袁水龍, 李占斌, 張 揚(yáng), 董起廣, 王 丹

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司, 西安 710075; 2.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 西安 710048; 3.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)工程”之一。淤地壩建設(shè)的一個重要產(chǎn)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(nóng)田面積，增加糧食產(chǎn)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(xì)顆粒會被攜帶到更遠(yuǎn)的地方后沉積，導(dǎo)致壩地具有明顯的分層結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的空間異質(zhì)性[2]。壩地作為影響小流域水文循環(huán)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(chǎn)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(shí)空分布特征對于農(nóng)業(yè)增收和淤地壩安全運(yùn)行具有重要意義。前人對壩地土壤水進(jìn)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(tuán)圓溝1#壩地土壤水分分析結(jié)果表明：三角坪壩和團(tuán)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(xué)選等[4]對延安燕溝流域土壤水資源研究認(rèn)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(qū)域土壤水分進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，計(jì)算時(shí)段內(nèi)研究區(qū)的土壤水分有效性參數(shù)值受同期表層土壤含水量和蒸散發(fā)的影響較大。也有學(xué)者對土壤水分時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究，研究主要集中在土壤水分的時(shí)間穩(wěn)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(shí)空分布特征的研究還鮮有報(bào)道，因此本研究通過對王茂溝2號壩壩地土壤水分長期監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，研究淤地壩壩地土壤水分時(shí)空分布特征，以期為黃土高原淤地壩安全運(yùn)行及壩地農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提高提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

王茂溝流域地處陜西省榆林市綏德縣境內(nèi)，位于東經(jīng)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?yàn)闇貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，溫差較大。根據(jù)綏德水土保持試驗(yàn)站多年實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，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(fā)量為1 519 mm，最大1 600 mm，干旱冰雹等自然災(zāi)害頻發(fā)。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(nèi)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(jì)50年代開展水土保持工作，截至2012年底，王茂溝正常運(yùn)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(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

在王茂溝2號壩的壩地及兩岸坡地分別布設(shè)PC管監(jiān)測土壤含水量，壩地總共布設(shè)9根PC管，兩岸坡地布設(shè)5根PC管。壩地的監(jiān)測點(diǎn)分別布設(shè)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(jiān)測點(diǎn)的土壤體積含水量進(jìn)行監(jiān)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(jì)22次，2015年9月到2016年3月約每個月測量兩次，共計(jì)9次。

圖2壩地土壤水分監(jiān)測點(diǎn)位置

1.3　含水量測定與數(shù)據(jù)分析

采用德國IMKO 公司生產(chǎn)的TRIME—PICO IPH/T3 型TDR測定在土壤含水量，當(dāng)土壤含水率為0%～40%時(shí)，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(shù)據(jù)采用SPSS 19.0和Excel 2013等軟件處理，文中相關(guān)圖表采用Excel 2013，Origin 8.5和ArcGIS 10.1軟件繪制。

2　結(jié)果與分析

2.1　壩地表層土壤含水量統(tǒng)計(jì)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(zhì)和能量在土壤表層交換，導(dǎo)致其水分運(yùn)動極其活躍，不斷發(fā)生著水分的輸入和輸出，即土壤水分的蒸發(fā)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(tǒng)計(jì)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(dá)到21.10%，這是因?yàn)橥寥篮颗c土壤顆粒組成密切相關(guān)，因此壩地顆粒組成特征決定了土壤水分極差的大小。根據(jù)Nielson分級系統(tǒng)[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(tǒng)計(jì)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(qū)壩地的泥沙往往是由汛期的幾場短歷時(shí)高強(qiáng)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(xì)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(jī)質(zhì)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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(yuǎn)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)最大，這主要是由于表層容易受到降雨、蒸發(fā)等因素的影響。K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明，壩地不同深度下土壤含水量均服從正態(tài)分布。

