索立柱,黃明斌,*, 段良霞,2,張永坤,3

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌 712100 3 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

黃土高原不同土地利用類型土壤含水量的地帶性與影響因素

索立柱1,黃明斌1,*, 段良霞1,2,張永坤1,3

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌 712100 3 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

通過對黃土高原南北樣帶大面積(北緯34°05′—40°75′、東經(jīng)107°14′—111°09′)土壤含水量(0—500 cm剖面)測定和相應(yīng)植被類型調(diào)查,研究了黃土高原農(nóng)田、草地、灌木林地和喬木林地4種土地利用類型土壤含水量的空間變化及它們之間的差異性。結(jié)果表明：黃土高原4種土地利用類型的土壤含水量皆呈現(xiàn)南北向地帶性變化,自南向北土壤含水量有明顯遞減趨勢,與多年平均降雨量、潛在蒸散量、土壤質(zhì)地等的分布具有一致性；同一地點(diǎn)不同土地利用類型下土壤水分含量具有顯著差異(農(nóng)地>草地>灌木和喬木林地),不同植被類型根系分布、蒸散耗水量的不同是造成含水量差異性的原因。植被建設(shè)應(yīng)遵循土壤水分分布規(guī)律,研究結(jié)果對黃土高原植被恢復(fù)建設(shè)具有一定參考價(jià)值。

黃土高原；土壤水分；植被類型；空間變化

土壤水是指地表面以下至地下水面(潛水面)以上非飽和帶中的土壤水分[1]。在黃土高原,由于地下水水位較深,不參與SPAC(土壤-植物-大氣連續(xù)體)的水分循環(huán),土壤水成為植物生長的重要水源之一(生長期降水和土壤水),對緩解氣候干旱有重要作用,區(qū)內(nèi)夏田作物總耗水的1/4—1/3由土壤底墑供給[2]。黃土高原處在半干旱半濕潤地帶,降水有限且分布極為不均,土壤水分虧缺已成為黃土高原植物生長發(fā)育的主要限制因子[3]。因此,了解土壤水分在黃土高原的空間變化對于人工植被的選種和布局有非常大的指導(dǎo)意義[4-6]。

關(guān)于黃土高原土壤水分的空間分布問題,許多學(xué)者分別從小區(qū)[7- 8]、坡面[9- 11]、流域[12- 15]、區(qū)域[6,16- 18]等多種尺度進(jìn)行了全面而深入的研究。其中在區(qū)域尺度,李玉山等[16]研究了黃土高原土壤水分性質(zhì)并進(jìn)行了分區(qū)；穆興民[17]研究了黃土區(qū)旱地水資源,并提出了土壤水資源的地帶性與非地帶性的概念；胡良軍等[6]探討了黃土高原土壤水分空間分異及其與林草布局的關(guān)系；王云強(qiáng)[18- 21]和陳洪松[5,22]等研究了黃土高原的水分狀況,對黃土高原的干層分布及其成因做了詳細(xì)的研究。但針對黃土高原降水梯度變化揭示不同土地利用類型土壤含水量地帶性分布規(guī)律及其影響因素的研究還較少,從降水、土壤質(zhì)地、潛在蒸散等因素綜合分析黃土高原不同土地利用類型土壤含水量地帶性的研究還有待深入[21,23- 24]。

本文通過測定黃土高原南北向4種土地利用類型(農(nóng)田、草地、灌木林地和喬木林地)116個(gè)樣地0—500 cm土壤剖面含水量,系統(tǒng)分析不同土地利用類型土壤含水量的地帶性規(guī)律,并比較降水、潛在蒸散、土壤質(zhì)地等因素在決定土壤水分地帶性分布中的相對重要性。研究結(jié)果可為黃土高原植樹造林提供參考,為區(qū)域植被恢復(fù)和土壤水資源的合理利用提供指導(dǎo)。

