陕北黄土区退耕还林后不同植被类型土壤含水量动态研究

强大宏 艾 宁, 刘长海 刘广全 罗梦娇 强方方

(1.延安大学生命科学学院，陕西 延安 716000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100044)

陕北黄土区是我国乃至世界上水土流失最为严重的地区之一，由于长期人为干扰和自然因素作用，该区植被遭到严重破坏，加之气候干旱、生态环境脆弱，水土流失严重，人民的生命财产和生态安全受到严重的威胁。自1999年我国实施 “退耕还林 (草) 工程” 后，该区域生态环境得到了很大的改善，植被恢复效果显著[1]。已有研究表明，在植被恢复过程中土壤含水量不仅起到决定性作用，还限制着生态系统的发展和功能的全面发挥[2-4]；同时，在了解不同时空尺度下自然界水文过程时，土壤含水量也是一个关键因素[5-6]。因此，全面深入研究该区退耕还林18 a后植被类型土壤含水量时空特征，对于今后陕北黄土区植被恢复重建有着极其重要的作用。

目前，国内外学者对土壤含水量影响因素做了大量研究工作[7-10]，贾小旭等[11]指出植被和坡度是影响土壤含水量空间分布的主要因素；马建业等[12]指出不同植被恢复方式下降水和坡向对土壤含水量有显著影响； Cantón等[13]通过连续18个月对西班牙半干旱地区不同植被类型下的土壤含水量变化进行研究，发现土壤含水量的空间变异主要是由地表植被类型的不同以及土壤质地引起的；艾宁等[14]研究指出黄土区不同植被类型在雨季的土壤含水量主要受当前以及前一个月降雨量的影响；傅子洹等[15]研究指出植被类型对土壤含水量动态特征与剖面分布具有明显影响；李谦等[16]研究指出在黄土区，草地、农地等小流域的土壤含水量及其随时间变化规律主要受降雨影响；姚雪玲等[17]指出土壤含水量的空间异质性主要表现在不同植被类型之间。尽管国内外学者对降雨量、地形地貌、植被类型与土壤含水量关系的研究较多，但是系统的对陕北黄土区不同降雨带退耕地不同植被恢复下土壤含水量空间变化特征的研究还较少。因此，本研究通过对陕北黄土区不同降雨带退耕地不同植被类型土壤含水量动态变化进行系统研究，旨在分析该区域不同降雨带中降雨量、坡位、不同林地和土地利用类型对土壤含水量空间分布的影响，从而为区域植被恢复以及生态系统可持续发展提供参考。

1 研究区概况

研究区为陕北黄土丘陵沟壑区的吴起县，位于东经107°43′49″～108°12′50″、北纬36°50′41″～37°13′34″，海拔1 233～1 809 m。该地区属于暖温带大陆性干旱季风气候，年平均降雨量470 mm左右，但是时空分布极度不均，主要集中在7—9月，占全年降雨量的61%，年平均气温7.8 ℃，无霜期120～155 d，年平均蒸发量为400～450 mm，土壤主要以绵沙土为主，占全县面积的87.62%，地势南高北低，横向单一。黄土粒相对较粗，易侵蚀，保水性差，植被恢复难度大。水土流失严重，是黄河中游水土流失重点县之一，属于强度水土流失区。植被属于森林草原过渡带或稀树草原带，由于滥砍滥伐，过度放牧，吴起县原有植被遭到很大破坏，原生天然植被基本不存在，零星分布有河北杨 (Populushopeiensis) 和小叶杨 (Populussimonii) 林；土地利用形式以农地、乔木、灌木、草地为主。人工植被主要有刺槐 (Robiniapseucdoacacia)、沙棘 (Hippophaerhamnoides)、山桃 (Amygdulusdavidiana)、山杏 (Armeniacasibirica)、柠条 (Caraganakorshinskii) 等。自从实施 “三北防护林”、 “退耕还林 (草)” 等林业生态工程以来，逐渐形成乔灌草混交林，其中灌木以沙棘、山杏、山桃为主，搭配落叶阔叶林以及常绿针叶树种油松 (Pinustabulacformis)、侧柏 (Platycladusorientalis) 等。

2 材料与方法

2.1 样地布设

于2017年7月15日至7月26日，选取农田、草地、小叶杨、沙棘、柠条、山桃以及混交林等典型退耕地植被类型或土地利用类型，4个采样地点共选取15个标准地。地理信息数据采用GPS进行记录，同时记录每个样点的植被类型、海拔高度、坡位、坡向等属性信息，见表1。

