向 婷,艾 寧,,劉廣全,劉長(zhǎng)海,楊 妮,賈雨如,古孟怡

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,陜西 延安 716000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

陜北黃土區(qū)是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。長(zhǎng)期以來(lái),由于不合理的土地利用、濫墾濫牧、毀林開荒以及降雨量少、蒸散發(fā)強(qiáng)度大、氣候干燥等因素共同作用,使得該地區(qū)土壤水分極度缺乏,嚴(yán)重制約區(qū)域內(nèi)的植被生長(zhǎng)與恢復(fù)[1-2]。土壤水分作為聯(lián)系植被、大氣等的重要因素,是植被生長(zhǎng)以及分布格局的主導(dǎo)因子,且在一定程度上能夠改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能[3-5],影響局部小氣候等[6]。近年來(lái),隨著退耕還林(草)等林業(yè)生態(tài)工程的建設(shè)[7-8],黃土高原植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著的變化,林草覆蓋率顯著提升。有學(xué)者對(duì)該區(qū)域植被恢復(fù)與土壤水分關(guān)系進(jìn)行了廣泛的研究。比如：楊磊等[9]研究發(fā)現(xiàn),草地、農(nóng)地、林地的淺層土壤含水率因受到植被蒸騰作用和土壤物理蒸發(fā)作用的影響而消耗較多；唐敏等[10]研究發(fā)現(xiàn),在不同土地利用方式下,土壤含水率的季節(jié)變化、蓄水特征及垂直分布均存在差異；趙伯禮等[11]通過(guò)野外定位連續(xù)觀測(cè)資料研究發(fā)現(xiàn),降雨對(duì)不同深度土壤含水量的影響不同,對(duì)表層土壤含水量影響最大；徐瀾等[12]研究發(fā)現(xiàn),不同土層土壤含水率的空間分布特征和季節(jié)性變化規(guī)律不同,且0～100cm土層中,土壤含水率在夏季和冬季之間存在顯著性差異,而在100cm土層以下差異不顯著。縱觀已有研究,學(xué)者們對(duì)研究區(qū)草地表層蒸發(fā)耗水,或者土壤水分年際動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了廣泛研究,然而基于研究區(qū)草地土壤干燥化指數(shù)、土壤水分虧缺與地形、季節(jié)相互關(guān)系的系統(tǒng)性研究還較少見。因此,本文以研究區(qū)不同季節(jié)草地土壤水分為研究對(duì)象,系統(tǒng)分析研究區(qū)不同地形條件下草地0～300cm土壤水分的季節(jié)變化特征、干燥化程度以及土壤水分虧缺情況,旨在明確研究區(qū)草地土壤水分狀況,為研究區(qū)今后草地經(jīng)營(yíng)與管理提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北黃土區(qū)吳起縣金佛坪流域(37°21′09″～37°21′20″N,108°23′09″～108°23′20″E),海拔1 500～1 600m,地貌為黃土丘陵溝壑區(qū),屬于半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年平均降雨量483.7mm(降水量分布不均,主要集中在7—9月),年均氣溫為7.8℃,年平均日照時(shí)數(shù)為2 400h。土壤類型為黃綿土,主要植被類型以灌木為主,小喬木林比例低,呈片狀零星分布,多為沙棘(HippohgaerhamnoidesL.)、小葉楊(Populussimonii)、山杏(Armeniacasibirica)、山桃(Prunusdavidiana)、檸條(CaraganaKorshinskiiKom.)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、沙柳(SalixcheilophilaSchneid)、牛筋草(Eleusineindica(L.)Gaertn.)等。

