贾茜淳 丛沛桐 谢攀 王瑞兰

(华南农业大学，广州，510642) (广东省水利水电科学研究院)

西宁黄土丘陵区初雨后土壤水分地理变异与植被分异规律1)

贾茜淳 丛沛桐 谢攀 王瑞兰

(华南农业大学，广州，510642) (广东省水利水电科学研究院)

2016年冬春季节在青海西宁北山公园布置了典型黄土丘陵样地，连续测试了样地的土壤温度和含水率等数据。结果显示：植物根区土壤含水率在1—2月份与土壤温度紧密相关，土壤含水率由大到小的顺序为阳坡西南坡、阳坡正南坡、阳坡台地、阴坡。当土壤升温到0 ℃以上时，阴坡和阳坡台地涵养降水能力增强，土壤含水率急剧上升。4月份是植被尤其是乔木树种萌发需水的重要时期，15%是衡量春季植被(乔木)萌发的重要指标和依据，该时期不同地理单元土壤含水量差异显著。阴坡是该区域植被恢复的最佳地理单元，可实现植被的自然恢复；阳坡平坡加以适当的人为干预(平整、环形围闭、灌水)后，植被恢复能力与阴坡陡坡较为接近；阳坡陡坡不适宜人工恢复，应以自然恢复模式为主。

黄土丘陵区；土壤含水率；植被萌发

青藏高原多为东西走向的山脉，南坡面向太阳，光照强，温度高，土壤水分蒸发散失快；而北坡背向太阳，光照弱，土壤温度低，水分蒸发相对较慢。结合岩性土质的差异，则表现出阴坡、阳坡、平坡、陡坡有着不同的土壤和生物群落。

土壤水分尤其是根区土壤水分及地温是黄土丘陵区植被生长的重要控制要素。在青海西宁地区，人工喷灌、滴灌植树造林是该区域植被恢复、人工林建设、优化生态环境、实现生态可持续发展的关键[1-3]。而充分认识各种微地理单元(坡度、坡向)下的土壤水分时空变异性是有效利用土壤水资源的前提，也是当前学术研究的热点[4-8]。

区域降水时空分异在西北地区是比较典型的。汪青春等[9]选取了青海有连续观测资料的27个站逐月降水量，利用SPI干旱指数方法计算1961—2010年每月的干旱指数。结果表明：相比较于夏季和秋季的中旱，青海的重旱主要发生在春季。而东部地区3—5月份降水量受季风及大气环流调整的影响，降水量少而不均，同时春季气温回升快，大风日数多，蒸发旺盛，因此，3—5月份干旱的多发地则分布在东部。因而在这个各种植物开始萌发的时段，对该区域内土壤水分变化状况和水分利用情况的认识程度决定了是否能够科学利用土地资源和治理黄土丘陵区生态环境。

植被地理分异的地带性规律在宏观尺度上的研究较多，微观尺度上的研究较少。王娟敏等[10]对陕西省光合有效辐射开展了地形影响效应的研究。在100 m×100 m分辨率的DEM数据上进行了坡向的提取，其研究表明，1月份和7月份不同坡度光合有效辐射随坡向的变化十分显著。1月份太阳高度角较低，当坡度较小时，坡向对光合有效辐射的影响不太显著，随着坡度的增加，坡向效应加大，尤其当坡度大于30°时，光合有效辐射量由北坡向南坡逐渐增加。对于不同坡度上的太阳光合有效辐射，均为南坡最大，北坡最小，辐射量在49～145 MJ·m-2，最大值约为最小值的3倍；东、西坡辐射量呈对称分布，反映出1月份坡向对太阳辐射具有决定性的作用。

此外，赵林等[11]、程国栋等[12]在青藏高原冻土微观尺度上开展了有关研究，发现冻土活动层的秋冬季冻结过程可以划分为单向冻结阶段和双向冻结。单向冻结阶段主要发生在阳坡，而双向冻结主要出现在阴坡，冻结形式主要受太阳能辐射的控制。

目前，已有学者在1 500 m以下和4 000 m左右的海拔高度上进行微地理单元有价值的研究和探索。而海拔1 500～3 000 m分布有重要的城镇(如西宁、昆明等)，尤其西宁地区地形呈丘陵状起伏，阴坡、阳坡、陡坡、缓坡交替出现，是研究微地理单元的天然试验场。

