Comparison of deep soil moisture in two re-vegetation watersheds in semi-arid regions
半干旱区2个植被恢复流域深层土壤水分比较
降雨入渗深度以下的土壤水分是半干旱生态系统植物生长的可靠水资源。随着黄土高原大规模的生态恢复，识别人为植被恢复的生态水文响应已成为当前研究的重要课题。在本研究中，通过野外观测和地统计学方法获得了两个相邻植被恢复流域0-5 m深度的土壤水分数据。比较了不同土地利用类型、深度和流域土壤水分的剖面特征和空间格局。结果表明，与农田和天然草地相比，引种植被显著降低了深层土壤水分。不同植被类型间深层土壤水分差异不显著。对不同土地利用方式土壤水分差异的分析表明，土地利用方式对深层土壤水分空间变异有显著影响。土地利用类型决定了土壤水分状况及其空间变异。引入植物的植被恢复降低了流域尺度深层土壤水分的空间异质性。建议改善土地利用管理，以改善水管理和维持植被恢复的可持续性。
土壤水分是半干旱地区植物生长的主要限制因素之一。它还在许多陆地生态系统过程中发挥着重要作用。即使在小流域，土壤水分在空间和时间上也表现出极大的异质性。描述不同时空尺度下土壤水分变化的特征对于径流、土壤侵蚀、农业和生态恢复的理论和实践应用都具有重要意义。已有许多研究表明，流域尺度的土壤水分受许多环境因素的影响，如土地利用、植被、地形因素和土壤性质等。在这些因素中，土壤性质和地形在短期内可以认为是相对恒定的，而土地利用和气候是主导变量。事实上，土地利用会破坏地表水平衡和降水向蒸散、径流和地下水流的分配。土地利用方式控制着许多生态系统中的土壤水分分布模式。另一方面，不同深度的土壤水分对影响因素可能有不同的响应。深层土壤水分(低于年降雨入渗深度，通常低于1-2 m)是半干旱地区植物生长的可靠水资源，中国黄土高原的地下水几乎很少可供植物利用。由于这个原因，深层土壤水分已成为该地区的重要水源。由于1999年以来启动的“退耕还林”工程的大规模实施，引种植被已成为该地区减少严重水土流失的主要植被类型。然而，引入的植被通常比本地植物消耗更多的土壤水分，并且由于降雨量有限，无法获得足够的水分供其生长。这些植物被迫发展深层根系以利用深层土壤水分。最近的研究发现，该地区引入的植被影响了许多水文过程和生态系统服务，如降低深层土壤水分，改变深层土壤水分的空间格局，降低潜在的产水量。
黄土地区土地利用和表层土壤水分变化之间的相关性已被先前的研究所确定。近几十年来，人们认识到深层土壤水分在黄土高原生态系统中的作用，土地利用变化对深层土壤水分的影响成为近年来研究的热点。然而，土地利用类型与深层土壤水分之间的关系却鲜有研究。因此，迫切需要评估植被恢复对该地区深层土壤水分变异的影响。本研究的目的是：(1)比较不同土地利用方式下不同土层的土壤水分含量；(2)寻找土地利用类型与土壤水分变异的关系；(3)阐明土壤水分空间变异对人为植被恢复的响应。
李家湾和尖子岔(35°43′—35°44′N，104°28′—104°29′E)两个相邻的小流域位于黄土高原西部，面积分别为0.94 km2和0.30 km2。两条流域的海拔高度从1937米到2151米不等，景观高度破碎。它们属于典型的半干旱黄土丘陵区，年平均气温约为6.8°C，年平均降水量为386 mm。大部分降雨以雷暴的形式出现在7月至9月的夏季。潜在年蒸发量约为1649 mm。这些年平均值来自距离流域0.6 km的气象站提供的数据，代表45年平均值(1961-2006)。根据2008-2013年期间两个流域内或附近的五个空间分布的自动记录雨量计，降雨模式在两个流域内具有均匀的空间分布。研究区的土壤类型主要由低肥力的黄土组成，易受土壤侵蚀。土壤厚度从40米到60米不等。这种土壤的基本特性是结构松散、淤泥含量高(约81%)、土壤田间持水量(0.180-0.240 g/g)和低有机质含量(约0.2–2.9%).研究区的萎蔫点为0.054 g/g。主要土地利用类型为雨养农田、草地、灌丛、林地和天然草地。两个流域的土地利用类型如表1所示。引进的植被类型有紫花苜蓿、柠条等。在这个半干旱地区，水资源短缺威胁着经济发展、可持续人类生计和环境质量。
