陕北黄土区不同降水量地点微地形土壤干燥化效应研究

2021-01-18濮阳雪华苟清平赵志杰

四川农业大学学报 2020年6期

濮阳雪华，苟清平，赵志杰，黄娟，杨宇

（1.北京大学环境科学与工程学院，北京 100871；2.深圳市铁汉生态环境股份有限公司，深圳 518040；3.北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

陕北黄土区地处黄土高原水蚀风蚀交错区，脆弱的生态环境，加之长期人为扰动，导致水土流失严重，植被的恢复与重建是缓解这一现状的重要途径之一[1-2]。土壤水分是影响植物生长和发育的最重要环境因素之一，更是半干旱黄土区植被生长所需水分的直接来源，土壤水分不足严重制约着该区域植被重建与生态恢复[3-4]。黄土坡面在土壤侵蚀的长期作用下分割破碎，形成原状坡、缓台、浅沟、切沟、塌陷及陡坎等立地条件各异的微地形[5]。由于不同微地形在横断面、坡度、植被、光照等方面的差异，影响着降水在坡面上的再分配，改变了坡面原有地表径流、水分入渗和水分蒸发的过程，从而导致坡面土壤水分呈现一定的差异[6-7]。目前针对黄土高原微地形土壤水分的研究主要集中在浅层土壤。Ma H.等[8]研究表明，黄土丘陵沟壑区5种微地形0～120 cm土壤含水量、土壤贮存水分的有效时长及其对降水的响应均存在差异。申明爽等[7]对陕北黄土区不同微地形0～160 cm土壤含水量研究发现，切沟土壤含水量最高，陡坎含水量最低，塌陷土壤水分变化速率最快。杜胜莉等[9]对陕北黄土极陡坡0～180 cm土壤水分对微地形的响应研究指出，切沟具备优质的土壤水分环境，而陡坎含水量最低，不适宜植被的生长发育。赵荟等[5-6]对黄土高原不同微地形0～60 cm土壤水分特征研究表明，微地形显著影响土壤含水量，其中塌陷土壤含水量最高，陡坎含水量最低。

黄土高原降水量少，潜在蒸发量大，降水集中，且雨强大、历时短，不利于降水入渗，土壤水分有效补给不足，使得土壤干燥化现象普遍存在[10-11]。土壤干燥化的出现导致土壤形成干层，难以为植被提供充足的水分，不利于植被稳定生长，进而导致植被群落退化，威胁区域生态安全。近年来，随着气候变暖、降水量减少、人为扰动剧烈等因素的长期共同影响，黄土高原土壤干燥化日趋严重，土壤干层空间分布范围持续增大[12]。国内众多学者分别从降水梯度[13-14]、植被类型[15-16]、土壤质地[17-18]、地形要素[19-20]、土地利用方式[21]等方面对黄土高原土壤干燥化效应展开了大量研究，取得了重要进展，而对不同降水量地点微地形对深层土壤干燥化影响的研究报道甚少。本研究根据陕西省吴起县降水量存在较大差异的2个地点的6种微地形0～10 m土层土壤的水分状况，对比分析不同微地形土壤干燥化程度及区域分布特征，以期为陕北黄土区土壤水分的可持续利用及植被恢复的可持续发展提供科学理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

吴起县位于陕西省延安市西北部（36°33'33"～37°24'27"N，107°38'57"～108°32'49"E），地貌类型为黄土高原丘陵沟壑区，海拔1 233～1 809 m，属半干旱温带大陆性季风气候，年均气温7.8℃，年均无霜期146 d，年均降水量478.3 mm，年均蒸发量891.2 mm，干燥度1.86。土壤类型为黄土母质发育而来的黄绵土，占全区总面积的97.6%，质地为轻壤。研究区分别位于吴起县西北部降水量相对较低的王洼子流域和南部降水量相对较高的白豹流域[22]。根据研究区地形地貌特征，结合野外调查，综合考虑坡度、坡向和海拔等因素，在王洼子和白豹分别选择6种半阳坡向的微地形（原状坡、缓台、浅沟、切沟、塌陷、陡坎）作为研究对象（见表1），每种微地形选取3个2 m×2 m的典型样地。王洼子和白豹研究样地年均气温分别为6.8℃和7.9℃，年均降雨量分别为370 mm和465 mm。研究样地选择无人工干预的多年荒草地，植被群落以针茅（Stipa capillata）、长芒草（Stipa bungeana）、冷蒿（Artemisia frigida）、铁杆蒿（Artemisia gmelinii）、赖草（Leymus secalinus）等草本植物为主，零星分布沙棘（Hippophae rhamnoides）、柠条（Carag-ana korshinskii）、达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）等小灌木。

