竹節(jié)水平溝對紅壤坡面土壤水分的影響

王 嘉 莫明浩 宋月君 劉 昭 聶小飛

( 江西省水土保持科學研究院，江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029)

水資源利用率低和因降雨的時空分布不均造成旱澇災害頻繁，是我國水資源狀況面臨的突出問題。無論是大氣降水、地表水還是地下水，都必須通過土壤這個載體，經(jīng)土壤水的調(diào)控，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用[1]，“土壤水庫”對于汛期的防洪減災和旱季的水分保蓄利用都具有重要作用[2-3]。然而，在水土流失區(qū)若土壤侵蝕加劇，土壤水庫的總庫容量則會隨之損失嚴重[4-5]。

受降雨量大、擾動頻繁、多山丘地形等影響，紅壤坡地水土流失嚴重，裸露地的年均土壤侵蝕模數(shù)多在5 000 t/km2以上，達強烈等級[6]。水土保持措施在減少水土流失的同時，可達到增加土壤水庫庫容的目的。水土保持措施的已有研究表明：枯落物覆蓋，能夠有效提高紅壤坡地土壤持水能力[7]，土壤水分虧缺度小[8]；等高綠籬，能使植物在干濕兩季充分利用紅壤淺溝坡面水分，緩解季節(jié)性干旱[9]；條帶植草，在紅壤坡地果園中具有明顯的減流減沙效應(yīng)和蓄積水分作用[10]。竹節(jié)水平溝，作為我國南方紅壤侵蝕區(qū)最具特色的水土保持工程措施之一，具有良好的蓄水保土效果，在區(qū)域水土流失治理中發(fā)揮著重要的作用[11-12]，但目前對于竹節(jié)水平溝對坡面土壤水庫和土壤水分影響程度的研究相對較少。通過在江西省選取樣地進行試驗，了解竹節(jié)水平溝這一工程措施的影響，對于水土流失防治、防洪減災、抗旱保墑及踐行“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時期治水思路均具有重要意義。

1 研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗樣地位于江西省泰和縣老虎山小流域，地處114°52′～114°54′E、26°50′～26°51′N，地貌屬低淺丘陵區(qū)，海拔80～200 m，丘坡平緩，坡度多在5°左右。屬中亞熱帶濕潤性季風氣候，年均氣溫18.6 ℃，≥10 ℃的年積溫為5 918 ℃，極端最低、最高氣溫分別為-6 .0 ℃和40.4 ℃，夏季多伏旱天氣，年均降雨量1 363 mm，無霜期288 d[13]。土壤為第四紀紅土發(fā)育而成的紅壤，地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林。在20 世紀90年代以來實施的國家水土保持重點建設(shè)工程中，小流域坡面多開挖竹節(jié)水平溝，種植馬尾松（Pinus massoniana）、楓香（Liquidambar formosana）、木荷（Schima superba）、胡枝子（Lespedeza bicolor）等水保林進行治理[14]。

試驗期間2018年6月至2019年5月期間泰和縣老虎山小流域降雨量見表1。月際分布特征呈現(xiàn)單峰型，2018年6月降雨量最大，達304.0 mm，最大日降雨量達92.5 mm。2018年9月降雨量最小，僅16.0 mm。

表1 泰和縣老虎山小流域2018年6月—2019年5月降雨特征Table 1 Rainfall characteristics of Laohushan small watershed in Taihe County from June 2018 to May 2019

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 試驗處理

在泰和縣老虎山小流域選擇了4個試驗坡面區(qū)域，共12個樣地，4 種處理分別編號為a、b、c、d，進行土壤容重和土壤水分的取樣測試分析，均位于中坡和下坡，試驗處理見表2，樣地情況見圖1。

表2 泰和縣老虎山小流域試驗樣地情況Table 2 Experimental plots in Laohushan small watershed of Taihe County

1.2.2 竹節(jié)水平溝尺寸

竹節(jié)水平溝布設(shè)于風化強烈、土層較薄、水土流失強度大的坡地，在山坡上沿等高線每隔一定距離修建的截流、蓄水溝（槽），蓄水攔沙，其溝（槽）內(nèi)間隔一定距離設(shè)置1個土垱以間斷水流，形似竹節(jié)；防御暴雨標準采用10年一遇6 h最大降雨；梯形臺體結(jié)構(gòu)，上下溝呈品字形布設(shè)[15]。共選取竹節(jié)水平溝6 處，其中c 處理3 處、d 處理3 處。各竹節(jié)水平溝的尺寸見表3。

