植被类型和降雨量对沟谷地土壤水分和温度空间分布的影响

徐 明， 张 健,*， 刘国彬， 董继鑫， 石 露， 郑明清

(1．黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100； 2．贵州大学生命科学学院， 贵州 贵阳550025； 3．中国科学院生态环境研究中心， 北京100086； 4．环境保护部信息中心， 北京 100029)

土壤水分和温度是反映土壤环境的重要指标，对土壤中各种生物化学过程和非生命的化学过程都具有重要的影响。其中，土壤水分作为黄土高原植物生长发育的主要环境限制因子，对土壤侵蚀、溶质迁移和土壤-大气之间相互作用等水文学过程以及土壤形成过程有着重要的影响[1]。土壤温度是重要的土壤物理性质，可以影响植物的生长、发育和土壤的形成，如温度条件可决定种子是否萌发，或影响环境条件中的其他因子(微生物活性、有机质分解和水分运动等)，从而间接影响植物的生长发育[2]。土壤水分和温度之间也存在着相互作用关系，如水分作为能量传递的介质，可以影响温度的变化；而土壤温度的变化同样影响水分的形态和运动的速率。由此可见，土壤水分和温度影响着土壤中很多重要的物理、化学以及生物化学过程，获取完整而准确的土壤水分和温度时空分布数据在全球气候变化、环境过程模拟、元素地球化学循环、土壤理化性质演变研究等方面都非常必要[3-4]。因此，深入了解土壤水分和温度的分布及变化规律，将有助于提高我们对土壤中各种生态过程的认识。

黄土丘陵区是我国西部退耕还林还草及生态环境建设的重点区域[5]。黄土丘陵区的地貌单元可划分为沟间地(或坡面，包括塬面和梁峁坡)和沟谷地(或沟道，包括沟坡和沟床/沟底)两种主要形态[6]。沟谷地地貌在世界范围内普遍存在，是流域泥沙的主要来源，也是黄土丘陵区生态恢复的重点关注地貌类型。对沟谷地植被的恢复和重建已经开展了大量的实践工作[7]。然而，由于沟谷地坡陡沟深，仅有少量沟谷地土壤水分的相关研究成果[8-11]，而且有关黄土剖面土壤温度分布特征的研究还鲜有报道。因此，本试验选取代表性植被恢复模式和降雨量差异地区沟谷地土壤的水分和温度的空间分布进行调查研究，以期为指导该区沟谷地地貌单元的植被恢复与重建工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕北安塞县(E 108°51′44″～109°26′18″，N 36°22′40″～37°19′31″), 该区地形破碎，沟壑纵横，属典型的黄土高原丘陵沟壑区。其中，梁峁坡地占全县总土地面积的44.2%，沟谷地占36.4%[12]。气候属暖温带半干旱半湿润气候，年均降雨量为500 mm左右，且70%左右降雨多分布于6-9月，年平均蒸发量1 000 mm，无霜期160～180 d左右，年日照时数2 352～2 573 h， ≥10℃积温2 866℃，年均气温8.9℃。土壤为黄土素母质上发育的黄绵土，土壤质地属轻壤，田间持水量18.4%[13]，凋萎湿度 4%～5%[14]，毛管断裂水含量10.0%。植被分区属于暖温带森林草原过渡带，天然森林已破坏，现有植被主要以刺槐(Robiniapseudoacacia) 和侧柏(Platycladusorientalis) 等为主的人工林；以柠条(Caraganakorshinskii)和沙棘(Hippophaerhamnoides) 等为主的人工灌丛。

图1 样方设置示意图
Fig.1 Schematic diagram of sampling quadrats (squares) in each study site along gully slope
注：对照为梁坡中部
Note: control plot sites at the middle of slope

表1样地基本描述
Table 1 General conditions of experimental field

样地Sites地点Locations经(E)纬(N)坐标Longitude (E) andLatitude (N)坡位Slopeposition坡向SlopeAspect坡度SlopeDegree/o海拔Elevation/m植被类型Vegetation types沟谷地G-RpG-CkG-NgG-XHKG-LDW真武洞镇真武洞镇沿河湾镇西河口乡镰刀湾乡109°18'22″E, 36°51'17″N109°18'55″E, 36°51'25″N109°15'38″E, 36°45'4″N109°00'52″E, 36°41'58″ N108°58'8″E, 37°13'24″ N每条沟道分西坡上部、西坡下部、沟底、东坡下部和东坡上部,共5个坡位S→N25～521100～1300刺槐林S→N25～591090～1250柠条灌丛S→N20～451080～1275铁杆蒿草地S→N20～451290～1371铁杆蒿草地S→N25～651207～1370铁杆蒿草地坡面S-Rp沿河湾镇109°16'01″ E, 36°45'43″ N梁坡中ES261241刺槐林S-Ck沿河湾镇109°16'02″E, 36°45'38″ N梁坡中ES271235柠条灌丛S-Ng真武洞镇109°18'54″E, 36°51'20″ N梁坡中ES201256铁杆蒿草地S-XHK西河口乡109°00'53″E, 36°41'57″ N梁坡中N231280铁杆蒿草地S-LDW镰刀湾乡108°58'38″E, 37°13'24″ N梁坡中WS218301396铁杆蒿草地