表1 研究样地基本概况Table 1 Information of the study area

1.2 土壤样品采集与分析

土壤样品于2018年7月进行采集，每次采集时确保前3 d无有效降水。在每个典型样地中心位置采用人工土钻法采集0～10 m土层的土壤，其中0～1 m土层每间隔10 cm采样，1～10 m土层每间隔20 cm采样。采用烘干法测定土壤含水量，在105℃烘干至恒重，分别称量湿土质量、干土质量和铝盒质量，最后计算各层土壤质量含水量。黄土高原黄绵土土壤剖面质地较为均一，但由于缺乏深层土壤容重的测定资料，参考前人在该地区深层土壤水分计算中容重的取值[15，21，23]，本研究 0～10 m 土层土壤容重取值均为1.3 g/cm3。

1.3 土壤含水量分析方法

1.3.1 土壤含水量

土壤含水量（SMC，soil moisture content）计算公式如下:

式中:SMC为土壤含水量（单位:%）；m1为湿土和铝盒质量（单位:g）；m2为干土和铝盒质量（单位:g）；m 为空铝盒质量（单位:g）。

1.3.2 土壤贮水量

土壤贮水量（SMS，soil moisture storage）表示一定厚度土层所贮存的水量，其计算公式如下:

SMS=SMC×BD×H×0.1

式中:SMS为土壤贮水量（单位:mm）；BD（bulk density）为土壤容重（单位:g/cm3），取值 1.3 g/cm3；H表示土层厚度（单位:cm）。

1.3.3 土壤有效贮水量

土壤有效贮水量（ASMS，available soil moisture storage）表示实际土壤贮水量与凋萎湿度时土壤贮水量的差值，其计算公式如下:

ASMS=SMS-SMSWM

式中:ASMS为土壤有效贮水量（单位:mm）；SMSWM为凋萎湿度时土壤贮水量（单位:mm）。

1.3.4 土壤水分过耗量

土壤水分过耗量（SMO，soil moisture overconsumption）表示稳定湿度时土壤贮水量与实际土壤贮水量的差值，其计算公式如下:

SMO=SMSSSM-SMS

式中:SMO为土壤水分过耗量（单位:mm）；SMSSSM为稳定湿度时土壤贮水量（单位:mm）。

1.4 土壤干燥化评价方法

土壤干燥化效应评价通常以土壤凋萎湿度值作为干燥化程度的下限，以土壤稳定湿度值作为干燥化程度的上限。黄土高原半干旱区吴起的土壤田间持水量为20.9%，凋萎湿度为4.7%[15，23]。土壤稳定湿度是指在黄土高原干旱气候、土壤质地、自然植被等因素作用下土壤能够长期保持的土壤湿度，约为田间持水量的50%～70%，轻壤土一般介于10%～14%[24]。因此，本研究土壤稳定湿度取田间持水量的60%，即取值12.5%。本研究采用土壤干燥化指数（SDI，soil desiccation index）分析不同降水量地点各微地形的土壤干燥化程度，其计算公式如下:

式中:SDI为土壤干燥化指数（单位:%）；SSM为土壤稳定湿度（单位:%），取值12.5%；WM为土壤凋萎湿度（单位:%），取值4.7%。

根据土壤干燥化指数SDI值的大小，将土壤干燥化程度划分为6个等级:（1）若SDI≥100%，为极度干燥化；（2）若 75%≤SDI＜100%，为强烈干燥化；（3）若 50%≤SDI＜75%，为严重干燥化；（4）若 25%≤SDI＜50%，为中度干燥化；（5）若 0≤SDI＜25%，为轻度干燥化；（6）若 SDI＜0，为无干燥化。

1.5 数据分析

釆用Excel 2013和SPSS 18.0进行数据统计分析，采用T检验、单因素方差分析、双因素方差分析、LSD多重比较分析不同处理之间的差异，使用SigmaPlot 12.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同降水量地点微地形土壤含水量分析

