祁连山大野口流域土壤水分空间变化特征研究

牛 赟 ，刘贤德 ，吕一河 ，王顺利 ，胡 健 ，赵维俊

（1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 甘肃省森林生态与冻土水文水资源重点实验室，甘肃 张掖 734000；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000；3.甘肃张掖生态科学研究院 甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖 734000；4.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085）

祁连山大野口流域土壤水分空间变化特征研究

牛 赟1，2，3，刘贤德1，2，吕一河4，王顺利1，2，胡 健4，赵维俊1，2

（1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 甘肃省森林生态与冻土水文水资源重点实验室，甘肃 张掖 734000；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000；3.甘肃张掖生态科学研究院 甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖 734000；4.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085）

土壤水分空间变化是流域水量平衡、水资源管理及利用、林分空间结构调控及土壤水资源植被承载力等研究的热点和关键科学问题。本文按照流域海拔、坡向、坡度、土壤层次、植被类型等不同，布设45个土壤水分监测探头，设置15分钟获取一个数据，对已取得的50万个数据利用变异系数等方法进行分析。结果表明：（1）土壤水分随海拔升高呈波动性增多趋势，可拟合关系式为Sw=0.025 3a-52.546(R2=0.651 5)；（2）半阴坡土壤水分比半阳坡高出1.2倍、比阳坡高出1.7倍，半阳坡土壤水分比阳坡高出1.4倍；（3）小于25°的范围内，坡度越大，土壤水分越小；大于25°的范围内，坡度越大，土壤水分越大；（4）亚高山灌丛林土壤水分比乔木林高出1.5倍、比草地高出1.7倍，乔林土壤水分比草地高出1.2倍；（5）除苔藓枯落物覆盖较盖的土壤水分垂直变化从上到下依次表现出高高低的变化趋势外，其它的均表现出低高低的空间变化特点；（6）乔木林缘和阳坡草地土壤水分变异最大，半阳坡草地次之，其它区域的土壤水分变异最小。研究结论可为探索流域水资源管理及利用提供科学依据和参考资料。

土壤水分；空间变化；祁连山大野口流域

由于土壤水分在流域空间上分布的异质性，因此，在流域水量平衡计算、流域水资源潜力评估、根据土壤水资源植被承载力确定林分空间结构调控等研究方面，都要充分考虑土壤水分的空间变化特征。在流域水资源管理和森林经理中，既要考虑土壤水资源对植被生长的需要，还要考虑土壤水资源形成河川径流满足中下游地区社会生态经济的发展，在这些研究中，土壤水分的空间变化是一个不可避免的科学问题，也是热点问题。如果掌握了土壤水分的空间变化特征，可为流域水资源管理以及森林经营提供科学依据。另外，祁连山水源涵养功能是我国干旱半干旱区典型生态功能，土壤水源涵养功能是河西走廊三大内陆河形成的重要生态作用，土壤水分的空间变化影响着土壤水源涵养功能的空间变化。关于土壤水分空间变化的相关研究中，有些学者采用了遥感、地理信息系统或流域水文模型等数据采集或分析手段[1-3]，有些学者采用了流域空间定期取土样和带回实验室分析计算等方法[4-8]。这两种方法都在较短时间间隔取得连续的数据上有一定的难度。本文利用土壤水分自动监测仪，在祁连山大野口流域按照不同海拔、坡向、坡度、土壤深度等空间因子以及不同植被类型等布置45个探头，设置15 min获取一个数据，已取得约50万个土壤体积含水率数据。目前，大多数集中在不同植被类型的土壤水分空间变化研究方面[9-10]，而以地形空间因子变化而引起土壤水分变化的相关研究较少，又加之空间因子比植被类型对土壤水分的影响更具普遍性和推广性，因此，本文重点以空间因子的变化来探讨土壤水分空间变化规律。

1 研究区概况

祁连山地处青藏、蒙新、黄土三大高原的交汇地带，《全国生态功能区划》和《全国主体功能区规划》都将该区域划分为50个国家重要生态功能区和25个重点生态功能区之列，生态区位十分重要。由于水分和温度在空间上的变化，形成了以冰川和长年积雪为主要特色的“固体水库”，以水源涵养林为主要的“绿色水库”。土壤水热状况是该区域极其重要的两个生态因子。

