駱 漢，史常青，田 佳，趙廷寧，郭小平

(1 北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083；2 寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

“生態(tài)公路”作為科學(xué)的公路建設(shè)理念，突出人與自然的和諧共生，已經(jīng)成為未來公路建設(shè)的發(fā)展方向[1]，而公路綠化是生態(tài)公路的重要組成部分。植被作為邊坡綠化的主體，需要足夠的邊坡土壤水分維持其生長(zhǎng)。除少量通過人工養(yǎng)護(hù)澆水外，高速公路邊坡土壤水分主要依靠天然降雨，邊坡綠化的幼苗很難得到足夠的水分供應(yīng)，加之高溫和干旱，高速公路邊坡植被發(fā)黃、萎蔫以及長(zhǎng)勢(shì)衰弱的情況屢見不鮮[2]。要解決邊坡綠化植被生長(zhǎng)的問題，更好地完成公路生態(tài)綠化的目標(biāo)，首先要了解高速公路邊坡土壤水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，才能夠更合理地選配植物和灌溉養(yǎng)護(hù)。

了解土壤水分的空間變異及時(shí)間動(dòng)態(tài)特征，有助于在水文過程與生態(tài)格局之間建立定量的聯(lián)系[3]。李洪建等[4]分析了黃土高原土壤水分變化的時(shí)空特征。姚淑霞等[5]對(duì)科爾沁地區(qū)不同類型沙地土壤水分隨時(shí)間及土層厚度變化的過程及特征進(jìn)行了研究。高磊[6]則深入探討了土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性以及相關(guān)變量的空間尺度性。何其華等[7]則指出降水是影響土壤水分的最主要因素。高速公路處在一個(gè)特殊環(huán)境條件下，但關(guān)于高速公路邊坡土壤水分的研究相對(duì)較少[8]。為此，本試驗(yàn)針對(duì)廊涿高速公路中央隔離帶、平地、陰坡和陽(yáng)坡的土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了研究，旨在了解高速公路邊坡土壤水分的特點(diǎn)，為高速公路邊坡土壤水分的有效利用及公路的生態(tài)綠化提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廊涿高速中部的固安縣，處于河北平原，地理位置為東經(jīng)116°07′～116°27′，北緯39°08′～39°30′。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，干寒同期，四季分明，光照充足，溫差較大，年平均降水量569.1 mm。土壤為永定河沖積-淤積母質(zhì)類型。沿線植被較多，主要有狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、五葉地錦(ParthenocissusquinquefoliaPlanch)、葎草(Humulusscandens(Lour.)Merr.)、鐵桿蒿(ArtemisiasacrorumLedeb．)、灰菜(ChenopodiumalbumL.)、蒺藜(TribulusterrestrisL.)、豬毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst.et Kit.)等。

2 研究方法

于2009年4-11月，在廊涿(廊坊-涿州)高速公路固安東收費(fèi)站附近，分別設(shè)置A、B、C、D 4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，其中A(N：39°25′20.3″、E：116°24′24.0″，H 18 m)為陰坡觀測(cè)點(diǎn)，B(N：39°25′19.1″、E：116°24′23.5″，H 18 m )為陽(yáng)坡觀測(cè)點(diǎn)，C(N：39°25′18.9″、E：116°24′22.9″，H 17 m)為平地觀測(cè)點(diǎn)，D(N：39°25′20.9″、E：116°24′23.9″，H 22 m)為中央隔離帶觀測(cè)點(diǎn)(圖1)。各觀測(cè)點(diǎn)土壤及植被狀況如表1所示。

表 1 高速公路綠化帶各觀測(cè)點(diǎn)土壤及植被狀況

續(xù)表 1 Continued table 1

圖1 高速公路綠化帶各定位觀測(cè)點(diǎn)的平立面圖(單位：m)

