黄土区不同土地利用方式下土壤水分动态特征

冯金超,党宏忠*,丛日春,姚源,吴丽丽

黄土区不同土地利用方式下土壤水分动态特征

冯金超1,党宏忠1*,丛日春1,姚源2,吴丽丽1

1. 中国林业科学研究院荒漠化研究所, 北京 100091 2. 宁夏枸杞产业发展中心, 宁夏 银川 750001

为了评价黄土高原不同土地利用方式下不同层次土壤水分特征，本研究选择黄土丘陵沟壑区石家岔流域紫花苜蓿和耕地（马铃薯）土壤为研究对象，在2017年4月至10月对20 cm，50 cm，100 cm，150 cm，200 cm土层土壤含水量进行监测，分析两种土地利用方式下土壤含水量在一个完整生长季的时间动态特征和垂直剖面分布特征。结果表明：（1）土壤含水量的最高值均出现在50 cm深度处，除紫花苜蓿200 cm处含水量高于150 cm处，其他层次表现出随着深度的增加而降低的趋势。（2）两种土地利用方式下0~100 cm的土壤含水量具有明显的季节变化特征，最高值出现在降雨量最大的8月份，下层土壤含水量稳定在一个相对较低的水平，耕地的土壤贮水量要大于紫花苜蓿地。研究认为，紫花苜蓿消耗更多的土壤水分，更容易引起土壤干燥化。

黄土区; 土壤含水量; 变异系数; 土地利用方式

水分是反映土壤质量变化的重要指标[1,2]，是干旱半干旱地区植被重建的主要限制因子[3]，土地利用是人类利用土地各种活动的综合反映，是影响土壤变化的最直接、最重要的因素[4]。在半干旱的黄土高原，土壤水分是当地生态系统中植物生长发育的重要来源[5]。黄土高原地势较高，气候温和，土层深厚，非常适宜马铃薯的生长发育，是全国马铃薯主产区之一。特别是在定西地区，占定西粮食播种面积的60%，面积与产量均占甘肃全省的一半。为了重建中西部尤其是黄河中上游的生态环境，国家提出了“退耕还林还草”的策略[6]。中国退耕还林还草工程自2001年开始实施后，大量农田转变为林地和草地。黄土丘陵区是退耕还林草的主要区域，从2002年开始退耕，大量的坡耕地转变成为林地和草地，而且草地所占比重远大于林地[7]。黄土高原人工草地分布在降水量300~600 mm的旱作农业区，主要类型是苜蓿草地[8]。退耕草地主要种植苜蓿（），这种土地利用方式的改变必然对其生态系统产生重要影响，尤其是改变了土壤水文过程和地表侵蚀。了解土壤不同层次水分的时空变异特征与不同土地利用方式之间的关系对提高土地利用效率、优化利用结构意义重大，并有助于评价土地利用方式变化对土壤基本理化性状的影响，进而筛选最优的退耕方式。因此，本研究选取处于黄土丘陵沟壑区的石家岔流域耕地和人工紫花苜蓿草地作为研究对象，对退耕还草后的不同层次的土壤水分含量进行研究，以期对黄土高原小流域综合治理中合理利用土地提供科学依据,寻求有效的退耕还草方式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于甘肃省定西市石家岔小流域，地理位置为104°39'14.00″E、35°43'17. 60″N，属于黄土高原丘陵沟壑区第五副区，海拔1900~2250 m。气候为温带大陆性半干旱气候，年平均降水量为410.2 mm，年平均蒸发量为1529.4 mm[9]。土壤为典型的黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，贮水性能良好；0~200 cm土壤容重平均为1.19 g/cm3，凋萎含水率7.8%，饱和含水率20.7%[10]。样地主要分布有天然草本植物长芒草（Trin）、冰草（(Linn.) Gaertn.）、猪毛蒿（Krasch.）、阿尔泰狗哇花（(Willd) Novopokr.）和中亚白草（Tzvel.）等。

