立地因子和盖度对宁南黄土区中庄小流域玉米土壤水分的影响

韩新生, 许 浩, 蔡进军, 董立国, 郭永忠, 安 钰, 万海霞, 王月玲

(1.宁夏农林科学院 林业与草地生态研究所 宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室 宁夏生态修复与多功能林业综合研究中心, 银川 750002; 2.中国水利水电科学研究院, 北京 100038; 3.宁夏农林科学院 农业资源与环境研究所, 银川 750002; 4.西北农林科技大学 资源环境学院, 陕西 杨凌 712100)

土壤水分是植被生长与分布的主要作用因子之一,易受气候、地形、植被、土壤和人类活动等因素影响[1],具有明显的时空差异。西北半干旱区年降雨量为300～550 mm,属典型的雨养农业区,旱地作物的空间配置、经济产量受土壤水分的调控与制约。另外,土壤水分还是土壤-植被-大气连续体中水循环的重要一环,能够调控陆地表面与大气之间的相互作用过程,进而影响陆地生态系统水文、生物化学等过程,全面了解和深入刻画旱地作物土壤水分变化特征,为旱作区作物种植模式构建及合理空间规划提供科技支撑。

玉米(Zeamays)是全球种植面积最广的粮食和饲料作物之一,在三大粮食作物(玉米、小麦和水稻)中产量最高。中国是第二大玉米生产国,其玉米产量占全球总产量的20%,在保障粮食安全、饲料供给、国民经济发展中起着不可替代的作用。同时,玉米也是需水量较多和耗水量较高的作物,我国2/3的玉米在旱地上种植,土壤水分是影响旱地玉米生长及产量的主要因素之一,严重干旱可导致玉米大幅减产甚至绝收。以往研究主要集中于多种措施对玉米土壤水分及生长、产量的影响[2-3],对自然状态下分析玉米土壤水分特征的报道较少。刘继龙等[4]在东北黑土区、姚小英等[5]在西北黄土旱塬区利用地统计学等方法分析样地尺度玉米土壤水分时空变异性;王敏政等[6]利用地面遥感信息和气温估算了玉米土壤水分;孙宁霞等[7]采用同位素示踪技术研究了玉米土壤水分的动态变化。上述报道主要针对单一站点或样地尺度玉米土壤水分开展研究,对流域尺度上玉米土壤水分变化及对主要因子的响应研究还鲜有报道,未能充分认识玉米土壤水分在流域尺度上的空间差异。基于此,本文以宁夏南部黄土区中庄小流域旱地玉米为研究对象,采用经典方法阐述小流域玉米土壤水分的空间变异特征,分析植被盖度及立地因子对各土层水分条件的影响,为旱作区种植结构调整、保障粮食安全及实施乡村振兴战略提供理论基础。

1 研究区概况

研究区位于宁夏南部边缘、六盘山东麓的固原市彭阳县(106°32′—106°58′E,35°4l′—36°17′N),海拔区间为1 248～2 418 m。属于典型的温带半干旱大陆性季风气候,冬季干燥寒冷,夏季潮湿炎热;年平均气温7.4～8.5℃,≥10℃年积温2 500～2 800℃,无霜期140～170 d;年降水量350～550 mm,主要集中于6—9月份;年均蒸发量1 360 mm;土壤以黑垆土和黄绵土为主,侵蚀较为严重。为控制水土流失和改善生态环境,2000年前后在县域范围内开展坡改梯和水平沟整地、退耕还林还草等生态修复工程。现如今,分布的主要林木有山杏(Armeniacasibirica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、柠条(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等;草本植被由委陵菜(Potentillachinensis)、百里香(Thymusmongolicus)、本氏针茅(Stipacapillata)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、茭蒿(Incarvilleasinensis)、达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)等群落构成;种植的作物主要有玉米、苜蓿(Medicagosativa)、马铃薯(Solanumtuberosum)等。

2 研究方法

2.1 流域选择和取样点位布设

中庄小流域位于彭阳县中部,属于黄土区,面积为88.38 km2,最高海拔为1 858 m,最低海拔为1 410 m,小流域内作物种植以玉米(铺设地膜)为主,种植密度约为75 000株/hm2。2021年7月3日—24日(共22 d),在中庄小流域共设置276个玉米(抽雄期)土壤水分测定点位(图1),每个点位均在玉米地的中间位置,同时,调查各点位的经纬度、海拔、坡向、坡位、盖度等指标,以取样点位中心,设置100 m2的临时样地,利用对角线法确定玉米取样点的盖度。取样期间总降水量为23.4 mm,其中仅有1日的降水量大于5 mm,因此,降水对土壤水分的影响极其微弱。

