林 莎,賀康寧,*,王 莉,李遠航,陳 琪,王瓊琳,黃生紅

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持國家林業(yè)局重點實驗室；北京市水土保持工程技術(shù)研究中心；林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,北京 100083 2 青海省大通縣實驗林場,青海 810100

黃土高寒區(qū)地處干旱半干旱氣候區(qū),降水量少且分配不均,生態(tài)環(huán)境十分脆弱。退耕還林還草工程的實施,使該區(qū)域的水土流失得到了極大改善,但不考慮土壤水分條件,盲目進行人工植被建設(shè)可能會導(dǎo)致土壤干層,生態(tài)環(huán)境惡化[1]。土壤水分作為該區(qū)域限制植被生長的關(guān)鍵因子、流域水量平衡和區(qū)域水文循環(huán)的重要因素[2- 3],具有重大的研究價值。近年來,有諸多關(guān)于該區(qū)域林地土壤水分特征、土壤水分分布及林地土壤水分利用等方面的研究,例如：汪星等[4]研究了山地密植棗林0—1000cm土層范圍的土壤水分特征變化規(guī)律；賈小旭等[5]研究了黃土高原區(qū)域尺度土壤水分的時空分異特征及其影響因素；常恩浩等[6]研究了黃土區(qū)5種典型退耕植被群落的根系分布及其水分利用特征；董爽等[7]研究了黃土區(qū)流域分水線深層土壤水分時空動態(tài)及干層分布特征；李藍君等[8]研究了黃土溝壑區(qū)小流域刺槐、側(cè)柏、油松三種典型造林樹種蒸散發(fā)對氣候變化的響應(yīng)。但這些研究大多采用經(jīng)典統(tǒng)計方法來描述相關(guān)因子的變化,并不能反映這些因子在整個研究尺度空間上如何具體變化,而這恰好是地統(tǒng)計學(xué)方法的優(yōu)勢之處,并且地統(tǒng)計學(xué)已經(jīng)被證明是分析土壤特性空間分布特征及其變異規(guī)律的最為有效的方法之一[9]。

本研究選擇位于黃土高寒區(qū)的大通縣安門灘小流域典型人工林地作為研究對象,分別對5月、7月和9月的林地土壤水分和耗水量進行定位觀測,并采用地統(tǒng)計學(xué)方法,研究小流域內(nèi)典型人工林分的土壤水分、林地耗水及土壤水分盈虧量的時空分布特征,旨在分析驗證該區(qū)域典型林分土壤水分狀況是否與林地耗水分布格局相匹配,能否維持水分收支平衡,從而為該區(qū)域的生態(tài)建設(shè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)內(nèi)共有喬灌木樹種119種、隸屬25科48屬,其中裸子植物門有3科6屬10種。喬木樹種主要有青海云杉(Piceacrassifolia)、祁連圓柏(JuniperusprzewalskiiKom.)、青楊(Populuscathayana)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)等。其中安門灘小流域的主要林分有18a生的青海云杉、祁連圓柏、油松(PinustabuliformisCarrière)、檸條(Caraganaintermedia)、白樺(Betulaplatyphylla),20a生的華北落葉松和30a生的青楊等。林下草本主要有早熟禾(PoaannuaL.)、鼠掌老鸛草(GeraniumsibiricumL.)、白蓮蒿(ArtemisiasacrorumLedeb)、披堿草(ElymusdahuricusTurcz.)、刺兒菜(Cirsiumsetosum(Willd.) MB.)、風(fēng)毛菊(Saussureajaponica(Thunb.) DC.)、乳白香青(AnaphalislacteaMaxim.)、飛廉(CarduusnutansLinn)和狗娃花(Heteropappushispidus(Thunb.) Less.)等。

2 研究方法

2.1 觀測方法

2.1.1樣點布設(shè)

圖1 研究區(qū)航片圖Fig.1 Aerial photograph of the study area

通過無人機航拍,獲取精度為5m的DEM影像圖(圖1),結(jié)合野外實地勘測結(jié)果,繪制植被類型圖。并采用隨機布設(shè)的方法共布設(shè)樣點87個,樣點和植被的具體分布情況見圖2。