大野口流域地理范围为北纬 38°16′～ 38°33′，东经 100°13′～ 100°16′，属于祁连山中山气候带，发源于肃南县境内的野牛山，主要由西沟梁、观台沟、东岔、西岔、头滩沟和深沟6条较大支流汇集于大野口水库，水库控制了流域98%的集水区面积，是典型的闭合流域（如图1）。区内海拔变化较大，水热条件有差异较大，形成了垂直梯度和水平差异的植被和土壤类型。植被类型随海拔由低到高依次为山地荒漠植被、山地草原植被、山地森林草原植被、亚高山草甸植被、高山冰雪植被，土壤类型依次为山地灰钙土、山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山寒漠土。在各类土壤中山地灰褐土和亚高山灌丛草甸土是生长森林的土壤，分别分布在海拔 2 400～3 300 m和 3 300～4 000 m 区域内。建群种青海云杉Picea crassifolia呈斑块状或条状分布在试验区海拔2 400～3 300 m 阴坡和半阴坡地带，与阳坡草地交错分布；祁连圆柏Sibina przewalskii呈小块状分布于阳坡、半阳坡；灌木优势种有金露梅Potentilla fruti-cosa、箭叶锦鸡儿Caragana jubata、吉拉柳Salix gilashanica等；草本主要有珠芽蓼Polygonum viviparum、黑穗苔Carex heterostachya和针茅Stipa capillata等。该流域的闭合性、土壤和植被在空间变化的典型性，是研究流域生态水文过程的理想试验区，而土壤水分又是极其重要的生态因子之一。

2 研究方法

2.1 样地布设及仪器安装

2013年6月份，根据流域海拔、坡向和植被类型的不同和代表性，设置9块样地（样地概况用样地号标注，如表1）。每块样地内根据乔、灌、草根系的分布区域在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm深度的土层中分别布设1个探头（U30-NRC，产品序列号为：10673689），设置每5分钟取一个数据，共取得5000多个数据。为了方便研究，将土壤0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm深度的土层分别标记为S1、S2、S3、S4、S5。

2.2 数据采集与处理

（1）每年的10月土壤冻结之前，将仪器中的数据以Excel格式导出，因6月份和10月份数据不是全月份的，予以踢除。

（2）土壤水热变异性用变异系数CV表示，CV=s2/x，式中：s2为土壤体积含水量均方差，x为每年7～9月份土壤体积含水量平均值（CV为一相对值，表示样本标准差相对于平均值的偏离程度，与尺度无关），CV值越大，土壤水热变化越剧烈；CV值越小，土壤体积含水量越稳定。

图1 祁连山大野口流域位置示意Fig.1 Position sketch map of Dayekou basin of Qilian mountains

表1 样地编号及其基本情况Table 1 Sample number and its basic situation

（3）土壤体积含水量回归模型分析

根据相关分析结果，对每年7～9月土壤体积含水量（St，℃）与相关的海拔（a，m）、坡度（s，°）、土壤深度（d，cm)建立数学模型。然后对模型进行回归统计，主要包括复相关系数和标准误差计算，复相关系数计算公式为：

3 结果与分析

3.1 土壤水分海拔变化特征

土壤各层体积含水率平均值Sw（单位：%）与流域海拔a（单位：m）之间的拟合关系为Sw=0.025 3a-52.546(R2=0.651 5)。从这个关系式和图2可见，土壤水分随海拔升高呈波动性增多的变化趋势。其原因是，在一个流域内，土壤水分的主要来源是降水，而降水随海拔升高呈波动性增多趋势[11]；同时，土壤温度随海拔升高呈递减趋势（St=-0.007 4a+29.934，R2=0.465 1，St和a分别代表土壤温度/℃和海拔/m），从而土壤蒸发随海拔升高也呈递减趋势。由于降水增多而蒸发减少，所以，土壤水分具有随海拔升高而呈波动性增多的变化特征。从图2还可以看出，土壤水分空间变化，海拔只是其中的一个因子，还受植被类型、坡向、坡度等因子影响。

图2 土壤水分海拔变化特征Fig.2 Soil moisture changed with altitude

3.2 土壤水分坡向变化特征

从表1可以看出，T2、T3代表半阳坡样地，T5代表阳坡样地，其它均为半阴坡样地。从表2可计算出半阳坡、阳坡、半阴坡各层土壤体积含水率平均值的平均值分别为22.53%、15.86%、27.17%。通过3个数据比较可以得出，半阴坡土壤水分比半阳坡高出1.2倍、比阳坡高出1.7倍，半阳坡土壤水分比阳坡高出1.4倍。由于试验区阳坡或半阳坡土壤水分较低，又加之土壤温度较高，土壤蒸发较大，因此，形成了土壤水分阴坡比阳坡较高的空间特征。实际上，坡度也是影响土壤水分的重要因子。

