黄土高原地区水土保持措施对土壤水分影响研究综述

魏 童，谭军利,2,3，马中昇

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021；3. 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021)

土壤水资源作为被植物吸收利用的唯一水分来源，制约着植物的生长发育，进而影响黄土高原的植被建设和农业生产。黄土高原由于其土层深厚，地下水埋深较深，植物利用地下水困难，降水几乎成为土壤水分的唯一补给。黄土高原地区水土流失严重，水土流失面积高达43 万km2，平均每年输入黄河的泥沙量达到1.6 亿t，造成黄河河道淤积[1]。严重的水土流失，带走土地肥力和土壤水分，使得土地生产力低下，严重影响黄土高原地区的经济发展和生态环境。为治理水土流失，当地采取了一系列的水土保持措施，包括水土保持工程措施、植被措施和耕作措施。各种水土保持措施都会对土壤水分产生影响，包括土壤水分含量及土壤剖面垂直分布，反之土壤水分也会制约水土保持措施的规划制定，进而影响土壤水资源可持续利用和生态植被建设效果。因此，有关水土保持措施与土壤水分关系的研究一直备受关注，但研究的重点集中于植被措施与土壤水分的相互影响，对其他水土保持措施对土壤水分影响的系统研究较少，特别是对不同水土保持措施对土壤水分影响研究的归纳总结更少。本文针对不同水土保持措施对土壤水分的影响研究，将现有的主要水土保持工程措施、植被措施、耕作措施对土壤水分研究结果进行归纳和分析，以期能够为黄土高原土壤水分的高效可持续利用提供参考，为制定与土壤水分相适应的水土保持措施提供理论依据。

1 水土保持工程措施对土壤水分的影响

1.1 水土保持工程措施对土壤含水量的影响

水土保持工程措施包括坡面工程中的梯田、反坡梯田、水平阶及鱼鳞坑，沟道工程中的淤地坝工程等。在黄土高原，坡改梯是最为常见的水土保持坡面工程之一。有研究表明，工程措施能够显著提高土壤含水量。穆兴民[2]在测定了宁夏固原河谷断面不同坡面工程的土壤含水量后得到，二级台地>一级台地>梯田>山顶>荒坡。徐学选[3]试验表明，坡地梯田化能够增加流域的储水量，采取鱼鳞坑、水平阶等水保措施的土壤储水量为无水保措施的107%。隔坡梯田是由其上部的坡面和梯田组成，通过上部的坡面截留地表径流，从而达到固定水土增加土壤含水量的效果。尹传逊[4]发现隔坡梯田的土壤含水量较自然坡耕地显著增加，增幅在4.3%以上。蒋定生[5]也指出，隔坡梯田的土壤含水量在旱季和雨季均高于水平梯田。坡改梯土壤含水量增加的原因一方面是由于减小了坡度，降雨落到水平梯田后不易受重力作用形成地表径流，减少了地面径流，因此增加了水分渗入量使土壤含水量增加；另一方面，梯田的减沙作用固定了土壤，增加了土壤团粒结构的稳定性，从而提高了土壤的蓄水能力和土壤含水量。淤地坝也是一项关键的水土保持工程措施，研究表明，各项水土保持措施中减水减沙作用最大的是淤地坝[6]。淤地坝能够拦蓄洪水和泥沙，滞洪有效的分离了泥沙和清水，一部分富含泥沙的洪水向下沉积，通过土壤渗透转化为土壤水和地下水，增加了土壤水含量。清水作小水库使用，保证了坝地地表水-土壤水-地下水的可持续循环，坝地周围的土壤水资源充足，可供作物生产利用，另外小水库也可以发展水产养殖，促进经济发展[7]。据绥德实测资料显示，坝地的土壤含水量是坡耕地的1.86倍，有效的提高了土壤含水量[8]。

1.2 水土保持工程措施对土壤剖面的水分分布影响

水土保持工程措施不仅影响土壤含水量，对土壤剖面的水分垂直分布也会产生影响。张北赢[9]研究表明，不同工程措施的水分利用层并不相同：梯田在0～50 cm土壤含水量随土层深度增加而增加，随后逐渐减小至较为稳定；水平阶的保水作用层在0～80 cm，在此土层的土壤含水量随深度增加而增加；而鱼鳞坑在40 cm以上土层的土壤含水量水平较高。张海等[10]测定了不同坡面工程的土壤含水量后发现，在0～50 cm土层，隔坡梯田的土壤含水量均高于大台田、鱼鳞坑，并提出隔坡梯田是黄土高原坡面工程治理的最优模式。王祖正[11]试验表明，淤地坝坝地的土壤含水量由表层向深层逐渐增加，在2.1 m处达到最大，随后逐渐减小至趋向稳定。结合以上研究表明，坡改梯是增加土壤水最为广泛和有效的坡面工程，且隔坡梯田的效果较好。