1 研究材料和方法

在黃土高原,降雨量、潛在蒸散量、土壤質(zhì)地和植被類型是影響土壤含水量的重要因素[14,16,25]。由于受大陸季風(fēng)氣候的影響,降雨量由東南向西北遞減,有明顯的地帶變化[25- 26]；潛在蒸散量與降水量相反,從東南向西北遞增[27- 28]；由于黃土沉積原因,土壤質(zhì)地也有明顯地帶性,由北而南依次分布有沙壤土、輕壤土、中壤土和重壤土[16,29]；植被覆蓋度由東南向西北降低,植被類型也隨之由森林向森林草原再向草原帶過渡[30]。綜合考慮上述4種因素在黃土高原的空間變化,本研究特選取黃土高原中部南北向樣帶(圖1),開展土壤水分調(diào)查。

1.1 試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)區(qū)選在黃土高原中部陜西省境內(nèi)南北向長武-安塞-神木一線,地理坐標(biāo)為北緯34°05′—40°75′、東經(jīng)107°14′—111°09′,研究區(qū)面積19.4萬km2,占黃土高原總面積的31%。試驗(yàn)區(qū)多年平均降雨量在250—650 mm之間,植被類型有森林、森林草原、典型草原和荒漠草原4種[4],土壤類型主要以黑壚土、黃綿土、栗鈣土為主[16,29]。

圖1 樣帶在黃土高原分布Fig.1 The study transect on the Loess Plateau

土壤水分調(diào)查于2014年7月2號自樣帶最北端內(nèi)蒙東勝開始,8月26日至樣帶最南端陜西富平結(jié)束, 期間通過實(shí)地考察,依據(jù)典型性和代表性原則,自北向南先后在19個(gè)市縣采樣,每個(gè)市縣選取樣地1—3組,包含農(nóng)田、草地、灌木林地和喬木林地4種土地利用類型各一處樣地為一組。其中內(nèi)蒙古伊金霍洛旗、達(dá)拉特旗和陜西的神木縣、橫山縣、延安市等面積較大的縣樣地一般為兩到三組,其它市縣為一組,兩組樣地之間緯度相差一般控制在0.3—0.5度。土地利用類型選取要求農(nóng)田以玉米地為主,耕作年限5a以上,草地為天然草地或要求棄耕5a以上農(nóng)地,喬灌林地林齡10a以上,都以坡地為主。每種土地類型樣地在坡上、坡中和坡下選取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測定,每個(gè)點(diǎn)間隔5—10 m,利用人工土鉆取樣方法獲取0—500 cm深度剖面土壤樣品(0—100 cm土壤剖面,間隔10 cm取樣； 100—500 cm土壤剖面,間隔20 cm取樣)用于測定土壤剖面含水量。同時(shí)在每個(gè)測定點(diǎn)收集0—250 cm土壤樣品,用于測定土壤顆粒分布,另外,在坡中水分取樣點(diǎn)3 m范圍內(nèi)用100 cm3環(huán)刀在0—50 cm深度采原裝土,用于測定土壤容重,每10 cm取樣,每層5個(gè)重復(fù)。在每個(gè)測定地點(diǎn)用手持GPS獲取經(jīng)緯度和海拔數(shù)據(jù),并詳細(xì)記錄土壤、植被、坡度、坡向等數(shù)據(jù)。

由于黃土高原降雨量較小且2014年陜西省雨季較遲,7月份內(nèi)采樣地點(diǎn)內(nèi)蒙鄂爾多斯市、陜北榆林市等無明顯降雨,8月份采樣至北緯35°—36°范圍內(nèi)時(shí)有少量降雨。為了順利到達(dá)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)采樣前5日內(nèi)無降雨。最終除長武縣、富縣等少量幾個(gè)樣點(diǎn)外,其他樣點(diǎn)受前期降雨影響較少。

本次共采樣116處,共收集土壤水分樣品數(shù)9960個(gè),土壤容重樣品2900個(gè)。

1.2 室內(nèi)測定和分析

土壤水分用隨行攜帶的烘箱于采樣當(dāng)天晚上采用“恒重烘干法”(105—108℃,10h) 測定；土壤容重通過“環(huán)刀法”測定；自然條件下風(fēng)干土樣過2 mm土壤干篩后用激光粒度儀測定土壤顆粒分布,用FAO分類標(biāo)準(zhǔn)獲取砂粒、粉粒和粘粒含量。

