侧面蒸发条件下土壤水分及养分分布特征——以黄土高原北部沟岸地为例

李 涛

(1.陕西华正生态建设设计监理有限公司，陕西 西安 710004；2.水利部 水土保持监测中心，北京 100055)

侧面蒸发条件下土壤水分及养分分布特征
——以黄土高原北部沟岸地为例

李 涛1,2

(1.陕西华正生态建设设计监理有限公司，陕西 西安 710004；2.水利部 水土保持监测中心，北京 100055)

侧面蒸发；土壤养分；土壤水分；黄土高原

为全面了解黄土高原北部地区沟岸地土壤水分养分的分布情况，为该区植被恢复和农业生产提供理论依据，采用野外调查取样和室内分析相结合的方法，按照不同的距离，分析沟岸地土壤速效磷、速效钾、有机质的特征，结果表明：①侧面蒸发条件下，沟岸地土壤水分含量随着距沟壁距离的增加有上升趋势，双侧面蒸发导致土壤水分含量在东西两侧均低于单侧面蒸发；②单侧面蒸发条件下土壤有机质含量在0～20 cm土层和20～100 cm土层均低于对照，双侧面蒸发条件下土壤有机质含量则呈西高东低的趋势；③单侧面蒸发条件下土壤速效磷含量与对照差异不大，双侧面蒸发条件下土壤速效磷含量明显高于对照，且呈中间高、靠近沟壁处低的规律；④侧面蒸发对土壤速效钾含量的影响不明显。

黄土高原是世界上土壤侵蚀最严重的地区之一，受多种侵蚀营力作用，形成了一系列复杂而特殊的地形，如水流切割形成千沟万壑的地貌特征，以及由于黄土的垂直节理发育，重力侵蚀造成侵蚀沟沟壁陡直等，进一步形成多种沟间地貌，如塬、梁、峁[1]。这些复杂的地貌特征与土壤侵蚀的关系密切，尤其是陡直裸露的切沟沟壁受到如太阳辐射、降雨和强烈的蒸发[2-3]等复杂的水热条件影响，对土壤水分养分的分布也会有直接影响。在该地区，接近沟壁的沟岸地上林相较差，沟沿处向内20 cm左右几乎无植被分布，说明沟壁强烈的侧面蒸发作用致使沟岸地水肥条件较差。因此，研究沟壁侧面蒸发条件下沟岸地土壤水分养分的分布规律和变化规律，有助于提高土壤水分养分资源的利用，并为该地区农业生产和生态恢复提供依据。

在地形对土壤水分养分分布的影响方面，国内外学者已经做了大量研究。MILLER et al.[4]发现，土壤特性及其小麦产量与坡位具有明显的相关性，这些变异主要是由土壤侵蚀造成的。 CIHA[5]、GEIGER et al.[6]研究表明，微地形对土壤养分水分状况具有明显的影响。潘成忠等[7]认为，在黄土高原，坡地土壤水分养分含量的横向变化大于纵向变化。霍竹等[8]认为，沟岸柠条坡地距沟沿不同距离的土壤剖面储水量与沟沿距离间的关系可以用线性函数y=ax+b来表达。郑纪勇等[9]通过进一步研究，认为距沟沿不同距离的土壤剖面储水量增量与距沟沿距离间无明显相关性，而距沟沿不同距离的土壤剖面储水量与距沟沿距离间的关系用幂函数y=axb(其中a、b为经验常数)表达更为可信。

本研究在黄土高原水蚀风蚀交错区，通过对沟岸地(本研究中提到的沟岸地主要指黄土塬和沟间坪地)土壤水分养分含量的测定，从土层深度和距沟壁不同距离两个方面确定单侧沟壁蒸发条件下和双侧沟壁蒸发条件下土壤水分养分的分布特征，以期为该区植被恢复和农业生产提供理论依据，为进一步研究黄土高原水分养分特征提供研究基础。

