宁夏黄土丘陵区苜蓿土壤水分的时空变异特征

蔡进军, 张源润, 潘占兵, 董立国, 许 浩,王月玲, 季 波, 马 璠, 韩新生, 李生宝

(宁夏农林科学院 荒漠化治理研究所, 银川 750002)



宁夏黄土丘陵区苜蓿土壤水分的时空变异特征

蔡进军, 张源润, 潘占兵, 董立国, 许 浩,王月玲, 季 波, 马 璠, 韩新生, 李生宝

(宁夏农林科学院 荒漠化治理研究所, 银川 750002)

土壤水分是影响半干旱区植被生长和生态修复的限制性生态因子，开展土壤水分变化研究对脆弱生态系统的恢复和生产实践活动的指导都具有重要作用和实际意义。对半干旱黄土丘陵区苜蓿在时空尺度上土壤水分状况的变化规律进行了分析。结果显示：(1) 不同类型苜蓿土壤体积含水量的年际变化规律大致相同，生长季变化大致可分为三个时期：土壤水分消耗期(3—5月)、土壤水分相对稳定期(6—7月)和土壤水分积累期(8—10月)；(2) 以不同深度土壤体积含水量的变异系数为标准，可将土壤水分的垂直分布划分为三个层次：0—20 cm土壤水分速变层、20—80 cm土壤水分活跃层和80—180 cm土壤水分相对稳定层；(3) 土壤体积含水量的坡向变化规律为西坡>北坡>南坡>东坡，不同年份规律大致相同，但有小范围的波动，坡位变化规律为坡上<坡中<坡下，不同年份间的变化基本一致。

紫花苜蓿; 土壤体积含水量; 时空变异

土壤水分是土壤—植物—大气连续体关键的重要因子之一，是影响半干旱区植被恢复和重建的核心生态因子之一，是土壤中养分流动和循环的重要载体之一[1]。土壤水分状况受到降雨[2-4]、温度、太阳辐射等气象条件和植被种类[5-6]、覆盖度等生物条件的影响，同时受到坡向、坡位、坡度等地形条件的影响。土壤水分状况不仅存在空间尺度的差异，还存在着明显的时间尺度变化，尤其是处于半干旱的黄土丘陵地区，降雨少而分布不均，土壤水分差异较大，分析土壤水分状况时空尺度的差异规律，为脆弱生态系统的恢复和植被的合理重建提供理论指导和科技支撑。紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生优良牧草，用途广，营养价值高，有“饲料皇后”和“牧草之王”的美誉[7]，是半干旱区的重要经济作物，由于黄土丘陵区光照充足、蒸散量大、干旱少雨、且干湿季分明，土壤水分状况成为影响紫花苜蓿生长的主要限制因子，研究其土壤水分状况更具紧迫性，本研究选择在典型半干旱区的黄土丘陵地带，调查紫花苜蓿的土壤水分状况，分析其土壤水分时空差异特征，对指导生产实践活动具有重大的帮助和实际意义。

1　研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区固原市彭阳县白阳镇中庄小流域，地理坐标为东经106°41′—106°45′，北纬35°51′—35°55′，地貌类型属于黄土高原腹地梁峁丘陵地，平均海拔1 600～1 700 m。流域气候类型为典型的温带大陆性气候，年平均风速2.7 m/s，年平均气温7.6℃，≥10℃的积温为2 200～2 750℃，无霜期140～160 d，多年平均降水量442.7 mm，降水量集中且分配不均，主要集中在7—9月，年平均潜在蒸发量1 360.6 mm，干燥度为3.58[8]。土壤类型以普通黑垆土为主，pH值8～8.5。

1.2研究方法

土壤体积含水量采用德国产TDR时域反射仪法(Time Domain Reflectometry)进行观测。选择能够代表半干旱黄土丘陵区的典型梁峁和坡面，分别在峁顶、东坡、西坡、南坡、北坡、上坡、中坡和下坡分别安装TDR。研究地为2003年的退耕苜蓿地，现为多年生苜蓿地，在2007—2011年每年3—10月，每月上、中、下旬各测定一次，测定土层包括0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm，100—120 cm，120—140 cm，140—160 cm，160—180 cm，以HOB小型气象站进行降雨量的观测。数据处理采用Excel 2010软件。