圖2 研究區(qū)樣點及植被分布圖Fig.2 Distribution of vegetation and samples in the study area

2.1.2土壤水分測定與儲水量、盈虧量計算

2017年8月,用與CPN- 503探頭式中子土壤水分儀相配套的鉆機在各樣點較平坦處,垂直地面打一直徑略小50毫米、深度略大于100cm的鉆孔,在鉆孔中插入外徑為50毫米、內(nèi)徑為46毫米底部密封的1.1m長PVC管,使其露出地面5—7cm,并用塑料布將上口封住。采用中子土壤水分儀測定土壤體積含水量,測定深度為100cm,每20cm測定一次。監(jiān)測時間為分別2018年5月、7月和9月的月初、月中和月末。測定前需在各樣點對中子儀進行標(biāo)定,標(biāo)定時,0—20cm表層土壤,用TDR測量中子管附近5cm范圍內(nèi)的表層土壤含水量,20—100cm土層,用土鉆取樣后采用烘干法測定土壤體積含水量,從而獲得標(biāo)定方程。

土壤儲水量按公式(1)計算。

Wi=10×θv×hi

(1)

式中,Wi為第i層土壤儲水量(mm)；θv為第i層土壤體積含水量；hi為第i層土壤的厚度,此處為20cm。各月份的土壤儲水量取每月三次測定的平均值。

階段土壤水分盈虧量按公式(2)計算。

ΔW=(Wb-Wa)

(2)

式中,ΔW為階段土壤水分盈虧量(mm),若取值為正,說明該階段內(nèi)土壤水分有所盈余,若取值為負,說明該階段內(nèi)土壤水分有所虧損；Wa、Wb分別為階段初、末1m土層內(nèi)的土壤儲水量(mm)。

2.1.3林地耗水量測定與計算

在研究區(qū)典型區(qū)域設(shè)置若干Davis Vantage Pro2自動氣象站測定同期降雨量與氣溫,并在各樣點林內(nèi)沿等高線布設(shè)100cm×20cm×25cm雨量槽測定穿透雨、林外四周布設(shè)雨量筒測定林外降雨,二者之差即林冠截留量。研究區(qū)生長季內(nèi)降雨量與氣溫特征見圖3。

圖3 研究區(qū)生長季內(nèi)降雨量與氣溫特征Fig.3 Characteristics of rainfall and temperature during the growing season of the study area

2.1.4林地耗水量測定與計算

在各樣點內(nèi)采用瞬時剖面法[10],使用日產(chǎn)DIK 3130式張力計,每隔10cm分層定時觀測土壤土水勢,結(jié)合體積含水量,確定相應(yīng)范圍內(nèi)的水分特征關(guān)系曲線與非飽和土壤導(dǎo)水率[11]。應(yīng)用定位通量法[12],可計算出各樣點地下部分的耗水量,其數(shù)值與實測林冠截留之和,為林地耗水量。在本研究點完成的相關(guān)林分調(diào)查表明,試驗林分的根系分布范圍主要集中在0—1m的土層中,因此可將定位點Zr設(shè)定在根際層以下處,本文中Zr取90cm,ΔZ=20cm。

2.2 分析方法

地統(tǒng)計學(xué)也被稱為地質(zhì)統(tǒng)計學(xué),是以結(jié)構(gòu)分析與變異函數(shù)理論為基礎(chǔ),是在有限的區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估計的一種方法[12]。半變異函數(shù)也叫半方差函數(shù),是地統(tǒng)計分析中的特有函數(shù),區(qū)域化變量Z(x)在點x和x+h處的值Z(x)與Z(x+h)差的方差的一半叫做區(qū)域化變量Z(x)的半變異函數(shù)[13-14],記為γ(h)。根據(jù)定義有：

(3)

式中：γ(h)為h的半方差函數(shù)值；h為兩樣本點的空間距離(m)；N(h)為間隔距離等于h的樣本點的對數(shù)目；Z(xi)為空間位置點xi處樣本的實測值；Z(xi+h)為空間位置點xi+h處樣本的實測值。