2 材料與方法

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

課題組于2017年4—9月對(duì)吳起縣金佛坪流域進(jìn)行全面的勘察與調(diào)研,于2018年7—12月在研究區(qū)陰坡和陽(yáng)坡兩個(gè)坡向,采用樣帶法,按照上坡位、中坡位和下坡位的布置順序,在研究區(qū)共布置了6個(gè)3m深的草地土壤水分固定監(jiān)測(cè)管(表1)。本文采用的數(shù)據(jù)為研究區(qū)2020年9月,2021年4月、7月采用TDR測(cè)定的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。采用TDR進(jìn)行土壤水分測(cè)定時(shí),每個(gè)樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)深度為3m,每隔20cm為一層,且第一次測(cè)量后,沿水平順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)120°,進(jìn)行第2次、第3次的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集。同時(shí),采樣點(diǎn)周邊草地挖取1m深土壤剖面,采用環(huán)刀法進(jìn)行土壤容重、土壤持水量等指標(biāo)的取樣計(jì)算。

2.2 干燥化強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法

為定量描述研究區(qū)草地的土壤干燥化程度,本文采用土壤干燥化指數(shù)SDI(Soildesicca-tiondex)進(jìn)行分析說(shuō)明:SDI值越大,表明土壤干燥化強(qiáng)度越高。具體計(jì)算公式[13]如(1)式所示。土壤干燥化強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表1 采樣點(diǎn)基本信息

(1)

式中:SDI為土壤干燥化指數(shù),SM為土壤濕度,WM為凋萎濕度,SSM為土壤穩(wěn)定濕度。

本文土壤穩(wěn)定濕度取田間持水量的60%[14]、凋萎濕度取田間持水量的4.7%[15]。

表2 土壤干燥化強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.3 土壤儲(chǔ)水量計(jì)算

土壤田間持水量計(jì)算公式為:

(2)

式中:Fc為土壤田間持水量；m1為空環(huán)刀重量(g)；m2為烘干后,干土與環(huán)刀重量(g)；m3為吸水后,環(huán)刀和土壤總重量(g)；ρ為土壤密度(g/cm3)；H為土壤厚度(mm)。

土壤蓄水量計(jì)算公式[16]為:

E=M×H

(3)

式中:E為蓄水量(mm)；M為土壤體積含水率(%)；H為土壤厚度(mm)。

2.4 土壤儲(chǔ)水虧缺度與虧缺補(bǔ)償度計(jì)算

土壤儲(chǔ)水虧缺度與虧缺補(bǔ)償度公式[17]為:

(4)

式中:DSW為土壤儲(chǔ)水虧缺度；Da為土壤儲(chǔ)水虧缺量(mm)；Fc為田間持水量(mm)。

(5)

ΔW=Wcm-Wcc

(6)

式中:CSW為土壤儲(chǔ)水虧缺補(bǔ)償度,ΔW春季土壤儲(chǔ)水增量(mm),Wcm為秋季土壤實(shí)際儲(chǔ)水量(mm),Wcc為春季初土壤實(shí)際儲(chǔ)水量(mm),Dac(Dac=Fc-Wcc)為春季土壤水虧缺量(mm)。

DSW可以反映土壤儲(chǔ)水虧缺程度,其中虧缺度為0,則表明土壤水分虧缺得以完全恢復(fù)。CSW用來(lái)反映夏季降雨對(duì)土壤水分虧缺的補(bǔ)償程度,如CSW<0,表示土壤水分虧缺在夏季沒(méi)有得到補(bǔ)償,虧損進(jìn)一步加強(qiáng)；如果CSW=100%,表示土壤水分虧缺得以完全補(bǔ)償與恢復(fù)[15]。

2.5 數(shù)據(jù)處理

文中數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan法多重比較(P<0.05)；采用Origin 2021進(jìn)行圖形繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 草地土壤水分描述統(tǒng)計(jì)與土壤儲(chǔ)水量分析