图1 研究区概况
表1 两个流域的土地利用类型
本研究选取了天然草地、农田(包括农田和废弃地)、植被恢复地(包括草地、灌丛和林地)。天然草地是该地区本地物种的优势群落。主要物种是需水量低的草本植物，包括元宝针茅、阿尔泰羊草等。天然草地的土壤湿度剖面被用作参考，以表明研究区域没有人为影响。这片农田采用马铃薯—玉米轮作制种植一年生作物。农作物在4月播种，9月底或10月初人工收割。因为所有的牧草、灌木和树木最初都种植在农田里。农田土壤水分可以作为植被恢复前土壤水分状况的参考值。自2002年以来，废弃的农田一直在休耕。植被恢复区由农田改造而成，开展了植被恢复。2002年退耕还林工程启动后，研究区开始种植紫花苜蓿。苜蓿在降雨量少的年份只收割一次，在降雨量多的年份收割两次。灌丛于1984年种植柠条，种植密度为2.2×105株/km2。该林地1985年在李家湾流域种植密度为1.9×105株/km2的侧柏，1982年在尖子岔流域种植密度为1.9×105株/km2的杏树。
选取李家湾流域8个典型深度和尖子岔流域7个典型深度，研究土壤水分变化。根据土地利用类型和山坡长度，从山坡顶部到底部的每条深度上有3-5个试验点。每条深度上的实验点具有相似的坡度和坡向，彼此之间的距离为30-100米(图1)。这两个小流域的土壤性质基本相同。在李家湾流域和尖子岔流域分别选择了32个试验点和26个试验点。使用Garmin GPS60确定了每个实验地点的纬度、经度和海拔。
2013年8月，在每个试验点测量了0-5 m层的土壤含水量。在每个试验点，随机选择三个取样剖面以获得平均土壤含水量。0-5 m深度的土壤样品是用20厘米增量的钻头(直径5厘米)采集的。从每个采样剖面共采集了25个土壤样本。当取出土壤样品时，立即将土壤样品密封在密封的铝圆筒中，并带到实验室，以重量法测定土壤水分含量(单位：g/g)。使用烘干法(105°C下24小时)测定土壤含水量。所有现场取样和实验室工作在5天内完成。采用反距离加权法(IDW)对土壤含水量进行插值，得到两个流域不同层次的空间分布图。ArcGIS 10.2(美国ESRI公司)用于执行IDW分析和制作土壤水分分布图。利用ArcGIS中的spatial analyst工具对基于IDW法的土壤含水量插值进行了基本统计。
取各土层所有试验点的平均值，计算各流域的土壤含水量和剖面分布。每个试验点的深度平均土壤含水量(θij)由公式1计算。
其中，i为j处测量层的数量，θi为通过三个随机采样剖面计算的i层平均土壤含水量，j = 5。
每种土地利用类型的深度平均土壤含水量(θm)由公式2计算：
其中k是每种土地利用类型的试验点数量。
对每次测量的基本统计数据进行了初步的分析，如平均值(mean)、标准偏差(std)和变异系数(cv)。单向方差分析用于评估不同土地利用类型对土壤水分变量总体变化的贡献。使用最小显著差异(LSD)方法进行多重比较。所有的统计分析基于SPSS(18.0)上进行。
1.两个流域土壤水分的剖面分布：
两个流域1.0 m以下的土壤含水量差异明显，见图2。李家湾流域2～5 m土层深度平均土壤含水量为0.087 g/g，尖子岔流域为0.064 g/g。与尖子岔相比，李家湾2 m以下土层深度平均土壤含水量比尖子岔高出约36%。土壤含水量标准差可以反映不同土层土壤含水量的空间变异程度。标准差表明，李家湾流域土壤水分的空间变异性相对高于尖子岔流域(图2)。
图 2 两个流域土壤平均含水量的剖面分布。
注:误差线表示标准偏差。
2. 不同土地利用类型的土壤水分：
总的来说，与天然草地和两个流域的农田(农田和废弃农田)相比，恢复植被的土地(牧场草地、灌木林地和林地)在可比土壤深度的土壤水分较低(图3和表2)。李家湾流域农田土壤含水量最高(0.099-0.120 g/g)。LSD检验表明，农田土壤含水量显著高于其他土地利用类型(P < 0.05，表2)。在两个流域的整个0-5 m土壤剖面中，弃耕地的土壤水分值相对高于植被恢复地，但低于农田。在两个流域的2-5 m土层中，草地的土壤含水量为0.058-0.067 g/g，灌丛为0.060-0.074 g/g，林地为0.054-0.069 g/g。LSD检验表明，植被恢复区土壤水分含量显著低于天然草地、农田和2 m以下弃耕地。此外，不同植被恢复区深层土壤水分(2 m以下土壤水分)差异不显著(P < 0.05，表2)。
