陜北黃土極陡坡土壤水分對微地形的響應

杜勝莉,朱清科?,王旭虎,劉淑琴

(1.北京林業(yè)大學林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心;2.北京林業(yè)大學水土保持學院：100083,北京)

陜北半干旱黃土區(qū)干旱少雨,水土流失嚴重,土壤水分是制約該區(qū)植被建設的限制因子,對該區(qū)土壤水分的研究始終是黃土高原生態(tài)恢復的重點[1]。然而陡坡受微地形的影響,其土壤水分存在異質(zhì)性,從而影響林草植被種群結(jié)構(gòu)[2];因此,研究黃土陡坡土壤水分對微地形的響應,特別是不同降水年型條件下坡面微地形對土壤水分的影響機制,可為黃土陡坡近自然水土保持林草植被構(gòu)建提供科學依據(jù)[3]。

有關黃土高原林草地土壤水分的研究,邵明安等[4]分析了土壤 水分 大氣連統(tǒng)體對土壤水分的影響。張北贏等[5]分析了在不同降水年型[6]下溝壑區(qū)的土壤水分變化特征;趙維軍等[7]分析了土壤水分對降水特征的響應;吳欽孝等[8]研究了土壤的物理性質(zhì)與土壤水分的關系。王孟本等[9]研究了小葉楊的土壤水分生態(tài);王瑜等[10]對不同林分類型下土壤水分的垂直動態(tài)進行了研究;王延平等[11]分析了植被在陡坡地的土壤水分時空變化;王軍等[12]分析了黃土高原流域土壤養(yǎng)分空間特征。并且前人從各研究尺度均開展了關于土壤水分的研究,如路保昌等[13]對微地形土壤含水量進行了研究;趙薈等[14]分析了合家溝流域干旱陽坡微地形土壤水分動態(tài)。

綜上所述,有關土壤水分研究已有大量成果,然而針對35°以上的陡坡土壤水分研究較少。為此,本文以陜北的吳起縣合家溝流域為例,將半陽極陡坡的緩臺、塌陷、陡坎、切溝和淺溝5種微地形作為研究對象,以微地形所在的原狀坡面和緩坡作為對照,分析極陡坡微地形土壤水分的變異特征及降水年型對陡坡微地形土壤水分的影響,以期明確土壤水分對不同微地形的響應規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市吳起縣合家溝流域(E 107°38′57″～ 108°32′49″,N 36°33′33″37°～ 24′27″),流域內(nèi)1957—2013多年平均降水量為478.3 mm。黃土高原土壤侵蝕嚴重,水力、風力和重力侵蝕導致該區(qū)坡面形成形狀各異的微地形,分別有切溝、緩臺、塌陷、淺溝、陡坎(圖1)。

2 數(shù)據(jù)獲取及研究方法

2.1 測定方法

在流域內(nèi)以半陽坡緩坡(20°)和陡坡(30°)的原狀坡作為對照,分別選取半陽坡30°淺溝,43°緩臺、塌陷、陡坎、切溝作為觀測樣點(表1),采用時域反射計(TRIME HD)手持式讀表高精度TDR定點監(jiān)測。每觀測樣點垂直埋設長度為2 m的PVC管,每20 cm深度1層,每層重復測定3次取平均值,每次重復探針在水平方向上旋轉(zhuǎn)120°[10]。

2.2 計算公式

本研究選用目前國內(nèi)比較常用的標準差SD、變異系數(shù)CV[2]對土壤水分的穩(wěn)定性進行分析。

圖1 黃土高原微地形素描示意圖Fig.1 Schematic of micro-topography in the Loess Plateau

表1 土壤水分監(jiān)測點基本信息Tab.1 Details of monitoring points for soil moisture

2.3 降水年型劃分

根據(jù)目前國內(nèi)廣泛運用的劃分標準,將降水年型劃分為豐水年和枯水年[15]。

豐水年：Pi＞+0.33W;

枯水年：Pi＜-0.33W。

式中：W為多年降水量的均方差,mm;Pi為逐年年降水量,mm;為多年平均降水量,mm。

根據(jù)計算得出1957—2013多年平均降水量、降水量均方差分別為467.79、112.12 mm,表現(xiàn)出多年平均降雨量和逐年距平值差異十分顯著的特點(圖2)。為此,本實驗選取2011年 枯水年(436.60 mm)、2012年 豐水年(501.21 mm)作為對照年型,對監(jiān)測樣點的土壤水分(0～180 cm)狀況進行定位監(jiān)測。

2.4 數(shù)據(jù)處理

筆者采用EXCEL 2016軟件對微地形土壤含水量進行處理,采用Origin 8.0對不同降水年型與微地形土壤水分的關系進行繪制。

圖2 研究區(qū)1957—2012年年平均降雨量和逐年距平均變化圖Fig.2 Average annual precipitation and anomaly for 1957-2012 in the survey area

3 結(jié)果與分析

3.1 陡坡不同微地形土壤水分的季節(jié)動態(tài)

