晉西黃土區(qū)切溝對(duì)其上方集水區(qū)內(nèi)土壤水分的影響

施政樂(lè)， 張建軍,2,3,4， 申明爽， 劉 暢， 胡亞偉， 徐勤濤

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站山西 吉縣 042200；3.北京林業(yè)大學(xué)水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心(北京林業(yè)大學(xué))，北京 100083)

切溝是黃土地貌發(fā)育過(guò)程中最活躍的侵蝕溝類型，在一定程度上切溝對(duì)黃土地區(qū)地貌特征起著決定性作用，它映射了黃土地貌的空間分異特征。在黃土地貌發(fā)育進(jìn)程中，溯源侵蝕是侵蝕溝發(fā)育的基本方式。隨著溯源侵蝕的發(fā)生發(fā)展，切溝溝頭的位置、高度、形態(tài)等均會(huì)發(fā)生顯著變化。切溝上方集水區(qū)內(nèi)地表徑流匯集并向下流入切溝內(nèi)，通過(guò)不斷地沖掏溝頭，形成跌水，進(jìn)而引起溝頭土體坍塌，形成溝壁。溝壁的形成使其上方集水區(qū)的蒸發(fā)面(垂直蒸發(fā)面)增大，這必然會(huì)對(duì)集水區(qū)內(nèi)臨近切溝溝壁部位的土壤水分狀況產(chǎn)生影響。尤其是臨近溝壁附近的土壤水分，因受溝壁蒸發(fā)和地表面蒸發(fā)的共同作用，土壤含水量必然與集水區(qū)內(nèi)其他部位的含水量不同。但是切溝對(duì)其上方集水區(qū)的土壤水分狀況有怎樣的影響？影響范圍有多大還鮮有研究。

對(duì)切溝附近土壤含水量的準(zhǔn)確把握不僅是選擇造林樹種的需要，更是判斷溝頭是否發(fā)生崩塌以及布設(shè)溝頭防護(hù)措施的主要依據(jù)，因此探究切溝對(duì)其上方集水區(qū)土壤水分的影響具有重要意義。許多學(xué)者針對(duì)切溝展開了一系列研究，謝云等對(duì)切溝內(nèi)不同部位的土壤水分狀況和空間變化特征進(jìn)行過(guò)探究發(fā)現(xiàn)，切溝內(nèi)溝頭部位的土壤水分狀況較好；張寶軍等基于力矩法探究了切溝溝頭的穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，溝頭穩(wěn)定性受土壤含水量、內(nèi)凹洞發(fā)育高度、裂縫發(fā)育深度等多因素綜合影響；王小丹等研究了切溝的形態(tài)學(xué)特征發(fā)現(xiàn)，溝頭的分形特征在一定程度上能表征切溝發(fā)育的特征；馬玉鳳等監(jiān)測(cè)了雨季前后切溝溝頭的侵蝕狀況發(fā)現(xiàn)，溝頭上部土體干裂會(huì)加強(qiáng)雨季的流水侵蝕，且溝頭土體穩(wěn)定性隨裂縫發(fā)育增大呈指數(shù)函數(shù)降低?？梢姡瑢?duì)切溝的研究主要集中于形態(tài)學(xué)特征、溯源侵蝕特征及屬性組合規(guī)律(匯水面積—坡度等)等方面，但對(duì)切溝溝頭上方集水區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)變化的研究相對(duì)較為欠缺。

