黄土丘陵区不同土地利用方式的土壤水热特征

唐 敏，李皖宁，刘 锐，顾雷蒙，张 超

（扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

黄土高原是当今世界上水土流失最为严重的地区之一，水土流失已经严重消耗了黄土高原的土地资源并加速生态环境退化，这直接影响当地的农业生产和经济发展[1]。研究表明，黄土高原水土流失是自然因素和人为因素共同作用的结果[2]。从人为因素来看，不合理利用土地是引起水土流失的重要原因。新中国成立以来，国家高度重视黄土高原水土流失治理和生态环境改善，通过实施土地整治，对传统的土地利用结构进行优化和调整，使得目前黄土丘陵区的土地利用方式呈现多元化特征。

土壤水热状况是影响植被生长发育的主要因素，而土壤含水量和土壤温度是反映土壤水热特征的两个重要参数。植物所需绝大部分水分是通过根系吸收得到的，土壤水分是影响植物光合作用、水分代谢以及物质运移等生理活动的重要因子，同时也对植物根系生长和形态发育有很大影响。土壤温度不仅影响植物地上部分的生理活动，还影响地下根系呼吸、营养元素吸收等活动，与植物生长发育关系密切。因此，研究土壤水热变化对于了解植被对土壤环境的适应性具有重要意义。研究表明，在不同的下垫面条件下土壤水热特性及其变化规律存在差异[3]。LI 等[4]在研究黄土高原旱作区垄沟覆盖对土壤温度、水分以及玉米产量的影响时发现，相比对照处理（垄上覆盖塑料薄膜，沟内无覆盖），垄上覆盖塑料薄膜+沟内覆盖玉米秸秆这种耕作方式能够改善土壤水热条件，增加玉米产量。由此可见，土地利用方式是影响土壤水热变化的重要因素，有研究表明，这种情况在干旱和半干旱地区尤为明显[5]。因此，深入研究黄土丘陵区不同土地利用方式的土壤水热效应对该地区植被恢复与重建具有重要的理论价值和现实意义。本研究对黄土丘陵区4 种典型土地利用方式（坡耕地、梯田、枣林、草地）的土壤含水量和温度进行了长期定位监测，分析了不同土地利用方式的土壤水热变化特性，并提出了一些土地利用改进建议，以期为进一步明确黄土高原土地利用结构、优化调整方向提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2015 年5—10 月在陕西省榆林市清涧县店则沟镇园则沟小流域（37° 14′ N，110°21′E）进行。研究区属于黄土高原丘陵沟壑地貌，位于中温带半干旱大陆性季风气候区，年均降水量为505 mm，70%的降水集中在7—9 月；年均气温为8.6 ℃，昼夜温差及气温季节变化大。2015 年生长季总降水量为228.2 mm，比历年生长季年均降水量少，2015 年属于干旱年。土壤为黄绵土，土质疏松，田间持水量为25%（体积含水量，下同），永久凋萎系数为7%。

1.2 试验方案

选择坡向、坡位和坡度相近的坡耕地（试验期间种植作物为大豆）、梯田（种植作物为玉米）、枣林（12年生梨枣，株行距2 m×3 m）和荒草地作为研究对象。各土地类型试验期间均不灌溉，管理措施与当地一致。

试验开始前，沿坡长方向在坡上、坡中、坡下分别安装一套土壤水热自动监测装置，土壤水分和温度分别由EC-5 土壤水分传感器和RR-7110 土壤温度传感器测定。坡耕地和梯田的监测探针埋设在作物行间，枣林的监测点距离枣树树干30 cm 左右。土壤水分、温度测定频率为10 min 一次，剖面测定深度为10 cm、20 cm、40 cm、60 cm。对每一种土地类型3个监测点同一土层的含水量和温度求平均，以此表征该土地类型在该土层深度的土壤水分和温度。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式的土壤水分变化特征

