延河流域人工与自然植被土壤水分空间差异性研究

张春梅， 张 锋， 张立鹏

(宁夏农业勘查设计院，宁夏银川 750002)



延河流域人工与自然植被土壤水分空间差异性研究

张春梅， 张 锋， 张立鹏

(宁夏农业勘查设计院，宁夏银川 750002)

[目的]研究延河流域自然植被与人工植被土壤含水量及其空间变化，为黄土高原土壤水分的利用和人工植被建设提供理论依据。[方法]针对延河流域人工植被建造存在植被退化问题，根据降雨温度变化，将延河流域划分为17个环境梯度单元，对自然植被与人工植被进行了野外调查，研究了降雨梯度、坡位及坡向对植被0～500cm土层土壤含水量的影响。[结果]流域内土壤水分具有很强的空间变异性。自然植被0～500cm土壤含水量为8.15%，变异系数为33.12%；人工植被土壤含水量较低，仅6.74%。地形因子能够显著影响自然植被与人工植被的土壤含水量，自然植被不同坡位和坡向的0～500cm土壤含水量大于人工植被。[结论]综合考虑土壤水分生态环境的可持续性，阴坡下与平地相对适合人工植被的营造，在植被配置时，需要考虑植被类型及耗水特点。

延河流域；土壤含水量；空间变化；降雨梯度

黄土高原是我国甚至世界上水土流失最为严重的地区之一[1-2]。多年来，国家投入了大量财力、物力和人力在该地区进行植被恢复重建工作，但因自然环境的制约及植被恢复规划等方面的不足，导致人工恢复植被仍面临较大困难。研究表明，物种选择不当、植被结构简单、物种组成单一等问题严重影响着生态环境恢复与重建效益的发挥[3-5]。未充分考虑立地环境的空间变异性和植被空间分布的地带性规律，忽略环境条件特别是土壤水分条件的制约是导致上述问题的重要成因[6-7]。因此，研究延河流域土壤水分空间变化是该地区植被恢复重建需要解决的关键问题。笔者以黄土高原延河流域为研究对象，分析了降雨梯度、坡位、坡向对自然植被群落(视为理想状态)和人工植被土壤水分的影响，评价了该流域自然植被与人工植被土壤含水量及其空间变化，以期为黄土高原土壤水分的利用和人工植被建设提供理论依据。1材料与方法

1.1研究区概况延河流域位于108°45′～110°28′E，36°23′～37°17′N，属黄河中游河口镇-龙门区间的一级支流，流域全长286.9km，总面积7 687km2。年降水偏低且季节分配极不均匀，年均降雨量为500mm左右；年均气温约9 ℃，呈现从东南向西北递减的趋势；多年平均水面蒸发量为897.7～1 067.8mm。流域植被区划属于森林草原地带，从南向北依次为森林区、森林草原区和草原区。流域植被分布从南向北依次为森林[主要植被带为南部崂山的刺槐(Robinia pseudoacacia)、辽东栎(Quercus liaotungensis)、油松(Pinus tabulaeformis)、阔叶-针叶混交林带]、森林草原[主要植被带为中部延安到安塞之间的柠条(Caragana intermedia)、白羊草(Bothriochloa ischaemun)]、草原带和草原[安塞以北的百里香(Thymus vulgaris)、长芒草(Stipa bungeana)]，植被类型随环境梯度变化明显。全流域分布有大量人工种植的乔灌植被，其中，流域的中北部植被存在有比较严重的退化现象。1.2数据来源该研究所需数据主要涉及影响植被分布的环境要素，如地形和气候因子，其中DEM数据为ESRIGrid格式的数据，空间分辨率大小为25m，由中国科学院水土保持研究所区域水土保持研究室提供[8]。

1.3样品采集针对研究区特征，根据降雨和温度变化，将延河流域划分为17个环境梯度单元[8]。在这些单元内，降雨、温度具有相对的一致性。在整个流域内按照环境梯度单元，从西北向东南进行采样，调查自然植被样点109个，人工植被样点90个(图1)，调查时间分别为2008和2010年的7、8月。样方选定后，记录采样的时间、样地号、地点名称、样地面积、经纬坐标、样地主要植被类型、地形、坡度、坡向、海拔等信息。在样方内采集0～500cm深度的土壤，采集间隔距离为20cm，土壤样品采集后密封，带回实验室于105 ℃烘至恒重后称重，然后计算干土重的土壤含水量。土壤含水量=(湿土质量-干土质量)/干土质量×100%。

图1　延河流域地理位置及野外调查样点分布Fig.1　Geographic location and field investigation sample distribution in Yanhe Basin