双因素（不同降水量地点和不同微地形）方差分析结果表明，不同降水量地点、不同微地形以及两因素的交互作用均对土壤含水量具有极显著的影响。通过对不同降水量地点各微地形浅层（0～2 m）和深层（2～10 m）土壤含水量的对比分析可知，白豹各微地形浅层和深层土壤的含水量均显著高于王洼子（见表2）。在降水量较低的王洼子，不同微地形浅层土壤含水量介于8.12%～10.18%，平均值为8.93%，深层土壤含水量则介于4.90%～8.39%，平均值为6.47%。在降水量较高的白豹，不同微地形浅层和深层土壤含水量分别介于13.35%～18.29%和9.11%～13.24%，平均值则分别为15.56%和10.65%。

从不同微地形来看，王洼子切沟浅层土壤含水量显著高于陡坎和浅沟，不同微地形深层土壤含水量则存在极显著差异，其中切沟深层土壤含水量最高，为 8.39%，浅沟（5.05%）和陡坎（4.90%）较低且彼此间无显著差异。白豹不同微地形浅层和深层土壤含水量均存在极显著差异，其中浅层土壤含水量从高到低依次为切沟＞缓台＞浅沟＞原状坡＞塌陷＞陡坎，深层土壤含水量最高的为切沟（13.24%），缓台和塌陷次之，分别为11.50%和10.81%，原状坡（9.11%）、浅沟（9.55%）和陡坎（9.67%）土壤含水量较低，且彼此间无显著差异。

2.2 不同降水量地点微地形土壤贮水量分析

由表3可知，王洼子和白豹不同微地形0～10 m土层土壤含水量的均值分别为7.14%和11.99%，其中两地切沟土壤含水量均为最高，分别为8.88%和14.62%，两地土壤含水量最低的微地形则分别为陡坎（5.82%）和原状坡（10.42%）。除白豹切沟和缓台外，各微地形土壤含水量均低于土壤稳定湿度12.50%，因而均存在不同程度的土壤干燥化现象。王洼子不同微地形0～10 m土层土壤贮水量、土壤有效贮水量和土壤水分过耗量分别介于756.50～1 154.69 mm、145.50～543.69 mm 和 470.31～868.50 mm，平均值分别为928.04 mm、317.04 mm和696.96 mm，其中陡坎土壤水分过耗量是切沟的1.85倍。白豹不同微地形0～10 m土层土壤贮水量、土壤有效贮水量和土壤水分过耗量则分别介于1 354.74～1 900.28 mm、743.74～1 289.28 mm 和-275.28～270.26 mm，平均值分别为1 558.35、947.35和66.65 mm，其中切沟和缓台土壤水分未出现过耗现象。总体上看，白豹土壤有效贮水量是王洼子的2.99倍，而王洼子土壤水分过耗量则是白豹的10.46倍。

表2 不同降水量地点微地形土壤含水量比较Table 2 Comparison of soil moisture content of micro-topography in different precipitation locations %

表3 不同降水量地点微地形0～10 m土层土壤贮水量比较Table 3 Comparison of soil moisture storage in 0～10 m soil layer of micro-topography in different precipitation locations

2.3 不同降水量地点微地形土壤含水量剖面分布特征

不同降水量地点各微地形0～10 m土壤剖面的土壤含水量随着土层深度的增加总体上呈现先降低后升高的趋势，但王洼子各微地形底层土壤含水量较中层升高幅度小于白豹，且王洼子各土层土壤含水量明显低于白豹（见图1）。在降水量较低的王洼子，除原状坡、浅沟、切沟和塌陷表层（0～30 cm）土壤外，各微地形土壤含水量均低于土壤稳定湿度，其土壤干燥层已达到或超过10 m，且浅沟在160～740 cm土层以及陡坎在220～860 cm土层土壤含水量接近甚至低于土壤凋萎湿度。在降水量较高的白豹，各微地形土壤含水量均高于土壤凋萎湿度，不同微地形土壤干燥化出现的土层深度存在一定差异，其中塌陷在80 cm土层就开始出现干燥化，原状坡、缓台、浅沟和陡坎则分别在110 cm、150 cm、130 cm和125 cm出现干燥化，切沟出现干燥化的土层最深，为210 cm。

2.4 不同降水量地点微地形土壤干燥化程度评价

不同降水量地点各微地形土壤干燥化程度评价结果表明，王洼子和白豹不同微地形0～10 m土层土壤干燥化指数的均值分别为68.72%和6.54%，分别为严重干燥化和轻度干燥化（见表4）。在降水量较低的王洼子，各微地形土壤平均干燥层厚度已达到1 000 cm，土壤达到强烈干燥化的有陡坎（干燥化指数为85.65%）和浅沟（84.73%），甚至分别出现了280 cm和340 cm厚的极度干燥层，土壤严重干燥化的有原状坡（70.41%）、缓台（67.67%）和塌陷（57.55%），土壤中度干燥化的则为切沟（46.38%）。在降水量较高的白豹，各微地形土壤平均干燥层厚度为780 cm，其中原状坡土壤干燥层厚度最大，为900 cm，达到中度干燥化；浅沟、陡坎和塌陷次之，其土壤干燥层厚度分别为880、820和800 cm，均为轻度干燥化；缓台和切沟土壤干燥层以中度和轻度干燥层为主，总体无干燥化。