2　结果与分析

2.1土壤含水量的时间动态变化

以不同地形的苜蓿为基准，从2007—2011年连续监测苜蓿土壤体积含水量，研究苜蓿土壤体积含水量年际变化的总体特征。从图1可以看出，不同地形苜蓿的土壤体积含水量的年变化规律大致相同，2007年逐渐增加到2009年，而后呈现缓慢降低的趋势，但各地形苜蓿的土壤体积含水量有其自身的变化规律。不同年份土壤体积含水量的大小依次为2007年(11.6%)、2008年(12.8%)、2009年(15.2%)、2010年(14.5%)、2011年(14.5%)。苜蓿土壤水分的年际变化主要受到年内土壤水分的输入和输出影响，在没有灌溉的前提下，年际降雨量是影响年际土壤水分输入的直接气象因子[9-10]，同一地区不同年份降雨及降雨时期的长短都存在差异，进而造成年际间土壤水分动态变化的差异[11]，土壤水分的输出主要受到植被的蒸腾、植被覆盖度、气温、太阳辐射、风速等条件的影响。

图1　土壤体积含水量的年际变化

苜蓿土壤水分的生长季变化主要受到苜蓿生长节律、大气降雨量和土壤蒸发的影响[12]，本文选取2008年3—10月份苜蓿的土壤体积含水量及各月份的大气降雨量，用于分析苜蓿土壤体积含水量的生长季变化及大气降雨量对土壤体积含水量季节变化的影响，如图2所示，不同苜蓿的土壤体积含水量变化规律大致相同，从3月份到5月份苜蓿土壤体积含水量逐渐消耗降低，主要是因为从3月份开始气温回升，太阳辐射逐渐增强，苜蓿逐渐开始生长，虽然有少量的降雨，但是难以维持苜蓿的生长和发育，必须要消耗土壤中存储的水分，土壤体积含水量逐渐下降。6—7月份苜蓿土壤体积含水量处于一个相对稳定的时期，随着降雨量的逐渐增加，基本能满足苜蓿生长对水分的需求，同时，7月份第一茬苜蓿进入开花初期，也是第一茬苜蓿刈割的时期。从8月份到10月份苜蓿土壤体积含水量逐渐积累增加，主要是8月份，雨季的到来，降雨量逐渐增多，正值苜蓿处于幼苗期，需水量小，降雨能够满足苜蓿的生长所需，且还有一部分降雨贮存在土壤中，增加土壤体积含水量；进入9月份以后，温度降低，苜蓿生长缓慢，蒸腾量减小，且9月份的降雨是一年中最高的，土壤体积含水量逐渐增加；进入10月份，夜晚的最低温度降到冰点左右，苜蓿生长受到抑制，蒸散量锐减，苜蓿进入第二茬的刈割期，土壤体积含水量再次增加。

由此可以看出，苜蓿土壤体积含水量的生长季变化大致可以分为三个时期：土壤水分消耗期(3—5月)、土壤水分相对稳定期(6月至7月)和土壤水分积累期(8—10月)。

图2　苜蓿土壤体积含水量的生长季变化特征

2.2土壤含水量随土层深度的变化

以2007—2011年这5 a的苜蓿各土层深度的平均值来分析不同土层深度土壤体积含水量的年际变化规律，从图3可以明显看出，不同土层深度苜蓿土壤体积含水量的变异情况差别很大，0—100 cm土壤体积含水量的变化范围明显大于100—180 cm，随土层增加苜蓿土壤体积含水量的变幅依次为6.8%，5.5%，4.5%，3.4%，2.6%，2.1%，2.1%，1.9%，2%，基本呈现出随土层深度的逐渐增加变幅逐渐减小，且减小的幅度逐渐缩小。5 a内随土层加深苜蓿土壤体积含水量依次为15.5%，14.7%，13.8%，13.4%，13%，12.9%，12.9%，12.9%，12.8%，5 a的总平均大致规律为随土层增加苜蓿土壤体积含水量逐渐减小，但总体差异较小。