本研究使用IBM Statistics SPSS 20.0 統(tǒng)計軟件分別對各樣點的土壤儲水量、林地耗水量和土壤水分盈虧量

進行描述性統(tǒng)計分析,用K-S檢驗法(Kolmogorov-Smirnov test)進行正態(tài)分布檢驗,顯著性水平設(shè)定為α=0.05。利用GS+9.0軟件和ESRI ArcGIS10.2軟件進行半方差函數(shù)擬合、Kriging插值和空間分布圖繪制等地統(tǒng)計學(xué)分析。根據(jù)已有等高線矢量數(shù)據(jù),使用ESRI ArcGIS10.2軟件繪制出研究區(qū)的坡向圖和坡度圖,詳見圖4。

圖4 研究區(qū)地形圖Fig.4 Topographic diagram of the study area

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤儲水量、林地耗水量和土壤水分盈虧量的統(tǒng)計特征和變異結(jié)構(gòu)分析

土壤儲水量、林地耗水量和土壤水分盈虧量的統(tǒng)計特征值列于表1。由土壤儲水量和林地耗水量的取值范圍與均值可以看出,土壤水分狀況總體表現(xiàn)為9月最優(yōu),其次為5月,7月最差,9月的土壤儲水量較7月增加了27%左右,這與趙榮瑋[15]、孔凌霄等[16]的研究結(jié)果相同,與圖3所呈現(xiàn)出的研究區(qū)生長季內(nèi)降雨量與氣溫的變化情況是相呼應(yīng)的。而林地耗水量則呈現(xiàn)出7月最大,其次是9月,5月最小的特點,7月的林地耗水量為5月的3倍左右。研究期間,植被類型和組成并未發(fā)現(xiàn)明顯變化,因而林地耗水變化主要是由于5月氣溫較低,林木草本剛開始萌動,7月氣溫上升,植被生長繁盛,土壤蒸發(fā)劇烈且植被耗水增加,9月氣溫降低,植被長勢減弱,土壤蒸發(fā)與植被耗水都減弱。由土壤水分盈虧量的取值范圍和均值可以看出,5—7月絕大多數(shù)林地的土壤水分呈虧損狀態(tài),而7—9月所有林地的土壤水分都獲得了一定程度的補充,總體來看,5—9月研究區(qū)多數(shù)林地的土壤水分有所盈余,部分林地的土壤水分有所虧缺,這與張進虎[17]的研究結(jié)果一致。從變異系數(shù)來看,土壤水分盈虧量變異最大,土壤儲水量次之,兩者屬于中等變異(10%≤CV%≤100%),林地耗水量變異最小。表1中顯示,土壤儲水量、林地耗水量和土壤水分盈虧量經(jīng)K-S檢驗的P值均大于0.05,即均服從正態(tài)分布,因此都不必進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,可直接進行地統(tǒng)計學(xué)分析。

經(jīng)比對不同半變異函數(shù)模型產(chǎn)生的參數(shù),土壤儲水量、林地耗水量和土壤水分盈虧量的最優(yōu)理論變異函數(shù)模型均采用指數(shù)模型(表1)。Co表示塊金值,Co+C為基臺值,Co/(Co+C)可反映區(qū)域化變量的空間自相關(guān)性大小。對于土壤儲水量、林地耗水量和土壤水分盈虧量,25%≤Co/(Co+C)≤75%,表明三者均具有中等強度的空間自相關(guān)性。表2為土壤儲水量、林地耗水量和土壤水分盈虧量的交叉驗證結(jié)果,插值精度主要由預(yù)測平均誤差ME、標(biāo)準平均誤差MSE和標(biāo)準均方根誤差RMSSE三個指標(biāo)作為評價標(biāo)準,ME和MSE越接近于0,RMSSE越接近于1表明插值精度越高。由表2可知,三者預(yù)測結(jié)果的ME和MSE均接近于0,RMSSE均接近于1,插值結(jié)果的精度可以接受。此外,ME和MSE若為正值說明插值結(jié)果較實際值偏高,若為負值說明插值結(jié)果較實際值偏低?？梢?各月土壤儲水量和5—9月期間土壤水分盈虧量的插值結(jié)果較實際值偏低,而各月林地耗水量和5—7月、7—9月期間土壤水分盈虧量的插值結(jié)果較實際值偏高。

