晋西黄土区切沟对其上方集水区内土壤水分的影响

施政乐， 张建军,2,3,4， 申明爽， 刘 畅， 胡亚伟， 徐勤涛

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站山西 吉县 042200；3.北京林业大学水土保持国家林业局重点实验室，北京 100083；4.林业生态工程教育部工程研究中心(北京林业大学)，北京 100083)

切沟是黄土地貌发育过程中最活跃的侵蚀沟类型，在一定程度上切沟对黄土地区地貌特征起着决定性作用，它映射了黄土地貌的空间分异特征。在黄土地貌发育进程中，溯源侵蚀是侵蚀沟发育的基本方式。随着溯源侵蚀的发生发展，切沟沟头的位置、高度、形态等均会发生显著变化。切沟上方集水区内地表径流汇集并向下流入切沟内，通过不断地冲掏沟头，形成跌水，进而引起沟头土体坍塌，形成沟壁。沟壁的形成使其上方集水区的蒸发面(垂直蒸发面)增大，这必然会对集水区内临近切沟沟壁部位的土壤水分状况产生影响。尤其是临近沟壁附近的土壤水分，因受沟壁蒸发和地表面蒸发的共同作用，土壤含水量必然与集水区内其他部位的含水量不同。但是切沟对其上方集水区的土壤水分状况有怎样的影响？影响范围有多大还鲜有研究。

对切沟附近土壤含水量的准确把握不仅是选择造林树种的需要，更是判断沟头是否发生崩塌以及布设沟头防护措施的主要依据，因此探究切沟对其上方集水区土壤水分的影响具有重要意义。许多学者针对切沟展开了一系列研究，谢云等对切沟内不同部位的土壤水分状况和空间变化特征进行过探究发现，切沟内沟头部位的土壤水分状况较好；张宝军等基于力矩法探究了切沟沟头的稳定性发现，沟头稳定性受土壤含水量、内凹洞发育高度、裂缝发育深度等多因素综合影响；王小丹等研究了切沟的形态学特征发现，沟头的分形特征在一定程度上能表征切沟发育的特征；马玉凤等监测了雨季前后切沟沟头的侵蚀状况发现，沟头上部土体干裂会加强雨季的流水侵蚀，且沟头土体稳定性随裂缝发育增大呈指数函数降低。可见，对切沟的研究主要集中于形态学特征、溯源侵蚀特征及属性组合规律(汇水面积—坡度等)等方面，但对切沟沟头上方集水区土壤水分动态变化的研究相对较为欠缺。

因此，本研究以切沟上方集水区为研究对象，通过测定离切沟不同距离处的坡面和洼地的土壤水分含量，探究切沟上方集水区内土壤含水量的动态变化、土壤蓄水量的差异及影响因素，以期为集水区内植被恢复的树种选择和切沟治理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西吉县红旗林场内的石山湾，地理坐标为110°45′27″E，36°02′29″N，属于晋西黄土残塬沟壑区，海拔1 360 m，年均气温10 ℃。土壤为褐土，黄土母质。所选切沟沟头边缘平滑，无明显土壤裂缝，沟壁较陡。在切沟上部的集水区内布设采样点，试验地平均坡度20°，研究期为2019年5—10月，研究期间的各月的降雨量分别为9.5，39.6，34.6，101.5，111.2，63.5 mm，造林树种为油松()，系人工种植，平均树龄为39年，平均树高6.3 m，平均胸径12.6 cm，郁闭度75%。林下分布少量黄刺玫()和虎榛子()，各样点间植被情况差别不大。

1.2 试验设计

1.2.1 样点布设 在红旗林场内石山湾所选切沟上部的集水区内分别沿洼地和坡面各布设3个采样点，洼地和坡面采样点与切沟沟头的距离分别为1，3，6 m，将集水区内洼地部位距离切沟沟头1，3，6 m处的采样点分别命名为a1、a2、a3，将集水区内坡面距离切沟沟头1，3，6 m处的采样点分别命名为b1、b2、b3。

