黄土高塬沟壑区小流域雨季末期土壤水资源状况及其空间分异

党兴东,程立平,刘文兆,3

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100;2.平顶山学院, 河南 平顶山 467000;3.中国科学院 水利部 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

在干旱缺水、雨热同期的黄土高原地区，“土壤水库”的调蓄功能在缓解降水不均引起的旱情方面具有重要作用[1]，雨季“土壤水库”内储水量显著增加[2]，到翌年旱季被植被消耗利用，成为冬小麦(TriticumaestivumL.)等夏粮作物及其他植物生长的重要水分来源[3-4]。土壤水资源量及其有效性直接影响到植物的生长状况[5]和作物产量[6-9]，另一方面植被类型对土壤水分状况亦具有显著影响，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)[10-11]、刺槐林(RobiniapseudoacaciaL.)[12]、苹果(MaluspumilaMill.)等[13]高耗水人工林草的种植，使得土壤剖面发生不同程度[14]的干化[15]。在地形起伏多变的黄土高原，立地土壤水分状况受多种因素影响，气候因素之外，植被条件和地形的影响占据主要位置[2,16]。

深入了解雨季到旱季转换过程中土壤水分状况，发挥土壤水库的调蓄功能，在学术研究与生产实践上都有重要意义。本研究在王东沟小流域内，根据地形和利用方式的不同组合选取样地，试图分析雨季末期不同利用方式和地形的土壤水资源状况及分异特征，以期为小流域土地利用布局的合理构建和水土资源的高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

王东沟小流域(35°12′N，107°40′E)位于陕西省长武县以西12 km的秦陇交界处，总面积6.3 km2，地貌分为塬面和沟壑两大单元，分别占土地总面积的35%,65%。塬面平均海拔高度为1 215～1 226 m，以0°40′向东南倾斜。沟口最低点海拔946 m，地势相对高差280 m。土壤以黑垆土和黄墡土为主[16]，田间持水率和凋萎湿度分别为(21.39±0.13)%,(8.06±0.45)%[17]。气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均降水量578.5 mm，多集中在7—9月且年变率大(图1)。地下水埋深在60 m以下，对土壤墒情基本没有影响[16]。流域内北部塬面的土地利用方式主要有耕地、园地和建设用地，南部沟道以林草地为主，且近年来随着产业结构的调整，林地、园地和建设用地面积呈增加趋势，耕地面积减少，其中园地面积变化的动态度最大[18-19]。

图1 长武县逐月降水量分布

2019年长武县年降水量达649.5 mm，是多年平均降水量的112%，参照一般的降水年型划分标准[20]认定为丰水年，其中6月和10月降水量大幅增加，为同期多年平均降水量的243%,212%，7—9月累计降水量与同期多年平均降水量接近。

1.2 试验设计

2019年雨季末期，11月上旬在王东沟小流域内，分别选取不同地形地貌下(塬面、梁顶和坡地)的苹果园(树龄分别为5，8，12，15，26 a和废弃苹果园)、农田(2017—2019年都种植冬小麦)、刺槐林地和荒草地{主要有狗尾巴草[Setariaviridis(L.)Beauv.]、茵陈蒿(ArtemisiacapillarisThunb.)、白羊草[Bothriochloaischaemum(L.)Keng]、铁杆蒿(ArtemisiasacrorumLedeb.)、赖草[Leymussecalinus(Georgi)Tzvel.]}(表1)，其中坡地的苹果园和农田均已修成梯田。用土钻法取0—6 m土层的土壤样品，其中0—1 m每10 cm取一次样，1—6 m每20 cm取一次样，取回室内后用烘干法(105℃，12 h)及时测定土壤水分含量。

表1 试验采样点基本信息

1.3 数据处理

(1)储水量计算。

(1)

式中:W为土壤储水量(mm);θi为第i层土壤质量含水率(g/g);hi为第i土层厚度(cm),本文中,在0—1 m土层深度取10 cm;在1—6 m土层深度取20 cm;ρi为第i土层的土壤容重,本文统一取1.3 g/cm3[17];n为土层数。

(2)降水量等气象资料从陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站数据共享网站(http:∥cwa.cern.ac.cn/)获取。

