竹节水平沟对红壤坡面土壤水分的影响

王 嘉 莫明浩 宋月君 刘 昭 聂小飞

( 江西省水土保持科学研究院，江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

水资源利用率低和因降雨的时空分布不均造成旱涝灾害频繁，是我国水资源状况面临的突出问题。无论是大气降水、地表水还是地下水，都必须通过土壤这个载体，经土壤水的调控，实现水资源的可持续利用[1]，“土壤水库”对于汛期的防洪减灾和旱季的水分保蓄利用都具有重要作用[2-3]。然而，在水土流失区若土壤侵蚀加剧，土壤水库的总库容量则会随之损失严重[4-5]。

受降雨量大、扰动频繁、多山丘地形等影响，红壤坡地水土流失严重，裸露地的年均土壤侵蚀模数多在5 000 t/km2以上，达强烈等级[6]。水土保持措施在减少水土流失的同时，可达到增加土壤水库库容的目的。水土保持措施的已有研究表明：枯落物覆盖，能够有效提高红壤坡地土壤持水能力[7]，土壤水分亏缺度小[8]；等高绿篱，能使植物在干湿两季充分利用红壤浅沟坡面水分，缓解季节性干旱[9]；条带植草，在红壤坡地果园中具有明显的减流减沙效应和蓄积水分作用[10]。竹节水平沟，作为我国南方红壤侵蚀区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，在区域水土流失治理中发挥着重要的作用[11-12]，但目前对于竹节水平沟对坡面土壤水库和土壤水分影响程度的研究相对较少。通过在江西省选取样地进行试验，了解竹节水平沟这一工程措施的影响，对于水土流失防治、防洪减灾、抗旱保墒及践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期治水思路均具有重要意义。

1 研究方法

1.1 试验区概况

试验样地位于江西省泰和县老虎山小流域，地处114°52′～114°54′E、26°50′～26°51′N，地貌属低浅丘陵区，海拔80～200 m，丘坡平缓，坡度多在5°左右。属中亚热带湿润性季风气候，年均气温18.6 ℃，≥10 ℃的年积温为5 918 ℃，极端最低、最高气温分别为-6 .0 ℃和40.4 ℃，夏季多伏旱天气，年均降雨量1 363 mm，无霜期288 d[13]。土壤为第四纪红土发育而成的红壤，地带性植被为中亚热带常绿阔叶林。在20 世纪90年代以来实施的国家水土保持重点建设工程中，小流域坡面多开挖竹节水平沟，种植马尾松（Pinus massoniana）、枫香（Liquidambar formosana）、木荷（Schima superba）、胡枝子（Lespedeza bicolor）等水保林进行治理[14]。

试验期间2018年6月至2019年5月期间泰和县老虎山小流域降雨量见表1。月际分布特征呈现单峰型，2018年6月降雨量最大，达304.0 mm，最大日降雨量达92.5 mm。2018年9月降雨量最小，仅16.0 mm。

表1 泰和县老虎山小流域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 试验设计

1.2.1 试验处理

在泰和县老虎山小流域选择了4个试验坡面区域，共12个样地，4 种处理分别编号为a、b、c、d，进行土壤容重和土壤水分的取样测试分析，均位于中坡和下坡，试验处理见表2，样地情况见图1。

表2 泰和县老虎山小流域试验样地情况Table 2 Experimental plots in Laohushan small watershed of Taihe County

1.2.2 竹节水平沟尺寸

竹节水平沟布设于风化强烈、土层较薄、水土流失强度大的坡地，在山坡上沿等高线每隔一定距离修建的截流、蓄水沟（槽），蓄水拦沙，其沟（槽）内间隔一定距离设置1个土垱以间断水流，形似竹节；防御暴雨标准采用10年一遇6 h最大降雨；梯形台体结构，上下沟呈品字形布设[15]。共选取竹节水平沟6 处，其中c 处理3 处、d 处理3 处。各竹节水平沟的尺寸见表3。