1.2 研究方法

实验选择甘肃定西石家岔流域有代表性的紫花苜蓿和耕地（马铃薯）作为研究样地。耕地为每年种植农作物的农田，2017年，马铃薯在四月初播种并在九月底收获。紫花苜蓿在2003年“退耕还林”计划实施后引入。样地内土壤质地均一，无黏土层、母质层等相对不透水层。实验以紫花苜蓿和马铃薯样地土壤为研究对象，并于2017年6月在样地表层用环刀（100 cm3）取原状土，每个层次取三个重复，用以测定土壤持水特性。土壤田间持水量测定采用威尔科克斯(Wilcox)法也称环刀法进行测定。

在2016年3月初，在距表层20、50、100、150、和200cm处各安装1个ECH2O土壤水分温度探头。温度水分数据采用EM50数据采集器采集，采集间隔为30 min。土壤气象要素的监测均采用SQ2020数采器采集数据，采集间隔为2 min。

1.3 数据分析

其中，为监测时间，= 20 cm，50 cm，100 cm，150 cm，200 cm。

根据变异程度分级规律，＜0.1为弱变异性，0.1＜＜1为中等变异性，＞1为强变异性。

本文采用配对样本T检验比较两种土地利用方式下相同层次土壤水分和温度的差异，单因素方差分析比较同种土地利用方式下不同层次间水分的差异，Pearson法进行相关分析。显著性水平为<0.05。所用统计分析均使用SPSS 18.0完成，所用图形均使用Originlab 9.1绘制。

2 结果与分析

2.1 研究区气象特征

研究区2017年4月1日-10月31日共发生78次降雨（图1），总降雨量353.7 mm。24 h降雨量小于10 mm（小雨）68次，共降雨151.5 mm，占观测期总降雨量的42.83%；降雨大于等于10 mm小于25 mm的事件（中雨）9次，共降雨160.1 mm，占观测期总降雨量的45.26%；降雨大于等于25 mm小于50mm的事件（大雨）1次，共降雨42.1 mm，占观测期总降雨量的11.90 %；未出现24 h降雨大于50 mm（暴雨）的降雨事件。从降雨的时间分布来看，降雨量的月最低值出现在4月份，为7.9 mm，占整个观测时期的2.23%；最高值出现在8月份，为148.1 mm，占观测期降雨量的41.87%。

图 1 监测时段内降雨与气温

2.2 不同土地利用方式下土壤水分的时间变异特征

对耕地和紫花苜蓿两种土地利用方式下在生长季内的土壤含水量进行研究，结果表明，两种不同土地利用方式下不同深度的土壤含水量变化趋势基本一致（图2）。表层20 cm处的土壤含水量波动最为频繁，越往下层，土壤水分的波动次数越少，150 cm与200 cm深度处土壤含水量已无明显波动。这与杨文治[11]的研究一致，其研究同样发现降雨入渗很难达到1 m以下的深度。浅层次土壤的含水量更容易受到植物蒸腾和土壤蒸发的影响[12]，且更容易受到植物根系的影响。对于变化最为活跃的表层20 cm处含水量，两种土地利用方式下的最高值都出现在8月份，紫花苜蓿与耕地分别为15.24%与15.07%（表1）；最低值均出现在7月份，分别为9.94%与10.39%。两种土地利用方式下的0~200 cm土壤贮水量如图3，当日降雨量大于10 mm（即中雨级别）时，0~200 cm土壤贮水量均表现出明显的波动上升。7月份仅有4场小雨级别的降雨事件，缺乏有效降雨，而同期月平均温度最高（21.4 ℃），土壤蒸发散较强，导致贮水量出现明显的下降；进入8月份以来，出现了这个生长季唯一一次大雨级别的降雨（40 mm），且连续出现中雨级别的降雨，随着雨季降雨入渗的补充，使得土壤贮水量迅速增加且在8月底出现峰值，紫花苜蓿与耕地分别为271 mm与304 mm。苜蓿是高耗水多年生作物，在干旱半干旱地下水位很深的地区苜蓿的根系会更加的发达，而且苜蓿是多年生作物，植物在非雨季时也没有停止生长，持续性的耗水导致紫花苜蓿的贮水量低于农田地。

图 2 两种土地利用方式下土壤不同层次含水量

Fig.2 Water content at different soil depths under two land use types

表 1 不同土地类型各土层土壤水分统计

注：不同的小写字母表示统一土地利用方式下不同层次土壤含水量在0.05水平上的差异

Note: different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level among different soil layers under the same land use type.