降雨量、溫度等氣象資料通過中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)獲得,并利用彭曼公式結(jié)合資料計(jì)算得到樣帶中各氣象站點(diǎn)多年平均潛在蒸散量。用Microsoft Excel 2010、SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土地利用類型0—500 cm土壤剖面平均含水量的空間變化

將測定的農(nóng)田、草地、灌木林地和喬木林地4種土地利用類型0—500 cm土壤剖面含水量進(jìn)行加權(quán)平均獲得剖面平均含水量,其結(jié)果隨緯度變化如圖2所示。由圖中可以看出,4種土地利用類型0—500 cm剖面土壤含水量整體上隨緯度升高而減小,尤其是北緯34°—38°之間,土壤含水量與緯度有明顯的線性相關(guān)關(guān)系,這主要是多年平均降水量、潛在蒸散量、土壤質(zhì)地等因素綜合作用的結(jié)果。降雨作為黃土高原自然條件下土壤水分補(bǔ)給的唯一來源是決定土壤含水量的主要因素,其分布決定著土壤含水量的趨勢是南高北低；土壤質(zhì)地對于土壤水分的入滲和存儲有重要影響,具體表現(xiàn)在高緯度地區(qū)多沙壤,容重大,儲水差,地表蒸發(fā)強(qiáng)烈,而低緯度地區(qū)粉粒、粘粒含量高,容重小,持水力強(qiáng),地表蒸發(fā)損失小。潛在蒸散量的大小主要影響植被耗水和地表蒸發(fā),高緯度地區(qū)潛在蒸發(fā)量較之低緯度地區(qū)偏高也是導(dǎo)致土壤含水量南高北低的重要原因(表1)。

對比分析圖2中4種土地利用類型土壤含水量,發(fā)現(xiàn)農(nóng)田最高,草地次之,這兩種土地類型土壤含水量都是在低緯度地區(qū)隨緯度升高而降低,但在高緯度地區(qū)卻隨緯度升高而略微升高,呈現(xiàn)出“V”型分布趨勢,分析表1及查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),黃土高原陜西境內(nèi)溝壑區(qū)土壤質(zhì)地粘,持水能力強(qiáng),同時(shí)降水量較高,而潛在蒸散量較北面低,因而土壤含水量高。而內(nèi)蒙地區(qū)多是灌溉農(nóng)業(yè),多分布在河網(wǎng)處,地下水位較高,導(dǎo)致農(nóng)田土壤含水量高于神木、綏德、米脂等地[31]；而草地也多為棄耕地,棄耕年份較短,且草地蒸散耗水少,所以也出現(xiàn)土壤含水量較高的情況。灌木和喬木的土壤含水量最低,低緯度地區(qū)分布趨勢與農(nóng)田、草地相似,但在高緯度地區(qū)卻隨緯度增加卻沒有明顯變化,都保持在較低含水量狀態(tài)。

表1 不同緯度典型樣點(diǎn)的測定內(nèi)容

圖2 黃土高原農(nóng)田、草地、灌木林地和喬木林地0—500 cm土壤剖面平均含水量隨緯度的變化Fig.2 The change of soil moisture with the latitude in farmland, grassland, shrub land and woodland on the Loess Plateau