表3 各竹节水平沟尺寸Table 3 Sizes of each bamboo-type contour trench cm

图1 野外样地现场Fig. 1 Pictures of each field plot

1.2.3 试验方法

试验时间为2018年6月至2019年5月。采用取样法，分0～20、20～40、40～60 cm 3 层取样，竹节水平沟分沟内和沟外取样。每月取样1 次，均于中下旬未降雨时或雨停后第2 天的每日上午取样。土壤容重采用环刀法测定，土壤水分采用铝盒称重烘干法测定，降雨量通过小流域中全国水土保持监测网络的气象站观测。各土层的蓄水量采用下式计算[2]：

式中：Wi为每层土壤水分储量（mm），W为土壤水分总储量（mm），wi为土壤含水量（%）ri为每层土壤容重（g/cm3），hi为分层厚度。

1.3 数据分析

试验数据采用Excel 软件进行整理和作图，采用SPSS 软件进行方差分析和显著性检验，检验方法采用ANOVA 法，t检验显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同处理各土层蓄水量对比

6个不同处理样地各土层蓄水量见表4。从各土层蓄水量来看，c-沟内、c-沟外和d-沟内基本为20 cm 土层蓄水量最大；a 样地和b 样地基本是夏季时深土层蓄水量最大，其他月份为20 cm 土层蓄水量最大；d-沟外基本为60 cm 土层蓄水量最大，各层的土壤蓄水量相差不大。

表4 各样地各土层蓄水量Table 4 Soil water storage of each soil layer in different treatments mm

从各样地蓄水量总和来看，由大到小的顺序依次为d-沟内＞d-沟外＞c-沟内＞a＞c-沟外＞b。红壤坡面土壤水库的库容较大，60 cm 土层土壤蓄水量均在81.8 mm 以上。竹节水平沟沟内比沟外的蓄水量相对更大。枯落物覆盖区域土壤蓄水量相对最大。裸露坡面的蓄水量较大，与其没有植物对水分的吸收、没有蒸腾作用有关。纯水保林下裸露区域土壤蓄水量相对最小且月际变化不大。

2.2 竹节水平沟对蓄水量的影响

以b 样地为对照，计算c 样地、d 样地对0～60 cm 土层土壤蓄水量的影响。竹节水平沟对蓄水量的增加率见表5。由表5 可知，有竹节水平沟的样地每月对坡面土壤蓄水量均有增加。c-沟内蓄水量可增加40%～93%，平均增加73%；c-沟外蓄水量可增加9%～46%，平均增加31%。d-沟内蓄水量可增加79%～126%，平均增加98%；沟外蓄水量可增加55%～88%，平均增加75%。可见，竹节水平沟具有增加坡面土壤水库的作用。

表5 竹节水平沟对蓄水量的增加率Table 5 Increasing rate of soil water storage by bamboo-type contour trench %

沟内蓄水量增加量大于沟外，d-沟内蓄水量增加量在这12个月都在1 倍左右；c-沟外蓄水量增加量最少，但也增加了30%左右，即在同样水保林下，有竹节水平沟措施的坡面在沟外的土壤蓄水量也比无竹节水平沟措施大。由此可见，竹节水平沟无论沟内还是沟外，全年都能起到蓄积水分、增加土壤水库库容的作用，这对于防汛和抗旱都具有重要意义，是南方红壤侵蚀区调控水量的治本措施之一。

2.3 竹节水平沟对土壤水分含量的影响

因土壤水分含量受降雨影响，故将月降雨量和取样前5 日的降雨量[16]考虑入内。为了分析竹节水平沟的影响，将b 样地与c 样地沟内、d 样地沟内的土壤水分含量进行对比分析，其土壤含水量见图2。

