黃土高原地區(qū)水土保持措施對土壤水分影響研究綜述

魏 童，譚軍利,2,3，馬中昇

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021；3. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

土壤水資源作為被植物吸收利用的唯一水分來源，制約著植物的生長發(fā)育，進(jìn)而影響黃土高原的植被建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。黃土高原由于其土層深厚，地下水埋深較深，植物利用地下水困難，降水幾乎成為土壤水分的唯一補給。黃土高原地區(qū)水土流失嚴(yán)重，水土流失面積高達(dá)43 萬km2，平均每年輸入黃河的泥沙量達(dá)到1.6 億t，造成黃河河道淤積[1]。嚴(yán)重的水土流失，帶走土地肥力和土壤水分，使得土地生產(chǎn)力低下，嚴(yán)重影響黃土高原地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境。為治理水土流失，當(dāng)?shù)夭扇×艘幌盗械乃帘３执胧?，包括水土保持工程措施、植被措施和耕作措施。各種水土保持措施都會對土壤水分產(chǎn)生影響，包括土壤水分含量及土壤剖面垂直分布，反之土壤水分也會制約水土保持措施的規(guī)劃制定，進(jìn)而影響土壤水資源可持續(xù)利用和生態(tài)植被建設(shè)效果。因此，有關(guān)水土保持措施與土壤水分關(guān)系的研究一直備受關(guān)注，但研究的重點集中于植被措施與土壤水分的相互影響，對其他水土保持措施對土壤水分影響的系統(tǒng)研究較少，特別是對不同水土保持措施對土壤水分影響研究的歸納總結(jié)更少。本文針對不同水土保持措施對土壤水分的影響研究，將現(xiàn)有的主要水土保持工程措施、植被措施、耕作措施對土壤水分研究結(jié)果進(jìn)行歸納和分析，以期能夠為黃土高原土壤水分的高效可持續(xù)利用提供參考，為制定與土壤水分相適應(yīng)的水土保持措施提供理論依據(jù)。

1 水土保持工程措施對土壤水分的影響

1.1 水土保持工程措施對土壤含水量的影響

水土保持工程措施包括坡面工程中的梯田、反坡梯田、水平階及魚鱗坑，溝道工程中的淤地壩工程等。在黃土高原，坡改梯是最為常見的水土保持坡面工程之一。有研究表明，工程措施能夠顯著提高土壤含水量。穆興民[2]在測定了寧夏固原河谷斷面不同坡面工程的土壤含水量后得到，二級臺地>一級臺地>梯田>山頂>荒坡。徐學(xué)選[3]試驗表明，坡地梯田化能夠增加流域的儲水量，采取魚鱗坑、水平階等水保措施的土壤儲水量為無水保措施的107%。隔坡梯田是由其上部的坡面和梯田組成，通過上部的坡面截留地表徑流，從而達(dá)到固定水土增加土壤含水量的效果。尹傳遜[4]發(fā)現(xiàn)隔坡梯田的土壤含水量較自然坡耕地顯著增加，增幅在4.3%以上。蔣定生[5]也指出，隔坡梯田的土壤含水量在旱季和雨季均高于水平梯田。坡改梯土壤含水量增加的原因一方面是由于減小了坡度，降雨落到水平梯田后不易受重力作用形成地表徑流，減少了地面徑流，因此增加了水分滲入量使土壤含水量增加；另一方面，梯田的減沙作用固定了土壤，增加了土壤團粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高了土壤的蓄水能力和土壤含水量。淤地壩也是一項關(guān)鍵的水土保持工程措施，研究表明，各項水土保持措施中減水減沙作用最大的是淤地壩[6]。淤地壩能夠攔蓄洪水和泥沙，滯洪有效的分離了泥沙和清水，一部分富含泥沙的洪水向下沉積，通過土壤滲透轉(zhuǎn)化為土壤水和地下水，增加了土壤水含量。清水作小水庫使用，保證了壩地地表水-土壤水-地下水的可持續(xù)循環(huán)，壩地周圍的土壤水資源充足，可供作物生產(chǎn)利用，另外小水庫也可以發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖，促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展[7]。據(jù)綏德實測資料顯示，壩地的土壤含水量是坡耕地的1.86倍，有效的提高了土壤含水量[8]。

1.2 水土保持工程措施對土壤剖面的水分分布影響

水土保持工程措施不僅影響土壤含水量，對土壤剖面的水分垂直分布也會產(chǎn)生影響。張北贏[9]研究表明，不同工程措施的水分利用層并不相同：梯田在0～50 cm土壤含水量隨土層深度增加而增加，隨后逐漸減小至較為穩(wěn)定；水平階的保水作用層在0～80 cm，在此土層的土壤含水量隨深度增加而增加；而魚鱗坑在40 cm以上土層的土壤含水量水平較高。張海等[10]測定了不同坡面工程的土壤含水量后發(fā)現(xiàn)，在0～50 cm土層，隔坡梯田的土壤含水量均高于大臺田、魚鱗坑，并提出隔坡梯田是黃土高原坡面工程治理的最優(yōu)模式。王祖正[11]試驗表明，淤地壩壩地的土壤含水量由表層向深層逐漸增加，在2.1 m處達(dá)到最大，隨后逐漸減小至趨向穩(wěn)定。結(jié)合以上研究表明，坡改梯是增加土壤水最為廣泛和有效的坡面工程，且隔坡梯田的效果較好。

