淤地坝内外坡地土壤水分含量对比研究

赵 培,李晓刚,刘志鹏

(1.商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000;2.南京农业大学 资源与环境科学学院，江苏 南京 210095)



淤地坝内外坡地土壤水分含量对比研究

赵 培1,李晓刚1,刘志鹏2*

(1.商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000;2.南京农业大学 资源与环境科学学院，江苏 南京 210095)

摘要：以陕北神木六道沟流域的一个淤地坝为例,测定了坝内外坡地的土壤水分含量,旨在探讨淤地坝对坡地土壤水分含量的影响。结果表明:由于植被和环境影响等因素,淤地坝并未造成坝内坡地土壤平均含水量的增高,对坝内坡地土壤表层水分含量也没有明显影响,淤地坝只增加了坝内坡地80～200 cm深土壤的水分含量;沿垂直坝体方向,坝内坡地80～200 cm深土壤水分含量表现出从外到内线性增大的趋势;淤地坝的存在增加了坝内坡地的储水量,且不同坡位的储水量表现为坡下>坡中>坡上;坝内坡地土壤剖面水分含量的标准差与平均值、变异系数均呈极显著的正相关,而坝外则呈显著的正相关。

关键词：淤地坝;坡地;土壤水分

0前言

黄土高原千沟万壑,支离破碎,是黄河流域水土流失最为严重的地区。水土流失是该地区生态环境恶化、自然灾害频繁、人民生活贫困的重要原因之一,也是黄河下游安全最为严峻的威胁和迫切需要解决的危机[1-2]。对此,国家和地方曾提出大力发展淤地坝建设,以此来改善黄土高原日益恶化的生态和环境状况[3]。淤地坝是水土保持的一项重要措施。建设淤地坝不仅能拦泥拦沙,削峰蓄水,淤成良田,促进当地局部环境改善和农民增收,还能有效减少入黄泥沙,对黄河的泥沙治理具有重大的现实意义。实践证明,在黄土高原大力发展建设淤地坝,可产生明显的生态和社会效益[4-10]。

淤地坝是针对黄土高原沟道治理的主要水土保持措施。淤地坝拦洪蓄水,可以改变沟道和所在流域的水文循环,就地拦蓄降雨径流,增加坝地土壤入渗,促进土壤蓄水[1,11-12]。而坝前坡地是淤地坝拦蓄泥沙、洪水的“左膀右臂”,是淤地坝发挥功效不可缺少的组成部分。淤地坝的存在可以改变坝旁边的坡地状况,如覆盖原坡底等,因而会影响坡地水分运动过程,从而在一定程度上也会改变其土壤水分分布格局。淤地坝内的坡地土壤水分状况对该坡地植被恢复具有决定性作用,而良好的植被建设又可涵养水源,保持水土，从而减少坡面侵蚀、沟岸扩张,从而减缓坝地的泥沙堆积,增加淤地坝的使用年限。在淤地坝建成后,往往坝内坡地植被覆盖茂密,许多需水量较大的乔木也只有在坝内坡地和坝地才生长良好,而坝外坡地植物生长稀少,长势也较差[13]。迄今有关淤地坝对坝内坡面土壤水分分布的影响尚未见报道。因此,研究坝内外坡地水分分布格局有助于了解坝地对坡面水分的影响程度,可为淤地坝建设的生态和环境效益评价提供重要科学依据。基于此,我们选取黄土高原六道沟流域一个建有淤地坝的坡地,对坝边内外坡地土壤水分含量进行了测定和分析,旨在了解淤地坝建设对坝内坡面土壤水分状况的影响。

1研究区概况和研究方法

1.1研究区概况

研究区域为中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心神木试验站,该区位于神木县以西14 km处的六道沟流域,是黄河一级支流窟野河水系的二级支沟,北依长城,地处毛乌素沙漠的边缘,属于黄土高原水蚀风蚀交错带的强烈侵蚀中心,是典型的生态环境脆弱带。该流域面积为6.7 km2,该区属中温带半干旱气候,年平均气温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%；植被类型为干旱草原,天然植被大部分已遭破坏,残存的天然草场也已严重退化、沙化。地貌类型为片沙覆盖的梁峁状黄土丘陵,地面组成物质以第四纪黄土沉积物为主,土壤类型主要为黄绵土和风沙土,土壤侵蚀极为严重,流域平均水蚀模数可达15000 t/(km2·a)[14-15]。淤地坝是该流域最主要、最有效的水土保持措施,共有淤地坝11座,其中蓄水坝2座,坝地面积占整个六道沟流域的1%。本研究选取的建有淤地坝的坡地坡向为北偏东2°,坡度36°,地势险峻,人为活动较少,淤地坝垂直于坡地,将坡地一分为二。由于淤地坝淤积20余年,坝地较高,从而造成淤地坝内外坡长不同,以坝内坡为准对比研究,坡长近15 m。坝内坡地植被覆盖茂密,长满长芒草,枯落物层厚达2 cm,坝内外坡地均零星分布几棵柠条。

