研究区位于陕西省延安市安塞县县城西侧墩山(图1),地貌类型属于典型黄土丘陵沟壑区,研究区坐标为109°18'02″—109°19'30″E,36°50'36″—36°51'50″N,平均海拔为1 068～1 309 m。气候类型为暖温带大陆性气候,年平均气温为8.8℃,≥10℃的积温为3 114℃,无霜期为143～174 d。多年平均降水量为500 mm,降水集中在7—9月,干燥度为1.48。在土壤类型上为黄绵土与沙黄土交错区,以黄绵土为主。植被类型为森林与草原过渡带。

本研究以黄土丘陵区具有代表性的4种土地利用方式为研究对象,选取谷糜梯田、刺槐林、沙棘灌丛、草地作为研究样地。草地植物种类主要有:野西瓜苗(Hibiscus trionum Linn.)、茵陈蒿(Artemisia capillaris Thunb.)、小蓟(Cirsium setosum)、苦荬菜(Ixeris polycephala Cass.)、杠柳(Periploca sepium Bunge)等。样地的地理位置见图1。采用土钻法于2019年5月、7月、8月、10月的中旬分别测定一次各样地的土壤含水量。每次打0—300 cm的土钻,在0—100 cm土层每10 cm取一次样装入铝盒,在100—300 cm土层每20 cm取一次样装入铝盒,把装有土样的铝盒带回台站实验室,采用经典烘干法测定各土壤样品的含水量。另外,在沙棘灌丛附近平整的空地上放置雨量筒测定降水量。

图1 研究区地理位置及采样点分布

灰色关联法是依照要素之间相似或相异程度,也就是灰色关联度来比较要素之间关联大小的一种方法^[13]。要素之间灰色关联度较小,表明之间关联性较小; 反之,则较大。灰色关联度对样本数量没有严格要求,计算结果与定性分析的结果相对接近。

土壤质量含水量(W)的计算公式为:

W=(W₂-W₃)/(W₃-W₁)×100%

式中:W₁为铝盒重量(g); W₂为湿土重加铝盒重量(g); W₃为干土重加铝盒重量(g)。

研究采用SPSS 19.0软件计算含水量变异系数、差异显著性、相关性等指标分析不同土地利用方式土壤水分季节变化规律和垂直空间变化特征,使用Excel和Origin 8进行统计分析与作图。

由表1可知,在2019年5月、7月、8月、10月对研究区梯田、草地、刺槐林、沙棘灌丛0—300 cm土层土壤水分采样测试得到,4种土地利用方式梯田的平均土壤含水量最大,其土壤水分明显好于草地、刺槐林和沙棘灌丛,说明农作物耗水明显小于草地、刺槐和沙棘,平均土壤含水量呈现梯田>草地>沙棘灌丛>刺槐林。运用单因素方差分析得到,4种土地利用方式与土壤水分的关系具有极显著差异(p<0.01)。

表1 不同土地利用方式土壤含水量差异

不同土地利用方式0—300 cm土层土壤平均含水量具有明显的季节变化特征(图2),总体上10月份土壤含水量大于5月份土壤含水量,梯田和沙棘灌丛10月份的土壤含水量为最大值,草地8月份的土壤含水量为最大值,刺槐林7月份的土壤含水量为最大值。不同土地利用方式之间含水量变化有所不同,这是因为在降水量相同的条件下,不同土地利用方式的植物蒸腾、消耗和土壤蒸发不同^[11]。5月份,降水量偏少导致4种土地利用方式土壤含水量的最低值均在5月份,其中刺槐林的土壤含水量最低,是由于刺槐萌芽开花期较其他植被早,蒸腾及根部耗水使的土壤水分偏低。5—7月份随着进入雨季,各土地利用方式土壤水分缓慢增加,7月份降水量最大,而梯田、草地、沙棘灌丛的土壤水分较高时段是在8月份,这是由于土壤水分的滞后效应; 7—8月份土壤水分变化较为剧烈,梯田、草地、沙棘灌丛土壤水分快速增加,刺槐林土壤水分与降水同步减少,是因为刺槐林生长进入旺季,蒸腾量和土壤水分蒸散量较其他3种土地利用方式大。8—10月份,植物进入休眠期,使得植物本身需水量降低,加之温度降低,植物蒸腾耗水和土壤蒸发的土壤水分减少,造成梯田、刺槐林、沙棘灌丛土壤水分继续缓慢增加^[14],而草地、野西瓜(Hibiscus trionum Linn.)、茵陈蒿(Artemisia capillaris Thunb.)(7—10月)开花结果较其他3种土地利用方式上的植被晚,土壤水分呈现随降水量减少而减小的趋势。

图2 不同土地利用方式土壤含水量与降水量的月动态

研究区4种土地利用方式在5月、7月、8月、10月土壤水分的垂直变化特征见图3。总体上,4种土地利用方式土壤水分的垂直变化基本类同,土壤含水量都是由表土层到深土层上为“S”形,土壤含水量都是先增大后减小,从土壤含水量的变化程度上看0—100 cm土层明显大于100—300 cm土层,这与以往的研究结果基本一致^[12]。降水对0—100 cm浅层土壤水分含量影响较大,土壤水分的波动较大,土壤孔隙在100 cm以下变小,水分入渗能力下降,导致土壤水分保持在稳定状态。

