黄土高原丘陵区不同植被恢复方式下土壤水分特征——以桥子沟流域为例

马建业,李占斌,马波，王贺,张乐涛,李朝栋

(1．西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌)

黄土高原丘陵区不同植被恢复方式下土壤水分特征
——以桥子沟流域为例

马建业1,李占斌2†,马波1，王贺1,张乐涛2,李朝栋1

(1．西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌)

对比流域； 质量含水量； 氢氧同位素； 植被； 坡向

1 研究区概况

研究区位于甘肃省天水市桥子沟小流域(E 105°42′22″～105°43′01″，N 34°36′19″～34°36′57″)，属黄土高原丘陵沟壑区第3副区，流域面积2.45 km2。该区属于干旱少雨的大陆性气候，年均降水量526.1 mm，降水变幅大，年内分配不均，5—10月降水占全年的83.5%；年均干旱指数1.3，年均气温11 ℃；土壤以黄土质黑褐土和红色黄土质黑褐土型粗骨土为主。桥子沟流域按地形可分为桥子东、西2条独立的子流域，2子流域状况基本相似，东沟面积1.36 km2，呈半扇形，干沟长2 km，沟道比降8%，为人工恢复流域，主要植物种有刺槐(Robiniapseudoacacia)、樱桃(Cerasuspseudocerasus)、山杏(Armeniacasibirica)等。西沟1.09 km2，呈羽毛状，干沟长2.18 km，沟道比降8%，为自然恢复流域，主要植物种有冰草(Agropyroncristatum)、车前草(Plantagodepressa)、白蒿(Leontopodiumdedekensii)等。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

土壤样品采集于2015年雨季(5—8月)进行，期间实验区域内降水量丰沛，植被生长茂盛。分别在桥子东、西沟2对比小流域上游、中游、下游进行采样。每个样地内由坡脚沿坡面向上每隔5 m选取1个采样点，共选取3个采样点作为重复。由于实验条件的限制，在西沟共选取4个坡面样地，12个采样点，在东沟流域共选取5个坡面样地，18个采样点。用GPS定位每个点的坐标。以直径为5 cm的土钻，钻取深度为0～2、2～4、5～15、15～25、25～35、35～45、45～65、65～85、85～100 cm，共9层土样，采集后将一部分土样装入铝盒用封口膜密封以测定土壤质量含水量，将另一部分土样盛装于20 mL棕色玻璃试剂瓶中，密封并冷藏以测定土壤水氢氧同位素浓度。每层取2个土样作为重复。分别于2015年5月22日、6月29日、7月24日和8月22日进行4次采样。每个样地的植被类型、地形属性、地貌特征等信息见表1。

流域Watershed编号No.区位Location坡度Slope/(°)坡向Aspect群落Community样地位置Plotlocation1上游(UR)38东北(NE)冰草(AC)、车前(P)、白蒿(L)坡地(SF)桥子西沟QiaoziWestWatershed2中游(MR)30东南(SE)冰草(AC)、车前(P)、白蒿(L)坡地(SF)3下游(LR)35西北(NW)冰草(AC)、车前(P)、白蒿(L)坡地(SF)4下游(LR)28东南(SE)冰草(AC)、车前(P)、白蒿(L)坡地(SF)5上游(UR)34北(NN)刺槐(R)坝上坡地(USD)6上游(UR)25南(SS)刺槐(R)坝上坡地(USD)桥子东沟QiaoziEastWatershed7中游(MR)25西(WW)刺槐(R)坡地(SF)8中游(MR)10东北(NE)刺槐(R)坡地(SF)9下游(LR)3西北(NW)刺槐(R)坡地(SF)

Note:UR,MR,and LR are upper reaches,middle reaches,and lower reaches.NW,SE,NN,WW and NE are northwest,southeast,north,north,west and northeast.AC,P,L and R areAgropyroncristatum,Plantagodepressa,LeontopodiumdedekensiiandRobiniapseudoacacia.SF and USD are sloping field and upstream slop of dam.

土样在室内用烘干法在105 ℃下烘干10 h以上。土壤含水量由以下计算公式得到：

W=(W1-W2)/W2×100。

式中：W为所测样品的土壤含水量，%；W1为烘干前土壤样品质量，g；W2为烘干后土壤样品质量，g。

2.2 降水样品采集

在每个试验样地坡面上方，均使用木桩固定1个J16022型雨量筒，用以收集降水样品。布设前，向雨量筒内雨水收集器中加入适量液体石蜡油防止水分蒸发。采集降水样时，使用15 mL一次性注射器抽取石蜡油层以下的水层部分，将采集到的降水样品盛装于15 mL棕色玻璃试剂瓶中，拧紧瓶盖并用封口膜密封，以防止水分蒸发损失。采集完成后，将样品及时放入冰箱中冷藏以保证良好的测试结果。

2.3 氢氧同位素测定

将土壤样品带回西安理工大学水资源研究所实验室，使用LI- 2000液态水真空抽提系统(LICA,China)进行土壤水抽提。全部样品均使用DLI- 100型液态同位素激光分析仪LGR LWIA (Los Ga— tos Research Inc,USA)进行D和18O的测定，结果以同位素比率δ表示：

δX=(RSample/RStandard-1)×1 000‰。

2.4 数据处理

采用Excel 2010对每个流域各个采样点4次采样数据进行均值处理，并挑选出2个流域各坡向的数据进行均值计算，用SPSS 20.0软件进行数据统计分析和显著性检验(P<0.05)。Excel 2010软件进行作图。

3 结果与分析

3.1 土壤含水量对降水量的响应

(a) 土壤含水量随降雨量的变化(a) Variation of soil moisture content with precipitation (b) 土壤水中关系(:concentration of 18O,δD:concentration of D)图1 0～100 cm土壤水分与月均降水量响应关系Fig.1 Response of soil moisture to monthly mean precipitation in 0-100 cm