通過(guò)對(duì)研究區(qū)不同季節(jié)、坡向、坡位草地土壤含水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3),結(jié)果表明:秋季草地0～300cm土壤含水量介于5.99%～19.72%,土壤儲(chǔ)水量介于299.54～402.35mm,平均儲(chǔ)水量為355.25mm；春季土壤含水量介于2.46%～20.25%,土壤儲(chǔ)水量介于270.47～573.82mm,平均值為387.58mm；夏季土壤含水量與土壤儲(chǔ)水量分別介于0.27%～17.09%,183.45～407.06mm。總體而言,研究區(qū)草地土壤含水量、土壤儲(chǔ)水量均表現(xiàn)為春季>秋季>夏季。不同坡向草地土壤含水量、儲(chǔ)水量在不同季節(jié)存在差異,秋、夏兩季土壤含水量、儲(chǔ)水量均表現(xiàn)為陰坡>陽(yáng)坡,而春季則相反；不同季節(jié)同一坡向、同一土層土壤水分差異顯著(P<0.05)。研究區(qū)，春、夏兩季不同坡位土壤含水量均表現(xiàn)為下坡位>中坡位>上坡位,而秋季則表現(xiàn)為中坡位>下坡位>上坡位。

表3 研究區(qū)草地土壤水分及土壤儲(chǔ)水量描述統(tǒng)計(jì)

3.2 不同季節(jié)土壤水分垂直變化特征分析

土壤含水量垂直剖面的動(dòng)態(tài)變化特征具有一定的層次性,且隨季節(jié)變化波動(dòng)較大(圖1),0～100cm土層,土壤水分隨季節(jié)變化最明顯,隨著土層深度增加,土壤含水量總體呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)。除中坡位外,不同季節(jié)草地上、下坡位土壤含水量均在50～60cm左右出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),總體表現(xiàn)為夏季土壤含水量最小,秋季最大。不同季節(jié)、不同坡位土壤含水量變化趨勢(shì)存在差異,在0～100cm土層范圍內(nèi),隨土層深度增加,不同季節(jié)上、下坡位土壤含水量均呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì),中坡位土壤含水量呈增加趨勢(shì)；100cm土層以下,不同季節(jié)上坡位均呈現(xiàn)出先增加后減少趨勢(shì),中坡位呈現(xiàn)出波動(dòng)增加趨勢(shì),下坡位無(wú)明顯變化。

圖1 不同季節(jié)草地土壤水分垂直變化圖

3.3 不同季節(jié)土壤水分干燥化分析

研究區(qū)草地土壤干燥化存在差異(表4),從干燥化指數(shù)及干燥化強(qiáng)度分析,研究區(qū)0～300 cm土層均屬于輕度干燥化,干燥化指數(shù)介于0.21%～1.03%之間。不同季節(jié)土壤干燥化程度表現(xiàn)不同,秋季干燥化指數(shù)介于0.22%～0.55%,且陰坡中坡位最小,陽(yáng)坡上坡位最大；春、夏兩季土壤干燥化指數(shù)分別介于0.21%～1.03%,0.22%～0.64%之間,均表現(xiàn)為陰坡下坡位最小,陽(yáng)坡下坡位最大。研究區(qū)土壤干燥化程度均表現(xiàn)為陽(yáng)坡>陰坡。