图2 各样地不同月土壤含水量变化Fig. 2 Changes of soil water content in different months

b 样地的土壤含水量较小，所有土层均在16%以下。其土壤含水量与降雨量关系密切，在雨季降雨量最大的4—6月的3个月中，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，所有土层土壤含水量均在9%以下，且受伏旱天气影响较大，使得土壤含水量在一年中的最小值与最大值相差96%；其他月份的土壤含水量处于中间水平，各月份之间相差不大。从土层深度来看，3个土层土壤含水量相差不大，大多呈现表层0～20 cm 土层稍高的规律，说明水保林的根系对土壤含水量有影响。

c 样地沟内的土壤含水量均大于b 样地，除9月在12%～14%外，其他月份表层土壤含水量均在16%以上，说明在水保林中开挖竹节水平沟具有蓄积水分的作用。除降雨量最小月9月时土壤含水量最小外，其他月份的土壤含水量与降雨量大小没有明显的规律性，3月和5月的土壤含水量较大。在气温高的7月和8月，土壤含水量仍然与6月相差不大甚至部分土层更高，说明竹节水平沟在伏旱天气中能起到一定的储水作用。

d 样地沟内土壤含水量基本呈现随土层深度增加而减小的规律，且水分含量较为稳定。基本为表层的土壤含水量最大，随着土层深度的增加，含水量减小，这与沟内蓄水以及沟周边植被的根系作用有关。总体而言，因径流易汇入竹节水平沟，沟内土壤含水量相对较大，均在17%以上。受竹节水平沟微地形和枯落物覆盖的影响，在降雨量和取样前期降雨量都很小的9月，土壤含水量仍然较高，为18%～21%，高于7月、8月和6月。受枯落物覆盖影响，沟内土壤含水量随月际变化的幅度相对不大。

2.4 土壤水分含量的季节特征

为分析不同处理样地的土壤水分含量的特点，选取每个季节中的1个月份（1月、4月、7月和9月）对a、b、c-沟内、c-沟外、d-沟内、d-沟外等6个不同处理样地的土壤含水量进行对比分析，如表6 所示。

在春季4月份，各样地在各土层深度上的土壤含水量大小不一。在0～20 cm 处的土壤含水量大小排序为d-沟内＞d-沟外＞c-沟内＞a＞c-沟外＞b；经方差分析，d-沟内与其他处理差异显著（P＜0.05）；b 与c 沟外差异不显著，与其他处理差异显著。在20～40 cm 处的土壤含水量排序为d-沟外＞a＞d-沟内＞c-沟内＞c-沟外＞b；d-沟内除与a 和d-沟外差异不显著外，与其他处理均有显著性差异；c-沟内除与c 沟外差异不显著外，与其他处理均差异显著；a 的含水量较大，且除与d-沟内和d-沟外差异不显著外，与其他处理均差异显著。在40～60 cm 处的土壤含水量排序为a＞d-沟内＞d-沟外＞c-沟外＞c-沟内＞b；d-沟内除与d-沟外差异不显著外，与其他处理均差异显著；c-沟内除与c-沟外差异不显著外，与其他处理均差异显著；a的含水量最大，且与其他处理均差异显著。

表6 不同样地不同时期土壤含水量分布Table 6 Soil water content distribution at different periods in each treatment %

在夏季7月份，各样地在各土层深度上的土壤含水量大小排序基本一致，表层0～20 cm 处土壤含水量排序为d-沟内＞a＞c-沟内＞d-沟外＞c-沟外＞b，d-沟内除与c-沟内和a 差异不显著外，与其他处理均差异显著。在深层20～40 cm 和40～60 cm处土壤含水量排序为d-沟内＞a＞d-沟外＞c-沟内＞c-沟外＞b，d-沟内除与a 差异不显著外，与其他处理均差异显著。

在秋季9月份，各样地在各土层深度上的土壤含水量大小排序完全一致，为d-沟内＞a＞d-沟外＞c-沟内＞c-沟外＞b，即土壤含水量最高的是d-沟内，基本与其他处理呈显著性差异；含水量最低的是b，除与c-沟外差异不显著外，与其他处理差异均显著；c-沟内含水量虽小于a，但是差异不显著。