1 研究地区和研究方法

1.1 研究地区

本研究区域位于陕西省榆林市神木县六道沟小流域，地理坐标为东经110° 21′～110° 23′、北纬38° 46′～38° 51′，海拔1 081.0～1 273.9 m。该区地处黄土高原向毛乌素沙地过渡地带，同时也是以水力侵蚀作用为主的黄土丘陵区向以干燥剥蚀作用为主的鄂尔多斯高原过渡的地带，为典型的盖沙黄土丘陵区。气候类型属中温带半干旱气候，特点是冬春季干旱少雨、多风沙，夏秋季多雨且多暴雨及冰雹。多年平均降水量为437.4 mm，降水量年内、年际变化较大，7—8月份降水量约占全年降水量的50%以上。年均气温8.4 ℃，≥10 ℃活动积温为3 248.0 ℃，全年日照时间为2 837.7 h，年总辐射量为5.922 GJ/m2，年平均风速2.5～2.7 m/s，年最大风速为9.68～14.45 m/s(约6级)，全年大于5级风的时间为45 d，大于8级风的时间约16 d，秋末冬春盛行西北风，夏季盛行东南风。从植被区划来讲，该区属于森林草原与典型草原的过渡带。植被类型为干旱草原，地带性植被为温带草原植被景观，天然植被大部分已经遭到破坏，残存的天然草场也已严重退化、沙化，长茅草、达乌里胡枝子、沙竹等沙生植物分布比较广泛，沙柳、柠条、沙蒿等灌木、半灌木在该地区生态环境中占据着比较重要的地位。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择

所选择的切沟走向为东西走向，属于主沟道发育的二级支沟，沟深 12～15 m、宽 25～30 m、长大约100 m，沟道截面基本上呈U形。单侧面蒸发条件下的样地选择在沟岸地宽约30 m的东侧沟壁边，双侧面蒸发条件下的样地选择在宽为6.0 m的沟间坪地上。样地均为退化的苜蓿地，坡度均小于5°。样点选取位置见图1。

图1 采样点位置示意

1.2.2 样品采集与测量管布设

单侧面蒸发条件下样品采集点为沿直线选择距沟壁20、100、200、300 cm的4个点，对照样点(CK1)选在距沟壁约700 cm处。双侧面蒸发条件下样品采集点为沿直线选择距东西两侧沟壁分别为20、100、300的5个点(中间点距东西两侧沟壁均为300 cm)，分别标记为E20、E100、M300、W100、W20(在测定水分时为提高分析精度，增设距两侧沟壁分别为200 cm的2个点E200、W200)，E表示东侧，W表示西侧，M表示中间，字母后的数字代表样点距沟壁的距离，单位为cm；对照样点(CK2)选在宽14～15 m的沟间坪地的中部。养分样品采集深度为1 m，以20 cm为间隔；水分样品采集深度为3 m，用土钻法采集，以20 cm为间隔，采集完样品后布设TDR测量管。

1.2.3 测定方法

土壤水分用烘干法测定，在105 ℃烘8 h；风干土过2 mm筛，采用HCl-H2SO4双酸浸提法测定速效磷；风干土过0.25 mm筛，采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质；速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度计法。

2 结果与分析

2.1 沟岸地水分分布特征

侧面蒸发条件下沟岸地土壤水分剖面特征见图2。由图2(a)可知，沟壁的单侧面蒸发作用致使沟岸地土壤水分整体较低，大部分接近萎蔫含水量，其作用强度随距沟壁距离的增加而减弱，对距沟壁20 cm处土壤水分的影响最为显著。单侧面蒸发条件下，各样点深度100 cm以上土层土壤水分无明显差异；在深度100 cm以下， 同一土层深度上沟岸地土壤含水量随着距沟壁距离的增加而增加， 含水量最低的为距离沟壁20 cm处，该处平均含水量明显低于距沟壁100 cm处，且在100～260 cm深度处的土壤含水量均小于萎蔫含水量，260～300 cm深度的土壤含水量也接近萎蔫含水量。整体上随着距沟壁距离的增加，土壤水分含量呈上升趋势，但变化逐渐变小。

图2 单、双侧面蒸发条件下沟岸地土壤水分剖面特征

由图2(b)(c)可看出，双侧面蒸发条件下沟岸地土壤水分分布特征在东西两个方向上略有不同。从西侧来看，土壤水分含量低于萎蔫含水量的深度出现在约150 cm以下，并且距沟壁不同距离处同一深度的土壤含水量差异不大。从东侧来看，平均含水量较西侧略低，距沟壁20、100、200和300 cm处的土壤含水量开始低于萎蔫含水量的深度分别约为120、140、160和160 cm，随着距沟壁距离的增加土壤含水量增加。

