黃土高原小流域壩地水分時空分布特征

袁水龍, 李占斌, 張 揚, 董起廣, 王 丹

(1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司, 西安 710075; 2.西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地, 西安 710048; 3.中國科學院 水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

淤地壩是黃土高原水土流失治理中最主要的溝道治理措施，2003年被列為水利部三大“亮點工程”之一。淤地壩建設的一個重要產物就是壩地，壩地的形成不僅可以有效控制水土流失，而且可以增加農田面積，增加糧食產量[1]。壩地是由多場降雨徑流攜帶的泥沙淤積形成的，泥沙在沉積過程中往往是粗顆粒先沉積，細顆粒會被攜帶到更遠的地方后沉積，導致壩地具有明顯的分層結構和較強的空間異質性[2]。壩地作為影響小流域水文循環的重要土地類型之一，其土壤含水量的多少影響到水分的入滲和徑流的產生，從而間接影響到對洪水的攔蓄和壩體自身的安全，因此研究壩地土壤水分時空分布特征對于農業增收和淤地壩安全運行具有重要意義。前人對壩地土壤水進行了大量研究，張紅娟等[3]對綏德縣韭園溝流域三角坪壩和團圓溝1#壩地土壤水分分析結果表明：三角坪壩和團圓溝1#壩賦存水量分別占到1954—1997年間韭園溝流域年均徑流量的6.12%和1.87%。已淤平壩地存貯了大量水資源，在一定程度上減少了地表徑流量。徐學選等[4]對延安燕溝流域土壤水資源研究認為：各類土地利用方式中壩地土壤含水量最高、梯田次之，灌木林最低。黃金柏等[5]對黃土高原北部淤地壩區域土壤水分進行了模擬，結果表明，計算時段內研究區的土壤水分有效性參數值受同期表層土壤含水量和蒸散發的影響較大。也有學者對土壤水分時空分布特征進行了研究，研究主要集中在土壤水分的時間穩定性，土壤水分空間變異影響因子等方面，研究的對象主要為林地、草地、耕地和荒地[6-10]。目前對壩地土壤水分時空分布特征的研究還鮮有報道，因此本研究通過對王茂溝2號壩壩地土壤水分長期監測數據統計分析，研究淤地壩壩地土壤水分時空分布特征，以期為黃土高原淤地壩安全運行及壩地農業產量提高提供科學依據。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

王茂溝流域地處陜西省榆林市綏德縣境內，位于東經110°20′26″—110°22′46″，北緯37°34′13″—37°36′03″，屬于無定河流域韭園溝中游左岸的一條支溝。流域面積5.97 km2，主溝道長度3.80 km，流域海拔940～1 188 m，溝床平均比降2.70%，溝壑密度4.30 km/km2。氣候為溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，溫差較大。根據綏德水土保持試驗站多年實測資料統計，王茂溝流域多年平均氣溫8℃，最高溫度39℃，最低溫度-27℃，多年平均無霜期175 d左右，水面年蒸發量為1 519 mm，最大1 600 mm，干旱冰雹等自然災害頻發。多年平均降水量475.10 mm，年最大降水量735.30 mm(1964年)，最小年降水量232 mm(1956年)，年降水量極值比為3.17；年際變化大且年內分布不均，每年7—9月降雨量占全年降水量65%左右。王茂溝流域從20世紀50年代開展水土保持工作，截至2012年底，王茂溝正常運行的淤地壩共有17座，其中骨干壩2座，中型壩6座，小型壩9座(圖1)。

圖1王茂溝流域淤地壩布置

1.2　監測點布設

在王茂溝2號壩的壩地及兩岸坡地分別布設PC管監測土壤含水量，壩地總共布設9根PC管，兩岸坡地布設5根PC管。壩地的監測點分別布設在壩前(3根)、壩中(3根)、壩后(3根)，9根PC管沿壩地平行分布，其中壩前3根PC管距離壩體3 m，間距為25 m，壩中3根PC管距離壩體133 m，間距為25 m，壩后3根PC管距離壩體273 m，間距為25 m(圖2)。