在冬季1月份，各样地在各土层深度上的土壤含水量大小排序基本一致，为d-沟内（或a）＞d-沟外＞c-沟内＞c-沟外＞b。d-沟内土壤含水量最大，除在0～20 cm 处与a 差异不显著、在20～40 cm处与c-沟内和d-沟外差异不显著外，与其他处理均差异显著；b 的土壤含水量最小，且与其他处理均差异显著。

总体来看，各季节的土壤含水量特征有一定共性规律，即土壤含水量最低的都是b 样地，最高的是d-沟内样地或a 样地，同一处理样地的沟内土壤含水量大于沟外。在气温低的1月和多雨的4月，d-沟内样地表层的土壤含水量大于a 样地，而深层的土壤含水量低于a 样地。在气温高的7月和9月，d-沟内样地的土壤含水量明显大于a 样地，尤其是降雨量小的9月，d-沟内样地的土壤含水量远高于a 样地。

3 结论与讨论

土壤含水量受土层深度、降雨量和季节等因素影响[17]。a 样地土壤含水量受气温影响大，土壤含水量基本随土层深度而增大，气温高的月份的土壤含水量低于气温低的月份，说明裸露坡面在夏季时蒸发量大；这与文献[18-20]中认为裸露地表降雨时无法有效截持雨水且旱季蒸发剧烈，蓄水能力弱的结论一致。b 样地土壤含水量同样受降雨和气温影响较大，c 样地沟内则影响较小。d 样地沟内的土壤含水量随土层深度而减小，在降雨量和取样前期降雨量都很小的9月，土壤含水量仍然较高，说明竹节水平沟和枯落物覆盖措施蓄水保水能力较强，这与文献[21-22]中认为的覆盖物能增大土壤含水量的结论一致。

分析对比6 种处理样地的土壤含水量特点，基本特征均为：土壤含水量最低的都是b 样地，最高的是d-沟内样地或a 样地。分析其原因，认为：1）b 样地是表面基本裸露、有少量枯落物的水保林，因受表层裸露蒸发水分和深层根系吸收水分的双重消耗影响，土壤含水量处于最低水平，四个季节中d 沟内样地比b 样地土壤含水量高出79%～146%。这也是产生林下水土流失的重要原因，土壤水分成为植被生长的限制性因子[23-24]，因土壤水分含量低，植被难以生长成活，故工程上常采用开挖竹节水平沟措施。2）c 样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发消耗的影响。d 样地因枯落物的覆盖减少了水分蒸发，使得土壤水分含量大于c 样地，同时受竹节水平沟的蓄水作用，同种处理的沟内样地土壤水分含量大于沟外样地。3）a 样地土壤含水量较高，在春季和冬季，d-沟内样地表层的土壤含水量大于a 样地，而深层的土壤含水量低于a 样地；这和土层水分无植物根系吸收有关，土壤持水较多，且没有植物蒸腾作用的水分消耗，仅受土壤水分蒸发的影响，这与文献[10]中裸露红壤研究的结论一致。而在夏季和秋季，d-沟内样地的土壤含水量大于a 样地，尤其是气温高、降雨量小的9月，具有显著性差异。a 样地土壤含水量虽大多大于c-沟内样地，但并不都具有显著性差异，且因土壤容重等的影响，c-沟内样地的蓄水量仍大于a 样地。

本研究在对国家重点治理工程小流域的竹节水平沟及其对照样地取样试验后，分析竹节水平沟对红壤坡面土壤水分的影响，得出以下结论：1）竹节水平沟沟内60 cm 土层蓄水量为138.1～237.3 mm，高于裸露坡面和水保林坡面，无论沟内还是沟外，全年都能起到蓄积水分、增加土壤水库库容的作用，这对于防汛和抗旱都具有重要意义，是南方红壤侵蚀区调控水量的治本措施之一。2）水保林+竹节水平沟沟内的土壤含水量大于水保林地；水保林+竹节水平沟+枯落物覆盖样地沟内的土壤含水量基本最大，在17%～28%，比水保林地高出79%～146%，在气温偏高且降雨量最小的9月，沟内各层的土壤含水量均高于其他样地，证明了竹节水平沟措施在枯水季节的保水作用。