2.2 样品采集

用直径为6 cm的土钻进行土壤取样，取样深度为100 cm，分别为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，共5层。每层取3个样品作为重复，对于当天所采集的土样，用烘干法测定其土壤含水量。

2.3 分析方法

采用SPSS 22.0软件对试验数据进行单因素方差分析和Duncan法多重比较，用Excel 2010以及SigmaPlot 14.0软件进行图表绘制。

表1 采样点基本情况Table 1 Basic conditions of sampling points

3 结果与分析

3.1 草地土壤含水量对降雨量的响应

降雨是黄土高原地区植被生长的主要水源补给[18]，不同草地采样点 (样点1～4) 0～100 cm土层含水量平均值与采样点年均降雨量的关系见图1。

图1不同降雨量草地土壤含水量变化
Fig.1 Variation of soil water content in different rainfall grasslands

由图1可知，土壤含水量与降雨量呈正相关，不同采样点当降水量范围为310～480 mm，草地土壤含水量大小表现为金佛坪 (7.41%)> 大吉沟 (6.78%)> 王洼子 (4.29%)> 前小涧 (3.21%)。降雨量差异较小的金佛坪和大吉沟土壤含水量差异不明显，但与王洼子、前小涧差异明显。

不同降雨量草地0～100 cm土壤含水量见图2。

图2不同降雨量草地0～100cm土壤含水量
Fig.2 Soil water content of 0-100 cm in different atmospheric rainfall grasslands

由图2可知，不同降雨量的草地其0～100 cm土层中土壤含水量空间分布存在差异。0～20 cm土层各样点土壤含水量介于3.68%～9.08%，差异较大，金佛坪和前小涧相差达5.40%，4个采样点之间均存在显著差异 (P< 0.05)；20～40 cm、40～60 cm土层降雨量差异性较小的王洼子和前小涧的土壤含水量差异不显著，但与金佛坪和大吉沟差异显著 (P< 0.05)，金佛坪与大吉沟差异不显著；60～80 cm土层，金佛坪和大吉沟土壤含水量差异不显著与其他样点差异显著 (P< 0.05)；80～100 cm土层前小涧与其他3个样点差异显著 (P< 0.05)。可见，随着土层深度的增加，土壤含水量差异逐渐减小。草地0～20 cm土层的土壤含水量空间分布差异明显，随着降雨量从南至北减少而呈现出南高北低的趋势。艾宁等[14]指出在黄土区雨季不同植被类型的土壤含水量主要受当月和前一个月降水的影响，且草地0～20 cm深度土壤含水量受当月降雨量影响最大。因此，研究区降雨量差异对草地土壤含水量具有显著正向影响，且对草地表层 (0～20 cm) 土壤含水量影响最为显著。

3.2 坡位对土壤含水量的影响

选取同一采样点小叶杨和撂荒地 (样点5～8)，对其不同坡位土壤含水量进行方差分析，结果见表2～3。

表2 不同坡位小叶杨土壤含水量方差分析Table 2 Variance Analysis of Soil water content of P.simonii at different slope positions

表3 不同坡位撂荒地土壤含水量方差分析Table 3 Analysis of variance of soil water content in abandoned lands at different slopes

由表2～3可知，不同坡位的小叶杨林地土壤含水量在垂直方向的差异极显著 (P< 0.01)，而撂荒地则差异不显著。由此可见，在坡度、坡向基本一致的情况下，坡位对土壤含水量的影响与植被类型有关。

研究区小叶杨和撂荒地不同坡位土壤含水量变化情况见图3～4。

图3不同坡位小叶杨土壤含水量变化
Fig.3 Variation of soil water content ofPopulussimoniiat different slope positions

图4不同坡位撂荒地土壤含水量变化
Fig.4 Variation of soil water content in abandoned lands at different slope positions

