黄土高原生态工程区土壤容重及饱和导水率的分布特征

赵亚丽，王云强，张兴昌

黄土高原生态工程区土壤容重及饱和导水率的分布特征

赵亚丽1,2,3，王云强2,3※，张兴昌1,3

（1. 中国科学院水利部水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨陵 712100；2. 中国科学院地球环境研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061；3. 中国科学院大学，北京 100049）

土壤水力性质是影响水分运动、溶质运移以及流域水文模型模拟的重要参数。近年来，黄土高原实施的退耕还林（草）工程、治沟造地工程等重大生态工程，影响了该区域的地形地貌、土壤水力性质等。深入研究流域尺度土壤容重（Bulk Density，BD）与饱和导水率（）的动态变化特征，对于理解重大生态工程影响下的水文过程演变规律具有重要意义。本研究以黄土高原重大生态工程影响的典型小流域为对象，采用80 m×80 m的网格布点（89个样点），分别于2016年9月（夏末）、11月（初冬）和2017年3月（初春）采集土壤表层（0～5 cm）环刀样品，分析BD和的动态分布特征及其影响因素。结果表明：BD在0.93～1.61 g/cm3之间变动，介于0.01～7.30 cm/min；BD呈弱变异性，变异系数（Coefficient of Variation，CV）为10%，而呈强变异性（CV=166%）。坡面BD显著小于沟底（<0.05），而则显著大于沟底（<0.05）。坡面林地和草地BD表现出显著的季节性差异（<0.05），而在林地、灌木和草地之间均表现出显著的季节性差异（<0.05）。地形对流域内的土壤水力参数分布有显著影响，外界环境（温度）变化是决定BD和呈季节性动态变化的重要因素。多因素方差分析表明土地利用类型对BD与均有显著影响；采样时间对有显著影响，对BD无显著影响。相关结果可为揭示重大生态工程区小流域土壤水力参数的动态变化规律及其主控因素提供数据支撑和理论参考，有助于小流域水文过程的模型模拟研究与精细调控。

土壤；流域；容重；饱和导水率；动态变化；生态工程区；黄土高原

0 引 言

土壤容重（Bulk Density，BD）是土壤的基本物理性质之一，受母质、成土过程、气候、生物作用及耕作的综合影响，通常表现出弱变异性[1-2]。BD显著影响土壤的透气性、入渗性能、持水能力、溶质迁移特征以及土壤的抗侵蚀能力[3-5]。土壤饱和导水率（）反映了土壤入渗和导水性质，是研究土壤水分、溶质运移规律和影响水文模型模拟精度的重要水力参数。受土壤质地、结构、孔隙度、微地形以及土地利用类型等的共同作用，表现出强烈的时空变异特征[6-10]。

目前，越来越多研究关注BD与的时空分异规律及其尺度依赖性，并取得重要进展[5,10-15]。在区域尺度上，Wang等[16]通过在黄土高原地区大面积采样，研究土壤表层和次表层K的空间分布特征发现，表层和次表层均表现出强烈的空间变异性，变异系数（Coefficient of Variation，CV）分别为206%和135%；表层与砂粒、粉粒、坡度、饱和含水量、植被覆盖和土地利用类型显著相关，而次表层则与黏粒、坡度、纬度、饱和含水量、生长年限和土地利用类型显著相关。在流域尺度上，傅子洹等[17]在老叶满渠小流域研究了表层BD和的时空分布特征，结果表明，在月际尺度，BD变化较小，而变化剧烈，BD与的空间变异结构均可用指数模型进行拟合。在坡面尺度上，毛娜等[18]发现表层土壤（0～20 cm）显著高于深层（20～200 cm）；不同植被类型下与容重、黏粒和粉粒呈显著负相关（<0.01），与毛管孔隙度、饱和含水量、砂粒以及有机质含量呈显著正相关（<0.05）。在田间尺度上，李涛等[19]发现具有较强的空间变异性，土壤与黏粒、粉粒、砂粒和有机质含量具有一定的空间相关性，而与土壤容重几乎没有空间相关性。赵春雷等[20]研究了冻融循环对的作用，发现冻融过程对具有显著影响，其影响程度因土地利用类型和土层深度不同而异。在样方尺度上，Hao等[13]对亚热带地区不同林地类型下的分布特征进行了研究和预测，发现随植被类型和土层深度而变化，回归树模型（Regression tree）分析进一步表明总孔隙度、非毛细孔隙度和大孔隙水稳团聚体是决定的主要因子。在微观尺度上，Sandin等[21]利用X射线层分析技术研究了结构性孔隙和时间动态的关系发现，在近饱和导水率的现场测量中，孔隙网络特征随时间有明显变化，与孔隙连通率有关。已有研究深化了对不同尺度BD和分布特征的认识，但较少涉及BD和的动态变化；此外，关于高强度人为管理措施下（如重大生态工程的实施），小流域尺度BD和的时空变化特征及其主控过程研究，鲜有报道。

