土壤水分是监控土地退化和干旱的重要指标, 是农业、水文、生态等研究的关键因子之一, 也是植物赖以生存的源泉。在半干旱黄土丘陵区, 只有通过增加地表植被覆盖来控制水土流失的发生和发展。土地利用/植被类型对土壤水分的收支状况产生了很大影响。首先是土地利用/植被类型影响雨水资源进入土壤的数量以及土壤表层的水分蒸发;其次是通过根系延伸对土壤水分的消耗利用, 从而对土壤深层土壤水环境产生显著的影响。对于土壤的水分平衡来讲, 降水量与潜在蒸散的比值及差值均可表征一个地区农田土壤水分的盈余与亏缺状况。土壤贮水量的季节和年度变化反应了土壤水分可能的供水量和潜在能力。在气候比较干旱的黄土高原, 地表植被的生长、演替过程必然引起土壤水分的变化。在半干旱黄土丘陵区土壤水分主要来源于自然降水, 地下水不参与水循环过程, 土壤贮水量绝大部分消耗于蒸发过程。
年降水量以及降水量的季节分布, 是决定土壤贮水量的季节分布的重要因素, 但由于植被的参与作用, 影响土壤水循环的强度和深度, 也改变了土壤贮水量的季节变化以及年度土壤水平衡状况。张北赢等认为土地利用方式对土壤水分的垂直变化和季节变化都会产生影响。土壤贮水量的年度变化是降水资源的补偿和消耗后土壤水资源的净收入或支出。各年度最大贮水量、最小贮水量与田间持水量的比率说明年度土壤水盈亏程度。生长期间, 土壤水资源盈亏量占同期降水量的比率, 也说明土壤水消耗或补偿强度。以土壤水分为研究对象, 在半干旱黄土丘陵区, 其输入部分只有降水, 输出量则包括蒸发、蒸腾、径流和植被截留量。输入和输出量的相对变化引起了土壤贮水量的变化, 即形成土壤水分的盈亏过程。
1 研究区概况
研究区位于甘肃定西市安家沟流域, 是黄河流域祖厉河水系的一条小支沟, 位于104°38′13″~104°40′25″E, 35°33′02″~35°35′29″N, 海拔1900m~2250m, 距陇中半干旱地区定西县城东约3km, 流域面积10.06km2, 按水土保持区划属于黄土丘陵沟壑区第五副区, 按气候区划该区属中温带半干旱气候, 孙秉强等将其划分为陇中季节性土壤缺水区。年均气温6.3℃, 年均≥10℃的活动积温2239.1℃, 极端最高、最低气温为34.3℃和-27.1℃;年均降水427mm, 但时空分布极不均匀, 降水主要集中在7~9月, 在植物生长需水期严重缺水。年日照时数2409h, 有效生理辐射49%, 无霜期141d, 蒸发量1510mm。流域内有大小沟壑42条, 沟道深30m~50m, 沟谷断面呈V型, 沟壑密度3.14km/km2, 土壤主要为黄绵土, 有机质含量0.37%~1.34%, 0~200cm土壤容重平均1.2g/cm3。该流域按植被区划属于森林草原带干旱草原区, 全流域共由野生植物23科, 79种, 栽培植物23科, 64种。由于干旱缺水、植被稀少, 以多年生禾本科、菊科、豆科植物为主, 加之当地群众对生态植被的干扰与破坏, 该流域水土流失十分严重。
2 实验小区设计与研究方法
在实验区选择了5种有代表性的植被覆盖类型, 取样位置在坡面中上坡位, 各选择3种坡度类型建立了15个径流小区, 开展定位观测研究。观测样地分别为:坡耕地 (春小麦) 、牧草坡地 (苜蓿) 、灌木林地 (沙棘) 、乔木林地 (油松) 和自然草地 (针茅为主) 。自农作物和植物的生长季节开始, 在每月月初 (1日) 和月中 (15日) 进行定点取样分析土壤水分动态, 若遇降雨, 土壤水分采样顺延降雨停止后采样。每个样点以20cm为间隔分为均等的5层。土壤含水量通过恒温烘干法测定, 以质量百分率表示, 用环刀法取样测定样点的分层次容重, 取样深度为30cm, 根据各个层次计算相应的类型水分常数。
3 不同植被类型下的土壤水分状况
