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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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基于生物多样性保护的兴安落叶松与白桦最佳混交比例要要要以阿尔山林区为例
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中国能源消费碳排放的时空特征 舒娱琴 渊源怨缘园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土丘陵沟壑区坡面尺度土壤水分空间变异及影响因子 姚雪玲袁傅伯杰袁吕一河 渊源怨远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆艾比湖流域土壤有机质的空间分布特征及其影响因素 王合玲袁张辉国袁秦摇 璐袁等 渊源怨远怨冤噎噎噎噎噎噎
雅鲁藏布江山南宽谷风沙化土地土壤养分和粒度特征 李海东袁沈渭寿袁邹长新袁等 渊源怨愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
一株溶藻细菌对海洋原甲藻的溶藻效应 史荣君袁黄洪辉袁齐占会袁等 渊源怨怨猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
砷形态对黑藻和竹叶眼子菜有机酸含量的影响 钟正燕袁王宏镔袁王海娟袁等 渊缘园园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
七项河流附着硅藻指数在东江的适用性评估 邓培雁袁雷远达袁刘摇 威袁等 渊缘园员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
杭州湾滨海湿地不同植被类型沉积物磷形态变化特征 梁摇 威袁邵学新袁吴摇 明袁等 渊缘园圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
剪形臂尾轮虫形态的时空变化及其与生态因子间的关系 葛雅丽袁席贻龙袁马摇 杰袁等 渊缘园猿源冤噎噎噎噎噎噎噎
太湖流域河流水质状况对景观背景的响应 周摇 文袁刘茂松袁徐摇 驰袁等 渊缘园源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
荒漠植物白刺属 源 个物种的生殖分配比较 李清河袁辛智鸣袁高婷婷袁等 渊缘园缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
臭氧浓度升高对香樟叶片光合色素及抗过氧化的影响及其氮素响应 牛俊峰袁张巍巍袁李摇 丽袁等 渊缘园远圆冤噎噎
不同密度下凤仙花重要形态性状与花朵数的关系 田旭平袁常摇 洁袁李娟娟袁等 渊缘园苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
五种高速公路边坡绿化植物的生理特性及抗旱性综合评价 谭雪红袁高艳鹏袁郭小平袁等 渊缘园苑远冤噎噎噎噎噎噎
散孔材与环孔材树种枝干尧叶水力学特性的比较研究 左力翔袁李俊辉袁李秧秧袁等 渊缘园愿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区行道树国槐叶面尘分布及重金属污染特征 戴斯迪袁马克明袁宝摇 乐 渊缘园怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
南亚热带米老排人工林碳贮量及其分配特征 刘摇 恩袁 刘世荣 渊缘员园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
植物生活史型定量划分及其权重配置方法要要要以四棱豆生活史型划分为例 赵则海 渊缘员员园冤噎噎噎噎噎噎噎
半干旱区湿地鄄干草原交错带边界判定及其变化 王摇 晓袁张克斌袁杨晓晖袁等 渊缘员圆员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氮肥运筹对晚播冬小麦氮素和干物质积累与转运的影响 吴光磊袁郭立月袁崔正勇袁等 渊缘员圆愿冤噎噎噎噎噎噎噎
氮肥形态对冬小麦根际土壤氮素生理群活性及无机氮含量的影响 熊淑萍袁车芳芳袁马新明袁等 渊缘员猿愿冤噎噎噎
基于数字相机的冬小麦物候和碳交换监测 周摇 磊袁何洪林袁孙晓敏袁等 渊缘员源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原半湿润区气候变化对冬小麦生长发育及产量的影响 姚玉璧袁王润元袁杨金虎袁等 渊缘员缘源冤噎噎噎噎噎
基于土地破坏的矿区生态风险评价院理论与方法 常摇 青袁邱摇 瑶袁谢苗苗袁等 渊缘员远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生态位的山地农村居民点适宜度评价 秦天天袁齐摇 伟袁李云强袁等 渊缘员苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氯虫苯甲酰胺对黑肩绿盲蝽实验种群的影响 杨摇 洪袁王摇 召袁金道超 渊缘员愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎远 种植物次生物质对斜纹夜蛾解毒酶活性的影响 王瑞龙袁孙玉林袁梁笑婷袁等 渊缘员怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
云南元江芒果园桔小实蝇成虫日活动规律及空间分布格局 叶文丰袁李摇 林袁孙来亮袁等 渊缘员怨怨冤噎噎噎噎噎噎
重庆市蝴蝶多样性环境健康指示作用和环境监测评价体系构建 邓合黎袁马摇 琦袁李爱民 渊缘圆园愿冤噎噎噎噎噎
专论与综述
生态系统服务竞争与协同研究进展 李摇 鹏袁姜鲁光袁封志明袁等 渊缘圆员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国沿海无柄蔓足类研究进展 严摇 涛袁黎祖福袁胡煜峰袁等 渊缘圆猿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
冰雪灾害对森林的影响 郭淑红袁薛摇 立 渊缘圆源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同干扰因素对森林和湿地温室气体通量影响的研究进展 杨摇 平袁仝摇 川 渊缘圆缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
采石场废弃地的生态重建研究进展 杨振意袁薛摇 立袁许建新 渊缘圆远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
基于地统计学和 悦云陨样地的浙江省森林碳空间分布研究 张摇 峰袁杜摇 群袁葛宏立袁等 渊缘圆苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿源源鄢扎澡鄢孕鄢 预 苑园郾 园园鄢员缘员园鄢猿远鄢圆园员圆鄄园愿
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封面图说院 秋色藏野驴群要要要秋天已经降临在海拔 源圆园园 多米的黄河源区袁红色的西伯利亚蓼渊生于盐碱荒地或砂质含盐碱土