2.3　壩地土壤含水量的時(shí)間變化特征

圖3為不同監(jiān)測點(diǎn)各土層的土壤平均含水量及其時(shí)間變異系數(shù)分布圖，其中圖3A為不同監(jiān)測點(diǎn)各土層土壤平均含水量，圖3B為不同監(jiān)測點(diǎn)各土層土壤含水量時(shí)間變異系數(shù)。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(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。同時(shí)，壩地土壤水分具有明顯的分層現(xiàn)象，這可能與壩地的分層淤積結(jié)構(gòu)有關(guān)。由圖3B可以看出，多數(shù)監(jiān)測點(diǎn)的土壤水分在時(shí)間上屬于中等變異，也有部分監(jiān)測點(diǎn)在較深的土層下表現(xiàn)為弱變異，說明壩地深層土壤水分在時(shí)間上具有一定的穩(wěn)定性。同時(shí)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(shù)開始變小，水分變化程度減弱。按照變異系數(shù)的大小，并結(jié)合其他學(xué)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(wěn)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(zhì)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(shù)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(xiàn)為先減小后增大。這是因?yàn)楸韺尤菀资艿浇邓难a(bǔ)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(bǔ)給，導(dǎo)致土壤含水量較低；到了深層1.20 m以下，蒸發(fā)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(guān)，細(xì)顆粒含量高的地方含水量也較高[17]。徑流在挾帶泥沙運(yùn)動過程中，隨著挾沙力的減小，一般是粗顆粒先沉積，細(xì)顆粒后沉積，大量的細(xì)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(shù)相差不大，均呈極顯著相關(guān)(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(fā)都可以使表層土壤水分含量發(fā)生變化，土壤水分隨著深度的增加而趨于穩(wěn)定。

表1　壩地表層土壤含水量統(tǒng)計(jì)特征(0-20 cm)

壩地土壤水分具有明顯的分層現(xiàn)象，圖5對比了壩地和坡地土壤含水量及其變異系數(shù)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(jié)構(gòu)有關(guān)，壩地的這種分層淤積結(jié)構(gòu)為土壤產(chǎn)生優(yōu)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(fā)現(xiàn)，壩地土壤含水量波動劇烈，而坡地含水量的變化則比較穩(wěn)定。由圖5B可以看出，壩地各層土壤含水量隨時(shí)間的變異系數(shù)基本介于10%～30%，屬于中等變異；坡地0—0.80 m變異系數(shù)介于10%～20%，屬于中等變異，0.80 m以下坡地含水量變異系數(shù)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(shù)明顯小于坡地，壩地各層土壤水分在時(shí)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(tǒng)計(jì)特征

圖3各監(jiān)測點(diǎn)不同土層深度的平均含水量及變異系數(shù)分布

圖4壩地不同部位土壤含水量及變異系數(shù)隨深度變化過程

圖5壩地和坡地土壤含水量及變異系數(shù)隨深度變化過程

3　結(jié) 論

(1) 壩地各層土壤水分均表現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)象，多數(shù)監(jiān)測點(diǎn)的土壤水分在時(shí)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(shù)開始變小，水分變化程度減弱；根據(jù)變異系數(shù)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(wěn)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(xiàn)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(shí)間的變異系數(shù)均小于坡地。

參考文獻(xiàn):

[1]李勉,楊吉山,楊二,等.黃土丘陵區(qū)小流域淤地壩建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響[C]∥中國地理學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會,2011.

[2]魏霞,李占斌,李勛貴,等.基于灰關(guān)聯(lián)的壩地分層淤積量與侵蝕性降雨響應(yīng)研究[J].自然資源學(xué)報(bào),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(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,37(3):475-478.

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

[5]甄自強(qiáng),黃金柏,王斌,等.黃土高原北部淤地壩區(qū)域土壤水分模擬及水分有效性:以六道溝流域?yàn)槔齕J].水資源與水工程學(xué)報(bào),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(shí)空特征分析[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2003,14(4):515-519.

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

[8]趙磊磊,朱清科,聶立水,等.陜北黃土區(qū)陡坡土壤水分變異規(guī)律研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),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(yīng)[J].水土保持學(xué)報(bào),2014,28(1):6-11.

[10]趙文舉,李曉萍,范嚴(yán)偉,等.西北旱區(qū)壓砂地土壤水分的時(shí)空分布特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),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(guān)系的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(9):80-84.

[14]黃河水利委員會綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站.水土保持試驗(yàn)研究成果匯編(第二集)[R].綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)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(qū)農(nóng)業(yè)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(tài)效應(yīng)研究[D].西安:西安理工大學(xué),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(xué)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.