淤地壩內(nèi)外坡地土壤水分含量對(duì)比研究

趙 培,李曉剛,劉志鵬

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

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淤地壩內(nèi)外坡地土壤水分含量對(duì)比研究

趙 培1,李曉剛1,劉志鵬2*

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

摘要：以陜北神木六道溝流域的一個(gè)淤地壩為例,測(cè)定了壩內(nèi)外坡地的土壤水分含量,旨在探討淤地壩對(duì)坡地土壤水分含量的影響。結(jié)果表明:由于植被和環(huán)境影響等因素,淤地壩并未造成壩內(nèi)坡地土壤平均含水量的增高,對(duì)壩內(nèi)坡地土壤表層水分含量也沒(méi)有明顯影響,淤地壩只增加了壩內(nèi)坡地80～200 cm深土壤的水分含量;沿垂直壩體方向,壩內(nèi)坡地80～200 cm深土壤水分含量表現(xiàn)出從外到內(nèi)線性增大的趨勢(shì);淤地壩的存在增加了壩內(nèi)坡地的儲(chǔ)水量,且不同坡位的儲(chǔ)水量表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上;壩內(nèi)坡地土壤剖面水分含量的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值、變異系數(shù)均呈極顯著的正相關(guān),而壩外則呈顯著的正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：淤地壩;坡地;土壤水分

0前言

黃土高原千溝萬(wàn)壑,支離破碎,是黃河流域水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)。水土流失是該地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化、自然災(zāi)害頻繁、人民生活貧困的重要原因之一,也是黃河下游安全最為嚴(yán)峻的威脅和迫切需要解決的危機(jī)[1-2]。對(duì)此,國(guó)家和地方曾提出大力發(fā)展淤地壩建設(shè),以此來(lái)改善黃土高原日益惡化的生態(tài)和環(huán)境狀況[3]。淤地壩是水土保持的一項(xiàng)重要措施。建設(shè)淤地壩不僅能攔泥攔沙,削峰蓄水,淤成良田,促進(jìn)當(dāng)?shù)鼐植凯h(huán)境改善和農(nóng)民增收,還能有效減少入黃泥沙,對(duì)黃河的泥沙治理具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)踐證明,在黃土高原大力發(fā)展建設(shè)淤地壩,可產(chǎn)生明顯的生態(tài)和社會(huì)效益[4-10]。

淤地壩是針對(duì)黃土高原溝道治理的主要水土保持措施。淤地壩攔洪蓄水,可以改變溝道和所在流域的水文循環(huán),就地?cái)r蓄降雨徑流,增加壩地土壤入滲,促進(jìn)土壤蓄水[1,11-12]。而壩前坡地是淤地壩攔蓄泥沙、洪水的“左膀右臂”,是淤地壩發(fā)揮功效不可缺少的組成部分。淤地壩的存在可以改變壩旁邊的坡地狀況,如覆蓋原坡底等,因而會(huì)影響坡地水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程,從而在一定程度上也會(huì)改變其土壤水分分布格局。淤地壩內(nèi)的坡地土壤水分狀況對(duì)該坡地植被恢復(fù)具有決定性作用,而良好的植被建設(shè)又可涵養(yǎng)水源,保持水土，從而減少坡面侵蝕、溝岸擴(kuò)張,從而減緩壩地的泥沙堆積,增加淤地壩的使用年限。在淤地壩建成后,往往壩內(nèi)坡地植被覆蓋茂密,許多需水量較大的喬木也只有在壩內(nèi)坡地和壩地才生長(zhǎng)良好,而壩外坡地植物生長(zhǎng)稀少,長(zhǎng)勢(shì)也較差[13]。迄今有關(guān)淤地壩對(duì)壩內(nèi)坡面土壤水分分布的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。因此,研究壩內(nèi)外坡地水分分布格局有助于了解壩地對(duì)坡面水分的影響程度,可為淤地壩建設(shè)的生態(tài)和環(huán)境效益評(píng)價(jià)提供重要科學(xué)依據(jù)?；诖?我們選取黃土高原六道溝流域一個(gè)建有淤地壩的坡地,對(duì)壩邊內(nèi)外坡地土壤水分含量進(jìn)行了測(cè)定和分析,旨在了解淤地壩建設(shè)對(duì)壩內(nèi)坡面土壤水分狀況的影響。