壤冤铺满大地袁间有的高原苔草也泛出了金黄袁行走在上面的藏野驴们顾不上欣赏这美丽的秋色袁只是抓紧时间在严
冬到来之前取食袁添肥增膘以求渡过青藏高原即将到来的漫长冬天遥
彩图提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援 糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援 糟燥皂
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第 32 卷第 16 期
2012 年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 16
Aug. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学重点基金项目(40930528);中国科学院知识创新工程资助项目(KZCX2鄄YW鄄QN408)
收稿日期:2011鄄10鄄17; 摇 摇 修订日期:2012鄄05鄄31
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: bfu@ rcees. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201110171540
姚雪玲,傅伯杰,吕一河.黄土丘陵沟壑区坡面尺度土壤水分空间变异及影响因子.生态学报,2012,32(16):4961鄄4968.
Yao X L,Fu B J,L俟 Y H. Spatial patterns of soil moisture at transect scale in the Loess Plateau of China. Acta Ecologica Sinica,2012,32(16):4961鄄4968.
黄土丘陵沟壑区坡面尺度土壤水分空间
变异及影响因子
姚雪玲,傅伯杰*,吕一河
(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京摇 100085)
摘要:土壤水分空间分布特征及其影响因子是土壤前期含水量模拟和小流域产流机制研究的重要内容,也是半干旱地区进行生
态建设的重要参考。 通过对黄土高原典型坡面雨季前后 100 cm深度内土壤含水量进行观测,分析地形、植被和雨季对土壤水
分空间分布的影响。 基本统计分析显示,土壤水分的空间异质性在上层(<20 cm)较小,在下层(>40 cm)较大。 坡面尺度上,土
壤含水量的空间差异主要表现在不同植被类型之间,而不是坡位之间。 各覆被类型的土壤含水量相对大小为荒草地>8 年生刺
槐林>20 年生刺槐林>沙棘林。 即使沙棘林和刺槐林位于更利于获取土壤水分的地形条件下,其土壤含水量仍然明显低于荒草
地。 地形对土壤水分的影响被植被类型的影响所掩盖。 上述规律在雨季前后都有明显表现。 因此,完全基于地形指数的土壤
水分预测模型在黄土高原应该慎用,植被类型应该作为土壤水分空间预测的一个重要参数。 雨季使土壤含水量整体提高,但是
土壤水分空间分布格局并没有根本改变,高处仍高,低处仍低,各样点处的土壤含水量在雨季前后达到显著相关水平,说明土壤
水分空间格局并不是瞬时状态,而具有明显的时间稳定性。
关键词:土壤水分;空间格局;植被;地形;黄土高原
Spatial patterns of soil moisture at transect scale in the Loess Plateau of China
YAO Xueling ,FU Bojie*,L譈 Yihe
State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology,Research Center for Eco鄄Environmental Sciences ,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,China
Abstract: Understanding the spatial variability and impact factors of soil moisture is important when modeling the
antecedent soil moisture status of a catchment. Soil moisture is a limiting factor of ecosystem development in semi鄄arid and
arid areas. Soil moisture spatial patterns and impact factors are particularly important for ecosystem restoration in the semi鄄
arid areas of the Loess Plateau. This study identifies soil moisture spatial patterns and impact factors ( terrain, land use
types and wet season) in Yangjuangou catchment in north of the Loess Plateau from the measurement of soil moisture in the
top 100 cm soil layer along five different transects on a loess hill before and after the wet season. Statistical analysis
revealed that the soil moisture spatial variation in deeper soil ( > 40cm) was more significant than that in upper soil
(<20cm), despite the influence of wet season. On a typical slope which had natural grassland at upper position and
planted R. pseudoacacia forest land at lower position, the average soil moisture in planted forest land was 3. 8% lower than
that in grassland in the 20cm to100cm soil depth, while 5% in the 100cm depth. Comparatively, in the scope of same kind
of land use type, the difference of soil moisture between different slope positions was less than 2% , which was obvious
smaller than the difference between the land use types. These laws kept consistent before and after the wet season.