图1 小流域玉米土壤水分取样点位示意图Fig. 1 The corn soil moisture sampling point diagram in small watershed

2.2 立地类型划分

中庄小流域基本无坡耕地,将各取样点位整体划分为川地和梯田。梯田依据坡向划分为阴坡(0°～90°和270°～360°)和阳坡(90°～270°),按照梯田的相对海拔高差划分为上坡位和下坡位。

2.3 土壤水分测定

依据各立地条件玉米的种植面积决定采样点数量,川地的取样点为64个,梯田的取样点位212个(其中,阴坡上坡位40个,阴坡下坡位74个,阳坡上坡位14个,阳坡下坡位84个)。利用土钻在各样点分层采集土壤样品,取样层次包括0—20,20—40,40—60,60—80,80—100,100—120,120—140,140—160,160—180,180—200 cm,共10个层次,采集的样品分别放入到铝盒中,带回实验室称湿重,然后在烘箱内烘24 h称干土重,将干土倒掉后称铝盒重,计算不同点位各土层的土壤含水量。中庄小流域及各立地类型的土壤含水量是由各调查样点的算术平均值计算得出。

2.4 数据处理

变异系数可反映数据的离散程度,根据变异系数大小划分为强变异性(变异系数>30%)、中等变异性(30%≤变异系数≤10%)和弱变异性(变异系数<10%)。采用SPSS 21.0软件的单因素方差分析(LSD)比较土壤水分的差异显著性(p<0.05)。使用Excel 2016和Origin 2021进行数据分析和作图,图中的误差棒指的是标准差(SD)。

3 结果与分析

3.1 小流域玉米土壤水分变化

随土层深度增加(图2),中庄小流域、川地、梯田玉米土壤水分整体均呈稳定(0—60 cm)—增加(60—140 cm)—稳定(140—200 cm)的变化;小流域土壤水分的变异系数基本表现为先降低后升高的趋势(图3),川地呈先升—后降—再升的变化,梯田大致呈降低的趋势;土壤水分变异性总体表现为浅层(0—100 cm)大于深层(100—200 cm),三者不同土层均属中等变异性。0—200 cm土层中庄小流域玉米土壤含水量平均为11.93%,川地(13.91%)土壤水分显著(p<0.05)高于梯田(11.37%)。从各土层平均值的极差看,川地(6.50%)最大,小流域(4.25%)次之,梯田(3.84%)最小。

图2 小流域玉米土壤水分随土层深度的变化Fig. 2 The variation of soil moisture of maize with soil depth in small watershed

图3 小流域玉米土壤水分变异系数随土层深度的变化Fig. 3 The variation coefficient of soil moisture of maize with soil depth in small watershed

3.2 盖度对玉米土壤水分的影响

中庄小流域玉米盖度平均为0.39(图4),川地(0.45)盖度显著(p<0.05)高于梯田(0.37)。梯田阴坡上坡位、阴坡下坡位、阳坡上坡位、阳坡下坡位玉米的平均盖度分别为0.24,0.34,0.38,0.46(图5);阳坡上坡位盖度与阴(阳)坡下坡位差异不显著(p>0.05),其余立地类型间差异显著(p<0.05);阳坡(下坡位)盖度显著(p<0.05)高于阴坡(上坡位)。

图4 小流域玉米盖度的变化Fig. 4 The variation of corn coverage in small watershed

图5 梯田各立地条件玉米盖度的变化Fig. 5 The variation of corn coverage under different site conditions in terraced fields

川地玉米土壤水分除受盖度影响外,还与微气象、本底土壤性质等密切相关,因此对盖度的响应关系较差。为简化分析,将所有点位按盖度大小分为5段(<0.21,0.21～0.40,0.41～0.60,0.61～0.80,>0.80),分别计算每组盖度与土壤水分均值,并分析两者关系(图6)。0—100 cm土层,土壤水分随盖度增加呈线性降低的变化,拟合精度(R2)范围为0.24～0.55;当盖度增大到0.2(100—160 cm)或0.4(160—200 cm)时土壤含水量降低,之后趋于稳定。

图6 川地玉米盖度对土壤水分的影响Fig. 6 Effect of corn coverage on soil moisture in plat fields

将梯田玉米盖度划分为3个等级(0～0.3,0.3～0.6,0.6～0.9),不同盖度土壤水分随土层深度增加大致呈不完整的“S”型(图7)。从0—200 cm土层均值看,盖度为0.3～0.6最大(11.45%),盖度为0～0.3次之(11.38%),盖度为0.6～0.9最小(11.21%),三者间差异不显著(p>0.05)。不同盖度土壤水分变异系数大致表现为浅层(0—100 cm)大于深层(100—200 cm)(图8),且均属于中等变异性。

