李 濤

(1.陜西華正生態(tài)建設(shè)設(shè)計(jì)監(jiān)理有限公司，陜西 西安 710004；2.水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京 100055)

側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤水分及養(yǎng)分分布特征
——以黃土高原北部溝岸地為例

李 濤1,2

(1.陜西華正生態(tài)建設(shè)設(shè)計(jì)監(jiān)理有限公司，陜西 西安 710004；2.水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京 100055)

側(cè)面蒸發(fā)；土壤養(yǎng)分；土壤水分；黃土高原

為全面了解黃土高原北部地區(qū)溝岸地土壤水分養(yǎng)分的分布情況，為該區(qū)植被恢復(fù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，采用野外調(diào)查取樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，按照不同的距離，分析溝岸地土壤速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的特征，結(jié)果表明：①側(cè)面蒸發(fā)條件下，溝岸地土壤水分含量隨著距溝壁距離的增加有上升趨勢，雙側(cè)面蒸發(fā)導(dǎo)致土壤水分含量在東西兩側(cè)均低于單側(cè)面蒸發(fā)；②單側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤有機(jī)質(zhì)含量在0～20 cm土層和20～100 cm土層均低于對照，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤有機(jī)質(zhì)含量則呈西高東低的趨勢；③單側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤速效磷含量與對照差異不大，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤速效磷含量明顯高于對照，且呈中間高、靠近溝壁處低的規(guī)律；④側(cè)面蒸發(fā)對土壤速效鉀含量的影響不明顯。

黃土高原是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，受多種侵蝕營力作用，形成了一系列復(fù)雜而特殊的地形，如水流切割形成千溝萬壑的地貌特征，以及由于黃土的垂直節(jié)理發(fā)育，重力侵蝕造成侵蝕溝溝壁陡直等，進(jìn)一步形成多種溝間地貌，如塬、梁、峁[1]。這些復(fù)雜的地貌特征與土壤侵蝕的關(guān)系密切，尤其是陡直裸露的切溝溝壁受到如太陽輻射、降雨和強(qiáng)烈的蒸發(fā)[2-3]等復(fù)雜的水熱條件影響，對土壤水分養(yǎng)分的分布也會有直接影響。在該地區(qū)，接近溝壁的溝岸地上林相較差，溝沿處向內(nèi)20 cm左右?guī)缀鯚o植被分布，說明溝壁強(qiáng)烈的側(cè)面蒸發(fā)作用致使溝岸地水肥條件較差。因此，研究溝壁側(cè)面蒸發(fā)條件下溝岸地土壤水分養(yǎng)分的分布規(guī)律和變化規(guī)律，有助于提高土壤水分養(yǎng)分資源的利用，并為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

在地形對土壤水分養(yǎng)分分布的影響方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究。MILLER et al.[4]發(fā)現(xiàn)，土壤特性及其小麥產(chǎn)量與坡位具有明顯的相關(guān)性，這些變異主要是由土壤侵蝕造成的。 CIHA[5]、GEIGER et al.[6]研究表明，微地形對土壤養(yǎng)分水分狀況具有明顯的影響。潘成忠等[7]認(rèn)為，在黃土高原，坡地土壤水分養(yǎng)分含量的橫向變化大于縱向變化?；糁竦萚8]認(rèn)為，溝岸檸條坡地距溝沿不同距離的土壤剖面儲水量與溝沿距離間的關(guān)系可以用線性函數(shù)y=ax+b來表達(dá)。鄭紀(jì)勇等[9]通過進(jìn)一步研究，認(rèn)為距溝沿不同距離的土壤剖面儲水量增量與距溝沿距離間無明顯相關(guān)性，而距溝沿不同距離的土壤剖面儲水量與距溝沿距離間的關(guān)系用冪函數(shù)y=axb(其中a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù))表達(dá)更為可信。

