黄土丘陵区不同植被土壤水分的分异性特征

刘 庚，牛俊杰，朱炜歆，史建伟，梁海斌

（1.太原师范学院 汾河流域科学发展研究中心，山西 太原030012；2.山西大学 黄土高原研究所，山西 太原030006）

土壤水分是植被生态系统生物过程中重要环境因子［1］，在陆地水循环以及陆地—大气交互作用中具有重要功能［2］，对半干旱区域土壤表层水和降水之间有很强的耦合作用［3］。在半干旱黄土丘陵区，土壤水是植被生长需水的最主要来源，是限制植被类型、植被生长和分布的主要影响因素，尤其该地区人工植被的生长，对深层土壤水分的依赖更为强烈［4］。深层土壤水分的垂向分布特征对植被的根系分布和正常生长有重要影响，是该区域人工植被生长和生态系统健康的重要水分来源［5］。在半干旱黄土丘陵区生态重建过程中，由于植被类型选择不当或生态重建缺乏科学指导，导致深层土壤水分过度消耗，出现利用性土壤干层的现象［6］，对深层土壤水分产生了严重的威胁，深层土壤干化现象成为区域性极为严峻的生态环境问题［7－9］，因此在半干旱黄土丘陵区进行科学合理的植被建设，必须要查清实际的土壤水分状况。土壤水具有高度的时空异质性［10－11］，其在空间分布上具有结构性和随机性并存的特征，对不同尺度下土壤水分空间变异规律揭示是目前土壤水分研究中一个热点问题［12］。在不同的空间尺度上，土壤水分异质性的影响因子有所不同［13］，分析土壤水分的时空分异性特征对半干旱黄土丘陵区生态重建以及植被合理配置具有重要作用。目前，国内外关于土壤水分的空间异质性已展开了相应的研究［14－18］，国内也从不同植被类型、空间尺度效应、空间变异分析方法、环境因子影响等方面［19－24］对土壤水分的空间异质性进行了阐述，已有的研究虽然从多个方面分析了土壤水分空间变异，但对于半干旱黄土丘陵区多种植被类型、不同季节阶段、深层土壤水分的时空分异性特征研究还鲜有报道，比较不同植被下深层土壤水分时间、空间尺度上的分布规律和异质性特征，对指导该地区生态保护和生态重建具有重要作用。本研究以地处晋西北的岢岚县为目标研究区域，选择土壤水分大量失墒期的4—7月份进行土壤样品采集，对撂荒地、柠条林和小叶杨林3种类型0—600cm深度剖面土壤水分在该时间阶段上的时空分异性特征进行研究，以期为当地的人工植被建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

采样点选择在晋西北半干旱黄土丘陵区的岢岚县高家会乡羊圈会村，海拔高度为1 440m。岢岚县位于晋西北的黄土高原中部，管涔山西北麓，属于中温带大陆性季风气候，年平均气温为6℃，年平均无霜期为120d，年平均降水量为456mm，降雨多集中在7—9月份，降水区域分布很不均匀，平均而言，随海拔增高降水量增大，山区降水多于平川，南部山区多于北部山区。降雨季节不均匀，夏季最多，占全年的60%，冬季最少，只有3%。年际变化也很大，降水量多的年份和最少年份相差2～3倍。境内主要土类有灰褐土、棕壤、山地草甸土和草甸土，有机质含量总体水平不高，土壤贫瘠。该县东南、南和西南植被较好，北部较差。乔木主要有油松（Pinus tabulaeformis）、落叶松（Larix gmelinii）、小叶杨（Populus simonii）、柳树（Salix matsudana）等，灌木林主要有柠条（Caragana korshinskii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）等，林草覆盖率约为18%，生态环境问题较为严峻。

1.2 土样采集与分析

根据研究区人工植被和自然植被的现状、种类和分布特征，选择在该县具有代表性的柠条林、小叶杨林以及撂荒地为研究对象，柠条林和小叶杨林于1968—1970年栽种，撂荒地表层覆盖有稀疏荒草。采样时间在2013年4—7月份中每个月的22—26号，采样时间内无明显降雨，土壤水分的变化不大。每种植被样地选3个点进行重复采样，撂荒地样地样方大小为2m×2m，其它两种植被的样方大小为10m×10m。采用土钻取土法，从地表向下垂直每间隔10cm采集1次样品，将采集好的样品装入铝合内并用胶带密封。在实验室内采用烘干法进行土壤水分含量测定，在105℃高温条件下，连续烘干24h，达到恒重后称重，依据公式计算。将样地中每层3次采样所测定出土壤含水量的平均值作为该层深度的土壤含水量。