表2 不同海拔不同土壤深层不同植被和土壤坡向的土壤水分（7～9月） 单位：%Table 2 The moisture of each deep soil of different vegetation and altitude and slope (from July to September)

3.3 土壤水分坡度变化特征

土壤各层体积含水率平均值Sw（单位：%）与坡度s（单位：°）之间的拟合关系为Sw=0.058 5s2-2.832s+54.39(R2=0.309 5)。从这个关系式及从表1、2可以看出，坡度对土壤水分的影响与海拔、植被类型、坡向、土壤层次等都有关系。一般情况下，坡度对水分的影响与其上坡的坡度和本身的植被类型密切相关，如果其上坡地形较陡，而本坡植被为乔木林或灌丛林或坡度较小，土壤水分则较高；反之，土壤水分较低。由于海拔3 100 m的灌丛云杉林样地的上坡为陡坡，样地坡度较小，3 300 m的灌丛林上坡是陡坡且土壤石质性强，该两处坡度的土壤水分数据剔除后，土壤各层体积含水率平均值Sw（单位：%）与坡度s（单位：°）之间的拟合关系为Sw=0.087 3s2-4.047s+63.537(R2=0.947 5)，呈二次函数抛物线形的土壤水分空间变化特征（如图3）。一般情况下，小于25°的范围内，坡度越大，土壤水分越小，大于25°的范围内，坡度越大，土壤水分越大。试验区流域平均坡度25°左右，坡度小于25°范围一般为低坡，植被一般为阳坡草地或稀疏的低山灌丛，坡度越大，土壤水分或降水由于自身重力易于向下传输，因此，形成了坡度越大，土壤水分越小的空间变化特征。坡度大于25°范围一般为中上坡，植被一般为乔木林或亚高山灌丛或阳坡草地，虽然坡度越大，土壤水分或降水由于自身重力易于向下传输，但乔木林或亚高山灌丛根系对土壤理化性质及结构的改变，以及上坡对下坡水分的输送，形成了坡度越大，土壤水分越大的空间变化特征。

图3 土壤水分坡度变化特征Fig.3 Soil moisture changed with gradient

3.4 不同植被类型土壤水分变化特征

从表 1可以看出，T1、T4、T6、T7代表乔木林，T8、T9代表灌丛林，T2、T3、T5为草地。从表2可计算出乔木林、灌丛林、草地各层土壤体积含水率平均值的平均值分别为23.65 %、34.20%、20.31%。通过3个数据比较可以得出，亚高山灌丛林比乔木林土壤水分高出1.5倍、比草地高出1.7倍，乔林比草地土壤水分高出1.2倍。形成这种现象的原因很多，但从降水的运动过程来看，不同植被类型对降水在植被层的传输过程以及土壤水分的蒸发过程有不同的影响。灌丛林离土壤较近，雨滴对土壤的直接击溅力较小，雨滴击溅土壤堵塞孔隙的影响力较小，土壤对降水的入渗能力较强；试验区灌丛主要有金露梅、银露梅、箭叶锦鸡儿、吉拉柳等，这些灌丛能在土壤表层形成较厚的枯枝落叶层，又增强了土壤水分的入渗，而减少了土壤水分的蒸发，加之这些灌丛耗水量较小，因此，土壤水分最多；乔木林冠截留较高，冠层离土壤较远，对土壤水分蒸发抑制能力较低，又加自身耗水量较大，因此，土壤水分较低；试验区草本主要有珠芽蓼、黑穗苔和针茅等，这些草木植物对降水的截留入渗以及对土壤水分蒸发抑制能力都最低，土壤水分最低。关于不同植被土壤水分的变化特征主要是通过其不同深度体积含水率的平均值变化来分析的，实际上，为，不同层次土壤水分垂直变化特征也较明显。

