王军^1，2，傅伯杰¹，邱扬³，陈利顶¹

（1．中国科学院 生态环境研究中心 系统生态开放研究实验室，北京 100085；2．国土资源部
土地整理中心，北京 100035；北京师范大学 资源与环境科学系，北京 100875）

摘要：论文根据连续两年土壤水分的定点和观测数据，对黄土丘陵区不同土地利用类型及其结构与土壤水分的时空关系进行了分析。结果表明：①在欠水年，土地利用间土壤水分的差异显著，而在丰水年，土地利用间土壤水分的差异不显著；②在丰水年，土壤水分的年内变化只有灌木地为消耗型，间作地、果园、林地、草地、撂荒地和农地等 6 种土地利用类型为平衡型或增长型，欠水年所有土地利用均为消耗型；③从丰水年到欠水年，土壤水分的剖面结构类型降低型向波动型转化，波动型向增长型转化；④单一土地利用结构的土壤水分从坡顶到坡脚具有增长的趋势，而土地利用结构复杂的土壤水分沿坡面分布复杂。

关键词：土壤水分；土地利用类型；土地利用结构；黄土丘陵区

中图分类号：F301.24;S152.7

文献标识码：A

文章编号：1000-3037(2001)06-0521-04

　　土壤水分状况与土地利用和植被覆盖密切相关，一方面土壤水分影响到植物和作物的生长，另一方面土地利用和植被覆盖也影响土壤水分的含量与分布。而且，土壤水分具有明显的时空尺度特征^[1]，研究土地利用与土壤水分的时空关系，是土壤水分与水文模型及其尺度外推的重要一环^[2、3]，从而成为研究热点之一。对黄土丘陵区单一土地利用类型与土壤水分的关系^[4、5]、同一年度土地利用类型及其结构的土壤水分变化特点^[6、7]，许多学者已进行了研究。但对跨年度不同土地利用类型及其结构与土壤水分的关系研究还较为缺乏。对比分析不同年份土地利用类型及其结构的土壤水分时空变化、补偿消耗和剖面变化特点，可以增强在景观尺度上土地利用格局对生态过程的理解，同时对黄土丘陵沟壑区土壤水分的有效利用及水土保持具有重要的意义。

1 研究区域特征与方法

1.1 研究区域特征

　　试验区位于陕西安塞县大南沟流域 (109°16'～109°18'E，36°54'～36°56'N），面积 3.5km²。年平均降水量 549mm，其中 60% 集中在 7～9 月份。地貌为典型的丘陵沟壑地貌，地形破碎，坡地分布广泛。土壤类型为黄土母质上发育而成的黄绵土，土质疏松，抗蚀抗冲性差，水土流失严重。流域内自然植被破坏殆尽，垦殖指数较高，主要有坡耕地、农地、撂荒地、灌木地、农果间作地和林地等土地利用类型。

1.2 研究方法

　　在黄土丘陵坡地上选择具有代表性的土地利用结构，从坡顶部到坡底的土地利用组合分别为：农地—林地—果园地、撂荒地—灌木地—农地—果园地、灌木地—农果间作地—林地以及只有农地的单一土地利用结构。土壤含水量用便携式时域反射仪（Time Domain Reflectometry 简称 TDR；Eijkelkamp Agrisearch Equipment，Type No.ML1)测定，分别在 1998 年和 1999 年的 5 月到 10 月期间，约两周测定一次，每个样点分 5 层 (5cm、15cm、25cm、45cm 和 70cm）测定，每层测 5 个数值，取其平均数作为该层的土壤含水量。降雨量用安装在流域内的 5 个雨量自动记录仪测定，观测期内 1998 年的降雨量 629mm，为丰水年；1999 年的降雨量 224mm，为欠水年。

2 结果与分析

2.1 年际间 0～70cm 平均土壤水分的特征比较

　　丰水年 (1998 年）观测期内 7 种土地利用类型的土壤含水量均大于欠水年 (1999 年）的土壤含水量（表 1)。年际间灌木地、间作地和果园的土壤含水量相差最大，超过 4 个百分点；林地和撂荒地年际水分相差最小，小于 1%。丰水年流域的平均土壤含水量为 12.11%，欠水年的平均土壤含水量为 9.37%，相差 2.74 个百分点。

表 1 丰水年和欠水年 7 种土地利用土壤水分的
方差分析及多重比较结果
Table.1 Average soil moisture contents of seven land use types
during wet and dry years.Values in each column with the same
letter are not significantly (α＝0.05) different among land uses

注：每列中有相同字母的表示土壤水分差异不显著 (α＝0.05)；F
值中 ^* 和 ^** 分别代表差异显著 (α＝0.05) 和极显著 (α＝0.01)。

　　在丰水年，土地利用类型间的土壤水分统计差异不明显。而在欠水年，土地利用类型间的土壤水分差异极显著，多重比较表明，灌木林地与多数土地利用类型土壤含水量具有明显差异（表 1)，这说明了丰水年土地利用类型间土壤水分的差异减小。