由圖3可見,2011年枯水年4—6月,緩臺(W1)、切溝(W4)和緩坡(W7)土壤含水量持續(xù)增長,而塌陷(W2)、陡坎(W3)、淺溝(W5)和原狀坡(W6)呈先減小再增長的趨勢。這是由于氣溫回升,雨量補給,植被蒸騰和土壤蒸發(fā)作用加強[16]。6—12月土壤水分隨降雨增大而滯后增大。這是因為枯水年雨季前降水量減小,植被發(fā)育期間土壤水分未及時得到補充,植被生長受到阻礙[17]。由圖3可見,2012年 豐水年切溝土壤水分與降雨量增長趨勢同步,緩臺、塌陷、陡坎、淺溝土壤水分的變化曲線呈W型。這是因為豐水年降水量增大,導致土壤水分的入滲強度同步增大[10]。由圖4可見,切溝的季節(jié)土壤水分含量均值最高,陡坎的最低。前人[2,1820]的研究表明：黃土高原土壤水分活動可以被劃分為4個階段。本研究對該流域土壤活動劃分為：弱失水階段(2—5月);緩慢恢復階段(6—8月);消耗階段(9—11月);相對穩(wěn)定階段(12—翌年2月)。

圖3 2011和2012年微地形土壤含水量月變化Fig.3 Average monthly precipitation and soil moisture content of micro-topography for 2011 and 2012

圖4 2011和2012年微地形土壤含水量年平均值Fig.4 Average soil moisture content of micro-topography for 2011 and 2012

圖5 不同微地形土壤水分垂直分布特征Fig.5 Vertical distribution of soil moisture by different micro-topography

3.2 陡坡不同類型微地形土壤水分的垂直動態(tài)

由圖5可見,切溝在0～180 cm土層土壤含水量呈先減小后增大的趨勢,這是由于80～180 cm土層土壤的水分蓄積作用強[21]。同時,切溝土壤含水量(0～180 cm土層)波動幅度大(13.16% ～24.97%),這是由于切溝本身的形狀導致大量雨水聚集于溝底,土壤入滲強度隨滯留時間的延長而增大[7]。緩臺、淺溝、緩坡的土壤水分在0～180 cm層次呈先增大后減小的趨勢。圖5反映出微地形的土壤水分變異系數(shù)(Cv)在0～180 cm土層呈先增加后減小的趨勢。

3.3 不同降水年型下微地形土壤水分垂直分層

相關研究采用變異系數(shù)[1718]這一指標,將土壤水分的垂直變化特征劃分如下：速變層(Cv＞30%)、活躍層(30% ＞Cv＞20%)、次活躍層(20%＞Cv＞10%)和相對穩(wěn)定層(10% ＞Cv＞0%)。本研究對微地形的分層如下(表2)：速變層(fast change layer,FCL)、活躍層(active layer,AL)、次活躍層(stable layer,SL)和穩(wěn)定層(most stable layer,MSL)。

表2 土壤水分剖面垂直分層Tab.2 Vertical stratified results of soil water profile

由表2可見,2011年 枯水年切溝土壤水分速變層最深,而緩臺、塌陷、陡坎、淺溝、原狀坡和緩坡速變層深至60 cm,活躍層深至100 cm,穩(wěn)定層深至100 cm以下。2012年 豐水年速變層消失,除切溝、淺溝的活躍層較枯水年上移至60和80 cm以外,其他觀測點均為穩(wěn)定層。

4 討論

微地形豐水年土壤水分季節(jié)排序為：切溝＞緩坡＞淺溝＞原狀坡＞塌陷 ＞緩臺＞陡坎(圖4)。鄺高明等[22]的研究表明,切溝的土壤含水量小于塌陷和緩臺,而本研究發(fā)現(xiàn)極陡坡切溝的土壤含水量最高,是因為極陡坡坡度較大,坡面難以滯留雨水,致使雨水大量匯集在切溝溝底。陡坡陡坎年內(nèi)土壤含水量最低,受其自身形狀與緩臺影響較大,雨水在緩臺上滯留時間愈長,導致在陡坎上滯留時間越短。不同坡度對于土壤含水量有顯著影響,研究表明緩坡＞陡坡(淺溝)＞極陡坡(緩臺、塌陷、陡坎),這與艾寧等[21]的研究結(jié)果是一致的。

從垂直方向來看,微地形呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,這與賈志清等[23]的研究結(jié)果相一致。這是因為60 cm以上土層土壤質(zhì)地較松散,受日照時長以及土壤蒸發(fā)影響較大,土壤水分運移阻力減小,致使土壤水分支出收入變化較大[14]。

5 結(jié)論

1)切溝枯水年土壤含水率季節(jié)變化平緩,豐水年土壤水分的變化呈V型變化;緩臺、淺溝、塌陷和陡坎枯水年土壤水分呈M型變化,豐水年土壤水分季節(jié)變化呈W型。

2)極陡坡切溝具備優(yōu)質(zhì)的土壤水分環(huán)境,能夠為灌木的生長提供優(yōu)良的水分環(huán)境。

3)微地形土壤水分速變層在豐水年消失;緩臺和緩坡能夠為亞灌木的生長提供水分支持;原狀坡、淺溝能夠為草本植物的生長提供保障;陡坎不適宜植被的生長發(fā)育。