图 3 李家湾流域和尖子岔流域不同土地利用方式下的土壤水分。
表 2 不同土地利用类型0-5 m土层的土壤水分
3. 不同深度土壤水分的比较：
在本研究中，我们重点关注了2米以下深度的深层土壤水分。图4显示了不同土地利用类型的深度平均土壤水分含量(2-5 m)的变化。在单一土地利用类型上，深层土壤水分呈现出从山坡顶部到底部稳定下降的趋势(图4a)。这是因为山坡底部引入的植被通常具有相对较高的生物量，比山坡上部消耗更多的深层土壤水分。由于植被恢复地的土壤含水量通常显著低于(P < 0.05)农田和废弃农田，因此引入植被的试验点的土壤含水量通常相对较低。每条深度上相对较高的值出现在有农田或废弃农田覆盖的试验点上。这表明土地利用决定了坡地深层土壤水分格局。在图4b中，LW1和LC2深度中的牧场草地导致明显较低的值(LW1中为0.064 g/g，LC2中为0.065 g/g)，而每个深度中的平均土壤含水量分别为0.094 g/g和0.091 g/g。在草地-农田-草地的土地利用类型中(LE1和LE3深度)，土壤含水量的峰值(0.111 g/g和0.126 g/g)出现在被农田覆盖的中间位置(图4c)。
图 4 不同土地利用类型上深度平均土壤含水量(2-5 m)的分布。
注:NG代表原生草地，FA代表农田，AF代表废弃农田，PG代表牧场草地，SH代表灌丛，FO代表林地。
4. 不同层次土壤水分的空间分布：
五个不同层次土壤水分的空间分布见图5，基本统计见表3。土壤水分的空间分布与土地利用方式密切相关，高土壤水分含量通常对应于耕地和弃耕地。此外，相对较低的土壤含水量与1 m以下的牧场草地、灌丛和林地密切相关(图5b–e)。可见，不同土地利用类型各土层的土壤水分空间分布特征相似。
图 5 用IDW法插值不同土壤深度的土壤含水量。(a)0-1米，(b)1-2米，(c)2-3米，(d)3-4米，以及(e)4-5米
表 3 基于IDW的两个流域土壤水分基本统计。
以IDW为基准，与李家湾流域相比，尖子岔流域不同土层的土壤含水量明显偏低。这与现场观察相一致(图2)。另一方面，土壤含水量的标准差和变异系数表明，“退耕还林”工程实施后，尖子岔流域土壤含水量的空间异质性相对低于李家湾流域(表3)。在更深的土层中尤其如此。尖子岔流域2～5 m深度土壤水分变异系数为6.8～9.4%，李家湾流域为11.8%～14.6%。
讨 论
1. 黄土高原土壤水分垂直分布特征：
本研究中选择的试验地点相互靠近，受独特的空间分布降水的影响。在半干旱地区，浅层土壤水分随季节和年际变化，取决于降雨量。与表层土壤相比，由于降雨入渗和根系吸水减少，深层土壤的时间动态性减弱。由于黄土高原黄土的厚度，深层土壤水分的垂直分布和时间变化与浅层土壤水分不同。黄土区植被恢复地降雨入渗深度以下的土壤含水量比浅层土壤含水量相对稳定。事实上，根据长期的野外土壤水分观测，研究区植被恢复地的年降雨入渗深度很难达到1 m，该深度以下的土壤水分含量具有时间稳定性。
研究区引种的植被已种植10年以上，植被恢复地已成为成熟的群落。成熟草地、灌丛和林地的深层土壤水分一般是暂时稳定的。本研究集中于深层土壤水分状况，可以用来反映深层土壤剖面中稳定的土壤水分状况，可以认为是引入植被恢复的相对稳定的结果。另一方面，仍然需要基于定位和长期监测的进一步研究，以便为深层土壤水分的时间变化提供更有说服力的证据。在半干旱地区，根系吸水是决定土壤水分动态的重要过程。本研究所选的引种植被(紫花苜蓿、柠条、杏树和侧柏)的根系主要分布在浅层，但所有类型的引种植被都具有低于降雨入渗深度的深层根系，比农田和天然草地消耗更多的深层土壤水分。研究结果表明，不同植被恢复地之间的深层土壤水分没有显著差异(表2)。可能的原因是，经过多年的生长，引种植物只能利用年降水量。
2. 深层土壤水分调控：
