黄土丘陵区深层土壤水分空间分布特征研究

赵佰礼，李元臻，张晓华，李文海，李 琳，范之军，杨 雄

(1.武威市生态建设(集团)有限公司，甘肃 武威 733000；2.武威市人力资源与保障局 人才交流开发服务中心，甘肃 武威 733000)

1 引言

土壤水分是黄土高原生态恢复和植被生长的限制因素[1]。伴随着黄土高原生态环境的改变，土壤水分愈来愈成为生态恢复和植被建设的关键因子[2,3]，对区域生态健康和稳定有重要作用[4]。黄土高原地区土地植被承载力取决于土壤水分的植被承载力[5]。土壤水分在不同的土层变异程度不同，且不同坡位、不同坡向和不同深度的土壤水分存在显著差异[6]，不同土地利用方式土壤含水量在土壤剖面上下层的表现不一样[7]，受季节变化和地上植物生长情况的影响较大[8]。地形和土壤质地是影响深层土壤水分的主要因素[9,10]，土地利用和地形在小流域尺度上对土壤水分具有显著的交互作用[11]。黄土高原土壤水分具有显著的区域分异和微域分异特征，这种分异特征决定着该区植被类型及生长状况的空间布局[12]。土壤水分在垂直方向和水平方向的变异程度为弱变异，在坡长方向、二维平面和三维平面为中等变异[13]。小流域坡面和沟道土壤水分表现出明显的季节特征和年际特征[14]。黄土区土壤剖面水分具有明显的空间分布规律，水平方向由东南向西北递减，垂直方向先减小后增大[15,16]。土壤水分变异性会对水文过程和土壤形成产生显著影响[17]。降雨难以补偿深层土壤水分的过度消耗，导致土壤水分严重亏缺[18]。土壤储水量在不同地形条件下季节性和年际分布差异明显[19]。土壤水分在水平和垂直方向都表现出明显的空间异质性，在不同方向上的水分控制过程有所不同，是众多因素相互作用的结果[20]。赵伶俐等[21]应用统计学和地统计学方法分析了宁夏南部干旱半干旱黄土丘陵地土壤水分的空间变异性，得到表层土壤水分空间分布破碎化程度较高，深层土壤水分整体分布相对均匀，刘娇等[22]对臭柏群落土壤水分空间分布特征进行研究，结果表明：在坡位、坡向和林内外植被影响下，土壤含水量存在显著差异(P<0.05)，有学者选取典型高寒干旱荒漠区对不同年代栽植的柠条土壤水分进行研究，得出植被恢复年限越长，土壤含水量越低[23]。奚成刚等[24]采用典型样地调查与自动连续监测相结合的方法，对土壤水分分布情况进行了观测，并对土壤水分的空间分布特征进行了分析，结果表明：不同土层，不同坡位土壤含水量表现出显著差异。杨凯悦等[25]对不同深度、不同生长阶段中间锦鸡儿人工林土壤水分进行连续监测，分析不同深度的土壤水分的分布状况，得到不同深度的土壤水分都具有显著的差异性和相关性。翁倩等[26]对四川省土壤水分状况空间分布进行研究，结果表明：土壤水分状况区域差异明显，整体呈现“东湿西干”的空间分布特征征。

本研究以黄土丘陵区为研究区域，采用网格布点法选择样地，对整个纸坊沟小流域不同土地利用类型在各种地形条件和不同退耕年限的土壤水分进行研究，分析土壤水分的差异和流域内土壤水分的空间分布状况。阐明深层土壤水分的分布状况以及变化特征，为后期的生态恢复和水土保持工作提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市安塞区纸坊沟小流域(36°43′36″N,109°15′14″E)，海拔1012～1731 m[27](图1)。它属于黄土高原丘陵沟壑区第Ⅱ副区，属于黄土高原典型的梁峁状丘陵区，是延河支流杏子河下游的一级支沟，流域包括纸坊沟、峙崾岘和瓦树塌3个自然村，流域总面积为8.275 km2[28]。处于暖温带森林草原过渡带，植被以灌草为主，气候属于中温带大陆性半干旱季风气候，干湿分明，春季气温回升较快，变化大，有霜冻，雨量少，年均温度8.8 ℃，年均降雨量505.3 mm，无霜期158 d[29]。土壤类型为黄绵土，土质疏松，抗冲性和抗蚀性较差，水土流失严重。土壤颗粒以细沙粒和粉粒为主，土壤容重为1.3 g/cm3左右，总孔隙度为55%左右[28]。