各土地类型浅层（深度0～20 cm）土壤含水量受降雨和土壤蒸发影响，有效降雨后土壤水分含量迅速升高，整个生长季内该层土壤含水量变化较为剧烈，它属于土壤水分季节性波动层，如图1 所示。试验期间，梯田浅层土壤含水量显著高于其他土地利用方式（概率P＜0.05），其生长季平均土壤含水量为13.91%，而坡耕地、枣林和草地的浅层土壤含水量均值分别相对于梯田减少4.01%、5.80%和3.59%。随着土壤深度增加，各土地类型土壤水分受降雨影响减弱，土壤含水量的波动幅度逐渐减小。4 种土地利用方式的深层（深度20～60 cm）土壤含水量表现为梯田（13.61%）＞草地（12.54%）＞坡耕地（8.76%）＞枣林（7.54%），如图2 所示。

图1 浅层土壤水分变化

图2 深层土壤水分变化

由于土地利用方式不同，相同土层深度土壤含水量变化存在一定差异。对于浅层和深层土壤，梯田的水分变化波动性较小，其含水量的变化幅度分别为5.69%和1.08%，而坡耕地、枣林和草地的土壤含水量变化幅度相对于梯田均有所提高，且逐渐增大。另外，梯田的浅层和深层土壤含水量序列标准差分别为1.07%、0.26%，坡耕地、枣林和草地的标准差相对于梯田也依次呈现升高趋势。

2.2 不同土地利用方式的土壤温度变化特征

4 种土地类型浅层（深度0～20 cm）和深层（深度20～60 cm）土壤温度在生长季前期（5—7 月）呈现明显的上升趋势，且均在7 月底8 月初达到最大，之后则表现为下降趋势，这与气温的变化规律基本一致，如图3、图4 所示。各土地类型浅层土壤温度受气温影响较大而呈现强烈的波动，在生长季前期，梯田土壤温度显著低于坡耕地、枣林和草地（P＜0.05），而4 种土地类型的初始土壤温度相差不大，由此可知，梯田土壤升温较慢。在降温阶段，梯田土壤温度变化幅度为18.4 ℃，坡耕地、枣林和草地的温度变化幅度均大于梯田，且依次呈现增大的趋势。随着土壤深度的增加，土壤温度的变化幅度减小，温度变化趋于平缓，表明土壤温度受气温影响逐渐减弱。

图3 浅层土壤温度变化

图4 深层土壤温度变化

不同土地利用方式的土壤温度表现出不同程度的变化。在浅土层，梯田的温度变化幅度较小，温度变化范围为9.0～27.9 ℃，坡耕地、枣林和草地的温度变化范围分别为7.6～29.6 ℃、7.8～31.1 ℃和6.0～30.9 ℃，温度变化范围在逐渐扩大。梯田的土壤温度序列标准差仅为4.18 ℃，坡耕地、枣林和草地的温度序列标准差相对于梯田均有所增大。由此可见，在浅层土壤，梯田的温度变化波动性相比其他土地类型明显降低，温度序列的稳定性更强。对于深层土壤，梯田的温度序列标准差依旧最小（2.84 ℃），坡耕地、草地和枣林的标准差相对于梯田均出现不同程度的升高，表明这3 种土地利用方式土壤温度变化更为剧烈，变化规律相对复杂。

3 结论

梯田浅层（深度0～20 cm）和深层（深度20～60 cm）土壤含水量均高于坡耕地、枣林和草地，且梯田各土层含水量的变化幅度和标准差均为最小。由此可见，在干旱条件下，梯田具有明显的蓄水保墒效益，能够保持土壤水分的稳定性。梯田0～60 cm 各土层的温度变化波动性较小，尤其在浅层土壤，梯田的温差为18.9 ℃，坡耕地、枣林和草地的温度变化范围分别为7.6～29.6 ℃、7.8～31.1 ℃和6.0～30.9 ℃，稳定性逐步降低；坡耕地、枣林和草地的温度序列标准差相对于梯田的标准差（4.18 ℃）均有不同程度的增大。由此可见，梯田能够保持土壤温度的稳定性。