1.2研究方法

以淤地坝走向为中线,按5 m×5 m网格布置取样点,共3行6列,坝内坝外各取9个点,其淤地坝及其采样坡面示意图见图1。每个点的取样深度为200 cm,每隔10 cm取样3次。采用烘干法(在105 ℃下烘至恒重)测定土壤水分含量,3次取样的平均值为该点的土壤水分含量。采样时间为2006年8月7日和8日两日上午,以淤地坝走向为中线对称采样。采样前在十几日内连续无降水,此时土壤水分相对稳定,便于坝内外水分对比分析。

图1　采样点的分布

2结果与分析

2.1淤地坝内外坡地土壤水分分布

为了对比坝内外坡面土壤水分分布,分别将坝内外9个采样点在同一深度的含水量平均值绘于图2。由图2可见,总体而言,坝内坝外坡地各层土壤含水量差异较为明显,坝内外坡地表层土壤水分含量相近,这是由于蒸散作用剧烈,其更多地受环境因素的影响；而对于10～50 cm土壤水分含量而言,坝外坡地土壤水分平均含量高于坝内坡地,且其变异性较坝内坡地大,这是由于坝内植被较多，它们的根系吸收了较多的水分，而坝外坡地植被稀少,只有土壤蒸发这个主要耗水方式。因环境因素的强烈作用,淤地坝很难对坡面表层0～50 cm土壤水分产生影响。60和70 cm土壤层坝内外坡地的土壤水分含量相近,是水分含量变化的转折点;80～200 cm土层的水分含量均是坝内坡地比坝外坡地高,变异性也较坝外大;100～150 cm土壤水分含量接近,在取样过程中这个深度土壤坚硬、板结,容易出现钙结层,所以土壤水分含量相对亏缺,水分含量普遍较低。坝外坡地土壤水分含量从60 cm开始经过一个平稳深度后从150 cm开始增加,而坝内坡地土壤水分含量先增后减，再从130 cm开始增加,但坝内外土壤水分增加的趋势基本无差异。

淤地坝在沟道建起一道屏障,重新整合水土资源,坝地由于本身接受降雨补给再加上坡面径流和沟道径流的汇集,增加了坝内土壤水分入渗量,汇集了丰富的土壤水资源,其水分含量比同一地区的坡地、梯田、耕地均要高[1]。但在计算内外坡地整个土层的平均含水量后发现,坝内坡地土壤平均含水量只高于坝外坡地0.1%,坝内外坡地几乎相同,这是由于在黄土高原半干旱区,土壤水资源本身就匮乏,再加上取样在一个连续的无补充降水期后进行,土壤水分含量趋于稳定,普遍水分含量不高。另一方面,坝内坡地植被覆盖茂密,植物生理需水量大,使10～50 cm土壤层水分含量很低,尽管80～200 cm的土层水分含量均较高,但坝内坡地整个土层的土壤平均含水量并未因淤地坝拦蓄泥沙﹑汇集水流而比坝外坡地高。

坝前的坡地是淤地坝拦泥削洪的“左膀右臂”,更是坝地的支撑力量。坝内坡地因此也在有限范围内受惠,从而促进了植被生长,间接改善了坡地植被的状况而减少水土流失。由于植被生长生理需水,但整个土层的土壤平均含水量并未增加,从而证明植物耗水是黄土高原土壤水分消耗的一个重要方式。

图2　坝内外坡地0～200 cm深土壤的水分分布

2.2由坝外到坝内土壤水分分布特征

坡面土壤水分沿垂直坝体方向的分布更能说明淤地坝对坡面水分的影响。因为淤地坝增加了80 cm以下(包括80 cm)土层的平均水分含量。以土层80～200 cm纵向3个取样点取平均值绘图,其结果如图3所示。由图3可见,由坝外至坝内坡地土壤水分含量呈现增加的趋势,土壤水分含量沿垂直坝体方向呈线性增加，即坝外坡地土壤水分含量越靠近坝体越高;在坝内,坡地取样点均较坝外坡地高,淤地坝对坡地土壤水分影响表现出距离坝体越远越高,这可能与坝内地下水位有关系。由此可见,淤地坝的存在在一定程度上造成了坡面土壤水分含量的增大,这对改善坡面植被状况、保持水土具有一定的意义。

淤地坝建设不仅是一种沟道治理工程,其存在也影响了所在流域的坝内坡面水分分布,增加了坝内坡地一定深度土层的土壤水分含量,从而间接促进了植物生长，将沟道治理和坡面治理结合在一起。笔者认为淤地坝可以作为一种坡面治理措施,实现沟坡兼治。