图1 研究区地理位置

2.2 研究方法

2.2.1 样地选择

在纸坊沟流域地形图上应用不规则网格布点法(200 m×200 m)选择了78个样地采样(图2所示)，在每个样地对角线上选择三个取样点，每个样点深度为10 m，其中0～100 cm每隔10 cm取一个样，100～500 cm每隔20 cm取一个样，500～1000 cm每隔50 cm取一个样，每个采样点分为40层，对应于40个土样，一共采样116640个(表1)。

表1 野外样地分布

图2 样点布设

2.2.2 土壤含水量测量

采用烘干法(105～108 ℃，10 h)测定土壤含水量(质量含水量)，每个样地的3个采样点各层的土壤含水量取平均值。本文主要研究深层土壤水分含量的变化特征，故采样时表层土壤水分含量由于外界条件(降雨)影响下的变化可以忽略。

3 结果与讨论

3.1 小流域土壤水分垂直分布特征

从土壤含水量的垂直分布曲线(图3)可以看出，不同坡度在120 cm以上、不同坡向在200 cm以上、不同植被类型在100 cm以上、不同退耕年限在120 cm以上，土壤含水量都在较小的范围内变化，且变动值不大；在100～500 cm范围内，变化幅度比较大，且变化规律相似；但500 cm以下，土壤含水量变化幅度小，变化比较稳定。鉴于土壤含水量在垂直剖面分布的特性，本研究将从0～100 cm、100～500 cm、500 cm以下3层进行分析土壤含水量在土壤垂直剖面上的变化特征。

在0～100 cm土层内，不同坡度(图3a)土壤含水量在8%～13%范围内交叉变化；不同坡向(图3b)土壤含水量在6%～12%之间交叉变化；不同植被类型(图3c)在6%～14%之间交叉变化；不同退耕年限(图3d)土壤含水量在8%～13.5%之间交叉变化。此层土壤含水量无规律变化，是由于土壤表层土壤含水量受众多外界因素的影响。100～500 cm土层内，不同坡度(图3a)土壤含水量40°<30°<20°<10°<平地，但在此层内10°和20°土壤含水量交叉变化，可能是在10～20°的坡面上土壤含水量的变化没有明确的临界值；不同坡向(图3b)土壤含水量总体上西南坡<西坡<南坡<东坡<东北坡<西北坡<北坡，根据地理学对阴坡和阳坡的界定，山南为阳，山北为阴，不同坡向的土壤含水量变化特征总体上是阴坡<阳坡；不同植被类型(图3c)土壤含水量乔木<灌木<草地<农地，草地和农地在此层内交叉变化；不同退耕年限(图3d)土壤含水量退耕40年<30年<20年<15年，退耕30年和40年在此范围内土壤含水量变化趋势和范围相似。500 cm以下，不同坡度(图3a)土壤含水量40°<30°<20°<10°<平地，且变化范围都不大，变化趋势也基本相同；不同坡向(图3b)土壤含水量总体上西南坡<西坡(南坡)<东坡<东北坡<西北坡<北坡，西坡和南坡土壤含水量变化范围相似，且所有坡面土壤含水量变化稳定；不同植被类型(图3c)乔木<灌木<草地<农地，乔木和灌木变化趋势相同，农地在此范围内土壤含水量不断增大，是由于在此层内，农地对土壤水分的利用率低；不同退耕年限(图3d)土壤含水量退耕40年<30年<20年<15年，此层内退耕40年和30年土壤含水量变化趋势相同，稳定变化，退耕20年和15年土壤含水量变化趋势相同，有减小的趋势。