1研究區(qū)概況和研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)橹袊?guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心神木試驗(yàn)站,該區(qū)位于神木縣以西14 km處的六道溝流域,是黃河一級(jí)支流窟野河水系的二級(jí)支溝,北依長(zhǎng)城,地處毛烏素沙漠的邊緣,屬于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的強(qiáng)烈侵蝕中心,是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱帶。該流域面積為6.7 km2,該區(qū)屬中溫帶半干旱氣候,年平均氣溫8.4 ℃,年平均降水量437 mm,其中6～9月的降水占全年降水的77%；植被類型為干旱草原,天然植被大部分已遭破壞,殘存的天然草場(chǎng)也已嚴(yán)重退化、沙化。地貌類型為片沙覆蓋的梁峁?fàn)铧S土丘陵,地面組成物質(zhì)以第四紀(jì)黃土沉積物為主,土壤類型主要為黃綿土和風(fēng)沙土,土壤侵蝕極為嚴(yán)重,流域平均水蝕模數(shù)可達(dá)15000 t/(km2·a)[14-15]。淤地壩是該流域最主要、最有效的水土保持措施,共有淤地壩11座,其中蓄水壩2座,壩地面積占整個(gè)六道溝流域的1%。本研究選取的建有淤地壩的坡地坡向?yàn)楸逼珫|2°,坡度36°,地勢(shì)險(xiǎn)峻,人為活動(dòng)較少,淤地壩垂直于坡地,將坡地一分為二。由于淤地壩淤積20余年,壩地較高,從而造成淤地壩內(nèi)外坡長(zhǎng)不同,以壩內(nèi)坡為準(zhǔn)對(duì)比研究,坡長(zhǎng)近15 m。壩內(nèi)坡地植被覆蓋茂密,長(zhǎng)滿長(zhǎng)芒草,枯落物層厚達(dá)2 cm,壩內(nèi)外坡地均零星分布幾棵檸條。

1.2研究方法

以淤地壩走向?yàn)橹芯€,按5 m×5 m網(wǎng)格布置取樣點(diǎn),共3行6列,壩內(nèi)壩外各取9個(gè)點(diǎn),其淤地壩及其采樣坡面示意圖見(jiàn)圖1。每個(gè)點(diǎn)的取樣深度為200 cm,每隔10 cm取樣3次。采用烘干法(在105 ℃下烘至恒重)測(cè)定土壤水分含量,3次取樣的平均值為該點(diǎn)的土壤水分含量。采樣時(shí)間為2006年8月7日和8日兩日上午,以淤地壩走向?yàn)橹芯€對(duì)稱采樣。采樣前在十幾日內(nèi)連續(xù)無(wú)降水,此時(shí)土壤水分相對(duì)穩(wěn)定,便于壩內(nèi)外水分對(duì)比分析。

圖1　采樣點(diǎn)的分布

2結(jié)果與分析

2.1淤地壩內(nèi)外坡地土壤水分分布

為了對(duì)比壩內(nèi)外坡面土壤水分分布,分別將壩內(nèi)外9個(gè)采樣點(diǎn)在同一深度的含水量平均值繪于圖2。由圖2可見(jiàn),總體而言,壩內(nèi)壩外坡地各層土壤含水量差異較為明顯,壩內(nèi)外坡地表層土壤水分含量相近,這是由于蒸散作用劇烈,其更多地受環(huán)境因素的影響；而對(duì)于10～50 cm土壤水分含量而言,壩外坡地土壤水分平均含量高于壩內(nèi)坡地,且其變異性較壩內(nèi)坡地大,這是由于壩內(nèi)植被較多，它們的根系吸收了較多的水分，而壩外坡地植被稀少,只有土壤蒸發(fā)這個(gè)主要耗水方式。因環(huán)境因素的強(qiáng)烈作用,淤地壩很難對(duì)坡面表層0～50 cm土壤水分產(chǎn)生影響。60和70 cm土壤層壩內(nèi)外坡地的土壤水分含量相近,是水分含量變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn);80～200 cm土層的水分含量均是壩內(nèi)坡地比壩外坡地高,變異性也較壩外大;100～150 cm土壤水分含量接近,在取樣過(guò)程中這個(gè)深度土壤堅(jiān)硬、板結(jié),容易出現(xiàn)鈣結(jié)層,所以土壤水分含量相對(duì)虧缺,水分含量普遍較低。壩外坡地土壤水分含量從60 cm開(kāi)始經(jīng)過(guò)一個(gè)平穩(wěn)深度后從150 cm開(kāi)始增加,而壩內(nèi)坡地土壤水分含量先增后減，再?gòu)?30 cm開(kāi)始增加,但壩內(nèi)外土壤水分增加的趨勢(shì)基本無(wú)差異。