表3 各竹節(jié)水平溝尺寸Table 3 Sizes of each bamboo-type contour trench cm

圖1 野外樣地現(xiàn)場Fig. 1 Pictures of each field plot

1.2.3 試驗方法

試驗時間為2018年6月至2019年5月。采用取樣法，分0～20、20～40、40～60 cm 3 層取樣，竹節(jié)水平溝分溝內(nèi)和溝外取樣。每月取樣1 次，均于中下旬未降雨時或雨停后第2 天的每日上午取樣。土壤容重采用環(huán)刀法測定，土壤水分采用鋁盒稱重烘干法測定，降雨量通過小流域中全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的氣象站觀測。各土層的蓄水量采用下式計算[2]：

式中：Wi為每層土壤水分儲量（mm），W為土壤水分總儲量（mm），wi為土壤含水量（%）ri為每層土壤容重（g/cm3），hi為分層厚度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 軟件進行整理和作圖，采用SPSS 軟件進行方差分析和顯著性檢驗，檢驗方法采用ANOVA 法，t檢驗顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理各土層蓄水量對比

6個不同處理樣地各土層蓄水量見表4。從各土層蓄水量來看，c-溝內(nèi)、c-溝外和d-溝內(nèi)基本為20 cm 土層蓄水量最大；a 樣地和b 樣地基本是夏季時深土層蓄水量最大，其他月份為20 cm 土層蓄水量最大；d-溝外基本為60 cm 土層蓄水量最大，各層的土壤蓄水量相差不大。

表4 各樣地各土層蓄水量Table 4 Soil water storage of each soil layer in different treatments mm

從各樣地蓄水量總和來看，由大到小的順序依次為d-溝內(nèi)＞d-溝外＞c-溝內(nèi)＞a＞c-溝外＞b。紅壤坡面土壤水庫的庫容較大，60 cm 土層土壤蓄水量均在81.8 mm 以上。竹節(jié)水平溝溝內(nèi)比溝外的蓄水量相對更大?？萋湮锔采w區(qū)域土壤蓄水量相對最大。裸露坡面的蓄水量較大，與其沒有植物對水分的吸收、沒有蒸騰作用有關(guān)。純水保林下裸露區(qū)域土壤蓄水量相對最小且月際變化不大。

2.2 竹節(jié)水平溝對蓄水量的影響

以b 樣地為對照，計算c 樣地、d 樣地對0～60 cm 土層土壤蓄水量的影響。竹節(jié)水平溝對蓄水量的增加率見表5。由表5 可知，有竹節(jié)水平溝的樣地每月對坡面土壤蓄水量均有增加。c-溝內(nèi)蓄水量可增加40%～93%，平均增加73%；c-溝外蓄水量可增加9%～46%，平均增加31%。d-溝內(nèi)蓄水量可增加79%～126%，平均增加98%；溝外蓄水量可增加55%～88%，平均增加75%?？梢?，竹節(jié)水平溝具有增加坡面土壤水庫的作用。

表5 竹節(jié)水平溝對蓄水量的增加率Table 5 Increasing rate of soil water storage by bamboo-type contour trench %

溝內(nèi)蓄水量增加量大于溝外，d-溝內(nèi)蓄水量增加量在這12個月都在1 倍左右；c-溝外蓄水量增加量最少，但也增加了30%左右，即在同樣水保林下，有竹節(jié)水平溝措施的坡面在溝外的土壤蓄水量也比無竹節(jié)水平溝措施大。由此可見，竹節(jié)水平溝無論溝內(nèi)還是溝外，全年都能起到蓄積水分、增加土壤水庫庫容的作用，這對于防汛和抗旱都具有重要意義，是南方紅壤侵蝕區(qū)調(diào)控水量的治本措施之一。

2.3 竹節(jié)水平溝對土壤水分含量的影響

因土壤水分含量受降雨影響，故將月降雨量和取樣前5 日的降雨量[16]考慮入內(nèi)。為了分析竹節(jié)水平溝的影響，將b 樣地與c 樣地溝內(nèi)、d 樣地溝內(nèi)的土壤水分含量進行對比分析，其土壤含水量見圖2。