1.2 样地选择与土壤采集

研究主要考察不同植被恢复模式和不同降雨量对沟谷地深层土壤水分的影响。研究共涉及3种不同植被恢复模式沟谷地，分别位于土壤和气候条件较为一致的(县城附近)墩滩山流域和(沿河湾镇)纸坊沟流域；选取植被代表了植物的3种生活型(表1)：乔木、灌木和草本，分别为人工乔木-刺槐林沟谷地(G-Rp)、人工灌木-柠条林沟谷地(G-Ck)和自然恢复-天然草地沟谷地(G-Ng)，样地的相关植被和土壤属性可详见文献[15-17]。同时，依据安塞县空间上由北到南存在的天然降雨量梯度(变化范围为400～550 mm)，选取安塞县境内年均降雨量不同的3个天然草地(铁杆蒿群落)沟谷地(表1)，分别位于镰刀湾乡(G-LDW，年均降雨量约为400 mm)、沿河湾镇(G-Ng，年均降雨量约为500 mm)、和西河口乡(G-XHK，年均降雨量约为550 mm)。同时为了更好反映出地区水分状况，分别在每个沟谷地样地周围对应选取一个同样植被类型的坡面样地作为对照，其中对照坡面样地主要涉及人工乔木-刺槐林(S-Rp)、人工灌木-柠条林(S-Ck)、天然草地(S-Ng)、西河口坡面天然草地(S-XHK)和镰刀湾坡面天然草地(S-LDW)。

所选沟谷地均为南北沟，坡面对照样地的坡向为东坡。每条沟道横截面上设置5个不同坡位的采样点，分别为：西坡上部 (W-upper)、西坡下部 (W-lower)、沟坡底部 (Bottom)、东坡下部 (E-lower)和东坡上部 (E-upper)。坡面对照样地选取在东坡中部(图1)。采用“土钻法”取样测定样地土壤水分。取样深度为500 cm，每隔20 cm取样，105 ℃下烘干至恒重，用精度为0.01 g的电子天平称重，计算土壤含水量。应用红外线测温仪THI-440NH(日本TASCO温度计)测定土壤温度，仪器0.8秒内可读数，物体温度为0～199℃时测量精度为±1℃以内，因此，应用该仪器测量刚钻出的土壤温度，可较为精确的反映深层土壤温度的实际情况。

1.3 土壤有效水计算

(5) 土壤水分亏缺率RDSW(%)=SDSW/SFC×100%

式中，SSWC表示土壤储水量(Storage of soil water content)；SFC表示土壤潜在储水量(Potential storage of soil water content)；SDSW表示土壤水分亏缺量(Soil water deficit)；RDSW(%)为土壤水分亏缺率(Ratio of soil water deficit)；BDi表示第i层土壤容重(Bulk density)；θi表示第i层土壤含水量(Soil water content)；H表示土层厚度(Thickness of soil layer)；θWH表示萎蔫湿度(Wilting humidity，取4.5%)；θFC表示田间持水量(Field capacity，取18.4%)。有效水含量为土壤实际水含量至凋萎系数之间的含水量，亏缺量为田间持水量与土壤实际水含量之间的含水量。

1.4 数据统计分析

采用变异系数(CV=标准偏差/平均值×100%)反映沟谷地剖面不同深度土壤水分和温度的变异程度，采用单因素方差分析(ANOVA)和多重比较(LSD)方法分析不同处理之间的差异。采用 Excel 2010 和SPSS 19.0进行数据整理与处理。

2 结果与分析

2.1 沟谷地剖面土壤水分含量统计分析

剖面土壤水分变异系数的差异是剖面土壤水分差异大、变化较为剧烈的一种表征，也反映出土壤水分含量受植被或者气候条件影响的程度。通过对不同沟谷地剖面土壤水分的平均值和变异系数进行统计分析(表2)。结果表明：土壤水分变异系数变化程度为刺槐沟 >柠条沟 >草地沟；沟谷地土壤水分的变异程度与植被生活型耗水能力一致。