Moreover, the soil moisture content in different land use types was ranked as natural grassland > planted R. pseudoacacia
forest land (8 years) > planted R. pseudoacacia forest land (20 years) > planted Hippophae reamnoides forest land, no
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matter before or after the wet season. Although the topography of planted forest land has advantageous conditions (shading
slope, lower position, smaller gradient or terraces) for retaining soil moisture, the soil in planted land was still found to be
have a much lower soil moisture content than the soil in natural grasslands, especially in deeper soil. Thus it is considered
that the influence of terrain on soil moisture content is masked by the influence of surface vegetation. Therefore,when
modeling hydrological processes in the Loess Plateau, it is recommended that the pattern of vegetation types within the
simulated area should be paid special attention. Hydrologic models of the Loess Plateau based only on terrain properties
should be used cautiously. The soil moisture content at all sample sites increased after the wet season, however, the spatial
patterns of soil moisture was not significantly changed. Sites which had high soil moisture content relative to other sites
before the wet season retained their higher soil moisture content after the wet season. This was also the case for sites with
low soil moisture content. Significant correlation was found between the soil moisture before and after the wet season at each
site. Soil moisture spatial patterns displayed temporal stability despite the influence of the wet season. This suggests that
soil moisture spatial patterns remain consistent at certain time scales. The knowledge gained from this study is an important
addition to soil moisture spatial pattern research.
Key Words: soil moisture; spatial pattern; vegetation; topography; the Loess Plateau
土壤水分的空间分布规律是径流产生的重要影响因子,是流域水文过程研究的重要内容之一。 半干旱区
的土壤水分是生态系统发展的限制因子,土壤水分的空间分布是生态建设和规划的主要参考因素。 近几十
年,国内外有大量针对土壤水分时空变异及其主导因子的研究。 Y. Cant佼n 等对西班牙半干旱区荒地的土壤