青海省西宁市北山公园是典型的黄土丘陵沟壑区，目前正开展大规模的人工植树造林活动，采用人工平整土坡、在土坡上灌水的方式恢复森林植被。为查明不同坡向(阴坡、阳坡)不同坡度(平坡、陡坡)土壤水分对初春融雪和降水的响应，试图通过合理布置仪器设备、获取试验数据测试，进行成果分析，查明冬春季节积雪消融和降水过程在不同坡向、不同坡度地理单元上的差异，对比阴坡和阳坡上土壤含水率出现的变异，尤其是初雨对不同坡向土壤含水率的调控能力，从而揭示试验地植被土壤含水的时空分布规律，初步探讨人工植被恢复模式。

1 研究区概况

试验地点位于青海省西宁市北山公园内的黄土丘陵沟壑区，海拔2 250～2 780 m，地势由北向南倾斜，西北高，东南低。属于大陆性高原半干旱气候，年平均降水量380 mm，蒸发量1 363.6 mm，年平均日照1 939.7 h，年平均气温7.6 ℃，最高气温34.6 ℃，最低气温-18.9 ℃。降水多集中于夏季，占全年降水量的70%。该地区20年来出现春旱的频率超过55%，自20世纪90年代以来，春季干旱发生的频次增加[13]。土质主要是黄土，土层较厚，地表植被一般，天然条件下，阳坡及半阳坡主要分布草地和灌丛，半阴坡和阴坡以森林为主，主要是青海杨及柳树等树种。

每年11月份至次年4月份为雪季，积雪主要在阴坡覆盖，最大积雪深度可达1 m以上，阳坡和半阳坡上有暂时性积雪和冰，在太阳辐射作用下融化渗入地下形成冻土。

2 材料与方法

2.1 样地的选择和设置

试验样地选取北山公园一道土梁的南北侧，中心点位于101°48′E，36°38′N，海拔约2 500 m，土壤为山地草甸土。在同一土梁的阴阳坡选取具有标志性意义的4个取样地，最大高差控制在30 m以内，分别为阴坡、阳坡正南坡、阳坡西南坡、阳坡台地。每个样点的坡向、坡度、植被覆盖等地形地貌因子以及群落特征如表1所示。

表1 样地的基本特征

2.2 样地调查和数据观测

每个取样地在同一海拔高度上水平间隔约210 m设置5个取样点，每个取样点在距离地表30～50 mm的位置各埋设一台L99-TWS-1土壤温度水分记录仪，将仪器温度和水分的传感器探头埋置于土中。仪器的温度测量范围-40～100 ℃，测量精度±0.2～±0.5 ℃；水分测量范围0～100%，测量精度2%～3%，量程和精度适用于研究区。每6 h测量记录1次，取样时间为每天的00:00、06:00、12:00和18:00。

野外观测试验开始于2016年1月25日，结束于2016年5月5日，包含了青海西宁地区融雪和初雨的全过程。每个取样地的数据均为5个取样点数据的平均值。

3 结果与分析

3.1 土壤温度变化规律

图1为阴坡、阳坡正南坡、阳坡西南坡、阳坡台地4个取样地的土壤温度曲线图。西宁地区黄土丘陵区在1 d内的土壤温度有小幅波动，对于一个完整的冬春季节，随着气候和气温的升高，土壤温度虽然有波动，但总的变化趋势是持续上升的。在此时间段内，虽然各取样地坡向和坡位不同，但土壤温度增幅变化的趋势较为一致。

受阴阳坡太阳辐射光照强度差异的影响，阴坡的土壤温度和增幅明显低于阳坡的土壤温度和增幅，并且较长时间保持在0 ℃以下，阴坡土壤解冻时间比较晚，冻土持续时间较长。由图1可看出，阳坡在3月中旬处于冻融循环状态，阴坡要延后到4月中旬左右，大约有1个月左右的时间差。与阴坡相比，3个阳坡取样地的土壤温度差异小于阴坡与阳坡间的差异。3个阳坡取样地1 d内土壤温度波动的幅度由小到大的趋势为阳坡西南坡、阳坡正南坡、阳坡台地。

阳坡冻土层升温快，到4月中旬逐渐消融，因此，阳坡陡坡的土壤水主要依靠降雨和融雪，但由于滞水能力差，能够提供给春季植被复苏的土壤水量是有限的；阴坡在植被复苏季节中，除降雨和融雪外，冻土层的水处于释水状态，这对于植被萌发是十分有利的。