经取样在实验室测定，单侧面蒸发条件下3 m深土壤储水量为408.83 mm，双侧面蒸发条件下东西两侧测定范围内(以中间为界)3 m深土壤储水量分别为317.96和355.69 mm，即在测定范围内单侧面蒸发条件下土壤储水量较双侧面蒸发条件下东西两侧储水量分别高22.2%和12.9%。这说明双侧面蒸发条件下土壤水分亏缺比单侧面蒸发条件下更为严重。

2.2 有机质含量特征

经取样在实验室测定并分析数据得知，0～20 cm土层土壤有机质含量双侧面蒸发条件下较单侧面蒸发条件下高6.02%，而0～80 cm土层有机质含量则低18.95%，说明单双侧面蒸发条件下土壤有机质含量和分布不同。

据实验室测定结果和图3(a)可知，在双侧面蒸发条件下，沟岸地表层0～20 cm土壤有机质含量明显高于下层，样点E20、E100、M300、W100、W20的表层0～20 cm的有机质含量分别是0～80 cm土层平均值的4.58、2.92、2.54、2.23和1.92倍。20～100 cm深度土壤有机质含量的变化规律东西方向有所不同，沟岸地东侧土壤有机质含量的变化无明显规律，但对照和沟岸地西侧，除W100处80～100 cm土层有机质含量略大于60～80 cm土层外，其余各样点的土壤有机质含量都是随土层深度的增加而减少。横向来看，总体西侧比东侧高9.58%；与对照相比，沟岸地0～20 cm土层的有机质含量各样点有高有低，无明显规律，20 cm以下土层的有机质含量沟岸地东西两侧均低于对照。总体来看，沟岸地中部M300样点的土壤有机质含量最低。

图3 距沟壁不同距离处土壤有机质含量

注：图上字母表示同一深度土层在距沟壁不同距离处养分含量的方差分析结果，字母不同表示在0.05水平上差异显著，下同。

据实验室测定结果和图3(b)可知，单侧面蒸发条件下，土壤有机质含量在0～20 cm土层最高，距沟岸地20、100、200、300 cm处各样点的0～20 cm土层有机质含量分别是其0～80 cm土层平均值的4.58、2.92、2.54和2.23倍，对照样点0～20 cm土层有机质含量为其0～80 cm土层平均值的1.92倍。随土层深度的增加，各样点土壤有机质含量的变化无明显规律。横向来看，除距沟岸地300 cm处样点的60～100 cm土层土壤有机质含量显著高于对照样点60～100 cm土层外，沟岸地各样点土壤有机质含量均不同程度地低于对照样点同一深度的含量。经实验室测定，距沟岸地20、100、200和300 cm处各样点0～20 cm表层土壤有机质含量较对照样点分别低6.34%、22.73%、26.98%和13.57%，即随距沟壁距离的增加，0～20 cm表层有机质含量呈先减少后增加的趋势；20～100 cm土层有机质平均含量各样点则较对照样点分别低60.90%、45.86%、43.61%和24.81%，即随距沟壁距离的增加，20～100 cm土层有机质含量呈逐渐增加的趋势。

2.3 速效磷含量特征

由图4可看出，纵向上，在双侧面蒸发条件下，沟岸地东侧和对照样点土壤速效磷含量随土层深度的增加先减小，后呈波动上升趋势，而沟岸地西侧除0～20 cm外为先升高后波动下降趋势； 在单侧面蒸发条件下，土壤速效磷含量在0～40 cm土层呈下降趋势，40～100 cm则呈上升趋势。横向上，双侧面蒸发条件下沟岸地土壤速效磷含量显著高于对照，且随着距沟壁距离的增加土壤速效磷含量增加，沟岸地东侧土壤的速效磷含量略低于西侧；单侧面蒸发条件下，沟岸地土壤速效磷含量整体而言与对照组差异不显著，距沟壁200 cm处土壤速效磷含量最高，距沟壁300 cm处土壤速效磷含量最低，而在距沟壁20和100 cm处，表层土壤速效磷含量较低，底层土壤速效磷含量较高。

