金沙江干热河谷地区坡地不同水土保持措施对表层土壤水分影响研究

2018-08-13马雯静

中国水土保持 2018年8期

马雯静，高僖

(1.四川水利职业技术学院，四川崇州 611231； 2.攀枝花市水土保持生态环境监测分站，四川攀枝花 617000)

金沙江干热河谷是长江上游典型的生态脆弱区[1-2]，干燥、炎热的自然环境使得该区域的农业发展[3-5]、土壤水分[6]、土壤侵蚀[7-8]等成为研究的焦点。干热河谷区内干而热的生态环境，容易引起以“土壤干化”为主的生态问题[9]，而土壤水分时空变异性作为土壤的基本性质之一，不仅影响农作物、树木和牧草的生长发育，而且关系到侵蚀产沙、水分循环过程[10]。目前，关于不同植被类型、坡度、坡向等对干热河谷土壤含水量的影响已有学者做了深入研究[1]，但对干热河谷地区坡耕地采用不同水土保持措施后的土壤水分变化却研究得较少。因坡地(农田)表层土壤水分的动态变化对径流的形成有极大影响[11],故本研究选取金沙江干热河谷地区采取4种不同措施的坡耕地，对其表层土壤水分进行测定，研究其时空分布特征，以期为攀枝花地区坡耕地的农业生产提供科学依据[12]。

1 研究区概况

研究区地处四川省西南部山区，位于四川省攀枝花市盐边县红格镇昔格达村“国家级水土保持监测点——盐边红格坡面径流场”内，地理坐标101°56′19″E、26°34′55″N，气候具有典型的南亚热带半干旱季风气候特点，高温、干旱。区内历年平均气温18.5～20.4 ℃，历年平均相对湿度60%～65%，四季不分明，气候干燥，降水集中，多年平均降水量800 mm。

试验场位于金沙江流域，为低中山的山前斜坡构造剥蚀地貌，沟谷斜坡地形。土壤为第四系耕植土、残坡积粉质黏土，透水性较差，不利于地表水的渗透与地下径流的形成，地层赋水性差。

2 研究方法

2.1 样地选择

攀枝花地区以山地为主，农用地类型主要为坡耕地。根据区域地形和地貌特征，样地设置在东北坡向的坡面上。在坡面上布设3个坡度相近的水土保持措施小区和1个作为对照的裸地小区。水土保持措施小区根据当地实际情况，以能体现试验目的、不破坏原始土壤剖面为原则确定，并根据当地农作习惯种植作物，进行田间管理；裸地小区每年按当地翻耕季节和习惯人工翻地，深度15～20 cm，然后耙平，全年没有明显植物生长或结皮，植被盖度小于5%。各小区特征值见表1。

表1 小区特征值

2.2 数据测定

采用TDR法观测4个小区所在坡地的0～20 cm深度土壤含水量，按对角线取样法确定采样点，在每个采样点附近测量3个重复，取3个读数的算术平均值为该点0～20 cm深度土壤的体积含水量。每月1日、15日观测每个小区的土壤水分，降雨产流后加测一次土壤水分。2016年耕作区玉米种植时间为5月27日，收割时间为10月25日，土壤水分取样观测时段为6月1日至11月1日。

2.3 数据处理

2.3.1 土壤水分变异系数

标准差和变异系数反映了样本间的总变异程度[13]。变异系数CV表示土壤水分在空间变异的程度，是不同空间土壤水分标准差与均值的比值[14]，它的大小反映了不同空间水分的稳定性。CV值越大，说明样点含水量变化越剧烈；CV值越小，土壤含水量越稳定[15]。计算公式为

CV=σ/μ

式中：σ为土壤含水量观测值的样本标准差；μ为土壤含水量观测值的样本平均值。

2.3.2 土壤含水量指数

土壤水分是影响干热河谷农作物、树木和牧草生长发育的主要原因，因此可以用水土保持措施小区的表层土壤含水量与裸地小区表层土壤含水量的比值——土壤含水量指数R作为一个评价指标。当R>1时说明水土保持措施小区的水分比裸地小区好，当R<1时说明水土保持措施小区的水分比裸地小区差。

3 结果分析

3.1 各措施小区土壤水分特征值

通过对原始数据的处理可以得到各小区表层土壤含水量特征值，见图1。

图1 2016年不同小区表层土壤含水量

由图1可知，在取样时段内，4个小区的表层土壤含水量变化趋势基本一致，但实施不同措施的耕作小区表层土壤含水量各有差异。由监测和计算可知，掏钵种植、横坡耕作、坡改梯和裸地4个小区的表层土壤平均含水量分别为23.97%、22.58%、24.53%和22.49%，不同小区按表层土壤平均含水量排序为坡改梯小区>掏钵种植小区>横坡耕作小区>裸地小区，土壤含水量最高的小区是坡改梯小区，土壤含水量最低的小区是裸地小区。

从土壤含水量的季节变化来看，研究区6月玉米刚开始萌发，植物蒸腾和土壤蒸发相对较弱，植物耗水量小，各水土保持措施小区的0～20cm土壤含水量平均值相对较高。7、8月气温升高，玉米生长旺盛，蒸腾耗水量增加，各水土保持措施小区土壤含水量下降；裸地小区因无植被覆盖，气温高、蒸发量增大，土壤含水量也呈下降趋势。9月气温降低，土壤蒸发量减少，玉米生长减缓，各小区土壤含水量开始上升。10月作物成熟，玉米收割完成后土壤裸露，干热的气候使土壤蒸发比有植被覆盖时增大，土壤含水量下降。

3.2 各水土保持措施小区土壤水分的空间差异性分析

经统计，各小区历次监测的表层土壤含水量及其变异系数见表2—5。

表2 掏钵种植表层土壤含水量均值、标准差及变异系数

表3 横坡耕作表层土壤含水量均值、标准差及变异系数

续表3

表4 裸地表层土壤含水量均值、标准差及变异系数

表5 坡改梯表层土壤含水量均值、标准差及变异系数

标准差和变异系数反映了样本间的总变异程度。一般认为，CV<0.1为弱变异，CV在0.1～1.0之间为中等变异，CV>1.0为强变异[13]。由表2—5可以看出，从土壤水分的变异系数来看，在取样时间段内各小区整体均表现为弱变异(CV<0.1)，个别时间点为中等变异(0.1≤CV≤1.0)。这说明在作物的整个生长期内，掏钵种植、横坡耕作、坡改梯和裸地各小区表层土壤含水量空间变异程度均不大。各径流小区的土壤厚度、植被覆盖度和地表粗糙度较均一，使得各小区内不同部位间土壤含水量变化较小，因而水分变异系数大多表现为弱变异。

3.3 不同小区土壤含水量差异程度分析

在土壤水分成为影响植物生长发育关键因素的干热河谷地区，可以用反映土壤水分状况的土壤含水量指数R值来评价不同小区土壤水分的优劣状况。通过对原始数据的处理得到不同小区的R值，见图2。

图2 不同小区平均土壤含水量指数

由图2可知，3个水土保持措施小区的R值均大于1，说明采取水土保持措施的3个小区的土壤水分均优于裸地小区的土壤水分，其原因是水土保持耕作时改变了坡地地表微地形，掏钵种植、横坡耕作垄向上虽然还存在不同程度的坡度，但与裸地相比，截短了坡长，可以有效地拦截地表径流，增加雨水入渗[16]；特别是坡改梯，使田面坡度降为0°，一方面降水落于水平田面直接入渗成为壤中流，另一方面梯田作业面土壤有机质易于存留从而使土壤团粒结构丰富，保水性能良好，因而水分含量较高[17]。