2 水土保持植被措施对土壤水分的影响研究

2.1 不同土地利用类型/植被类型对土壤含水量影响

植被措施是通过种植人工林树种或增加天然植被的数目，达到固定土壤，保持水土的效果。不同植被类型的土壤含水量由于其植被类型的差别存在差异。张建军等[12]在比较了次生林地、人工林地的土壤含水量后得到次生林地、刺槐人工林地、油松人工林地的土壤储水量均有差异，且次生林地的土壤储水量显著高于人工林地。王志强[13]在测定了农地、天然草地、人工林地的土壤含水量后指出，农地和天然草地的平均土壤含水量在2～10 m土层分别为11.2%、10.2%，明显高于人工林地在该土层的平均土壤含水量4.5%～5.1%。这是由于人工林树种根系较长，强烈的蒸腾作用消耗了大量土壤水资源，造成林地土壤含水量较少，有研究表明，黄土高原半干旱区不同树种的林地土壤含水量都很低，接近于凋萎湿度[14]。

2.2 植被覆盖度对土壤水分影响

植被覆盖度是植被措施对土壤水分产生影响的重要因素。研究表明，植被覆盖区与裸地的土壤含水量相比，植被覆盖地的平均土壤含水量低于裸地，这是由于植被蒸腾作用消耗了大量土壤水分造成的[15]，且植被覆盖区和裸地的土壤水分变异系数均随深度增加而减少，但是植被覆盖区的变异系数明显大于裸土，介于0.93～0.99之间，而裸土的变异系数则在0.18～0.48左右[16]，说明植被覆盖区的水分活动更为活跃，植被对于土壤水分的影响较大。茹豪等人[17]进行了去除植被阴影影响后的试验，结果表明在0～150 cm土层，油松耗水量大于植被覆盖区总耗水量与裸地耗水量之差即油松理论蒸腾耗水量，说明植被的蒸腾作用消耗了更深层的土壤水分，干扰了深层土壤水分平衡。郭忠升测定了柠条的植被密度及土壤含水量后指出，随着密度增加，林冠截留量呈线性增加[18]，土壤水分补给量呈线性下降[19]。

植被覆盖对土壤水分的影响主要有两个方面，一是植被的蒸腾作用增加土壤水分的消耗，甚至会利用深层土壤水分，造成根系分布范围内土层的土壤水分过量消耗，如果无法及时得到补给补充，长期的土壤水分亏缺会造成土壤干燥化，甚至形成土壤干层；第二是由于植被覆盖造成林冠截留了部分降雨，造成降水损失，减少了降水对土壤水分的补给量。

2.3 人工林土壤干层研究

土壤干层指的是土壤剖面中土壤含水量低于田间持水量，甚至接近于凋萎湿度的干燥化土层，一般土壤含水量低于10%的土层便视为土壤干层[20]。在黄土高原半干旱气候条件下，现有的人工乔灌林地都会引起土壤干燥化[21]。目前针对土壤干层的形成已经做了大量研究，王力等[20]发现耗水性能越强的植物，土壤干燥化程度越重，因此提出植被耗水是土壤干层形成的主要原因之一。研究表明，不同树种的土壤干燥化程度不同：中国梧桐、杨树林在1.5～4.0 m土层的土壤含水量低于12%，已经出现土壤干层[22,23]，沙棘林在3～5 m土层的土壤水分亏缺严重[24]。人工柠条林地的土壤干燥化的程度高于紫花苜蓿[25]，且人工灌木的耗水强度一般大于乔木林[26]。