梯田4个月份土壤含水量的变化轨迹相同,各月份的土壤含水量在0—140 cm土层变化较大,且土壤水分随深度的增加先增加后快速减小,土壤水分在140—300 cm土层稳定在较高水平。草地4个月份的土壤含水量垂直变化基本相同,在0—300 cm土层上部土壤含水量随时间变化明显,下部土壤含水量随时间变化较弱,在0—200 cm土层范围内,土壤含水量随深度的增加先增大后减小,在200—300 cm土层稳定在10%左右。刺槐林土壤含水量在雨季的7月、8月、10月表现为0—120 cm土层变化剧烈,120—300 cm土层保持在极低水平,雨季还未展开的5月份,除表层外土壤水分均处于最低值。沙棘灌丛的土壤含水量在0—180 cm土层变化较大,含水量随剖面的变深表现为先增大后减小,在180—300 cm土层上稳定且为较低值。相对于梯田草地,刺槐林和沙棘灌丛的稳定层范围较大且土壤水含水量稳定在较低水平。这主要是由于,刺槐林和沙棘灌丛的根系较为发达、有较多的根系生物量,因而根系消耗水量较大^[15],使得垂直剖面土壤水分减小,土壤含水量稳定在较低水平。

由图4可知,4种土地利用方式的土壤水分季节变异系数都是在土壤表层较高,之后虽有小幅波动,但都保持着逐渐减小的趋势,土壤水分季节变异系数的最低值在土壤深层。这一点与以往黄土丘陵区的研究结果相印证^[12]。

梯田在0—10 cm土层变异系数(CV)为最大值,在0—60 cm土层逐渐降低,在60—90 cm土层有小幅上升,之后继续减小并在220—300 cm土层趋于稳定。草地的季节变异系数在0—10 cm土层出现最大值,在20—100 cm土层一直是较高数值,在100—200 cm土层持续降低,最终在200—300 cm土层范围内趋于平稳。刺槐林浅层与深层的土壤水分季节变异系数值相差较大,土壤变异系数在40—50 cm土层出现最大值,土壤水分季节变异系数在50—120 cm土层减小,土壤水分季节变异系数在120—300 cm土层保持在较低数值,深层土壤含水量稳定在4%附近。沙棘灌丛与其他3种土地利用方式有明显不同,沙棘灌丛土壤水分季节变异系数在100—120 cm土层出现最大值,浅层的变异系数有很小波动变化,但数值均较大,在120—180 cm土层CV值急剧减小,最终稳定在土壤深层。降水、温度、蒸发等因素对土壤表层含水量有明显影响,含水量波动较大。随着垂直深度的增大,外部条件对土壤的影响降低,土壤水分季节变异系数在垂直方向上呈现出逐渐减小的趋势^[9]。

图3 不同时段不同土地利用方式0-300 cm土壤含水量垂直变化特征

图4 不同土地利用方式不同土层深度的土壤水分季节变异程度

运用灰色关联法研究不同土地利用方式以及不同土层土壤水分的变化相似性。土壤垂直剖面可以被划分为3个层次,0—30 cm土层为表层,30—100 cm土层为中层,100—300 cm土层为深层。5月、7月、8月、10月各层土壤水分数列分别设为X₁={X₁(k)|k=5,7,8,10},X₂={X₂(k)|k=5,7,8,10},X₃={X₃(k)|k=5,7,8,10}。分别计算设置表层为参考数列,设置中层和深层为比较数列(分别记为R₁₂和R₁₃),以及设置中层为参考数列,设置深层为比较数列(记为R₂₃)的灰色关联度。

由表2可知,梯田、沙棘灌丛和刺槐林的灰色关联度呈现相似规律,表现为表层土壤水分和中层土壤水分关联性大,与深层的关联性小,说明这3种土地利用方式的中层土壤水大部分由表层土壤水补给,降水产生的表层渗流能直接补给中层(100 cm),另有一小部分可以补给到深层(100 cm以下)。刺槐林深层土壤水分与中层土壤水分关系紧密,表层与深层关联性的关联性小于深层与中层的关联性,说明来自中层土壤水间接补给到深层较多,而自表层土壤水直接补给到深层较少,表层土壤水经过中层也会流失掉一部分。梯田和沙棘灌丛深层和中层联系不密切,说明这2种土地利用方式中层土壤水间接补给到深层较少,主要是表层直接补给深层,其次表层水经过中层的流失较少。草地表层与深层关联性大,与中层关联性相对较小,表明草地表层直接补给作用最大。在不同土地利用方式下,都表现为表层与中层的相似性最大,从横向比较来看,梯田的相似程度最好,沙棘灌丛次之,草地和刺槐林较差,说明不同土地利用方式下表现为不同的表层对中层补给程度。表层与深层、中层与深层的土壤水分变化的相似程度较表层与中层差,从不同土地利用方式来看,梯田的相似程度较好,刺槐较差,说明相对于刺槐林地梯田对土壤水分的调控作用大,土壤水分在垂直剖面上的变化较为平缓。

表2 不同深度土壤水分灰色关联度