黃土路塹邊坡土壤水分空間分布特征及影響因素

姚亞蘭，高德彬，張玉潔，王聞?wù)?，?超

（長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安710054）

邊坡植被防護(hù)就是在邊坡整體穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，主要靠植物根系的加固作用和莖葉以及枯落物的降雨截留、削弱濺蝕和抑制地表徑流的作用來達(dá)到加固坡面、提高坡面抗沖刷能力的目的［1］。但是在新開挖形成的路塹邊坡上種植何種植物，采取何種種植模式才能夠既起到加固坡面，提高坡面抗沖刷能力，又能夠保證植物可以長(zhǎng)期存活，與當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境相適應(yīng)，是目前需要解決的問題。而邊坡土壤中的水分是植物生長(zhǎng)所必需的條件，因此在進(jìn)行邊坡植被防護(hù)時(shí)必須考慮路塹邊坡土壤水分空間特征的影響因素。已有許多學(xué)者［2－5］對(duì)土壤水分空間特征問題進(jìn)行了大量研究。但其研究對(duì)象主要針對(duì)正常耕作土壤，而對(duì)于新開挖形成的通氣性差，透水性和蓄水能力低，養(yǎng)分有效性差的路塹邊坡的研究卻很少?；诖?，本研究通過對(duì)西安市黃土路塹邊坡植被防護(hù)進(jìn)行調(diào)查，選取西安市南三環(huán)、公園南路、繞城高速的路塹邊坡植被防護(hù)為例，以不同邊坡坡位、坡度（比）、坡向、植被類型和防護(hù)模式的0—5m深度的土壤水分為研究對(duì)象，探討黃土路塹邊坡土壤水分空間特征的影響因素，以期為黃土地區(qū)黃土路塹邊坡植被防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1 南三環(huán)試驗(yàn)點(diǎn) 南三環(huán)試驗(yàn)點(diǎn)，坡型采用4級(jí)臺(tái)階型，防護(hù)類型為植被防護(hù)，單級(jí)坡坡度為30°～50°，植被類型為沙地柏、紫穗槐和小冠花。邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型為新老黃土組合型，1級(jí)與2級(jí)為離石黃土上部，3級(jí)與4級(jí)為馬蘭黃土。

1.1.2 公園南路試驗(yàn)點(diǎn) 公園南路試驗(yàn)點(diǎn)，坡型采用4級(jí)臺(tái)階型，防護(hù)類型為綜合防護(hù)。1級(jí)邊坡下部坡度為70°，用漿砌片石防護(hù)；上部坡度為60°，采用六邊形混凝土框架植被防護(hù)，植被為紫穗槐和小冠花交替栽植。2，3和4級(jí)均為掛網(wǎng)防護(hù)，坡度為40°～50°。邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型為新老黃土組合型，即1級(jí)與2級(jí)為離石黃土上部（），3級(jí)與4級(jí)為馬蘭黃土（）。

1.1.3 繞城高速試驗(yàn)點(diǎn) 繞城高速試驗(yàn)點(diǎn)，坡型采用一坡到頂型，坡度為42°，最初采用三維網(wǎng)植草防護(hù)，植被類型為黑麥草、高羊茅、鴨茅和小冠花［6］；后又改為三維網(wǎng)植草植樹防護(hù)，植被類型為沙地柏、紫穗槐、紫花苜蓿和小冠花，屬于草本植物—灌木發(fā)展模式。地質(zhì)結(jié)構(gòu)為新黃土結(jié)構(gòu)單一型，馬蘭黃土（）。

南三環(huán)試驗(yàn)點(diǎn)與公園南路試驗(yàn)點(diǎn)邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型一致，設(shè)計(jì)坡型一致，但是防護(hù)類型和坡比不同。而繞城高速試驗(yàn)點(diǎn)與南三環(huán)和公園南路試驗(yàn)點(diǎn)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、設(shè)計(jì)坡型、防護(hù)模式和坡比均不同。這樣可使得試驗(yàn)結(jié)果具有代表性（圖1）。