为了更加明确地体现苜蓿土壤体积含水量垂直变化的年际情况，用变异系数Cv表示其变异特征，值越小表示土壤体积含水量的变异越小，反之则表示土壤体积含水量的变异越大[13]。随土层增加苜蓿土壤体积含水量的变异系数依次为0.184，0.157，0.128，0.099，0.076，0.065，0.062，0.054，0.059，不同土层苜蓿土壤体积含水量变异系数的变化规律和变化幅度的规律相同。依据变异系数的大小[14-15]，将苜蓿土壤水分状况的垂直分布划分为三个层次：0—20 cm土壤水分速变层、20—80 cm土壤水分活跃层和80—180 cm土壤水分相对稳定层。随土层深度的增加变异系数逐渐减小是因为在没有灌溉条件下生长的苜蓿，只能依靠降雨输入进入土壤，降雨后，表层土壤体积含水量迅速增加，深层土壤水分含量只有依靠表层土壤的渗透才能缓慢增加。雨量大时一部分存储到土壤中，一部分被植物吸收利用和以物理蒸发的形式回到大气中；雨量小时，可能全部用于植被吸收利用和物理蒸发，使表层土壤水分含量迅速增加后又降低，降雨前后土壤表层体积含水量的波动大于土壤深层，因而表层土壤体积含水量的变异系数较大，而深层土壤的较小。

图3　土壤体积含水量随土层深度的年际变化规律

以2008年3—10月份苜蓿各土层的土壤体积含水量来分析不同土层深度土壤体积含水量的生长季变化规律。如图4所示，不同月份各土层深度苜蓿土壤体积含水量的差异很大。随着土层深度的增加，土壤体积含水量依次为14.3%，14.5%，14%，13.7%，12.8%，12.4%，12.5%，2.6%，12.5%，总体趋势表现为随着土壤深度的增加苜蓿土壤体积含水量逐渐降低，但存在着小范围的波动，变化特征总体上与年际差异规律相同。随着土层增加，苜蓿土壤体积含水量的变化幅度特征依次表现为11.2%，13.7%，12.5%，10.1%，3.5%，0.9%，1.4%，1.5%，1.6%，变幅规律大致为0—80 cm处于一个较大的变化范围，80—120 cm急剧下降，然后120—180 cm处于一个很小的变化幅度，生长季土壤水分变幅的变化规律与年际不同，但从数值上来说生长季的变幅(6.3%)大于年际的变幅(3.4%)，这可能与生长季的降雨量波动程度大于年际的降雨量波动程度有关。

利用变异系数Cv来表示生长季苜蓿土壤体积含水量的垂直变化情况，随土层增加土壤体积含水量的变异系数依次为0.294，0.331，0.304，0.246，0.087，0.033，0.041，0.041，0.040，变异系数的变化规律与变化幅度的差异规律相同，总体上来说生长季的变异系数大于年际的变异系数，这可能主要还是由于降雨量的差异程度不同和苜蓿的生长节律造成的。

2.3土壤含水量的坡向和坡位变化

坡向和坡位是通过改变其他影响因子进而影响到土壤水分含量的，对土壤水分含量的变化起到间接的影响作用。苜蓿土壤体积含水量的坡向和坡位变化如图5所示，苜蓿土壤体积含水量的坡向变化总体表现为西坡(14.4%)>北坡(14%)>南坡(13.5%)>东坡(13%)，峁顶的土壤体积含水量与北坡的相同，不同年份规律大致相同，但有小范围的波动；坡位变化总体表现为坡上(12.8%)<坡中(13.9%)<坡下(14.3%)，不同年份间的变化基本一致。坡向和坡位的光照、温度等小地形气候的不同造成苜蓿土壤水分含量的差异。