图1 2016年4个取样地土壤温度随时间的变化趋势图

3.2 土壤含水率与土壤温度的关系

4个取样地的土壤含水率变化趋势见图2。1—2月份，4个取样地土壤含水率由大到小的顺序为阳坡西南坡、阳坡正南坡、阳坡台地、阴坡，这与各取样地的土壤温度密切相关。阴坡土壤温度较长时间保持在0 ℃以下，土壤中水分以固态形式的冰存在，导致其测试土壤含水率相对比较低，但实际含水率是充足的。而阳坡台地相比较其他两个阳坡样地土壤含水率较低的原因是1—2月份，土壤温度低于0 ℃；在2月25日前后，随着气温的升高，土壤温度上升，当高于0 ℃时，土壤发生解冻，固态水转变为液态水，可被仪器所测定，导致阳坡台地土壤含水率有了较大幅度的增加。

图2 2016年4个取样地土壤含水率随时间的变化趋势图

图3为2016年1月25日—5月5日降水情况图，西宁冬季1—2月份降水很少，在3月20—24日连续5 d有一场大范围的降雪和雨夹雪，3月28日和29日的雨夹雪又对研究区的土壤水分进行补充，3月中下旬至4月下旬由降雪到普遍降雨。

土壤含水率与降雨、融雪的相关性：由图2可看出，3月24号左右的土壤含水率出现显著差异，阳坡台地和阴坡的土壤含水率急剧上升，而阳坡正南坡和西南坡的土壤含水率几乎不受这次降雪的影响。除此之外，3月末的降水之后，阳坡台地的土壤含水率逐渐回落，而阴坡由于其土壤温度也达到了融冰温度，所以其土壤含水率则保持在其上升后的高度并仍缓慢增加。最后，4个样地点的土壤含水率逐渐趋与相近。

图3 2016年1月25日至5月5日降水情况

土壤含水率与土壤温度的相关性：分别对初雨前和初雨后进行相关分析。将1月26日—3月19日的数据作为初雨前数据，3月20日—5月5日的数据作为初雨后数据。计算初雨前后土壤含水率与土壤温度两者之间的相关系数。初雨前，阴坡、阳坡正南坡、阳坡西南坡、阳坡台地的土壤含水率与土壤温度的相关系数分别为0.934、0.942、0.966、0.905；初雨后，阴坡、阳坡正南坡、阳坡西南坡、阳坡台地的土壤含水率与土壤温度的相关系数分别为0.666、0.756、0.870、0.011。融冰(土壤温度大于零)前后，阳坡西南坡和正南坡相关性变化较小，阴坡和阳坡台地变化较大。

3.3 阴坡与阳坡台地土壤含水率的时空差异

由阴坡与阳坡台地2016年3月20日—4月10日初雨初期和4月11日—5月5日初雨后期的土壤含水率与时间相关曲线(图4)可看出，阳坡台地由于坡度平缓，降雨后蓄水能力强，含水率有明显升高，而阴坡坡度较陡，降雨后产生坡面径流，因此，陡坡上土壤含水率没有明显的提高。由于阳坡土壤温度较高，阳坡的平坡地依靠降雨、融雪的补给对提高土壤含水率是有利的。表2为初雨初期和初雨后期各样地的平均土壤含水率。

图4 阴坡和阳坡台地初雨初期、后期土壤含水率相关曲线

时期平均土壤含水率/%阴坡阳坡台地阳坡正南坡阳坡西南坡初雨初期11.1815.5012.1012.30初雨后期15.9115.6815.4014.50

进一步对初雨初期、后期这两个时段内阴坡与阳坡台地土壤含水率进行相关分析。初雨初期阶段阴坡和阳坡台地的土壤含水率相关系数为0.360，相关性差，从土壤含水率的对比上也看出，其差异十分显著；初雨后期阶段阴坡和阳坡台地的土壤含水率相关系数为0.725，相关性较好，土壤含水率比较接近，后期阴坡(陡坡)和阳坡台地对植被的水分供给能力是比较一致的。由于3月份降水充分，阳坡台地补水充足，即使在较强蒸发作用下，与冻土层持续补给植被水分的机理也是比较接近的。融雪融冰后，地温回升，植被复苏，生理活动加强，需要大量水分，阴坡(陡坡)的水分补给来源于初雨降水和冻土层，阳坡坡地在有人工平整围闭蓄水空间的条件下，蓄水能力提高，后期阳坡台地与阴坡补水能力趋于相同。

3.4 阴坡与阳坡陡坡土壤含水率的时空差异

绘制阴坡、阳坡正南坡和阳坡西南坡3月20日—4月10日初雨初期和4月11日—5月5日初雨后期的土壤含水率与时间曲线，计算这两个时段内阴坡分别与阳坡正南坡和阳坡西南坡土壤含水率相关系数(图5)。

