm土壤水分中，各林木種類間差異不顯著；在20～80 cm土層，紅梅杏和山杏顯著高于山桃、刺槐、混交林、沙棘；在80～200 cm土層，紅梅杏顯著高于其他林木，沙棘顯著低于山杏、山桃、刺槐、混交林，山桃顯著高于混交林。

如圖6所示，蓋度對各土層水分的影響較為微弱(R2均較低)；隨蓋度增加，0～60 cm土層水分呈升高的趨勢，60～200 cm呈降低的變化。

圖6 不同植被蓋度的土壤水分變化特征Fig.6 Variation characteristics of soil moisture with different vegetation coverage

3.3 立地因子對土壤水分的影響

如圖7所示，水分差異表現(xiàn)為平坡>陡坡>緩坡>斜坡；在0～20 cm土層，平坡顯著高于斜坡；在20～80 cm土層，平坡顯著高于緩坡和斜坡；80～200 cm土層，平坡顯著高于緩坡、斜坡和陡坡；在3個層次中，各坡度最大極差分別為2.52%、3.01%和4.51%。從各坡向上看，水分大小順序為陰>半陰>半陽>陽；在3個層次中，陰坡均顯著高于其他坡向，各坡向最大極差分別為3.28%、3.12%和4.05%。從3個坡位出發(fā)，水分高低依次為下、中、上，在3個層次中，下坡位顯著高于其他坡位，各坡位最大極差分別為3.53%、4.83%和5.78%。

圖7 不同立地因子的土壤水分變化特征Fig.7 Variation characteristics of soil moistures under different site factors

4 結(jié)論與討論

4.1 不同土層深度的土壤水分變異

隨土層加深，水分呈先降低后穩(wěn)定的變化，主要因取樣時間在生長季后期，溫度低，土壤蒸發(fā)和植被蒸騰均較小，聚集在淺層的土壤水分相對較多，而馬婧怡等[9]在相似區(qū)域6—11月研究表明，土壤水分隨土深增加呈先增大后減小的變化，結(jié)論分歧與研究時段不同有關(guān)；史君怡等[10]在草原區(qū)域調(diào)查結(jié)果與筆者研究相似，主要因表層土壤腐殖質(zhì)增強蓄水能力，在森林區(qū)域則表現(xiàn)出相反的變化，推測因氣候和土壤的差異造成的；程諒等[11]在旱季發(fā)現(xiàn)與筆者研究相反的規(guī)律，主要是由地表覆蓋度較低和太陽輻射較強引起的。小流域土壤水分變異性表現(xiàn)為0～100 cm土層小于100～200 cm：氣候和地形是影響淺層土壤水分的主要因子，植被類型是深層土壤水分變化的主控因子。MEI等[12]在黃土區(qū)發(fā)現(xiàn)淺層土壤蓄水量的主要作用因子為地形，深層為植被；有研究者分析表明，隨土層加深，土壤水分主要與植被利用類型有關(guān)[9]；也有學者認為苜蓿草地撂荒過程中，100 cm以下土壤水分主要受植被類型的影響[13]，上述分析與筆者研究結(jié)果相似。坡位、蓋度和土地利用分別包含解釋土壤水分空間異質(zhì)性29.21%、19.27%、16.57%的信息，主要因坡位造成潛在蒸散發(fā)、風速、土壤水分入滲及運移等差異，蓋度和土地利用對各蒸散組分、地形因素、種植結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響，張璐等[5]在半干旱草原型流域發(fā)現(xiàn)海拔、植被高度和坡度能解釋土壤水分變異68.50%的信息，而有研究顯示土地利用是影響坡面土壤水分變異的主控因素，其次為坡度[3]，各研究區(qū)的地形特征及植被結(jié)構(gòu)導致土壤水分的主導因子存在差異。

4.2 不同土地利用的土壤水分變異

不同土地利用土壤水分的差異表現(xiàn)為次生林>川道地>梯田>荒地>人工林。其中，次生林明顯高于其他類型，因次生林生長在壩底，積水面積大，且溫度、太陽輻射較低。川道地位于相對海拔較低的區(qū)域，受地形、微氣象等因子的綜合作用，高于其他3種類型。梯田改變原有的微地形，減緩坡度，田面相對平整，避免發(fā)生地表徑流，且增加土壤入滲、加大集雨面積、改善土壤蓄水狀況[14]，因此，土壤水分高于荒地和人工林地。人工林分布在坡上或坡中位置，且林木蒸騰耗水較高，導致不同層次土壤水分均較低，特別是80～200 cm土層，土壤水分顯著低于其他4種類型；楊文治等[15]在黃土丘陵區(qū)人工林研究中，依據(jù)林木根系對土壤水分吸收利用的程度將0～350 cm土壤層劃為4個層次，分別為微弱利用層(0～20 cm)、利用層(20～200 cm)、調(diào)節(jié)層(200～300 cm)和微弱調(diào)節(jié)層(300～350 cm)，林木根系吸收土壤水分利用層與80～200 cm土層重疊度較高；有學者將黃土高原土壤干層劃分為強烈干燥化土層(土壤含水量<5%)、中等干燥化土層(5%～8%)、弱干燥化土層(8%～10%)3個層次[16]，而研究區(qū)人工林120 cm以下土層的土壤含水量為11.0%～11.8%，與弱干燥化土層極為接近。因此，進行植被規(guī)劃時，保證主要目標實現(xiàn)的前提下，應(yīng)最大限度優(yōu)化人工林結(jié)構(gòu)特征(如優(yōu)選樹種、合理配置、降低密度等)，減少土壤干燥化的風險。

