黄土高原六道沟小流域不同立地条件下深层土壤水分及粘粒分布特征

张梦杰,孙树臣

(1.湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007；2.聊城大学 环境与规划学院，山东 聊城 252059)

0 引言

水分是黄土高原等干旱、半干旱地区生态环境建设的重要限制因素。在该地区，大量学者针对点位、田间、坡面、流域及区域等多尺度条件下的土壤水分时空变异性进行了研究[1-4]。研究表明表层土壤水分(3-5 cm)在局部区域变异性较强，地表覆盖度和土壤性质对土壤水分具有重要影响，灌木林下土壤与灌木之间土壤水分差异显著[5]。基于土壤水分时间稳定性理论，压砂地土壤水分时空分布随着土层深度增加土壤水分变异性减弱，表层土壤水分变异性最强。古尔班通古特沙漠不同沙丘部位0-200 cm土壤水分变异系数随着土层变深由13.6%减小到0.8%[6]。Qiu等[7]对陕西省大南沟流域土壤水分空间变异性特征进行研究，指出0-75 cm土壤水分变异系数随土壤含水量升高而降低，土地利用方式、坡向、海拔和坡位是影响表层5 cm土壤水分的主要因素[6,8]，海拔、坡位和坡向是影响10-25 cm土壤水分空间变异的主要因素，土地利用、海拔和坡度是影响40-75 cm土壤水分的主要因素。而另有研究表明土壤含水量越高土壤水分变异性越大[9]，坡度和土壤质地(特别是黏粒含量)是影响0-60 cm土壤水分时间稳定性的最主要因素[10]。在黄土高原刺槐坡面地区，0-5 m土壤水分变异系数为26%。而5 m深沟谷土壤水分变异性更高，变异系数达到60%[11]。影响土壤水分的主要环境因子在不同土层深度有所差别。目前相关研究主要关注0-2 m土壤水分的时空变异特征及影响因素，对深层土壤水分的研究相对较少。

深层土壤储水量及其时空变化，在一定程度上可以反映土壤储水潜力及其对气候变化的响应。长期定位监测深层土壤水分动态变化，对黄土高原土壤水库的评估及植被建设的可持续发展尤为重要[12]。研究不同立地条件下深层土壤水分垂直分布及其影响因素，有利于科学确定土地可持续发展的管护对策与措施，推动地区生态环境的健康和谐发展。本研究在陕北地区六道沟小流域，选择不同立地条件小区，通过连续监测土壤水分，对比分析0-960 cm土层土壤水分时空变化，揭示深层土壤水分的主要影响因素。

1 研究区概况

地处黄土丘陵区和毛乌素沙地南缘过渡带的陕西省神木市属黄土高原典型的半干旱地区，是水蚀风蚀交错带的强烈侵蚀中心。六道沟流域距离神木市以西14 km(38°46′-38°51′N，110°21′-110°23′E)，流域面积为6.89 km2，域内平均沟壑密度为7.4 km/km2，沟谷地占总面积的32.7%。海拔为1094-1274 m。流域多年平均降水量为437.4 mm，其中6-9月降水量约占全年的65%-85%，年平均气温为8.4 ℃。土壤类型主要为沙黄土、红黄土、风沙土和淤土。土地利用类型主要有林草地、灌草地和草地，主要植物种有柠条(CaraganaKorshinskii) 、苜蓿(MedicagoSativa)、山杏(Armeniacasibirica) 和长芒草(Stipabungeana)等。

2 实验布设与数据分析

2014年8月，在六道沟流域选择柠条、苜蓿、撂荒、农地、山杏、沙地、沟道处埋设10 m长中子管，用于土壤水分的长期定位监测。通过土钻配合加长杆钻孔埋设中子管，连接铝质中子管并放置于钻孔内，铝管与土体间隙使用过筛后干细土填充。地表露出40 cm管头，因此实际测定深度为960 cm。因为沟道内基岩埋藏深度为460 cm，土层较浅，实际测定深度为460 cm剖面的土壤含水量。

图1 六道沟小流域2014-2017年降雨量

通过中子仪( CNC503DR) 测定每个点位不同深度的土壤体积含水量，并使用标定方程确定体积含水量。于2014年10月至2017年7月，累计测定19次剖面土壤水分的时间序列数据。深层土壤水分时间动态分析采用每一时间各点位的平均土壤含水量；不同立地条件下土壤剖面水分分布特征研究采用每一点位累计19次测得的平均土壤含水量。利用神木侵蚀与环境实验站雨量桶测定降雨量，观测期内降雨量变化如图1。