0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土层中坡位小叶杨与下坡位小叶杨土壤含水量差异显著 (P< 0.05)，中坡位撂荒地与下坡位撂荒地土壤含水量差异显著 (P< 0.05)；80～100 cm土层中坡位小叶杨与下坡位小叶杨土壤含水量差异显著 (P< 0.05)，撂荒地则不显著。撂荒地的中坡位、下坡位土壤含水量平均值分别为7.39%和7.66%，小叶杨中坡位、下坡位土壤含水量分别为6.26%和15.78%。撂荒地不同坡位间的土壤含水量差异为0.27%，差异不明显；小叶杨不同坡位的土壤含水量差异为9.52%，差异明显。这可能是因为小叶杨林冠较大，且地表枯落物较多，增加了土壤孔隙度，使得降雨的入渗能力增强，土壤持水能力增强，降雨的径流量减少；撂荒地的降雨在地面的径流量明显高于小叶杨，土壤入渗能力也低于小叶杨林地，水土流失也更为严重。撂荒地中坡位、下坡位植被没有明显差别，小叶杨下坡位植被较中坡位的丰富，生物量与土壤含水量呈正相关[19]，土壤含水量高促进了植物的生长，同时植被盖度也在增加，相应的土壤水分蒸发量降低，土壤含水量提高。同时，降雨落到地面产流后在重力作用下向下运移，使得下坡位土壤含水量高于中坡位。因此，在降雨量一样的情况下，坡位对撂荒地土壤含水量影响较小，而对小叶杨林地土壤含水量影响较大。

3.3 不同林地对土壤含水量的影响

通过对同一采样地阳坡且坡位为中坡位的沙棘、山桃、柠条、混交林样地 (样点9～12) 0～100 cm土壤垂直剖面上土壤含水量采样研究，4种林地平均土壤含水量表现为混交林 > 山桃 > 沙棘 > 柠条，沙棘林、山桃林、柠条林和混交林均为退耕地。由此可知，在降雨和地形条件相似情况下，植被类型的差异是造成土壤含水量差异的主要原因，且混交林相较于纯林，土壤保水效果更好，这也与其他学者得出的结论相似[17]。0～100 cm土层含水量平均值介于3.14%～4.48%，变化范围比较小。变异系数介于11.66%～24.01%，根据变异系数 ≤10%为弱变异，介于10%和100%为中等变异，≥100%为强变异[20]可知，所选4种林地平均土壤含水量皆为中等变异。

不同林地土壤垂直剖面各土层土壤含水量见图5。

图5退耕地不同林地土壤垂直剖面各土层平均水分含量
Fig.5 Average soil water content of each soil layer in vertical section of different woodland

由图5可知，山桃林和柠条林土壤含水量大小变化趋势相似，混交林的土壤含水量在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层均显著高于其他林地 (P< 0.05)，随着土层深度的增加，与其他3种林地土壤含水量差异逐渐减少。在0～20 cm土层，混交林的土壤含水量显著高于其他3种林地，而山桃的土壤含水量相对较低；该层土壤易受地表覆盖度、降水以及其他因素影响。混交林地表枯落物较多，改善了土壤的孔隙度，水分入渗率提高；而山桃群落盖度小，植被较为单一，日照强度大，导致表层土壤含水量大量蒸发；在0～20 cm和20～40 cm土层，沙棘的土壤含水量均显著高于柠条 (P< 0.05)，说明柠条在生长季中比沙棘耗水。降雨的入渗可以为植物自身生长提供充足的水分，其余的还可以储存在土壤中。黄土高原区降雨最大入渗深度为100～150 cm[21]；在40～100 cm土层，山桃的土壤含水量呈增加趋势，与混交林的土壤含水量无显著差异。由于沙棘树龄较小，根系分布较浅，生长只需吸收浅层水分。沙棘林在0～80 cm土层中土壤含水量随着深度的增加逐渐减少，波动幅度较少。沙棘在生长季中，耗水能力增强；80～100 cm土层中土壤含水量则高于表层，研究指出沙棘根系对沙棘林地的影响较大，根系未到达的土层含水量高于沙棘根系所达到的土层。柠条在60～100 cm时，土壤含水量高于0～40 cm层的，变化也较为缓和，柠条的林冠对降水具有很强的截留能力，且根系发达，可以改善土壤物理性质[22]。

