黃土路塹邊坡土壤水分空間分布特征及影響因素

姚亞蘭，高德彬，張玉潔，王聞哲，雷 超

（長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安710054）

邊坡植被防護就是在邊坡整體穩定的基礎上，主要靠植物根系的加固作用和莖葉以及枯落物的降雨截留、削弱濺蝕和抑制地表徑流的作用來達到加固坡面、提高坡面抗沖刷能力的目的［1］。但是在新開挖形成的路塹邊坡上種植何種植物，采取何種種植模式才能夠既起到加固坡面，提高坡面抗沖刷能力，又能夠保證植物可以長期存活，與當地的氣候環境相適應，是目前需要解決的問題。而邊坡土壤中的水分是植物生長所必需的條件，因此在進行邊坡植被防護時必須考慮路塹邊坡土壤水分空間特征的影響因素。已有許多學者［2－5］對土壤水分空間特征問題進行了大量研究。但其研究對象主要針對正常耕作土壤，而對于新開挖形成的通氣性差，透水性和蓄水能力低，養分有效性差的路塹邊坡的研究卻很少。基于此，本研究通過對西安市黃土路塹邊坡植被防護進行調查，選取西安市南三環、公園南路、繞城高速的路塹邊坡植被防護為例，以不同邊坡坡位、坡度（比）、坡向、植被類型和防護模式的0—5m深度的土壤水分為研究對象，探討黃土路塹邊坡土壤水分空間特征的影響因素，以期為黃土地區黃土路塹邊坡植被防護提供科學依據。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

1.1.1 南三環試驗點 南三環試驗點，坡型采用4級臺階型，防護類型為植被防護，單級坡坡度為30°～50°，植被類型為沙地柏、紫穗槐和小冠花。邊坡地質結構模型為新老黃土組合型，1級與2級為離石黃土上部，3級與4級為馬蘭黃土。

1.1.2 公園南路試驗點 公園南路試驗點，坡型采用4級臺階型，防護類型為綜合防護。1級邊坡下部坡度為70°，用漿砌片石防護；上部坡度為60°，采用六邊形混凝土框架植被防護，植被為紫穗槐和小冠花交替栽植。2，3和4級均為掛網防護，坡度為40°～50°。邊坡地質結構模型為新老黃土組合型，即1級與2級為離石黃土上部（），3級與4級為馬蘭黃土（）。

1.1.3 繞城高速試驗點 繞城高速試驗點，坡型采用一坡到頂型，坡度為42°，最初采用三維網植草防護，植被類型為黑麥草、高羊茅、鴨茅和小冠花［6］；后又改為三維網植草植樹防護，植被類型為沙地柏、紫穗槐、紫花苜蓿和小冠花，屬于草本植物—灌木發展模式。地質結構為新黃土結構單一型，馬蘭黃土（）。

南三環試驗點與公園南路試驗點邊坡的地質結構模型一致，設計坡型一致，但是防護類型和坡比不同。而繞城高速試驗點與南三環和公園南路試驗點的地質結構模型、設計坡型、防護模式和坡比均不同。這樣可使得試驗結果具有代表性（圖1）。

圖1 不同試驗點的斷面圖

1.2 數據采集

在現場調查的基礎上，南三環試驗點根據邊坡防護植被類型不同，在每一級邊坡選擇上坡位（距離坡頂2m）、中坡位（坡面最中間）和下坡位（距離坡腳2m）3個部位進行取樣，取樣總數為44個。公園南路試驗點在每級坡面的下坡位取樣，并在坡頂有植被覆蓋和無植被覆蓋處取樣，取樣總數為8個。繞城高速試驗點在坡面的上坡位和中坡位分別取樣，取樣總數為4個。各處取樣均勻，間隔為15cm，取樣深度為4.5～5m，取樣時間為2013年4月。

土壤樣品的采集使用人工洛陽鏟采取，用保鮮膜盛裝，并做好標記，避免日光照射，盡快帶回實驗室測定含水率。土壤含水量的測定采用烘干稱重法，烘干溫度為105℃，烘干時間為10h，烘干前后土重用高精度電子天平稱量［2］。土壤含水量計算公式為：