由于降水是半干旱地区土壤水分的唯一水源，降水和蒸散共同控制土壤水分。有研究发现土地利用会引起蒸散和降雨补给的差异，从而影响黄土地区的土壤水分。土地利用对深层土壤水分含量有显著影响的事实已在以往的研究中得到充分研究。我们的结果表明，深层土壤水分在不同的土地利用类型(图3和表2)和土地利用类型(图4)不同。植被恢复区的土壤含水量明显较低。这可能是由于潜在蒸散量相对高于农田、废弃农田和天然草地。此外，牧草、灌木和树木的种植密度相对高于研究区域的推荐值，该区域的土壤水分不足以种植高种植密度的植物。因此，在引进的植被类型中发现土壤含水量低。
在李家湾流域，大多数农田位于山坡底部，而大多数灌木种植在山顶。李家湾和尖子岔流域的弃耕地通常分布在远离村庄的山坡中上部。两个流域的天然草地位于顶部位置，树木种植在中间位置。尖子岔流域草地分布均匀，李家湾流域大部分草地分布在中上部。相对较高的土壤湿度值通常出现在每条深度上覆盖有农田和废弃农田的地点，而较低的值出现在种植有引进植被的土地上(图4)。多种土地利用方式会干扰地形因子对土壤水分分布的影响。在本研究中，试验点在每条深度上具有相似的坡度和坡向。由于这些原因，每条深度上土壤水分的空间分布更倾向于与土地利用相关。由于不同类型的引入植被和农田/废弃农田之间的深层土壤水分没有显著差异，因此土壤水分相对较高(图3和表2)，每个深度上的深层土壤水分模式由土地利用及其空间位置决定。从山坡顶部到底部土壤湿度的分布范围可以在图5中找到。一般来说，土壤水分的空间分布与土地利用方式密切相关。各坡面土壤含水量高低值的分布范围主要由土地利用决定。不同土地利用类型深度深度平均土壤含水量的比较表明，土地利用类型在决定坡面深层土壤水分格局中起着重要作用。
了解流域对本地物种丧失或非本地物种增加的响应是生态水文研究的关键问题之一。在本研究中，土壤水分的标准差被用来反映土壤水分的空间变异程度。土壤含水量的标准偏差值越高，代表着相对较高的空间变异。李家湾流域的高标准差表明土壤水分比尖子岔流域具有更高的空间变异性(图2和表3)。尖子岔大部分地区被引种植被覆盖，在流域尺度上具有简单的土地利用类型，而李家湾流域具有更复杂的土地利用类型和空间格局(表1和图1)。深层土壤水分空间变异的差异表明，复杂的土地利用类型具有较高的深层土壤水分空间异质性(表3和图5)。与李家湾流域深层土壤水分的空间分布特征不同，尖子岔流域深层土壤水分具有较高的空间均匀性。结果表明，简单土地利用方式下的植被恢复降低了深层土壤水分的空间异质性。与之前研究的表层土壤水分格局不同，本研究结果表明，在人为生态恢复后，深层土壤水分出现了均一性。这也表明引入植物的植被恢复可以减少深层土壤水分的空间异质性。
3. 对土地利用管理的影响：
因为天然草地和农田的土壤水分剖面分别被用作无人类影响和植被恢复前的土壤水分状况的参考。天然草地和植被恢复地之间土壤水分的差异表明了相对于初始土壤水分条件的土壤水分亏缺程度。农田和植被恢复地土壤水分的差异被用来反映土壤水分对植被恢复的响应。这项研究的结果表明，植被恢复的土地深层土壤水分明显低于农田、废弃农田和天然草地(图3和表2)。作为引种植被的重要水源，深层土壤水分很难得到降雨的补给。野外观测表明，尖子岔流域平均土壤含水量(2-5 m)仅为0.064 g/g。较低的深层土壤含水量可能为这些高耗水植物提供很少的可用水源。土壤水分不足将严重限制半干旱环境下的土地生产力。这些地区的土地利用管理应平衡土壤水分条件和可持续的植被恢复。由于土地利用类型决定了土壤水分状况及其空间格局，因此应更多地关注基于土壤水分与植被相互作用的坡地和流域尺度的土地利用选择和安排。建议改善土地利用管理，以改善水管理和维持植被恢复的可持续性。
本研究比较和分析了两个相邻植被恢复流域0-5 m深度土壤水分的空间和剖面变化与土地利用和土地利用类型的关系。植被恢复地与农田和天然草地的土壤水分比较表明，引入植被可以显著降低深层土壤水分。土地利用决定深层土壤含水量。对不同土地利用方式土壤水分的分析表明，土地利用类型决定了深层土壤水分状况及其空间变异性。复杂的土地利用类型具有较高的深层土壤水分空间异质性，而简单的土地利用类型具有较高的均匀度。引入植物的生态恢复降低了流域尺度深层土壤水分的空间异质性。
作者 | 子涵
编辑 | 回毅滢