土壤干层的补偿恢复研究近年来逐渐受到重视。苜蓿在生长5 a后，1 m土层以下可形成7 m的土壤干层[27]，但王志强[29]发现苜蓿翻耕12 a后，5 m以上的土壤水分得到不同程度的补偿， 5 m以下并没有得到补偿。这说明深层土壤水亏损仅通过降雨和翻耕难以得到恢复。但是也有研究表明，随着苜蓿生长年限的增加，苜蓿逐渐退化后，土壤水分可自然恢复[28]。陈凯[29]验证了这一说法，他发现9年生的苜蓿在0～200 cm土层的土壤水分高于7年生苜蓿，证明9年生的苜蓿开始恢复土壤水分。

因此，在进行植被建设时应注意植被覆盖度，合理选择种植密度，提高土壤水分利用效率，使土壤水分能够满足植被蒸腾和蒸发消耗，实现土壤水资源的可持续利用，在土壤干层恢复的同时实现植被建设和生态环境的可持续发展。

3 水土保持耕作措施对土壤水分影响

黄土高原以坡耕地为主，坡耕地面积占总耕地面积的83.4%[30]，不当的耕作措施会引起水土流失，不仅导致土地肥力下降，也会带走土壤中的水分，造成土地生产力低下，严重制约着当地农业生产发展。因此在黄土高原地区采取了一系列的水土保持耕作措施，主要通过改变地面微地形的耕作方法、增加地面覆盖度的覆盖耕作等。吴发启通过试验发现[31]，在黄土高原丘陵沟壑区，水土保持耕作管理措施均可提高土壤降水入渗速率，增加土壤水含水量，其中等高耕作的效果最为显著。这是由于等高耕作通过改变坡面微地形，提高地面粗糙度，从而增加降雨入渗时间，拦截降水径流，减少地面径流，增加土壤含水量，起到了水土保持的效果。但是有研究表明，秸秆覆盖与等高耕作相比，水土保持效果更好[32]。多项试验表明，地膜覆盖、秸秆覆盖的土壤储水量均高于无覆盖措施的土壤储水量，且在长期无降水补给条件下表层土壤依然能保持较高的含水量[33-36]。但是覆膜也加大了农田耗水量，造成深层土壤水分消耗严重[37]。因此虽然地膜覆盖的土壤水分利用效率高于秸秆覆盖，但是与地膜覆盖相比，秸秆覆盖的土壤水分状况更好，也有试验表明，通过秸秆还田后再进行地膜覆盖，能够明显弥补深层土壤水分消耗[38]。

4 结 语

黄土高原地区实行的各项水土保持措施均对土壤含水量产生影响，工程措施主要通过改变地形条件拦蓄降水，从而增加土壤含水量，植被措施是通过地面枯枝落叶层和低层植被减轻降雨对地面的冲击力，减少地面径流，并且拦蓄已经产生的地面径流，补充土壤水分。但是人工林的过度种植使深层土壤的土壤水分消耗巨大，造成的土壤干燥化问题严重制约土壤水资源的可持续利用。如果无视土壤水分状况，为追求经济效益过度种植人工林，非但不能达到预想的经济效果，还会对当地的生态环境造成难以弥补的破坏。耕作措施应用的更加普遍，覆膜技术不仅能够减少土壤蒸发，秸秆又可以拦截地表径流，增加土壤含水量，起到固定水土的作用。

目前关于水土保持措施对土壤水分的研究中，大部分的研究方向为人工植被与土壤水分的影响关系，天然植被、工程措施和耕作措施与土壤水分关系的研究还较少。因此，为了更加深入全面的研究黄土高原水土保持措施对土壤水分的影响，制定出符合黄土高原生态建设和土壤水资源的可持续发展的水土保持措施，本文建议在以下几个方面加强研究：

(1)有关各项工程措施的土壤水分研究大多为静态的土壤储水量和土壤含水量关系，对不同工程措施对土壤水分的动态研究并不多见，黄土高原为治理水土流失进行了一系列工程措施，了解其土壤水分动态变化特点及与植被耦合后的土壤含水量变化规律，能够为黄土高原高效利用水资源以及制定与生态效益和经济效益相结合的水保措施提供新的思路。

(2)目前人工林地造成的土壤干燥化问题严重，天然植被可否与人工林植被间错种植，对缓解人工林地土壤干层效果如何还尚未可知。

(3)林冠截留、枯枝落叶层对土壤水分影响的系统研究也有所欠缺。林冠截留虽然能够减弱降雨冲蚀地面程度，但是截留的部分降雨也造成了降水损失，减少土壤水分补给。林冠截留和枯落物具体对土壤水分产生如何影响目前还未见研究。