圖1 不同試驗(yàn)點(diǎn)的斷面圖

1.2 數(shù)據(jù)采集

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，南三環(huán)試驗(yàn)點(diǎn)根據(jù)邊坡防護(hù)植被類型不同，在每一級(jí)邊坡選擇上坡位（距離坡頂2m）、中坡位（坡面最中間）和下坡位（距離坡腳2m）3個(gè)部位進(jìn)行取樣，取樣總數(shù)為44個(gè)。公園南路試驗(yàn)點(diǎn)在每級(jí)坡面的下坡位取樣，并在坡頂有植被覆蓋和無植被覆蓋處取樣，取樣總數(shù)為8個(gè)。繞城高速試驗(yàn)點(diǎn)在坡面的上坡位和中坡位分別取樣，取樣總數(shù)為4個(gè)。各處取樣均勻，間隔為15cm，取樣深度為4.5～5m，取樣時(shí)間為2013年4月。

土壤樣品的采集使用人工洛陽(yáng)鏟采取，用保鮮膜盛裝，并做好標(biāo)記，避免日光照射，盡快帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定含水率。土壤含水量的測(cè)定采用烘干稱重法，烘干溫度為105℃，烘干時(shí)間為10h，烘干前后土重用高精度電子天平稱量［2］。土壤含水量計(jì)算公式為：

式中：ω——所測(cè)樣品的土壤含水量；ω1——烘干前土壤樣品重量；ω2——烘干后土壤樣品重量。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡位對(duì)土壤水分空間特征的影響

2.1.1 同坡級(jí)不同坡位對(duì)土壤水分空間特征的影響為了研究坡位對(duì)土壤含水率的影響，在南三環(huán)路塹邊坡試驗(yàn)點(diǎn)的沙地柏林地和紫穗槐林地分別選取陽(yáng)坡和陰坡2個(gè)樣帶，各樣帶均為同一植被類型，種植密度一致。分別在每個(gè)樣帶的每一級(jí)坡面的上、中、下3個(gè)坡位林木生長(zhǎng)較為均勻處各取1個(gè)樣點(diǎn)，鉆孔取樣，然后測(cè)定土壤的含水率。由圖2可知，紫穗槐林地上、中、下坡位的平均含水率分別為15.51%，20.83%和16.92%，中坡位大于下坡位，下坡位大于上坡位。沙地柏林地上、中、下坡位的平均含水率分別為17.83%，20.96%和19.55%，中坡位大于下坡位，下坡位大于上坡位?？傮w來看，不同坡位土壤水分的剖面分布特征總體較為一致，即隨著土層深度的不斷增加，土壤含水率逐漸增大，最終趨于一致。因?yàn)辄S土丘陵區(qū)土壤水分，尤其是0—2m深度范圍屬于速變層［3］，土壤含水量波動(dòng)較大，且無明顯的規(guī)律性，其變化主要受氣象因素和地表覆蓋物等的影響［4］。由于降水的徑流作用，下坡位土壤可以積蓄比中坡位和上坡位較多的水分。但是在坡腳種植了喬木旱柳，根系發(fā)達(dá)，從下坡位土壤中吸收的水分較多，對(duì)下坡位土壤水分影響很大，即從徑流中蓄積的水分小于旱柳吸收的水分，使得下坡位的土壤含水率低于中坡位的土壤含水率。

圖2 同一坡級(jí)不同坡位的土壤含水率隨深度的垂直變化

2.1.2 同一坡位不同坡級(jí)對(duì)土壤水分空間特征的影響 由圖3可知，第2級(jí)和第3級(jí)沙地柏林地土壤含水率平均值分別為15.39%和17.26%，第3級(jí)大于第2級(jí)，但是總體趨勢(shì)為隨著深度的增加，含水率逐漸增大，最終趨于一致。第2，3，4級(jí)紫穗槐林地土壤含水率平均值分別為15.08%，16.41%和20.83%，第4級(jí)土壤含水率大于第3級(jí)與第2級(jí)。這是因?yàn)榈?級(jí)和第3級(jí)邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)大部分為Q3黃土，粉沙土為主，土質(zhì)疏松，孔隙比較大，容易蓄積水分。而第2級(jí)邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)為Q3黃土，地質(zhì)結(jié)構(gòu)為Q2黃土，質(zhì)地均勻，較致密，含有大量的漿石結(jié)核，不容易蓄積水分。

