延河流域不同植被带土地利用方式的土壤水分分析评价

张 哲，焦 峰，2，梁宁霞，王宗仁

（1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌712100；2.中国科学院水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌712100；3.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100；4.宝鸡市岐山县祝家庄镇农业办，陕西 岐山722403）

土壤水分是影响黄土高原植被恢复重建的重要生态限制因子［1］，同时也是决定土壤生产力的重要因素［2］。土壤中所有物质的运移，包括植物从土壤中吸取养分，都离不开土壤水分的作用［3］。一方面土壤水分状况影响植物和农作物生长，另一方面植被覆盖和土地利用也影响着土壤水分的含量及其分布［4］。黄土丘陵沟壑区属干旱半干旱地区，土层深厚，地下水埋藏很深，降水是植物生存的惟一水分来源［5］。土壤水分循环是较单纯的降雨下行入渗和水分上行蒸发过程［6］，由于人为活动的干涉该地区土地利用类型呈现多样化趋势［7－9］。因此，如何合理有效的开发利用土壤水分对于黄土丘陵区非常重要。

关于黄土丘陵区小流域不同土地利用方式下土壤水分的效应、动态变化、影响等方面的问题，国内已进行了广泛研究［10－13］，但是结合流域地带性对土壤水分的评价还很少。本文以整个延河流域为背景，选择三个典型植被带毛堡则流域（森林带）、陈家坬流域（森林草原带）、周家山流域（草原带）作为研究对象。引用土壤湿度评价指标，将土壤含水量和植被带及其土地利用空间分布结合起来，通过对不同植被带土地利用方式土壤水分变化的观测分析，因地制宜，为不同植被区域生态建设、水土资源的合理利用以及植被恢复提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

延河是黄河一级支流，流域地处陕西省北部，地理位置为36°23′—37°17′N，108°45′—110°28′E，包括安塞县、宝塔区和延长县的全部，以及志丹、靖边两县的部分地区，主要支流有西川河、南川河、杏子河等。流域总长约286.9km，面积7 679km2，平均坡度约4.3‰，河网密度约4.7km／km2。延河流域属于温带大陆性半干旱季风气候，年均气温约为9℃。流域年均降水量在500mm左右，其中6—9月降雨集中，约占全年降雨量的75%。流域内黄土丘陵沟壑区面积占全流域的90%，从东南向西北，降雨、温度具有明显的梯度变化特征。

延河流域从北向南可分为草原带、森林草原带、森林带3个植被带［14－15］，不同植被带之间植被状况差异明显，地形地貌特征亦有所差异，土地利用状况表现出不同的特征。各典型小流域基本信息见表1。

表1 典型小流域基本信息

1.2 不同植被带土地利用空间分布特征

将野外实地调绘的土地利用分类进行栅格转换和重分类，将小流域土地利用类型分成五大类：耕地、林地、灌木林地、草地和其他用地。其中其他用地包括了居民地、道路、水面等土地利用类型。对每个小流域的土地利用栅格图像进行统计分析，得到不同小流域土地利用分布状况表（表2）。由表2可见，小流域的土地利用结构呈现出不同植被带的基本特征，在毛堡则森林带流域中，林地所占面积最大，占流域面积的68%；在陈家坬森林草原带小流域中，以林地和草地为主，占流域总面积的75%；在周家山草原带小流域中，草地占的流域面积比例最大，达到了65%。耕地在所有流域中所占比例大小不尽相同，其中所占比例最大的是毛堡则小流域，达到了流域面积的11.56%，其次是陈家坬和周家山小流域，分别达到流域总面积的11.44%和8.29%。

表2 不同小流域土地利用分布状况 km2

1.3 样点选择与土壤水分测定

野外测定于2013年6月，雨季开始前进行。根据三个流域的纵深和地形地貌情况，纵深间隔距离约5km，每个小流域均选择3个断面，每个断面分为阴阳两个坡面，每个坡面由坡顶到坡底根据不同土地利用类型间隔约50m用土钻法测定土壤水分各取5～10个样地，测定深度为2m，每20cm取一个样。土壤水分含量用烘干法测定，用烘箱在105℃恒温下烘8～10h，结果以质量含水量表示。

土壤水分数据利用Excel2007及SPSS19.0统计完成，方差分析利用SPSS19.0（LSD法及Duncan法）完成。

2 结果与分析

2.1 不同植被带土壤水分总体分析

统计各小流域中所有采样点土壤含水量的平均值，作为该小流域土壤含水量的近似值，按照不同植被带将小流域进行归类，并比较不同植被带之间土壤含水量的大小。结果表明（表3）：不同植被带土壤含水量大小顺序为森林带（毛堡则流域）＞森林草原带（陈家坬流域）＞草原带（周家山流域）。其中，森林带土壤含水量为10.8%，森林草原带土壤含水量为8.4%，草原带土壤含水量为5.5%。通过方差分析得出，森林带与森林草原带及草原带土壤含水量差异极显著（P＜0.01），森林草原带和草原带土壤含水量差异显著（P＜0.05）。

表3 不同植被带下土壤含水量差异

观察分析不同植被带土壤含水量剖面变化发现（表4），在0—200cm土层中随着深度的增加各植被带土壤含水量均呈现增加趋势。其中，森林草原带和草原带不同深度土层土壤含水量差异显著，森林带土壤含水量无显著差异。森林草原带和草原带土壤含水量增加趋势明显而森林带趋势相对平缓。而导致森林草原带和草原带土壤含水量差异显著的原因可能是研究区土壤含水量测定时间在6月份，为土壤水分缓慢蒸发期［16］且样地温度相对较高，所以表层土壤水分蒸发量大，植物蒸腾作用及耗水量增强。同时，测定时间为雨季前，降雨量少，表层土壤水分无法得到补给造成表层土壤含水量低于深层，呈现出随着土层深度增加土壤含水量递增的趋势。此外，林地水分利用层较深，故植被深层土壤水分消耗大于草地与耕地。呈现出森林带不同深度土层土壤水分差异不显著，随深度变化不明显。