(3)用Excel 2010处理数据并绘图。

2 结果与分析

2.1 土地利用方式对土壤水资源状况的影响

2.1.1 塬面 塬面农田、26 a苹果园、刺槐林地0—6 m平均湿度分别为19.9%，17.8%，17.1%，可见农田水分状况优于26 a苹果园、26 a苹果园优于刺槐林地，但是不同深度范围内土壤湿度变化并不一致。由图2A可知，雨季末，塬面0—1.4 m土层内农田、26 a苹果园、刺槐林地的土壤含水量均到田间持水量水平，分别为21.8%，22.0%，21.9%，储水量则分别为398，401，398 mm，方差分析表明无显著差异。1.4 m以下土层不同利用方式之间土壤水分出现明显差异，其中1.4—3.6 m深度范围内表现为26 a苹果园>农田>刺槐林地，平均含水量分别为19.9%，18.7%，14.6%，该层土壤水分状况在苹果园表现最好。3.6 m以下土层土壤水分表现为农田>刺槐林地>26 a苹果园，平均含水量分别19.9%，17.0%，13.8%，这表现出植被类型对深层土壤水分状况的影响，农田因作物根系深度较浅对深层土壤水分几乎没有影响，水分状况最好。

由图2B可以看出，不同林龄苹果园的土壤湿度随着深度的增加差异性逐渐增大。经过雨季降水补给，5，8，12，15，26 a的苹果园在0—2.6 m的平均含水量均保持在田间持水量水平，无显著差异，分别为21.6%，21.5%，21.6%，22.0%，21.3%，储水量均在730 mm左右。2.6—6 m不同林龄的苹果园的平均含水量分别为22.9%，20.9%，20.6%，19.8%，15.3%，呈现出随着林龄增加而减少的趋势，表明其对深层土壤水分状况的影响随林龄增加而增大。

图2 塬面不同利用方式和不同林龄苹果园土壤水分剖面

2.1.2 梁顶 梁顶荒草地、农田、26 a苹果园、刺槐林地0—6 m土层平均含水量分别为20.6%，19.9%，15.1%，12.3%，荒草地土壤平均湿度均接近田间持水量，土壤水资源总体表现出荒草地>农田>26 a苹果园>刺槐林地的规律。由图3可知，在0—0.8 m土层内荒草地、农田、26 a苹果园、刺槐林地的平均土壤湿度均达到田间持水量且无显著差异，分别为21.8%，20.8%，21.2%，20.9%，储水量分别为226，217，220，218 mm。0.8 m以下土层不同利用方式之间土壤水分出现明显差异，其中0.8—3.4 m深度范围内表现为荒草地>农田>26 a苹果园>刺槐林地的规律，平均湿度分别为22.3%，19.4%，14.7%，10.2%，其中荒草地平均土壤含水量达到田间持水量水平，而刺槐林地土壤湿度在1.6 m处最小，其值为8.1%。3.4 m以下土层表现为农田>荒草地>26 a苹果园>刺槐林地的特征，平均土壤湿度分别为20.0%，18.5%，13.7%，11.6%，各利用方式的土壤水分差异随深度增加呈减小趋势。

图3 梁顶不同利用方式的土壤水分剖面

2.1.3 上坡位 上坡位荒草地、农田、26 a苹果园、刺槐林地0—6 m土层平均含水量分别为20.9%，21.3%，14.0%，12.6%，荒草地和农田的平均土壤湿度均达到田间持水量，土壤水资源总体表现出农田(梯田)>荒草地>26 a苹果园>刺槐林地的规律，与梁顶一致。由图4可以看出，0—0.8 m土层范围内荒草地、农田、26 a苹果园、刺槐林地的平均土壤湿度分别为23.1%，20.3%，20.7%，20.2%，均接近或超过田间持水量，储水量分别为240，212，215，210 mm。0.8—3 m土层表现为农田(梯田)>荒草地>26 a苹果园>刺槐林地的规律，其平均含水量分别为22.1%，21.7%，15.9%，11.2%，该层荒草地和农田的平均土壤湿度均达到田间持水量水平，刺槐林地和苹果园的土壤含水量急剧减少，土地利用方式是影响该层土壤水分的主要因素。3—6 m土层不同利用方式的土壤水资源表现为农田>荒草地>刺槐林地>26 a苹果园的特征，其平均含水量分别为21.0%，19.8%，11.5%，10.8%，该层刺槐林地的土壤湿度有所增加，在3 m深度处反超苹果园，表现出苹果园3—6 m深度范围内发达的根系对水分的吸收消耗，使土壤水分含量保持在较低水平。

图4 上坡位不同利用方式的土壤水分剖面

2.1.4 下坡位 由图5看出，下坡位农田在测定深度内的水分含量剖面变化不大，且其平均土壤湿度达到田间持水量水平，而苹果园、刺槐林地上下层的水分含量变化剧烈，3种利用类型0—6 m土层的平均土壤湿度依次分别为22.2%，16.7%，13.3%，表现为农田>苹果园>刺槐林地的特征。0—0.6 m范围内农田、苹果园、刺槐林地的平均土壤含水量分别为21.4%，23.3%，21.0%，该层各利用方式的土壤湿度较高。0.6—2.6 m土层苹果园、刺槐林地的土壤水分随深度增加急剧减小，农田则无显著变化。2.6—6 m范围内农田、苹果园、刺槐林地的平均土壤含水量分别为21.7%，14.0%，11.9%，各利用方式土壤湿度较上层有明显减小。刺槐林地从0.8 m以下深度的含水量即急剧减少到较低水平，至6 m均无大幅变化。