4.3 不同植被特征的土壤水分變異

林地土壤水分狀況低于農(nóng)地，在黃土高原其他區(qū)域也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象[3]。沙棘和刺槐在20～80 cm土壤水分低于其他人工林，沙棘和檸條在80～200 cm土壤水分也低于其他人工林，與沙棘的覆蓋度高和密度大緊密相關(guān)，刺槐與檸條和林木的耗水特性等有關(guān)。在黃土丘陵區(qū)，檸條林土壤蓄水狀況最差[9,17]，特別是在較深的土層中；沙棘和刺槐土壤水分低于其他土地利用[18]；這些結(jié)論均證實沙棘、檸條、刺槐土壤水分較低。檸條和沙棘林120 cm以下土層的土壤含水量分別為9.1%～10.3%和8.8%～9.4%，屬弱干燥化土層的范圍。紅梅杏各土層水分含量均高于其他林木，與其種植在梯田、且坡位相對較低緊密相關(guān)。苜蓿土壤水分在80～200 cm土層顯著低于其他農(nóng)地，且140 cm土層以下的土壤含水量為8.3%～9.9%，也屬弱干燥化土層范圍，與苜蓿為多年生草本植被及根系較深等有關(guān)。白曉等[19]利用校驗Hydrus-1D模型，模擬黃土高原北部0～400 cm土壤水分變化過程，當苜蓿地轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊徊莸睾?，蒸散發(fā)下降31%，土壤水分以每年45 mm的速率補給，之后處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；繆凌等[20]在黃土丘陵區(qū)定位監(jiān)測4種植被0～900 cm土壤水分得出，苜蓿地的水分虧缺最為嚴重；上述報道顯示苜蓿的耗水量高于其他作物。在20～80 cm土層水分含量中，玉米顯著高于小麥、胡麻、馬鈴薯、苜蓿，谷子顯著高于馬鈴薯和苜蓿，糜子顯著高于苜蓿，主要因玉米和谷子種植時均鋪設(shè)地膜，糜子較高可能與生物學特性有關(guān)。沙棘、檸條、刺槐(苜蓿)土壤水分低于林地(農(nóng)地)，在小流域植被結(jié)構(gòu)調(diào)整時，減少以上植被的面積，增加林農(nóng)復(fù)合種植的面積。植被蓋度與0～20 cm土層水分條件的相關(guān)性最強，陸豐帥等[21]在祁連山發(fā)現(xiàn)群落蓋度對表層土壤水分的響應(yīng)敏感，與筆者研究結(jié)果相似。蓋度對0～60 cm土壤水分起促進作用，對60～200 cm起抑制作用，可能與植被覆蓋增加降低地表蒸散發(fā)的作用[5-6]有關(guān)，而隨植被蓋度逐漸增加，對深層土壤水分的需求逐漸升高，導致60～200 cm土壤水分與植被蓋度呈負相關(guān)；在植被調(diào)整時，不應(yīng)片面追求覆蓋度，應(yīng)注重優(yōu)化植被結(jié)構(gòu)(如喬灌草合理搭配等)，充分發(fā)揮其多種功能。

4.4 不同立地環(huán)境的土壤水分變異

平坡的土壤水分變異均高于其他坡度；隨坡度增加，土壤水分大致表現(xiàn)為先降低后平穩(wěn)的變化，坡度對降雨的入滲速率及深度、地表徑流、壤中流等影響較大[22]，坡度較大時易引起水分(徑流)順坡而下，滲入到土壤中的水分減小，導致水分含量下降[3,5]，有關(guān)分析結(jié)論與本研究相似。陰坡土壤水分顯著高于其他坡向，陰坡的光照強度較弱，植被蒸騰與土壤水分蒸發(fā)較小[23]，這與其他黃土區(qū)的分析結(jié)論[24]一致。下坡位土壤水分的變異性明顯高于其他坡位，這與毛烏素沙地在不同坡位上的分析結(jié)果相同[25]，下坡位的土壤水分最高，上坡位最低，與下坡位更易接收到上坡匯流或雨水匯集、可緩解坡面徑流流速增加入滲速率、風力較小、地表蒸發(fā)較低等[23]密切相關(guān)。

筆者取樣時間為9月下旬(生長季后期)，如在此前(生長季中期)取樣，土壤水分的空間差異受植被蒸騰和土壤蒸發(fā)較大，難以反映植被因覆蓋和雨水入滲對土壤水分的存儲效應(yīng)，且在生長季中期，降水量大、次數(shù)多，對土壤水分的影響較大，而在生長季后期觀測能更準確評價不同立地與植被條件下的水資源存儲狀況。受土壤水分取樣數(shù)量和時間的限制，分析立地環(huán)境的作用時，沒有兼顧到植被結(jié)構(gòu)的影響；討論植被特征的影響時，沒有考慮立地環(huán)境的作用；也未探討土壤水分的時間動態(tài)，未來研究中，應(yīng)增加取樣時間及數(shù)量，分析立地和植被對土壤水分時空差異的綜合效應(yīng)，為確定不同立地下植被結(jié)構(gòu)合理布局提供科學依據(jù)。