陕北黄土极陡坡土壤水分对微地形的响应

杜胜莉,朱清科†,王旭虎,刘淑琴

(1.北京林业大学林业生态工程教育部工程研究中心;2.北京林业大学水土保持学院：100083,北京)

陕北半干旱黄土区干旱少雨,水土流失严重,土壤水分是制约该区植被建设的限制因子,对该区土壤水分的研究始终是黄土高原生态恢复的重点[1]。然而陡坡受微地形的影响,其土壤水分存在异质性,从而影响林草植被种群结构[2];因此,研究黄土陡坡土壤水分对微地形的响应,特别是不同降水年型条件下坡面微地形对土壤水分的影响机制,可为黄土陡坡近自然水土保持林草植被构建提供科学依据[3]。

有关黄土高原林草地土壤水分的研究,邵明安等[4]分析了土壤 水分 大气连统体对土壤水分的影响。张北赢等[5]分析了在不同降水年型[6]下沟壑区的土壤水分变化特征;赵维军等[7]分析了土壤水分对降水特征的响应;吴钦孝等[8]研究了土壤的物理性质与土壤水分的关系。王孟本等[9]研究了小叶杨的土壤水分生态;王瑜等[10]对不同林分类型下土壤水分的垂直动态进行了研究;王延平等[11]分析了植被在陡坡地的土壤水分时空变化;王军等[12]分析了黄土高原流域土壤养分空间特征。并且前人从各研究尺度均开展了关于土壤水分的研究,如路保昌等[13]对微地形土壤含水量进行了研究;赵荟等[14]分析了合家沟流域干旱阳坡微地形土壤水分动态。

综上所述,有关土壤水分研究已有大量成果,然而针对35°以上的陡坡土壤水分研究较少。为此,本文以陕北的吴起县合家沟流域为例,将半阳极陡坡的缓台、塌陷、陡坎、切沟和浅沟5种微地形作为研究对象,以微地形所在的原状坡面和缓坡作为对照,分析极陡坡微地形土壤水分的变异特征及降水年型对陡坡微地形土壤水分的影响,以期明确土壤水分对不同微地形的响应规律。

1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市吴起县合家沟流域(E 107°38′57″～ 108°32′49″,N 36°33′33″37°～ 24′27″),流域内1957—2013多年平均降水量为478.3 mm。黄土高原土壤侵蚀严重,水力、风力和重力侵蚀导致该区坡面形成形状各异的微地形,分别有切沟、缓台、塌陷、浅沟、陡坎(图1)。

2 数据获取及研究方法

2.1 测定方法

在流域内以半阳坡缓坡(20°)和陡坡(30°)的原状坡作为对照,分别选取半阳坡30°浅沟,43°缓台、塌陷、陡坎、切沟作为观测样点(表1),采用时域反射计(TRIME HD)手持式读表高精度TDR定点监测。每观测样点垂直埋设长度为2 m的PVC管,每20 cm深度1层,每层重复测定3次取平均值,每次重复探针在水平方向上旋转120°[10]。

2.2 计算公式

本研究选用目前国内比较常用的标准差SD、变异系数CV[2]对土壤水分的稳定性进行分析。

图1 黄土高原微地形素描示意图Fig.1 Schematic of micro-topography in the Loess Plateau

表1 土壤水分监测点基本信息Tab.1 Details of monitoring points for soil moisture

2.3 降水年型划分

根据目前国内广泛运用的划分标准,将降水年型划分为丰水年和枯水年[15]。

丰水年：Pi＞+0.33W;

枯水年：Pi＜-0.33W。

式中：W为多年降水量的均方差,mm;Pi为逐年年降水量,mm;为多年平均降水量,mm。

根据计算得出1957—2013多年平均降水量、降水量均方差分别为467.79、112.12 mm,表现出多年平均降雨量和逐年距平值差异十分显著的特点(图2)。为此,本实验选取2011年 枯水年(436.60 mm)、2012年 丰水年(501.21 mm)作为对照年型,对监测样点的土壤水分(0～180 cm)状况进行定位监测。

2.4 数据处理

笔者采用EXCEL 2016软件对微地形土壤含水量进行处理,采用Origin 8.0对不同降水年型与微地形土壤水分的关系进行绘制。

图2 研究区1957—2012年年平均降雨量和逐年距平均变化图Fig.2 Average annual precipitation and anomaly for 1957-2012 in the survey area