表4 草地土壤干燥化強(qiáng)度及土壤干燥層厚度

3.4 不同季節(jié)土壤水分虧缺與補(bǔ)償分析

研究區(qū)草地土壤儲(chǔ)水虧缺度和補(bǔ)償度存在差異(圖2、圖3)。秋季不同坡位草地0～300cm土壤儲(chǔ)水虧缺度表現(xiàn)為上坡位(38.8%)>下坡位(30.71%)>中坡位(25.77%),不同坡向表現(xiàn)為陽(yáng)坡(35.13%)>陰坡(28.39%),在0～100cm土層中,總體呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)；100～300cm土層中,除上坡位外,中、下坡位土壤儲(chǔ)水虧缺度均呈降低趨勢(shì)。春季不同坡位土壤儲(chǔ)水虧缺度表現(xiàn)為上坡位(41.03%)>中坡位(31.76%)>下坡位(3.08%),不同坡向表現(xiàn)為陰坡(28.46%)>陽(yáng)坡(22.12%),土壤儲(chǔ)水虧缺度在0～100cm土層中呈現(xiàn)出波動(dòng)降低的趨勢(shì)；陽(yáng)坡在100cm土層以下變化較穩(wěn)定。在春季補(bǔ)償中,除下坡位外,上、中坡位在0～100cm土層中土壤儲(chǔ)水補(bǔ)償度呈減少趨勢(shì),總體表現(xiàn)為負(fù)值；而在100cm土層以下,補(bǔ)償度逐漸增加,在平衡值(0)上、下波動(dòng),不同坡向土壤儲(chǔ)水補(bǔ)償度均表現(xiàn)為陽(yáng)坡大于陰坡。在夏季補(bǔ)償中,不同坡位草地在0～100cm土層中補(bǔ)償度總體表現(xiàn)為負(fù)值；而在100cm土層以下,補(bǔ)償度逐漸增加,總體表現(xiàn)為正值。不同坡向草地補(bǔ)償度變化趨勢(shì)存在差異,上、中坡位總體補(bǔ)償度均表現(xiàn)為陰坡>陽(yáng)坡,下坡位則表現(xiàn)相反。

圖2 不同季節(jié)草地土壤儲(chǔ)水虧缺度

圖3 不同季節(jié)草地土壤儲(chǔ)水虧缺補(bǔ)償度

4 討論

4.1 不同季節(jié)土壤水分變化特征

本文表明,研究區(qū)草地土壤水分隨季節(jié)變化波動(dòng)性較大,這與姜峻等[18]、徐志堯等[19]研究結(jié)果相似,這種波動(dòng)性是植被蒸騰作用、物理蒸發(fā)以及降雨等共同作用的結(jié)果。不同季節(jié)草地土壤含水量在50～60cm土層中出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)及在0～100cm土層草地土壤含水量秋季高于春、夏兩季,主要是由于100cm土層內(nèi)植被土壤水分易受氣溫、降水等影響,且土壤上層處于水分虧缺與補(bǔ)償不斷交替的過(guò)程中,土壤水分變化活躍；100cm土層以下,降雨難以入滲、土壤蒸發(fā)減弱,且由于土壤水分主要受植物自身根系作用影響,使得深層土壤水分維持穩(wěn)定狀態(tài)[19]。秋季到次年春季氣溫降低,植被自身活動(dòng)減弱,進(jìn)一步導(dǎo)致土壤水分利用逐漸減少,且有降雨補(bǔ)充草地土壤水分,土壤含水率較高,草地土壤水分表現(xiàn)出秋季高于春、夏兩季[20]。秋、夏兩季由于坡向通過(guò)影響地表太陽(yáng)輻射的分配來(lái)影響地表溫度,進(jìn)而間接影響土壤蒸發(fā)和植被蒸騰,導(dǎo)致陰坡土壤儲(chǔ)水量相對(duì)較高。這與孔凌霄等[21]、邱得勛等[22]研究結(jié)果相似。但春季表現(xiàn)相反,其原因?yàn)榇杭娟?yáng)坡太陽(yáng)輻射強(qiáng),表層凍土早于陰坡消融,將儲(chǔ)存的土壤水分提前釋放,且植被蓋度越高,活動(dòng)層消融的時(shí)間越滯后,導(dǎo)致陰坡土壤水分較陽(yáng)坡低[23]。不同坡位土壤含水量,春、夏兩季表現(xiàn)為下坡位高于上、中坡位,其原因是在不同立地條件下,下坡位地勢(shì)相對(duì)平坦,下滲作用明顯,更易匯集地表徑流,且蒸發(fā)較弱,土壤含水量高[24]。

