魏 童，譚軍利,2,3，馬中昇

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021；3. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

土壤水資源作為被植物吸收利用的唯一水分來源，制約著植物的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響黃土高原的植被建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。黃土高原由于其土層深厚，地下水埋深較深，植物利用地下水困難，降水幾乎成為土壤水分的唯一補(bǔ)給。黃土高原地區(qū)水土流失嚴(yán)重，水土流失面積高達(dá)43 萬km2，平均每年輸入黃河的泥沙量達(dá)到1.6 億t，造成黃河河道淤積[1]。嚴(yán)重的水土流失，帶走土地肥力和土壤水分，使得土地生產(chǎn)力低下，嚴(yán)重影響黃土高原地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境。為治理水土流失，當(dāng)?shù)夭扇×艘幌盗械乃帘３执胧ㄋ帘３止こ檀胧?、植被措施和耕作措施。各種水土保持措施都會(huì)對(duì)土壤水分產(chǎn)生影響，包括土壤水分含量及土壤剖面垂直分布，反之土壤水分也會(huì)制約水土保持措施的規(guī)劃制定，進(jìn)而影響土壤水資源可持續(xù)利用和生態(tài)植被建設(shè)效果。因此，有關(guān)水土保持措施與土壤水分關(guān)系的研究一直備受關(guān)注，但研究的重點(diǎn)集中于植被措施與土壤水分的相互影響，對(duì)其他水土保持措施對(duì)土壤水分影響的系統(tǒng)研究較少，特別是對(duì)不同水土保持措施對(duì)土壤水分影響研究的歸納總結(jié)更少。本文針對(duì)不同水土保持措施對(duì)土壤水分的影響研究，將現(xiàn)有的主要水土保持工程措施、植被措施、耕作措施對(duì)土壤水分研究結(jié)果進(jìn)行歸納和分析，以期能夠?yàn)辄S土高原土壤水分的高效可持續(xù)利用提供參考，為制定與土壤水分相適應(yīng)的水土保持措施提供理論依據(jù)。

1 水土保持工程措施對(duì)土壤水分的影響

1.1 水土保持工程措施對(duì)土壤含水量的影響

水土保持工程措施包括坡面工程中的梯田、反坡梯田、水平階及魚鱗坑，溝道工程中的淤地壩工程等。在黃土高原，坡改梯是最為常見的水土保持坡面工程之一。有研究表明，工程措施能夠顯著提高土壤含水量。穆興民[2]在測(cè)定了寧夏固原河谷斷面不同坡面工程的土壤含水量后得到，二級(jí)臺(tái)地>一級(jí)臺(tái)地>梯田>山頂>荒坡。徐學(xué)選[3]試驗(yàn)表明，坡地梯田化能夠增加流域的儲(chǔ)水量，采取魚鱗坑、水平階等水保措施的土壤儲(chǔ)水量為無水保措施的107%。隔坡梯田是由其上部的坡面和梯田組成，通過上部的坡面截留地表徑流，從而達(dá)到固定水土增加土壤含水量的效果。尹傳遜[4]發(fā)現(xiàn)隔坡梯田的土壤含水量較自然坡耕地顯著增加，增幅在4.3%以上。蔣定生[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減小了坡度，降雨落到水平梯田后不易受重力作用形成地表徑流，減少了地面徑流，因此增加了水分滲入量使土壤含水量增加；另一方面，梯田的減沙作用固定了土壤，增加了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高了土壤的蓄水能力和土壤含水量。淤地壩也是一項(xiàng)關(guān)鍵的水土保持工程措施，研究表明，各項(xiàng)水土保持措施中減水減沙作用最大的是淤地壩[6]。淤地壩能夠攔蓄洪水和泥沙，滯洪有效的分離了泥沙和清水，一部分富含泥沙的洪水向下沉積，通過土壤滲透轉(zhuǎn)化為土壤水和地下水，增加了土壤水含量。清水作小水庫使用，保證了壩地地表水-土壤水-地下水的可持續(xù)循環(huán)，壩地周圍的土壤水資源充足，可供作物生產(chǎn)利用，另外小水庫也可以發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[7]。據(jù)綏德實(shí)測(cè)資料顯示，壩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 水土保持工程措施對(duì)土壤剖面的水分分布影響

水土保持工程措施不僅影響土壤含水量，對(duì)土壤剖面的水分垂直分布也會(huì)產(chǎn)生影響。張北贏[9]研究表明，不同工程措施的水分利用層并不相同：梯田在0～50 cm土壤含水量隨土層深度增加而增加，隨后逐漸減小至較為穩(wěn)定；水平階的保水作用層在0～80 cm，在此土層的土壤含水量隨深度增加而增加；而魚鱗坑在40 cm以上土層的土壤含水量水平較高。張海等[10]測(cè)定了不同坡面工程的土壤含水量后發(fā)現(xiàn)，在0～50 cm土層，隔坡梯田的土壤含水量均高于大臺(tái)田、魚鱗坑，并提出隔坡梯田是黃土高原坡面工程治理的最優(yōu)模式。王祖正[11]試驗(yàn)表明，淤地壩壩地的土壤含水量由表層向深層逐漸增加，在2.1 m處達(dá)到最大，隨后逐漸減小至趨向穩(wěn)定。結(jié)合以上研究表明，坡改梯是增加土壤水最為廣泛和有效的坡面工程，且隔坡梯田的效果較好。