降雨量差异对沟谷地土壤水分含量产生重要的影响。本研究统计了3条不同降雨量条件下沟谷地不同土层土壤水分的平均值和变异系数(表2)。不同降雨量地区沟谷地5 m剖面土壤水分平均值表现为西河口> 沿河湾> 镰刀湾，土壤含水量变异系数表现为镰刀湾 >沿河湾 >西河口。结果表明，400 mm降雨量的镰刀湾沟谷地土壤水分含量明显偏低，且沟谷地剖面土壤水分的变异系数最大，波动最剧烈。

2.2 沟谷地土壤水分剖面分布特征

不同植被恢复模式间沟谷地0～500 cm剖面土壤含水量空间分布存在明显差异(图2a,b,c)。其中，刺槐沟不同坡位间土壤水分的变化差异最大，与坡面刺槐林土壤水分相比，只有沟底水分含量高于对照，并且在大于4 m深的土壤水分出现亏缺，开始趋于土壤干化(表2)；天然草地沟坡位间土壤水分变化差异最小，各坡位土壤水分含量均高于对照坡面土，且土壤水分含量随土层加深呈现逐渐增加趋势；柠条沟坡位间土壤水分的变化差异介于刺槐沟和草地沟之间。总体上，沟道内土壤水分空间分布表现出随着地势的下降，土壤水分含量升高的趋势；但不同植被类型间沟谷地土壤含水量存在明显差异，表现为刺槐沟>柠条沟>草地沟。

表2 不同植被类型和降雨量条件下沟谷地剖面土壤水含量的平均值和变异系数Table 2 Mean value and coefficient variation of soil moisture in different vegetation types and precipitation gullies

注:不同小写字母表示同一沟谷地不同土层间土壤水分含量差异显著(P< 0.05)

Note:Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level among soil moisture in different soil layers at the same gully

不同降雨量地区间沟谷地0～500 cm剖面的土壤含水量空间分布存在明显差异(图2c,d,e)。其中，西河口和沿河湾沟谷地土壤含水量变化趋势较为一致(表4)，且沟谷地各坡位的土壤含水量均高于对照坡面草地。而镰刀湾沟谷地土壤水分空间分布情况与前两个降雨量地区相比，表现出明显差异。

图2 不同植被恢复模式和不同降雨量地区沟谷地坡位间0～500 cm剖面土壤含水量
Fig.2 Soil water content along 0～500 cm profile at different gully positions associated with different vegetation restoration patterns and different precipitation regions
注：(a)刺槐沟谷地；(b)柠条沟谷地；(c)天然草地(沿河湾)沟谷地；(d)西河口沟谷地；(e)镰刀湾沟谷地
Note:(a)R. pseudoacacia gully;(b)C. korshinskii gully;(c)Natural grassland(Yanhewan) gully;(d)Xihekou gully;(e)Liandaowan gully

2.3 沟谷地土壤储水量剖面分布特征

不同植被恢复模式沟谷地坡位间的土壤储水量分布存在明显差异(图3a,b,c)。总体上，刺槐沟的0～500 cm土壤储水量呈先增加后降低的“凸面型”变化趋势，而且刺槐沟只有沟底和沟坡下部的土壤储水量高于对照；尽管外观上刺槐沟的植被长势良好，但土壤水分还是呈亏缺趋势；柠条沟与草地沟在0～500 cm深度土壤储水量呈“凹面型”变化趋势、幅度较小，且总体高于对照。

不同降雨量地区沟谷地不同坡位上0～500 cm剖面土壤储水量的空间分布存在一定差异(图3c,d,e)。总体上，西河口和沿河湾沟谷地土壤储水量变化趋势较为一致；其中，沿河湾沟谷地各层土壤储水量变异不大，随土层加深西河口沟谷地土壤储水量有逐渐增加趋势(图3d)。但随地区降雨量下降到400 mm，镰刀湾沟谷地剖面土壤储水量有明显降低趋势(图3e)。

2.4 沟谷地剖面土壤温度统计分析

沟谷地0～500 cm剖面上土壤温度表现为先下降后缓慢上升的变化趋势，总体表现为：土壤上层(0～200 cm)温度受到大气环境温度影响较大且夏季温度较高，0～60 cm土壤温度降幅最大，200～500 cm土壤温度变化幅度较小(表3)。不同生活型植物群落下，沟谷地0～500 cm剖面土壤温度表现为乔木 >草本 >灌木，变异系数呈现出草本 >灌木 >乔木。