图5 阴坡、阳坡正南坡和阳坡西南坡初雨初期、后期土壤含水率相关曲线

初雨初期阶段阴坡和阳坡西南坡的土壤含水率相关系数为0.590，在一定程度上具有相关性，土壤含水率均值较为接近，这是由于该时期气温低，融雪能力差，土壤含水率处于较低的水平；初雨后期阶段阴坡和阳坡西南坡的土壤含水率相关系数为0.461，土壤含水率分化明显，阴坡含水率高于阳坡陡坡。由于阳坡太阳辐射能力增强，同时阴坡冻土层逐渐融化，提高了阴坡土壤含水率，两者之间的土壤含水率差异逐渐明显。4月份是植被复苏的季节，阳坡土壤含水率长期低于15%的水平，而阴坡和阳坡台地均可达到15%左右，阳坡台地和阳坡陡坡土壤含水率是有较大不同的，这也成为不同地理单元植被生长差异化的主要原因。

3.5 植被恢复模式

研究区是典型的黄土沟壑丘陵区，植被自然恢复能力弱，通常仅在阴坡和冬春积雪地带自然衍生少量植被。近年来，西宁市北山公园进行人工植被恢复，建立了一套较为可行的植被恢复模式。

阴坡是植被恢复的主要区域，以选择适宜的乡土植物树种为主，土壤含水率能够满足乔木植被(青海杨、柳树等)的春季需水；在阳坡进行植被恢复时，要平整成台地，构造环形蓄水，注意在4月份进行人工灌水，并监测土壤含水率，以大于15%为宜；阳坡陡坡以自然恢复为主，尽量减少人为扰动。

4 结束语

西宁黄土丘陵沟壑区冬春季节土壤含水率与地理单元关系密切，可划分为阴坡、阳坡台地和阳坡陡坡。在1—2月份，其土壤含水率与其土壤温度紧密相关，土壤含水率由大到小的顺序为阳坡西南坡、阳坡正南坡、阳坡台地、阴坡。但随着气温逐渐回升，特别是土壤温度达到0 ℃以上的初雨过程，降雨与地形因子开始更多的影响到土壤含水率，阴坡和阳坡台地表现出对降水更佳的涵养功能，其土壤含水率急剧上升。

4月份是植被尤其是乔木树种萌发需水的重要时期，分析表明，阴坡即使是陡坡，也可以实现乔木自然生长，因此，阴坡是该区域植被恢复的最佳地理单元；阳坡平坡加以适当的人为干预(平整、环形围闭、灌水)后，植被恢复能力与阴坡陡坡较为接近；阳坡陡坡不适宜人工植被恢复，以自然恢复为主要模式。

结合自然植被恢复状况和人工恢复经验，在冬春季节植被恢复时期，土壤含水率保持在15%是一个参考的依据和指标，该时期无论是自然恢复还是人工恢复，通过数据监测，当土壤含水率长期偏低，可考虑人工补水的方式，促进植被(乔木)恢复，建植人工林。

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GeographicalVariationandVegetationDifferentiationofSoilMoistureafterEarlyRaininLoessHillyRegionofXining,QinghaiProvince//

Jia Xichun, Cong Peitong, Xie Pan

(South China Agriculture University, Guangzhou 510642, P. R. China);

Wang Ruilan

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower)//

Loess hilly region; Soil water contents; Vegetation germination

1)广州市科技计划项目(201605030009)。

贾茜淳，女，1992年8月生，华南农业大学水利与土木工程学院，硕士研究生。E-mail：jiaxichun@stu.scau.edu.cn。

谢攀，华南农业大学水利与土木工程学院，副教授。E-mail：climbingxie@126.com。

2017年7月7日。

责任编辑：任 俐。

S728

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(11)：78-82.

We continuously measured the soil temperature and water content of sample plots located in loess hilly region of Beishan Park in Xining, Qinghai Province during the period from the winter to the spring in 2016. The soil water contents in plant roots were significantly affected by the soil temperature from January to February and the effect descending order was South-West Sunny Slope, South Sunny Slope, Sunny Tableland, and Shady Slope. After soil temperature reached to 0 ℃, soil water content of Shady Slope and Sunny Tableland increased rapidly. April was the virtual period for arbor to germinate for which 15% is an important indicator for soil water contents. In the period, however, the differentiations of the soil water contents of different geographical units were remarkable. The shady slopes were the optimal geographical unit to naturally recover vegetation in the region. For the sunny tableland, the capacities of vegetation recovery were similar to the shady slope after some artificial measures (i.e., land formation, annular enclosure and irrigation) were adapted. The artificial vegetation recoveries were unsuitable in sunny slope where the natural recovery should be considered.