2 水土保持植被措施對土壤水分的影響研究

2.1 不同土地利用類型/植被類型對土壤含水量影響

植被措施是通過種植人工林樹種或增加天然植被的數(shù)目，達(dá)到固定土壤，保持水土的效果。不同植被類型的土壤含水量由于其植被類型的差別存在差異。張建軍等[12]在比較了次生林地、人工林地的土壤含水量后得到次生林地、刺槐人工林地、油松人工林地的土壤儲水量均有差異，且次生林地的土壤儲水量顯著高于人工林地。王志強[13]在測定了農(nóng)地、天然草地、人工林地的土壤含水量后指出，農(nóng)地和天然草地的平均土壤含水量在2～10 m土層分別為11.2%、10.2%，明顯高于人工林地在該土層的平均土壤含水量4.5%～5.1%。這是由于人工林樹種根系較長，強烈的蒸騰作用消耗了大量土壤水資源，造成林地土壤含水量較少，有研究表明，黃土高原半干旱區(qū)不同樹種的林地土壤含水量都很低，接近于凋萎濕度[14]。

2.2 植被覆蓋度對土壤水分影響

植被覆蓋度是植被措施對土壤水分產(chǎn)生影響的重要因素。研究表明，植被覆蓋區(qū)與裸地的土壤含水量相比，植被覆蓋地的平均土壤含水量低于裸地，這是由于植被蒸騰作用消耗了大量土壤水分造成的[15]，且植被覆蓋區(qū)和裸地的土壤水分變異系數(shù)均隨深度增加而減少，但是植被覆蓋區(qū)的變異系數(shù)明顯大于裸土，介于0.93～0.99之間，而裸土的變異系數(shù)則在0.18～0.48左右[16]，說明植被覆蓋區(qū)的水分活動更為活躍，植被對于土壤水分的影響較大。茹豪等人[17]進(jìn)行了去除植被陰影影響后的試驗，結(jié)果表明在0～150 cm土層，油松耗水量大于植被覆蓋區(qū)總耗水量與裸地耗水量之差即油松理論蒸騰耗水量，說明植被的蒸騰作用消耗了更深層的土壤水分，干擾了深層土壤水分平衡。郭忠升測定了檸條的植被密度及土壤含水量后指出，隨著密度增加，林冠截留量呈線性增加[18]，土壤水分補給量呈線性下降[19]。

植被覆蓋對土壤水分的影響主要有兩個方面，一是植被的蒸騰作用增加土壤水分的消耗，甚至?xí)蒙顚油寥浪?，造成根系分布范圍?nèi)土層的土壤水分過量消耗，如果無法及時得到補給補充，長期的土壤水分虧缺會造成土壤干燥化，甚至形成土壤干層；第二是由于植被覆蓋造成林冠截留了部分降雨，造成降水損失，減少了降水對土壤水分的補給量。

2.3 人工林土壤干層研究

土壤干層指的是土壤剖面中土壤含水量低于田間持水量，甚至接近于凋萎濕度的干燥化土層，一般土壤含水量低于10%的土層便視為土壤干層[20]。在黃土高原半干旱氣候條件下，現(xiàn)有的人工喬灌林地都會引起土壤干燥化[21]。目前針對土壤干層的形成已經(jīng)做了大量研究，王力等[20]發(fā)現(xiàn)耗水性能越強的植物，土壤干燥化程度越重，因此提出植被耗水是土壤干層形成的主要原因之一。研究表明，不同樹種的土壤干燥化程度不同：中國梧桐、楊樹林在1.5～4.0 m土層的土壤含水量低于12%，已經(jīng)出現(xiàn)土壤干層[22,23]，沙棘林在3～5 m土層的土壤水分虧缺嚴(yán)重[24]。人工檸條林地的土壤干燥化的程度高于紫花苜蓿[25]，且人工灌木的耗水強度一般大于喬木林[26]。

土壤干層的補償恢復(fù)研究近年來逐漸受到重視。苜蓿在生長5 a后，1 m土層以下可形成7 m的土壤干層[27]，但王志強[29]發(fā)現(xiàn)苜蓿翻耕12 a后，5 m以上的土壤水分得到不同程度的補償， 5 m以下并沒有得到補償。這說明深層土壤水虧損僅通過降雨和翻耕難以得到恢復(fù)。但是也有研究表明，隨著苜蓿生長年限的增加，苜蓿逐漸退化后，土壤水分可自然恢復(fù)[28]。陳凱[29]驗證了這一說法，他發(fā)現(xiàn)9年生的苜蓿在0～200 cm土層的土壤水分高于7年生苜蓿，證明9年生的苜蓿開始恢復(fù)土壤水分。