图3 不同植被恢复模式和不同降雨量地区沟谷地坡位间0～500 cm剖面土壤储水量
Fig.3 Soil water storage along 0～500 cm profile at different gully positions associated with different vegetation restoration patterns and different precipitation regions
注：(a)：刺槐沟谷地；(b)：柠条沟谷地；(c)：天然草地沟谷地；(d)：西河口沟谷地；(e)：镰刀湾沟谷地
Note:(a): R. pseudoacacia gully;(b): C. korshinskii gully;(c): Natural grassland(Yanhewan) gully;(d): Xihekou gully;(e): Liandaowan gully

不同降雨量沟谷地0～500 cm剖面上土壤温度总体上表现随土层加深而下降的趋势，且0～100 cm温度降幅最大(表 3)。不同降雨量条件下，沟谷地0～500 cm剖面土壤温度的平均值表现为镰刀湾 >西河口 >沿河湾，变异系数呈现出沿河湾 >西河口 >镰刀湾。

2.5 沟谷地土壤温度剖面分布特征

不同植被恢复模式间沟谷地0～500 cm剖面土壤温度空间分布存在一定差异(图4a,b,c)。总体上，3种不同植被恢复模式沟谷地土壤温度的变化趋势略有不同，0～60 cm土壤温度变幅为草本 >灌木 >乔木，同一沟谷地内不同坡位间土壤温度也略有差异，其中，刺槐沟不同坡位间较灌木沟和草地沟明显。

不同降雨量沟谷地不同坡位上0～500 cm剖面土壤温度的空间分布差异不明显(图4c,d,e)。总体上，地处3个不同降雨量梯度环境下天然草地沟谷地的土壤温度变化趋势略有不同，同一沟谷地内不同坡位间土壤温度也略有差异；其中，沿河湾沟谷地土壤温度明显低于对照，西河口也有同样趋势且与对照相差幅度变小；镰刀湾沟谷地不同坡位间土壤温度的变化趋势基本一致且与对照坡面草地土壤温度也较为一致。

表3 不同植被类型和降雨量条件下沟谷地剖面土壤温度的平均值和变异系数Table 3 Mean value and coefficient variation of soil temperature in different vegetation types and precipitation gullies

注: 同行不同小写字母表示同一沟谷地不同土层间土壤温度差异显著(P< 0.05)

Note: Different lowercase letters in the same row indicate significant difference at the 0.05 level among soil temperature in different soil layers on the same gully

图4 不同植被恢复模式和不同降雨量地区沟谷地坡位间0～500 cm剖面土壤温度
Fig.4 Soil temperature along 0～500 cm profile at different gully positions associated with different vegetation restoration patterns and different precipitation regions
注：(a)：刺槐沟谷地；(b)：柠条沟谷地；(c)：天然草地沟谷地；(d)：西河口沟谷地；(e)：镰刀湾沟谷地
Note: (a): R. pseudoacacia gully;(b): C. korshinskii gully; (c): Natural grassland(Yanhewan) gully; (d): Xihekou gully; (e): Liandaowan gully

2.6 沟谷地间土壤水分和温度的比较

通过对不同植被恢复模式沟谷地的土壤水分和土壤温度的独立性配对T检验分析。不同恢复模式沟谷地间的土壤水分和土壤温度都存在显著性差异(表4)，表明沟谷地植被类型不同将会影响土壤水分和温度的显著性差异；具体表现出刺槐沟与柠条沟和草地沟间土壤水分差异显著水平分别为P<0.001和P<0.001，土壤温度差异显著水平分别为P<0.001和P<0.05；而柠条沟与草地沟在土壤水分和温度间均无显著性差异。

不同降雨梯度沟谷地间的土壤水分和温度均存在显著性差异(表4)，具体表现为：除西河口与沿河湾在土壤水分间无显著性差异(P=0.400)，其余均为显著性差异P<0.001。结果表明降雨量不同可造成沟谷地土壤水分和温度间的显著差异。

表4 不同沟谷地间土壤水分和温度的独立性T检验Table 4 Differences in soil moisture and temperature among pairwise comparisons between gullies based on two-tailed paired t-tests and F test

2.7 沟谷地水分状况统计

从不同植被恢复模式和降雨量梯度条件下沟谷地和坡面的土壤水分状况统计分析来看(表5)，不同植被恢复模式间沟谷地的土壤有效水量表现出草地沟(672.24) >柠条沟(652.55) >刺槐沟(497.71)，且刺槐沟500 cm水分亏缺率最高为32.50%；沟谷地土壤水分状况与降雨量梯度呈现正相关，即降雨量高的地区沟谷地土壤水分含量高；值得注意的是在降雨量400 mm的镰刀湾沟谷地土壤水分亏缺率达到了64.30%，略低于坡面66.42%；表明这一地区的土壤水分状况亏缺相当严重。不同植被类型间坡面土壤水分亏缺率表现为草地(40.73%)>柠条林(31.06%)>刺槐林(28.16%)。