水分时空变异研究发现,土壤水分空间变异主要由地表覆被和土壤属性控制,而地形(坡度、坡向、湿度指数、
距河道的距离等)对土壤水分的影响已经被地表覆被的影响所掩盖[1]。 Burt 等对英国德文郡湿润气候区的
一个小流域坡面土壤水分进行观测,认为在土壤湿度较大的情况下,地形指标能很好的模拟土壤水分变
化[2]。 O忆Loughlin曾利用基于数字地形数据的湿度指数模型来估算小流域内土壤含水量的空间分布[3]。
Hawley等对美国奇克谢市湿润气候区的一个小流域土壤水分调查发现,地形是农业区土壤水分空间分布的
主要因素,但是植被会削弱地形引起的土壤水分变异[4]。 对于不同的气候背景以及不同的试验方法,各研究
结果得出土壤水分变异的主导因子并不完全相同。 在半干旱黄土高原地区,沟壑纵横,土层深厚(平均厚度
超过 50 m),地下水埋藏深,人工植被广泛分布等因素,使得黄土高原土壤水分的空间分布和影响因素存在自
身特点。 国内对黄土高原地区土壤水分的空间规律也有大量研究。 主要包括地形[5]、植被[6]、土壤质地[7]、
土地利用结构对土壤水分的影响[8],土壤水分空间格局的稳定性[9鄄10],土壤水分的空间自相关性[11]等。 虽然
普遍认为土壤水分空间格局是由前述几种因子共同作用的结果,但是对黄土高原地区土壤水分空间格局主控
因子的探讨还比较欠缺[12]。
本文通过对黄土高原典型坡面上雨季前后的土壤水分进行采样,试图探讨地形、植被类型和降水对土壤
水分空间分布的影响,以及土壤水分空间分布的主控因子。
1摇 研究区概况
研究区域为延安市羊圈沟小流域,面积 2. 02 km2,距市区 14 km。 区域地貌类型为黄土梁和黄土沟,沟谷
密度为 2. 74 km / km2,属典型黄土丘陵沟壑区。 区域气候为半干旱大陆性季风气候,多年平均降水量 535
mm,降水多集中在 7—9 月,占年降水量 60%以上,且多暴雨。 流域内土壤以黄绵土为主,抗蚀性差,水土流
失严重。 流域内自然植被破坏殆尽,垦殖指数较高,土地利用以坡耕地、梯田农地、果园、草地、人工沙棘林和
人工刺槐林为主。
2摇 研究方法
2. 1 样点布设与采样方法
综合考虑植被类型、土壤质地、地形等因素,选取流域内一座典型山头,从山顶向山下呈辐射状布设样带。
2694 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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图 1摇 采样点分布示意图
Fig. 1摇 Spatial distribution of sample sites
本研究共选取北、东北、东、南偏西、西 5 个方向上的 5
条样带,这 5 条样带分别位于不同坡面上,涉及到不同
坡向和坡位的荒草地、刺槐林、沙棘林。 除了东北样带
坡度在 8毅左右外,其余四条样带坡度均在 18毅—22毅之
间,所有样带土壤质地为比较均一的黄绵土,这样在进
行样地对比时,可以忽略土壤质地和坡度的差异。 在每
条样带上,每间隔 10 m 或 20 m 选取一个坡位点,每个
坡位点在直径 2 m范围内选取 3 个样点进行采样,共计
93 个样点,31 个坡位点(图 1)。 取 3 个临近样点的平
均值代表该坡位处的土壤含水量。 采样在 2008 年雨季
初期(6 月下旬)和末期(10 月下旬)各进行 1 次。 根据
实验区布设的雨量计,2008 年总降雨量 431 mm,6—10
月间总降雨量 352 mm,占当年总降雨量的 81% 。 用 GPS 定位每个样点的坐标,同时记录每个样点的植被类
型、覆盖度、地形属性、微地貌特征、退耕年限等属性信息(表 1)。 每个样点用土钻分别在 20、40、60、80、100
cm处取样,用烘干法测定土壤含水量。
表 1摇 实验样带的基本信息
Table 1摇 The general information of the sampling transects
样带
Transects
植被类型
Land use type
坡度 / ( 毅)
Slope
小地形
Local topography
退耕年限 / a
Restoration years
林冠郁闭度 / %
Canopy density
地表覆盖度 / %
Surface coverage
北
North
上坡位鄄沙棘林
Upper鄄Hippophae rhamnoides 22
平直坡 8 95 100
中坡位鄄刺槐林
Middle鄄Robinia pseudoacacia 22
平直坡 28 50 95
东北
North east
沙棘林
Hippophae rhamnoides 8
平直坡 8 95 100
东
East