3 讨论

图1 不同降水量地点微地形土壤含水量剖面分布特征Figure 1 Distribution characteristics of soil moisture content of micro-topography in different precipitation locations

表4 不同降水量地点微地形土壤干燥化程度及土壤干层厚度Table 4 Soil desiccation degree and desiccation thickness of micro-topography in different precipitation locations

土壤水分与降水、地形、土壤质地、植被群落等因素密切相关，而在地形破碎、沟壑纵横的黄土丘陵区，降水是土壤水分最主要的来源，地形则是影响土壤水分空间变异的重要因素[11，25]。因此，在坡面未被人为扰动的情况下，降水可能是王洼子和白豹土壤含水量及土壤贮水量存在显著差异的主要原因，这也与黄土高原从西北向东南深层土壤湿度逐渐增加的总体变化趋势相一致[17]。半干旱黄土丘陵区浅层土壤水分更易受植被蒸腾、土壤蒸发及降水入渗的影响，因而各微地形土壤水分剖面垂直分布特征总体呈现先降低后升高的趋势，这与苟清平等[15]对不同林地、胡伟和陈豫[26]对旱作农田、杨磊等[27]对不同类型植被深层土壤水分剖面分布特征的研究结果基本一致。不同微地形在坡度、植被等方面的差异改变了坡面的承雨面积及径流入渗，也影响着坡面的光照角度和水分蒸发，从而改变浅层土壤水分含量[6，28]。本研究中不同微地形浅层土壤水分存在显著差异，切沟浅层土壤含水量最高，陡坎较低。申明爽等[7]和杜胜莉等[9]对不同微地形浅层土壤水分的研究也同样证实了这一观点。这可能是由于切沟横断面呈V形，长、宽、深下切规模较大，利于水分汇集入渗，并且切沟底光照相对较弱，植被盖度相对较高，土壤水分蒸发较小，而陡坎坡度相对较大，径流流速和流量较快，不利于降水的停留，并且陡坎相对较低的植被盖度也不利于浅层土壤水分的保持。

近年来，随着黄土高原气温上升、降水减少、干旱加剧[29]，植被蒸腾耗水及土壤物理蒸发日趋增加，各微地形深层土壤含水量均长期低于土壤稳定湿度，尤其是在降水量较低的王洼子地区，土壤呈现严重干燥化。李军等[21]研究发现，半湿润区、半干旱区和半干旱偏旱区林地、草地和农田0～10 m土层均存在不同程度的土壤干燥化，且土壤干燥化程度随着降水量减少而趋于加剧。郭正等[14]对黄土高原不同降水量区旱作苹果园地土壤干燥化效应分析表明，土壤干层形成及加深速度、土壤干燥化效应均存在显著的区域差异。由于黄土高原深层土壤水分的影响因素较多且错综复杂[17]，不同微地形植物群落物种组成、数量特征及多样性存在明显差异，切沟和塌陷呈现较好的植被群落和生长趋势[30-31]。因此，在同一地点的降水条件和土壤质地基本一致的条件下，不同微地形深层土壤含水量及土壤干燥化程度的差异可能主要是由植被群落和微地形等因素叠加作用的结果，其主导因子及内在关系还有待于进一步深入研究。

半干旱黄土区降水入渗层很难超过蒸发蒸腾作用层，从而导致深层土壤持续干化，土壤水分恢复较为困难，但合理的整地措施、优化的植物配置以及恰当的管理模式也能显著改善土壤水分[11，27]。针对陕北黄土区土壤干燥化程度的区域及微地形差异，植被恢复重建应避免传统造林沿等高线统一配置植被的模式，在遵循土壤水分承载力及植被耗水演替规律的基础上，充分利用切沟、缓台、塌陷等土壤水分环境较好的微地形，选择节水耐旱的乡土植物，因地制宜的配置植被群落，科学合理的调控植被密度，辅以有效的水土保持工程措施，构建以自然恢复为主，人工造林为辅的近自然人工植被群落，确保土壤水分长期稳定有效。