3 结果与分析

3.1 陡坡不同微地形土壤水分的季节动态

由图3可见,2011年枯水年4—6月,缓台(W1)、切沟(W4)和缓坡(W7)土壤含水量持续增长,而塌陷(W2)、陡坎(W3)、浅沟(W5)和原状坡(W6)呈先减小再增长的趋势。这是由于气温回升,雨量补给,植被蒸腾和土壤蒸发作用加强[16]。6—12月土壤水分随降雨增大而滞后增大。这是因为枯水年雨季前降水量减小,植被发育期间土壤水分未及时得到补充,植被生长受到阻碍[17]。由图3可见,2012年 丰水年切沟土壤水分与降雨量增长趋势同步,缓台、塌陷、陡坎、浅沟土壤水分的变化曲线呈W型。这是因为丰水年降水量增大,导致土壤水分的入渗强度同步增大[10]。由图4可见,切沟的季节土壤水分含量均值最高,陡坎的最低。前人[2,1820]的研究表明：黄土高原土壤水分活动可以被划分为4个阶段。本研究对该流域土壤活动划分为：弱失水阶段(2—5月);缓慢恢复阶段(6—8月);消耗阶段(9—11月);相对稳定阶段(12—翌年2月)。

图3 2011和2012年微地形土壤含水量月变化Fig.3 Average monthly precipitation and soil moisture content of micro-topography for 2011 and 2012

图4 2011和2012年微地形土壤含水量年平均值Fig.4 Average soil moisture content of micro-topography for 2011 and 2012

图5 不同微地形土壤水分垂直分布特征Fig.5 Vertical distribution of soil moisture by different micro-topography

3.2 陡坡不同类型微地形土壤水分的垂直动态

由图5可见,切沟在0～180 cm土层土壤含水量呈先减小后增大的趋势,这是由于80～180 cm土层土壤的水分蓄积作用强[21]。同时,切沟土壤含水量(0～180 cm土层)波动幅度大(13.16% ～24.97%),这是由于切沟本身的形状导致大量雨水聚集于沟底,土壤入渗强度随滞留时间的延长而增大[7]。缓台、浅沟、缓坡的土壤水分在0～180 cm层次呈先增大后减小的趋势。图5反映出微地形的土壤水分变异系数(Cv)在0～180 cm土层呈先增加后减小的趋势。

3.3 不同降水年型下微地形土壤水分垂直分层

相关研究采用变异系数[1718]这一指标,将土壤水分的垂直变化特征划分如下：速变层(Cv＞30%)、活跃层(30% ＞Cv＞20%)、次活跃层(20%＞Cv＞10%)和相对稳定层(10% ＞Cv＞0%)。本研究对微地形的分层如下(表2)：速变层(fast change layer,FCL)、活跃层(active layer,AL)、次活跃层(stable layer,SL)和稳定层(most stable layer,MSL)。

表2 土壤水分剖面垂直分层Tab.2 Vertical stratified results of soil water profile

由表2可见,2011年 枯水年切沟土壤水分速变层最深,而缓台、塌陷、陡坎、浅沟、原状坡和缓坡速变层深至60 cm,活跃层深至100 cm,稳定层深至100 cm以下。2012年 丰水年速变层消失,除切沟、浅沟的活跃层较枯水年上移至60和80 cm以外,其他观测点均为稳定层。

4 讨论

微地形丰水年土壤水分季节排序为：切沟＞缓坡＞浅沟＞原状坡＞塌陷 ＞缓台＞陡坎(图4)。邝高明等[22]的研究表明,切沟的土壤含水量小于塌陷和缓台,而本研究发现极陡坡切沟的土壤含水量最高,是因为极陡坡坡度较大,坡面难以滞留雨水,致使雨水大量汇集在切沟沟底。陡坡陡坎年内土壤含水量最低,受其自身形状与缓台影响较大,雨水在缓台上滞留时间愈长,导致在陡坎上滞留时间越短。不同坡度对于土壤含水量有显著影响,研究表明缓坡＞陡坡(浅沟)＞极陡坡(缓台、塌陷、陡坎),这与艾宁等[21]的研究结果是一致的。

从垂直方向来看,微地形呈现先增大后减小的趋势,这与贾志清等[23]的研究结果相一致。这是因为60 cm以上土层土壤质地较松散,受日照时长以及土壤蒸发影响较大,土壤水分运移阻力减小,致使土壤水分支出收入变化较大[14]。

5 结论

1)切沟枯水年土壤含水率季节变化平缓,丰水年土壤水分的变化呈V型变化;缓台、浅沟、塌陷和陡坎枯水年土壤水分呈M型变化,丰水年土壤水分季节变化呈W型。

2)极陡坡切沟具备优质的土壤水分环境,能够为灌木的生长提供优良的水分环境。

3)微地形土壤水分速变层在丰水年消失;缓台和缓坡能够为亚灌木的生长提供水分支持;原状坡、浅沟能够为草本植物的生长提供保障;陡坎不适宜植被的生长发育。