　　根据生长季初末土壤含水量的变化特征，土壤水分的年内变化规律可分为 3 种类型：积累型、消耗型和平衡型^[8]，它们是降水入渗补给和蒸腾蒸发两个相反过程相互制约的结果。在丰水年，只有灌木林地表现出消耗型，表明柠条的土壤水分循环强，即蒸腾蒸发大，其他 6 种土地利用类型呈现出积累型和平衡型。但在欠水年，所有土地利用类型均表现为消耗型，其原因是生长期降雨量小，补偿土壤水分少，自始至终入不敷出或积累甚微。

2.2 年际间剖面土壤水分的特征比较

　　不同年份 7 种土地利用类型剖面土壤水分的季节变化特征为：丰水年，降水对土壤水分的补偿层次深，70cm 及其以下深度的水分也受到影响，反映在土壤水分季节变化上就是各个层次的标准差大，7 种土地利用类型 70cm 深度土壤水分季节变化的标准差多数大于 2，尤其是灌木地和林地，它们的标准差分别为 5.7 和 4.8；而在欠水年，土壤水分的季节变化呈现出明显的系统规律，与土壤深度成反比，即随着深度的增加，标准差降低，除林地外，其他 6 种土地利用类型在 70cm 土层深度的标准差小于 2，灌木林地的标准差小于 1。这表明丰水年增大了剖面土壤水分的季节变异。进一步分析表明，在不同年份的湿润状况下 (1998 年 5 月 23 日和 1999 年 7 月 12 日），7 种土地利用类型土壤水分均有不同程度增加，剖面上层土壤含水量大于下层；在干旱情况下 (1998 年 6 月 19 日和 1999 年 9 月 9 日），所有土地利用类型的土壤水分较低，且剖面上层水分含量小于下层；在一般状况下，灌木地表现出剖面上层土壤水分高于下层，其他 6 种土地利用类型则与此相反。

　　在理论上，土壤水分的剖面变化可能有 4 种不同情况：①上下层土壤含水量相等，梯度为零；②下层土壤含水量总高于上层，梯度为正；③下层土壤含水量并非总大于上层，梯度正负不确定；④下层土壤含水量低于上层，梯度为负。根据这 4 种土壤水分的剖面变化特征，为它们分别命名为稳定型、增长型、波动型和降低型。丰水年，灌木地的剖面土壤水分类型为降低型，撂荒地、农地、间作地和草地剖面土壤水分类型为增长型，林地和果园地为波动型。然而，在欠水年，灌木地剖面土壤水分变化为波动型，其他 6 种土地利用剖面结构类型为增长型（图 1)。欠水年，表层土壤不仅物理蒸发强，而且降水对深层土壤水分补充也较少，因此，从丰水年到欠水年，土壤水分的剖面结构类型由降低型向波动型转化，波动型向增长型转化。

图 1 丰水年和欠水年 7 种土地利用的剖面土壤水分结构类型
Fig.1 Profile types of soil moisture of seven land uses during wet and dry years

2.3 年际间土地利用结构的土壤水分特征比较

　　不同土地利用结构对土壤水分的影响是有差异的。无论是在丰水年，还是欠水年，土地利用结构单一的土壤水分均表现出从坡顶部到坡脚逐渐增加的趋势；土地利用结构复杂，则土壤水分的空间分布也复杂，并非呈现出从坡顶到坡脚增加的趋势，而是与土地利用类型分布的位置有关。例如，在丰水年，林地位于坡中部，其土壤含水量低于坡上部和坡下部的水分含量，而位于下部则高于坡上部的土壤含水量^[6]；欠水年，位于坡下部的林地也表现出土壤水分高于坡上部的土壤水分。这些暗示了通过土地利用结构的调整或格局配置，可以调控土壤水分的分布格局，以期达到产生较少径流和控制侵蚀的目的。此外，连续两年土壤水分的定点与连续观测发现，降雨的发生减小了土壤水分从坡顶到坡脚的差异，影响了水分的剖面分布；而干旱减小了表层土壤水分的差异，增大了深层土壤水分的变异，也干扰了从坡顶到坡脚水分的变化趋势^[9]。

3 结语

　　通过对丰水年和欠水年不同土地利用类型及其结构的土壤水分差异和剖面结构的分析，可归纳出以下几点结论：

　　(1) 丰水年全流域的平均土壤含水量为 12.11%，欠水年的平均土壤含水量为 9.37%。丰水年，土地利用间土壤水分的差异减小，而欠水年土地利用间的水分差异显著；丰水年土壤水分的年内变化只有灌木地为消耗型，其他 6 种土地利用类型为平衡型或增长型，欠水年所有土地利用均为消耗型。

　　(2) 丰水年剖面土壤水分的季节变异大，欠水年剖面土壤水分的季节变异小；从丰水年到欠水年，土壤水分的剖面结构类型由降低型向波动型转化，波动型向增长型转化。

　　(3) 单一土地利用结构的土壤水分从坡顶到坡脚具有增长的趋势，而土地利用结构复杂的土壤水分沿坡面分布复杂。降雨的发生减小了土壤水分从坡顶到坡脚的差异，影响了水分的剖面分布；而干旱减小了表层土壤水分的差异，增大了深层土壤水分的变异，也干扰了从坡顶到坡脚水分的变化趋势。

参考文献

第一作者简介：

王军 (1970-），男，河南新乡人，高级工程师，博士，主要从事景观格局与生态过程、土地利用/覆被变化的研究，在 Journal of Arid Environments、Environmental Geology和地理学报等杂志上发表文章十余篇。