2 水土保持植被措施對(duì)土壤水分的影響研究

2.1 不同土地利用類型/植被類型對(duì)土壤含水量影響

植被措施是通過種植人工林樹種或增加天然植被的數(shù)目，達(dá)到固定土壤，保持水土的效果。不同植被類型的土壤含水量由于其植被類型的差別存在差異。張建軍等[12]在比較了次生林地、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儲(chǔ)水量均有差異，且次生林地的土壤儲(chǔ)水量顯著高于人工林地。王志強(qiáng)[13]在測(cè)定了農(nóng)地、天然草地、人工林地的土壤含水量后指出，農(nóng)地和天然草地的平均土壤含水量在2～10 m土層分別為11.2%、10.2%，明顯高于人工林地在該土層的平均土壤含水量4.5%～5.1%。這是由于人工林樹種根系較長(zhǎng)，強(qiáng)烈的蒸騰作用消耗了大量土壤水資源，造成林地土壤含水量較少，有研究表明，黃土高原半干旱區(qū)不同樹種的林地土壤含水量都很低，接近于凋萎濕度[14]。

2.2 植被覆蓋度對(duì)土壤水分影響

植被覆蓋度是植被措施對(duì)土壤水分產(chǎn)生影響的重要因素。研究表明，植被覆蓋區(qū)與裸地的土壤含水量相比，植被覆蓋地的平均土壤含水量低于裸地，這是由于植被蒸騰作用消耗了大量土壤水分造成的[15]，且植被覆蓋區(qū)和裸地的土壤水分變異系數(shù)均隨深度增加而減少，但是植被覆蓋區(qū)的變異系數(shù)明顯大于裸土，介于0.93～0.99之間，而裸土的變異系數(shù)則在0.18～0.48左右[16]，說明植被覆蓋區(qū)的水分活動(dòng)更為活躍，植被對(duì)于土壤水分的影響較大。茹豪等人[17]進(jìn)行了去除植被陰影影響后的試驗(yàn)，結(jié)果表明在0～150 cm土層，油松耗水量大于植被覆蓋區(qū)總耗水量與裸地耗水量之差即油松理論蒸騰耗水量，說明植被的蒸騰作用消耗了更深層的土壤水分，干擾了深層土壤水分平衡。郭忠升測(cè)定了檸條的植被密度及土壤含水量后指出，隨著密度增加，林冠截留量呈線性增加[18]，土壤水分補(bǔ)給量呈線性下降[19]。

植被覆蓋對(duì)土壤水分的影響主要有兩個(gè)方面，一是植被的蒸騰作用增加土壤水分的消耗，甚至?xí)蒙顚油寥浪?，造成根系分布范圍?nèi)土層的土壤水分過量消耗，如果無法及時(shí)得到補(bǔ)給補(bǔ)充，長(zhǎng)期的土壤水分虧缺會(huì)造成土壤干燥化，甚至形成土壤干層；第二是由于植被覆蓋造成林冠截留了部分降雨，造成降水損失，減少了降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)給量。

2.3 人工林土壤干層研究

土壤干層指的是土壤剖面中土壤含水量低于田間持水量，甚至接近于凋萎濕度的干燥化土層，一般土壤含水量低于10%的土層便視為土壤干層[20]。在黃土高原半干旱氣候條件下，現(xiàn)有的人工喬灌林地都會(huì)引起土壤干燥化[21]。目前針對(duì)土壤干層的形成已經(jīng)做了大量研究，王力等[20]發(fā)現(xiàn)耗水性能越強(qiáng)的植物，土壤干燥化程度越重，因此提出植被耗水是土壤干層形成的主要原因之一。研究表明，不同樹種的土壤干燥化程度不同：中國梧桐、楊樹林在1.5～4.0 m土層的土壤含水量低于12%，已經(jīng)出現(xiàn)土壤干層[22,23]，沙棘林在3～5 m土層的土壤水分虧缺嚴(yán)重[24]。人工檸條林地的土壤干燥化的程度高于紫花苜蓿[25]，且人工灌木的耗水強(qiáng)度一般大于喬木林[26]。

土壤干層的補(bǔ)償恢復(fù)研究近年來逐漸受到重視。苜蓿在生長(zhǎng)5 a后，1 m土層以下可形成7 m的土壤干層[27]，但王志強(qiáng)[29]發(fā)現(xiàn)苜蓿翻耕12 a后，5 m以上的土壤水分得到不同程度的補(bǔ)償， 5 m以下并沒有得到補(bǔ)償。這說明深層土壤水虧損僅通過降雨和翻耕難以得到恢復(fù)。但是也有研究表明，隨著苜蓿生長(zhǎng)年限的增加，苜蓿逐漸退化后，土壤水分可自然恢復(fù)[28]。陳凱[29]驗(yàn)證了這一說法，他發(fā)現(xiàn)9年生的苜蓿在0～200 cm土層的土壤水分高于7年生苜蓿，證明9年生的苜蓿開始恢復(fù)土壤水分。

