等高綠籬模式下紅壤丘崗區(qū)淺溝坡面土壤水分時(shí)空分布

郭忠錄，彭艷平，丁樹(shù)文，蔡崇法

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部亞熱帶農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070）

紅壤丘崗區(qū)以緩坡地（6°～15°）為主要地貌特征，是我國(guó)自然生產(chǎn)潛力最高的地區(qū)。紅壤地區(qū)地處熱帶、亞熱帶，水熱資源充沛，然而降水資源時(shí)空分配極不均勻，雨季的水土流失，伏旱、秋旱季節(jié)作物缺水；同時(shí)由于區(qū)域地形部位、地貌特征、植被類型和分布不同，土壤水分空間分布也各不相同。目前，水土流失與季節(jié)性干旱是本區(qū)坡地農(nóng)業(yè)利用的最大障礙［1］。因此，了解坡面土壤水分時(shí)空分布特征，對(duì)于探討坡地水土資源高效利用、水土流失和面源污染控制及植被恢復(fù)等有著積極的實(shí)踐意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)等高綠籬種植模式開(kāi)展了大量研究和示范。已有研究和示范結(jié)果表明，等高綠籬種植模式作為一種農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式，不僅在減少坡地水土流失和增加農(nóng)作物產(chǎn)量有良好效果，而且可以改善土壤物理性質(zhì)和坡耕地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的水分狀況［2］。潘成忠和上官周平［3］研究發(fā)現(xiàn)土壤水分因坡面上淺溝的存在變異很顯著，等高綠籬作為防治坡面淺溝侵蝕的有效措施在許多區(qū)域應(yīng)用廣泛［4－5］，但等高綠籬模式下淺溝坡面土壤水分時(shí)空變化規(guī)律缺乏研究。在我國(guó)南方侵蝕嚴(yán)重的坡面上，分布著密度不等的淺溝，淺溝匯集坡面水流，動(dòng)能較大，是紅壤丘崗區(qū)水土流失的重要通道［6］。鑒于此，以鄂東南紅壤丘陵區(qū)坡耕地為研究對(duì)象，通過(guò)人工建筑淺溝發(fā)育初期的雛形模型，探討香根草綠籬攔擋下淺溝坡面土壤水分的時(shí)空分布規(guī)律，以期為研究土壤水分有效性與水土流失過(guò)程提供重要參數(shù)，為坡地侵蝕控制和植被恢復(fù)，及等高綠籬技術(shù)推廣提供科學(xué)依據(jù)，為紅壤丘崗區(qū)水土資源管理提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)在湖北省咸寧境內(nèi)，位于東經(jīng)114°06′－114°43′，北緯29°39′－30°02′，為亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，雨熱同季。年均降雨量1 370mm，年蒸發(fā)量1 490mm，年平均氣溫16.8℃，年日照時(shí)數(shù)在1 500～2 100h，多年平均無(wú)霜期258d，春夏之交有一“梅雨”季節(jié)，秋旱、伏旱頻繁。咸寧地處江漢平原和鄂東南丘陵山地的過(guò)渡帶，成土母質(zhì)以第四紀(jì)黏土和泥質(zhì)類頁(yè)巖為主，土壤類型主要有紅壤和水稻土，侵蝕類型以面蝕和淺溝侵蝕為主。植被有常綠闊葉林、落葉闊葉林及針葉林。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)開(kāi)始于2007年4月，在改建的徑流小區(qū)中進(jìn)行，試驗(yàn)用土為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅壤。小區(qū)四周有水泥擋板分隔，坡度為15°，小區(qū)長(zhǎng)為10.0m，寬2.0m。基于紅壤坡地淺溝地形特征參數(shù)，結(jié)合鄭粉莉等［7］的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在小區(qū)中，從坡下至坡長(zhǎng)8.0 m處，制作淺溝雛形模型，淺溝溝槽位于徑流小區(qū)中間，淺溝溝底與兩側(cè)溝坡高差0.2m，溝寬0.4m，淺溝雛形模型的橫斷面為弧形（圖1）。

