高速公路绿化带土壤水分动态变化规律研究

骆 汉，史常青，田 佳，赵廷宁，郭小平

(1 北京林业大学 水土保持学院，北京 100083；2 宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021)

“生态公路”作为科学的公路建设理念，突出人与自然的和谐共生，已经成为未来公路建设的发展方向[1]，而公路绿化是生态公路的重要组成部分。植被作为边坡绿化的主体，需要足够的边坡土壤水分维持其生长。除少量通过人工养护浇水外，高速公路边坡土壤水分主要依靠天然降雨，边坡绿化的幼苗很难得到足够的水分供应，加之高温和干旱，高速公路边坡植被发黄、萎蔫以及长势衰弱的情况屡见不鲜[2]。要解决边坡绿化植被生长的问题，更好地完成公路生态绿化的目标，首先要了解高速公路边坡土壤水分的动态变化规律，才能够更合理地选配植物和灌溉养护。

了解土壤水分的空间变异及时间动态特征，有助于在水文过程与生态格局之间建立定量的联系[3]。李洪建等[4]分析了黄土高原土壤水分变化的时空特征。姚淑霞等[5]对科尔沁地区不同类型沙地土壤水分随时间及土层厚度变化的过程及特征进行了研究。高磊[6]则深入探讨了土壤水分时间稳定性以及相关变量的空间尺度性。何其华等[7]则指出降水是影响土壤水分的最主要因素。高速公路处在一个特殊环境条件下，但关于高速公路边坡土壤水分的研究相对较少[8]。为此，本试验针对廊涿高速公路中央隔离带、平地、阴坡和阳坡的土壤水分动态变化规律进行了研究，旨在了解高速公路边坡土壤水分的特点，为高速公路边坡土壤水分的有效利用及公路的生态绿化提供基础资料和科学依据。

1 研究区概况

研究区位于廊涿高速中部的固安县，处于河北平原，地理位置为东经116°07′～116°27′，北纬39°08′～39°30′。该区属暖温带半湿润大陆性季风气候，雨热同季，干寒同期，四季分明，光照充足，温差较大，年平均降水量569.1 mm。土壤为永定河冲积-淤积母质类型。沿线植被较多，主要有狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、五叶地锦(ParthenocissusquinquefoliaPlanch)、葎草(Humulusscandens(Lour.)Merr.)、铁杆蒿(ArtemisiasacrorumLedeb．)、灰菜(ChenopodiumalbumL.)、蒺藜(TribulusterrestrisL.)、猪毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst.et Kit.)等。

2 研究方法

于2009年4-11月，在廊涿(廊坊-涿州)高速公路固安东收费站附近，分别设置A、B、C、D 4个观测点，其中A(N：39°25′20.3″、E：116°24′24.0″，H 18 m)为阴坡观测点，B(N：39°25′19.1″、E：116°24′23.5″，H 18 m )为阳坡观测点，C(N：39°25′18.9″、E：116°24′22.9″，H 17 m)为平地观测点，D(N：39°25′20.9″、E：116°24′23.9″，H 22 m)为中央隔离带观测点(图1)。各观测点土壤及植被状况如表1所示。

表 1 高速公路绿化带各观测点土壤及植被状况

续表 1 Continued table 1

图1 高速公路绿化带各定位观测点的平立面图(单位：m)

运用烘干法(105 ℃)测定土壤体积含水率。在平地和中央隔离带均按照对角线法采集土样，每次各取土样9个，测定土样体积含水率，将其平均值作为平地和中央隔离带的土壤含水量；在阳坡和阴坡观测点按照坡上(3个)、坡中(3个)、坡下(3个)取样，每个坡面每次取土样9个，测定土样体积含水率，将其平均值作为阳坡和阴坡的土壤含水量。按照不同土层深度取样，土层深度分别为0～10 cm， 10～20 cm和 20～40 cm。4个观测点每月各取土样5次，测定土样体积含水率，将其平均值作为各观测点当月土壤含水量。降雨量由安装在试验区的Davis小型气象站自动记录得到。

3 结果与分析

3.1 高速公路绿化带土壤水分的时间变化规律

图2是2009年4-11月各观测点(阳坡、阴坡、平地及中央隔离带)土壤水分(0～40 cm)和降雨量的月变化图。由图2可以看出，各观测点土壤水分的季节性动态变化规律显著，且与降雨规律一致。4-5月，由于气温的回升，植物根系活动逐渐活跃，蒸腾耗水增加，加上北方春天的多风大风天气，使得土壤水分大量蒸散，虽有少量降雨，但无法补给土壤水分的大量消耗，各观测点土壤含水量持续下降；5-8月，气温进一步升高，植物枝繁叶茂，植物蒸腾和土壤蒸散带走大量土壤水分，但是雨季带来了充足的降水，使得土壤水分得以较好的补充和积累，各观测点土壤含水量迅速增加；8-10月，气温仍然较高，植物蒸腾量和土壤蒸散量较大，但随着雨季的结束，降雨量大幅减少，缺少了足够的水分补给，各观测点土壤含水量逐渐降低；10-11月，正值深秋和初冬，温度明显降低，植物停止生长，根系活动和土壤蒸散微弱，各观测点土壤水分消耗小，又有少量雨雪的补充，各观测点土壤含水量稳中有升。