图2 不同处理土壤水分空间分布

埋设中子管之前，利用土钻和洛阳铲取土，每20 cm采集一次扰动土样，进行土壤剖面颗粒组成分析。同时测定表层土壤原状土(0-30 cm)，用标准环刀(100 cm3)采集土样密封后立即带回室内称重，采用烘干法测定土壤容重并计算总孔隙度，采用定水头法测定土壤饱和导水率(Ks)。本实验未测定30 cm以下土壤容重与饱和导水率。在中子管附近100 cm范围内放置50 cm×50 cm样方框，刈割框内植物地上部分，并收集样方内枯落物。所有样本带回实验室后在65 ℃条件下烘48 h至恒重，测定生物量。不同处理土壤性质和植被盖度见表1。利用 CNC503DR型中子仪测定各样点土壤含水量[13]。0-100 cm土壤层每隔10 cm深度测定一次土壤含水量，100 cm以下土层每隔20 cm测定一次土壤含水量。0-10 cm土层中子仪测量值由方程(1)SWC=0.111×CR+3.9565(R2=0.8966，p<0.001)计算体积含水率；10 cm以下土层由方程(2)SWC=0.091×CR+1.8995(R2=0.7579，p<0.001)计算土壤含水量。式中，SWC为土壤体积含水率，CR是中子仪计数数值。本文中土壤含水率均为土壤体积含水率。土壤水分等相关数据处理在Excel 2016中完成，利用SPSS 16.0进行Pearson相关性分析，利用T检验分析差异显著性，图在Origin 9.0中完成。

3 结果与分析

3.1 土壤水分时空分布特征

不同处理0-960 cm土壤含水量分布特征如图2。0-200 cm范围内，柠条处理土壤含水量最低(平均含水量9.5%)，其次分别是沙地(10.4%)、苜蓿(10.6%)、山杏(12.6%)、撂荒(13.0%)、农地(14.2%)，侵蚀沟沟底土壤含水量最高(15.6%)。但是200 cm以下土壤水分和0-200 cm土层水分差异较大，其中沙地处理200-960 cm土壤水分平均值仅为6.6%，其次分别是山杏(10.7%)、苜蓿(11.6%)、柠条(13.5%)、撂荒(16.1%)、农地(18.0%)，侵蚀沟沟底土壤含水量高达21.0%(200-460cm)。侵蚀沟沟底点位土层深度只有460 cm，但是380-460 cm土层土壤含水量达到了25%以上，远高于其它处理同土层含水量。

除沙地处理外，其它处理200 cm以下土层含水量呈波动性增加趋势，沙地400-960 cm土层含水量较为稳定，且明显低于其它处理。农地、柠条和撂荒处理中900 cm以下土壤含水量呈明显的增加趋势，特别是农地处理，960 cm深度处土壤含水量高达30.3%。

表1 各样点土壤理化性质及植被盖度

不同处理土壤含水量的标准差和变异系数垂直分布如图3所示。和深层土壤相比，0-100 cm范围内土壤含水量具有较强的变异性，土壤含水量标准差随着土层深度的增加逐渐降低且趋于稳定。侵蚀沟沟底土壤水分标准差波动性较强，且数值高于其它处理。但是，沟底土壤水分变异系数在所有处理中相对较低(平均值0.24)，远低于沙地处理(0.37)。和标准差相比，不同处理间深层土壤水分的变异系数差别较大，随深度变化相对稳定。但是沙地处理400-960 cm土层土壤水分变异系数明显大于其它处理。土壤水分变异系数同样表现出上层土壤大于深层土壤的规律。

图3 不同处理土壤含水量标准差(SD)和变异系数(CV)

除了土壤深度以外，土壤质地也显著影响土壤水分标准差和变异系数。土壤含水量标准差随土壤中粘粒含量的增加呈显著的指数增加趋势(R2=0.5134)，而土壤含水量变异系数则呈对数关系减少(R2=0.7274)(图4)。

图4 土壤含水量标准差(A)和变异系数(B)分别与粘粒含量的回归关系

图5 各处理0-460 cm土层和460-960 cm土层土壤储水量随时间变化

如图5所示，不同处理间0-460 cm土壤储水量随时间变化规律高度相似，储水量主要受降雨事件和植物对水分消耗作用的影响。2015年6月前降雨稀少，强烈的蒸散发使土壤湿度相对较低。在雨季期间，土壤储水量得到补充。2015年4月至2015年5月，各处理0-460 cm土壤储水量均有所降低。2016年7月8日和2016年7月10日分别出现了137.1 mm和70.6 mm的高强度降水，导致各处理0-460 cm储水量都有所增加。特别是沟道处理，降雨前后储水量增量达到了117 mm。而460-960 cm土层土壤储水量对降雨和植物耗水的响应不明显，在降雨前后和植物生长季土壤储水量波动较小。