因此，在進(jìn)行植被建設(shè)時(shí)應(yīng)注意植被覆蓋度，合理選擇種植密度，提高土壤水分利用效率，使土壤水分能夠滿足植被蒸騰和蒸發(fā)消耗，實(shí)現(xiàn)土壤水資源的可持續(xù)利用，在土壤干層恢復(fù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)植被建設(shè)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

3 水土保持耕作措施對(duì)土壤水分影響

黃土高原以坡耕地為主，坡耕地面積占總耕地面積的83.4%[30]，不當(dāng)?shù)母鞔胧?huì)引起水土流失，不僅導(dǎo)致土地肥力下降，也會(huì)帶走土壤中的水分，造成土地生產(chǎn)力低下，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。因此在黃土高原地區(qū)采取了一系列的水土保持耕作措施，主要通過改變地面微地形的耕作方法、增加地面覆蓋度的覆蓋耕作等。吳發(fā)啟通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[31]，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，水土保持耕作管理措施均可提高土壤降水入滲速率，增加土壤水含水量，其中等高耕作的效果最為顯著。這是由于等高耕作通過改變坡面微地形，提高地面粗糙度，從而增加降雨入滲時(shí)間，攔截降水徑流，減少地面徑流，增加土壤含水量，起到了水土保持的效果。但是有研究表明，秸稈覆蓋與等高耕作相比，水土保持效果更好[32]。多項(xiàng)試驗(yàn)表明，地膜覆蓋、秸稈覆蓋的土壤儲(chǔ)水量均高于無覆蓋措施的土壤儲(chǔ)水量，且在長(zhǎng)期無降水補(bǔ)給條件下表層土壤依然能保持較高的含水量[33-36]。但是覆膜也加大了農(nóng)田耗水量，造成深層土壤水分消耗嚴(yán)重[37]。因此雖然地膜覆蓋的土壤水分利用效率高于秸稈覆蓋，但是與地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋的土壤水分狀況更好，也有試驗(yàn)表明，通過秸稈還田后再進(jìn)行地膜覆蓋，能夠明顯彌補(bǔ)深層土壤水分消耗[38]。

4 結(jié) 語

黃土高原地區(qū)實(shí)行的各項(xiàng)水土保持措施均對(duì)土壤含水量產(chǎn)生影響，工程措施主要通過改變地形條件攔蓄降水，從而增加土壤含水量，植被措施是通過地面枯枝落葉層和低層植被減輕降雨對(duì)地面的沖擊力，減少地面徑流，并且攔蓄已經(jīng)產(chǎn)生的地面徑流，補(bǔ)充土壤水分。但是人工林的過度種植使深層土壤的土壤水分消耗巨大，造成的土壤干燥化問題嚴(yán)重制約土壤水資源的可持續(xù)利用。如果無視土壤水分狀況，為追求經(jīng)濟(jì)效益過度種植人工林，非但不能達(dá)到預(yù)想的經(jīng)濟(jì)效果，還會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成難以彌補(bǔ)的破壞。耕作措施應(yīng)用的更加普遍，覆膜技術(shù)不僅能夠減少土壤蒸發(fā)，秸稈又可以攔截地表徑流，增加土壤含水量，起到固定水土的作用。

目前關(guān)于水土保持措施對(duì)土壤水分的研究中，大部分的研究方向?yàn)槿斯ぶ脖慌c土壤水分的影響關(guān)系，天然植被、工程措施和耕作措施與土壤水分關(guān)系的研究還較少。因此，為了更加深入全面的研究黃土高原水土保持措施對(duì)土壤水分的影響，制定出符合黃土高原生態(tài)建設(shè)和土壤水資源的可持續(xù)發(fā)展的水土保持措施，本文建議在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：

(1)有關(guān)各項(xiàng)工程措施的土壤水分研究大多為靜態(tài)的土壤儲(chǔ)水量和土壤含水量關(guān)系，對(duì)不同工程措施對(duì)土壤水分的動(dòng)態(tài)研究并不多見，黃土高原為治理水土流失進(jìn)行了一系列工程措施，了解其土壤水分動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)及與植被耦合后的土壤含水量變化規(guī)律，能夠?yàn)辄S土高原高效利用水資源以及制定與生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)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問題嚴(yán)重，天然植被可否與人工林植被間錯(cuò)種植，對(duì)緩解人工林地土壤干層效果如何還尚未可知。

(3)林冠截留、枯枝落葉層對(duì)土壤水分影響的系統(tǒng)研究也有所欠缺。林冠截留雖然能夠減弱降雨沖蝕地面程度，但是截留的部分降雨也造成了降水損失，減少土壤水分補(bǔ)給。林冠截留和枯落物具體對(duì)土壤水分產(chǎn)生如何影響目前還未見研究。