圖2 各樣地不同月土壤含水量變化Fig. 2 Changes of soil water content in different months

b 樣地的土壤含水量較小，所有土層均在16%以下。其土壤含水量與降雨量關(guān)系密切，在雨季降雨量最大的4—6月的3個月中，土壤水分含量也最大；在降雨量小的8—9月，土壤水分含量也最小，所有土層土壤含水量均在9%以下，且受伏旱天氣影響較大，使得土壤含水量在一年中的最小值與最大值相差96%；其他月份的土壤含水量處于中間水平，各月份之間相差不大。從土層深度來看，3個土層土壤含水量相差不大，大多呈現(xiàn)表層0～20 cm 土層稍高的規(guī)律，說明水保林的根系對土壤含水量有影響。

c 樣地溝內(nèi)的土壤含水量均大于b 樣地，除9月在12%～14%外，其他月份表層土壤含水量均在16%以上，說明在水保林中開挖竹節(jié)水平溝具有蓄積水分的作用。除降雨量最小月9月時土壤含水量最小外，其他月份的土壤含水量與降雨量大小沒有明顯的規(guī)律性，3月和5月的土壤含水量較大。在氣溫高的7月和8月，土壤含水量仍然與6月相差不大甚至部分土層更高，說明竹節(jié)水平溝在伏旱天氣中能起到一定的儲水作用。

d 樣地溝內(nèi)土壤含水量基本呈現(xiàn)隨土層深度增加而減小的規(guī)律，且水分含量較為穩(wěn)定?；緸楸韺拥耐寥篮孔畲螅S著土層深度的增加，含水量減小，這與溝內(nèi)蓄水以及溝周邊植被的根系作用有關(guān)?？傮w而言，因徑流易匯入竹節(jié)水平溝，溝內(nèi)土壤含水量相對較大，均在17%以上。受竹節(jié)水平溝微地形和枯落物覆蓋的影響，在降雨量和取樣前期降雨量都很小的9月，土壤含水量仍然較高，為18%～21%，高于7月、8月和6月。受枯落物覆蓋影響，溝內(nèi)土壤含水量隨月際變化的幅度相對不大。

2.4 土壤水分含量的季節(jié)特征

為分析不同處理樣地的土壤水分含量的特點，選取每個季節(jié)中的1個月份（1月、4月、7月和9月）對a、b、c-溝內(nèi)、c-溝外、d-溝內(nèi)、d-溝外等6個不同處理樣地的土壤含水量進行對比分析，如表6 所示。

在春季4月份，各樣地在各土層深度上的土壤含水量大小不一。在0～20 cm 處的土壤含水量大小排序為d-溝內(nèi)＞d-溝外＞c-溝內(nèi)＞a＞c-溝外＞b；經(jīng)方差分析，d-溝內(nèi)與其他處理差異顯著（P＜0.05）；b 與c 溝外差異不顯著，與其他處理差異顯著。在20～40 cm 處的土壤含水量排序為d-溝外＞a＞d-溝內(nèi)＞c-溝內(nèi)＞c-溝外＞b；d-溝內(nèi)除與a 和d-溝外差異不顯著外，與其他處理均有顯著性差異；c-溝內(nèi)除與c 溝外差異不顯著外，與其他處理均差異顯著；a 的含水量較大，且除與d-溝內(nèi)和d-溝外差異不顯著外，與其他處理均差異顯著。在40～60 cm 處的土壤含水量排序為a＞d-溝內(nèi)＞d-溝外＞c-溝外＞c-溝內(nèi)＞b；d-溝內(nèi)除與d-溝外差異不顯著外，與其他處理均差異顯著；c-溝內(nèi)除與c-溝外差異不顯著外，與其他處理均差異顯著；a的含水量最大，且與其他處理均差異顯著。

表6 不同樣地不同時期土壤含水量分布Table 6 Soil water content distribution at different periods in each treatment %

在夏季7月份，各樣地在各土層深度上的土壤含水量大小排序基本一致，表層0～20 cm 處土壤含水量排序為d-溝內(nèi)＞a＞c-溝內(nèi)＞d-溝外＞c-溝外＞b，d-溝內(nèi)除與c-溝內(nèi)和a 差異不顯著外，與其他處理均差異顯著。在深層20～40 cm 和40～60 cm處土壤含水量排序為d-溝內(nèi)＞a＞d-溝外＞c-溝內(nèi)＞c-溝外＞b，d-溝內(nèi)除與a 差異不顯著外，與其他處理均差異顯著。

在秋季9月份，各樣地在各土層深度上的土壤含水量大小排序完全一致，為d-溝內(nèi)＞a＞d-溝外＞c-溝內(nèi)＞c-溝外＞b，即土壤含水量最高的是d-溝內(nèi)，基本與其他處理呈顯著性差異；含水量最低的是b，除與c-溝外差異不顯著外，與其他處理差異均顯著；c-溝內(nèi)含水量雖小于a，但是差異不顯著。

在冬季1月份，各樣地在各土層深度上的土壤含水量大小排序基本一致，為d-溝內(nèi)（或a）＞d-溝外＞c-溝內(nèi)＞c-溝外＞b。d-溝內(nèi)土壤含水量最大，除在0～20 cm 處與a 差異不顯著、在20～40 cm處與c-溝內(nèi)和d-溝外差異不顯著外，與其他處理均差異顯著；b 的土壤含水量最小，且與其他處理均差異顯著。