2011年，治沟造地工程在延安试点实施，涉及全市13个县区，包含197个子项目，2013－2018年间新造耕地累计达3 333 hm2。治沟造地工程显著改变流域内的地形条件及土壤水文环境，进而影响流域土壤水力参数的分布格局[22-24]。目前，关于受重大生态工程影响的小流域BD和动态变化特征的研究较少，使得对这些小流域内发生的降雨入渗过程、土壤水分运动过程、生态水文过程等认识不深刻。因此，本研究在黄土高原丘陵沟壑区，选取受退耕还林（草）和治沟造地工程共同影响的代表性小流域，探索流域内BD和的动态变化特征，并揭示其影响因素，以期为黄土高原小流域综合治理、流域水文模型构建与精细管理提供基础数据和科学参考。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原中部，距离延安市约40 km的甘谷驿镇顾屯小流域（图1）。该区属于典型的大陆性暖温带季风气候，年平均降雨量为541 mm，年平均蒸发量为1 000 mm。降水季节分配不均，年际差异明显，夏季降水量约占全年降水量的50%～70%，且多暴雨[22]。年均气温9.8 ℃，最高气温39.7 ℃，最低气温−25.4 ℃，年均无霜期130 d。小流域海拔范围973～1 188 m。研究区主要为低肥力风积黄土，抗侵蚀力较弱。土地利用类型主要包括农地（沟底）、灌木、林地和天然草地（坡面）。流域坡面自2003年实施退耕还林（草）工程，至今已有16 a。主要的植被类型有刺槐（）、沙棘（）和长芒草（）等。流域沟底自2013年实施治沟造地工程，沟底造地面积达50 941 m2。

1.2 野外采样与室内分析

为确保采样点均匀分布，且能够代表小流域内所有的土地利用类型，在流域坡面，按照80 m × 80 m的网格进行布点；根据每个网格中优势物种分布，选择1个具有代表性的样点采集样品。在流域沟底区域，按40 m间距沿沟道布设1条样线。分别在坡面和沟底布设64和25个样点（图1），共89个样点。坡面包括3种土地利用类型（林地、草地和灌木），其中林地（刺槐）为主要土地利用类型，样点个数为41个，其次是草地，样点个数为19个，灌木（沙棘）分布较少，样点个数为4个，沟底的25个样点均为农地。通过全球定位系统（Global Positioning System）获取每个样点的经纬度。分别于2016年9月、11月和2017年3月采用容积为100 cm3的环刀对每个样点采集表层（0～5 cm）原状土壤样品。土样带回实验室后，采用定水头一维土柱入渗法测定（cm/min），用烘干法测定BD（g/cm3）。3次采样时间分别对应于夏末、初冬和初春，故BD和的动态变化可以反应其季节特征。流域内安装了气象站，用于收集流域气象数据。

图1 研究区位置及采样点的分布图

1.3 数据分析

本研究中统计分析（最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数、相关性分析等）由Excel 2013 和SPSS 16.0 软件计算得出。均值差异性检验采用单因素方差分析（One-way Analysis of Variance，ANOVA）和最小显著性差异法（Least Significant Difference，LSD）。土地利用类型和采样时间对BD和的效应通过一般线性模型的多因素方差分析进行。