2.2 不同土地利用類型土壤剖面穩(wěn)定含水量的地帶性

由于測定期間正好是黃土高原的雨季,地表土壤含水量受測定前期降水事件的影響較大。為了消除雨季短時(shí)降水對土壤含水量地帶性規(guī)律的影響,特意分析了土壤剖面穩(wěn)定含水量的地帶性。大量研究結(jié)果證實(shí)：地表0—70 cm是土壤含水量的速變層,70—120 cm是土壤含水量的活躍層,120—200 cm是土壤含水量的次活躍層,200 cm以下是土壤含水量相對穩(wěn)定層[17- 18]。圖3顯示黃土高原農(nóng)田、草地、灌木林地和喬木林地4種土地類型200—500 cm剖面土壤含水量隨緯度變化。由圖中可知,4種土地利用類型200—500 cm剖面土壤含水量隨緯度增加呈現(xiàn)出不同程度的減小趨勢,自南向北有明顯的地帶性分布規(guī)律；不同土地類型土壤含水量比較總體上是農(nóng)田最高,草地次之,灌木和喬木林地最低,其結(jié)果與傅伯杰[32]在延安市羊圈溝小流域的研究結(jié)果(農(nóng)地>草地>林地)相吻合,而張志強(qiáng)[33]和劉剛[34]等分別在綏德縣和吳起縣也取得了相同的研究結(jié)果,說明該結(jié)果不僅在小流域內(nèi)存在,在黃土高原大面積范圍內(nèi)也是適用的。但是也有局地差異,如部分地區(qū)出現(xiàn)草地土壤含水量較低等情況,這是因?yàn)辄S土高原部分草本植物如像苜蓿耗水量大,且根系非常發(fā)達(dá),可以吸收消耗深層土壤的水分,縮小了草地與灌木、喬木林地之間含水量的差距[18]。

圖3 黃土高原不同土地利用類型200—500 cm土壤含水量隨緯度的變化Fig.3 The change of soil moisture in 200—500 cm with latitude under different land use types on the Loess Plateau

2.3 不同土地利用類型土壤含水量的剖面分布與地帶性

圖4是黃土高原4種土地利用類型下土壤含水量剖面分布,自北向南依次是神木、安塞和長武,分別位于樣帶南北端和中間。由圖4可知,農(nóng)田的土壤含水量最高,在0—70 cm剖面范圍內(nèi)含水量逐漸增加,70—500 cm剖面則是穩(wěn)定趨勢,其中250 cm剖面深度左右有一定波動,但波動不大。草地土壤含水量僅次于農(nóng)田,在0—150 cm剖面范圍內(nèi)有增加的趨勢,之后趨于穩(wěn)定。灌木和喬木林地土壤含水量最低,其中在淺層范圍內(nèi),灌木和喬木土壤含水量相當(dāng),根據(jù)林地生長年限長短和植被種類不同而互有高低,但隨著土壤深度增加灌木林土壤含水量明顯高于喬木林。

造成農(nóng)田、草地、灌木和林地剖面水分差異的原因有很多,根據(jù)土壤水平衡原理,決定土壤水分含量的因素主要有降雨、植被截流、土壤蒸發(fā)、植被蒸騰、土壤水分滲漏等[5]。由于在同一地點(diǎn)條件下,降雨量、土壤蒸發(fā)量可認(rèn)為相同,而黃土高原由于氣候干旱,降雨補(bǔ)給非常有限,滲漏很難發(fā)生可以忽略不計(jì),因此,植被截流與蒸散則是造成其土壤水分差異的主要原因,具體歸結(jié)于：①不同植被類型的根系層分布不同,這就導(dǎo)致其根系所能吸收消耗的土壤水深度不同。據(jù)已有研究表明農(nóng)田、草地、灌木和林地的根系主要分布在0—100、0—300、0—400、0—600 cm深度,這與不同植被類型下土壤水分剖面分布特征相吻合[18]。②不同土地利用類型條件下耗水量不同,一般趨勢是：喬木>灌木>草地>農(nóng)田[35]。③不同植被類型下降雨截留量不同,一般條件下林地由于其冠層較大導(dǎo)致截留量高于草地和農(nóng)田[36]；④人為因素的干擾。如農(nóng)田土地翻耕破壞毛管水連續(xù)性,灌溉和施肥會增加土壤水分含量；草地進(jìn)行放牧減少了植被水分蒸騰等。

圖4 黃土高原不同土地利用類型土壤含水量的剖面分布Fig.4 Profile distribution of soil moisture content under different land use types on the Loess Plateau