試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理：（1）CK，無(wú)植物籬；（2）CH，等高種植2帶香根草（Contour hedgerow），綠籬帶寬0.20m，根據(jù)許峰等［8］研究的結(jié)果，帶間距設(shè)計(jì)為2.80m，每帶種植2行，交錯(cuò)種植，株距0.20m。香根草于2007年4月中旬移植，移植前香根草地上部保留0.25m長(zhǎng)。

土壤水分測(cè)定用時(shí)域反射儀（TDR）測(cè)量土壤體積含水率（%），雨期每10d測(cè)量一次，旱期每15d測(cè)量一次。在小區(qū)內(nèi)，沿坡橫向從淺溝正中向兩側(cè)每隔0.20m分別選取3條10m長(zhǎng)的縱向線，在每條縱向線上從坡頂向下在距小區(qū)頂部1.00，2.00m（溝頭），2.95，3.65 ，4.55，5.25m（第一帶綠籬上、下側(cè)各0.35m和1.05m）、5.95，6.65 ，7.55m（第二帶綠籬上側(cè)0.35m和1.05m、下側(cè)0.35m）處布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)63個(gè)（圖2），對(duì)照小區(qū)沿坡頂向下依次在1.00，2.00，3.30，4.90，6.30，7.55m 處布置觀測(cè)點(diǎn)，共42個(gè)。其中橫向上從淺溝溝底向兩側(cè)依次為一、二、三、四層級(jí)，縱向上沿坡面從上到下依次為坡面頂部（0～1.90m）、淺溝溝頭（2.00m）、淺溝上部（2.00～4.00m）、淺溝中部（4.20～7.00m）和淺溝下部（7.20～10.00m）5個(gè)層級(jí)（圖2）。每組監(jiān)測(cè)點(diǎn)分3層（0－15，15－30，30－45cm土層）。

圖1 綠籬侵蝕淺溝模型布設(shè)示意圖

圖2 淺溝坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

為了保證相對(duì)均勻的下墊面條件和減少土壤表面的變異性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，經(jīng)過(guò)4～5場(chǎng)較大降雨后，于5月底開(kāi)始觀測(cè)土壤水分，觀測(cè)時(shí)間為香根草全生長(zhǎng)期（2007年5月下旬至11月上旬）。監(jiān)測(cè)期間綠籬小區(qū)和對(duì)照小區(qū)均未種植作物。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分的垂直變化規(guī)律

土壤水分的垂直變化規(guī)律主要受降水入滲再分布以及植物和土壤向上的蒸散量?jī)蓚€(gè)過(guò)程支配，對(duì)坡面而言，該過(guò)程又受到坡向坡位、土壤物理性質(zhì)、氣候特征、植被類型及生長(zhǎng)狀況等影響。從各采樣點(diǎn)3個(gè)土層的含水量（2007年5－11月香根草主要生長(zhǎng)期土壤平均含水量）變化可以看出，不論香根草小區(qū)或是對(duì)照小區(qū)，絕大部分采樣點(diǎn)，降雨期間（5－9月下旬）土壤含水量沿土層變化為0－15cm土層含水量較大，而持續(xù)干旱期（9月下旬－11月上旬）則表現(xiàn)為30－45cm土層含水量較高（圖3）。這可能是因?yàn)榻涤晔瞧旅嫱寥浪值闹饕獊?lái)源，降雨量的分配及其有效性會(huì)直接影響土壤水分的補(bǔ)給程度和深度，進(jìn)而影響到土壤剖面水分動(dòng)態(tài)。香根草整個(gè)生長(zhǎng)期，兩個(gè)處理的土壤含水量均值均表現(xiàn)為15－30cm土層較大（表1），這可能與第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅壤紅白相間的網(wǎng)紋層透水性弱有關(guān)。