式中：ω——所測樣品的土壤含水量；ω1——烘干前土壤樣品重量；ω2——烘干后土壤樣品重量。

2 結果與分析

2.1 坡位對土壤水分空間特征的影響

2.1.1 同坡級不同坡位對土壤水分空間特征的影響為了研究坡位對土壤含水率的影響，在南三環路塹邊坡試驗點的沙地柏林地和紫穗槐林地分別選取陽坡和陰坡2個樣帶，各樣帶均為同一植被類型，種植密度一致。分別在每個樣帶的每一級坡面的上、中、下3個坡位林木生長較為均勻處各取1個樣點，鉆孔取樣，然后測定土壤的含水率。由圖2可知，紫穗槐林地上、中、下坡位的平均含水率分別為15.51%，20.83%和16.92%，中坡位大于下坡位，下坡位大于上坡位。沙地柏林地上、中、下坡位的平均含水率分別為17.83%，20.96%和19.55%，中坡位大于下坡位，下坡位大于上坡位。總體來看，不同坡位土壤水分的剖面分布特征總體較為一致，即隨著土層深度的不斷增加，土壤含水率逐漸增大，最終趨于一致。因為黃土丘陵區土壤水分，尤其是0—2m深度范圍屬于速變層［3］，土壤含水量波動較大，且無明顯的規律性，其變化主要受氣象因素和地表覆蓋物等的影響［4］。由于降水的徑流作用，下坡位土壤可以積蓄比中坡位和上坡位較多的水分。但是在坡腳種植了喬木旱柳，根系發達，從下坡位土壤中吸收的水分較多，對下坡位土壤水分影響很大，即從徑流中蓄積的水分小于旱柳吸收的水分，使得下坡位的土壤含水率低于中坡位的土壤含水率。

圖2 同一坡級不同坡位的土壤含水率隨深度的垂直變化

2.1.2 同一坡位不同坡級對土壤水分空間特征的影響 由圖3可知，第2級和第3級沙地柏林地土壤含水率平均值分別為15.39%和17.26%，第3級大于第2級，但是總體趨勢為隨著深度的增加，含水率逐漸增大，最終趨于一致。第2，3，4級紫穗槐林地土壤含水率平均值分別為15.08%，16.41%和20.83%，第4級土壤含水率大于第3級與第2級。這是因為第4級和第3級邊坡地質結構大部分為Q3黃土，粉沙土為主，土質疏松，孔隙比較大，容易蓄積水分。而第2級邊坡地質結構為Q3黃土，地質結構為Q2黃土，質地均勻，較致密，含有大量的漿石結核，不容易蓄積水分。

由以上分析可知，同種植被類型林地的土壤高坡級含水率大于低坡級。

圖3 不同坡級相同坡位的土壤含水率隨深度的垂直變化

2.2 坡向對土壤水分空間特征的影響

為了研究坡向對土壤含水率的影響，選取南三環與公園南路和繞城高速路塹邊坡的陽坡和陰坡兩個樣帶，分別在每個樣帶的每一級坡面的上、中、下3個坡位林木生長較為均勻處各取1個樣地，鉆孔取樣，然后測定土壤的含水率。

由圖4可以看出，南三環路塹邊坡第4級紫穗槐林地，陰、陽坡平均含水率分別為20.83%和12.63%；公園南路路塹邊坡4級坡頂，陰、陽坡平均含水率分別為15.34%和12.17%；繞城高速路塹邊坡坡頂，陰、陽坡平均含水率分別為13.12%和9.27%，陰坡含水率明顯大于陽坡。因為陰坡受到的光照比較少，表層雜草較多，枯落物覆蓋物多，蒸發水分較陽坡少。

圖4 不同坡向的土壤含水率隨深度的垂直分布

2.3 坡度對土壤水分空間特征的影響

由圖5可以看出，公園南路陰坡二級坡腳，坡度為29°和53°的邊坡土壤含水率平均值分別為18.30%和12.83%；陽坡二級坡腳，坡度為29°和53°的邊坡土壤含水率平均值分別為16.37%和13.48%，低坡度土壤含水率明顯大于高坡度。但是總體來看，低坡度和高坡度的土壤含水率隨著深度的變化趨勢一致，都是隨著土層深度的增加而增加。因為在降水時，低坡度的坡面接受的降水和坡面徑流易于入滲，不易形成坡面徑流，而高坡度坡面接受的降水易于形成徑流流失，難于下滲，這就導致低坡度的土壤含水率大于高坡度。