表1 土壤儲水量、盈虧量和林地耗水量的統(tǒng)計特征和空間變異結(jié)構(gòu)

C表示指數(shù)模型的結(jié)構(gòu)方差,Co表示塊金方差;樣點數(shù)為87個; 為便于表格統(tǒng)計,本表中各要素極小值、極大值和均值的單位統(tǒng)一為mm;*表示經(jīng)K-S檢驗，數(shù)據(jù)成正態(tài)分布

表2 土壤儲水量、盈虧量和林地耗水量的預(yù)測結(jié)果交叉驗證

3.2 土壤儲水量、林地耗水量和土壤水分盈虧量的空間插值分析

3.2.1土壤儲水量的空間分布格局

林地土壤儲水量是指在自然狀況下,林地某一特定土壤層次土壤的含水量,包括重力水、毛管水和吸著水。土壤中水分含量狀況極大地影響土壤物理性質(zhì),并對整個生態(tài)系統(tǒng)的水熱問題起決定作用[18],而流域內(nèi)的氣象、植被和地形等因素均會顯著影響林地土壤儲水量。由于研究區(qū)面積較小,小流域內(nèi)林地的降雨、溫度等氣象因子基本一致,植被和地形因素起主導(dǎo)作用。研究區(qū)5月、7月和9月的土壤儲水量分布情況如圖5所示?？梢钥闯?土壤儲水量的空間分布呈條帶狀和斑塊狀格局,且不同月份土壤儲水量的空間分布格局存在較強的相似性。各月土壤儲水量總體上呈南高北低、西高東低的空間分異規(guī)律,且在西南-東北方向變異較東南-西北方向劇烈。結(jié)合研究區(qū)等高線圖可知,試驗地土壤儲水量的空間分異規(guī)律與其海拔高度相一致,海拔越高,土壤儲水量越高,這與王甜[19]、段良霞等[20]的研究結(jié)果相同。這可能是由于研究區(qū)為階級狀梯形分布,坡度較緩,天然降水很難順坡流下,且相對下坡位,上坡位的林分較為矮小、稀疏,土壤水分消耗較少。土壤儲水量在西南-東北方向變異較東南-西北方向劇烈,這很可能是東南-西北方向的地形為“山脊-鞍部-山脊”,呈“U”型,而西南-東北方向為“山脊-山腳”,海拔變化區(qū)間較大所導(dǎo)致的。土壤儲水量總體表現(xiàn)為西北部區(qū)域低于東南部區(qū)域,結(jié)合圖4可知,西北部為陽坡,東南部為陰坡,即陽坡的土壤儲水量總體低于陰坡,這與孔凌霄[16]、史志華等[21]的研究結(jié)果一致。

此外,5月、7月和9月土壤儲水量均在西南部和中部區(qū)域出現(xiàn)了高含量區(qū),土壤儲水量分別達到224.82—253.39mm、208.94—240.35mm和248.54—307.08mm；東北部邊緣區(qū)域出現(xiàn)了低含量區(qū),土壤儲水量分別達到164.55—184.75mm、135.36—169.26mm和166.25—212.09mm。結(jié)合植被分布情況可知,研究區(qū)西南部區(qū)域栽植的主要為山杏、白樺和青海云杉,中部區(qū)域主要為華北落葉松,東北部邊緣區(qū)域主要為青楊。5月白樺、山杏林地土壤儲水量最高,其次是青海云杉、油松和華北落葉松林地,斑葉稠李、祁連圓柏、檸條林地土壤儲水量較低；7月山杏、青海云杉林地土壤儲水量最高,其次是白樺和油松林地,斑葉稠李、檸條、祁連圓柏和華北落葉松林地土壤儲水量較低；9月白樺林地土壤儲水量最高,其次是青海云杉、山杏和油松林地。各月均呈現(xiàn)出青楊林地土壤儲水量最低的特點。