1.2.2 数据采集 2019年5—10月，每月下旬在切沟上方集水区内的各采样点利用土钻法测定0—10 m土层的含水量，0—1 m土层内每隔0.1 m取样，1—10 m土层内每隔0.2 m取样。每层采集3个土样分别装入铝盒，带回实验室称重后放入烘箱，在105 ℃条件下烘24 h至恒重，计算土壤质量含水量。黄土高原地区2 m以下土层的容重基本保持不变，因此本研究在试验地内使用100 cm的环刀以0.2 m土层为间隔测定了0—2 m土层的容重，作为采样点0—10 m土层的土壤容重，为1.26 g/cm。

1.3 数据计算与处理

1.3.1 土壤含水量 土壤质量含水量(SWC)计算公式为：

(1)

式中：SWC(soil water content)为质量含水量(%)；为湿土质量(g)；为烘干土质量(g)。

1.3.2 土壤蓄水量 土壤蓄水量(SWS)为一定厚度土层所储存的水量，计算公式为：

(2)

式中：SWS(soil water storage)为土壤蓄水量(mm)；(bulk density)为土壤容重(g/cm)，取值为1.26 g/cm；为土层厚度(mm)；为水的密度，取值为1.0 g/cm。

1.3.3 数据处理 数据计算与处理采用Excel 2017、SPSS 24.0版本软件；图表制作采用Origin 2017、AutoCAD 2007软件。

2 结果与分析

2.1 集水区内距切沟不同距离处土壤蓄水量

由图1可知，集水区内距离切沟3 m处的蓄水量最高，可达1 174.29 mm；而距离切沟1 m处的蓄水量最低，只有1 122.69 mm，距离切沟6 m处的蓄水量；为1 163.46 mm；经方差分析可知，距离切沟1 m的蓄水量与距离切沟3，6 m的蓄水量差异显著(<0.05)。

2.2 集水区内不同地貌部位0-10 m土层蓄水量

由表1可知，集水区内坡面的平均土壤蓄水量小于洼地。坡面观测点b1点的平均土壤蓄水量比洼地观测点a1点低4.05 mm。b1点与a1点蓄水量差值的最大值出现在9月，此时b1点的蓄水量比a1点高69.68 mm；蓄水量差值的最小值出现在6月，此时b1点的蓄水量比a1点高2.23 mm。在7，8，10月，坡面的土壤蓄水量小于洼地。坡面观测点b2点的平均土壤蓄水量比洼地观测点a2点低46.12 mm。b2点与a2点蓄水量差值的最大值出现在7月，此时b2点的蓄水量比a2点低99.56 mm；蓄水量差值的最小值出现在9月，此时b2点的蓄水量比a2点低23.55 mm。只有10月坡面的土壤蓄水量大于洼地。坡面观测点b3点的平均土壤蓄水量比洼地观测点a3点低31.96 mm，b3点与a3点蓄水量差值的最大值出现在6月，此时b3点的蓄水量比a3点低76.38 mm，蓄水量差值的最小值出现在5月，此时b3点比a3点高2.97 mm。6—10月坡面的土壤蓄水量均小于洼地。