2.4 土壤含水量地帶性分布影響因素分析

決定不同土地類型土壤水分水平差異性的因素有很多,如表1中列出的降雨、潛在蒸散量、土壤質(zhì)地等因素,其分布特征與土壤含水量的分布有很強(qiáng)的規(guī)律性。表2列出了多年平均降雨量、潛在蒸散量、土壤沙粒-粘粒-粉粒含量和緯度與4種不同植被類型200—500 cm剖面土壤含水量的皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù),結(jié)合圖3不同土地利用類型土壤含水量分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)：多年平均降雨量、緯度、砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量與4種植被類型不同深度下土壤含水量都是極顯著相關(guān)(P<0.01),其中緯度和砂粒含量是極顯著負(fù)相關(guān),其它是正相關(guān)；潛在蒸散量與土壤含水量相關(guān)性也較強(qiáng),與草地是極顯著負(fù)相關(guān),與其他植被類型也是顯著負(fù)相關(guān)；土地利用方面,草地與六種影響因子都有較強(qiáng)相關(guān)性,灌木、喬木林地次之,農(nóng)田最差。分析原因可能是大部分草地根系都較淺,不影響土壤200—500 cm的水分環(huán)境,而且草地對降雨截留和入滲、自身的潛在蒸散量和對土壤質(zhì)地影響都非常小,灌木和喬木對這些影響因子的改變相繼增強(qiáng),而人為活動對農(nóng)田深層土壤水也有影響,所以才出現(xiàn)草地與其它影響因子相關(guān)性強(qiáng),灌木、喬木林地次之,農(nóng)田最差的情況[34]。

通過表2對不同土地利用類型土壤含水量的影響因素分析,確定了降雨量、潛在蒸散量等因素為土壤含水量的影響因子。為了提高分析的準(zhǔn)確性,通過逐步回歸法進(jìn)行回歸分析,回歸分析結(jié)果見表3。回歸的標(biāo)準(zhǔn)化估計(jì)(SE)用于評價(jià)影響因素對土壤含水量的相對重要性。SE值越大說明因素對土壤含水量的影響越大。

表2 黃土高原不同土地利用類型土壤含水量與其影響因子的相關(guān)系數(shù)

**極顯著(P<0.01), *顯著(P<0.05)

表3 不同植被類型土壤含水量影響因素的多元線性回歸分析

*表示t檢驗(yàn)在P=95%水平顯著；SE為標(biāo)準(zhǔn)化估計(jì)

逐步回歸分析結(jié)果表明,4種土地利用類型的自變量都是相同的,說明降雨量和粘粒含量是影響黃土高原土壤水分地帶性空間分布的最重要的因素,其中降雨量的SE值明顯高于粘粒含量,說明降雨量對土壤含水量的影響更大。而潛在蒸散量這一影響因素卻沒有進(jìn)入回歸模型,分析其原因可能潛在蒸散量與降水量之間有顯著的負(fù)相關(guān)。分析前人研究結(jié)論主要有：李玉山[16]認(rèn)為土壤質(zhì)地是主要影響因素,提出了黃土高原土壤質(zhì)地的兩大特征,即顆粒的一致性和分布的地帶性；穆興民[17,25]最早明確提出了土壤水資源的地帶性與非地帶性的概念,并對黃土高原的降雨量進(jìn)行了地帶性分析。本文結(jié)果與前人研究相一致,而且比較了降雨量和土壤質(zhì)地以及其它因素的重要性,并明確了土壤質(zhì)地中最重要的影響因素是粘粒含量,合理利用降雨量、土壤質(zhì)地和土壤含水量在黃土高原的分布規(guī)律對于植被恢復(fù)和水資源的有效利用有非常大的指導(dǎo)意義。