2 结果与分析

2.1 样点相关因子和土壤水力参数的分布特征

表1为顾屯小流域土壤颗粒和高程的基本统计特征。土壤黏粒、粉粒和砂粒分别在2.3%～7.9%、46.9%～70.0%和23.4%～49.1%之间变动，变异系数从小到大依次为粉粒、砂粒、黏粒，高程在976～1 156 m之间波动。分别对坡面和沟底样点进行统计发现，坡面样点土壤黏粒和粉粒的平均值比沟底样点分别低1.8%和3.2%，而坡面样点砂粒的平均值比沟底样点高5%。

表2为顾屯小流域3次采样时间的BD和统计结果。BD在0.93～1.61 g/cm3之间变动，3个月份的均值为1.25 g/cm3，平均变异系数为10%，呈弱变异性。小流域介于0.01～7.30 cm/min，均值为0.59 cm/min。在2016年9月、11月和2017年3月的变异系数分别为141%、244%和113%（均值为166%），均呈现出强烈的变异性。BD与表现出不同的变异特征，这与其不同的影响因素和过程有关。BD主要受成土母质、气候、土粒密度的影响[25]，而则主要受土壤孔隙、土壤结构、有机质含量等影响[17]。土壤有机质含量高，易形成土壤团聚体，进而使土壤具有良好的土壤结构，土壤入渗性能较好[26]。另外，土壤干湿交替、冻融循环、根孔、虫洞、土壤裂隙等作用常常形成土壤大孔隙，大孔隙有助于水分的快速流动，会显著增加[27-28]。土壤孔隙、土壤结构和有机质含量的变异性及其叠加效应使比BD表现出更大变异，傅子洹等[17]的研究也得到了类似的结果。

表1 土壤颗粒组成和高程的统计特征

注：CV为变异系数，CV ≤ 10% 时为弱变异，当10% < CV < 100%时为中等变异，当CV≥100%时为强变异，下同。

Note: CV is coefficient of variation, weak variation if CV≤10%, moderate variation if 10% < CV < 100%, and strong variation if CV≥100%, the same below.

表2 研究区土壤容重和饱和导水率的基本统计特征

通过分析坡面和沟底的样点统计结果发现，坡面和沟底BD的均值分别为1.19和1.38 g/cm3。BD在坡面和沟底之间存在显著性差异（图2），这是由于沟底作为新造耕地，治沟造地工程实施过程中机械作用使土壤压实，导致BD较大。这与鞠忻倪等[29]的研究结果类似。另一方面，坡面自退耕还林（草）工程实施以来（16 a），较少有人为干扰活动（踩踏、压实），在长时间自然演替作用下，坡面植被的根系具有疏松土壤的功能，因此坡面BD值较小[22]。与BD相反，坡面显著高于沟底（图2）。与BD在坡面和沟底表现出相反的分布特征，这是由于BD与一般呈负相关关系[4,17]。与BD变异系数不同的是，在坡面的平均变异系数（161%）比沟底的大（111%）。这是由于坡面受退耕还林（草）工程影响，在长时间的植被生长作用下，形成了不同的土地利用类型，不同的植被-土壤界面及其相互作用过程，对土壤水力参数会产生不同影响。相较于坡面，沟底土壤受治沟造地工程影响，土壤均被施工机械在一定程度上压实，且沟底土地利用类型单一，所以沟底的变异系数小于坡面。不同数据分组统计结果表明，BD和总体（所有点）的变异系数比分组（坡面和沟底）的变异系数大。Hu等[30]在研究土壤水分分布特征时也发现，当把沟底样点的数据一起进行统计分析时，流域尺度土壤水分的变异系数显著增大。因此，在地形地貌复杂的区域，应充分考虑地形对土壤水力参数分布特征的影响。

