欧李林龄对不同坡面土壤水分特征的影响

王安民丁爱强豆巧莉汝海丽王可壮

(平凉市水土保持科学研究所,甘肃 平凉744000)

黄土高原丘陵沟壑区,由于降雨季节性不均匀、植被稀疏和地形破碎等因素导致水土流失严重,该区是黄河流域主要的泥沙策源地。近年围绕着中央提出的黄河流域生态保护和高质量发展战略,流域综合治理得到了快速发展,而在此治理过程中作为流域水土流失治理的主要方式,水土保持工程措施和林草措施的结合模式显得尤为重要。在干旱半干旱区,如何在土壤水分承载力范围内进行合理配置的首要问题就是要掌握不同水土保持工程措施和林草措施结合模式与土壤水分间的相互作用机制。典型的丘陵沟壑状地形景观影响着土壤水分的时空分布和稳定性,而土壤水分又是影响植物生长和分布的重要因子,亦是该区小流域综合治理中植被恢复和重建的限制因子。因此研究该区水土保持工程和林草措施相结合影响下土壤水分的时空动态变化和稳定性规律可为半干旱的黄土高原地区生态建设和恢复提供重要的理论支持。

欧李(Cerasushumilis)为蔷薇科(Rosaceae)樱桃属(Cerasus)低矮型灌木,其根系主要分布于浅层土壤中,侧根发达[1],研究表明在水平阶种植欧李可降低研究区土壤可蚀性因子K值,提高土壤抗侵蚀能力,而且对土壤可蚀性因子K值的影响效果比鱼鳞坑和自然坡都要好[2],而且在陇东黄土高原有良好的适应性[3-4]。目前,关于欧李的研究主要集中在引种栽植前期对气候的适应性、生理遗传特性及经济价值等[4-7]方面的研究,而关于欧李对土壤水分影响以及土壤水分时空稳定性的相关研究还没有报道。鉴于此,本研究对其栽植后进行4 a监测,通过研究不同坡度径流小区微区土壤水分变化及时间稳定性,了解其在坡面条件下对土壤水分影响的规律,以期能为后期欧李在黄土高原丘陵沟壑区小流域综合治理中的合理配置提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于陇东黄土高原丘陵沟壑区的平凉市崆峒区城南的纸坊沟流域,地理坐标为东经106°47′—106°52′,北纬35°12′—35°21′,属泾河干流一级支沟。地势南高北低,地形呈柳叶形,地貌呈丘陵沟壑状,海拔1 365～2 104 m,相对高差739.8 m,主沟道长15.77 km,沟道平均坡降4.34%,流域总面积18.98 km2。气候属北温带半湿润大陆性季风区,多年平均年日照时数2 381 h,总辐射量506.48 kJ/cm2,年均气温8.8℃,平均年蒸发量1 499.2 mm,年均降水量548.7 mm,汛期6—9月平均降水量388.1 mm,占全年降水量的70.7%。土壤从流域东南分水岭到西北主沟道出口依次为黑垆土、草甸土、红黏土、黄绵土、新积土5类土壤,植被主要以人工刺槐林和天然灌草为主,总体上呈上游最好、中游次之、下游较差,阴坡较好、阳坡较差。

2 材料与方法

2.1 样地选择与数据来源

试验样地为径流监测场内坡度为5°,10°,15°的3个标准径流小区(水平投影尺寸20 m×5 m,面积为100 m2),每个小区上(距上边沿1 m,左右边沿2.5 m)、中(矩形小区几何中心处)、下(距下沿1 m,左右边沿2.5 m)坡位处布设TDR水分测管,测管埋设于2016年、2017年2月初开始整地(宽0.5 m,水平阶之间无隔坡),2月底栽植欧李,具体情况详见表1。土壤水分使用时域反射仪TDR测定(型号:AZS-100,北京澳作生态仪器有限公司),测定深度160 cm,每层20 cm,每层测定3次;每月定期15日和30日前后测定,每次降雨之后第1—2 d内加测1次;仪器在本试验开始前进行了标定。由于栽植第1 a内需要进行整地和定期进行浇水、施肥、除草等田间管理,秋季对死亡的植株还需要补植,人为扰动严重,增加了土壤水分变化的不确定性,从第2 a开始,不需要进行浇水和整地,对土壤环境的扰动较小,因此本文以欧李长势稳定后的第2 a(2018年)作为研究起点,记为2 a。