3.5 土壤水分垂直变化特征

从表2可以看出，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm深度的土层，其体积含水率分别为24.36±1.8 %、28.6±1.39 %、28.37±1.04 %、24.51±1.26 %、18.56±1.45 %，土壤水分垂直变化从上到下依次表现出低高低的变化趋势（如图4）。其主要原因是，土壤表层（0～10 cm）的水分由于自身重力要向下传输，同时，该层又是空气层的交界层，土壤水分蒸发强度也较大，形成了土壤水分较低的特点；10～20 cm和20～40 cm深度的土壤是灌丛根系和乔林根系的主要生命区，这些根系对土壤理化性质的影响，形成了有利于水分储蓄的土壤层，有较强的持水能力；又由于土壤表层对这层土壤蒸发的抑制作用，10～20 cm和20～40 cm深度的土壤水分较高；40～60 cm和60～80 cm深度的土壤水分由于被上层土壤的截留以及植物根系对土壤结构和理化性质的改善能力降低，土壤密度增大，容重增大，土壤含水量降低。从图4还可以看出，由于受海拔、坡向、植被类型的不同，有苔藓枯落物覆盖的土壤水分垂直变化表现出高低低的特征，这是由于苔藓枯落物有较强的持水和保水能力[12]，饱和后可以将水分向下传输，因此形成了土壤水分垂直变化的高低低特征。总之，分析土壤水分的垂直变化特征，不仅要考虑海拔、坡向、植被类型及不同的土壤深度层次，还要考虑土壤水分的季节变化特征。

3.6 土壤水分变异特征

图4 不同海拔的土壤水分在土壤垂直剖面上的变化Fig.4 The variation of soil moisture on vertical section of different altitude

从图4可以看出，不同海拔、坡向、植被类型和土壤深度，土壤水分变化的剧烈程度也不一样。从表3可以看出，T1、T5、T7的值较大，其它都较小。T1代表青海云杉下林缘，T7代表青海云杉上林缘，T5代表阳坡草地。这说明乔木林缘和阳坡草地土壤水分变异较大，是由于土壤水分的易变区。由于这些区域受风的影响较大，对土壤水分的蒸发也较大，引起了土壤水分变化较剧烈。

土壤各层体积含水率变异系数的平均值Sw（单位：%）与流域海拔a（单位：m）之间的拟合关系为Sw=0.025 3a-52.546(R2=0.651 5)；而0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm深度的各层土壤水分体积含水率与流域海拔复相关系数R2分别为0.593、0.368、0.141 2、0.045 1、0.423 2，这说明各层土壤水分随海拔变化而变化的剧烈程度也不相同，0～10 cm、10～20 cm、60～80 cm深度的土壤水分对海拔变化影响较敏感，而20～40 cm、40～60 cm深度的土壤水分受海拔变化影响较小。

表3 不同海拔不同土壤深层和不同坡向的土壤水分变异系数（7～9月）Table 3 The variable coefficient of moisture of each deep soil of different vegetation and altitude and slope(from July to September)

4 结论与讨论

4.1 讨 论

流域水分在数量上受控于水分输入和消耗，降水是祁连山流域唯一的水分输入途径，蒸散是水分消耗的主要途径，包括土壤蒸发、植物蒸腾及生长消耗、地被物蒸发、植物截留蒸发等。土壤水分空间特征研究重点在于探讨土壤水分在空间上的收支过程。由于降水受海拔、坡向的影响，又由于植被影响土壤的理化性质及土壤水分的蒸发及消耗，因此，该研究的重点和突破口在于地形空间因子影响土壤水分的收支平衡方面进行探讨。关于这方面研究结论中，闫文德等[13]认为，祁连山土壤水分空间变化特征是高海拔多，阴坡次之，阳坡最少；亚高山灌丛草甸土、山地森林灰褐土融化层含水量年内平均值具有随土壤深度增加略呈上升趋势，山地栗钙土融化层含水量年内平均值具有随土壤深度增加而下降的趋势。这一结论与本文的结论基本一致。与大多数以植被类型或土壤类型为主研究土壤水分空间变化的结论相比[14-17]，本文以地形空间因子为主研究土壤水分的空间变化规律。

本文仅仅根据土壤的空间属性特征开展了相关研究，而对于这些空间属性因子，如海拔、坡度、坡向等影响土壤水分空间变化的程度及权重比例未作研究。实际上，影响土壤水分空间变化的直接因素是降水和土壤植被的土壤水分消耗；引起这些变化的间接因素才是空间属性的变化及其自然选择的特定植被类型反过来对土壤水分的影响。植被主要在于对降水的截留以及对土壤蒸发、生长消耗以及对土壤入渗能力、持水能力等方面的影响。在今后研究中，要注重土壤水分空间变化机理及各因素的影响程度等研究。