2.3 不同土地利用方式下土壤水分空间变异特征

图3 不同土地利用方式下0~2 m土壤贮水量

两种土地利用方式下不同层次的土壤含水量变化如图3。总体而言，土壤含水量具有共同点的特征，均呈现自上而下减少的趋势。紫花苜蓿在最下层200 cm处的平均含水量为8.52%，高于150 cm处的平均含水量7.64%（各层次最低值）。这可能是由于植物根系对土壤水分的调节作用，即水分再分配作用引起的。具体来讲是水分在水势差的驱动下由根系向土壤中释放出一种双向和被动的水分运转过程，包含水分由土壤深层向表层土壤的释出，表层土壤向深层土壤的流动以及在水平方向上的侧向运输过程[13]。乔木、灌木和草本植物都发现有水分再分配情况存在，且其对土壤含水量有较大的调节作用[14]。本研究中土壤表层的含水量远远高于200 cm处，形成水势梯度差；而紫花苜蓿的根系深度能够超过200 cm，200 cm处含水量的升高可能是由于水分通过紫花苜蓿根系的再分配而形成。耕地的平均含水量最高值出现在50 cm处，为15.44%。在半干旱区域，土壤水分的蒸发散一般出现在表层，因其更容易受到太阳辐射和风力的影响，这可能是50 cm含水量高于20 cm含水量的原因。下层依次降低，最低值出现在最深处200 cm深度，仅为4.92%。这是由于降雨的入渗能力减弱，而深层地下水无法补给所引起。降雨使表层土壤体积含水量迅速增加，深层土壤水分只能通过表层土壤的入渗才能得以补充。土壤中的水分，一部分被植物吸收利用用于植物自身生长和植物的蒸腾作用返回大气，另一部分以物理蒸发和入渗的模式回到大气或者向深层入渗。当雨量小时，水分大部分用于植被吸收利用和物理蒸发，很少水分能入渗到深层，从而使表层土壤水分含量迅速增加后又降低，降雨前后土壤表层体积含水量的波动大于土壤深层。因而表层土壤体积含水量的变异系数较大，而深层土壤的较小。雨量大时一部分变异系数CV的变化趋势与平均含水量基本一致，最高值均出现在50 cm深度处，紫花苜蓿与耕地的CV分别为0.26与0.21。这可能是由于在生长旺盛的8月份，由于降雨较多，导致入渗较强，使50 cm深度处的含水量有充足的水分补给而处于较高的含水量水平；同时，持续性的降雨使此层的含水量得以累积，最大的含水量极差也出现在此层次。而表层虽然受降雨影响最为直接，变化最为剧烈，但同时高温使的降雨增加的水分更容易被蒸散发损失，因此其变异程度并不如50 cm处，含水量变异系数小于50 cm深度处。根据变异程度分级规律，两种土地利用方式下上三层土壤含水量均达到了中等变异的程度，说明其波动幅度较大，受降雨的影响较强。而100 cm以下的变异系数为弱变异性，且稳定在较低的水平。除200 cm深度处，紫花苜蓿地各层次土壤水分均低于耕地。

