黄土高原水蚀风蚀交错带不同植被类型下土壤水分动态特征

傅子洹，王云强安芷生

doi：10.7515/JEE201503007

黄土高原水蚀风蚀交错带不同植被类型下土壤水分动态特征

傅子洹1，2，王云强1，安芷生1

（1.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安710061；2.中国科学院大学，北京100049）

为掌握黄土高原水蚀风蚀交错带不同植被类型下0～500 cm土壤含水量的时空变化特征及其剖面变异规律，采用定位观测和经典统计学相结合的方法，本文研究了陕西神木六道沟小流域老爷满渠4种不同植被类型（杏树、杨树、沙蒿以及柠条）下的土壤水分状况。结果表明：在气象、地形、地貌、土壤等立地条件基本一致的情况下，同种植被下土壤含水量的变化趋势具有较高一致性，表层（0～40 cm）土壤含水量在雨季显著大于旱季，并且上层土壤水分（0～40 cm）的变异程度大于下层（40～500 cm）；不同植被类型间，杏树地土壤含水量在垂向的变化趋势最稳定，杨树地和沙蒿地次之，柠条地最剧烈。不同植被类型下的土壤水分动态特征与剖面分布具有明显差异。

植被类型；土壤含水量；时空变异性；六道沟小流域

土壤水分是气象（如太阳辐射、降水、气温），地形地貌（如坡度、坡向、坡位），水文（如径流、蒸发、入渗），植被（如密度、盖度、种类），人为活动（如地下水开采、土地利用管理）等多种因素共同作用的结果，在时间和空间尺度上表现出明显的异质性和尺度依赖性（Cantón et al，2004）。另一方面，土壤含水量的多少对土壤侵蚀、植被生长以及土壤—大气之间水分传输过程具有重要影响。相对气象、地形地貌而言，植被建设和土地利用转换是人类活动改变区域土壤含水量水平的直接和有效手段。因此，研究不同植被类型下土壤含水量的动态变化特征，是研究土壤水分与相关水文模型的基础环节，对区域植被选择与布局具有实践意义。

目前，国内对于土壤水分动态变化的研究较多，何其华等对于干旱半干旱地区土壤水分动态变化的研究表明，土壤水分季节动态与降水的季节性变化基本一致，而含水量的垂直变化一般是有季节性的，雨季为降低型，旱季为增长型（何其华等，2003）。霍竹等对黄土高原水蚀风蚀带沟岸灌木林地土壤水分变化的研究表明，雨季（7—10月）的天然降水对柠条地坡上、坡中、坡下的补给深度依次为220 cm，160 cm以及180 cm，以及沟岸柠条地距沟不同距离土壤水分含量与距离成一定的线性关系（霍竹和邵明安，2005）。王云强等对不同土地利用方式下坡面土壤含水量的空间变异性进行研究，结果表明草地和农地坡面土壤含水量的垂直变化特征不同，前者为降低型，后者在100 cm 以上为波动型，以下为稳定型（王云强等，2006）。已有研究大都针对降水条件、地形地貌以及土地利用方式等，对不同植被类型下土壤含水量的垂向特征与动态研究相对较少。

黄土高原水蚀风蚀交错带是黄土高原土壤侵蚀最为严重的地区，前期含水量的多少及含水量动态对土壤侵蚀的发生与侵蚀量的多少具有重要影响。鉴于此，本文在黄土高原水蚀风蚀交错带的典型区域，选择杏树、杨树、沙蒿以及柠条4种常见植被，研究0～500 cm深度的土壤水分数量特征及其动态变化规律，以期更好地理解不同植被类型下土壤水分差异所导致的生态水文效应，这对于土壤侵蚀控制、区域植被配置具有重要参考意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于中国科学院水土保持研究所神木侵蚀与环境试验站六道沟流域老叶满渠（110°26′ E，38°49′ N），该区域经过数十年的退耕还林还草，目前生态状况较好。六道沟流域面积6.89 km2，年平均气温9～14℃，属于干旱半干旱季风气候，寒暑分明，气候比较干燥，降水偏少且年际变化较大，年平均降水量为437.4 mm，且5至10月占全年降水的65％～85％。研究区位于黄河中游，北沿长城，地处毛乌素沙漠外延，属典型的黄土高原风蚀水蚀交错带，土壤侵蚀严重。地貌类型为黄土丘陵，部分地区零星分布有小范围沙漠。主要植被类型属于灌丛草原类型，然而天然的植被大都被破坏，近年来通过一系列的人工种植植被建设，现已发展成为以柠条—沙柳—沙蒿—长芒草以及一些灌丛草本植被为主的植被群落。