根据研究区16年的实测资料, 各年贮水量差别很大。主要原因是各年降雨量的差异以及降雨的季节分配不均所引起的土壤水分的差异变化。由表1可知, 不同土地利用/植被覆盖类型的土壤贮水量差异主要在于乔木林地, 其最小贮水量明显高于其它类型, 而最大贮水量和年度贮水量的变化无明显差异。
试验期间, 坡地年平均最小土壤贮水量为85.6mm, 略高于凋萎持水量;年平均最大土壤贮水量为169.91mm, 仅相当于稳定贮水量。其它诸如牧草地、灌木林地、乔木林地、自然草地的土壤贮水量均高于坡地, 很明显与坡地人为的犁耕破坏土壤表层以及农作物相对于其它自然植被耗水性大有很大的关系。
4 土壤水分平衡状况分析
在生长期中最大贮水量和最小贮水量出现的时间差异和降水分布, 判断各年度贮水量变化是补偿还是消耗。试验期间, 土壤水分平衡方向为收入和支出。坡耕地土壤水分变化为消耗支出而减少的占10年, 经过雨季后土壤水分逐步积累增加的年份占6年;苜蓿草地土壤贮水量在临界有效水量以上, 出现的时间多是春季或秋季, 是土壤水分蒸发和蒸腾消耗较少的季节。但出现萎蔫贮水量的年份或次数明显少于坡耕地;灌木林地多年平均蒸发量大于降水量, 说明灌木林的生长过程对土壤水分的过度消耗, 对于土壤上层土壤水分的补偿是极为不利的, 同时, 也说明灌木林地下层土壤土壤水分无法得到有效补偿。郭忠升认为:在多年生柠条密林地, 由于植物根系在土壤剖面分布不均和植物强烈吸水和蒸腾, 造成根系分布范围内某层土壤水分的过量消耗。乔木林地多年平均蒸发量略小于降水量, 说明油松、乔木林生长过程对表层土壤水分的消耗要低于沙棘灌木林, 这是由于油松林地无植被发生, 因此其消耗量相对较小;自然草地多年平均蒸发量略大于降水量, 说明针茅草地在生长起始对表层土壤水分影响严重, 这是由于高密度植被针茅对表层土壤贮水量的消耗。1986年至2003年试验期各土地利用类型土壤水分亏缺量除个别年份外, 其计算值均超过了100mm, 而且年度分布很不均匀, 见图1。
5 0~100cm层次土壤贮水量变化情况
年度生长期初, 各类型土壤贮水量没有显著性差异, 各土地利用/植被类型贮水量近乎相同;年度生长期末, 各类型土壤贮水量没有显著性差异, 多重比较结果:乔木林地土壤贮水量显著大于坡耕地和灌木林地, 见表2。16年观测结果表明:各土地利用/植被类型年度土壤水分盈余量不超过9 0 mm, 而最大土壤水分亏损量不超过150mm, 这说明了半干旱气候条件下, 土壤水分的补偿能力以及蒸发、蒸腾引起土壤干旱强烈发生。
6 结语
(1) 试验期间, 所有土地利用/植被类型的土壤贮水量 (最大贮水量、最小贮水量) 反映了土壤水分有效性很低的现实。在0~100cm土壤层次里, 除1986年外, 没有出现过土壤经过降水补充达到田间持水量水平, 这说明土壤水分补偿强度和深度有限。在长达16年的观测记录里, 仅出现少数的土壤贮水量达到或略高于临界有效贮水量, 充分说明了甘肃定西市安家沟流域土壤水分亏缺状况较为严重。
(2) 各年度出现的最小贮水量接近或等于凋萎湿度, 说明土壤极度干旱发生频率较高, 说明气候干旱和植被耗水共同作用导致土壤水环境恶化。
(3) 一般地, 土壤贮水量较低, 充分补偿的概率很小, 土壤水基本依赖当年降水状况, 年度土壤水分状况在春季或秋季较好, 也说明了在蒸发和植被蒸腾耗水降低的情况下, 经过降水土壤水分能够得到适度的补偿, 这对春季植物生长极为有利。
摘要：土壤水分在黄土丘陵区具有特殊的生态学意义。本文通过具体的观测数据对定西市安家沟流域5中不同的土地利用/植被覆盖类型的土壤水分及水平衡状况进行了分析, 在长达16年的观测记录里, 仅出现少数的土壤贮水量达到或略高于临界有效贮水量, 充分说明了甘肃定西市安家沟流域土壤水分亏缺状况较为严重。
关键词：半干旱地区,植被覆盖,土壤水分
参考文献
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