黄丘区典型灌木和荒草地土壤含水量变化对降雨的响应

吴远菲, 肖培青, 郝仕龙, 杨春霞

(1.华北水利水电大学 测绘与地理信息学院, 郑州 450046;2.黄河水利科学研究院 水利部黄土高原水土保持重点实验室, 郑州 450003)

土壤水分是生态系统水循环的重要组成部分，在生态和水文过程中具有重要的作用，关系到区域生态系统的稳定和可持续发展[1]。在水资源短缺的黄土高原地区，土壤水分对植被生长、生态格局和调控的演变以及退化植被的恢复起着重要作用[2]。土壤水分受降雨、入渗和蒸散发等水文过程的影响，具有显著的时空变化特征[3]。地表植被类型会改变降雨分配、雨水下渗和蒸散发过程，从而对土壤水分的年内分配和降雨补给特征产生巨大影响[4-5]。因此，研究不同土地利用类型下的土壤水分年内变化特征及其对降雨的响应过程，有助于深入认识不同植被类型土壤水分消耗规律，从而对区域水资源合理利用和植被重建提供理论依据。

黄土高原是我国的生态屏障，也是黄河泥沙最主要来源。近年来，为控制水土流失，开展了以退耕还林还草等为代表的一系列水利水保措施，经过多年退耕还林还草，黄土丘陵区产生了多种土地利用方式，对土壤水分产生了影响[6]，极大地减少了泥沙入黄。然而，一些研究发现，人工恢复植被对土壤水分的消耗与自然植被相比，消耗增加，且一些研究发现，过度的水分消耗甚至引发土壤干层，严重威胁植被可持续[7-9]。近年来，对黄土高原地区土壤水分变化问题的研究已经取得一系列的成果[10-11]，这些研究均认为不同植被类型下的土壤水分动态特征与剖面分布具有明显差异[12-15]。关于研究土壤水分对降雨的响应，部分学者通过对黄土高原地区单一类型土地利用方式下的土壤水分进行野外连续监测，表明不同深度土层土壤水分对降雨的响应时间不同，深层土壤含水量较浅层变化有一定的滞后和延长，体现出土壤水分入渗的先后过程[16-19]。也有学者通过降雨模拟试验方法，研究土壤水分在降雨过程中的规律，发现降雨仅增加各土层中的土壤水分，对各层间土壤水分在整体土层范围中土壤水分的占比影响较小[20]。

近期，一些相关的研究分析了土壤水分随时间、垂直空间动态变化规律，但野外不同利用方式连续长期定位观测的研究不多，而且不同植被类型土壤水分对降水响应的研究相对较少。因此本文在黄土高原腹地的辛店沟流域，选取当地最为典型的两种植被类型(柠条灌木地和撂荒休闲地)为对象，在采用多探头土壤水分监测仪连续定位观测两种植被类型0—50 cm土壤含水量的基础上，系统分析两种典型土地利用类型剖面土壤水分的年内变化规律及其对降雨的响应过程，以期为对区域水资源合理利用和植被重建提供科学支持。

1 研究区概况

研究区位于陕西省绥德县无定河流域辛店沟试验场(110°15′—110°20′E，37°27′—37°32′N)，该区梁峁起伏，沟壑纵横，土地贫瘠，地形破碎，属于黄土丘陵沟壑区第一副区，是典型的峁梁状黄土丘陵沟壑区。辛店沟小流域面积约1.44 km2，地貌以梁、峁、坡为主，沟壑密度7.26 km/km2，气候为温带大陆性半干旱季风气候，年平均气温9.7℃，年平均降水量486 mm(70%以上集中于6—9月且多以暴雨形式出现)，土壤类型主要为黄绵土(约占65%)，年均土壤侵蚀模数1.8万t/km2。

2 材料与方法

2.1 观测样地设置

经过实地勘察，选择在绥德辛店沟流域育林沟径流试验场布设Em50多探头土壤水分监测仪。植物柠条(Caraganakorshinskii)具有蒸腾速率低、抗逆性强等特点，被广泛用于干旱半干旱地区的生态重建和植被恢复中，撂荒草地具有较好的控制水土流失作用，因此选择柠条灌木地和多年撂荒草地土壤水分变化过程进行对比分析。样地基本特征见表1。

表1 样地基本情况

2.2 试验设计

土壤水分数据通过Em50多探头土壤水分监测仪连续监测获得，监测仪分别布设于两个小区中部，仪器5个土壤水分探头分别布设于10，20，30，40，50 cm土层处，传感器水平插入到安装深度，对土壤水分进行连续定位观测，5个探头沿着一条直线垂直分布，土壤水分的观测频率为60 min/次。降雨过程参数通过雨量计测定获取，两类数据均持续连续观测。

2.3 数据处理

数据均用Microsoft Excel和Origin 2018统计分析软件进行数理统计分析与制图。利用变异系数CV表示土壤水分垂直分布的稳定性。变异系数CV和标准差s的计算公式分别为：