1.3 数据分析方法

采用描述性统计分析、单因素方差分析、多因素交互分析、变异系数法等方法学来对研究区域不同植被类型土壤水分的时空异质性进行分析。数据的统计分析计算在软件SPSS 16.0内完成，制图在软件OriginPro 8.0内完成。

2 结果与分析

2.1 不同植被土壤水分数据的描述性统计分析

不同植被类型在不同月份土壤含水量数据的描述性统计分析结果详见表1，土壤水分含量最小值范围在3.34%～8.66%，最大值范围在11.02%～30.09%，平均值范围在8.02%～14.46%，变异系数范围在0.12～0.25。同一种植被在不同月份以及相同月份不同植被类型的土壤水分含量数据描述性统计指标差异明显。对同一种植被不同月份来看，撂荒地土壤含水量最小值为5月，其次是4月＞6月＞7月；最大值为4和6月，其次为5和7月，变异系数表现为：5月＞6月＞4月＞7月；柠条林土壤含水量最小值为5月，其次为6月＞4月＞7月；最大值为7月，其次为6月＞4月＞5月；变异系数为7月＞6月＞5月＞4月；小叶杨林土壤水分含量数据最小值同样出现在5月，其次为4月＞7月＞6月；最大值为7月，其次为4月＞5月＞6月；变异系数表现为：5月＞7月＞6月＞4月。从水分含量数据极差的分析结果来看，撂荒地在不同月份的最小值明显都高于其它两种植被类型。最大值为7月份的柠条林，撂荒地在其它3个月份的最大值均大于柠条林和小叶杨林。不同植被类型不同月份土壤水分含量数据的变异系数值均未超过30%，表明土壤水分含量数据不具有较大的空间离散特性。统计结果中中值和均值较为接近，除5月份柠条林、7月份撂荒地的峰度值较大外，其它偏度和峰度值均较小，说明数据符合正态或近似正态分布特征。

表1 不同植被土壤水分含量数据的描述性统计分析

2.2 不同植被土壤水分垂向分布的时空异质性

3种植被4个月份内在0—600cm土层深度内土壤含水量如图1所示。3种植被4个月份内土壤含水量变化范围在3.34%～17.19%之间。本次采样时间在4—7月内，该时间阶段正处于晋西北春末夏初季节，温度逐渐升高，野外采样前研究区内无有效降水，因此表层土壤水分蒸发较为强烈，受此因素影响，3种植被在0—100cm土层范围内的含水量没有为最大值。对同一月份不同植被类型来看，200cm分别为4，5和6月以及100cm为7月土壤含水量的交叉点，在交叉点的深度下层，撂荒地的含水量明显高于其它两种植被，柠条林略高于小叶杨林。

图1 不同植被类型土壤在不同月份的水分状况

撂荒地在4个月份内的含水量近似表现为先升高后降低再升高的趋势，其中在0—100cm土层深度范围内升高，100—200cm土层范围内降低，200—600cm土层范围内再升高。由于撂荒地表层仅有稀疏荒草覆盖，表层土壤水分蒸发较为强烈，所以表层含水量在0—100cm内为升高。由于稀疏荒草根系浅，对土壤水分的吸收或者干扰较小，可以看出，100—200cm为承上启下土层，在大概200cm达到最低值后，土壤含水量又继续升高，4和6月份在100—200cm深度内降低趋势变化较大，而5和7月份在该深度内降低较为轻缓。柠条林在4个月份内的变化没有呈现出明显的规律性，在4月份表现为0—100cm范围内先降低，100—200cm范围内升高，200—600cm范围内轻缓降低，5月份为0—200cm深度内先升高，200—600cm范围内轻缓降低，6月份为0—100cm范围内先降低，100—200cm范围内升高，200—600cm范围内轻缓降低，7月份表现为0—100cm范围内先升高，迅速降到200cm后再轻缓降低，总体上来看，5和7月在0—100cm范围内先升高，4和6月份在0—100cm内先降低，浅层土壤含水量受季节以及外界环境影响因素较大，没有明显的规律。柠条的根系主要分布在0—200cm范围内，对200cm深度土层需水量较大，200—600cm范围内均出现了轻缓降低的趋势。小叶杨林在4和6月0—100cm范围内降低，5和7月0—100cm范围内升高，除7月100—200cm范围内降低，其它规律均表现为100—200cm 内升高，200—400cm 内降低，400—600cm范围内再轻缓升高，与撂荒地及柠条林对比来看，浅层土壤水分受季节和环境影响因素没有明显规律外，对于深层土壤200—600cm范围内，土壤含水量大小和变化规律受时间和植被类型影响较大。