因此，本研究以切溝上方集水區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定離切溝不同距離處的坡面和洼地的土壤水分含量，探究切溝上方集水區(qū)內(nèi)土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化、土壤蓄水量的差異及影響因素，以期為集水區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)的樹種選擇和切溝治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西吉縣紅旗林場(chǎng)內(nèi)的石山灣，地理坐標(biāo)為110°45′27″E，36°02′29″N，屬于晉西黃土殘塬溝壑區(qū)，海拔1 360 m，年均氣溫10 ℃。土壤為褐土，黃土母質(zhì)。所選切溝溝頭邊緣平滑，無(wú)明顯土壤裂縫，溝壁較陡。在切溝上部的集水區(qū)內(nèi)布設(shè)采樣點(diǎn)，試驗(yàn)地平均坡度20°，研究期為2019年5—10月，研究期間的各月的降雨量分別為9.5，39.6，34.6，101.5，111.2，63.5 mm，造林樹種為油松()，系人工種植，平均樹齡為39年，平均樹高6.3 m，平均胸徑12.6 cm，郁閉度75%。林下分布少量黃刺玫()和虎榛子()，各樣點(diǎn)間植被情況差別不大。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣點(diǎn)布設(shè) 在紅旗林場(chǎng)內(nèi)石山灣所選切溝上部的集水區(qū)內(nèi)分別沿洼地和坡面各布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，洼地和坡面采樣點(diǎn)與切溝溝頭的距離分別為1，3，6 m，將集水區(qū)內(nèi)洼地部位距離切溝溝頭1，3，6 m處的采樣點(diǎn)分別命名為a1、a2、a3，將集水區(qū)內(nèi)坡面距離切溝溝頭1，3，6 m處的采樣點(diǎn)分別命名為b1、b2、b3。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集 2019年5—10月，每月下旬在切溝上方集水區(qū)內(nèi)的各采樣點(diǎn)利用土鉆法測(cè)定0—10 m土層的含水量，0—1 m土層內(nèi)每隔0.1 m取樣，1—10 m土層內(nèi)每隔0.2 m取樣。每層采集3個(gè)土樣分別裝入鋁盒，帶回實(shí)驗(yàn)室稱重后放入烘箱，在105 ℃條件下烘24 h至恒重，計(jì)算土壤質(zhì)量含水量。黃土高原地區(qū)2 m以下土層的容重基本保持不變，因此本研究在試驗(yàn)地內(nèi)使用100 cm的環(huán)刀以0.2 m土層為間隔測(cè)定了0—2 m土層的容重，作為采樣點(diǎn)0—10 m土層的土壤容重，為1.26 g/cm。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

1.3.1 土壤含水量 土壤質(zhì)量含水量(SWC)計(jì)算公式為：

(1)

式中：SWC(soil water content)為質(zhì)量含水量(%)；為濕土質(zhì)量(g)；為烘干土質(zhì)量(g)。

1.3.2 土壤蓄水量 土壤蓄水量(SWS)為一定厚度土層所儲(chǔ)存的水量，計(jì)算公式為：

(2)

式中：SWS(soil water storage)為土壤蓄水量(mm)；(bulk density)為土壤容重(g/cm)，取值為1.26 g/cm；為土層厚度(mm)；為水的密度，取值為1.0 g/cm。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理采用Excel 2017、SPSS 24.0版本軟件；圖表制作采用Origin 2017、AutoCAD 2007軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 集水區(qū)內(nèi)距切溝不同距離處土壤蓄水量

由圖1可知，集水區(qū)內(nèi)距離切溝3 m處的蓄水量最高，可達(dá)1 174.29 mm；而距離切溝1 m處的蓄水量最低，只有1 122.69 mm，距離切溝6 m處的蓄水量；為1 163.46 mm；經(jīng)方差分析可知，距離切溝1 m的蓄水量與距離切溝3，6 m的蓄水量差異顯著(<0.05)。