本研究在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)，通過對溝岸地(本研究中提到的溝岸地主要指黃土塬和溝間坪地)土壤水分養(yǎng)分含量的測定，從土層深度和距溝壁不同距離兩個(gè)方面確定單側(cè)溝壁蒸發(fā)條件下和雙側(cè)溝壁蒸發(fā)條件下土壤水分養(yǎng)分的分布特征，以期為該區(qū)植被恢復(fù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，為進(jìn)一步研究黃土高原水分養(yǎng)分特征提供研究基礎(chǔ)。

1 研究地區(qū)和研究方法

1.1 研究地區(qū)

本研究區(qū)域位于陜西省榆林市神木縣六道溝小流域，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110° 21′～110° 23′、北緯38° 46′～38° 51′，海拔1 081.0～1 273.9 m。該區(qū)地處黃土高原向毛烏素沙地過渡地帶，同時(shí)也是以水力侵蝕作用為主的黃土丘陵區(qū)向以干燥剝蝕作用為主的鄂爾多斯高原過渡的地帶，為典型的蓋沙黃土丘陵區(qū)。氣候類型屬中溫帶半干旱氣候，特點(diǎn)是冬春季干旱少雨、多風(fēng)沙，夏秋季多雨且多暴雨及冰雹。多年平均降水量為437.4 mm，降水量年內(nèi)、年際變化較大，7—8月份降水量約占全年降水量的50%以上。年均氣溫8.4 ℃，≥10 ℃活動積溫為3 248.0 ℃，全年日照時(shí)間為2 837.7 h，年總輻射量為5.922 GJ/m2，年平均風(fēng)速2.5～2.7 m/s，年最大風(fēng)速為9.68～14.45 m/s(約6級)，全年大于5級風(fēng)的時(shí)間為45 d，大于8級風(fēng)的時(shí)間約16 d，秋末冬春盛行西北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng)。從植被區(qū)劃來講，該區(qū)屬于森林草原與典型草原的過渡帶。植被類型為干旱草原，地帶性植被為溫帶草原植被景觀，天然植被大部分已經(jīng)遭到破壞，殘存的天然草場也已嚴(yán)重退化、沙化，長茅草、達(dá)烏里胡枝子、沙竹等沙生植物分布比較廣泛，沙柳、檸條、沙蒿等灌木、半灌木在該地區(qū)生態(tài)環(huán)境中占據(jù)著比較重要的地位。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇

所選擇的切溝走向?yàn)闁|西走向，屬于主溝道發(fā)育的二級支溝，溝深 12～15 m、寬 25～30 m、長大約100 m，溝道截面基本上呈U形。單側(cè)面蒸發(fā)條件下的樣地選擇在溝岸地寬約30 m的東側(cè)溝壁邊，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下的樣地選擇在寬為6.0 m的溝間坪地上。樣地均為退化的苜蓿地，坡度均小于5°。樣點(diǎn)選取位置見圖1。

圖1 采樣點(diǎn)位置示意

1.2.2 樣品采集與測量管布設(shè)

單側(cè)面蒸發(fā)條件下樣品采集點(diǎn)為沿直線選擇距溝壁20、100、200、300 cm的4個(gè)點(diǎn)，對照樣點(diǎn)(CK1)選在距溝壁約700 cm處。雙側(cè)面蒸發(fā)條件下樣品采集點(diǎn)為沿直線選擇距東西兩側(cè)溝壁分別為20、100、300的5個(gè)點(diǎn)(中間點(diǎn)距東西兩側(cè)溝壁均為300 cm)，分別標(biāo)記為E20、E100、M300、W100、W20(在測定水分時(shí)為提高分析精度，增設(shè)距兩側(cè)溝壁分別為200 cm的2個(gè)點(diǎn)E200、W200)，E表示東側(cè)，W表示西側(cè)，M表示中間，字母后的數(shù)字代表樣點(diǎn)距溝壁的距離，單位為cm；對照樣點(diǎn)(CK2)選在寬14～15 m的溝間坪地的中部。養(yǎng)分樣品采集深度為1 m，以20 cm為間隔；水分樣品采集深度為3 m，用土鉆法采集，以20 cm為間隔，采集完樣品后布設(shè)TDR測量管。