注：不同小写字母表示同一指标在坡面和沟底存在显著差异（P<0.05）

2.2 坡面和沟底土壤容重与饱和导水率的动态变化特征

BD在不同季节之间呈微弱波动。坡面和沟底BD在不同月份之间均表现为先增加后减小（表2）。研究表明，在季节尺度上，BD受气候变化、地表物理化学过程和生物扰动的综合作用[2,17]。3次采样时间分别对应夏末、初冬和初春，夏季降水较多、蒸散强烈、植被根系以及微生物活动活跃，初春温度逐渐升高，土壤经过冬季的冻土过程，逐渐开始融化，变得蓬松，这些综合作用使夏末和初春的BD略微减小。相反，初冬时期，温度逐渐降低，地表物理化学过程逐渐减弱，BD略微增大[2,23]。

相比于BD，在不同采样时间表现出较大的波动。2016年9月、11月和2017年3月坡面的平均值分别为0.95、0.43和0.60 cm/min，沟底的平均值分别为0.31、0.13和0.81 cm/min。坡面和沟底在不同月份之间均表现为先减小后增加。坡面在夏末时最大，而沟底在初春时最大。可能是由于坡面植被在9月份还处于生长季，根系以及微生物活动比较旺盛，土壤中根孔以及虫洞密度会有一定的增加，使土壤孔隙增加，也随之增加。沟底土壤水分含量比坡面高，在冬季，沟底土壤水分易呈冻结状态；当温度升高，土壤从冻结状态逐渐融化时，会受热膨胀，使土体产生微小裂隙，导致增加。因此，沟底在初春时期比坡面变化剧烈。另外，虽然降水是土壤侵蚀发生的主要驱动力，但采样期间降水较少。除9月底和10月份有4次降雨量较大的降雨事件外（降雨量分别为11.8、13.1、8.3和16.6 mm），其余日降雨量均小于5 mm。因此，可以排除由于水土流失造成表土质地发生颠覆性变化，进而导致BD和动态变化的可能。而采样期间温度变化剧烈，最低温度为−9.8 ℃，最高温度为19.7 ℃，变幅达29.5 ℃，是BD和呈现波动变化的主要外界因素。

2.3 不同土地利用类型的土壤容重与饱和导水率的动态分布特征

图3展示了不同土地利用类型下BD与的分布特征。为消除地形的影响，同时也便于理解退耕还林（草）工程对土壤水力参数的作用，此部分不对沟底的农地进行讨论，仅对坡面3种土地利用类型间的土壤水力参数进行分析。结果表明，坡面林地、灌木和草地的BD与均无显著性差异。本研究的采样深度位于表层，该层位的土壤易受外界环境（干湿交替、冻融作用、生物扰动）的综合影响，因此，在不同土地利用类型下没有表现出明显差异。毛娜等[18]的研究也表明同一坡向内不同植被类型0～20 cm土层的没有显著差异。

注：不同小写字母表示同一指标在土地利用类型之间差异显著（P<0.05）。

图4显示了不同土地利用类型下3次采样时间BD和的动态分布特征。林地和草地BD在2016年9月和11月之间存在显著差异，灌木BD无季节性差异。而林地、灌木和草地的在不同月份之间均存在显著差异（<0.05）。与2016年9月和次年3月相比，3种土地利用类型在2016年11月的均显著较低。不同季节条件下，气候条件、地表土壤物理化学过程和不同植被的根系分布形态表现出动态变化，使BD与在不同土地利用类型之间呈现出季节变化特征[17]。与土地利用类型不同的是（图3），BD与在不同季节之间差异显著，表明BD与易受采样时间的影响。Hu等[23]对4种不同土地利用类型下的土壤水力参数进行测定，也发现在不同土地利用类型之间差异不显著，但是每种土地利用类型下的在月际尺度之间差异显著。

注：不同的小写字母表示容重和饱和导水率在同一土地利用类型下不同采样时间之间存在显著差异（P<0.05）.