2.2 集水區(qū)內(nèi)不同地貌部位0-10 m土層蓄水量

由表1可知，集水區(qū)內(nèi)坡面的平均土壤蓄水量小于洼地。坡面觀測(cè)點(diǎn)b1點(diǎn)的平均土壤蓄水量比洼地觀測(cè)點(diǎn)a1點(diǎn)低4.05 mm。b1點(diǎn)與a1點(diǎn)蓄水量差值的最大值出現(xiàn)在9月，此時(shí)b1點(diǎn)的蓄水量比a1點(diǎn)高69.68 mm；蓄水量差值的最小值出現(xiàn)在6月，此時(shí)b1點(diǎn)的蓄水量比a1點(diǎn)高2.23 mm。在7，8，10月，坡面的土壤蓄水量小于洼地。坡面觀測(cè)點(diǎn)b2點(diǎn)的平均土壤蓄水量比洼地觀測(cè)點(diǎn)a2點(diǎn)低46.12 mm。b2點(diǎn)與a2點(diǎn)蓄水量差值的最大值出現(xiàn)在7月，此時(shí)b2點(diǎn)的蓄水量比a2點(diǎn)低99.56 mm；蓄水量差值的最小值出現(xiàn)在9月，此時(shí)b2點(diǎn)的蓄水量比a2點(diǎn)低23.55 mm。只有10月坡面的土壤蓄水量大于洼地。坡面觀測(cè)點(diǎn)b3點(diǎn)的平均土壤蓄水量比洼地觀測(cè)點(diǎn)a3點(diǎn)低31.96 mm，b3點(diǎn)與a3點(diǎn)蓄水量差值的最大值出現(xiàn)在6月，此時(shí)b3點(diǎn)的蓄水量比a3點(diǎn)低76.38 mm，蓄水量差值的最小值出現(xiàn)在5月，此時(shí)b3點(diǎn)比a3點(diǎn)高2.97 mm。6—10月坡面的土壤蓄水量均小于洼地。

圖1 集水區(qū)內(nèi)距切溝不同距離處土壤蓄水量

表1 集水區(qū)內(nèi)不同地貌部位0-10 m土層平均土壤蓄水量 單位：mm

由圖2可知，在距離切溝1 m的位置，坡面在0—2，6—8，9—10 m土層中的土壤蓄水量大于洼地，其余土層的土壤蓄水量均小于洼地。2個(gè)地貌部位9—10 m土層土壤蓄水量的差值最大，為27.09 mm，1—2 m土層的差值最小，為3.82 mm。在距離切溝3 m的位置，坡面在0—2，8—9 m土層中的土壤蓄水量大于洼地，其余土層的土壤蓄水量均小于洼地。2個(gè)地貌部位8—9 m土層土壤蓄水量的差值最大，為40.37 mm，0—1 m土層的差值最小，為1.19 mm。在距離切溝6 m的位置，坡面在1—2，5—6，8—10 m土層中的土壤蓄水量大于洼地，其余土層的土壤蓄水量均小于洼地。2個(gè)地貌部位4—5 m土層土壤蓄水量的差值最大，為33.10 mm，0—1 m土層的差值最小，為2.61 mm。總體而言，集水區(qū)內(nèi)洼地土壤蓄水量高于坡面，洼地土壤水分條件更好。且洼地蓄水量高于坡面的土層主要集中在2 m以下的土層。

2.3 集水區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)土壤水分的垂直分布

由集水區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)平均土壤含水量及其變異系數(shù)的垂直分布(表2)可知，不同采樣點(diǎn)的土壤水分垂直分布均表現(xiàn)為剖面淺層含水量隨時(shí)間變化劇烈，深層含水量隨時(shí)間變化小。

圖2 不同地貌不同土層蓄水量差值

坡面觀測(cè)點(diǎn)b1點(diǎn)的5—10月土壤含水量在1.2 m以上差異較大，1.2 m以下含水量很接近，0—1.2，1.2—10 m土層含水量分別為9.16%～15.59%和8.00%～8.90%。坡面觀測(cè)點(diǎn)b2點(diǎn)的5—10月的土壤含水量在2 m以上差異較大，2 m以下含水量很接近，0—2，2—10 m土層的含水量分別為9.56%～17.85%和7.97%～8.81%。坡面觀測(cè)點(diǎn)b3點(diǎn)的5—10月土壤含水量在2.4 m以上差異較大，2.4 m以下含水量很接近，0—2.4，2.4—10 m土層含水量分別為7.33%～15.82%和8.27%～9.02%。洼地觀測(cè)點(diǎn)a1點(diǎn)的5—10月土壤含水量在1.2 m以上差異較大，1.2—7 m有較小差異，7 m以下含水量較為接近，0—1.2，1.2—7，7—10 m土層的含水量分別為7.27%～14.83%，8.29%～9.63%，8.03%～9.21%。洼地觀測(cè)點(diǎn)a2點(diǎn)的5—10月土壤含水量在2 m以上差異較大，2 m以下含水量很接近，0—2，2—10 m土層含水量分別為7.98%～16.66%，8.70%～9.30%。洼地觀測(cè)點(diǎn)a3點(diǎn)的5—10月土壤含水量在1.2 m以上差異較大，1.2 m以下含水量很接近，0—1.2，1.2—10 m土層的含水量分別為8.33%～17.20%，8.79%～9.38%。