淤地壩在溝道建起一道屏障,重新整合水土資源,壩地由于本身接受降雨補(bǔ)給再加上坡面徑流和溝道徑流的匯集,增加了壩內(nèi)土壤水分入滲量,匯集了豐富的土壤水資源,其水分含量比同一地區(qū)的坡地、梯田、耕地均要高[1]。但在計(jì)算內(nèi)外坡地整個(gè)土層的平均含水量后發(fā)現(xiàn),壩內(nèi)坡地土壤平均含水量只高于壩外坡地0.1%,壩內(nèi)外坡地幾乎相同,這是由于在黃土高原半干旱區(qū),土壤水資源本身就匱乏,再加上取樣在一個(gè)連續(xù)的無(wú)補(bǔ)充降水期后進(jìn)行,土壤水分含量趨于穩(wěn)定,普遍水分含量不高。另一方面,壩內(nèi)坡地植被覆蓋茂密,植物生理需水量大,使10～50 cm土壤層水分含量很低,盡管80～200 cm的土層水分含量均較高,但壩內(nèi)坡地整個(gè)土層的土壤平均含水量并未因淤地壩攔蓄泥沙﹑匯集水流而比壩外坡地高。

壩前的坡地是淤地壩攔泥削洪的“左膀右臂”,更是壩地的支撐力量。壩內(nèi)坡地因此也在有限范圍內(nèi)受惠,從而促進(jìn)了植被生長(zhǎng),間接改善了坡地植被的狀況而減少水土流失。由于植被生長(zhǎng)生理需水,但整個(gè)土層的土壤平均含水量并未增加,從而證明植物耗水是黃土高原土壤水分消耗的一個(gè)重要方式。

圖2　壩內(nèi)外坡地0～200 cm深土壤的水分分布

2.2由壩外到壩內(nèi)土壤水分分布特征

坡面土壤水分沿垂直壩體方向的分布更能說(shuō)明淤地壩對(duì)坡面水分的影響。因?yàn)橛俚貕卧黾恿?0 cm以下(包括80 cm)土層的平均水分含量。以土層80～200 cm縱向3個(gè)取樣點(diǎn)取平均值繪圖,其結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn),由壩外至壩內(nèi)坡地土壤水分含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),土壤水分含量沿垂直壩體方向呈線性增加，即壩外坡地土壤水分含量越靠近壩體越高;在壩內(nèi),坡地取樣點(diǎn)均較壩外坡地高,淤地壩對(duì)坡地土壤水分影響表現(xiàn)出距離壩體越遠(yuǎn)越高,這可能與壩內(nèi)地下水位有關(guān)系。由此可見(jiàn),淤地壩的存在在一定程度上造成了坡面土壤水分含量的增大,這對(duì)改善坡面植被狀況、保持水土具有一定的意義。

淤地壩建設(shè)不僅是一種溝道治理工程,其存在也影響了所在流域的壩內(nèi)坡面水分分布,增加了壩內(nèi)坡地一定深度土層的土壤水分含量,從而間接促進(jìn)了植物生長(zhǎng)，將溝道治理和坡面治理結(jié)合在一起。筆者認(rèn)為淤地壩可以作為一種坡面治理措施,實(shí)現(xiàn)溝坡兼治。