表1 试验小区基本信息(2021年9月)

2.2 数据分析处理

2.2.1 相关参数计算方法及原理

(1)土壤蓄水量(SWS)比土壤含水量更能直观地反映研究区域土壤水分的供给能力。j时间任意观测点i的SWSij计 算公式为:

式中:SWS为土壤蓄水量(mm);αi是j时间任意观测点i的土壤体积含水量(%);d为土层厚度(cm)。

(2)变异系数(Cv)随机变量的离散程度,即变异性的大小,可用变异系数Cv的大小来反映,计算公式为:

式中:M为样本平均值;S为标准差。根据变量程度分级:Cv＜10%为弱变异性,10%≤Cv≤100%为中等变异性;Cv≥100%为强变异性。

(3)时间稳定性。利用Spearman秩相关系数法[8]研究欧李不同生长期垂直方向土层之间土壤水分空间模式在时间上的相似性。计算公式为:

式中:n为样点总数;Rij是在位置i和时间j观测值的秩;Rij'则是观测值在同一个测量点i而在不同时间j'的秩,其rs值越接近1,说明土层之间的土壤水分的空间模式在时间上越相似,即土壤水分的时间稳定性越强[9]。

2.2.2 数据处理 前期数据处理使用Excel,数据分析和图表制作在Origin Pro 2021中完成。

3 结果与分析

3.1 土壤储水量年变化

如图1所示,从不同径流小区整体土壤储水量情况来看(箱线图所示),不同坡面的年均土壤储水量随着坡度增大而增大,5°和10°小区年均土壤储水量基本维持在260 mm左右,15°小区年均土壤储水量基本维持在280 mm左右,土壤储水量之间的差异不显著;不同时期土壤储水量的波动程度也随着坡度的增大而增大,极大值出现在5°径流小区,极小值出现在10°径流小区,无异常值出现。从欧李生长的不同年份来看(柱状图),2 a内,不论是均值还是不同坡度的土壤储水量均要高于以后年份,通过方差分析,不同坡度之间以及不同年份之间土壤储水量的差异均不明显(图中不作标注);在同一年份内,2 a土壤储水量表现为:15°＞10°＞5°,此后3 a,4 a,5 a内,5°和10°径流小区土壤储水量不相上下,均小于15°径流小区土壤储水量。此外,在图1中也能看到,4 a内的降雨量虽然呈波动变化,但是从3 a开始,土壤储水量呈增加态势。

图1 纸坊沟流域欧李生长季不同坡面和栽植年限土壤储水量变化

3.2 土壤储水量时空分布

由图2可以看出,降雨量在年际间差异较大,第4 a和5 a之间的差值达217.5 mm,年内分布不均匀,主要集中在6—8月,但是2021年降雨却4月和9月相对较多。结合降雨变化,从土壤水分垂直分布角度来看,欧李长势稳定之后的第2 a,随着降雨的逐渐增加,径流小区内土壤储水量也呈增加态势,随着坡度增加,土壤深层储水量增加;第3 a,生长季内降雨相对分布均匀,雨量较上年同期少105.8 mm,5°和10°小区土壤储水量在0—2 cm和100 cm以下土层出现明显干燥情况,6—7月,15°小区也开始出现这种干燥的情况;第4 a,生长季内的降雨波动变化范围大,最小4月降雨13.2 mm,最大8月降雨量达到了284.2 mm,约占生长季总降雨的47%,土壤储水量4—6月表现为0—20 cm和100 cm以下相对干燥,其中100 cm以下土层在6月时最为干燥;第5 a,4月的土壤储水量较于前3 a同期大,5月之后,5°和10°小区土壤储水量0—20 cm和100 cm以下逐渐开始减小,7—8月10°小区土壤储水量较低,15°小区0—100 cm土层储水量也逐渐开始减小。从欧李的生长过程来看,在生长季,5°和10°小区0—40 cm和100 cm以下土层土壤储水量较低,40—100 cm土层土壤储水量较高;15°小区0—20 cm土层储水量较低,20—100 cm土层虽然某个时段也存在的高水期,但并不是连续的,相较于其他两个区,120 cm以下土层的土壤储水量较高。