總體來看，各季節(jié)的土壤含水量特征有一定共性規(guī)律，即土壤含水量最低的都是b 樣地，最高的是d-溝內(nèi)樣地或a 樣地，同一處理樣地的溝內(nèi)土壤含水量大于溝外。在氣溫低的1月和多雨的4月，d-溝內(nèi)樣地表層的土壤含水量大于a 樣地，而深層的土壤含水量低于a 樣地。在氣溫高的7月和9月，d-溝內(nèi)樣地的土壤含水量明顯大于a 樣地，尤其是降雨量小的9月，d-溝內(nèi)樣地的土壤含水量遠高于a 樣地。

3 結(jié)論與討論

土壤含水量受土層深度、降雨量和季節(jié)等因素影響[17]。a 樣地土壤含水量受氣溫影響大，土壤含水量基本隨土層深度而增大，氣溫高的月份的土壤含水量低于氣溫低的月份，說明裸露坡面在夏季時蒸發(fā)量大；這與文獻[18-20]中認為裸露地表降雨時無法有效截持雨水且旱季蒸發(fā)劇烈，蓄水能力弱的結(jié)論一致。b 樣地土壤含水量同樣受降雨和氣溫影響較大，c 樣地溝內(nèi)則影響較小。d 樣地溝內(nèi)的土壤含水量隨土層深度而減小，在降雨量和取樣前期降雨量都很小的9月，土壤含水量仍然較高，說明竹節(jié)水平溝和枯落物覆蓋措施蓄水保水能力較強，這與文獻[21-22]中認為的覆蓋物能增大土壤含水量的結(jié)論一致。

分析對比6 種處理樣地的土壤含水量特點，基本特征均為：土壤含水量最低的都是b 樣地，最高的是d-溝內(nèi)樣地或a 樣地。分析其原因，認為：1）b 樣地是表面基本裸露、有少量枯落物的水保林，因受表層裸露蒸發(fā)水分和深層根系吸收水分的雙重消耗影響，土壤含水量處于最低水平，四個季節(jié)中d 溝內(nèi)樣地比b 樣地土壤含水量高出79%～146%。這也是產(chǎn)生林下水土流失的重要原因，土壤水分成為植被生長的限制性因子[23-24]，因土壤水分含量低，植被難以生長成活，故工程上常采用開挖竹節(jié)水平溝措施。2）c 樣地有植被和少量枯落物，主要受根系吸水和部分裸露地表水分蒸發(fā)消耗的影響。d 樣地因枯落物的覆蓋減少了水分蒸發(fā)，使得土壤水分含量大于c 樣地，同時受竹節(jié)水平溝的蓄水作用，同種處理的溝內(nèi)樣地土壤水分含量大于溝外樣地。3）a 樣地土壤含水量較高，在春季和冬季，d-溝內(nèi)樣地表層的土壤含水量大于a 樣地，而深層的土壤含水量低于a 樣地；這和土層水分無植物根系吸收有關(guān)，土壤持水較多，且沒有植物蒸騰作用的水分消耗，僅受土壤水分蒸發(fā)的影響，這與文獻[10]中裸露紅壤研究的結(jié)論一致。而在夏季和秋季，d-溝內(nèi)樣地的土壤含水量大于a 樣地，尤其是氣溫高、降雨量小的9月，具有顯著性差異。a 樣地土壤含水量雖大多大于c-溝內(nèi)樣地，但并不都具有顯著性差異，且因土壤容重等的影響，c-溝內(nèi)樣地的蓄水量仍大于a 樣地。

本研究在對國家重點治理工程小流域的竹節(jié)水平溝及其對照樣地取樣試驗后，分析竹節(jié)水平溝對紅壤坡面土壤水分的影響，得出以下結(jié)論：1）竹節(jié)水平溝溝內(nèi)60 cm 土層蓄水量為138.1～237.3 mm，高于裸露坡面和水保林坡面，無論溝內(nèi)還是溝外，全年都能起到蓄積水分、增加土壤水庫庫容的作用，這對于防汛和抗旱都具有重要意義，是南方紅壤侵蝕區(qū)調(diào)控水量的治本措施之一。2）水保林+竹節(jié)水平溝溝內(nèi)的土壤含水量大于水保林地；水保林+竹節(jié)水平溝+枯落物覆蓋樣地溝內(nèi)的土壤含水量基本最大，在17%～28%，比水保林地高出79%～146%，在氣溫偏高且降雨量最小的9月，溝內(nèi)各層的土壤含水量均高于其他樣地，證明了竹節(jié)水平溝措施在枯水季節(jié)的保水作用。