1.2 采样点的布设

充分考虑老爷满渠内东坡、西坡植被特征、土壤特性及地形要素对土壤含水量的影响，我们将不同植被类型下的所有样点布设在西坡，以确保各样点间的立地条件（如海拔、坡向、坡度）基本一致。4种植被类型分别为杏树、杨树、沙蒿和柠条，每种植被选择两个样地作为重复，共8个样地，样点分布见图1。

1.3 含水量测定方法

本文选择中子仪法测定土壤水分含量。2012年分别在杏树、杨树、沙蒿以及柠条四种植被类型下安装0～530 cm中子管（其中露出地表30 cm，实际监测土壤水分的深度为500 cm）。本研究从2014年6月至10月开始，定位观测这4种植被（共8个样点）土壤含水量。对每个观测点，在0～100 cm和100～500 cm深度分别按10 cm及20 cm的间距进行测定，每个样点单次测定的土壤水分数据为30个，共测定5次。需要说明的是，在每次测定8个样点的土壤含水量期间，无有效降雨发生，确保了上层土壤水分数据间的可比性。将中子仪所测原始数据经过校准，获得土壤水分的实际体积含水量。采用Excel 2010和SigmaPlot 12.5等软件进行数据和图形处理。

图1 小流域采样点位分布图（不同颜色代表不同的植被类型）Fig.1 Distribution of sampling points （different colors represent different vegetation types）

2 结果与分析

2.1 土壤水分的整体变化特征

不同植被类型土壤含水量介于2.0％～22.0％，变化范围较大，剖面含水量集中在8％左右，表层土壤水分（0～20 cm）受降水补给明显，20～80 cm深度受植被根系吸水作用影响，含水量有下降趋势，80 cm以下土层的土壤含水量整体上表现为增加趋势，在300 cm处其含水量超过本年度的降雨补给数量（图2）。这与黄土高原其他地区土壤水分在垂向（0～500 cm）呈现先减小后增加的分布特征具有较好的一致性（王云强等，2012）。土壤含水量是黄土高原植被恢复的关键因子之一，其整体变化规律不但受土壤质地、孔隙度以及容重的影响，而且还要受到大气降水、土壤水分蒸发、土地利用方式以及不同植被类型等一系列因素的制约（Coronato and Bertiller，1996；李洪建等，1998；Qiu et al，2001）。

2.2 不同植被类型下土壤含水量垂向变化规律

图3为四种植被类型下0～500 cm土壤水分分布，由该图可见：①杏树、杨树、沙蒿以及柠条地土壤含水量变化范围依次为10.7％～19.6％、3.1％～7.5％、3.0％～10.8％、4.6％～11.0％，整体变异性较弱，变异系数（Coef f cient of Variation，CV）分别为5％、8％、10％以及13％；②四种植被类型下表层（0～20 cm）土壤含水量均呈增加趋势；③杏树地土壤含水量在0～140 cm整体上表现出增加趋势，在140～260 cm为减小，260～500 cm深度表现逐渐增加的变化趋势；杨树地在0～60 cm为先增加后减小趋势，在60 cm以下，土壤含水量表现为稳定型（维持在5％左右）；与杨树地类似，沙蒿地土壤含水量在0～60 cm为先增加后减小趋势，然而在60～320 cm，土壤含水量呈现为增加趋势，在320～500 cm表现为稳定型，稳定在9.5％左右；柠条地0～500 cm土壤含水量总体呈缓慢上升趋势。

图2 小流域0～500 cm土壤含水量剖面分布Fig.2 Profles distribution of soil water content in small watershed

图3 不同植被类型下0～500 cm土壤含水量剖面分布Fig.3 Profle distribution（0～500 cm）of soil water content under different vegetation types