但是本研究還有一些不足,主要表現(xiàn)在：①由于樣帶南北跨度大、采樣點(diǎn)選擇難、單點(diǎn)采樣耗時(shí)長等問題,整個(gè)采樣期太長,采樣期間降雨對表層一定深度內(nèi)的土壤含水量有影響,導(dǎo)致采樣點(diǎn)前期條件不一致,影響測試結(jié)果。在未來研究中,采樣時(shí)間應(yīng)盡量避開雨季；②植物類型選取問題,由于生長環(huán)境限制,同一種植物很難做到在整個(gè)樣帶內(nèi)都有分布,如喬木林遼東櫟只在樣帶南部延安地區(qū)分布,北部喬木林地則以白楊、油松為主。不同植物對土壤含水量的影響在本研究中不能區(qū)分；③坡向與植被類型的矛盾,如喬木林地多分布在陰坡,而草地多在陽坡,在樣點(diǎn)選擇時(shí)很難保證所有植被類型有相同的坡向,對結(jié)果有一定的影響[17]。這些問題在未來研究中應(yīng)盡量克服,同時(shí)需要在樣帶內(nèi)選取典型樣地進(jìn)行土壤水分的長期觀測。通過在生長季內(nèi)一定時(shí)間跨度上對土壤含水量和植被狀況等指標(biāo)的連續(xù)監(jiān)測,探討植被生長狀況、影響因素和土壤含水量之間的關(guān)系,對不同土地利用類型土壤含水量的地帶性特征與其影響因素作進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論

對黃土高原南北樣帶農(nóng)田、草地、灌木林地和喬木林地4種土地利用方式的0—500 cm剖面土壤含水量和0—50 cm剖面土壤容重進(jìn)行測定和分析,研究結(jié)果表明：

(1)黃土高原4種土地利用類型南北向0—500 cm剖面土壤平均含水量的分布皆具有明顯的空間變異性,在水平方向上自南向北遞減,具有明顯的南北向地帶性變化,這與該區(qū)多年平均降雨量、潛在蒸散量、土壤質(zhì)地等空間分布規(guī)律相一致。

(2)農(nóng)地、草地、灌木林地和喬木林地4種土地利用類型的土壤含水量在水平方向上和垂直方向上皆具有明顯差異性,結(jié)果是農(nóng)田>草地>灌木林地和喬木林地。以上結(jié)果主要?dú)w結(jié)于不同植被類型條件下根系分布和蒸散耗水量的不同所導(dǎo)致的長期水循環(huán)過程。

(3)通過相關(guān)分析確定多年平均降雨量、緯度、粘粒含量、砂粒含量、粉粒含量和潛在蒸散量皆與土壤含水量有明顯相關(guān)性,再通過逐步回歸分析確定了影響土壤含水量最重要的影響因素是多年平均降雨量和粘粒含量,其中多年平均降雨量為最主要影響因素。

[1] 雷志棟, 胡和平, 楊詩秀. 土壤水研究進(jìn)展與評述. 水科學(xué)進(jìn)展, 1999, 10(3): 311- 318.

[2] 李玉山. 黃土區(qū)土壤水分循環(huán)特征及其對陸地水分循環(huán)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 1983, 3(2): 91- 101.

[3] 林紓, 王毅榮. 中國黃土高原地區(qū)降水時(shí)空演變. 中國沙漠, 2007, 27(3): 502- 508.

[4] 楊文治. 黃土高原土壤水資源與植樹造林. 自然資源學(xué)報(bào), 2001, 16(5): 433- 538.

[5] 陳洪松, 邵明安, 王克林. 黃土區(qū)深層土壤干燥化與土壤水分循環(huán)特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 25(10): 2491- 2498.

[6] 胡良軍, 邵明安, 楊文治. 黃土高原土壤水分的空間分異及其與林草布局的關(guān)系. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2004, 13(6): 14- 20.

[7] Liu B X, Shao M A. Estimation of soil water storage using temporal stability in four land uses over 10 years on the Loess Plateau, China. Journal of Hydrology, 2014, 517: 974- 984.

[8] Jia Y H, Shao M A, Jia X X. Spatial pattern of soil moisture and its temporal stability within profiles on a loessial slope in northwestern China. Journal of Hydrology, 2013, 495: 150- 161.

[9] 胡偉, 邵明安, 王全九. 黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異的尺度性研究. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2005, 21(8): 11- 16.

[10] 王云強(qiáng), 張興昌, 從偉, 魏清才. 黃土區(qū)不同土地利用方式坡面土壤含水率的空間變異性研究. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006, 22(12): 65- 71.