2　结果与分析

2.1流域土壤含水量空间变化

2.1.1自然植被土壤含水量空间分布。为研究自然植被0～500cm土壤含水量的空间变化，笔者将108个样本0～500cm土壤含水量平均值在ArcGIS中采用克里格插值法，绘制研究区自然植被0～500cm土壤水分空间分布情况(图2)。从图2可见，流域北部0～500cm土壤含水量较低，中南部土壤含水量整体较高。据统计，流域内土壤含水量具有很强的空间变异性，0～500cm土壤含水量最高值为16.44%，最小值为3.22%，平均值为8.15%，变异系数为33.12%。土壤含水量的空间分布主要受植被类型与降雨的影响。一般来说，在没有人为干预的情况下，植被类型、密度会形成与降雨条件基本一致的稳定群落，此时不会形成土壤干层。流域北部土壤含水量较小，一方面是由于降雨量较小、蒸发量较大，另一方面自然植被多生长在峁顶、坡上(在野外调查中发现坡中下较缓的地方或者沟谷底部种植人工植被较多，自然植被分布于坡上及峁顶)，土壤水分条件较差。中南部区域土壤含水量较高，主要受当年降雨的补充、恢复，使土壤储水量能够得到及时有效的恢复，促进了水分循环。

图2　延河流域自然植被土壤含水量空间分布Fig.2　Spatial distribution of soil water content in natural vegetation in Yanhe Basin

2.1.2人工植被土壤含水量空间分布。从图3可见，延河流域人工植被0～500cm土壤含水量表现为西北较低，东南逐渐增高。延河流域南部土壤0～500cm平均含水量较高(7.12%)，主要原因是该地人工植被分布较少，雨水资源较丰富；延河流域北部土壤0～500cm平均含水量较低(6.35%)，局部出现土壤干层，原因是该地区降雨量较少，加之大面积的人工植被消耗深层土壤水分。

图3　延河流域人工植被土壤含水量空间分布Fig.3　Spatial distribution of soil water content in artificial vegetation in Yanhe Basin

从图2、3可见，人工植被中部与南部土壤含水量比同地域自然植被土壤含水量小得多，特别是安塞北部土壤含水量差别相当大。根据实地采样的记录表明，安塞北部人工植被分布较广。人工乔木林已经形成较大的生物量，但是有明显的衰退之势，枝头干枯。

2.2土壤含水量随降雨梯度的变化

2.2.1自然植被土壤含水量随降雨梯度的变化。利用每个降雨梯度所有样点0～500cm土壤含水量得出的平均值与降雨梯度进行线性、指数、对数、幂函数等方程拟合，发现对数函数最适宜土壤含水量与降雨梯度的模拟[y=1.155 3ln(x)+ 5.561 3，R2=0.500 9)达到显著相关水平。流域土壤含水量在降雨梯度上呈递增趋势(图4)，在降雨量为430～460mm时土壤含水量属于快速增长阶段，原因是降雨量的增加有利于对土壤水分进行补充；但是在一定范围内(465～520mm)土壤含水量增加幅度没有明显的线性关系，可以解释为随降雨梯度的增加，尽管降雨量有所增加，但同时温度也在升高，促进了土壤水分的蒸发，从而使土壤水分的散失增加，进而延缓了土壤含水量升高的幅度。

图4　自然植被土壤含水量随降雨梯度的变化Fig.4　Changes of soil water content in natural vegetation with rainfall gradient

2.2.2人工植被土壤含水量随降雨梯度的变化。从图5可见，人工植被0～500cm土壤含水量在降雨梯度上没有明显的变化规律，波动较大。由于采样时间在7、8月份，该区正值雨季，而北部降雨量为435～440、445～450和450～455mm时，土壤含水量低于凋萎湿度，出现严重亏缺，深层土壤含水量未得到相应的补偿、恢复，这表明较高的生物量消耗土壤深层土壤水分，使土壤水分生态环境平衡遭到破坏。这些新问题的出现使人们重新认识人工植被建设的价值，从而重新建立人工植被的评价体系(植被土壤水分生物量承载力评价方法)及植被格局的配置体系。

图5　人工植被土壤含水量随降雨梯度的变化Fig.5　Changes of soil water content in artificial vegetation with rainfall gradient

2.3土壤含水量随地形的变化

2.3.1自然植被与人工植被土壤含水量随坡位的变化。从图6可见，流域内不同坡位自然植被0～500cm土壤含水量高于人工植被，不同坡位对自然植被和人工植被土壤含水量的影响不同。相同坡位下自然植被与人工植被0～500cm土壤含水量差异性不同，平地、坡上的自然植被和人工植被之间无显著差异，坡下与坡中自然植被0～500cm土壤含水量显著高于人工植被。人工植被营造在坡上会引起坡上土壤含水量过度消耗，而在平地营建人工植被对深层土壤含水量影响不明显。因此，在进行人工植被的营建时，应该尽量避开坡上，选择在坡下或者平地。