土壤水分垂直變化特征可用土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的極差和變異系數(shù)來(lái)衡量。極差和變異系數(shù)值小代表變化輕微，反之代表變化劇烈。兩個(gè)處理的極差和變異系數(shù)均表現(xiàn)為0－15cm＞15－30cm＞30－45cm，CH處理的3個(gè)土層土壤含水量的極差和變異系數(shù)均大于CK。這說(shuō)明在試驗(yàn)條件下，淺溝坡面等高種植香根草后，降雨期間土壤水分入滲量增加，從而提高了土壤儲(chǔ)水量；而植被存在，蒸發(fā)蒸騰作用增強(qiáng)，在耗水無(wú)減少、無(wú)降雨的旱季，土壤含水量減少，從而影響了土壤水分在坡面的動(dòng)態(tài)分布，造成了距綠籬不同距離及不同深度水分差異。

圖3 香根草生長(zhǎng)期土壤水分垂直變化

表1 淺溝坡面土壤水分垂直分布的統(tǒng)計(jì)分析特征值

3.2 土壤水分沿坡面縱橫向變異規(guī)律

3.2.1 縱向變異規(guī)律 對(duì)香根草生長(zhǎng)時(shí)期3個(gè)深度土層土壤水分沿坡面縱向變化（圖4）與土壤含水量的變異程度進(jìn)行了分析（表2），0－15cm土層土壤含水量沿縱向坡位變異度最大，CH處理為9.56%，CK處理為8.73%；30－45cm土層土壤含水量變異程度最小，CH和CK處理分別為7.53%和6.49%。CH和CK 3個(gè)深度土層土壤含水量受縱坡影響程度基本上表現(xiàn)為0－15cm＞15－30cm＞30－45cm。4條縱向線上3個(gè)深度土層土壤水分均呈“波浪形”變化，其中香根草綠籬處理0－15cm和15－30cm土層土壤水分沿坡面向下先減小后增大或持平趨勢(shì)，30－45 cm土層土壤水分從坡頂向下逐漸減小至持平；CK處理3個(gè)土層土壤含水量沿坡面向下變化趨勢(shì)，0－15 cm土層先減小后增大，15－30cm和30－45cm土層先增大后減小再增大。

3.2.2 橫向變異規(guī)律 淺溝侵蝕是我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)水土流失的一種重要方式，淺溝存在必定會(huì)影響坡面土壤水分的分布，反過(guò)來(lái)影響坡面淺溝侵蝕過(guò)程。但目前在該區(qū)有關(guān)淺溝坡面土壤水分空間變異的研究不多［9］，事實(shí)上，地表微地形的變化必然會(huì)引起土壤水分的變異。從表2中3個(gè)土層沿橫向坡面的變異系數(shù)可以看出，CH和CK兩個(gè)處理總體變異情況與縱向相似，且各層均明顯小于縱向。沿橫向第二層級(jí)兩個(gè)處理3個(gè)深度土層土壤含水量均明顯低于其它層級(jí)，尤其是等高種植香根草的小區(qū)（圖5）。這是由于第二層級(jí)位于淺溝的溝緣處，溝壁蒸發(fā)引起的。鄭粉莉［9］對(duì)淺溝微地形坡面土壤水分分布研究也發(fā)現(xiàn)，在不同侵蝕條件下，淺溝溝槽處水分情況明顯好于溝坡處。

表2 香根草生長(zhǎng)期間各土層土壤水分沿縱、橫坡變異系數(shù)

圖4 不同土層土壤含水量沿坡面縱向變異

圖5 不同土層土壤含水量沿坡面橫向變異

表3 各土層土壤含水量－坡位雙因子方差分析F值

3.2.3 坡位對(duì)土壤水分變異的影響 為了比較坡位對(duì)土壤水分分布的影響，采用縱、橫向坡位作為影響因子，對(duì)3個(gè)深度土層土壤含水量進(jìn)行雙因子分析，以期找出有淺溝存在及等高綠籬種植的坡面上，橫向坡位與縱向坡位對(duì)不同深度土層土壤水分變異的影響差異。分析可知，無(wú)論是CK或是CH，橫向坡位和縱向坡位對(duì)不同深度土層含水量的影響差異明顯，但這種差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平（P＞0.05），且縱向坡位對(duì)不同土層土壤含水量影響明顯大于橫向坡位（表3）。淺溝坡面等高種植香根草后，不論是縱向還是橫向坡位，對(duì)3個(gè)土層土壤含水量的影響（CK橫向坡位0－15cm土層除外）大于對(duì)照處理。說(shuō)明淺溝坡面等高種植香根草后，不同坡位不同深度土層土壤含水量之間的差異增大。