1.2.3 測定方法

土壤水分用烘干法測定，在105 ℃烘8 h；風(fēng)干土過2 mm篩，采用HCl-H2SO4雙酸浸提法測定速效磷；風(fēng)干土過0.25 mm篩，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)；速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝岸地水分分布特征

側(cè)面蒸發(fā)條件下溝岸地土壤水分剖面特征見圖2。由圖2(a)可知，溝壁的單側(cè)面蒸發(fā)作用致使溝岸地土壤水分整體較低，大部分接近萎蔫含水量，其作用強(qiáng)度隨距溝壁距離的增加而減弱，對距溝壁20 cm處土壤水分的影響最為顯著。單側(cè)面蒸發(fā)條件下，各樣點(diǎn)深度100 cm以上土層土壤水分無明顯差異；在深度100 cm以下， 同一土層深度上溝岸地土壤含水量隨著距溝壁距離的增加而增加， 含水量最低的為距離溝壁20 cm處，該處平均含水量明顯低于距溝壁100 cm處，且在100～260 cm深度處的土壤含水量均小于萎蔫含水量，260～300 cm深度的土壤含水量也接近萎蔫含水量。整體上隨著距溝壁距離的增加，土壤水分含量呈上升趨勢，但變化逐漸變小。

圖2 單、雙側(cè)面蒸發(fā)條件下溝岸地土壤水分剖面特征

由圖2(b)(c)可看出，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下溝岸地土壤水分分布特征在東西兩個(gè)方向上略有不同。從西側(cè)來看，土壤水分含量低于萎蔫含水量的深度出現(xiàn)在約150 cm以下，并且距溝壁不同距離處同一深度的土壤含水量差異不大。從東側(cè)來看，平均含水量較西側(cè)略低，距溝壁20、100、200和300 cm處的土壤含水量開始低于萎蔫含水量的深度分別約為120、140、160和160 cm，隨著距溝壁距離的增加土壤含水量增加。

經(jīng)取樣在實(shí)驗(yàn)室測定，單側(cè)面蒸發(fā)條件下3 m深土壤儲水量為408.83 mm，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下東西兩側(cè)測定范圍內(nèi)(以中間為界)3 m深土壤儲水量分別為317.96和355.69 mm，即在測定范圍內(nèi)單側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤儲水量較雙側(cè)面蒸發(fā)條件下東西兩側(cè)儲水量分別高22.2%和12.9%。這說明雙側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤水分虧缺比單側(cè)面蒸發(fā)條件下更為嚴(yán)重。

2.2 有機(jī)質(zhì)含量特征

經(jīng)取樣在實(shí)驗(yàn)室測定并分析數(shù)據(jù)得知，0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量雙側(cè)面蒸發(fā)條件下較單側(cè)面蒸發(fā)條件下高6.02%，而0～80 cm土層有機(jī)質(zhì)含量則低18.95%，說明單雙側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤有機(jī)質(zhì)含量和分布不同。

據(jù)實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果和圖3(a)可知，在雙側(cè)面蒸發(fā)條件下，溝岸地表層0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于下層，樣點(diǎn)E20、E100、M300、W100、W20的表層0～20 cm的有機(jī)質(zhì)含量分別是0～80 cm土層平均值的4.58、2.92、2.54、2.23和1.92倍。20～100 cm深度土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化規(guī)律東西方向有所不同，溝岸地東側(cè)土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化無明顯規(guī)律，但對照和溝岸地西側(cè)，除W100處80～100 cm土層有機(jī)質(zhì)含量略大于60～80 cm土層外，其余各樣點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量都是隨土層深度的增加而減少。橫向來看，總體西側(cè)比東側(cè)高9.58%；與對照相比，溝岸地0～20 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量各樣點(diǎn)有高有低，無明顯規(guī)律，20 cm以下土層的有機(jī)質(zhì)含量溝岸地東西兩側(cè)均低于對照?？傮w來看，溝岸地中部M300樣點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量最低。