上坡位鄄刺槐、山杏混交林
Upper鄄Prunus armeniaca and
Robinia pseudoacacia
18 隔阶坡面 8 30 30
中坡位鄄荒草地
Middle鄄Grassland 18
平直坡 10 30
南偏西
South west
上坡位鄄山杏林
Upper鄄Prunus armeniaca 19 隔阶坡面 7 40 70
中坡位鄄荒草地
Middle鄄Grassland 19
隔阶坡面 7 70
西
West
上坡位鄄荒草地
Upper鄄Grassland 21
平直坡 20 80
中坡位鄄刺槐林
Middle鄄Robinia pseudoacacia forest 22
平直坡 20 30 80
2. 2摇 数据处理与分析方法
将采样点插入到流域 DEM(Digital Elevation Model, 3 m伊3 m)中,在 Arcgis(9. 0)软件中得到样点分布图;
应用 SPSS(13. 0)软件对土壤水分数据进行异常值检测、基本统计和相关分析;用 Origin(8. 0)软件绘制图表。
3摇 结果与分析
3. 1摇 土壤水分的统计分析
雨季初期 100 cm土层内平均土壤含水量为 10. 0% ,雨季末期为 11. 6% 。 经过一个雨季补偿,100 cm 土
层内土壤含水量增加了 1. 6% 。 雨季前测定的土壤含水量上层较高,下层较低,雨季后测定的土壤水分上下
3694摇 16 期 摇 摇 摇 姚雪玲摇 等:黄土丘陵沟壑区坡面尺度土壤水分空间变异及影响因子 摇
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层比较接近,因为雨季初期采样的前一周内有少量降水(约 8. 6 mm),表层土壤水分得到部分补充,而雨季末
期采样的前一周内无降水,表层土壤水分受到蒸发损耗。 但是无论土壤平均含水量的高低,从表 2 和表 3 统
计结果来看,土壤水分的标准差和变异系数,都表现为上层小,下层大。 说明上层土壤水分空间分布相对比较
均质,而下层土壤水分的空间异质性更强。
王彦辉[13]等研究表明,上层(<20 cm)土壤水分主要受到坡位、坡度等地形条件和小气候条件下的蒸发
力影响,随着土层增深,土壤水分受蒸发作用减小,而受植被蒸腾作用加大。 本文统计结果显示,无论雨季前
后,随着土层深度增加,土壤水分的变异系数增加。 由此可以认为,研究区地形和小气候引起的土壤水分空间
差异(<20 cm)相对较小,而植被能引起更为显著的土壤水分空间差异(>20 cm)。
表 2摇 雨季初期土壤水分基本统计特征值
Table 2摇 General statistics of soil moisture content in early wet season
土层深度 / cm
Soil depth
最小值 / %
Minimum
最大值 / %
Maximum
均值 / %
Mean
标准差
Std. Deviation
变异系数
Variation Coefficient
20 8. 193 13. 998 11. 110 1. 063 0. 096
40 6. 740 12. 638 10. 087 1. 200 0. 119
60 6. 398 13. 448 10. 117 1. 532 0. 151
80 5. 123 13. 089 9. 510 1. 765 0. 186
100 4. 815 14. 770 9. 254 1. 969 0. 213
表 3摇 雨季末期土壤水分基本统计特征值
Table 3摇 General statistics of soil moisture content after the wet season
土层深度 / cm
Soil depth
最小值 / %
Minimum
最大值 / %
Maximum
均值 / %
Mean
标准差
Std. Deviation
变异系数
Variation Coefficient
20 9. 145 13. 082 11. 163 0. 889 0. 080
40 9. 863 14. 509 12. 053 1. 154 0. 096
60 8. 530 14. 718 12. 031 1. 590 0. 132
80 6. 700 14. 415 11. 276 2. 104 0. 187
100 6. 713 14. 572 11. 338 1. 705 0. 150
3. 2摇 坡位对土壤水分空间格局的影响
选取坡面较为平直,植被分界较为清晰的西坡样带探讨土壤水分沿坡面的变化。 该坡面长约 150 m,沿
坡面从上到下共选取 7 个坡位点,各坡位点的坡面间距约 20 m。 上坡位 4 个点分布在荒草地中,主要种群是