3.4 土地利用变化对土壤含水量的影响

不同土地利用类型 (样点13～15) 土壤含水量变化见图6。

图6不同土地类型和深度土壤含水量
Fig.6 Soil water content in different land use types and depths

由图6可知，0～100 cm土壤剖面内，农田和撂荒地土壤含水量变化最大，灌木地土壤含水量变化较为平缓。0～20 cm、20～40 cm土层农田土壤含水量与撂荒地和灌木林地土壤含水量差异显著 (P< 0.05)，撂荒地与灌木林地土壤含水量差异不显著；40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土层3种植被土壤含水量差异显著 (P< 0.05)。与其他2种植被相比，农田的土壤含水量最高。在0～20 cm土层不同土地利用类型间土壤含水量差异较大，农田 (11.05%) 和撂荒地 (6.02%) 土壤含水量相差5.03%，其主要是因为农田经过长期耕作，表层土壤质地较为疏松，孔隙度增大，雨水更容易下渗和储藏，土壤含水量补给最大且植物蒸腾作用耗水少，所以较其他2种植被土壤含水量最高[18]。撂荒地和沙棘灌丛由于其地表覆盖度较大，光照强度大，导致植物蒸腾作用引起的水分耗散增多，撂荒地和沙棘灌丛较农田显著干旱。

对不同土地利用类型土壤含水量变化进行方差分析，结果见图7。

图7不同土地利用类型土壤含水量
Fig.7 Soil water content in different land use types

由图7可知，不同土地利用类型土壤含水量存在显著差异 (P< 0.05)。撂荒地、灌木林地与农田土壤含水量差异显著 (P< 0.05)，撂荒地与灌木林地土壤含水量差异不显著，表明人工干预是有效利用大气降水资源的重要途径。

4 结论与讨论

1) 降雨量差异对草地土壤含水量具有重要的正向影响，主要表现为南部高，北部低，并且从南到北具有逐渐减少的趋势，且表层 (0～20 cm) 土壤含水量受到的影响最为显著。陕北黄土区土壤含水量的空间分布格局与该区降雨量的空间分布规律基本一致[8]。

2) 降水是半干旱黄土区土壤含水量补给主要形式，年均降雨量稀少，夏季多暴雨且分布不均衡。小叶杨和撂荒地不同坡位土壤含水量变化情况表现为不同坡位的小叶杨林地土壤含水量在垂直方向的差异显著 (P< 0.05)，而撂荒地则差异不显著。造成不同坡位水分差异是降雨后水分通过地表径流和降水下渗向低洼地带转移积累，这是造成下坡位土壤含水量较高的主要原因之一；其次下坡位受到自然干扰较低，风力较小也降低了地表蒸发量；最后下坡位高的土壤含水量为植物生长提供了充足的水分供应，保证了植物的正常的生长。植物覆盖度的提高也降低了土壤含水量的散失，这与郭忠升等[21]研究结果相似。

3) 土壤含水量是影响植物生长的主要因素，由于土壤含水量条件不同，其根系在土壤中的分布深度及密度存在着差异，造成土壤蒸发和植被蒸腾的情况不同，导致土壤干燥化程度和土壤含水量的分布也不同[9]。不同人工林地土壤含水量存在显著的差异，这可能是因为混交林树冠截留能力较强，地面上具有较多的地表枯草层，蒸散量较小，因此土壤水库储存量就比较高，这与杨永东等的研究结果相似[23]。在这一过程中，降雨是黄土高原地区植被生长的主要水源补给[18]。植被根系可以改善土壤环境，减少地表水土流失，从而增加保水蓄水能力。因此在植被恢复过程中，通过植物根系的穿插作用和对土壤特性的改善，可以提高降水的入渗速率，补偿土壤含水量。

4) 土壤含水量与土地利用类型之间的时空关系，是当前研究热点之一。土地利用是影响土壤含水量变异的重要因素之一，不同土地利用方式下土壤含水量状况存在明显差别，农田土壤含水量最高，其次是灌木林地，撂荒地土壤含水量最低。陕北黄土高原地区农田的耕作方式主要分布在表层0～20 cm，20 cm以下的土壤含水量大都表现出其原有特征，固其变异系数最小；另一方面，灌木林地和撂荒地由于植被类型的差异导致其种群结构表现出明显的空间异质性，其根系分布的差异又会使深层土壤含水量有所不同，进而影响到陕北黄土区的土壤含水量空间分布格局。在陕北黄土区，选取合适的土地利用类型应结合植被耗水特征、土地耕作方式以及水土保持效益，从而达到充分利用降雨的目的，这与王云强等[18]研究结果一致。

5) 由于土壤含水量研究年限较短，研究土层较浅，所以不同植被类型、土地利用类型不能完全反应水分动态及坡位和降雨量对土壤含水量的影响。为了更加明确不同植被类型对土壤含水量的影响，以便对水蚀风蚀交错区的生态建设和环境保护提供理论依据，还需要对这方面进一步研究。