[11] 姚雪玲, 傅伯杰, 呂一河. 黃土丘陵溝壑區(qū)坡面尺度土壤水分空間變異及影響因子. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(16): 4961- 5968.

[12] 王軍, 傅伯杰, 邱揚(yáng), 陳利頂. 黃土丘陵小流域土壤水分的時(shí)空變異特征——半變異函數(shù). 地理學(xué)報(bào), 2000, 55(4): 428- 538.

[13] 肖慶禮, 黃明斌, 邵明安, 任利東. 黑河中游綠洲不同質(zhì)地土壤水分的入滲與再分布. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014, 30(2): 124- 131.

[14] Gao X D, Wu P T, Zhao X N, Wang J W, Shi Y G, Zhang B Q, Tian L, Li H B. Estimation of spatial soil moisture averages in a large gully of the Loess Plateau of China through statistical and modeling solutions. Journal of Hydrology, 2013, 486: 466- 578.

[15] Wang B, Wen F X, Wu J T, Wang X J, Hu Y N. Vertical Profiles of Soil Water Content as Influenced by Environmental Factors in a Small Catchment on the Hilly-Gully Loess Plateau. PloS One, 2014, 9(10): e109546.

[16] 李玉山, 韓仕峰, 汪正華. 黃土高原土壤水分性質(zhì)及其分區(qū). 中國科學(xué)院西北水土保持研究所集刊, 1985, (2): 1- 17.

[17] 穆興民. 試論黃土區(qū)旱地土壤水資源的地帶性與非地帶性. 土壤學(xué)報(bào), 1999, 36(2): 237- 244.

[18] 王云強(qiáng), 邵明安, 劉志鵬. 黃土高原區(qū)域尺度土壤水分空間變異性. 水科學(xué)進(jìn)展, 2012, 23(3): 310- 316.

[19] Wang Y Q, Shao M A, Liu Z P, Warrington D N. Regional spatial pattern of deep soil water content and its influencing factors. Hydrological Sciences Journal, 2012, 57(2): 265- 281.

[20] Wang Y Q, Shao M A, Liu Z P, Warrington D N. Investigation of Factors Controlling the Regional-Scale Distribution of Dried Soil Layers Under Forestland on the Loess Plateau, China. Surveys in Geophysics, 2011, 33(2):311- 330.

[21] Wang Y Q, Hu W, Zhu Y J, Shao M A, Xiao S, Zhang C C. Vertical distribution and temporal stability of soil water in 21-m profiles under different land uses on the Loess Plateau in China. Journal of Hydrology, 2015, 527: 543- 554.

[22] Chen H S, Shao M A, Li Y Y. Soil desiccation in the Loess Plateau of China. Geoderma, 2008, 143(1/2): 91- 100.

[23] 張文文, 郭忠升, 寧婷, 白冬妹. 黃土丘陵半干旱區(qū)檸條林密度對土壤水分和檸條生長的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(3): 725- 732.

[24] 曾辰, 邵明安. 黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶檸條幼林地土壤水分動態(tài)變化. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2006, 24(6): 155- 158.

[25] 穆興民, 徐學(xué)選, 陳國良. 黃土高原降雨量的地理地帶性研究. 水土保持通報(bào), 1992, 12(4): 27- 32.

[26] 王麒翔, 范曉輝, 王孟本. 近50年黃土高原地區(qū)降水時(shí)空變化特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(19): 5512- 5523.

[27] 王幼奇, 樊軍, 邵明安, 白一茹. 黃土高原地區(qū)近50年參考作物蒸散量變化特征. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(9): 6- 10.

[28] 史建國, 嚴(yán)昌榮, 何文清, 劉克禮, 劉勤. 黃河流域潛在蒸散量時(shí)空格局變化分析. 干旱區(qū)研究, 2007, 24(6): 773- 778.

[29] 黃土高原綜合治理方案組. 黃土高原綜合治理分區(qū). 中國科學(xué)院西北水土保持研究所集刊, 1985, (1): 2- 66.