由于不同植被根系的分布情况、吸水能力以及土壤质地存在差异，杏树在垂直方向上（0～150 cm），根长密度随着土层深度的增加，先增大后减小，吸收根最大根长密度分布在20～40 cm土层（陈高安，2011）。所以在20～40 cm深度，含水量虽然可以得到降水补给，但由于根系吸水强烈，依然表现为减小趋势，在40～100 cm深度，随着根系吸水减弱，含水量逐渐增加，而杏树地含水量整体较高与杏树的栽种间距较大有直接关系。杨树为深根系乔木，其根系对于土壤水分的利用范围较大且深，加之植物在生长季蒸腾作用较强，使得水分含量较低；此外，杨树所在地土壤类型为沙黄土，其持水性能较弱，不利于水分的保存，所以杨树地含水量整体表现为较低的稳定趋势，这与Singh等在美国西部科罗拉多州半干旱草原的研究结果“粘质壤土的有效水含量最高，沙质壤土有效水含量最低”一致（Singh et al，1998）。沙蒿属于半灌木，高度30～80 cm，根系生物量集中分布在0～40 cm土层中（占75％以上），而表层土壤含水量受降水补给远大于根系吸水消耗，由此，沙蒿地含水量在0～40 cm表现为增长，而在降水补给较弱的深度（40～60 cm），由于根系吸水作用，含水量呈现出递减的趋势（康博文等，2010）。柠条已有25年生长期，研究表明，12～15年生柠条其主根超过6米（王志敏和姚延涛，2002），根系密集层主要分布在10～100 cm，根深和根幅大多在1～4米（牛西午等，2003），因此柠条地含水量整体变异最大。因此，在地形地貌和高程相近的情况下，土壤含水量是降水、冠层截留、植被蒸腾、土壤蒸发、植被类型、根系分布等要素以及不同深度土层质地、孔隙度以及连通性等综合作用的结果。尽管如此，相同植被类型下土壤含水量垂向变化趋势依然呈现出较高的一致性。

2.3 不同植被类型下土壤水分的时间变化特征

土壤含水量受太阳辐射、大气降水、温度变化等一系列气象因素的影响，因此研究不同土壤含水量随时间的变化特征，对于理解土壤—植被—大气间的水分养分循环有着重要意义。我国气候类型不尽相同，因此各地区在一年中出现旱季和雨季的月份也有很大差异，从年际尺度上看，土壤含水量受控于地方气候变化；而从月际尺度上，不同月份划分为旱季和雨季，土壤含水量在旱季稳定于一个相对较低的水平，雨季则维持在一个相对较高的状态（盛才余等，2010）。降水作为本研究区土壤水分的主要来源，在气候、地形等因素差异不大的情况下，由于同种植被类型土壤含水量垂向变化趋势具有较好的一致性（图3），我们将杏树地、杨树地、沙蒿地以及柠条地6 —10月各测点数据做平均值，研究不同植被类型下含水量在月际尺度上的变化特征。图4为杏树（a）、杨树（b）、沙蒿（c）以及柠条（d）地6 —10月土壤含水量的动态变化曲线，由该图可见，①表层（0～40 cm）土壤含水量在旱季显著低于雨季；②剖面含水量范围变化较大（杏树、杨树、沙蒿、柠条地含水量分别介于5.3％～20.4％、2.2％～9.4％、2.0％～10.8％、3.0％～18.4％）；③同种植被类型下土壤含水量在月际尺度上变化趋势较为一致。出现以上结果的主要原因有：表层土壤含水量主要受降水控制，研究中第一次测定为旱季（6月初），其余4次测定（7—10月）为雨季，因此表层水分与降水量成正相关关系。剖面含水量除受土壤质地、植被根系影响外，降水在月际尺度上的显著差异性也是导致含水量范围增大的一个主要原因。测定土壤含水量的时间（6 —10月）集中于雨季，因此整体剖面含水量变化特征较为一致。

图4 杏树（a）、杨树（b）、沙蒿（c）以及柠条（d）地6 —10月土壤含水量剖面分布Fig.4 Profle distribution of soil water content from June to October（a），（b），（c） and （d） represent Apricot tree，Poplar，Artemisia desertorum and Caragana，respectively