圖3　土壤水分垂直壩向分布

2.3淤地壩對(duì)坡位土壤水分的影響

在淤地壩建設(shè)完工后在其削峰攔泥過(guò)程中,利用攔蓄的泥沙使以壩前坡地為支撐的壩地逐漸抬高,使坡地坡長(zhǎng)改變,相應(yīng)的土壤水分分布也可能因此而發(fā)生改變,并且壩地對(duì)坡地水分的影響距離也不確定。為了探明不同坡位土壤水分狀況、淤地壩影響坡地土壤水分的距離,解釋坡位植被生長(zhǎng)的差異,分別將壩內(nèi)外坡地橫向3個(gè)取樣點(diǎn)土壤水分含量的平均值繪于圖4和圖5。圖4顯示了壩外坡地不同坡位水分分布圖,其坡上水分含量明顯較低,而坡中和坡下水分含量交錯(cuò)變化,差異不大。而對(duì)于壩內(nèi)坡地(圖5),下坡土壤水分含量明顯高些,170 cm以下土壤水分含量相差不大,越深差異越小,甚至還較坡中和坡上位小。由于壩外坡地只是原整個(gè)坡地的上半部分,因此可以發(fā)現(xiàn)土壤水分含量很接近,只是表層水分含量變化較大;而對(duì)于壩內(nèi)坡地,和對(duì)比的壩外坡地原來(lái)處于同一坡位,但由于壩地抬升使其變短,淤地壩的存在使其水分分布趨勢(shì)具有明顯差異性,下坡明顯大于上坡和中坡,這與霍竹等[16]的研究結(jié)果一致。比較不同坡位土壤水分含量的平均值發(fā)現(xiàn),壩外坡地平均值相近,而壩內(nèi)坡下比坡上高很多,所以淤地壩影響坡地的距離有限,這與當(dāng)?shù)氐乃謼l件和坡度等因素有關(guān)。在本研究中其“惠及”距離為5 m(采樣間距)以內(nèi)。

圖4　壩外坡地不同坡位的水分分布

圖5　壩內(nèi)坡地不同坡位的水分分布

為了探明淤地壩對(duì)不同坡位土壤儲(chǔ)水量的影響,計(jì)算了坡地(0～200 cm)土壤儲(chǔ)水量(表1)。從表1可見(jiàn),淤地壩增加了壩內(nèi)坡地的儲(chǔ)水量,但增加幅度不大,不同坡位的儲(chǔ)水量表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上；壩外坡地不同坡位的儲(chǔ)水量變化并不大,而壩內(nèi)變化較大。

表1不同坡位0～200 cm土壤的儲(chǔ)水量

cm

2.4土壤剖面水分變化趨勢(shì)以及各土層之間水分變異的差異

土壤剖面水分分布受人為活動(dòng)、地形、降水、蒸發(fā)、風(fēng)力、日照、土地利用類型、土壤性質(zhì)和植被等因素影響較大,在各土層之間,不僅土壤水分含量存在差別,各層之間土壤水分的變異程度也存在差異[15,17-18]；但土壤尤其表層土壤的水分主要來(lái)自天然降水[19]。淤地壩改變了所在溝道的地形和水文循環(huán)途徑,間接地改變了風(fēng)力、風(fēng)向、植被和土壤水分入滲時(shí)間等因素,使其對(duì)土壤水分的影響更加復(fù)雜化。由表2～表3可見(jiàn),壩外各層土壤水分含量之間的變異系數(shù)值在0.13～0.46之間,為中等變異[20],但是隨著土層深度的增加,變異系數(shù)基本上表現(xiàn)出減小的趨勢(shì),但分為兩個(gè)層段,即0～60 cm和70～200 cm。壩內(nèi)各層土壤水分含量之間的變異系數(shù)值在0.16～0.35之間,較壩外坡地稍小,但也屬于中等變異,變異系數(shù)并未表現(xiàn)出規(guī)律性。壩外坡地表層土壤水分變化劇烈,直接受環(huán)境條件的影響,而壩內(nèi)坡地由于植物和枯落物的存在,各層土壤水分含量的變化沒(méi)有壩外坡地大;隨著土壤深度的加深,壩內(nèi)坡地土壤水分含量的變異系數(shù)逐漸變大。從壩內(nèi)外坡地各土層土壤水分含量平均值與標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)(表4、表5)可以看出：對(duì)于壩外坡地,土壤水分含量的標(biāo)準(zhǔn)差與其平均值、變異系數(shù)均呈顯著的正相關(guān)(P<0.05)，而變異系數(shù)與平均值呈負(fù)相關(guān),但不顯著;對(duì)于壩內(nèi)坡地而言，土壤剖面水分含量的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值、變異系數(shù)均呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)。由此可見(jiàn),淤地壩也成為土壤剖面水分變化的影響因素。