圖5 不同坡級邊坡土壤含水率的垂直分布

2.4 植被類型對土壤水分空間特征的影響

為了研究不同植被類型對黃土邊坡土壤含水率的影響，在南三環路塹邊坡陽坡和陰坡各選取沙地柏林地和紫穗槐林地，分別測取了土壤含水率隨深度的變化。

由圖6可知，南三環陰坡第3級邊坡沙地柏林地和紫穗槐林地土壤含水率平均值分別為20.96%和16.41%；南三環陽坡第3級邊坡沙地柏林地和紫穗槐林地土壤含水率平均值分別為17.26%和13.15%，沙地柏林地土壤含水率大于紫穗槐林地。這是因為沙地柏是貼在坡面上的，覆蓋面積大，水分蒸發少，而且部分坡面上有苔蘚等生物結皮［7］及其分泌物將松散土粒緊密地纏繞和黏結在一起，并以自身的代謝方式改變土壤結構，提高土壤抗蝕性，減少徑流，增加滲流。而紫穗槐是直立的，而且目前剛剛發芽，陽光可以透過樹枝照到坡面，水分蒸發比較多。另外，沙地柏為淺根性植物，須根發達，對土壤含水率的影響很大。而紫穗槐主側根均發達，呈網狀結構，有韌性，長可達2m，須根稠密，需水量很大，從土層中吸收的水分很多。長此以往，沙地柏林地含水率大于紫穗槐林地。植被類型對土壤含水率的影響很大，植被貼地面覆蓋對防止土壤侵蝕有至關重要的作用［8］。貼地植被所覆蓋的土壤含水率大于直立植被所覆蓋的土壤含水率。

圖6 同一坡位不同植被邊坡土壤含水率的垂直分布

2.5 植被防護模式對土壤水分空間特征的影響

為了研究不同植被防護模式的黃土路塹邊坡含水率隨深度的變化，選取南三環第4級邊坡與繞城高速黃土路塹邊坡為研究對象，對含水率進行了對比分析。

其中南三環第4級邊坡全部種植紫穗槐，屬于灌木一次到位模式；繞城高速邊坡最初先采用三維網植草防護，由于防護效果不好，然后又在三維網上種植紫穗槐和沙地柏，呈“梅花型”分布，屬于由草本植物向灌木發展的模式（圖7）。

圖7 不同植被防護模式的土壤含水率垂直變化

由圖7可知，在陰坡中坡位，繞城高速和南三環第4級邊坡土壤含水率的平均值分別為14.48%和20.83%。在陰坡上坡位，繞城高速和南三環第4級邊坡土壤含水率的平均值分別為13.12%和17.74%。在陽坡上坡位，繞城高速和南三環第4級邊坡土壤含水率的平均值分別為9.27%和14.46%。由此可知，南三環土壤含水率明顯大于繞城高速。南三環第4級邊坡與高速路面的距離遠大于繞城高速邊坡與高速路面的距離。由于路面是黑色的，吸收的熱量多，而且在路上行駛的車輛，由于風速、摩擦、燃油能量轉化過程，使周圍環境的濕度降低，溫度升高，距離越近從土壤中吸收的水分越多，土壤含水率自然就越少。而且繞城高速邊坡坡面上沙地柏、紫穗槐和麥芒草交叉種植，植被密度較大，從土壤中吸收的水分就較多，土壤主要受到降水、空氣濕度和植物根系的影響，因此南三環邊坡土壤含水率大于繞城高速。

根據現場調查的結果，繞城高速邊坡草灌結合防護模式的防護效果要優于南三環邊坡灌木單一模式，植被生長狀況好。但是，根據含水率測試結果可知，草灌結合模式林地的土壤含水率明顯低于灌木單一模式，由于植物密度太大，所需水分較多，從土壤中吸收水分較多，導致土壤含水率過低。因此，邊坡防護植被密度及種植模式的選擇也至關重要。

3 結論

（1）坡度、坡向、坡位和植被類型等是土壤水分空間特征的重要影響因子。小坡度邊坡土壤含水率大于大坡度；陰坡土壤含水率大于陽坡；中坡位土壤含水率大于下坡位，下坡位大于上坡位；貼地植被覆蓋的土壤含水率大于直立植被土壤含水率。

（2）植被防護模式也是土壤水分空間特征的重要影響因子。由草本植物向灌木發展模式的邊坡土壤含水率低于灌木一次到位模式，但是前者植被的生長狀況優于后者。

（3）水分和養分是植被生長必需的條件，如果植被密度過大，所需水分較多，當剖面某一層土壤含水量低于萎蔫系數時，會影響根系吸水；當低于萎蔫系數的土層增加到一定程度時，根系吸水非常困難，土壤水分會嚴重影響植物生長，因此在植被防護時，應根據坡向、坡度、坡位和坡級選擇不同的植被密度。

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