图4　土壤体积含水量随土层深度的生长季变化规律

图5　土壤体积含水量的坡向和坡位变化规律

3　结论与讨论

水分是影响干旱半干旱地区植被生长和发育的重要生态因子之一，在半干旱的黄土丘陵区研究苜蓿土壤水分时空变化规律对指导农业生产和脆弱生态系统的恢复具有重要意义。

(1) 不同类型苜蓿土壤体积含水量的年变化规律大致相同，基本表现为从2007年逐渐增加到2009年，而后呈现缓慢降低的趋势，但存在着微弱的变化，可能是由于年际降雨量的不同造成的。苜蓿土壤水分的年际变化主要受到年际降雨量、植被的蒸腾耗水、温度、太阳辐射等条件的影响。朱宝文等[16]研究高寒针茅草原植物表明，土壤水分年际变化与年降雨量相关关系显著，与本研究结果相同。

土壤水分的生长季变化主要受到大气降雨季节差异、植被生长节律等条件的影响，苜蓿土壤水分的生长季变化大致可以分为三个时期：土壤水分消耗期(3—5月)、土壤水分相对稳定期(6—7月)和土壤水分积累期(8—10月)，主要是由于降雨的生长季节差异、苜蓿的生物学特性和当地的气候条件引起的。3—5月份土壤水分消耗主要是由于降雨稀少，温度逐渐升高，苜蓿生长逐渐旺盛，蒸散耗水量逐渐增大；6—7月份水分相对稳定是由于降水增多和苜蓿进入第一茬收获期等造成的；8月份土壤水分含量增加是因为苜蓿处于幼苗期需水量相对较少和降水量增加；9月份水分增加主要是由降雨量引起的；10月份持续增加主要是因温度较低和太阳辐射减弱等气候条件引起的。包志刚等[17]研究大青山不同植被的土壤水分季节变化，土壤水分可分为3个时期，土壤失水期(4—6月)、土壤聚水期(7—9月)和土壤水分持续稳定期(10月到翌年3月)，季节变化规律和本研究生长季节的变化特征存在着一定的差异。孔亮等[18]研究黑龙江东部灌木林土壤水分表明，在整个生长季内，大气降水是土壤含水量变化的重要控制因子，与本研究结果一致。

(2) 以苜蓿不同土壤深度的平均值来分析土壤体积含水量垂直分布的年际变化规律，变化幅度基本呈现出随土层深度的增加逐渐减小的规律；5 a的土壤体积含水量总平均大致规律为随土层增加呈现出逐渐减小的变化趋势；变异系数的变化规律和变化幅度相同，王晶等[19]研究黄土丘陵区不同林地不同土层深度变异系数的变化特征，结果与本研究相同。以变异系数为标准，可将苜蓿土壤水分的垂直分布划分为三个层次：0—20 cm土壤水分速变层、20—80 cm土壤水分活跃层和80—180 cm土壤水分相对稳定层。0—20 cm土壤表层的水分含量受降雨的直接影响，降雨经过土壤表层才能逐渐深入到深层土壤，表层土壤对降雨的响应最为敏感，土壤水分含量增加最快，但由于该层与大气直接接触，土壤自身的蒸发也是不容忽视的一部分，还有苜蓿的生长需要消耗该层的水分，故雨后土壤水分含量降低也最快，该层为土壤水分速变层。20—80 cm的土壤水分含量也存在明显的波动，但幅度小于0—20 cm土壤，这与水分在土壤中的运移有关，降雨只能经过表层土壤才能运移到该层，一次降雨过小就只能影响0—20 cm表层的土壤水分含量，对该层无影响，且该层受土壤物理蒸发影响较小，所以变化幅度小于表层，故称为活跃层。80—180 cm受降雨、土壤蒸发等的影响很小，该层的土壤水分含量是稳定的，但在强烈蒸散和枯水期有一定的调节作用，只有在降雨量较大的情况下，水分才能运移到该层，对于水量适中的降雨，大多数都保留在上层土壤，并用于苜蓿的生长所需，只有少量或没有水分运移到该层，故该层为土壤水分相对稳定层。