從2015年8月到2016年3月對9個監測點的土壤體積含水量進行監測，測定深度為2.40 m。為了表述方便，本研究將深度為0—0.20 m，0.20—0.40 m，0.40—0.60 m，0.60—0.80 m，0.80—1.00 m，1.00—1.20 m，1.20—1.40 m，1.40—1.60 m，1.60—1.80 m，1.80—2.00 m，2.00—2.20 m及2.20—2.40 m的土層分別用A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，A9，A10，A11和A12表示。2015年8月10到8月30日約每天測量一次，共計22次，2015年9月到2016年3月約每個月測量兩次，共計9次。

圖2壩地土壤水分監測點位置

1.3　含水量測定與數據分析

采用德國IMKO 公司生產的TRIME—PICO IPH/T3 型TDR測定在土壤含水量，當土壤含水率為0%～40%時，測量精度為-2%，每層測量3 次，取其均值作為該土層的土壤含水量值。本研究數據采用SPSS 19.0和Excel 2013等軟件處理，文中相關圖表采用Excel 2013，Origin 8.5和ArcGIS 10.1軟件繪制。

2　結果與分析

2.1　壩地表層土壤含水量統計特征

土壤表層作為大氣圈和土壤圈的交接部分，大量的物質和能量在土壤表層交換，導致其水分運動極其活躍，不斷發生著水分的輸入和輸出，即土壤水分的蒸發和入滲[11]。表1為王茂溝流域壩地表層(0—20 cm)土壤含水量的統計特征。由表1可以看出：在一次測量過程中，壩地表層土壤含水量的極差較大，最大達到21.10%，這是因為土壤含水量與土壤顆粒組成密切相關，因此壩地顆粒組成特征決定了土壤水分極差的大小。根據Nielson分級系統[12]：弱變異CV≤10%，中等變異10%

2.2　不同土層深度下壩地土壤含水量統計特征

壩地是由降雨徑流攜帶的泥沙淤積而形成的。黃土高原地區壩地的泥沙往往是由汛期的幾場短歷時高強度暴雨形成的[13]。壩地剖面分析表明，土粒在沉降過程中由粗至細逐級沉降落淤，一般是第一層為沙層，第二層為黃土層，第三層為灰棕色的膠泥層，第四層為紅膠土層，最后一層為含有機質特別豐富的淤積物薄層[14]。壩地的分層淤積會影響不同土層深度下的土壤含水量分布，因此對壩地不同土層深度下的土壤含水量進行了統計分析(表2)。

由表2可以看出，12個土層深度下土壤平均含水量變化范圍為9.92%～23.70%，低于田間持水量(25%)，并遠低于飽和含水量(45%)。壩地A4(0.60—0.80 m)平均含水量最低，A12(1.80—2.00 m)平均含水量最高，土壤平均含水量從上到下表現為先減小后增大的趨勢。從表2中可以看出，A1，A2和A3層的土壤含水量變異系數CV值分別為19.24%，13.43%，13.46%，屬于中等變異，其他土層的土壤含水量變異系數均小于10%，屬于弱變異。壩地0—0.60 m土層的土壤含水量變異系數明顯大于其他土層，其中表層(0—0.20 m)的土壤含水量變異系數最大，這主要是由于表層容易受到降雨、蒸發等因素的影響。K-S檢驗結果表明，壩地不同深度下土壤含水量均服從正態分布。

2.3　壩地土壤含水量的時間變化特征

圖3為不同監測點各土層的土壤平均含水量及其時間變異系數分布圖，其中圖3A為不同監測點各土層土壤平均含水量，圖3B為不同監測點各土層土壤含水量時間變異系數。由圖3A可以看出，壩地土壤含水量沿著土層深度先減小后增大，這與表2的統計結果一致。同時，壩地土壤水分具有明顯的分層現象，這可能與壩地的分層淤積結構有關。由圖3B可以看出，多數監測點的土壤水分在時間上屬于中等變異，也有部分監測點在較深的土層下表現為弱變異，說明壩地深層土壤水分在時間上具有一定的穩定性。同時可以看出，壩地表層土壤水分變化劇烈，隨著深度的增加變異系數開始變小，水分變化程度減弱。按照變異系數的大小，并結合其他學者的研究成果[15-16]，壩地土壤水分可以劃分為4個層次：水分劇變層(0—0.20 m)，水分活躍層(0.20—0.60 m)，水分次活躍層(0.60—1.40 m)，水分相對穩定層(1.40 m以下)。