3 討 論

集水區(qū)內(nèi)距離切溝1 m處的蓄水量顯著低于距離切溝3，6 m處的蓄水量(<0.05)，且距離切溝3 m處的蓄水量與6 m處的蓄水量差異不顯著(>0.05)，這與張晨成等的研究結(jié)果一致，切溝對(duì)其上方集水區(qū)土壤水分的水平影響距離為1～3 m，原因可能是切溝的存在擴(kuò)大了水分蒸發(fā)面積，加速了土壤水分的損失，且離切溝越近，蒸發(fā)越大，土壤含水量越低，從而導(dǎo)致距離切溝1 m處的含水量顯著低于距離切溝3，6 m處的含水量(<0.05)。

集水區(qū)內(nèi)洼地距離切溝1，3，6 m處的蓄水量均大于坡面，洼地的土壤水分條件更好。這是因?yàn)槠旅娼邮茌^多的太陽(yáng)輻射，地表蒸發(fā)量大，而洼地由于地勢(shì)較低，一方面蒸發(fā)量較坡面低，而降雨時(shí)洼地又接收坡面地表徑流，從而導(dǎo)致洼地的含水量高于坡面。表明集水區(qū)內(nèi)地貌是影響土壤水分的一個(gè)重要因素。洼地0—2 m土層的土壤蓄水量和坡面土壤蓄水量大小相近，而2 m以下土層的蓄水量差值增大，這表明0—2 m土層的土壤水分受地貌影響不明顯，而2 m以下土層的蓄水量受地貌影響較明顯，這也與前人的研究結(jié)果一致。