運(yùn)用烘干法(105 ℃)測(cè)定土壤體積含水率。在平地和中央隔離帶均按照對(duì)角線法采集土樣，每次各取土樣9個(gè)，測(cè)定土樣體積含水率，將其平均值作為平地和中央隔離帶的土壤含水量；在陽(yáng)坡和陰坡觀測(cè)點(diǎn)按照坡上(3個(gè))、坡中(3個(gè))、坡下(3個(gè))取樣，每個(gè)坡面每次取土樣9個(gè)，測(cè)定土樣體積含水率，將其平均值作為陽(yáng)坡和陰坡的土壤含水量。按照不同土層深度取樣，土層深度分別為0～10 cm， 10～20 cm和 20～40 cm。4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)每月各取土樣5次，測(cè)定土樣體積含水率，將其平均值作為各觀測(cè)點(diǎn)當(dāng)月土壤含水量。降雨量由安裝在試驗(yàn)區(qū)的Davis小型氣象站自動(dòng)記錄得到。

3 結(jié)果與分析

3.1 高速公路綠化帶土壤水分的時(shí)間變化規(guī)律

圖2是2009年4-11月各觀測(cè)點(diǎn)(陽(yáng)坡、陰坡、平地及中央隔離帶)土壤水分(0～40 cm)和降雨量的月變化圖。由圖2可以看出，各觀測(cè)點(diǎn)土壤水分的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律顯著，且與降雨規(guī)律一致。4-5月，由于氣溫的回升，植物根系活動(dòng)逐漸活躍，蒸騰耗水增加，加上北方春天的多風(fēng)大風(fēng)天氣，使得土壤水分大量蒸散，雖有少量降雨，但無法補(bǔ)給土壤水分的大量消耗，各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量持續(xù)下降；5-8月，氣溫進(jìn)一步升高，植物枝繁葉茂，植物蒸騰和土壤蒸散帶走大量土壤水分，但是雨季帶來了充足的降水，使得土壤水分得以較好的補(bǔ)充和積累，各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量迅速增加；8-10月，氣溫仍然較高，植物蒸騰量和土壤蒸散量較大，但隨著雨季的結(jié)束，降雨量大幅減少，缺少了足夠的水分補(bǔ)給，各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量逐漸降低；10-11月，正值深秋和初冬，溫度明顯降低，植物停止生長(zhǎng)，根系活動(dòng)和土壤蒸散微弱，各觀測(cè)點(diǎn)土壤水分消耗小，又有少量雨雪的補(bǔ)充，各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量穩(wěn)中有升。

陽(yáng)坡、陰坡、平地及中央隔離帶4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(0～40 cm)4-11月的平均土壤含水量分別為10.14%，10.99%，8.49%和16.51%?？芍醒敫綦x帶的平均土壤含水量較高，而平地的平均土壤含水量相對(duì)較低，陽(yáng)坡和陰坡的平均土壤含水量無顯著差異。中央隔離帶的特殊構(gòu)型(新澤西式砼護(hù)欄)可以較好地保持水土，這是其平均土壤含水量較高的主要原因[9]。平地的平均土壤含水量較低，主要是由于在平地下多為高速公路建筑棄渣，主要組成物為混凝土塊，漏水漏肥。而陽(yáng)坡和陰坡的六棱花飾護(hù)坡能起到一定的防風(fēng)蓄水作用，使其土壤含水量保持相對(duì)穩(wěn)定[10]。

圖2 高速公路綠化帶各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量及降雨量的月變化

3.2 高速公路綠化帶土壤水分的空間變化規(guī)律

變異系數(shù)(CV)是反映土壤水分變化程度的主要指標(biāo)，用它來研究土壤水分的變化程度，劃分邊坡土壤水分垂直變化的層次[11]。

表2是高速公路綠化帶各觀測(cè)點(diǎn)不同土層深度土壤水分的變異系數(shù)。由表2可以看出，表層(0～10 cm)和下層(10～20 cm)的土壤水分波動(dòng)較大，變異系數(shù)平均值為28.39%和24.85%，接近或超過了25%，因此將這2層(0～20 cm)合稱為速變層。該層是近地面土層，主要受降水、溫度、通風(fēng)狀況等氣象因子以及人為活動(dòng)的影響較大，有吸收雨水快、蒸散快、干濕變動(dòng)頻繁、變異系數(shù)大等特點(diǎn)。深層(20～40 cm)土壤含水量的變化明顯減弱，但變異系數(shù)平均值(19.41%)仍在20%左右，因此將這層稱為活躍層。該層受外界氣象因子影響減小，但植物根系密集，是草本根系的主要分布區(qū)。由于植物對(duì)土壤水分的吸收利用和蒸騰散失，土壤水分變化仍然較為活躍。另外，不同土層深度下平地和中央隔離帶的土壤水分變異系數(shù)均大于陽(yáng)坡和陰坡，這主要是由于平地下的高速公路建筑棄渣和中央隔離帶的特殊結(jié)構(gòu)所致。