2.4　壩地土壤含水量空間變化特征

由于壩地土壤的空間異質性，壩地不同部位的土壤含水量會有明顯的差別。圖4為壩地不同部位土壤含水量及變異系數隨土層深度變化過程圖。由圖4A可以看出，壩前、壩中和壩后的土壤含水量隨土層深度增加均表現為先減小后增大。這是因為表層容易受到降水的補給，所以含水量較高；0.20—1.20 m土層中作物根系大量分布，作物吸水量多，而又不易受到降水和地下水的補給，導致土壤含水量較低；到了深層1.20 m以下，蒸發和作物吸水減少，因此土壤含水量又逐漸增加。對比壩地不同部位含水量可以看出，壩前各個土層深度的含水量均明顯高于壩中和壩后。有研究表明，壩地土壤水分和黏粉粒含量成正相關，細顆粒含量高的地方含水量也較高[17]。徑流在挾帶泥沙運動過程中，隨著挾沙力的減小，一般是粗顆粒先沉積，細顆粒后沉積，大量的細顆粒泥沙在壩前淤積，因此壩前的含水量要高于壩中和壩后。由圖4B可以看出，壩前、壩中和壩后的土壤含水量變異系數相差不大，均呈極顯著相關(p<0.01)，而且隨土層深度增加而減小，說明壩地表層土壤水分變化劇烈，降雨和蒸發都可以使表層土壤水分含量發生變化，土壤水分隨著深度的增加而趨于穩定。

表1　壩地表層土壤含水量統計特征(0-20 cm)

壩地土壤水分具有明顯的分層現象，圖5對比了壩地和坡地土壤含水量及其變異系數隨深度的變化過程。

由圖5A可以看出，在0—0.40 m壩地的含水量明顯高于坡地，0.40—1.40 m坡地含水量高于壩地，1.40 m以下壩地含水量高于坡地，總的來說壩地的含水量要高于坡地，說明壩地具有良好的儲水作用。這可能與壩地匯聚徑流和壩地的分層淤積結構有關，壩地的這種分層淤積結構為土壤產生優先流和指狀流提供了條件[18-20]。對比壩地和坡地土壤含水量隨深度變化可以發現，壩地土壤含水量波動劇烈，而坡地含水量的變化則比較穩定。由圖5B可以看出，壩地各層土壤含水量隨時間的變異系數基本介于10%～30%，屬于中等變異；坡地0—0.80 m變異系數介于10%～20%，屬于中等變異，0.80 m以下坡地含水量變異系數均屬于弱變異，由圖可以看出壩地各層土壤含水量變異系數明顯小于坡地，壩地各層土壤水分在時間上的變異性小于坡地。

表2　不同深度下壩地土壤含水量統計特征

圖3各監測點不同土層深度的平均含水量及變異系數分布

圖4壩地不同部位土壤含水量及變異系數隨深度變化過程

圖5壩地和坡地土壤含水量及變異系數隨深度變化過程

3　結 論

(1) 壩地各層土壤水分均表現為中等變異，而且在一次測量過程中，表層土壤含水量的極差較大；12個土層深度下土壤平均含水量變化范圍為9.92%～23.70%，其中A4(0.60—0.80 m)平均含水量最低，A12(1.80—2.00 m)平均含水量最高，土壤平均含水量從上到下，表現為先減小后增大的趨勢。

(2) 壩地土壤水分具有明顯的分層現象，多數監測點的土壤水分在時間上屬于中等變異，表層土壤水分變化劇烈，隨著深度的增加變異系數開始變小，水分變化程度減弱；根據變異系數的大小，壩地土壤水分可以劃分為4個層次：水分劇變層(0—0.20 m)，水分活躍層(0.20—0.60 m)，水分次活躍層(0.60—1.40 m)，水分相對穩定層(1.40 m以下)。