4.2 结 论

通过对祁连山大野口流域不同地理环境和不同植被类型的土壤水分空间变化特征研究发现，土壤水分随海拔升高以2.23 %/100 m的速率呈波动性增多趋势，土壤含水量一般半阴坡＞半阳坡＞阳坡，亚高山灌丛林＞乔木林＞草地；除苔藓枯落物覆盖较盖的土壤水分垂直变化从上到下依次表现出高高低的变化趋势外，其它的均表现出低高低的空间变化特点；乔木林缘和阳坡草地土壤水分变异最大，半阳坡草地次之，其它较小。在流域水源涵养功能研究及林分结构调控水资源利用中，由于土水分在空间上异质性，必然要考虑地理环境对土壤水分及其对水源涵养功能发挥的影响。低海拔地区针叶林在减少小流域产流方面所起的作用相对其他植被覆盖类型和高海拔地区而言更为显著，合理的降低其密度从理论上来讲应该可以减少对径流的削减作用，因此，低海拔地区青海云杉林等进行周期性的合理的清理，一方面给次生林幼苗更充裕的生长空间，另一方面可以缓解流域上游地区与中、下游径流的供需矛盾。草地生态系统的水文调节能力较弱，草地的植被-土壤复合体的水源涵养能力也低于灌丛与云杉林等，故而在研究区低海拔地区大片草地的地区，毒草（狼毒）已经大面积呈现出蔓延趋势，因此低海拔地区应对林、草结构进行调整，尝试林、草镶嵌结构，提升区域整体的水文调节与水源涵养能力，缓解低海拔地区草地大面积干旱化。此项措施的实现需要借助工程手段，也需要一定时间的禁牧措施同步实施。高海拔地区冰川、冻土以及灌丛带是流域内主要的产水区，而植被盖度可以有效减少地表辐射量，是高海拔冰川冻土的天然防护，且高海拔地区植被生长较慢，破坏之后恢复期较长，对冰川、冻土尚无较好的人工手段来维持和保护，故而作为固体水库以及小流域主要产水区，高海拔地区的封禁保护应该作为祁连山区生态保护的重中之重。

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The research on spatial variation characteristics of soil moisture in Dayekou basin of Qilian mountains

NIU Yun1,2,3, LIU Xian-de1,2, LV Yi-he4, WANG Shun-li1,2, HU Jian4, ZHAO Wei-jun1,2
(1.Academy of Water Resource Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu Province, Gansu Province Key Laboratory of Forest Ecology and Frozen-soil Hydrology and Water Resources, Zhangye 734000, Gansu, China; 2. Cold And Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 3. Academy of Ecology Science of Zhangye,Gansu Science and Technology Innovation Service Platform of Ecology in Qilian Mountains, Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu,China; 4.Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences)

It was the hot spot and key scienti fic problems that spatial variation characteristics of soil moisture in water balance of basin,water resources management and utilization, regulation and control of stand spatial structure and soil vegetation carrying capacity for water resources. In this paper, according to the basin elevation, slope direction, slope, soil layers, vegetation types, lay out 45 soil moisture detectors and obtain a data every other 15 minutes and analyze 500 000 data by using the methods of variation coef ficient. Results showed that: (1) There was variation trend that soil moisture increased with altitude, and fitted relation toSw= 0.025 3a- 52.546 (R2= 0.651 5);(2) The soil moisture on half shady slope was 1.2 times higher than half sunny slope, and 1.7 times higher than sunny slope, and the soil moisture on half sunny slope was 1.4 times higher than sunny slope; (3) The soil moisture was smaller with greater gradient if slope was less than 25° range, but the soil moisture was greater with greater gradient if slope was greater than 25° range; (4) The soil moisture under subalpine scrub forest was 1.5 times higher than arbor forest, and 1.7 times higher than the grass, and the soil moisture under arbor forest was 1.2 times higher than the grass; (5) The soil moisture from top to bottom in turn showed the vertical variation trend from low to high then low in addition to the soil moisture under litter moss showed the vertical variation trend from high to high then low; (6) The soil moisture variation on edge of arbor forest and grassland was the largest, second half sunny slope grassland, the other was stable. The research conclusion could provide the scienti fic basis and reference material for water resources management and utilization in river basin.

soil moisture; spatial variation; Dayekou basin of Qilian Mountains

S715

A

1673-923X(2016)10-0094-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.10.017

2015-09-02

国家自然科学基金项目（41461004）；甘肃省基础研究创新群体（145RJIG337）；甘肃省科技创新服务平台（144JTCG254）

牛 赟，高级工程师，博士，在站博士后

刘贤德，研究员，博士，博士生导师

牛 赟，刘贤德，吕一河，等.祁连山大野口流域土壤水分空间变化特征研究[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(10):94-100.

[本文编校：吴 彬]