土壤干化现象最早发现于上世纪60年代。研究表明，土壤干层是黄土高原广泛发生的一种水文现象，是环境旱化和土壤干化综合作用的结果。王力等[15]将土壤干层分为3级，土壤含水量低于5%为强烈干燥化土层，5%~8%为中等干燥化土层，8%~10%为弱干燥化土层。孙蕾等[16]发现，雨季结束后，土壤含水量呈现上层大、下层远低于上层、深层发生干燥化的趋势。几乎所有的人工乔、灌林和紫花苜蓿等多年生豆科牧草均能使土壤形成干层[17]。本文中紫花苜蓿50 cm深度处含水量为11.91%，100 cm处含水量为8.93%；耕地50 cm深度处含水量为11.90%，100 cm处含水量为8.36%。这表明紫花苜蓿在50 cm深度以下就有干化的趋势，耕地在100 cm以下才会出现此现象。刘沛松等[18]通过两年的连续观测发现，三年龄、六年龄和十年龄的干层分别出现在720 cm，1000 cm和920 cm，但均未在300 cm内出现干层。因其并未监测16年龄的紫花苜蓿，我们的研究结果可为其提供补充。

3 结论

土壤水分在生长季的变化主要受到降雨量和植被类型等因素的影响，降水和土地利用方式共同控制着土壤含水量剖面变化，并对其时空动态产生明显的影响。通过对黄土丘陵沟壑区一个完整生长季的研究，我们得出以下结论：

（1）黄土丘陵沟壑区的降雨呈现雨热同期的特点。降雨量峰值出现在8月份，达到148.1 mm，占观测期降雨量的41.87%。不仅降雨的频度高，雨强也大，中雨及以上级别的降雨出现五次，包含一次大雨级别的降雨；

（2）两种不同土地利用方式下不同深度的土壤含水量变化趋势基本一致，在生长季前期保持基本稳定，7月份由于降雨较少而呈现出下降的趋势，8月份开始由于降雨量的增加，0~1 m处的含水量得到补充，1 m以下的含水量基本保持稳定。0~2 m的贮水量，耕地要高于紫花苜蓿地；

（3）以不同土壤深度的平均值来分析土壤体积含水量垂直分布的生长季变化规律，紫花苜蓿基本呈现出随土层深度的增加逐渐减小的规律，最下层200 cm处的土壤含水量由于土壤水分的再分配而略微升高，但仍处于较低水平；耕地含水量的最高值出现在50 cm深度处，以下深度含水量依次降低。紫花苜蓿出现干化现象的深度要浅于耕地。

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Dynamic Characteristics of Soil Moisture under Different Land Use Types in Loess Region

FENG Jin-chao1, DANG Hong-zhong1*, CONG Ri-chun1, YAO Yuan3, WU Li-li1

1.100091,2.750001,

In order to evaluate soil moisture characteristics at different soil depths on the loess plateau under different land use types, we selected alfalfa and arable land (potato) soil in Shijiacha watershed of the loess hilly-gully region as the research object. This research monitored soil moisture at the depth of 20cm, 50cm, 100cm, 150cm, 200cm from April to October 2017 to analyze temporal dynamic characteristics and vertical profile distribution characteristics of soil moisture content under two land use types in a complete growing season. The results showed that: (1) the highest values of soil moisture content were found at the depth of 50cm. Except that the water content of alfalfa at 200cm was higher than 150cm, other layers showed a tendency of decreasing with the increase of depth. (2) Under the two land use types, the soil moisture of 0-100cm had obvious seasonal change characteristics, the highest value occurred in August when the rainfall was the largest, the moisture of the lower soil was stable at a relatively low level, and the soil water storage of cultivated land was larger than that of alfalfa field. According to the research, alfalfa consumed more soil moisture and was more likely to cause soil desiccation.

Loess region; soil moisture; coefficient of variation; land use type

S152.7

A

1000-2324(2019)04-0729-06

2019-03-23

2019-05-04

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金:半干旱区退耕林地降水入渗过程研究(CAFYBB2016QA021)

冯金超(1984-),男,博士,助理研究员.主要研究方向:氮水循环. E-mail:fengjinchao@caf.ac.cn

Author for correspondece.E-mail:hzdang@caf.ac.cn