4.2 不同季節(jié)土壤儲(chǔ)水干燥化與土壤儲(chǔ)水虧缺補(bǔ)償度分析

陜北黃土區(qū)植被土壤干燥化現(xiàn)象是由于林木生長(zhǎng)過(guò)程中過(guò)度消耗深層土壤水，且降雨補(bǔ)給不足,以及蒸發(fā)量大等造成的[25]。在本研究中,不同季節(jié),草地0～300cm均屬于輕度干燥層。邵明安等[14]認(rèn)為黃土高原降雨入滲量一般在200cm左右,易形成干濕交替,200cm以下土壤干燥層被認(rèn)為是低濕層。從立地條件來(lái)看,降水下滲量的差異,是各季節(jié)不同坡位土壤干燥化程度嚴(yán)重不一的主要原因。秋季不同坡向太陽(yáng)輻射量的差異影響土壤蒸發(fā)力強(qiáng)度,是導(dǎo)致陽(yáng)坡土壤干燥化強(qiáng)度大于陰坡的主要因素[26]；而春季陽(yáng)坡太陽(yáng)輻射強(qiáng),表層凍土早于陰坡消融,將儲(chǔ)存的土壤水分提前釋放,且植被蓋度越高,活動(dòng)層消融的時(shí)間越滯后,導(dǎo)致陰坡土壤水分較陽(yáng)坡低[23],陰坡土壤干燥化強(qiáng)度大于陽(yáng)坡。在0～100cm土層中,秋季土壤儲(chǔ)水虧缺度總體呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì),冬春季節(jié)草地總體補(bǔ)償度為負(fù)值,說(shuō)明降水、冰雪融水未對(duì)草地土壤水分進(jìn)行有效的補(bǔ)給；100 cm土層以下,草地土壤水分消耗與補(bǔ)充基本達(dá)到平衡。在0～100cm土層中,春季土壤儲(chǔ)水虧缺度總體呈現(xiàn)出波動(dòng)降低的趨勢(shì),夏季補(bǔ)償度總體為負(fù)值,說(shuō)明夏季降雨未對(duì)該土層草地土壤水分進(jìn)行充分補(bǔ)償與恢復(fù),但隨著土層深度的增加,虧缺度減少,補(bǔ)償值不斷增加,使得補(bǔ)償值與耗水值之間差值越來(lái)越小；100cm土層以下,隨土層增加,春季土壤儲(chǔ)水虧缺度無(wú)明顯變化,補(bǔ)償度逐漸增加,在平衡值上下波動(dòng),說(shuō)明土壤水分消耗與補(bǔ)充基本達(dá)到平衡,而陽(yáng)坡上、中坡位補(bǔ)償度為負(fù)值,說(shuō)明由于降雨量少,蒸發(fā)強(qiáng)度大等原因，土壤儲(chǔ)水虧缺并沒(méi)有得到改善。

5 結(jié)論

1)研究區(qū)不同季節(jié)土壤含水量差異顯著(P<0.05),總體表現(xiàn)為春季>秋季>夏季；不同坡向土壤含水量存在差異,秋、夏兩季表現(xiàn)為陰坡>陽(yáng)坡,而春季則相反；不同坡位土壤含水量存在差異,且上坡位土壤水分含量最低。

2)草地土壤剖面含水量隨季節(jié)變化有明顯的波動(dòng)性,其中,在0～100cm土層受季節(jié)變化表現(xiàn)最為明顯；100cm土層以下變化較小,相對(duì)穩(wěn)定。研究區(qū)不同季節(jié)草地土壤干燥強(qiáng)度均屬于輕度干燥化,干燥化指數(shù)介于0.21%～1.03%之間。

3)研究區(qū)秋季儲(chǔ)水虧缺度總體呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì),且隨土層深度的增加,虧缺度逐漸降低；春季土壤水分虧缺度總體呈現(xiàn)出波動(dòng)降低的趨勢(shì),且隨著土層深度的增加趨于穩(wěn)定。降水對(duì)100cm以下草地土壤水分有所補(bǔ)充,且不同坡向、坡位表現(xiàn)各不相同。