表5 沟谷地土壤水分状况分析Table 5 Analysis of gully soil water content

3 讨论

土壤作为农业生产的基本资料和作物生长的重要环境条件，是一种疏松多孔的物体，由大小不等的微细土粒堆集而成，在固体颗粒之间是各种大小、形状各异的孔隙，所以土壤是由固、液、气三相组成的。土壤的固相包括矿物质和有机质，液相即土壤水分，气相即土壤空气。在土壤的组成部分中，固体部分的数量一般变化不大，而空气和水的含量却是经常变化的。因此，土壤的比热容主要取决于其中水和空气的含量。土壤水分的运动和土壤中热量的传输是一个统一不可分割的动态系统[18]，研究土壤水分和温度的分布特征，有利于揭示二者的变化规律。本研究分析了黄土丘陵区不同植被恢复模式和降雨量沟谷地地貌单元土壤水分和温度的空间分布特征。

不同植被恢复模式对沟谷地的土壤水分和温度的影响差异显著。由于不同植被恢复模式的群落优势种在生活型(乔、灌、草)上不同，他们在水分利用率、小气候调节能力、土壤改善等方面对生境条件产生综合影响，进而导致不同植被恢复模式沟谷地土壤水分和温度的分异。3种不同植被恢复模式沟谷地土壤水分含量呈现出草地沟>灌木沟>乔木沟，这与不同植物生活型水分消耗能力吻合[18]，如不同生活型植物间根系分布深度及其对水分吸收利用的差异。3种不同植被恢复模式沟谷地土壤温度的平均值呈现出乔木沟 >草本沟 >灌木沟，这与不同植物生活型的小气候调节能力差异相关，由于不同生活型植被在形态上的明显差异，通过对光照、风速、降雨等产生影响，进而影响着土壤温度的变化，其中，乔木植被在微气候调节方面优势最大。

不同降雨梯度沟谷地间土壤水分和温度存在差异。尽管调查地区都属安塞县境内，但在年均降雨量存在梯度差异(400～550 mm)。3个降雨梯度沟谷地0～500 cm剖面土壤平均含水量表现为西河口 > 沿河湾 > 镰刀湾，这表面在半湿润和半干旱条件的黄土高原沟谷地貌单元的土壤水分与降雨量条件一致，随着沟坡变得更加陡峭及地区降雨量减少，在镰刀湾地区沟谷地的一些坡位土壤含水量也会低于对照坡面草地。沟谷地0～500 cm剖面土壤温度的平均值为镰刀湾 >西河口 >沿河湾，变化趋势与降雨量基本相反，这反映了土壤温度与土壤水分的运动紧密联系[19]；沟谷地在一定程度上由于地势原因，会在接受太阳辐射能量方面相对于坡面有所减少，而土壤温度的能量主要来源就是太阳的辐射能。因此，在西河口和沿河湾可以看出较为明显的坡面与沟谷地在土壤温度间的差异。镰刀湾沟坡和坡面在土壤温度上基本一致，与前两者(西河口和沿河湾)的沟坡土壤温度特征不一致，其主要原因可能是镰刀湾地区沟坡系统土壤中含水量明显不足，且几乎没有自由水，土壤与环境的热量交换以空气为媒介，可能是形成坡面与沟谷地间土壤温度差异不明显的重要原因。

4 结论

本研究基于不同植被类型(乔、灌、草)和相同植被类型(天然草地)不同降雨量(550 mm、500 mm、400 mm)梯度沟谷地空间(5个代表性坡位)上土壤水分和温度的剖面分布特征的调查研究，以同一地区坡面对应植被类型样地为对照，揭示了植被类型和降雨量梯度对沟谷地土壤水分和温度分布的影响。

结果表明，不同植被类型沟谷地土壤水分和温度间存在着显著差异，不同生活型植物的生物学特性可以对植物群落土壤的水分和温度产生分异。不同降雨梯度地区沟谷地土壤水分和温度间存在显著差异，降雨量差异可以对沟谷地的土壤水分和温度产生显著影响。因此，在黄土丘陵区沟谷地地貌植被恢复重建过程中，需要综合考虑地区降雨条件，进而注意植被类型的配置，这将有助于促进地区生态环境的改善和提升。