2.3 不同植被土壤含水量的差异性分析

上述分析可知，3种植被类型土壤水分含量呈现出较大的时空异质性特征，为进一步揭示不同植被类型土壤水分含量的相关性和差异性，对3种植被的土壤水分含量数据做单因素方差分析和双因素交互作用分析。柠条林、撂荒地和小叶杨林在4—7月份间的土壤含水量变化规律趋势并不一致，小叶杨林土壤含水量的变化幅度差异更为明显，3种植被不同月份土壤含水量比较如图2所示（p＝0.05），小叶杨林土壤含水量的月变化幅度要明显高于柠条林和撂荒地，柠条林土壤含水量在不同月份之间变化最小，在6和7月份之间几乎没有变化。

通过对不同月份下各植被类型土壤含水量进行单因素方差分析结果可以发现，各植被类型土壤含水量在各月份之间都存在显著差异（p＜0.01），在此基础上，对各月份各植被类型土壤含水量进行多重比较，比较结果发现撂荒地和其他两种植被类型的土壤含水量均存在显著差异（p＜0.05），但不同月份之间不同植被类型之间的显著性差异略有不同，由各月份不同植被类型各土层土壤含水量总体分布情况可以看出，不同植被在不同月份间存在异常高值或低值的情况。4月份柠条林和小叶杨林土壤含水量差别不显著，5—7月份间土壤含水量均呈现出显著差异，这可能是柠条林和小叶杨林在不同月份生长对水分需求量的差异造成的。通过对月份和植被类型这两个土壤含水量的显著因素进行双因素交互作用分析，发现各植被类型土壤含水量在各月份之间的显著差异不存在交互作用，说明随着时间的变化各植被类型的土壤含水量会发生显著变化，但不会对不同植被类型土壤含水量的差异性造成显著影响。

图2 不同植被类型的土壤在不同月份中含水量比较

2.4 不同植被土壤水分含量分布的变异特征

土壤水分的转化或赋存受多种因素影响，包括植被类型、不同月份降水量、植被根系生长深度以及土壤质地结构等，因此有必要揭示土壤含水量在空间上的变异特征，采用变异系数反映不同植被含水量的空间变异情况。变异系数值越大，表示土壤含水量具有越大的空间离散特征，反之表示土壤含水量结构越稳定，根据已有研究结论，变异系数≤10%属于弱变异性，10%＜变异系数＜100%属于中等变异性，变异系数≥100%属于强变异性。不同植被在0—600cm范围内每层的变异系数值如图3所示。从图3可以看出，3种植被在不同月份的变异系数值随深度变化总体上表现为先升高后降低再升高的趋势，但个别土层深度内变异系数值差异明显。4个月份的土壤含水量变异系数值在0.73%～62.24%范围内，除部分深度土层内的变异系数值超过40%外，其它绝大多数土层的变异系数值在30%以内，表明土壤含水量在总体分布上具有较大的稳定性，但存在局部很强的离散特性。4月份变异系数值最小为280cm深度土层的撂荒地，其值为0.73%，最大值为10cm土层深度的小叶杨林，其值为34.28%；5月份变异系数值最小为270cm土层深度的撂荒地，其值为1.73%，最大值为200cm深度土层的撂荒地，其值为43.02%；6月份变异系数最小值为280cm土层深度的小叶杨林，其值为2.67%，最大值为170cm深度土层的撂荒地，其值为62.24%；7月份变异系数最小值为130cm深度土层的小叶杨林，其值为1.71%，最大值为240cm深度的撂荒地，其值为45.45%。从变异系数值随土层深度变化情况来看，对于3种植被在4个月份中，变异系数值在100—300cm土层内的变化最大，且变异系数高值部分也大多出现在该范围土层内，这与含水量在该土层范围内的分布有一定联系，撂荒地、柠条林和小叶杨林在该土层范围内含水量呈现不同的降低或者升高趋势，表明土壤含水量与植被生长需水量、植被根系生长深度以及环境变化等存在密切关系，从变异系数值上来看，变异系数在该土层深度的变化也最为剧烈。

图3 不同植被土壤含水量变异系数变化

3 结论

（1）3种植被浅层土壤（0—100cm）剖面土壤水分含量在4个月份内表现出较强的时空异质性特征，受植被根系深度以及生长需水量的影响，柠条林和小叶杨林在200—600土层深度范围内含水量有明显的趋势效应，且植被生长需水大于撂荒地，在200cm深度以下，撂荒地剖面含水量高于柠条林和小叶杨林。

（2）小叶杨林土壤含水量月变化幅度高于另外两种植被，单因素方差分析和双因素交互分析显示不同植被类型在不同月份以及其相互之间均存在一定差异性，表明不同植被类型土壤含水量随时间变化具有相应的变化响应。

（3）不同深度土壤水分含量的变异系数值分布上具有较大的稳定性，变异系数值主要集中在0～30%范围内，总体变化趋势为先升高后降低再升高，个别深度土层内的变异系数值超过50%，具有局部较强离散特征。

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