2.4 土壤容重与饱和导水率的影响因素

表3为BD和与影响因素的相关性分析。在整个流域尺度，BD与黏粒、高程和土地利用呈显著相关，而与土壤颗粒、高程不显著相关，与土地利用显著相关。分别对坡面和沟底样点进行相关性分析，发现BD和与土壤颗粒、高程和土地利用的相关关系均不显著。因此，所有样点、坡面和沟底样点相关性分析的对比结果表明，高程和土地利用是影响BD和分布的主要因素。甘淼等[5]通过对黄土高原典型切沟土壤表层BD和的研究，同样发现地形对BD和具有显著影响，沟缘和坡面位置BD随坡位上升总体呈微弱减小趋势，切沟分布改变了BD和的空间格局。而本研究中高程和土地利用差异的根本原因是治沟造地工程改变了该流域的地形地貌，使得流域内土壤水文环境以及人类活动发生了重大改变，导致土壤水力参数分布格局明显不同。

表3 土壤容重和饱和导水率与影响因素的相关性分析

注：**和*分别表示在0.01和0.05水平上显著相关（二尾检验）。

Note: ** and * indicate significant correlation at 0.01 and 0.05 level (2–tailed test), respectively.

表4为所有样点多因素方差的分析结果。土地利用类型对BD和均有显著影响，这主要是由于沟底农地的作用。而采样时间只对有显著影响，对BD没有显著影响。土地利用类型和采样时间的交互作用也只对有显著效应。本研究结果与前人的研究结果相似，均证实了采样时间对有重要作用。季节变化会使外界条件和土壤环境产生明显差异（干湿交替、冻融循环、热胀冷缩），进而引起的剧烈变动。相比于，采样时间对BD的效应没有达到显著水平，表明BD呈现弱的季节性变化特征。Hu等[23]的研究表明土地利用类型对没有显著影响，这是由于其研究区域较小（不同土地利用类型位于同一坡面），土地利用类型对的效应没有达到显著水平，本研究区域受到重大生态工程的影响，流域内有明显的坡面和沟底位置差异，导致土地利用类型对BD和均呈现出显著影响。

表4 土地利用和采样时间对容重与饱和导水率的影响

顾屯小流域的坡面于2003年实施了退耕还林（草）工程，地表植被盖度的增加有效减缓了坡面水土流失，缓解了表土迁移和扰动对土壤BD和的影响。不同土地利用类型下的植被和土壤受季节交替等外界因素的影响，其根系分布格局和土壤环境发生变化，进而引起坡面土壤水力参数的动态变化。该流域沟底于2013年实施了治沟造地工程，目前沟底为新造耕地，土地利用类型单一，且地表覆盖度在生长季和非生长季差异明显。除了人为活动（翻耕、机械压实）的干扰外，沟底作为流域的汇流区域，土壤水分含量较高，更易受到季节性冻融循环和热胀冷缩的影响，进而导致BD和的动态变化[2,23]。随着生态工程的不断推进和功能发挥，流域土壤水文过程将发生明显改变，而影响流域土壤水力参数的时空变化。

重大生态工程的实施会改变原有的地貌和地形条件，进而改变流域内的径流形成、水分下渗、汇流、地下水补给等过程[22,31-32]。BD和作为评估降水入渗、径流形成、土壤水分运动以及土壤可蚀性的重要参数和众多水文模型的输入参数，其时空动态分布特征对模型结果具有至关重要的影响。本研究结果表明，在重大生态工程实施的小流域进行土壤水文过程研究和模拟时，应充分考虑地形改变、采样时间等因素的影响。对于需要输入BD和参数的模型，应关注BD和的动态变化特征，建立不同时期BD和的数据库，以便得到更为精确的模拟结果。

3 结 论

本文选择重大生态工程影响下的顾屯小流域，通过不同采样时间下土壤容重（BD）和饱和导水率（）的动态变化与分析研究，得出以下结论：

1）BD在0.93～1.61g/cm3之间变动，在不同季节均呈弱变异，平均变异系数为10%。介于0.01～7.30 cm/min，平均变异系数为166%，呈强变异。坡面BD显著小于沟底，则显著大于沟底（<0.05）。

2）不同采样时间下，BD和在坡面和沟底的整体变化规律一致。BD在3个季节间表现为先增加后减小，表现为先减小后增加。

3）退耕还林（草）工程影响的坡面土壤水力参数受土地利用类型和外界环境的相互作用。BD在林地和草地间存在显著季节性差异，而在林地、灌木和草地之间均呈显著的季节性差异。治沟造地工程影响的沟底土壤水力参数受土壤状态和外界环境影响。