图7 梯田玉米盖度对土壤水分的影响Fig. 7 Effect of corn coverage on soil moisture in terraced fields

图8 梯田不同盖度玉米土壤水分变异系数Fig. 8 The variation coefficient of soil moisture of maize with coverage in terraced fields

为了更深入地分析梯田玉米盖度对土壤水分的影响,且尽可能排除立地因子的干扰,将立地因子划分为阴坡上坡位、阴坡下坡位、阳坡上坡位、阳坡下坡位4个。首先,分析阴坡上坡位盖度对土壤水分的影响(图9),整体来说,不同土层两者间均呈正效应,拟合精度范围0.007 3～0.29,拟合效果相对较差。

图9 梯田阴坡上坡位玉米盖度对土壤水分的影响Fig. 9 Effect of corn coverage on soil moisture at upslope of shady slope in terraced fields

随盖度增大(图10),阴坡下坡位40—60 cm,140—200 cm土层水分条件呈不明显的降低,其余土层呈不明显的升高,拟合精度范围2.37×10-6～0.024,拟合效果极差。

图10 梯田阴坡下坡位玉米盖度对土壤水分的影响Fig. 10 Effect of corn coverage on soil moisture at downslope of shady slope in terraced fields

阳坡上坡位玉米盖度与土壤水分的关系呈现出和阴坡上坡位相反的规律(图11),随盖度增加,各层次土壤水分均表现不同程度的下降趋势,且拟合精度(0.12～0.64)较高,关系更为紧密。

图11 梯田阳坡上坡位玉米盖度对土壤水分的影响Fig. 11 Effect of corn coverage on soil moisture at upslope of sunny slope in terraced fields

阳坡下坡位40—180 cm土层含水量随盖度增加呈不明显升高趋势(图12),其余土层呈不明显的降低,盖度与土壤水分拟合效果极差(拟合精度为0.001 0～0.053)。

图12 梯田阳坡下坡位玉米盖度对土壤水分的影响Fig. 12 Effect of corn coverage on soil moisture at downslope of sunny slope in terraced fields

3.3 坡向和坡位对梯田玉米土壤水分的影响

梯田4个立地条件土壤水分随土层深度增加均呈先微弱降低后升高(先快后慢升高)的变化(图13)。从0—200 cm土层水分条件均值来说,阴坡(11.62%)略高于阳坡(11.07%),上坡位(11.76%)略高于下坡位(11.23%),坡向和坡位间差异均不显著(p>0.05)。随土层深度增加,坡向和坡位间土壤水分的差异逐渐增大。各坡向和坡位土壤水分的变异系数基本表现为浅层(0—100 cm)大于深层(100—200 cm)(图14),且均属于中等变异性。

图13 梯田玉米土壤水分的坡向和坡位差异Fig. 13 The variation of slope aspect and slope position of corn soil moisture in terraced fields

图14 梯田不同立地玉米土壤水分的变异系数Fig. 14 The variation coefficient of soil moisture of maize under different site in terraced fields

为减弱玉米盖度对土壤水分的影响,分析立地因子对土壤水分的影响时,将玉米盖度划分为3个等级(0～0.3,0.3～0.6,0.6～0.9)。总体来看,随土层加深,同一盖度等级玉米土壤水分均表现为不同程度的增加趋势(图15)。当盖度为0～0.3时,不同立地条件土壤水分均值的大小顺序为阳坡上(12.46%)>阴坡上(11.63%)>阴坡下(11.59%)>阳坡下(10.58%),阳坡上显著(p<0.05)高于阳坡下,其余立地因子间差异均不显著(p>0.05)。当盖度为0.3～0.6时,不同立地条件土壤水分均值的大小顺序为阴坡上(12.82%)>阳坡上(12.59%)>阴坡下(11.35%)>阳坡下(11.06%),各立地因子间差异均不显著(p>0.05)。当盖度为0.6～0.9时,不同立地条件土壤水分均值的大小顺序为阴坡下(11.72%)>阳坡下(11.37%)>阳坡上(8.55%),阳坡上坡位显著(p<0.05)低于其他立地因子,阴坡和阳坡下坡位差异不显著(p>0.05)。

图15 梯田同一等级盖度玉米土壤水分对坡向和坡位的响应Fig. 15 Responses of soil moisture on slope aspect and slope position of maize with the same coverage in terraced fields