3 结果与分析

3.1 不同地类土壤水分的年内时间变化特征

如图1所示，2020年6—11月对灌木地、荒草地0—50 cm土壤含水量进行连续动态监测发现，灌木地0—50 cm土层各月平均土壤含水量分别为0.059，0.134，0.088，0.060，0.080，0.126，荒草地0—50 cm土层各月平均土壤含水量分别为0.056，0.148，0.101，0.066，0.084，0.136，总体来说荒草地的平均土壤含水量大于灌木地，说明草类植被耗水小于灌木。

图1 不同土地利用方式0-50 cm土层土壤含水量时间变化过程

如图2所示，由于降水具有一定的季节性，不同土地利用方式0—50 cm土层土壤含水量具有明显的季节变化特征，灌木地平均土壤含水量最多是7月和11月，分别为0.134，0.126，最少的是6月、9月，为0.059，0.060；而荒草地平均土壤含水量最多是在7月和11月，分别为0.148，0.136，6月、9月最少，为0.056，0.066。

图2 不同土地利用方式0-50 cm各土层土壤含水量时间变化过程

不同土地利用方式下的土壤水分变化有所不同，除了与降水有关，还因为不同土地利用方式的植物蒸腾、消耗和土壤蒸发不同[21]。研究区柠条从5月中旬到6月中旬快速生长达到展叶盛期；6月下旬到8月初果实成熟；其后9月中旬生长速度减缓进入落叶硬化期[22]。在观测期间6月份样地未有降雨，此时柠条进入速生期，所需水量日渐增加，气温回升，土壤蒸发旺盛，加之雨季未到，不能及时补充土壤蒸发等因素造成的土壤水分消耗，此时土壤含水量处于较低水平；7—9月两种土地利用方式土壤含水量变化剧烈，7月土壤含水量较6月份快速增加，一方面是因为6月份植物生长处于速生期需水量大，另一方面7月份降水35.6 mm土壤水分得以补充；8月份柠条生长处于旺季，加上夏季地表温度高，表层土壤水分蒸发量大，植被蒸散发强烈，因此土壤水分较7月份有所降低；9月份，气温逐渐降低，土壤蒸发明显减弱，且植被生长速度减缓进入生长期末，耗水减少，加上雨季逐渐减退，降水量日渐减少，且9月和10月份有少量降雨对土壤水分进行了补充，因此9月份之后植物进入休眠期后整体上土壤含水量呈缓慢增加的趋势，11月份达到一个小峰值，说明降雨对土壤水分的补充存在滞后。荒草地土壤含水量各月的变化趋势与灌木地相似，夏季草类植物也进入生长旺季，加上荒草地表层植被生物量少，地面蒸散发强烈，因此土壤含水量也表现出较低水平；而进入秋冬季节后，气温降低，土壤蒸发明显减弱，植物进入生长期末，土壤水分消耗少，因此荒草地土壤含水量在整个秋冬季节呈现出较高水平。以上分析表明，两种土地利用方式0—50 cm土层平均土壤含水量具有明显的季节变化特征，夏季到秋冬季节土壤含水量整体上是随时间的变化呈增加趋势。这部分研究规律与王艳萍等[23]在研究黄土塬区不同土地利用方式土壤水分随时间的动态变化特征趋势大致一致。

3.2 不同地类土壤水分垂直剖面分布特征

对研究区两种土地利用方式2020年6—11月土壤水分垂直变化特征进行观察发现(图3)，土壤水分得到大量补充后又受到高度消耗，其垂直变化表现出不同的特征。

图3 不同地类土壤水分垂直变异性

灌木地0—50 cm土层土壤含水量随土层深度的增加而减少，10，20，30，40，50 cm的平均土壤含水量分别为0.122，0.112，0.095，0.083，0.043；荒草地土壤含水量也表现为同样的趋势，各土层的土壤含水量分别为0.111，0.107，0.105，0.090，0.080。两种土地利用方式20—40 cm土层土壤含水量差异不显著，但荒草地10 cm处土层CV值为27.31%>灌木地CV值17.21%，分析其原因，表层土壤含水量既受降雨量的影响，又受植被盖度(影响蒸发)和根系分布的影响[24]，使得土壤含水量变化较大，草本植物的根系生物量分布主要集中在表层土层[25]，因此表层土壤水分变化较灌木地剧烈；在50 cm土层处，灌木地土壤含水量急剧减少，CV值为62.05%>荒草地CV值40.60%，在0—100 cm土层深度范围内，柠条细根主要分布在 30 cm土层深度以下，其根重密度和根长密度随土层深度的增加呈相同变化趋势，最大值均出现在 50—60 cm土层[26]，因此灌木地这部分土层表现出较高的变异性。总体来看，土地利用类型对垂直方向上土壤含水量的分布特征影响显著，灌木地对深层土壤水分的消耗明显要高于荒草地。

3.3 不同地类土壤水分对降雨过程的响应

通过研究降雨前后两种土地利用方式不同深度土壤含水量随时间的变化特征发现，灌木地和荒草地土壤含水量的动态变化和累计降水量的变化是基本一致的，降水量越大，降水雨量级越高，土壤含水量对降水的响应就越显著。