图3　土壤水分垂直坝向分布

2.3淤地坝对坡位土壤水分的影响

在淤地坝建设完工后在其削峰拦泥过程中,利用拦蓄的泥沙使以坝前坡地为支撑的坝地逐渐抬高,使坡地坡长改变,相应的土壤水分分布也可能因此而发生改变,并且坝地对坡地水分的影响距离也不确定。为了探明不同坡位土壤水分状况、淤地坝影响坡地土壤水分的距离,解释坡位植被生长的差异,分别将坝内外坡地横向3个取样点土壤水分含量的平均值绘于图4和图5。图4显示了坝外坡地不同坡位水分分布图,其坡上水分含量明显较低,而坡中和坡下水分含量交错变化,差异不大。而对于坝内坡地(图5),下坡土壤水分含量明显高些,170 cm以下土壤水分含量相差不大,越深差异越小,甚至还较坡中和坡上位小。由于坝外坡地只是原整个坡地的上半部分,因此可以发现土壤水分含量很接近,只是表层水分含量变化较大;而对于坝内坡地,和对比的坝外坡地原来处于同一坡位,但由于坝地抬升使其变短,淤地坝的存在使其水分分布趋势具有明显差异性,下坡明显大于上坡和中坡,这与霍竹等[16]的研究结果一致。比较不同坡位土壤水分含量的平均值发现,坝外坡地平均值相近,而坝内坡下比坡上高很多,所以淤地坝影响坡地的距离有限,这与当地的水分条件和坡度等因素有关。在本研究中其“惠及”距离为5 m(采样间距)以内。

图4　坝外坡地不同坡位的水分分布

图5　坝内坡地不同坡位的水分分布

为了探明淤地坝对不同坡位土壤储水量的影响,计算了坡地(0～200 cm)土壤储水量(表1)。从表1可见,淤地坝增加了坝内坡地的储水量,但增加幅度不大,不同坡位的储水量表现为坡下>坡中>坡上；坝外坡地不同坡位的储水量变化并不大,而坝内变化较大。

表1不同坡位0～200 cm土壤的储水量

cm

2.4土壤剖面水分变化趋势以及各土层之间水分变异的差异

土壤剖面水分分布受人为活动、地形、降水、蒸发、风力、日照、土地利用类型、土壤性质和植被等因素影响较大,在各土层之间,不仅土壤水分含量存在差别,各层之间土壤水分的变异程度也存在差异[15,17-18]；但土壤尤其表层土壤的水分主要来自天然降水[19]。淤地坝改变了所在沟道的地形和水文循环途径,间接地改变了风力、风向、植被和土壤水分入渗时间等因素,使其对土壤水分的影响更加复杂化。由表2～表3可见,坝外各层土壤水分含量之间的变异系数值在0.13～0.46之间,为中等变异[20],但是随着土层深度的增加,变异系数基本上表现出减小的趋势,但分为两个层段,即0～60 cm和70～200 cm。坝内各层土壤水分含量之间的变异系数值在0.16～0.35之间,较坝外坡地稍小,但也属于中等变异,变异系数并未表现出规律性。坝外坡地表层土壤水分变化剧烈,直接受环境条件的影响,而坝内坡地由于植物和枯落物的存在,各层土壤水分含量的变化没有坝外坡地大;随着土壤深度的加深,坝内坡地土壤水分含量的变异系数逐渐变大。从坝内外坡地各土层土壤水分含量平均值与标准差、变异系数之间的相关系数(表4、表5)可以看出：对于坝外坡地,土壤水分含量的标准差与其平均值、变异系数均呈显著的正相关(P<0.05)，而变异系数与平均值呈负相关,但不显著;对于坝内坡地而言，土壤剖面水分含量的标准差与平均值、变异系数均呈极显著的正相关(P<0.01)。由此可见,淤地坝也成为土壤剖面水分变化的影响因素。

表2　坝外坡地不同深度土壤水分含量的统计特征值

表3　坝内坡地不同深度土壤水分含量的统计特征值

续表3：

深度/cm样本数平均值/%标准差/%标准误变异系数95%的置信区间/%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　坝外坡地剖面土壤水分含量平均值与标准差、

注：“**”表示在0.01水平上相关显著；“*”表示在0.05水平上相关显著。下同。

表5　坝内坡地剖面土壤水分含量平均值与标准差、

3结论

本研究得出如下结论：对于坝内坡地的土壤剖面,淤地坝对80～200 cm土层含水量有增加的作用；沿垂直淤地坝体的方向,坡地80～200 cm土壤水分含量由坝外到坝内呈线性增加；淤地坝工程改变了坝内坡地坡长,从而改变了土壤水分分布,其增加了坝内坡地的储水量;不同坡位的储水量表现为坡下>坡中>坡上,坝内坡地这种排序更为明显；淤地坝的存在使坝内坡地土壤剖面水分含量的标准差与平均值、变异系数均呈极显著的正相关,不同于坝外坡地的显著正相关。

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(责任编辑:黄荣华)

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

基金项目：商洛学院博士团队服务地方科技创新与经济社会发展能力提升专项(SK2014-01-18)；商洛学院博士启动基金项目(14SKY031)。

作者简介：赵培(1982─),男,吉林磐石人,博士,主要从事流域环境研究。*通讯作者:刘志鹏。

中图分类号：S152.7

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)06-0050-05