白羊草(Bothriochloa ischcemum (Linn. ) Keng)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum Ledeb)、胡枝子(Lespedeza)、苔草
(Cyperaceae)等,覆盖度约 80% 。 下坡位 3 个点分布在人工刺槐林中,林龄约 20a,林木稀疏,郁闭度小于
30% ,林下草被覆盖较好,覆盖度约 80% 。 图 2 显示了雨季前后土壤水分沿坡面的分布格局。
雨季前,荒草地内部四个坡位点处土壤含水量平均值分别为 12. 8% ,11. 0% ,11. 2% ,12. 2% ,刺槐林地
内 3 个坡位点处平均土壤含水量分别为 8. 9% ,8. 3% ,8. 5% 。 雨季后,荒草地相应值分别为 13. 9% ,12. 6% ,
12. 7% ,刺槐林地相应值分别为 11. 0% ,9. 0% ,10. 0% 。 无论雨季前后,荒草地和刺槐林内部各坡位点间的
土壤含水量差异都小于 2% 。 而两种植被类型间土壤水分平均差异在雨季前后分别为 3. 8%和 3. 9% ,100 cm
土层处的差异在雨季前后分别达 5. 1%和 5. 6% 。 可见,在同种植被覆盖范围内,即使坡位有所差别,土壤含
水量差别也相对较小。 而不同植被类型之间土壤含水量差别明显,在坡面林草植被分界处,土壤含水量出现
明显拐点。 雨季使坡面上的土壤含水量整体有所增加,但是相对来说,高处仍高,低处仍低,坡面上土壤水分
的相对空间格局并没有根本改变。
理论上,降水在接触地面后通过地表径流和壤中流,在重力作用下向下坡位运移,下坡位的土壤含水量应
比上坡位高。 但是植被对土壤水分消耗的差异,扰乱了这种规律。 一些研究认为,同种植被覆盖使土壤水分
4694 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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图 2摇 西向坡雨季前后土壤水分沿坡面的分布状况
摇 Fig. 2 摇 Distribution of soil moisture in early and after the wet
season along the west slope
趋向于均质化,可以削弱地形对土壤水分的影响[1,14]。
刘梅和徐学选等研究发现,在黄土高原地区,即使坡面
上为同种植被类型,在 100 cm土层内,土壤含水量也并
未表现出下坡位大于上坡位。 下坡位虽然更易获取水
分补充,但是植物生长更加茂密,消耗更多水分,使得土
壤含水量与上坡位没有明显差别[15鄄16]。 在本研究区的
采样坡面上,虽然刺槐林位于下坡位,更易于获取土壤
水分补充,但是刺槐生长所需水量远大于荒草地[17],比
荒草地消耗更多的土壤储水,因此表现出下坡位的土壤
含水量反而比上坡位低。 可见,在植被差异的干扰下,
坡位已经不是决定土壤土壤水分空间格局的主导因素。
土壤水分的空间差异主要表现在不同植被类型之间,而
不是坡位之间。 在对黄土高原进行水文研究时,一些基
于地形属性的水文模型(比如湿度指数模型等)在黄土
高原地区的应用则需更加慎重。 在水文研究中,对土壤
前期含水量的空间估算时,应特别注重植被类型因素。
图 3摇 雨季前后各植被类型下的土壤水分含量
Fig. 3摇 Soil moisture content under different land cover in early and after the rainy season
3. 3摇 植被类型对土壤水分空间格局的影响
图 3 绘出了研究区几种典型覆被类型的土壤水分
变化曲线,包括 8a 沙棘林、20a 以上刺槐林、8a 刺槐林、
20a荒草地。 这 4 种覆被类型土壤含水量在雨季前分别是 8. 5% ,8. 7% ,9. 9% ,10. 9% ,雨季后是 10郾 3% ,
10郾 5% ,12. 3%和 12. 9% 。 其中荒草地位于西坡(半阳坡)上坡位,而沙棘林位于东北坡(阴坡)比较平缓的坡
面上,20 年生刺槐林位于北坡(阴坡)下坡位,8 年生刺槐林(半阴坡)内有人工修整的水平阶,后 3 种植被类
型所处的微地形都有利于减少地表径流或者地表蒸发,增加入渗。 尽管有较好的保持水分的地形条件,刺槐
和沙棘的土壤含水量还是明显低于位于荒草地,并且越往深层,与荒草地土壤含水量差距越大(图 3)。 荒草
地、刺槐林、沙棘林在退耕以前都长期是农田,可认为其土壤水分初始含量(土壤水分背景值)是比较相似的,
形成目前的土壤水分差异,主要由于人工林地对土壤水分的吸取和蒸腾消耗远大于荒草地[17]。 雨季对各个
植被类型的土壤含水量都有不同程度的补充,但是各个植被类型间相对土壤湿度情况并没有根本改变,仍然