图5 下坡位不同利用方式的土壤水分剖面

2.2 地形对土壤水资源状况的影响

地形是土壤水分状况的重要影响因素之一，不同地形条件下同一土地利用方式土壤水分剖面分布具有一定的相似性，但土壤水分含量具有明显差异(图6)。农田0—6 m通层含水量都较高，平均土壤湿度表现出下坡位>上坡位>塬面>梁顶的规律(图6A)，塬面和梁顶因有较好的管理措施，农作物产量较高导致水分消耗较多，加之梁顶有地表径流损失，因而土壤水分含量较低。

不同地形下苹果园和刺槐林地的土壤水分在0—6 m深度范围内均随深度增加而减小(图6B—C)，其原因在于苹果和刺槐均为深根乔木，虽然在雨季末浅层土壤水分得到一定程度的恢复，但深层土壤依然处于干燥化状态。苹果园0—6 m土层平均湿度表现出塬面>下坡位>梁顶>上坡位的规律，刺槐林地则表现为塬面>下坡位>上坡位>梁顶。塬面地形平坦，土层深厚，降水可全部入渗补充土壤水，而坡地和梁顶有径流产生，损失部分降水量，因此塬面苹果园和刺槐林地土壤水分状况较好。

图6 不同地形的农田、26 a苹果园和刺槐林地土壤水分剖面

3 讨 论

土壤水分状况受降水、地形、植被类型等多重因素的影响，处于动态变化之中。经过雨季降水的补给，小流域内土壤水资源均有所增加。不同土地利用方式下，塬面、梁顶、上坡位、下坡位土壤湿度增加至田间持水量的深度最浅的均是刺槐林地，其深度分别为1.4，0.8，0.8，0.6 m；最深的分别为5 a苹果园、农田、荒草地、农田，其深度依次为6，3，2.2，3.8 m，可见雨季末期塬面土壤水分的恢复程度最好，梁顶、上坡位次之，下坡位土壤含水量的恢复程度最低[21]，主要原因在于不同地形对于降水拦蓄程度不同，塬面地形平坦土层深厚，雨季降水能够全部就地入渗，梁顶坡地易产生径流损失[22]，这也是苹果园在0—6 m土层的储水量呈现出塬面>梁顶>上坡位的原因(表2)。

表2 雨季末小流域0-6 m土层的土壤储水量 mm

植被类型对土壤水分的影响，更多地通过植物根系深度分布以及吸水能力的差别上反映出来。比如荒草主要影响1 m以内深度范围的土壤水分[20]，小麦根系可达3 m，影响到0—3 m左右深度的土壤水分[23]，而苹果园的土壤水分波动深度可达10 m以下[24]。表2可知，同一地形下不同利用方式的土壤水资源总体表现为荒草地>农田>26 a苹果园>刺槐林地的特征。苹果园深层土壤水分随着苹果林龄的增加逐年减少[25]，但是经过雨季降水补给，雨季末期不同林龄苹果园在一定深度范围内土壤水分并无差异，这与雨季降水量的多少相关[26-27]。

4 结 论

(1)小流域内的土壤水资源状况，在气候因素之外，主要受地形与土地利用方式共同影响。塬面不同林龄苹果园的土壤湿度在2.6 m以下深度出现明显差异，且对深层土壤水分状况的影响随林龄增加而增大，梁顶和上、下坡位的26 a苹果园在0—0.8 m的土壤含水量均较高，而0.8 m以下呈递减趋势；梁顶和上、下坡位刺槐林地的土壤水分含量在1.5 m左右深度达到最低值，0—6 m平均土壤湿度分别为12.3%，12.6%，13.3%；塬面农田在1.4—2.6 m深度的土壤含水量处于较低水平，0—6 m的平均土壤含水量为19.9%，梁顶和坡地农田的土壤含水率在测定深度内无明显差异。

(2)相同地形下不同土地利用方式土壤湿度的差别，塬面表现出农田>26 a苹果园>刺槐林地的特征，梁顶和上坡位表现为荒草地>农田>26 a苹果园>刺槐林地，下坡位表现为农田>26 a苹果园>刺槐林地；而在利用方式相同时，地形对土壤含水量的影响，苹果园表现为塬面>下坡位>梁顶>上坡位的特征，刺槐林地表现为塬面>下坡位>上坡位>梁顶，农田则表现为下坡位>上坡位>塬面>梁顶。