b1點(diǎn)、b2點(diǎn)、b3點(diǎn)、a1點(diǎn)、a2點(diǎn)、a3點(diǎn)分別在0—1.2，0—2，0—2.4，0—1.2，0—2，0—1.2 m土層表現(xiàn)出含水量隨時(shí)間的劇烈變化。這是因?yàn)檫@些土層易受降水入滲補(bǔ)給、蒸散耗水的影響，土壤水分具有明顯的隨時(shí)間變化的特征。6個(gè)樣點(diǎn)的深層土層受降水補(bǔ)給較少，其土壤水分狀況主要受植物利用的影響，因而土壤含水量動(dòng)態(tài)變化較小。距離切溝較遠(yuǎn)的b2點(diǎn)、b3點(diǎn)和a2點(diǎn)、a3點(diǎn)的含水量隨時(shí)間劇烈變化的土層深度均深于距離切溝較近的b1點(diǎn)和a1點(diǎn)，但距離切溝6 m處的a3點(diǎn)的含水量隨時(shí)間劇烈變化的土層深度小于b3點(diǎn)，這是因?yàn)閎3點(diǎn)地勢(shì)高于a3點(diǎn)，b3點(diǎn)地表蒸散量較大，土壤水分含量低，加之試驗(yàn)地中油松林的生長(zhǎng)會(huì)消耗土壤水分，當(dāng)淺層土壤不足以維持植被生長(zhǎng)所需的水分便會(huì)消耗更深層次的水分，這便導(dǎo)致了b3點(diǎn)的土壤水分隨時(shí)間的劇烈變化層深于a3點(diǎn)。相較于其他5個(gè)樣點(diǎn)，洼地觀測(cè)點(diǎn)a1點(diǎn)的1.2—7 m土層仍表現(xiàn)出明顯的含水量的動(dòng)態(tài)變化，程立平等、王志強(qiáng)等將各月土壤含水量曲線在剖面上相交的深度作為土壤水分受到影響的深度，即土壤水分的變異系數(shù)隨深度變化出現(xiàn)的低值點(diǎn)作為土壤水分受影響的深度，而a1點(diǎn)不僅在1.2 m土層處出現(xiàn)了變異系數(shù)的低值點(diǎn)(8.04%)，在7 m土層處再次出現(xiàn)了變異系數(shù)的低值點(diǎn)(6.63%)，因此，可以認(rèn)為切溝對(duì)上方集水區(qū)內(nèi)土壤水分的影響深度最深可達(dá)7 m土層。造成這種現(xiàn)象的原因可能是a1點(diǎn)距切溝較近，土壤水分受到正面和側(cè)面雙向蒸發(fā)影響，加重了深層土壤水分的損失，而在距切溝稍遠(yuǎn)的位置可能只受正面蒸發(fā)，加之降雨時(shí)地勢(shì)較低的a1點(diǎn)又接收來(lái)自坡面的地表徑流，增加水分入滲深度，這些原因共同導(dǎo)致a1點(diǎn)1.2—7 m土層的含水量表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)變化。根據(jù)表1，6個(gè)采樣點(diǎn)的土壤蓄水量隨時(shí)間整體上呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但在整個(gè)生長(zhǎng)季降雨量最大的9月，a1點(diǎn)的蓄水量較8月僅增加了34.99 mm，a1點(diǎn)蓄水量的增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他采樣點(diǎn)，這同樣也證明了a1點(diǎn)受側(cè)面蒸發(fā)的影響大于其他采樣點(diǎn)。甘淼等研究認(rèn)為，切溝的存在是溝緣土壤水分損失的主要原因，且溝緣的土壤水分是雙側(cè)蒸發(fā)。

本研究發(fā)現(xiàn)，切溝溝頭附近的含水量較低，且在經(jīng)歷較大降雨事件時(shí)，集水區(qū)內(nèi)靠近切溝溝頭的部位土壤水分波動(dòng)較大。因此在未來(lái)開展溝頭治理過(guò)程中，可根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥浪謼l件，合理選擇植被，同時(shí)配置合理的溝頭防護(hù)工程。研究區(qū)內(nèi)已密植人工油松林，油松林起到了林冠截留等作用?？紤]到距離切溝1 m處的蓄水量顯著低于距離切溝3，6 m處的蓄水量(<0.05)，因此，在未來(lái)進(jìn)行植被恢復(fù)過(guò)程中，可在距離切溝1 m范圍內(nèi)種植冰草()、狗尾草()等草本，其耗水量較少，且在播種后90～150天便能將裸露地表覆蓋，起到增加地面糙率、減少土壤水分運(yùn)移、防治水土流失的作用。

表2 集水區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)平均土壤含水量及其變異系數(shù)的垂直分布

4 結(jié) 論

(1)集水區(qū)內(nèi)土壤水分狀況受距離切溝遠(yuǎn)近和地貌的共同影響。切溝對(duì)其上方集水區(qū)內(nèi)土壤水分的水平影響距離為1～3 m，距切溝1 m處，影響深度最深可達(dá)7 m，距切溝3 m處，影響深度為2 m。

(2)集水區(qū)內(nèi)距離切溝1 m處的蓄水量顯著低于距離切溝3，6 m處的蓄水量(<0.05)。

(3)集水區(qū)內(nèi)洼地的蓄水量均大于坡面，洼地的土壤水分狀況好于坡面。

(4)集水區(qū)內(nèi)距離切溝1 m處，0—1.2 m土層含水量隨時(shí)間變化劇烈；距離切溝3 m處，0—2 m土層含水量隨時(shí)間變化劇烈；距離切溝6 m處，坡面的0—2.4 m土層和洼地的0—1.2 m土層含水量隨時(shí)間變化劇烈，其余土層含水量隨時(shí)間變化小。