图3 小流域土壤水分垂直变化特征

3.2 小流域土壤水分水平分布特征

为了研究小流域土壤水分水平分布特征，选取自北向南方向上的采样点，分别计算每个样点的平均土壤含水量，然后按照样点的经纬度进行排列。图4显示了小流域土壤平均含水量变化趋势，小流域土壤水分在水平方向上从南到北有减小的趋势，从东到西也逐渐减小，且在水平方向上土壤水分最小值6.22%，最大值13.8%。土壤水分在水平方向上南高北低，东高西低的分布格局是气候、植被以及土壤特性共同作用的结果。本研究得到的土壤水分水平分布格局与前人研究所得出的黄土高原200～1000 cm土壤水分分布图相比，整体上土壤水分格局趋势线基本相同，但局部的土壤水分分布特征发生变化[30]；与杨文治[31]在研究所确定的黄土高原土壤水分分区图相比，整体上土壤水分格局的趋势性也没有改变，而局部特征发生变化；与贾小旭[15]研究结果一致。局部发生变化的原因主要有：①采样的随机性，研究结果受地形因子、土地利用方式和植被根系的分布状况影响；②在小流域范围内受人为因素的影响比大区域范围内明显，所以会出现与黄土高原分布特征的差异。但是，黄土高原土壤水分水平分布格局整体比较稳定，而且这种稳定的分布格局可能会持续更长时间。主要有以下几个原因：①在黄土高原区域尺度，影响土壤水分分布的主要因素，如降水，其从南向北，从东向西逐渐递减的分布格局没有改变；②在区域尺度，由于人类活动或干扰对黄土高原地形地貌造成的变化非常小，不足以影响土壤水分区域分布格局。但是在小尺度上对土壤水分的水平分布特征进行研究，由于人类活动，例如退耕还林还草工程、沟道治理工程等会使研究区土壤水分格局产生显著变化，但在区域尺度，这种效应可能会比较弱而不足以影响区域尺度土壤水分分布格局。

图4 小流域土壤水分水平变化特征

3.3 不同土层土壤水分空间分布特征

依据土壤各层含水量的实测值，采用克里金插值法进行插值并生成小流域各层土壤水分分布图(图5)。根据垂直剖面上土壤水分的变异系数范围，将土壤剖面分为5层进行研究。由图可以看出，小流域在各层土壤水分分布基本一致。由图5可知，0～20 cm土层范围内土壤含水量在4.86%～17.94%范围内变化，可以看出在此层范围内，整体上表现出南高北低，沟口土壤含水量最高，中部土壤含水量最低，沟底土壤含水量居中，是由于在采样时，沟口部分样地受到人为灌溉，导致沟口表层土壤含水量较高；20～160 cm土层范围内土壤含水量在4.97%～13.11%范围内变化，表现出明显的南高北低，且流域中部和南部土壤含水量变化比较稳定，沟口土壤含水量最低；160～500 cm土层范围内土壤含水量在5.28%～20.12%范围内变化，从图中可以看出，土壤含水量表现出南高北低的分布特征；500～900 cm土层范围内土壤含水量在5.46%～23.08%范围内变化，从图中可以看出，土壤含水量变化与160～500 cm深度范围内分布特征基本相同，表现出南高北低的分布特征；900～1000 cm土层范围内土壤含水量在5.53%～30.68%范围内变化，从图中可以看出，此层内土壤含水量整体上表现出南高北低的分布特征，但在南部有一部分范围土壤含水量较低，是因为在此区域内此层出现了土壤干层现象。

图5 不同土层深度土壤水分分布特征

从图中可以看出每一层的土壤含水量整体上都表现出南高北低的分布特征；160～500 cm和500～900 cm土层深度范围内，土壤含水量的分布特征很相似，说明在此范围内存在土壤含水量的稳定变化层。

4 结论

(1)在垂直方向上，不同坡度在120 cm以上、不同坡向在200 cm以上、不同植被类型在100 cm以上、不同退耕年限在120 cm以上，土壤含水量都在较小的范围内变化，且变动值不大；在100～500 cm范围内，变化幅度比较大，且变化规律相似；但500 cm以下，土壤含水量变化幅度小，变化比较稳定。且随着坡度的增加土壤含水量减小；阴坡土壤含水量大于阳坡；土壤含水量乔木<灌木<草地<农地；随着退耕年限的增加，土壤含水量减小。

(2)小流域土壤水分在水平方向上从南到北有减小的趋势，从东到西也逐渐减小，土壤水分在水平方向上最小值6.22%，最大值13.8%。土壤水分在水平方向上南高北低，东高西低的分布格局是气候、植被以及土壤特性共同作用的结果。与前人研究所得出的黄土高原土壤水分分布图相比，整体上土壤水分格局趋势线基本相同，但局部的土壤水分分布特征发生变化，局部发生变化的原因主要有：①采样的随机性，研究结果受地形因子、土地利用方式和植被根系的分布状况影响；②在小流域范围内受人为因素的影响比大区域范围内明显，所以会出现与黄土高原分布特征的差异。但是，黄土高原土壤水分水平分布格局整体比较稳定，而且这种稳定的分布格局可能会持续更长时间。

(3)小流域在各层土壤水分分布基本一致。整体上都表现为南高北低的分布特征；在中间土层深度范围内，土壤含水量的分布特征很相似，说明在此范围内存在土壤含水量的稳定变化层。