从变异系数看(图16),盖度为0～0.3的阳坡下坡位、盖度为0.3～0.6的阴坡上坡位大致表现为深层(100—200 cm)土壤水分变异系数大于浅层(0—100 cm),其余基本变现为浅层(0—100 cm)变异系数大于深层(100—200 cm);盖度为0.3～0.6的阳坡上坡位20—40 cm土壤含水量为强变异性,盖度为0～0.3的阳坡上坡位100—120,140—160 cm土层、盖度为0.3～0.6的阴坡上坡位80—100 cm土层和阳坡上坡位(60—80,120—200 cm土层)、盖度为0.6～0.9阴坡下坡位180—200 cm和阳坡上坡位0—200 cm土壤水分属弱变异性,其余均为中等变异性。

图16 梯田同一等级盖度不同立地玉米土壤水分的变异系数Fig. 16 The variation coefficient of corn soil moisture in different sites with the same coverage in terraced fields

4 讨 论

4.1 小流域土壤水分变异

土壤水分受植被特征、立地环境、土壤结构、气象要素、地形条件、人为活动等因子影响,且各因子间存在交互作用[8]。在黄土区,降雨入渗、土壤蒸散、植被蒸腾等水文过程复杂导致剖面土壤水分存在明显变异性,本研究发现,土壤水分随土层加深呈先稳定—再增加—后稳定的变化,这与研究年份降水季节分布不均密切相关(4月、5月、6月、7月、8月、9月、10月的降水量分别为46.6,50.8,30.8,29.6,75.8,176.6,110.2 mm),6月和7月份降水量少,而玉米生长和土壤蒸发消耗的土壤水分多,导致7月份浅层(0—100 cm)的土壤水分含量低于深层(100—200 cm)。有学者在相同地区发现与本研究相反的土壤水分变化[9],主要是由取样时段(9月底)不同引起的;程谅等[10]在旱季发现与本研究相同的规律,主要是因太阳辐射较强和地表覆盖度较低造成的。小流域玉米土壤水分变异性总体表现为0—100 cm土层大于100—200 cm土层,是因气温、太阳辐射等气象因子对表层土壤影响强,且随土层加深影响逐渐减弱。本研究显示川地玉米土壤水分显著高于梯田,主要是因川地地形平坦且位于海拔相对较低的区域,受微气象、地形等多因子共同影响,水分含量相比梯田较高。

4.2 植被盖度变化及对土壤水分的影响

研究发现,川地玉米盖度显著高于梯田,与川地的土壤水分高于(植被生长优于)梯田有关,郭艳菊等[11]在宁夏东部风沙区研究表明,植被盖度与各层次土壤水分呈(极)显著正相关,主要因土壤水分是限制干旱区植被生长的重要因子;陆丰帅等[12]在祁连山高寒草原发现,随土壤水分增加,植被盖度呈反比例函数递增趋势,可能是因土壤水分供给使植被地上部分具有一定的膨压,上述结果与本研究结论相似。中庄小流域梯田玉米不同立地环境盖度的大小顺序为阳坡下坡位>阳坡上坡位>阴坡下坡位>阴坡上坡位,可能与阳坡的气温、太阳辐射等气象因子较高、下坡位土壤水分含量较高等有关;马扎雅泰等[13]分析显示不同立地类型梭梭(Haloxylonammodendron)人工林盖度存在显著差异,这与不同立地类型的质量等级相一致;有学者发现坡度是影响植被覆盖度的主要因子[14];王采娥等[15]研究三江源高寒坡地退化植物发现上坡位植被盖度显著大于下坡位,主要是因下坡位家畜践踏和啃食频繁等人类活动较多导致的,与本研究结论相反;还有研究者发现半阴坡的植被盖度高于半阳坡[16],主要是因半阴坡光照时间相对较短,土壤水分较高且分布均匀,更适合植被生长。