因此，在進(jìn)行植被建設(shè)時應(yīng)注意植被覆蓋度，合理選擇種植密度，提高土壤水分利用效率，使土壤水分能夠滿足植被蒸騰和蒸發(fā)消耗，實現(xiàn)土壤水資源的可持續(xù)利用，在土壤干層恢復(fù)的同時實現(xiàn)植被建設(shè)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

3 水土保持耕作措施對土壤水分影響

黃土高原以坡耕地為主，坡耕地面積占總耕地面積的83.4%[30]，不當(dāng)?shù)母鞔胧鹚亮魇В粌H導(dǎo)致土地肥力下降，也會帶走土壤中的水分，造成土地生產(chǎn)力低下，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。因此在黃土高原地區(qū)采取了一系列的水土保持耕作措施，主要通過改變地面微地形的耕作方法、增加地面覆蓋度的覆蓋耕作等。吳發(fā)啟通過試驗發(fā)現(xiàn)[31]，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，水土保持耕作管理措施均可提高土壤降水入滲速率，增加土壤水含水量，其中等高耕作的效果最為顯著。這是由于等高耕作通過改變坡面微地形，提高地面粗糙度，從而增加降雨入滲時間，攔截降水徑流，減少地面徑流，增加土壤含水量，起到了水土保持的效果。但是有研究表明，秸稈覆蓋與等高耕作相比，水土保持效果更好[32]。多項試驗表明，地膜覆蓋、秸稈覆蓋的土壤儲水量均高于無覆蓋措施的土壤儲水量，且在長期無降水補給條件下表層土壤依然能保持較高的含水量[33-36]。但是覆膜也加大了農(nóng)田耗水量，造成深層土壤水分消耗嚴(yán)重[37]。因此雖然地膜覆蓋的土壤水分利用效率高于秸稈覆蓋，但是與地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋的土壤水分狀況更好，也有試驗表明，通過秸稈還田后再進(jìn)行地膜覆蓋，能夠明顯彌補深層土壤水分消耗[38]。

4 結(jié) 語

黃土高原地區(qū)實行的各項水土保持措施均對土壤含水量產(chǎn)生影響，工程措施主要通過改變地形條件攔蓄降水，從而增加土壤含水量，植被措施是通過地面枯枝落葉層和低層植被減輕降雨對地面的沖擊力，減少地面徑流，并且攔蓄已經(jīng)產(chǎn)生的地面徑流，補充土壤水分。但是人工林的過度種植使深層土壤的土壤水分消耗巨大，造成的土壤干燥化問題嚴(yán)重制約土壤水資源的可持續(xù)利用。如果無視土壤水分狀況，為追求經(jīng)濟效益過度種植人工林，非但不能達(dá)到預(yù)想的經(jīng)濟效果，還會對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成難以彌補的破壞。耕作措施應(yīng)用的更加普遍，覆膜技術(shù)不僅能夠減少土壤蒸發(fā)，秸稈又可以攔截地表徑流，增加土壤含水量，起到固定水土的作用。

目前關(guān)于水土保持措施對土壤水分的研究中，大部分的研究方向為人工植被與土壤水分的影響關(guān)系，天然植被、工程措施和耕作措施與土壤水分關(guān)系的研究還較少。因此，為了更加深入全面的研究黃土高原水土保持措施對土壤水分的影響，制定出符合黃土高原生態(tài)建設(shè)和土壤水資源的可持續(xù)發(fā)展的水土保持措施，本文建議在以下幾個方面加強研究：

(1)有關(guān)各項工程措施的土壤水分研究大多為靜態(tài)的土壤儲水量和土壤含水量關(guān)系，對不同工程措施對土壤水分的動態(tài)研究并不多見，黃土高原為治理水土流失進(jìn)行了一系列工程措施，了解其土壤水分動態(tài)變化特點及與植被耦合后的土壤含水量變化規(guī)律，能夠為黃土高原高效利用水資源以及制定與生態(tài)效益和經(jīng)濟效益相結(jié)合的水保措施提供新的思路。

(2)目前人工林地造成的土壤干燥化問題嚴(yán)重，天然植被可否與人工林植被間錯種植，對緩解人工林地土壤干層效果如何還尚未可知。

(3)林冠截留、枯枝落葉層對土壤水分影響的系統(tǒng)研究也有所欠缺。林冠截留雖然能夠減弱降雨沖蝕地面程度，但是截留的部分降雨也造成了降水損失，減少土壤水分補給。林冠截留和枯落物具體對土壤水分產(chǎn)生如何影響目前還未見研究。