3.2 不同立地条件下土壤粘粒空间分布特征

0-960 cm土层粘粒含量变化如图6所示，各处理粘粒含量差异明显。沙地处理中0-400 cm土层土壤粘粒含量较为稳定(9.2%)，400 cm以后大幅下降(1.8%)。山杏处理表现出类似变化规律，但是600 cm以下土层粘粒含量较沙地高。柠条、苜蓿、撂荒和农地处理粘粒含量变化相对稳定。沟底粘粒含量最高，0-460 cm土层粘粒含量平均值达到了12.3%，沟底粘粒含量变化趋势和土壤水分变化趋势高度相似(图2和图6)。对0-960 cm土壤粘粒含量和土壤含水量做回归分析，结果表明土壤含水量随粘粒含量的增加呈指数关系显著增加(R2=0.7097)。对0-200 cm和200-960 cm土层土壤粘粒含量和土壤含水量分别做回归分析，R2值分别为0.4138和0.7684(图7)，深层土壤含水量和土壤粘粒含量有高度相关性。

图7 0-200 cm土层(A)和200-960 cm土层(B)土壤粘粒含量和土壤含水量的回归分析

4 讨论

4.1 土壤水分空间分布及其与土壤粘粒含量的关系

图6 不同处理0-960 cm土壤粘粒含量空间分布

20 世纪末，为减少土壤侵蚀，保护黄土高原生态环境，中国政府在黄土高原大规模实施“退耕还林还草”工程。随着大规模的植被恢复，土壤水分大幅降低，深层土壤水分减少量超过35%[14]。土壤水分时空变化主要受气象条件、蒸散、植被特征及土壤性质等的共同影响。在本研究中，农地和撂荒的土壤储水量明显高于其它处理，柠条和苜蓿处理水分含量较低(图5)，这与前人研究结果相似。下渗雨水不断被植物根系利用，土壤水分沿土层深度增加而逐渐减少[15-16]。但是本研究中，并没有发现这一变化规律，本研究各处理土壤水分呈波动性变化。除沙地处理外，上层土壤体积含水量(0-460 cm)总体上低于下层(460-960 cm)，特别是在沟道处理和农田处理中，下层土壤含水量达到了25%以上。沙地处理地表植被盖度很低，植被耗水量较小，土壤水分不会被植被大量消耗，但是和其它处理相比，沙地土壤含水量处于较低水平，只有5%左右，我们认为这和土壤质地密切相关。其它研究也表明土壤质地的空间异质性造成土壤导水率产生空间变异，从而间接地导致土壤水分空间分布差异。因此，土壤质地是土壤水分空间分布特征的重要影响因素[17]，特别是在较为干旱期间，土壤水分变异性主要受土壤性质的影响[18]。相同降水条件下，在根系活动范围内，土壤水分分布主要是由土壤质地和植物耗水特性共同决定[19，20]，在根系活动较弱的深层土壤内，土壤水分分布特征主要受土壤质地影响[21]。本研究结果表明无论在含水量较低的沙地以及含水量较高的沟道，其土壤含水量与土壤粘粒均具有显著的相关性。

4.2 土壤含水量变异性分析

土壤水分具有明显的时空变异性，即使在小流域和坡面尺度，土壤水分都显示出较大的异质性。人工植被增强了土壤水分的变异性，不同立地条件土壤含水量时空变异性特征差异很大[22,23]。在植物根系层，降水特征、蒸发强度以及植物分布等对土壤水分的影响较大，故为水分变化不稳定层。由于受降水入渗及植物根系吸水的影响更小，深层土壤水分与表层相比变化较小[24,25]。在本研究中得到类似结果，浅层土壤储水量随时间推移发生明显变化，而深层土壤储水量变异较小(图5)。降雨也是影响土壤含水量空间变异的主要因素之一[19]。本研究中，和2016年6月相比，2016年7月各处理中0-460 cm土层土壤储水量急剧上升，而9月份土壤储水量又明显下降，这主要是受到极端降雨和高强度植被耗水的影响。除沙地处理，其它处理2 m以下土壤水分比较稳定，随着土壤深度的增加土壤水分变异系数降低(图3)。而高变异层厚度是由植被覆盖和降雨量决定的[26-29]。沙地处理深层土壤水分变异性远大于表层，可能是深层较低的粘粒含量导致的。本研究结果表明土壤粘粒含量是影响土壤水分时空变异的重要因素。回归分析发现，土壤水分变异系数和土壤粘粒含量呈显著相关关系(图4)，土壤质地对深层土壤水分的变异性具有重要影响，不同深度条件下土壤物理性质的差别可能也是引起土壤水分时空变化的重要原因。

5 结论

陕北地区土壤水分和土壤质地空间异质性较大，不同处理中0-200 cm土壤含水量受植物影响表现出明显差异，柠条地0-200 cm土层平均含水量仅为9.5%。0-100 cm土层土壤含水量具有较强的时间变异性，土壤含水量标准差随着土层深度的增加逐渐降低且趋于稳定。但是，深层土壤含水量时空分布与上层土壤差异较大，200-960 cm土壤含水量变异系数较低，而且与土壤粘粒含量显著相关。深层土壤水分受植被影响较小，土壤粘粒含量是其空间分布特征的主要影响因素。