图1 集水区内距切沟不同距离处土壤蓄水量

表1 集水区内不同地貌部位0-10 m土层平均土壤蓄水量 单位：mm

由图2可知，在距离切沟1 m的位置，坡面在0—2，6—8，9—10 m土层中的土壤蓄水量大于洼地，其余土层的土壤蓄水量均小于洼地。2个地貌部位9—10 m土层土壤蓄水量的差值最大，为27.09 mm，1—2 m土层的差值最小，为3.82 mm。在距离切沟3 m的位置，坡面在0—2，8—9 m土层中的土壤蓄水量大于洼地，其余土层的土壤蓄水量均小于洼地。2个地貌部位8—9 m土层土壤蓄水量的差值最大，为40.37 mm，0—1 m土层的差值最小，为1.19 mm。在距离切沟6 m的位置，坡面在1—2，5—6，8—10 m土层中的土壤蓄水量大于洼地，其余土层的土壤蓄水量均小于洼地。2个地貌部位4—5 m土层土壤蓄水量的差值最大，为33.10 mm，0—1 m土层的差值最小，为2.61 mm。总体而言，集水区内洼地土壤蓄水量高于坡面，洼地土壤水分条件更好。且洼地蓄水量高于坡面的土层主要集中在2 m以下的土层。

2.3 集水区内各采样点土壤水分的垂直分布

由集水区内各采样点平均土壤含水量及其变异系数的垂直分布(表2)可知，不同采样点的土壤水分垂直分布均表现为剖面浅层含水量随时间变化剧烈，深层含水量随时间变化小。

图2 不同地貌不同土层蓄水量差值

坡面观测点b1点的5—10月土壤含水量在1.2 m以上差异较大，1.2 m以下含水量很接近，0—1.2，1.2—10 m土层含水量分别为9.16%～15.59%和8.00%～8.90%。坡面观测点b2点的5—10月的土壤含水量在2 m以上差异较大，2 m以下含水量很接近，0—2，2—10 m土层的含水量分别为9.56%～17.85%和7.97%～8.81%。坡面观测点b3点的5—10月土壤含水量在2.4 m以上差异较大，2.4 m以下含水量很接近，0—2.4，2.4—10 m土层含水量分别为7.33%～15.82%和8.27%～9.02%。洼地观测点a1点的5—10月土壤含水量在1.2 m以上差异较大，1.2—7 m有较小差异，7 m以下含水量较为接近，0—1.2，1.2—7，7—10 m土层的含水量分别为7.27%～14.83%，8.29%～9.63%，8.03%～9.21%。洼地观测点a2点的5—10月土壤含水量在2 m以上差异较大，2 m以下含水量很接近，0—2，2—10 m土层含水量分别为7.98%～16.66%，8.70%～9.30%。洼地观测点a3点的5—10月土壤含水量在1.2 m以上差异较大，1.2 m以下含水量很接近，0—1.2，1.2—10 m土层的含水量分别为8.33%～17.20%，8.79%～9.38%。

3 讨 论

集水区内距离切沟1 m处的蓄水量显著低于距离切沟3，6 m处的蓄水量(<0.05)，且距离切沟3 m处的蓄水量与6 m处的蓄水量差异不显著(>0.05)，这与张晨成等的研究结果一致，切沟对其上方集水区土壤水分的水平影响距离为1～3 m，原因可能是切沟的存在扩大了水分蒸发面积，加速了土壤水分的损失，且离切沟越近，蒸发越大，土壤含水量越低，从而导致距离切沟1 m处的含水量显著低于距离切沟3，6 m处的含水量(<0.05)。

集水区内洼地距离切沟1，3，6 m处的蓄水量均大于坡面，洼地的土壤水分条件更好。这是因为坡面接受较多的太阳辐射，地表蒸发量大，而洼地由于地势较低，一方面蒸发量较坡面低，而降雨时洼地又接收坡面地表径流，从而导致洼地的含水量高于坡面。表明集水区内地貌是影响土壤水分的一个重要因素。洼地0—2 m土层的土壤蓄水量和坡面土壤蓄水量大小相近，而2 m以下土层的蓄水量差值增大，这表明0—2 m土层的土壤水分受地貌影响不明显，而2 m以下土层的蓄水量受地貌影响较明显，这也与前人的研究结果一致。