图2 纸坊沟流域欧李生长季月降雨特征和坡面土壤储水量时空动态变化

3.3 土壤水分时空变异分布特征

由图3可以看出,从土壤水分整体变异情况来看,在欧李生长的不同时期,不同坡面土壤储水量的变异系数小于25%,表现为弱变异或中等变异,相对稳定,其中弱变异层主要分布在5°径流小区60—120 cm土层,10°径流小区20—100 cm土层,15°小区无弱变异层;中等变异层5°径流小区为0—60 cm和120 cm以下土层,10°径流小区0—20 cm和100 cm以下土层,15°小区全部为中等变异;随土层深度的增加,变异系数变化表现为5°和10°小区先减弱后增强,15°小区则先呈减弱趋势,60 cm土层以下基本保持在12%左右。同一时期,随着坡度的增大,弱变异区逐渐减小,稳定层主要集中在40—120 cm,但是在不同生长期表现不尽相同,特别是在10°小区第5 a的7月前后和15°小区3 a的5月,第4 a的6—7月之间及5 a的5月前后土壤储水量在垂直方向变异程度增大。同一坡度(图4),随着欧李生长年限的增加,5°小区在5.32%～6.7%的小范围内呈现先减小后增大趋势,10°小区土壤储水量变异系数在6.16%～8.32%的较小区间呈“增—减—增”波动变化,15°小区在5.97%～11.64%的相对大区间呈“增—减—增”波动变化。

图3 纸坊沟流域土壤水分变异系数时空变化分布特征(黑色虚线代表Cv=10%)

图4 纸坊沟流域土壤水分变异系数年均值变化

3.4 时间稳定性分析

利用Spearman秩相关系数法对不同栽植年限欧李坡面土壤储水量的时间稳定性进行分析,结果详见表2—4。由表2—4可看出,2 a时,5°和10°径流小区土壤储水量不同土层间的时空稳定性较15°径流小区强,rs＞0.7的比例分别为67.86%,57.14%,28.57%;3 a时,5°和10°径流小区土层土壤储水量的时空稳定性在个别土层表现较弱,但是15°径流小区相邻土层间土壤储水量的时间稳定性很强(0.81≤rs≤0.92),rs＞0.7的比例分别为25%,25%,35.71%;4 a时,5°和10°径流小区不同土层土壤储水量的时间稳定性出现分层现象,即5°径流小区分别在0—80 cm和80—160 cm土层内稳定性强,10°径流小区分别在0—100 cm和100—160 cm土层内稳定性强,但是15°径流小区除0—20 cm与40 cm以下土层间的时间稳定性较弱外,其他土层之间的时间稳定性都很强,rs＞0.7的比例分别为75%,53.57%,89.29%;5 a时,除5°和15°径流小区0—20 cm土层与10°土层0—40 cm土层外,小区内其他土层土壤储水量的空间模式在时间上表现的十分相似(0.82≤rs≤1),rs＞0.7的比例分别为75%,78.57%,78.57%。

表2 5°径流小区不同深度土壤水分之间的Spearman秩相关系数矩阵

表3 10°径流小区不同深度土壤水分之间的Spearman秩相关系数矩阵

表4 15°径流小区不同深度土壤水分之间的Spearman秩相关系数矩阵

4 讨论与结论

4.1 讨论

在干旱区,诸多学者通过研究不同乔、灌木林分对土壤水分的影响得出,植被在生长过程中会使得土壤出现“干化”现象[10],产生“干层”,不同植物对应的土壤干层出现的深度有所不同,而且随着林龄的增加,干层的厚度增加[11],土壤的干化现象逐渐严重,土壤水分恢复到土壤水分稳定湿度所需的时间以及难易程度逐步上升[12],最典型的如刺槐、柠条、山杏、枣等,但是相对于柠条、油松和葡萄而言,欧李的耗水程度较低[13-15]。本研究结果0—160 cm土层土壤储水量在第3 a略降低后,基本维持在260—280 mm左右,保持稳定态势,除0—30 cm和100 cm以下土层相对较为干燥,5°和10°小区30—100 cm土层土壤储水量较高。一方面,水平阶的拦蓄作用增加了土壤水分,在黄土高原小流域水土保持综合治理中,水土保持工程措施作为生态修复的重要手段,为生物措施实施提供了保障,它主要通过改变坡面立地条件,如坡长、坡度、坡面粗糙度等,增加坡面对地表径流的拦蓄作用,提高了土壤水分含量[16-17];另外,在该区已有的研究表明,欧李在坡地及类似的稍硬土质上根幅较大,根系集中分布在20—70 cm土层内[3],在根系水力提升和土壤水势差的作用下[18],下层土壤水分向该区域内移动,这就导致了浅层的根系集中分布区域内水分含量较高,它是土壤水库与土壤干层相转变的阈值界面[19],土壤干层出现在根系集中分布区域的下方[20]。