(3) 壩前、壩中和壩后的土壤含水量隨土層深度均表現為先減小后增大，壩前各層土壤含水量，均明顯高于壩中和壩后；在0—0.40 m壩地的含水量明顯高于坡地，0.40—1.40 m坡地含水量高于壩地，1.40 m以下壩地含水量高于坡地，且壩地各層土壤含水量隨時間的變異系數均小于坡地。

參考文獻:

[1]李勉,楊吉山,楊二,等.黃土丘陵區小流域淤地壩建設對生態環境的影響[C]∥中國地理學會2011年學術年會,2011.

[2]魏霞,李占斌,李勛貴,等.基于灰關聯的壩地分層淤積量與侵蝕性降雨響應研究[J].自然資源學報,2007,22(5):842-850.

[3]張紅娟,延軍平,周立花,等.黃土高原淤地壩對水資源影響的初步研究:以綏德縣韭園溝典型壩地為例[J].西北大學學報:自然科學版,2007,37(3):475-478.

[4]徐學選,張北贏,白曉華.黃土丘陵區土壤水資源與土地利用的耦合研究[J].水土保持學報,2007,21(3):166-169.

[5]甄自強,黃金柏,王斌,等.黃土高原北部淤地壩區域土壤水分模擬及水分有效性:以六道溝流域為例[J].水資源與水工程學報,2016,27(3):226-232.

[6]李洪建,王孟本,柴寶峰.黃土高原土壤水分變化的時空特征分析[J].應用生態學報,2003,14(4):515-519.

[7]姚雪玲,傅伯杰,呂一河.黃土丘陵溝壑區坡面尺度土壤水分空間變異及影響因子[J].生態學報,2012,32(16):4961-4968.

[8]趙磊磊,朱清科,聶立水,等.陜北黃土區陡坡土壤水分變異規律研究[J].生態環境學報,2012,21(2):253-259.

[9]李謙,鄭錦森,朱青,等.太湖流域典型土地利用類型土壤水分對降雨的響應[J].水土保持學報,2014,28(1):6-11.

[10]趙文舉,李曉萍,范嚴偉,等.西北旱區壓砂地土壤水分的時空分布特征[J].農業工程學報,2015,31(17):144-151.

[11]Jacobs J M, Mohanty B P, Hsu E C, et al. SMEX02: Field scale variability, time stability and similarity of soil moisture[J]. Remote Sensing of Environment, 2004,92(4):436-446.

[12]Cerd? A. Soil erosion after land abandonment in a semiarid environment of southeastern Spain[J]. Arid Soil Research & Rehabilitation, 1997,11(2):163-176.

[13]魏霞,李占斌,沈冰,等.陜北子洲縣典型淤地壩淤積過程和降雨關系的研究[J].農業工程學報,2006,22(9):80-84.

[14]黃河水利委員會綏德水土保持科學試驗站.水土保持試驗研究成果匯編(第二集)[R].綏德水土保持科學試驗站,1985.

[15]王繼夏,孫虎,王祖正.延安碾莊溝流域梯田與壩地土壤水分對比分析[J].干旱地區農業研究,2007,25(1):88-93.

[16]惠波.黃土高原小流域淤地壩系淤積特征及其生態效應研究[D].西安:西安理工大學,2015.

[17]趙培培.黃土高原小流域典型壩地土壤水分和泥沙空間分布特征[D].北京:中國科學院研究生院,2010.

[18]Heilig A, Steenhuis T S, Walter M T, et al. Funneled flow mechanisms in layered soil: field investigations[J]. Journal of Hydrology, 2003,279(1/4):210-223.

[19]Walter M T, Kim J S, Steenhuis T S, et al. Funneled flow mechanisms in a sloping layered soil: laboratory investigation[J]. Water Resources Research, 2000,36(4):841-849.

[20]Hilberts A G J, Troch P A, Paniconi C. Storage-dependent drainable porosity for complex hillslopes[J]. Water Resources Research, 2005,41(6):294-311.