圖3 距溝壁不同距離處土壤有機(jī)質(zhì)含量

注：圖上字母表示同一深度土層在距溝壁不同距離處養(yǎng)分含量的方差分析結(jié)果，字母不同表示在0.05水平上差異顯著，下同。

據(jù)實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果和圖3(b)可知，單側(cè)面蒸發(fā)條件下，土壤有機(jī)質(zhì)含量在0～20 cm土層最高，距溝岸地20、100、200、300 cm處各樣點(diǎn)的0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量分別是其0～80 cm土層平均值的4.58、2.92、2.54和2.23倍，對照樣點(diǎn)0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量為其0～80 cm土層平均值的1.92倍。隨土層深度的增加，各樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化無明顯規(guī)律。橫向來看，除距溝岸地300 cm處樣點(diǎn)的60～100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于對照樣點(diǎn)60～100 cm土層外，溝岸地各樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量均不同程度地低于對照樣點(diǎn)同一深度的含量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測定，距溝岸地20、100、200和300 cm處各樣點(diǎn)0～20 cm表層土壤有機(jī)質(zhì)含量較對照樣點(diǎn)分別低6.34%、22.73%、26.98%和13.57%，即隨距溝壁距離的增加，0～20 cm表層有機(jī)質(zhì)含量呈先減少后增加的趨勢；20～100 cm土層有機(jī)質(zhì)平均含量各樣點(diǎn)則較對照樣點(diǎn)分別低60.90%、45.86%、43.61%和24.81%，即隨距溝壁距離的增加，20～100 cm土層有機(jī)質(zhì)含量呈逐漸增加的趨勢。

2.3 速效磷含量特征

由圖4可看出，縱向上，在雙側(cè)面蒸發(fā)條件下，溝岸地東側(cè)和對照樣點(diǎn)土壤速效磷含量隨土層深度的增加先減小，后呈波動上升趨勢，而溝岸地西側(cè)除0～20 cm外為先升高后波動下降趨勢； 在單側(cè)面蒸發(fā)條件下，土壤速效磷含量在0～40 cm土層呈下降趨勢，40～100 cm則呈上升趨勢。橫向上，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下溝岸地土壤速效磷含量顯著高于對照，且隨著距溝壁距離的增加土壤速效磷含量增加，溝岸地東側(cè)土壤的速效磷含量略低于西側(cè)；單側(cè)面蒸發(fā)條件下，溝岸地土壤速效磷含量整體而言與對照組差異不顯著，距溝壁200 cm處土壤速效磷含量最高，距溝壁300 cm處土壤速效磷含量最低，而在距溝壁20和100 cm處，表層土壤速效磷含量較低，底層土壤速效磷含量較高。

圖4 距溝壁不同距離處土壤速效磷含量

2.4 速效鉀含量特征

由實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果和圖5(a)可知，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤速效鉀含量隨深度的變化無明顯規(guī)律，經(jīng)測算相鄰?fù)翆油寥浪傩р浐康淖兓秶鸀?.2%～27.1%；而對照樣點(diǎn)土壤速效鉀含量在0～80 cm隨土層深度的增加逐漸上升，80～100 cm略有下降，相鄰?fù)翆拥淖兓秶鸀?.3%～14.3%。由此可見，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下不同深度土層土壤速效鉀含量波動較明顯。橫向來看，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤速效鉀含量整體水平低于對照，溝岸地東側(cè)略高于西側(cè)，溝岸地中部即M300處土壤速效鉀含量最低。

圖5 距溝壁不同距離處土壤速效鉀含量

由圖5(b)可知，單側(cè)面蒸發(fā)條件下，各樣點(diǎn)0～20 cm土層土壤速效鉀含量均高于下層土壤，除距溝壁300 cm處樣點(diǎn)80～100 cm土層速效鉀含量較60～80 cm土層升高20.7%外，其他各樣點(diǎn)20～100 cm深度相鄰?fù)翆铀傩р浐康淖兓陀?1.7%，變化不明顯。橫向來看，單側(cè)面蒸發(fā)條件下溝岸地土壤速效鉀含量均高于對照，0～20 cm土層土壤速效鉀含量在距離溝壁200 cm處陡然增至(189.91±5.34)mg/kg，其他各點(diǎn)在橫向上無明顯變化。