由以上分析可知，同種植被類型林地的土壤高坡級(jí)含水率大于低坡級(jí)。

圖3 不同坡級(jí)相同坡位的土壤含水率隨深度的垂直變化

2.2 坡向?qū)ν寥浪挚臻g特征的影響

為了研究坡向?qū)ν寥篮实挠绊?，選取南三環(huán)與公園南路和繞城高速路塹邊坡的陽(yáng)坡和陰坡兩個(gè)樣帶，分別在每個(gè)樣帶的每一級(jí)坡面的上、中、下3個(gè)坡位林木生長(zhǎng)較為均勻處各取1個(gè)樣地，鉆孔取樣，然后測(cè)定土壤的含水率。

由圖4可以看出，南三環(huán)路塹邊坡第4級(jí)紫穗槐林地，陰、陽(yáng)坡平均含水率分別為20.83%和12.63%；公園南路路塹邊坡4級(jí)坡頂，陰、陽(yáng)坡平均含水率分別為15.34%和12.17%；繞城高速路塹邊坡坡頂，陰、陽(yáng)坡平均含水率分別為13.12%和9.27%，陰坡含水率明顯大于陽(yáng)坡。因?yàn)殛幤率艿降墓庹毡容^少，表層雜草較多，枯落物覆蓋物多，蒸發(fā)水分較陽(yáng)坡少。

圖4 不同坡向的土壤含水率隨深度的垂直分布

2.3 坡度對(duì)土壤水分空間特征的影響

由圖5可以看出，公園南路陰坡二級(jí)坡腳，坡度為29°和53°的邊坡土壤含水率平均值分別為18.30%和12.83%；陽(yáng)坡二級(jí)坡腳，坡度為29°和53°的邊坡土壤含水率平均值分別為16.37%和13.48%，低坡度土壤含水率明顯大于高坡度。但是總體來看，低坡度和高坡度的土壤含水率隨著深度的變化趨勢(shì)一致，都是隨著土層深度的增加而增加。因?yàn)樵诮邓畷r(shí)，低坡度的坡面接受的降水和坡面徑流易于入滲，不易形成坡面徑流，而高坡度坡面接受的降水易于形成徑流流失，難于下滲，這就導(dǎo)致低坡度的土壤含水率大于高坡度。

圖5 不同坡級(jí)邊坡土壤含水率的垂直分布

2.4 植被類型對(duì)土壤水分空間特征的影響

為了研究不同植被類型對(duì)黃土邊坡土壤含水率的影響，在南三環(huán)路塹邊坡陽(yáng)坡和陰坡各選取沙地柏林地和紫穗槐林地，分別測(cè)取了土壤含水率隨深度的變化。

由圖6可知，南三環(huán)陰坡第3級(jí)邊坡沙地柏林地和紫穗槐林地土壤含水率平均值分別為20.96%和16.41%；南三環(huán)陽(yáng)坡第3級(jí)邊坡沙地柏林地和紫穗槐林地土壤含水率平均值分別為17.26%和13.15%，沙地柏林地土壤含水率大于紫穗槐林地。這是因?yàn)樯车匕厥琴N在坡面上的，覆蓋面積大，水分蒸發(fā)少，而且部分坡面上有苔蘚等生物結(jié)皮［7］及其分泌物將松散土粒緊密地纏繞和黏結(jié)在一起，并以自身的代謝方式改變土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗蝕性，減少?gòu)搅?，增加滲流。而紫穗槐是直立的，而且目前剛剛發(fā)芽，陽(yáng)光可以透過樹枝照到坡面，水分蒸發(fā)比較多。另外，沙地柏為淺根性植物，須根發(fā)達(dá)，對(duì)土壤含水率的影響很大。而紫穗槐主側(cè)根均發(fā)達(dá)，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有韌性，長(zhǎng)可達(dá)2m，須根稠密，需水量很大，從土層中吸收的水分很多。長(zhǎng)此以往，沙地柏林地含水率大于紫穗槐林地。植被類型對(duì)土壤含水率的影響很大，植被貼地面覆蓋對(duì)防止土壤侵蝕有至關(guān)重要的作用［8］。貼地植被所覆蓋的土壤含水率大于直立植被所覆蓋的土壤含水率。