注：图中同一坡位不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note：Different lowercases in the same slope position indicated significant differences (P< 0.05).图6　植被土壤含水量随坡位的变化Fig.6　Changes of soil water content in vegetation with Slope position

注：图中同一坡位不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note：Different lowercases in the same slope position indicated significant differences (P< 0.05).图7　植被土壤含水量随坡向的变化Fig.7　Changes of soil water content in vegetation with slope direction

2.3.2自然植被与人工植被土壤含水量随坡向的变化。从图7可见，半阴坡自然植被0～500cm土壤含水量最高，为9.00%；阳坡人工植被土壤含水量最小，仅5.48%，显著低于阴坡，严重导致深层土壤水分亏缺。相同的坡向，人工植被土壤含水量与自然植被土壤含水量差异显著。不同的坡向，自然植被0～500cm土壤含水量从大到小依次为半阴坡、阴坡、阳坡、半阳坡；人工植被0～500cm土壤含水量从大到小依次为阴坡、半阴坡、半阳坡、阳坡。半阴坡与阴坡土壤含水量较高，原因是植被蒸腾蒸散作用相对较弱。综合比较，人工植被阴坡土壤含水量相对接近自然植被土壤含水量，因此进行人工植被营造时，可以优先考虑在阴坡。3结论与讨论

(1)土壤含水量是黄土高原植被生长发育的重要限制因子，因此土壤含水量是判定一个植物群落健康或退化的重要指标[9-10]。该研究表明，延河流域北部自然植被0～500cm的土壤含水量较低，中南部土壤含水量整体较高；沿着降雨梯度，土壤含水量呈对数增长趋势。人工植被0～500cm土壤含水量西北较低，东南逐渐增高，在降雨梯度上波动较大，空间变异性较强。穆兴民等[11]研究表明，人工林草植被使土壤含水量降低，甚至造成人为干层，这与笔者的研究结果一致。人工植被的建设可能会导致新的植被种类和种群生长模式的形成[12]，使植被群落与降雨量之间的平衡被破坏，导致土壤水分的长期过度消耗，造成土壤干层。因此，延河流域人工植被的建设必须参考自然植被的水分环境条件，因地制宜，才能探寻到适宜流域人工植被的种植或恢复模式。

(2)该研究发现，地形因子能够显著影响自然与人工土壤含水量。综合考虑土壤水分生态环境的可持续性，笔者认为阴坡坡下与平地相对更适宜人工植被的营造，但在植被配置方面，仍需考虑植被类型及耗水特点等。

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SpatialDifferenceofSoilWaterContentsbetweenArtificialandNaturalVegetationsinYanheBasin

ZHANGChun-mei，ZHANGFeng,ZHANGLi-peng

(NingxiaAgriculturalInstituteofSurveyandDesign,Yinchuan,Ningxia750002)

[Objective]TostudysoilwatercontentofartificialandnaturalvegetationsinYanheBasinandtheirspatialvariation,andtoprovidetheoreticalfoundationforthesoilwateruseandartificialvegetationconstructioninLoessPlateau.[Method]AccordingtotheproblemofartificialvegetationdegradationinYanheBasin,wedividedtheYanheBasininto17environmentalgradientunitsbasedontherainfallandtemperaturechanges,Fieldinvestigationwascarriedoutontheartificialandnaturalvegetations.Effectsoftherainfallgradient,slopepositionandslopeon0 - 500cmsoillayerwatercontentwereresearched.[Result]SoilmoisturehadastrongspatialvariabilityinYanheBasin.The0-500cmsoilwatercontentofnaturalvegetationwas8.15%andcoefficientofvariationwas33.12%.Thesoilwatercontentofartificialvegetationwaslowerthannaturalvegetation.Volatileterrainfactorscouldsignificantlyaffectsoilmoistureinthenaturalandartificialvegetation.The0-500cmsoilcontentofnaturalvegetationwashigherthanthatofartificialvegetationindifferentpositionandaspectofslope.[Conclusion]Consideringthesustainabilityofsoilmoistureecologicalenvironment,itisconcludedthatshadyslopeofmountainandflatlandismoresuitableforplantingartificialvegetation.Butduringvegetationallocation,weshouldconsiderthevegetationtypeandwaterconsumptioncharacteristics.

YanheBasin;Soilwatercontent;Spatialvariation;Rainfallgradient

张春梅(1985- )，女，宁夏银川人，助理工程师，硕士，从事农业土地勘察研究。

2016-05-06

S181

A

0517-6611(2016)18-049-03