3 結(jié)論與討論

(1)側(cè)面蒸發(fā)條件下，溝岸地土壤水分含量隨著距溝壁距離的增加有上升趨勢，雙側(cè)面蒸發(fā)的土壤水分含量在東西兩側(cè)均低于單側(cè)面蒸發(fā)。單側(cè)面蒸發(fā)條件下各樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量在0～20 cm土層和20～100 cm土層均低于對照，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤有機(jī)質(zhì)含量則呈西高東低的趨勢。單側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤速效磷含量與對照組差異不大，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤速效磷含量明顯高于對照，且呈中間高、靠近溝壁處低的規(guī)律。

(2)土壤水分是土壤最主要的組成成分之一，也是植物生長的限制條件之一。研究發(fā)現(xiàn)，溝岸地距溝壁距離不同，同一土層的土壤含水量有明顯差異，并且距離溝壁越近差異越大。黃土高原北部地區(qū)侵蝕溝道兩側(cè)溝壁大都裸露，強(qiáng)烈的蒸發(fā)使土壤水分降低，造成土壤橫向水勢差，因此距溝壁較遠(yuǎn)的土壤水分含量高，距溝壁越近蒸發(fā)越強(qiáng)烈、水分含量越低。在雙側(cè)面蒸發(fā)條件下，土壤水分橫向分布與單側(cè)面蒸發(fā)條件下土壤水分分布規(guī)律一致，但是由于該地夏季盛行東南風(fēng)，東側(cè)溝壁受盛行風(fēng)的影響，側(cè)面蒸發(fā)作用較西側(cè)強(qiáng)烈，因而東側(cè)水分比西側(cè)虧缺更嚴(yán)重。

(3)土壤有機(jī)質(zhì)的累積受氣候、植被，還有地形、土壤營養(yǎng)元素、土壤質(zhì)地、土壤pH值、人為活動等因素影響，隨距溝壁距離的增加，土壤水分含量升高，有利于微生物活動，土壤有機(jī)質(zhì)應(yīng)該呈降低趨勢，并且水分條件較好的對照樣點(diǎn)對微生物活動較有利，有機(jī)質(zhì)不容易積累。但研究還發(fā)現(xiàn)，據(jù)溝壁越近，水分狀況越差，植物分布越稀疏，在靠近溝壁20 cm范圍內(nèi)，幾乎無植物分布，這導(dǎo)致凋落物較少，因此出現(xiàn)前文分析的土壤有機(jī)質(zhì)分布特征。同樣，在雙側(cè)面蒸發(fā)條件下，水分狀況較好的溝岸地西側(cè)有機(jī)質(zhì)含量大于水分含量相對較差的東側(cè)，除微生物分解和凋落物歸還外，迎風(fēng)面與背風(fēng)面的差異也是最主要的原因之一。

(4)在雙側(cè)面蒸發(fā)條件下M300處土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，而土壤速效磷含量最高，對照土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，而速效磷含量最低；在單側(cè)面蒸發(fā)條件下，對照有機(jī)質(zhì)含量略高于溝岸地，對照速效磷含量與溝岸地并沒有明顯差異，但數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果顯示，土壤有機(jī)質(zhì)較高處速效磷含量較低，反之，則高。

(5)溝岸地土壤速效鉀含量在橫向上無明顯的變化規(guī)律，但與對照相比，雙側(cè)面蒸發(fā)條件下溝岸地土壤的速效鉀含量略低于對照，單側(cè)面蒸發(fā)條件下則高于對照。土壤鉀的含量主要受成土母質(zhì)的影響，速效鉀含量的影響因素則較多。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

S159

A

1000-0941(2017)04-0054-05

李濤(1987—)，男，陜西榆林市人，助理工程師，學(xué)士，主要從事水土保持研究、管理、技術(shù)工作。

2016-06-19