4 結(jié)論

有關(guān)土壤水分在坡面不同位置分布特征和變異規(guī)律，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者做了大量研究，但所得研究結(jié)果不盡相同。Stenberg等［10］研究認(rèn)為0－10cm表層土壤水分沿坡面縱向不存在空間變異。劉梅等［11］在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的研究結(jié)果表明，不同坡向土壤濕度差異大，土壤儲(chǔ)水量以北坡最高，在土壤淺層，濕度從坡頂?shù)狡履_逐漸減小或差別不大，在深層，從坡頂?shù)狡履_逐漸增大。胡偉等［12］對(duì)黃土高原退耕地坡地土壤水分空間變異研究認(rèn)為，土壤水分沿坡長(zhǎng)方向從坡頂?shù)狡履_表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，變異程度坡上＞坡中＞坡下。本研究結(jié)果表明，在淺溝存在的紅壤丘崗區(qū)坡面上不同土層土壤水分沿坡頂向下變化趨勢(shì)，淺溝溝底處和溝緣處是先減小后增大或持平，溝間地為先增大后減小至持平；等高種植香根草后，淺溝溝底、溝緣和溝間地土壤水分沿坡頂向下均表現(xiàn)為先減小后增大至持平趨勢(shì)（圖4），且土壤水分沿坡面縱橫向變異均大于裸地，監(jiān)測(cè)期間內(nèi)土壤水分變異下坡高于上坡（表2）；土壤水分受降雨影響較大，在雨季均呈逐漸減小趨勢(shì)，在旱季呈逐漸增大趨勢(shì)（表1）。唐彬等［13］在紅壤丘崗坡地研究結(jié)果表明，土壤水分沿坡位的年內(nèi)變化始終是坡上大于坡下；基于土壤質(zhì)地越黏持水量越高，他們將這種現(xiàn)象主要原因歸于土壤物理性黏粒隨地形的變化，由坡上向下土壤物理性黏粒含量降低［14］。造成本研究各土層土壤水分沿下坡方向的變化趨勢(shì)原因分析為：（1）無(wú)綠籬對(duì)照小區(qū)溝間地土壤水分沿坡面縱向變化趨勢(shì)可能與本試驗(yàn)用土為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅壤有關(guān)，其土壤黏粒含量接近于50%；（2）至于溝槽和溝緣，可能主要是因?yàn)闇\溝存在改變了地表微地形，增加了地表面積，提高了土壤蒸發(fā)，致使溝頭和溝緣處土壤含水量降低；（3）對(duì)于香根草小區(qū)，根系吸收水分必然會(huì)引起土壤水分垂直和水平變化，加之降雨過(guò)程徑流和土壤水分向下坡分異性，土壤水分發(fā)生再分配。這也在一定程度上說(shuō)明與香根草綠籬耗水相比，上坡紅壤的持水性對(duì)土壤水分的影響居于次要地位。

本研究中淺溝微地形明顯地影響到土壤水分的橫向分布（圖5），鄭紀(jì)勇等［15］對(duì)黃土高原侵蝕沖溝溝壁側(cè)面蒸發(fā)研究結(jié)果也表明溝壁蒸發(fā)是客觀存在的，距溝緣20cm處土壤水分損失最快，500cm（溝中）處土壤水分損失最慢。潘成忠和上官周平［3］對(duì)黃土半干旱丘陵區(qū)陡坡坡地土壤水分研究發(fā)現(xiàn)，在坡面有淺溝微地形存在的情況下，縱向和橫向坡位對(duì)坡面土壤水分分布均存在影響，且縱向坡位的較橫向顯著，與本試驗(yàn)的結(jié)果一致（表3）。等高種植香根草綠籬一定程度上影響了土壤水分沿橫向坡位的變化。

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