图4 距沟壁不同距离处土壤速效磷含量

2.4 速效钾含量特征

由实验室测定结果和图5(a)可知，双侧面蒸发条件下土壤速效钾含量随深度的变化无明显规律，经测算相邻土层土壤速效钾含量的变化范围为0.2%～27.1%；而对照样点土壤速效钾含量在0～80 cm随土层深度的增加逐渐上升，80～100 cm略有下降，相邻土层的变化范围为0.3%～14.3%。由此可见，双侧面蒸发条件下不同深度土层土壤速效钾含量波动较明显。横向来看，双侧面蒸发条件下土壤速效钾含量整体水平低于对照，沟岸地东侧略高于西侧，沟岸地中部即M300处土壤速效钾含量最低。

图5 距沟壁不同距离处土壤速效钾含量

由图5(b)可知，单侧面蒸发条件下，各样点0～20 cm土层土壤速效钾含量均高于下层土壤，除距沟壁300 cm处样点80～100 cm土层速效钾含量较60～80 cm土层升高20.7%外，其他各样点20～100 cm深度相邻土层速效钾含量的变化均低于11.7%，变化不明显。横向来看，单侧面蒸发条件下沟岸地土壤速效钾含量均高于对照，0～20 cm土层土壤速效钾含量在距离沟壁200 cm处陡然增至(189.91±5.34)mg/kg，其他各点在横向上无明显变化。

3 结论与讨论

(1)侧面蒸发条件下，沟岸地土壤水分含量随着距沟壁距离的增加有上升趋势，双侧面蒸发的土壤水分含量在东西两侧均低于单侧面蒸发。单侧面蒸发条件下各样点土壤有机质含量在0～20 cm土层和20～100 cm土层均低于对照，双侧面蒸发条件下土壤有机质含量则呈西高东低的趋势。单侧面蒸发条件下土壤速效磷含量与对照组差异不大，双侧面蒸发条件下土壤速效磷含量明显高于对照，且呈中间高、靠近沟壁处低的规律。

(2)土壤水分是土壤最主要的组成成分之一，也是植物生长的限制条件之一。研究发现，沟岸地距沟壁距离不同，同一土层的土壤含水量有明显差异，并且距离沟壁越近差异越大。黄土高原北部地区侵蚀沟道两侧沟壁大都裸露，强烈的蒸发使土壤水分降低，造成土壤横向水势差，因此距沟壁较远的土壤水分含量高，距沟壁越近蒸发越强烈、水分含量越低。在双侧面蒸发条件下，土壤水分横向分布与单侧面蒸发条件下土壤水分分布规律一致，但是由于该地夏季盛行东南风，东侧沟壁受盛行风的影响，侧面蒸发作用较西侧强烈，因而东侧水分比西侧亏缺更严重。

(3)土壤有机质的累积受气候、植被，还有地形、土壤营养元素、土壤质地、土壤pH值、人为活动等因素影响，随距沟壁距离的增加，土壤水分含量升高，有利于微生物活动，土壤有机质应该呈降低趋势，并且水分条件较好的对照样点对微生物活动较有利，有机质不容易积累。但研究还发现，据沟壁越近，水分状况越差，植物分布越稀疏，在靠近沟壁20 cm范围内，几乎无植物分布，这导致凋落物较少，因此出现前文分析的土壤有机质分布特征。同样，在双侧面蒸发条件下，水分状况较好的沟岸地西侧有机质含量大于水分含量相对较差的东侧，除微生物分解和凋落物归还外，迎风面与背风面的差异也是最主要的原因之一。

(4)在双侧面蒸发条件下M300处土壤有机质含量最低，而土壤速效磷含量最高，对照土壤有机质含量较高，而速效磷含量最低；在单侧面蒸发条件下，对照有机质含量略高于沟岸地，对照速效磷含量与沟岸地并没有明显差异，但数据方差分析结果显示，土壤有机质较高处速效磷含量较低，反之，则高。

(5)沟岸地土壤速效钾含量在横向上无明显的变化规律，但与对照相比，双侧面蒸发条件下沟岸地土壤的速效钾含量略低于对照，单侧面蒸发条件下则高于对照。土壤钾的含量主要受成土母质的影响，速效钾含量的影响因素则较多。

[1] 赵艳.黄土地貌简介[J].地理教育,2012(5):26-27.