圖6 同一坡位不同植被邊坡土壤含水率的垂直分布

2.5 植被防護(hù)模式對(duì)土壤水分空間特征的影響

為了研究不同植被防護(hù)模式的黃土路塹邊坡含水率隨深度的變化，選取南三環(huán)第4級(jí)邊坡與繞城高速黃土路塹邊坡為研究對(duì)象，對(duì)含水率進(jìn)行了對(duì)比分析。

其中南三環(huán)第4級(jí)邊坡全部種植紫穗槐，屬于灌木一次到位模式；繞城高速邊坡最初先采用三維網(wǎng)植草防護(hù)，由于防護(hù)效果不好，然后又在三維網(wǎng)上種植紫穗槐和沙地柏，呈“梅花型”分布，屬于由草本植物向灌木發(fā)展的模式（圖7）。

圖7 不同植被防護(hù)模式的土壤含水率垂直變化

由圖7可知，在陰坡中坡位，繞城高速和南三環(huán)第4級(jí)邊坡土壤含水率的平均值分別為14.48%和20.83%。在陰坡上坡位，繞城高速和南三環(huán)第4級(jí)邊坡土壤含水率的平均值分別為13.12%和17.74%。在陽(yáng)坡上坡位，繞城高速和南三環(huán)第4級(jí)邊坡土壤含水率的平均值分別為9.27%和14.46%。由此可知，南三環(huán)土壤含水率明顯大于繞城高速。南三環(huán)第4級(jí)邊坡與高速路面的距離遠(yuǎn)大于繞城高速邊坡與高速路面的距離。由于路面是黑色的，吸收的熱量多，而且在路上行駛的車輛，由于風(fēng)速、摩擦、燃油能量轉(zhuǎn)化過程，使周圍環(huán)境的濕度降低，溫度升高，距離越近從土壤中吸收的水分越多，土壤含水率自然就越少。而且繞城高速邊坡坡面上沙地柏、紫穗槐和麥芒草交叉種植，植被密度較大，從土壤中吸收的水分就較多，土壤主要受到降水、空氣濕度和植物根系的影響，因此南三環(huán)邊坡土壤含水率大于繞城高速。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果，繞城高速邊坡草灌結(jié)合防護(hù)模式的防護(hù)效果要優(yōu)于南三環(huán)邊坡灌木單一模式，植被生長(zhǎng)狀況好。但是，根據(jù)含水率測(cè)試結(jié)果可知，草灌結(jié)合模式林地的土壤含水率明顯低于灌木單一模式，由于植物密度太大，所需水分較多，從土壤中吸收水分較多，導(dǎo)致土壤含水率過低。因此，邊坡防護(hù)植被密度及種植模式的選擇也至關(guān)重要。

3 結(jié)論

（1）坡度、坡向、坡位和植被類型等是土壤水分空間特征的重要影響因子。小坡度邊坡土壤含水率大于大坡度；陰坡土壤含水率大于陽(yáng)坡；中坡位土壤含水率大于下坡位，下坡位大于上坡位；貼地植被覆蓋的土壤含水率大于直立植被土壤含水率。

（2）植被防護(hù)模式也是土壤水分空間特征的重要影響因子。由草本植物向灌木發(fā)展模式的邊坡土壤含水率低于灌木一次到位模式，但是前者植被的生長(zhǎng)狀況優(yōu)于后者。

（3）水分和養(yǎng)分是植被生長(zhǎng)必需的條件，如果植被密度過大，所需水分較多，當(dāng)剖面某一層土壤含水量低于萎蔫系數(shù)時(shí)，會(huì)影響根系吸水；當(dāng)?shù)陀谖柘禂?shù)的土層增加到一定程度時(shí)，根系吸水非常困難，土壤水分會(huì)嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)，因此在植被防護(hù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)坡向、坡度、坡位和坡級(jí)選擇不同的植被密度。

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