圖5 5月、7月和9月儲水量分布圖Fig.5 Water storage distribution for May, July and September

3.2.2林地耗水量的空間分布格局

由圖6可以看出,5月與9月林地耗水量的空間分布較為相似,均呈明顯的條帶狀格局,而7月林地耗水量分布呈明顯的斑塊狀格局,這是7月林地耗水量的空間變異性較強所導(dǎo)致的。與土壤儲水量的分布格局相同,各月林地耗水量在西南-東北方向變異較東南-西北方向劇烈,總體表現(xiàn)為西南部區(qū)域低于東北部區(qū)域。這是因為西南部區(qū)域所栽植的山杏和祁連圓柏生長較為矮小,加之樹種自身性質(zhì),耗水量相對較??；而東北部邊緣區(qū)域種植的青楊和中部區(qū)域種植的華北落葉松,均生長高大茂盛,耗水量相對較大。

5月、7月和9月林地耗水量均在東北部邊緣和中部區(qū)域出現(xiàn)了高耗水區(qū),耗水量分別達到38.91—45.58mm、107.99—122.25mm和43.43—53.08mm；在西南部邊緣區(qū)域均出現(xiàn)了低耗水區(qū),耗水量分別達到29.59—33.49mm、86.61—96.53mm和30.80—36.24mm。結(jié)合植被分布情況可知,5月林地耗水量最高的是青楊和華北落葉松,其次是斑葉稠李、青海云杉、白樺和油松,祁連圓柏、檸條和山杏最低；7月林地耗水量最高的是青楊和斑葉稠李,其次是白樺、華北落葉松、青海云杉、檸條和油松,祁連圓柏和山杏最低；9月林地耗水量最高的是青楊和斑葉稠李,其次是華北落葉松、檸條、青海云杉、白樺和油松,山杏和祁連圓柏最低。其中,作為闊葉樹種的青楊和斑葉稠李,林地耗水量始終較大,而檸條由5月剛開始萌芽至長葉開花,耗水量逐漸變大。

圖6 5月、7月和9月耗水量分布圖Fig.6 Water consumption distribution for May, July and September

3.2.3土壤水分盈虧量的空間分布格局

土壤水分盈虧量主要是降水量與同期蒸散量的差值,它的取值及分布規(guī)律決定于降水量和影響植物蒸散量的太陽輻射、氣溫、濕度和風(fēng)速等氣象要素[22]。研究區(qū)5—7月、7—9月和5—9月的土壤水分盈虧量分布情況如圖7所示,不難看出,這三個時期內(nèi)的土壤水分盈虧量在空間上均呈條帶狀和斑塊狀分布格局,三者間存在一定的相似性卻又有所區(qū)別。相似性為：在5—7月、7—9月和5—9月這三個時期內(nèi),土壤水分盈虧量的取值均呈現(xiàn)出東北部區(qū)域小于西南部區(qū)域的特點,在降雨量基本相同的情況下,這是東北部區(qū)域的林地耗水量大于西南部區(qū)域造成的。不同之處在于：5—7月研究區(qū)土壤水分盈虧量除東南部邊緣小部分區(qū)域外,總體取負值,說明5—7月期間研究區(qū)土壤水分總體為虧損狀態(tài)。土壤水分盈虧量表現(xiàn)出的趨勢為南高北低,且在東南部邊緣區(qū)域出現(xiàn)高值,在東北部邊緣和中部區(qū)域出現(xiàn)低值。該期間華北落葉松和白樺林地的土壤水分虧損最為嚴重,其次是青楊、山杏、檸條、祁連圓柏、油松和青海云杉林地,斑葉稠李林地的土壤水分虧損最少。7—9月研究區(qū)土壤水分盈虧量都取正值,說明7—9月期間研究區(qū)土壤水分總體為盈余狀態(tài)。土壤水分盈虧量表現(xiàn)為西南部區(qū)域高于東北部區(qū)域,且在西北部邊緣和南部邊緣區(qū)域出現(xiàn)高值,在東北部邊緣和中部區(qū)域出現(xiàn)低值。該期間土壤水分盈余量最多的是白樺和檸條林地,其次是斑葉稠李、油松、祁連圓柏、青海云杉和山杏林地,青楊和華北落葉松林地最少。5—9月研究區(qū)土壤水分盈虧量除東北部邊緣和中部小部分區(qū)域外,總體取正值,說明5—9月期間研究區(qū)除東北部邊緣和中部小部分區(qū)域林地的土壤水分有所虧缺外,大部分林地的土壤水分有所補充。土壤水分盈虧量表現(xiàn)為西南部區(qū)域高于東北部區(qū)域,且在西北部邊緣和東南部邊緣區(qū)域出現(xiàn)高值,在東北部邊緣和中部區(qū)域出現(xiàn)低值。在整個生長季期間,土壤水分盈余量最多的是斑葉稠李和檸條林地,其次是油松、青海云杉、祁連圓柏、白樺和山杏林地,青楊和華北落葉松最少,且東北部邊緣處的青楊林地和中部區(qū)域的華北落葉松林地出現(xiàn)了土壤水分虧損現(xiàn)象。