植被盖度影响土壤的遮阴情况、植被的蒸散发特征等,进而对土壤水分变化起作用。研究显示,川地玉米土壤水分随盖度增加呈线性降低(0—100 cm土层)或先降低后稳定(100—200 cm土层)的变化,主要是因玉米盖度高、生长好导致消耗的土壤水分较多,可能也与随土层加深,玉米根系的吸水能力逐渐减弱、对土壤水分的影响逐渐减小有关。梯田不同玉米盖度(0～0.3,0.3～0.6,0.6～0.9)对土壤水分的影响微弱,可能是因立地环境的差异减弱了盖度的作用。为排除立地因子干扰,分析梯田4个立地因子玉米盖度对土壤水分的作用,阴坡下坡位和阳坡下坡位玉米盖度对土壤水分的影响较弱,斜率范围分别为-2.15～1.65和-0.67～2.63;阴坡上坡位和阳坡上坡位盖度对土壤水分的影响相对较强,斜率范围分别为3.31～18.63和-9.40～-4.58,可能与上坡位土壤水分较高、植被生长较差等有关。随盖度增加,梯田阴坡上坡位土壤水分呈增加趋势,阳坡上坡位呈减小变化,这可能与阴坡上坡位玉米盖度分布在较小的范围内(集中于0.1～0.3)、阳坡上坡位玉米盖度分布范围较大(集中于0.2～0.8)等有关,在一定较小的盖度范围内,植被盖度增加,能增加土壤遮阴面积,减少土壤蒸发,当植被盖度过大时,植被增加消耗的土壤水分大于减小的土壤蒸发量,导致土壤水分降低。有学者分析显示,随植被盖度增大,0—60 cm(60—200 cm)的土壤水分逐渐增加(减小)[9],可能与植被盖度增大降低地表蒸发且同时对深层土壤水分需求逐渐增加等有关;还有研究得出,植被盖度与土壤水分之间呈正效应[11,17]或负效应[18],前者是因土壤水分高时植被生长较好,后者是因土壤水分主要用于植被的生长发育消耗,植被盖度越高,土壤水分越少;再有报道发现随植被盖度增加,土壤水分呈倒“V”型[19]。因气候带、土壤特性、植被类型等存在差异,同时,植被盖度和土壤水分的影响因子较多且复杂,导致植被盖度与土壤水分的关系形式多样且差别较大。

4.3 立地因子对土壤水分的影响

立地因子影响微气象、植被生境、降雨的下渗、径流等,进而造成土壤水分差异,且相关研究[8]认为,土壤水分较低的区域,立地环境的影响作用更为显著。宁南黄土区中庄小流域梯田玉米土壤水分的立地条件差异总体表现为,阴坡高于阳坡,上坡位高于下坡位,主要是因阳坡的气温、太阳辐射等与蒸散能力相关的气象要素均高于阴坡,导致阳坡的土壤水分消耗量高于阴坡,这与黄土高原其他区域的研究结论[20-21]相同。研究区梯田上坡位玉米生长较差、盖度较低,玉米生长消耗的土壤水分较少,是导致上坡位玉米土壤水分高于下坡位的主要原因,白一茹[22]和沈晗悦[23]等均发现了相同的结论,前者是因上坡位土壤结构好于下坡位、土壤水力学性质空间差异等,后者是因坡面整地后,水平台阶阻断了地表径流和壤中流由上至下运移等。相似区域大多研究均显示,下坡位土壤水分高于上坡位[24-25],与土壤水分坡面产流汇流、局地微气象、土壤结构、植被特征等因子密切相关。为减小植被生长的干扰,分析了相似玉米盖度时土壤水分的坡位差异,当盖度为0～0.3,0.3～0.6时,上坡位高于下坡位,当盖度为0.6～0.9时,下坡位高于上坡位,可能与不同玉米盖度对降雨再分配特征、局地微气象变化等的影响有关。

本研究取样时间为生长季中期的7月份,能较好地体现小流域玉米土壤水分空间变异及对立地因子和盖度的响应,如在生长季前期或末期取样,不能很好地体现玉米生长对土壤水分的影响。受取样时间和数量限制,仅采集了一个年份生长季中期的土壤水分,未来研究中,应增加取样的年份、次数、数量等,分析不同年份(丰水年、平水年、枯水年)、不同生长时段(不同月份)玉米土壤水分空间特征,为流域尺度上作物种植结构优化调整提供理论基础。

5 结 论

小流域200 cm深的土壤含水量平均为11.93%,川地为13.91%,显著高于梯田(11.37%);土壤水分随土层加深整体表现为先稳定(0—60 cm)、再增加(60—140 cm)、后稳定(140—200 cm)的变化,浅层(0—100 cm)土壤水分的变异性高于深层(100—200 cm),均属中等变异性。随盖度增加,川地玉米土壤水分呈线性降低或先下降后稳定的变化,梯田阴坡上坡位呈线性升高的趋势,阳坡上坡位呈逐渐减小的变化,阴坡和阳坡下坡位变化微弱。整体来看,阴坡(上坡位)土壤水分高于阳坡(下坡位),差异均不显著;而当盖度为0～0.3,0.3～0.6时,上坡位土壤水分高于下坡位,当盖度为0.6～0.9时,下坡位高于上坡位。