土壤水分空间分布特征和时空稳定性与植被、地形、气候及土壤自身特性及其之间的相互作用联系紧密[21]。本研究结果表明15°径流小区的土壤储水量比5°和10°径流小区高,这主要与欧李的生长状况相关,由表1可知,欧李的生物量、盖度和株高10°最大,5°小区次之,15°小区最小,说明10°小区欧李长势最好,耗水量最大,15°小区欧李长势相对较差,耗水量小。刘志贤等[22]在对黄土丘陵沟壑区不同立地条件下欧李生长状况的研究中有相似的研究结果,0°和8°缓坡明显好于20°径流小区和38°陡坡坡面(p＜0.05),虽然靖亭亭等[23]指出坡位和坡向也是影响土壤水分空间变异的主控因子,但本研究中标准径流小区在同一坡向上,而且面积小,坡位的影响可以忽略。本研究结果表明,在不同时段和不同土层深度,储水量与变异系数的关系不尽相同,在大范围上表现出土壤水分含量较高时,变异性较低,但在15°小区第5 a的4月,土壤储水量较高,但是此时的变异程度也较大,已有的研究结果也不尽相同,有的认为二者之间正相关[17,23],有的认为负相关[24],也有认为没有相关性[25],Penna等[26]研究发现土壤水分含量和变异系数之间先呈正相关,在土壤含水量26%～30%时变异系数为最大值,之后又呈负相关,而拐点的大小与土壤质地有关。本研究结果与Penna等的研究结果相似,但它可能是多个外部因子共同决定的,而具体的影响因子及影响机制期望能在下一步研究中得以解决。

降雨是土壤水分最主要来源,也是导致土壤水分值和变异系数在夏、秋季变化的主要因素[27],但并非所有降雨都对土壤水分有影响,降雨的入渗和迁移深度与降雨事件连续性、降雨量、降雨强度、初始土壤含水量等因素有关[28]。本文研究结果表明欧李生长期季内降雨量与土壤储水量之间的相关性不显著,这一方面是由于降雨历时短而雨量大导致绝大部分降雨以坡面径流的方式流失,只有少部分入渗到土壤浅层之中;另一方面是由于欧李的冠层截流和蒸发耗散。

利用Spearman秩相关系数法对不同栽植年限欧李坡面土壤储水量的时间稳定性进行分析中看到,相较于2 a时(rs＞0.7的比例分别为67.86%,57.14%,28.57%),第5 a(rs＞0.7的比例分别为75%,78.57%,78.57%)时土层的时间稳定性提高了10.5%～175%,这说明到欧李在生长过程改变了原来土壤水分的时间稳定状态,使不同深度土层土壤水分的相似性加强,即稳定性更强,这种现象在15°的坡面表现更明显。这主要是由于植物根系能够使小粒径团粒凝聚成更大粒径的土壤团,增加土壤的孔隙度[29],为水分在不同土层之间的流动提供了通道,在外力作用下水分的转移速度更快,也使得土层之间水分的相似性更高,时间稳定性更高。

4.2 结论

在欧李生长过程中对不同坡度土壤水分的耗散相对较低,在5 a内土壤水分并没有持续下降,土壤水分的变异处于中等以下(Cv＜25%),并使得土壤水分的时间稳定性逐步增强,结合欧李在坡面的生长和坡面土壤水分含量及变化,认为“欧李+水平阶”的坡面治理模式在黄土高原沟壑区10°以下坡面上实施有一定优势。但欧李影响下土壤水分含量与水分变异之间的关系尚不明确,有待于进一步深入研究。