表2　壩外坡地不同深度土壤水分含量的統(tǒng)計(jì)特征值

表3　壩內(nèi)坡地不同深度土壤水分含量的統(tǒng)計(jì)特征值

續(xù)表3：

深度/cm樣本數(shù)平均值/%標(biāo)準(zhǔn)差/%標(biāo)準(zhǔn)誤變異系數(shù)95%的置信區(qū)間/%100273.640.9850.3280.272.884～4.398110273.560.9990.3330.282.788～4.324120273.450.7760.2590.222.857～4.050130273.400.9790.3260.292.648～4.153140273.651.0210.3400.282.868～4.438150273.591.0680.3560.302.769～4.411160273.901.0210.3400.263.117～4.687170274.151.2190.4060.293.214～5.087180274.281.3390.4460.313.250～5.308190274.441.4590.4860.333.318～5.561200274.661.5230.5080.333.492～5.833

表4　壩外坡地剖面土壤水分含量平均值與標(biāo)準(zhǔn)差、

注：“**”表示在0.01水平上相關(guān)顯著；“*”表示在0.05水平上相關(guān)顯著。下同。

表5　壩內(nèi)坡地剖面土壤水分含量平均值與標(biāo)準(zhǔn)差、

3結(jié)論

本研究得出如下結(jié)論：對(duì)于壩內(nèi)坡地的土壤剖面,淤地壩對(duì)80～200 cm土層含水量有增加的作用；沿垂直淤地壩體的方向,坡地80～200 cm土壤水分含量由壩外到壩內(nèi)呈線性增加；淤地壩工程改變了壩內(nèi)坡地坡長(zhǎng),從而改變了土壤水分分布,其增加了壩內(nèi)坡地的儲(chǔ)水量;不同坡位的儲(chǔ)水量表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上,壩內(nèi)坡地這種排序更為明顯；淤地壩的存在使壩內(nèi)坡地土壤剖面水分含量的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值、變異系數(shù)均呈極顯著的正相關(guān),不同于壩外坡地的顯著正相關(guān)。

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(責(zé)任編輯:黃榮華)

Comparative Study on Soil Moisture Content outside and inside Slope Land of Check-dam

ZHAO Pei1, LI Xiao-gang1, LIU Zhi-peng2*

(1. College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China;2. College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Abstract：Based on a typical check-dam of shenmu six gap river basin in Shaanxi province, analyzed the soil moisture distribution both on the inside and outside slope of the check-dam to look into the effect of check-dam on soil moisture. The results showed that the check-dam had not increased the mean soil moisture in the inside slope for the cause of plant consuming and had little effect on the soil surface moisture which was effected by the environment conditions greatly, the depth of 80～200 cm was effected by the check-dam. Along the vertical direction of the check-dam, the soil moisture content(80～200 cm) of the slope land increased linearly from inside to outside. The construction of check-dam could increase the storage of soil water of inside slope, the order in magnitude was: down slope>mid slope>up slope, For the inside slope, the standard deviation to the average soil moisture and the coefficient of variation were high significantly positive correlation (R2<0.01), and outside slope was significantly positive correlation (R2<0.05).

Key words：Check-dam; Slope land; Soil moisture

收稿日期：2015-11-18

基金項(xiàng)目：商洛學(xué)院博士團(tuán)隊(duì)服務(wù)地方科技創(chuàng)新與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展能力提升專項(xiàng)(SK2014-01-18)；商洛學(xué)院博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(14SKY031)。

作者簡(jiǎn)介：趙培(1982─),男,吉林磐石人,博士,主要從事流域環(huán)境研究。*通訊作者:劉志鵬。

中圖分類號(hào)：S152.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-8581(2016)06-0050-05