[30] 李杏鮮, 連晉姣, 黃明斌. 黃土高原中部降水梯度帶植被覆蓋度動態(tài)變化特征. 水土保持通報(bào), 2014, 34(2): 272- 275.

[31] 鄭玉峰, 王占義, 方彪, 何晨, 李路建, 李春筱. 鄂爾多斯市2005- 2014年地下水位變化. 中國沙漠, 2015, 35(4): 1036- 1040

[32] 傅伯杰, 王軍, 馬克明. 黃土丘陵區(qū)土地利用對土壤水分的影響. 中國科學(xué)基金, 1999, (4): 225- 227.

[33] 王志強(qiáng), 劉寶元, 張巖. 不同植被類型對厚層黃土剖面水分含量的影響. 地理學(xué)報(bào), 2008, 63(7): 703- 713

[34] 劉剛, 王志強(qiáng), 王曉嵐. 吳旗縣不同植被類型土壤干層特征分析. 水土保持研究, 2004, 11(1): 126- 129.

[35] 王彥輝, 熊偉, 于澎濤, 沈振西, 郭明春, 管偉, 馬長明, 葉兵, 郭浩. 干旱缺水地區(qū)森林植被蒸散耗水研究. 中國水土保持科學(xué), 2006, 4(4): 19- 25.

[36] 王愛娟, 章文波. 林冠截留降雨研究綜述. 水土保持研究, 2009, 16(4): 55- 59.

Zonal pattern of soil moisture and its influencing factors under different land use types on the Loess Plateau

SUO Lizhu1, HUANG Mingbin1,*, DUAN Liangxia1,2, ZHANG Yongkun1,3

1StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Soil moisture is a key factor for plant growth and eco-environment restoration on the Loess Plateau, China. The Loess Plateau is has an arid and semi-arid climate, complicated landforms, and a unique loess-deposition soil environment. The understanding of zonal pattern in soil moisture under different land use types is fundamental for environmental mnagement for the selection and plantation of non-native vegetation types. In the present study, a transect with an area of 194000 km2was selected at the center of the Loess Plateau with a north-south direction to investigate the effects of the changes in rainfall, potential evaporation, soil texture, and vegetation types on soil moisture. This transect included all vegetation, soil, and climatic types of the Loess Plateau. Soil moisture profiles of 0—500 cm under farmland, grassland, shrub land and woodland were measured using the sampling method in 29 counties from the southern to northern Loess Plateau from July to August 2014. Soil texture, vegetation, slope, slope direction, elevation, latitudes, and longitudes were also measured. The results showed that: 1) soil moisture under four land use types decreased gradually from the southern to the northern Loess Plateau with increasing latitude. This corresponded to the distribution of the mean annual precipitation, potential evapotranspiration, and soil clay texture across the Loess Plateau; 2) soil moisture was significantly different under different land use types through the comparison of soil moisture in horizontal and vertical directions. The general trend for the soil moisture was: farmland>grassland>shrub land>woodland. The differences in root distribution and evapotranspiration under different land use types resulted in the above trend; 3) six factors, including mean annual precipitation, latitude, clay content, sand content, silt content, and potential evaporation, were identified as the main factors affecting the soil moisture content determined by correlation analysis. The mean annual precipitation and clay content were identified as the most important factors influencing soil moisture using stepwise regression analysis. Compared with the clay content, the mean annual precipitation was the main factor determining the spatial variation in soil moisture under different land use types. This information is useful for environmental managers to ensure ecological restoration on the Loess Plateau.

the Loess Plateau; soil moisture; land use type; spatial variation

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(41390463)

2015- 11- 10;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201511102273

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hmbd@nwsuaf.edu.cn

索立柱,黃明斌, 段良霞,張永坤.黃土高原不同土地利用類型土壤含水量的地帶性與影響因素.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(6):2045- 2053.

Suo L Z, Huang M B, Duan L X, Zhang Y K.Zonal pattern of soil moisture and its influencing factors under different land use types on the Loess Plateau.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):2045- 2053.