在生長季期間,斑葉稠李、檸條、油松、青海云杉、祁連圓柏、白樺和山杏等林地均能維持水分收支平衡,只有東北部邊緣處的青楊林地和中部區(qū)域的華北落葉松林地出現(xiàn)了土壤水分虧損現(xiàn)象。其中,青楊林地在5月、7月和9月的耗水量均為最高,天然降雨補充量小于林地蒸散量,故而青楊林地在5—7月的土壤水分虧損量較多,在7—9月土壤水分盈余量最少,在整個生長季期間,土壤水分有所虧損；而華北落葉松林地除5月外,在7月和9月的耗水量均不突出,但其在5—7月的土壤水分虧損最為嚴重,在7—9月的土壤水分盈余量最少,且在整個生長季期間,土壤水分有所虧損,這很可能是華北落葉松林地的部分土壤水分向深層土壤發(fā)生了滲漏而導(dǎo)致的。

圖7 階段內(nèi)土壤水分盈虧量分布圖Fig.7 Soil water surplus and loss distribution within the stage

4 結(jié)論

本研究運用地統(tǒng)計學(xué)方法對小流域典型林分土壤水分狀況與林地耗水特征進行綜合分析,結(jié)果表明：

(1)土壤水分狀況總體表現(xiàn)為9月最優(yōu),其次為5月,7月最差,而林地耗水量表現(xiàn)為7月最大,其次是9月,5月最小,5—7月絕大多數(shù)林地的土壤水分呈虧損狀態(tài),而7—9月所有林地的土壤水分都獲得了一定程度的補充,總體來看,5—9月研究區(qū)多數(shù)林地的土壤水分有所盈余,部分林地的土壤水分有所虧缺。土壤儲水量、林地耗水量和土壤水分盈虧量均可采用指數(shù)模型作為最優(yōu)理論變異函數(shù)模型；

(2)5月、7月和9月土壤儲水量總體上呈南高北低、西高東低的空間分異規(guī)律,且西南-東北方向變異較東南-西北方向劇烈；各月林地耗水量在西南-東北方向變異較東南-西北方向劇烈,總體表現(xiàn)為西南部區(qū)域低于東北部區(qū)域；在5—7月、7—9月和5—9月這三個時期內(nèi),土壤水分盈虧量的取值均呈現(xiàn)出東北部區(qū)域小于西南部區(qū)域的特點。

可見,當(dāng)?shù)赝寥浪譅顩r與林地耗水量分布格局并不完全匹配,雖然絕大部分林分能夠維持土壤水分收支平衡,在生長季結(jié)束時有水分盈余,但部分山腳處的青楊林地和中部區(qū)域的華北落葉松林地出現(xiàn)了土壤水分虧損的現(xiàn)象。為防止流域內(nèi)水分環(huán)境惡化,在之后黃土高寒區(qū)的植被建設(shè)過程中,應(yīng)適當(dāng)調(diào)整林分配置,在土壤水分條件不允許的情況下,不宜繼續(xù)栽植青楊等耗水量過大的樹種,從而保證林分正常生長,實現(xiàn)水土保持措施可持續(xù)發(fā)展。