[2] ZHENG Jiyong,WANG Limei,SHAO Ming’an,et al.Gully impact on the soil moisture in the gully bank[J].Pedosphere,2006,16(3):339-344.

[3] 席有.水土保持原理与规划[M].呼和浩特:内蒙古大学出版社,1991:11-66.

[4] MILLER M P,SINGER M J,NIELSEN D R.Spatial variability of wheat yield and soil proper ties on complex hills[J].Soil Science Society of American Journal,1988,52(4):1133-1141.

[5] CIHA A J.Slope position and grain yield of soft white winter wheat[J].Agronomy Journal,1984,76(2):193-196.

[6] GEIGER C S,MANU A,BATIONO A.Changes in a sandy Sahelian soil following crop residue and fertilizer additions[J].Soil Science Society of American Journal,1992,56(1):172-177.

[7] 潘成忠,上官周平.黄土半干旱区坡地土壤水分、养分及生产力空间变异[J].应用生态学报,2004,15(11):2061-2066.

[8] 霍竹,邵明安.黄土高原水蚀风蚀交错带沟岸灌木林地土壤水分变化[J],农业工程学报,2005,21(6):45-49.

[9] 郑纪勇,李裕元,邵明安,等.沟壁侧面蒸发与黄土高原环境旱化关系初探[J].中国水土保持科学,2006,4(3):6-10.

[10] 杨开宝,李景林,郭培才,等.黄土丘陵区第Ⅰ副区梯田断面水分变化规律[J].土壤侵蚀与水土保持学报,1999,15(2):64-69.

[11] 华孟,王坚.土壤物理学[M].北京:北京农业大学出版社,1992:28-30.

[12] BURGESS S S O,ADAMS M A,TUMER N C,et al.Tree roots:conduits for deep recharge of water[J].Oecologica,2001,126(2):158-165.

[13] MILLER R W,DONAHUR R L.Soil in Our Environment[M].7th ed.New Jersey,America:Prentice-Hall Inc,1995:7-99.

[14] PAL D,BROADBENT F E.Influence of moisture on rice straw decomposition in soils[J].Soil Science Society of American Journal,1975,39(1):59-63.

[15] 潘根兴.中国土壤有机碳和无机碳库量研究[J].科技通报,1999,15(5):330-332.

[16] 马溶之.中国土壤的地理分布规律[J].土壤学报,1957,5(1):2-11.

[17] 朱祖祥.土壤学:上册[M].北京:农业出版社,1983:2-8.

[18] AMADOR J A,GRRES H,SAVIN M C.Role of soil water content in the carbon and nitrogen dynamics ofLumbricusterrestrisL. burrow soil[J].Applied Soil Ecology,2005,28(1):15-22.

[19] 袁可能.植物营养元素的土壤化学[M].北京:科学出版社,1983:20-38.

[20] 陶士锋,徐晓峰,寇太记.土壤有机质对有效磷及水提取磷含量的影响[J].中国生态农业学报,2012,20(8):1054-1058.

[21] HONTORIA C,RODRIGUEZ-MURILLO J C,SAA A.Relationship between soil organic carbon and site characteristics in Peninsular Spain[J].Soil Science Society of American Journal,1999,63(3):614-621.

[22] 李国富,李华兴,简放陵,等.广东不同质地水稻土Q/I特征与钾肥施用技术的关系的研究[J].热带亚热带土壤科学,1995,4(1):36-40.

[23] 姚建武,段炳源,艾绍英.旱地赤红壤钾素的Q/I特性[J].土壤与环境,2000,9(3):243-245.

(责任编辑 徐素霞)

S159

A

1000-0941(2017)04-0054-05

李涛(1987—)，男，陕西榆林市人，助理工程师，学士，主要从事水土保持研究、管理、技术工作。

2016-06-19