以2008年3—10月份不同土层的土壤体积含水量来分析生长季的变化规律，土壤体积含水量随土壤深度的变化规律总体上与年际的相同；变幅的变化规律与年际变化不同，但从数值上来说生长季的变幅(6.3%)大于年际的变幅(3.4%)；变异系数的变化规律与变化幅度的规律相同，总体上说生长季的变异系数大于年际的变异系数。刘强等[20]研究红松人工人土壤水分的垂直变化得出，随着土层加深，土壤含水率呈递减的趋势，主要是由于各层土壤质地、吸水力、水分垂直运动速度不同造成的，与本研究结果相同。王孟本等[21]按土壤含水量的变幅将土壤剖面分为活跃层、次活跃层和相对稳定层，与本研究结论基本相同。土壤水分含量的垂直变化主要是当地的时空条件决定的，旱季一般随土层加深呈增长型，雨季一般呈降低型，植物的生长状况也会影响到土壤水分含量的垂直变化，另外特殊的小地形等条件也会影响土壤水分的垂直分布。

(3) 坡向和坡位是影响土壤水分的重要地形因子[22]。苜蓿土壤体积含水量的坡向变化规律为西坡>北坡>南坡>东坡，不同年份变化规律大致相同，但有小范围的波动；坡位变化规律为坡上<坡中<坡下，不同年份间的变化基本一致。一般情况下，西坡和北坡相对于东坡和南坡有较好的土壤结构、持水通透性能[23]，土壤水分含量的坡向变化主要是由于土壤结构和特性不同造成的。本研究中西坡土壤水分含量大于北坡可能是由坡向不同引起的局地降雨量不同造成的，在半干旱地区，北坡比西坡的苜蓿生长相对较好，生长消耗的水分也相对较多，也可能是造成土壤水分西坡稍高于北坡的原因。另外，坡向影响光照、温度等外界环境条件，导致不同坡向土壤水分含量存在差异。同一坡面上不同坡位土壤水分再分配导致不同坡位土壤水分含量差异，小地形的气候条件也会影响到不同坡位的土壤水分含量，土壤含水量的坡位变化还会受降雨的影响，降雨后不同坡位的土壤水分含量由于水分的大量输入可能趋于一致，尤其是大暴雨。

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The Characteristics of Spatiotemporal Variability of Soil Water of Alfalfa Fields in Hilly and Gully Loess Regions of Ningxia

CAI Jinjun, ZHANG Yuanrun, PAN Zhanbing, DONG Liguo, XU Hao,WANG Yueling, JI Bo, MA Pan, HAN Xinsheng, LI Shengbao

(InstituteofDesertificationControl,NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan750002,China)

Soil moisture is one of the restrictive ecological factors affecting the growth of vegetation and ecological restoration in the semi-arid region, the research for variation of soil moisture has the important role and practical significance for guidance to fragile ecosystems restoration and production practices. The temporal and spatial scales of variation of soil moisture condition in alfalfa fields were analyzed in semi-arid loess hilly region. The results showed that: (1) the inter annual variation of soil volumetric water contents in different types of alfalfa fileds was substantially same, variations in the growing season could be roughly divided into three periods: the soil water consumption period (from March to May), relative soil moisture stabilization period (from June to July) and soil moisture accumulation period (from August to October ); (2) if the coefficients of variation of the soil volumetric water contents in different soil depths were set as the standard, vertical distribution could be divided into three layers in soil profile: soil moisture rapid change layer(0—20 cm), soil moisture active layer(20—80 cm), and soil moisture relative stabilizing layer(80—180 cm); (3) soil volumetric water contents decreased in the order: the west slope>north slope>south slope>east slope, the patterns of soil water contents were almost the same in different years in terms of the slope aspects, but there were small-scale fluctuations, the variation levels increased in the order: upper slope

Medicagosativa; soil water content; spatial and temporal variability

2015-08-12

2015-09-02

“十二五”国家科技支撑计划课题(2015BAC01B01);宁夏科技支撑计划重点项目(2012ZZS50);宁夏国际合作项目(2012ZYH169)

蔡进军(1976—),男,宁夏平罗人,硕士,副研究员,主要研究方向:黄土丘陵区流域生态修复。E-mail:nxyccai@163.com

S152.7

A

1005-3409(2016)01-0075-05