如图4—5所示，7月份和8月份发生了两次大的降水过程，降水量分别为35.6，34.4 mm，7月份降水前期研究区没有降雨发生，可以明显观察到降水前期荒草地0—50 cm土层土壤含水量稳定在一个较低的水平，变化不大；而灌木地10 cm土层土壤含水量略有波动，因为灌木地植被丰富，林下生物量多，表层土壤含水量变化较为活跃；50 cm土层土壤含水量明显要低于其他土层土壤含水量，这部分土层是柠条细根的集中分布层，植被耗水量较大，这与灌木地土壤水分垂直分布特征一致。

图4 不同土地利用方式7月份土壤含水量变化

当降水入渗到某一土层时，土壤水分传感器会做出响应，在灌木地和荒草地均观测到5个响应，表明这两次降水强度足以入渗到50 cm土层深度，但是各土层对降雨响应的时间不同，灌木地各土层土壤含水量对降雨的响应时间约为雨后3，8，22，30，35 h，荒草地各土层土壤含水量对降雨的响应时间约为雨后4，11，23，28，33 h，总体表现为浅层土壤含水量对降雨的响应迅速，随着土层深度的增加，土壤含水量对降雨的响应时间也在增加，存在着滞后效应。0—30 cm土层灌木地对降雨的响应时间要小于荒草地，且灌木地受到降雨补充后土壤水分峰值要大于荒草地，分析原因可能是荒草地植被覆盖度比灌木地大，植被生长茂盛，地上生物对降雨有截留作用，降雨到达地面时间增大，到达地面的有效降雨量减少，且这部分是荒草地植物根系分布的主要土层，因此导致荒草地表层土壤水分对降雨的响应时间大于灌木地且土壤水分的有效补给量要小于灌木地；30—50 cm这部分土层中，灌木地土壤含水量对降雨的响应时间要大于荒草地，且土壤水分峰值要略小于荒草地，与表层土壤水分呈现出相反的规律，柠条细根分布在30 cm土层深度以下，其根重密度和根长密度随土层深度的增加呈相同变化趋势，最大值均出现在50—60 cm土层，因此这部分土层受到柠条根系的吸收作用及下渗作用，导致其对降雨的响应时间和降雨后的土壤水分峰值要小于荒草地。

如图5—6所示，8月份和9月份研究区共发生了19次小降水事件，8月15号的两次小降水事件降雨量分别为0.6，0.2 mm，仅0—20 cm表层土壤水分做出了响应，；9月18—27日发生了陆陆续续的小降雨事件，仅0—10 cm土层土壤含水量对降雨作出了响应，单次降雨量过小，地面生物对降雨有拦截作用，到达土壤表层的有效降雨量有限，难以入渗到更深层次的土层。8月份前期土壤水分分布，灌木地0—50 cm土层土壤含水量大小顺序为：10—20 cm>30—40 cm>20—30 cm>0—10 cm>40—50 cm，7月份降水对土壤水分作了补充，但50 cm处土壤含水量最低，因为此处是柠条细根大量分布的地方，土壤水分消耗较快，而0—10 cm土层受到植被蒸散发和水分蒸发的作用，含水量也较低；荒草地0—50 cm土层土壤含水量大小顺序为：40—50 cm>30—40 cm>20—30 cm>10—20 cm>0—10 cm，降水对土壤水分补充后，荒草地根系分布较浅，深层土壤水分未受到大量消耗，而浅层土壤水分受到草类植被根系吸收和蒸腾作用的影响，导致土壤水分在垂直剖面上从上到下是依次减少的，这一现象也侧面说明了柠条灌木地比荒草地要更耗水。

图5 不同土地利用方式8月份土壤含水量变化

图6 不同土地利用方式9月份土壤含水量变化

4 结 论

(1) 不同土地利用方式的土壤含水量表现为明显的时间特征，监测期内两种土地利用方式平均土壤含水量变化趋势相似，土壤含水量随时间的变化与降雨随季节的变化相同，但存在着滞后效应，总体上平均土壤含水量表现为荒草地>柠条灌木地，柠条灌木地比草地更加耗水。

(2) 灌木和荒草地两种土地利用方式0—50 cm土层土壤含水量垂直变化趋势相似，总体上随着土层深度的增加而减少，土壤含水量随土层深度的增加变化剧烈，土地利用方式对土壤含水量的垂直分布的变化及其变异性特征有一定的影响；相比荒草地，灌木地对深层土壤水分消耗更多。

(3) 不同土地利用方式土壤含水量受降雨的影响较大，浅层土壤水分对降水的响应迅速，随着土层深度的增加土壤水分对降水的响应时间逐渐增加；灌木地和荒草地垂直方向上各土层对降雨响应也表现为不同规律，灌木地0—30 cm土层土壤含水量对降雨的响应时间小于荒草地，且灌木地降雨后的土壤含水量峰值要高于荒草地，而30—50 cm土层表现出相反的规律。

不同土地利用方式对土壤水分的变化存在着一定影响作用，本文仅分析了典型的灌木和荒草地土壤含水量变化规律，关于植被恢复重建的其他土地利用方式和大暴雨作用下的深层土壤水分变化特征还需要进一步研究。