表 2 高速公路綠化帶各觀測(cè)點(diǎn)不同土層深度土壤水分的變異系數(shù)

由圖3可以看出，隨著土層深度的增加，各觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水量均呈增大趨勢(shì)，深層的土壤含水量要明顯高于表層。這主要是由于深層土壤受蒸散及溫度等外界條件影響較小，而表層土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，易失水。陽(yáng)坡、陰坡和中央隔離帶的土壤含水量在10～20 cm土層增加幅度較大，在20～40 cm土層增加幅度減緩。而平地在0～10 cm和10～20 cm土層土壤含水量差距較小，在20～40 cm土層土壤含水量逐漸增大，至土層深度為40 cm時(shí)土壤含水量較高，為9.27%，但仍為各觀測(cè)點(diǎn)中最小。陽(yáng)坡表層(0～10 cm)土壤由于受太陽(yáng)輻射及土壤蒸散等的影響，土壤含水量相對(duì)較小，小于陰坡表層土壤含水量，但隨土層深度的增加，陽(yáng)坡土壤含水量增大較快，深層(20～40 cm)的土壤含水量(平均值12.23%)大于陰坡(平均值11.18%)。中央隔離帶深層(20～40 cm)土壤含水量最大，平均值為18.64%，比0～20 cm土層平均土壤含水量高4.26%。另外，在0～40 cm土層，平地觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水量在4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中最低，中央隔離帶最高，與圖2結(jié)果一致。

圖3 高速公路綠化帶各觀測(cè)點(diǎn)土壤水分隨土層深度的變化

4 討 論

土壤水分的時(shí)間變化取決于各個(gè)時(shí)期水量平衡要素之間的關(guān)系。水分收入大于消耗, 土壤水分含量增加, 反之則減少[12]。高速公路邊坡土壤水分的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律顯著，這與其他學(xué)者對(duì)林地[13]、沙地[5]、旱地[12]等土壤水分的研究結(jié)果一致。

土壤水分的空間變化規(guī)律主要受水分向下的入滲再分布、向上的蒸發(fā)移動(dòng)[11]以及植物根系吸水等過程所支配。對(duì)于其他立地類型土壤水分的空間變化研究，土層深度一般可以達(dá)到2～3 m，根據(jù)變異系數(shù)的不同，可以劃分到次活躍層、相對(duì)穩(wěn)定層等，而對(duì)于高速公路邊坡這種特殊的立地類型，土層較淺，故本研究中土樣采集深度最大為40 cm。由于土層深度相對(duì)較淺，受外界氣象因子及人為因素等的影響較為嚴(yán)重，高速公路綠化帶各觀測(cè)點(diǎn)不同土層深度的土壤水分變異系數(shù)均較大，因此只分為2個(gè)層次，即速變層(0～20 cm)和活躍層(20～40 cm)。另外，由于高速公路特殊的環(huán)境特點(diǎn)，平地下大量的建筑棄渣，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)疏松，漏水漏肥，土壤水分相對(duì)較低，變異系數(shù)較大。中央隔離帶由于其特殊的構(gòu)型(新澤西式砼護(hù)欄)，可以較好地保持水土，減少水分的蒸散，土壤水分條件較好。

5 結(jié) 論

高速公路綠化帶各觀測(cè)點(diǎn)土壤水分的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律明顯，且與降雨規(guī)律一致。5-10月的土壤水分條件最好。土壤水分的空間變化可分為速變層(0～20 cm)和活躍層(20～40 cm)2個(gè)層次。各觀測(cè)點(diǎn)中，中央隔離帶的土壤水分條件最好，陰坡和陽(yáng)坡次之，平地土壤水分條件最差。

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