b1点、b2点、b3点、a1点、a2点、a3点分别在0—1.2，0—2，0—2.4，0—1.2，0—2，0—1.2 m土层表现出含水量随时间的剧烈变化。这是因为这些土层易受降水入渗补给、蒸散耗水的影响，土壤水分具有明显的随时间变化的特征。6个样点的深层土层受降水补给较少，其土壤水分状况主要受植物利用的影响，因而土壤含水量动态变化较小。距离切沟较远的b2点、b3点和a2点、a3点的含水量随时间剧烈变化的土层深度均深于距离切沟较近的b1点和a1点，但距离切沟6 m处的a3点的含水量随时间剧烈变化的土层深度小于b3点，这是因为b3点地势高于a3点，b3点地表蒸散量较大，土壤水分含量低，加之试验地中油松林的生长会消耗土壤水分，当浅层土壤不足以维持植被生长所需的水分便会消耗更深层次的水分，这便导致了b3点的土壤水分随时间的剧烈变化层深于a3点。相较于其他5个样点，洼地观测点a1点的1.2—7 m土层仍表现出明显的含水量的动态变化，程立平等、王志强等将各月土壤含水量曲线在剖面上相交的深度作为土壤水分受到影响的深度，即土壤水分的变异系数随深度变化出现的低值点作为土壤水分受影响的深度，而a1点不仅在1.2 m土层处出现了变异系数的低值点(8.04%)，在7 m土层处再次出现了变异系数的低值点(6.63%)，因此，可以认为切沟对上方集水区内土壤水分的影响深度最深可达7 m土层。造成这种现象的原因可能是a1点距切沟较近，土壤水分受到正面和侧面双向蒸发影响，加重了深层土壤水分的损失，而在距切沟稍远的位置可能只受正面蒸发，加之降雨时地势较低的a1点又接收来自坡面的地表径流，增加水分入渗深度，这些原因共同导致a1点1.2—7 m土层的含水量表现出明显的动态变化。根据表1，6个采样点的土壤蓄水量随时间整体上呈现出增大的趋势，但在整个生长季降雨量最大的9月，a1点的蓄水量较8月仅增加了34.99 mm，a1点蓄水量的增加量远远小于其他采样点，这同样也证明了a1点受侧面蒸发的影响大于其他采样点。甘淼等研究认为，切沟的存在是沟缘土壤水分损失的主要原因，且沟缘的土壤水分是双侧蒸发。

本研究发现，切沟沟头附近的含水量较低，且在经历较大降雨事件时，集水区内靠近切沟沟头的部位土壤水分波动较大。因此在未来开展沟头治理过程中，可根据当地土壤水分条件，合理选择植被，同时配置合理的沟头防护工程。研究区内已密植人工油松林，油松林起到了林冠截留等作用。考虑到距离切沟1 m处的蓄水量显著低于距离切沟3，6 m处的蓄水量(<0.05)，因此，在未来进行植被恢复过程中，可在距离切沟1 m范围内种植冰草()、狗尾草()等草本，其耗水量较少，且在播种后90～150天便能将裸露地表覆盖，起到增加地面糙率、减少土壤水分运移、防治水土流失的作用。

表2 集水区内各采样点平均土壤含水量及其变异系数的垂直分布

4 结 论

(1)集水区内土壤水分状况受距离切沟远近和地貌的共同影响。切沟对其上方集水区内土壤水分的水平影响距离为1～3 m，距切沟1 m处，影响深度最深可达7 m，距切沟3 m处，影响深度为2 m。

(2)集水区内距离切沟1 m处的蓄水量显著低于距离切沟3，6 m处的蓄水量(<0.05)。

(3)集水区内洼地的蓄水量均大于坡面，洼地的土壤水分状况好于坡面。

(4)集水区内距离切沟1 m处，0—1.2 m土层含水量随时间变化剧烈；距离切沟3 m处，0—2 m土层含水量随时间变化剧烈；距离切沟6 m处，坡面的0—2.4 m土层和洼地的0—1.2 m土层含水量随时间变化剧烈，其余土层含水量随时间变化小。