阳坡、阴坡、平地及中央隔离带4个观测点(0～40 cm)4-11月的平均土壤含水量分别为10.14%，10.99%，8.49%和16.51%。可知中央隔离带的平均土壤含水量较高，而平地的平均土壤含水量相对较低，阳坡和阴坡的平均土壤含水量无显著差异。中央隔离带的特殊构型(新泽西式砼护栏)可以较好地保持水土，这是其平均土壤含水量较高的主要原因[9]。平地的平均土壤含水量较低，主要是由于在平地下多为高速公路建筑弃渣，主要组成物为混凝土块，漏水漏肥。而阳坡和阴坡的六棱花饰护坡能起到一定的防风蓄水作用，使其土壤含水量保持相对稳定[10]。

图2 高速公路绿化带各观测点土壤含水量及降雨量的月变化

3.2 高速公路绿化带土壤水分的空间变化规律

变异系数(CV)是反映土壤水分变化程度的主要指标，用它来研究土壤水分的变化程度，划分边坡土壤水分垂直变化的层次[11]。

表2是高速公路绿化带各观测点不同土层深度土壤水分的变异系数。由表2可以看出，表层(0～10 cm)和下层(10～20 cm)的土壤水分波动较大，变异系数平均值为28.39%和24.85%，接近或超过了25%，因此将这2层(0～20 cm)合称为速变层。该层是近地面土层，主要受降水、温度、通风状况等气象因子以及人为活动的影响较大，有吸收雨水快、蒸散快、干湿变动频繁、变异系数大等特点。深层(20～40 cm)土壤含水量的变化明显减弱，但变异系数平均值(19.41%)仍在20%左右，因此将这层称为活跃层。该层受外界气象因子影响减小，但植物根系密集，是草本根系的主要分布区。由于植物对土壤水分的吸收利用和蒸腾散失，土壤水分变化仍然较为活跃。另外，不同土层深度下平地和中央隔离带的土壤水分变异系数均大于阳坡和阴坡，这主要是由于平地下的高速公路建筑弃渣和中央隔离带的特殊结构所致。

表 2 高速公路绿化带各观测点不同土层深度土壤水分的变异系数

由图3可以看出，随着土层深度的增加，各观测点的土壤含水量均呈增大趋势，深层的土壤含水量要明显高于表层。这主要是由于深层土壤受蒸散及温度等外界条件影响较小，而表层土壤蒸发强烈，易失水。阳坡、阴坡和中央隔离带的土壤含水量在10～20 cm土层增加幅度较大，在20～40 cm土层增加幅度减缓。而平地在0～10 cm和10～20 cm土层土壤含水量差距较小，在20～40 cm土层土壤含水量逐渐增大，至土层深度为40 cm时土壤含水量较高，为9.27%，但仍为各观测点中最小。阳坡表层(0～10 cm)土壤由于受太阳辐射及土壤蒸散等的影响，土壤含水量相对较小，小于阴坡表层土壤含水量，但随土层深度的增加，阳坡土壤含水量增大较快，深层(20～40 cm)的土壤含水量(平均值12.23%)大于阴坡(平均值11.18%)。中央隔离带深层(20～40 cm)土壤含水量最大，平均值为18.64%，比0～20 cm土层平均土壤含水量高4.26%。另外，在0～40 cm土层，平地观测点的土壤含水量在4个观测点中最低，中央隔离带最高，与图2结果一致。

图3 高速公路绿化带各观测点土壤水分随土层深度的变化

4 讨 论

土壤水分的时间变化取决于各个时期水量平衡要素之间的关系。水分收入大于消耗, 土壤水分含量增加, 反之则减少[12]。高速公路边坡土壤水分的季节性动态变化规律显著，这与其他学者对林地[13]、沙地[5]、旱地[12]等土壤水分的研究结果一致。

土壤水分的空间变化规律主要受水分向下的入渗再分布、向上的蒸发移动[11]以及植物根系吸水等过程所支配。对于其他立地类型土壤水分的空间变化研究，土层深度一般可以达到2～3 m，根据变异系数的不同，可以划分到次活跃层、相对稳定层等，而对于高速公路边坡这种特殊的立地类型，土层较浅，故本研究中土样采集深度最大为40 cm。由于土层深度相对较浅，受外界气象因子及人为因素等的影响较为严重，高速公路绿化带各观测点不同土层深度的土壤水分变异系数均较大，因此只分为2个层次，即速变层(0～20 cm)和活跃层(20～40 cm)。另外，由于高速公路特殊的环境特点，平地下大量的建筑弃渣，导致土壤结构疏松，漏水漏肥，土壤水分相对较低，变异系数较大。中央隔离带由于其特殊的构型(新泽西式砼护栏)，可以较好地保持水土，减少水分的蒸散，土壤水分条件较好。

5 结 论

高速公路绿化带各观测点土壤水分的季节性动态变化规律明显，且与降雨规律一致。5-10月的土壤水分条件最好。土壤水分的空间变化可分为速变层(0～20 cm)和活跃层(20～40 cm)2个层次。各观测点中，中央隔离带的土壤水分条件最好，阴坡和阳坡次之，平地土壤水分条件最差。

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