4）在小流域尺度，采样时间对具有显著影响。

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Distribution characteristics of bulk density and saturated hydraulic conductivity in intensive land restoration project areas on the Loess Plateau

Zhao Yali1,2,3, Wang Yunqiang2,3※, Zhang Xingchang1,3

(1.,,&,712100,; 2.,,,710061,; 3.,100049,)

Soil bulk density and saturated hydraulic conductivity are two important hydraulic parameters of soil, and thereby highly affect water holding capacity of soil, infiltration, runoff formation, and soil erosion. There are great topographical changes on the Loess Plateau of China, as the projects of Grain for Green and Gully Land Consolidation have been largely implemented in recent years. It is essential to understanding the temporal change of soil bulk density and saturated hydraulic conductivity, and their response to the intensive land restoration projects for the ecological management on Chinese Loess Plateau. Taking Gutun watershed as the research area, the objective of this study was to investigate the temporal variation of soil bulk density and saturated hydraulic conductivity and their controlling factors in the intensive land restoration area, where the projects of Grain for Green and the Gully Land Consolidation were widely implemented. The sampling point of an 80 m × 80 m grid, and totally with 89 sampling sites were selected, in order to ensure that the sampling sites were uniformly distributed and represented all types of land use in the watershed. Measurements of soil bulk density and saturated hydraulic conductivity were conducted on undisturbed soil samples at each site taken from the surface soil layers (0-5 cm) on three periods in September and November 2016 and March 2017 at Gutun watershed on the Chinese Loess Plateau. The results showed that the soil bulk density ranged from 0.93 to 1.61 g/cm3, while the saturated hydraulic conductivity was from 0.01 to 7.30 cm/min (for all sites). The soil bulk density displayed a weak variability (Coefficient of Variation (CV) was 10%) among different seasons, while the saturated hydraulic conductivity indicated a strong variability (CV=166%, for all sites). The soil bulk density on slope was significantly smaller than that in gully (<0.05), while the saturated hydraulic conductivity on slope was significantly larger than that in gully (<0.05). The soil bulk density increased from September to November 2016, and then decreased from November 2016 to March 2017, whereas the saturated hydraulic conductivity showed an adverse trend among the three measurements. The soil bulk density under forest and grassland showed a significantly seasonal variation, whereas the saturated hydraulic conductivity displayed a significantly seasonal variation under all land use types. Topography (elevation) played an important role in determining the soil bulk density and saturated hydraulic conductivity in the area, where the projects of intensive land restoration implemented. External environment (temperature) was the controlling factor that determined the temporal change of soil bulk density and saturated hydraulic conductivity. Multivariate analysis revealed that the land use posed a significant impact on the soil bulk density and saturated hydraulic conductivity. The duration and the interaction of land use had significant impact on saturated hydraulic conductivity, not for soil bulk density. The results demonstrate that it is necessary to consider the temporal variation of soil bulk density and saturated hydraulic conductivity and their affecting factors, when modelling and predicting the relevant soil hydraulic processes. This finding can also provide a deep insight to the related eco-hydrology processes in the implemented areas of intensive land restoration.

soil; watershed; bulk density; saturated hydraulic conductivity; dynamic change; intensive land restoration project; the Loess Plateau

赵亚丽，王云强，张兴昌. 黄土高原生态工程区土壤容重及饱和导水率的分布特征[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：83-89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.010 http://www.tcsae.org

Zhao Yali, Wang Yunqiang, Zhang Xingchang. Distribution characteristics of bulk density and saturated hydraulic conductivity in intensive land restoration project areas on the Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 83-89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.010 http://www.tcsae.org

2019-12-08

2020-04-27

国家自然科学基金项目（41971045，41722106）

赵亚丽，博士生，主要从事土壤水文过程研究。Email：zhaoylgkd@163.com

王云强，博士，研究员，主要从事土壤水分生态、土壤性质空间变异研究。Email：wangyunq04@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.010

S152.5

A

1002-6819(2020)-10-0083-07