图1(a)表示0～100 cm土层平均质量含水量与采样间隔期内平均降水量的关系，以5月22日土壤含水量为前期含水量，2对比流域土壤含水量随降水量均呈现先增加后减少的趋势。5月22日—8月22日采样期间平均降水量分别为38.8、27.8和22.3 mm，5月土壤水分经过降水补充，使得6月西沟土壤含水量增加5.46%，东沟增加4.14%。7月由于降水量的减少，比6月土壤含水量分别减少7.41%和3.78%；8月的含水量比7月分别减少3.78%和2.20%，表明西沟流域0～100 cm土层含水量对降水量的响应强于东沟。

3.2 不同土层土壤水分特征

2对比流域不同土层平均土壤含水量的变异系数见表2，各层含水量变异系数均表现为随土层深度增加而减小，下层土壤含水量较为稳定，受降水量、蒸发、地形等外界因素的影响较小。西沟各层土壤含水量变异系数为0.09～0.53，东沟为0.11～0.56，除15～35 cm土层变异系数低于西沟，其他土层变异系数均较高。表明东沟各土层土壤含水量的稳定性较差，受外界条件的影响较大。

表2 桥子沟流域不同深度土壤含水量变异系数Tab.2 Variation coefficient of soil water content in different depth of Qiaozi Watershed

图2为土壤含水量随土层深度的分布。如图2(a)所示，西沟0～100 cm土层平均含水量为15.96%，较东沟 (12.83%) 高3.13%。2流域土壤含水量随土层深度均表现为先减小后增大，0～10 cm为土壤含水量减小层，10～30 cm为过渡层，含水量变化不大，30～95 cm为增加层。东沟流域75～95 cm土层含水量出现异常增大，增幅约占30～95 cm土层含水总增幅的59%。

(a) V土壤含水量随土层的变化 随土层的变化(a) Variation of soil moisture content with the soil depth 图2 土壤水分随土层深度的变化Fig.2 Variation of soil moisture with the soil depth

3.3 坡向对土壤水分的影响

图3 不同坡向土壤水分分布Fig.3 Distribution of soil moisture in different slope aspects

4 讨论

土壤水分随土层深度的变化与地形、土地利用方式、植被类型、根系密度及深度等因素有关[14]。本实验中以自然恢复荒草地为主的西沟流域0～100 cm土层含水量高于以人工恢复刺槐林地为主的东沟流域，各土层变异系数较低，可能是因东沟主要恢复植物种刺槐为多年生木本植物，生长发育周期较长，根系密度大，20～140 cm土层为主要吸水层[15]，主要吸水深度随着降水量的变化而不断移动[16]，对土壤水分的影响较大；同时由于林冠截留影响，从草地到林地土壤可补给水量减少25%～45%，植被的蒸腾作用也会加强土壤水分像空气中散失[17]，使刺槐林地土壤水分长期处于欠饱和状态，各层土壤含水量变异系数较高。以荒草地自然恢复为主的流域由于植被水分利用深度较小，地表存在较多的地面枯草层，蒸散量较小、土壤水库储存量较高[18]，变异系数较低。

地形因子通过影响坡面的光照、气温、降水等性质，使土壤水分存在较大差异。西沟阴坡由于接受太阳辐射少，蒸发强度较小，植被生长茂盛，枯草层较厚，能有效拦截径流，使更多的降水以入渗的形式储存于土壤水库，导致阴坡含水量较高，植被茂密的根系使得土壤疏松多孔，对蒸发敏感性较强，其蒸发深度较大。东沟流域由于林地的蒸腾蒸发作用较强，各坡向土壤含水量相近且都低于西沟，刺槐属于深根系植物，对下层土壤改良效果较好，蒸发影响深度较深。研究表明极端强降雨过后，植被成为影响土壤水分的决定因子[19]。说明坡向等地形因子对土壤水分的作用受植被因子的制约，植被是造成土壤水库变动的主要因素，在黄土高原丘陵沟壑区，以自然恢复荒草地为主的恢复模式能够较大的提升土壤水库蓄水量，增强植被的抗旱性。

5 结论

不同植被恢复方式下土壤水分及其在土层中的分布存在明显差异。以刺槐林地为主的流域0～100 cm土层土壤水受到的蒸发分馏作用较强，最大蒸发深度约为55 cm，土壤含水量对降水量的响应较低，受坡向影响较小，各土层变异系数较高。以荒草地为主的流域最大蒸发深度为30 cm，土壤含水量受降水量的影响较大，各坡向之间土壤含水量差异较大，各土层变异系数较低；但是2流域各层含水量变异系数均随深度增加而减小。

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Soil water characteristics under different vegetation recovery modes in hilly and gully region of the Loess Plateau:A case study of the Qiaozigou Watershed

MA Jianye1,LI Zhanbin2,MA Bo1,WANG He1,ZHANG Letao2,LI Chaodong1

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China; 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,CAS & MWR,712100,Yangling,Shaanxi,China)

paired watershed; soil mass water content; hydrogen and oxygen isotope; vegetation; slope aspect

2017-01-09

2017-05-17

项目名称：国家自然科学基金重点项目“黄土高原生态建设的生态—水文响应研究机理”(41330858)；西北农林科技大学博士科研启动基金(2452015345)

马建业( 1995— )，男，硕士研究生。主要研究方向：流域生态水文。E-mail:Majianye126@126.com

†通信作者简介：李占斌(1962—)，男，博士，研究员。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail:zhanbinli@126.com

P344

A

2096-2673(2017)04-0008-08

10.16843/j.sswc.2017.04.002