2.4 不同植被类型下土壤水分剖面变化比较

图5为四种植被类型下0 ～ 500 cm土壤含水量及其变异系数的剖面分布。由该图可见，①土壤含水量的变异系数范围较大（杏树、杨树、沙蒿以及柠条地分别介于1％ ～ 33％、2％ ～ 35％、3％ ～ 44％、3％ ～ 47％），上层0 ～ 40 cm深度土壤含水量变异显著，而40 ～ 500 cm深度土壤含水量变异较弱，最大变异深度均为20 cm。②剖面土壤含水量整体变异系数较小，杏树地、杨树地、沙蒿地以及柠条地（CV）依次为5％、9％、9％、13％，杏树地含水量垂直变化最稳定，杨树地和沙蒿地含水量较稳定，而柠条地含水量变化最为剧烈。在研究区，降水补给深度一般为100 cm左右（程立平，2013），在此深度间，植被根系生物量最大，生物扰动频繁，土壤蒸散强烈，导致剖面上部土壤含水量呈现中等变异，而表层（0 ～ 20 cm）土壤更是受各种因素集中影响的区域，比如，植被覆盖度，土壤特性，根系分布特点等。在100 ～ 500 cm深度，由于植被根系分布相对较少，降水补给与生物扰动微弱，因此含水量呈现出弱变异。

图5 杏树（a）、杨树（b）、沙蒿（c）以及柠条（d）四种植被类型下0～500 cm土壤含水量的剖面分布，蓝色圆点为各层的平均值，红色方格为各层土壤含水量的变异系数。Fig.5 Profle distributions （0～500 cm） of soil water content （SWC） under different vegetation types.Blue circle points represent means，red square points are coef f cients of variation for SWCs.（a），（b），（c） and （d） represent Apricot tree，Poplar，Artemisia desertorum and Caragana，respectively

3 结论

通过对黄土高原水蚀风蚀交错带四种植被类型下0 ～ 500 cm土壤含水量进行对比研究，得出以下主要结论：（1）在立地条件基本一致的情况下，同种植被类型下土壤含水量垂向变化趋势具有较高一致性；（2）表层（0 ～ 40 cm）土壤含

水量雨季显著大于旱季，整体剖面含水量变化趋势在月际尺度上趋于一致；（3）不同植被类型下（杏树、杨树、沙蒿以及柠条），上层土壤含水量（0 ～ 40 cm）变异较大，下部（40 ～ 500 cm）变异较弱，杏树地土壤含水量在垂向的变化趋势最稳定，杨树地和沙蒿地次之，柠条地最为剧烈，这是植被特性（包括种植密度、根系深度等）和剖面土壤异质性等共同作用的结果。

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Dynam ics of deep soil moisture under different vegetation types in the w ind-water erosion crisscross on the Chinese Loess Plateau

FU Zi-huan1，2，WANG Yun-Qiang1，AN Zhi-sheng1
（1.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

To investigate the spatial and temporal patterns of soil water content （SWC） in 0～500 cm depth under different vegetation types in the w ind-water erosion crisscross on the Chinese Loess Plateau，we installed neutron probes （530 cm in length） at eight sites under Apricot tree，Poplar，Artemisia desertorum and Caragana，respectively，w ith two replicates，in the Liudaogou watershed on the northern Shaanxi Province，and monitored SWCs from June to October in 2014.Results showed that for the same vegetation type，the dynam ic patterns of SWC were sim ilar since the environmental conditions （i.e.，meteorological and topographical factors） of the eight sites were homogenous；the values of SWC in subsurface （0～40 cm） measured in rainy season were signi f cantly higher than that in dry season，while the variation of SWC in upper soil layers （0～40 cm） was greater than that in the deeper layers （40～500 cm）.For different vegetation types，the vertical pattern of SWC under Apricot tree was the most stable，followed by Poplar and Artemisia desertorum，while the change of SWC under Caragana had the highest vertical variation.Different vegetation types had different profile characteristics and dynam ic patterns of SWC.

vegetation types；soil moisture；spatiotemporal variability；Liudaogou watershed

S152.7

A

1674-9901（2015）03-0188-07

2015-01-14

国家自然科学基金项目（41101204，41471189）；中国科学院“西部之光”项目

王云强，E-mail：wangyunq04@163.com