分别对3种植被带所有样地土壤含水量进行变异系数分析（表3）发现，同一植被带内部土壤含水量有较大差异。森林带、森林草原带、草原带变异系数分别为0.53，0.28，0.29。土地的不同利用方式会改变土壤性质和植被对地表的覆盖，从而影响土壤含水量［17］。因此，需对植被带不同土地利用空间分布及土壤水分进行分析比较。

表4 不同植被带土壤含水量剖面变化

2.2 不同植被带土地利用方式下土壤水分分析评价

为了对研究区的土壤水分变化情况作简单的分析评价，将植被带不同土地利用方式空间分布和其相应土壤含水量结合起来。根据前人研究成果，选择土壤湿度综合指数SHI［18］，作为评价指标。

式中：Pi——土壤含水量状态取值；Ri——面积百分比值。当土壤含水量在4.5%～7.36%时，土壤含水量状态取值0.32；7.36%～11.04%时，土壤含水量状态取值0.50；11.04%～14.72%时，土壤含水量状态取值0.70；14.72%～18.40%时，土壤含水量状态取值0.90。

2.2.1 不同植被带土壤湿度比较分析 总体来看（表5），三个植被带土壤湿度指数都小于24，土壤水分均处于较低状态。其中，森林草原带土壤湿度最高，其次是森林带，草原带土壤湿度最低。通过对植被带土壤水分观察分析发现，4种土地利用方式中，耕地土壤含水量都是最高，而灌木地土壤含水量最低，林地和草地土壤含水量无显著差异。这是由于，耕地多分布在沟台、坝地或流域坡度较小的地方，而坡度较大的地方均修建了梯田。沟台、坝地处于沟道中，长期受到沟道水及坡面径流的补给，而梯田具有改变原始地形，汇集径流的作用。此外，农作物耗水量一般低于乔灌木林地［19］，所以耕地土壤含水量高于其他土地利用类型。所测灌木林地主要以柠条林为主，由于柠条靠庞大的根系吸收土壤水分以及强烈的蒸腾作用得以在干旱的土地上生存［20］，所以流域内灌木地土壤水分最小。从3个植被带土地利用方式空间分布特征发现，耕地和灌木地在整个流域中所占面积较小，尽管耕地土壤含水量较大，但是对土壤湿度贡献率并不突出。而林地与草地占所测流域面积一半以上，对土壤湿度其主导作用。

表5 不同植被带土壤含水量及土壤湿度综合指数

2.2.2 不同土地利用方式土壤湿度分析比较 森林带4种土地利用方式中（表6），林地土壤湿度指数最高，为34.08，但仍处于干旱状态。耕地，草地，灌木地土壤湿度指数依次减小，均处于极干旱状态。尽管耕地土壤含水量最高且显著高于林地（P＜0.05），但是林地占地面积远大于耕地。所以在森林带，较其他土地利用方式，林地对土壤含水量的贡献最大。

在森林草原带，耕地土壤湿度指数为8.00，林地土壤湿度指数为15.46，草地土壤湿度指数为22.76，灌木地土壤湿度指数为2.24。总体来看，草地土壤湿度最高，林地略低于草地，其次是耕地，灌木地最低。4种土地利用类型均处于极干旱状态。通过方差分析发现，耕地土壤含水量显著高于林冠草地。林地和草地土壤含水量相近，无显著差异，且二者占小流域的面积高达75%，所以森林草原带土壤湿度有林地和草地共同作用。

在周家山流域草原带，草地占地面积为6.79 km2，占总面积一半以上，其次是林地，耕地，灌木地。从总体来看，草地土壤湿度指数最高，为20.71，而耕地、林地、灌木地土壤数度指数都小于5。4种土地利用方式中，草地对草原带土壤湿度贡献率最大，但是均处于极干旱状态。观察周家山流域土壤水分发现，草原带土壤含水量相对较小，这可能和草原带处于延河流域北部，降雨量较少有关。

表6 不同土地利用方式土壤含水量及土壤湿度综合指数

3 结论与讨论

（1）3种植被带均处于极干旱状态，土壤湿度森林草原带最大，其次是森林带，草原带最小。这与植被带不同土地利用方式空间分布及其土壤含水量有关。

（2）对整个延河流域，草地广泛分布于延河流域的北部、中部、西部、东部及东南部，林地主要分布在中部及南部广大区域。所选3个小流域，毛堡则小流域以林地为主，占流域面积一半以上；陈家坬小流域林地和草地均占主导作用，占流域总面积达75%；周家山小流域，以草地为主。耕地和灌木地均零星分布在3个小流域，耕地所占面积大于灌木地。

（3）不同植被带土壤含水量差异显著，森林带最高，其次为森林草原带，草原带最低。对不同植被带土壤水分的剖面变化分析表明，0—200cm土层中土壤含水量随着深度增加呈现增长趋势。

（4）不同植被带土地利用方式下土壤含水量变化基本相同。耕地的土壤含水量显著高于其他3种土地利用方式，这主要是与耕地坡度较小和修建梯田有关，同时还与农作物的耗水量相对较小有关。林地和草地土壤含水量无显著差异，这可能是由于乔灌木耗水量大于草本植物而草地较林地易产生径流两者共同作用造成的。灌木地土壤含水量最小。

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