表现为荒草地>8 年生刺槐林>20 年生刺槐林>沙棘林。
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3. 4摇 雨季对土壤水分空间格局的影响
图 4 中显示了各个坡位点处 20,60,100 cm土层和 0—100 cm平均土壤含水量在雨季前后的变化情况。
图 4摇 雨季前后各样点处的土壤含水量
Fig. 4摇 Soil moisture content before and after the wet season
从图 4 可以看到,不同土层深处,特别是 100 cm内平均土壤含水量,土壤含水量在雨季前后具有比较明
显的波动一致性,高处仍高,低处仍低。 雨季前后各点处 100 cm土层内平均土壤含水量的 Pearson 相关系数
为 0. 872,P<0. 01,具有极显著的统计学相关性。 朱首军等对淳化县地埂花椒鄄小麦鄄苹果复合模式的试验地 2
m深的土壤水分进行连续观测,发现无论哪个观测点,尽管不同时间段的含水量不同,但是总体趋势却是基本
一致的,大者仍大,小者仍小[9]。 周启友等通过电阻率成像法获取三维空间上土壤含水量在降雨前后的变
化,发现,降雨使土壤整体含水量增加,但是其空间分布结构和模式并没有发生根本变化,随着降雨停止,土壤
逐渐干燥,土壤含水量的空间分布结构几乎完全返回到了降雨前的模式,即使土壤进一步干燥,土壤含水量的
空间分布结构还是没有发生根本变化[10]。 以上研究均说明,土壤水分的空间分布模式可以保持一定的时间
稳定性。 但是对于不同土层深度,这种稳定性也有所差别。 表 4 列出了不同土层深度处土壤水分在雨季前后
的相关系数。 在 20 cm深处,雨季前后土壤含水量 Pearson相关系数为 0. 426,检验为显著相关(P<0. 05),在
40—100cm相关系数分别为 0. 752,0. 863,0. 822 和 0. 586,均为极显著相关水平(P<0. 01)。 说明下层土壤含
水量的空间分布结构比上层更加稳定。 事实上,所有关于土壤水分的空间格局的研究,都是基于土壤水分具
有一定时间稳定性这么一个假设上,否则,观测到的分布规律都只是瞬时的。 本研究的实测数据初步验证了
这个假设是符合事实的。
4摇 结论
(1)无论雨季前后,上层土壤水分(<20 cm)的空间分布相对比较均质,而下层土壤水分(>40 cm)的空间
异质性较强。 探讨不同覆被类型的水文特征,下层土壤中更能体现出差异性。
(2)坡面尺度上,土壤水分的差异主要表现在不同植被类型之间,而不是不同坡位之间。 同一坡面上的
自然草地和人工刺槐林之间,平均土壤含水量差异在 3. 8%以上,100 cm 深度处的差异达 5%以上。 而在同
种植被覆盖范围内,不同坡位处的土壤含水量差异在 2%以内,相对较小。 并且这种规律在雨季前后保持一
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致。 无论雨季前后,各覆被类型的土壤含水量均表现为荒草地>8 年生刺槐林>20 年生刺槐林>沙棘林。 即使
刺槐林和沙棘林具有更利于获取水分补充的地形条件,比如处于阴坡、缓坡、下坡位或者水平阶等,其土壤含
水量还是明显低于荒草地。 越往土层深处,与荒草地土壤含水量差距越大。 因此黄土高原坡面上土壤水分空
间差异主要表现在不同植被类型之间,而地形对土壤水分的影响并不突出。 在黄土高原进行水文研究,尤其
是在前期土壤含水量模拟时,植被类型因素是不可忽略的因素,而完全基于地形属性的水文模型在黄土高原
地区应该慎用。
表 4摇 雨季前后各土层土壤含水量相关系数
Table 4摇 The correlation of soil moisture content before and after the wet season
土层深度 Soil depth / cm
20 40 60 80 100 平均值 Average
Person相关系数 Pearson Correlation 0. 426* 0. 752** 0. 863** 0. 822** 0. 586** 0. 872**
摇 摇 *表示显著相关(P<0. 05); **表示极显著相关(P<0. 01)
(3)雨季前后各位置点处的土壤含水量达到显著或极显著相关水平。 降水对各点处的土壤含水量虽然
有不同程度的补充,但是土壤水分空间分布结构并没有根本改变,高处仍高,低处仍低。 越往土层深处,这种
土壤水分空间分布模式更加稳定。 这种相对稳定的空间分布模式,使黄土高原地区土壤水分的空间格局研究
不仅仅代表瞬间状态,而是在一定时间尺度上都具有代表性,这对黄土高原土壤水分空间格局的研究具有重
要理论支持作用。
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