延安治溝造地耕作土壤水分的空間變異

何 靖， 黎雅楠

(1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司， 陜西 西安 710075； 2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司， 陜西 西安 710075； 3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 陜西 西安 710075； 4.陜西省土地整治工程技術研究中心， 陜西 西安 710075)

土壤水分含量的變化對作物生產有很大影響。當土壤水分虧缺或過飽和時，均會導致作物生長發育不良甚至枯萎死亡[1]，只有土壤水分在適當范圍內，才能既保障作物的正常生長發育并減少水資源浪費，形成作物-水分協同發展。黃土高原是我國水土流失最為嚴重的地區之一，近年來通過實施退耕還林還草工程，雖大幅度減少了黃土高原的水土流失量、有效地改善了黃土高原的生態環境，但也減少了黃土高原可耕地面積，致當地百姓的人均耕地面積、人均收入下降，造成農村勞動力閑置等。為此，延安市推行實施了治溝造地重大工程項目——通過鹽堿地改造、荒溝閑置土地開發利用增加耕地面積。對此，選擇延安市南泥灣鎮九龍泉治溝造地新增耕地，觀測土壤水分含量變化并分析其空間分布特征，以期為延安市治溝造地新增耕地種植作物的選擇和灌水與治溝造地工程實施提供依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市寶塔區南泥灣鎮九龍泉溝，治溝造地工程于2012年實施，屬黃土高原梁峁丘陵溝壑區，地處汾川河流域上游，屬河谷川、臺地貌，黃土覆蓋深為50～150 m，川道區土層厚度0.4～5.0 m。區內全年寒暑交替，四季分明。多年平均氣溫9.9℃，最高氣溫39.9℃，最低氣溫-22.4℃，年無霜期最長225 d，最短157 d，平均182 d。降雨時空分布不均，季節變化大，多年平均降水量573 mm。年平均水面蒸發量1 000 mm，陸地蒸發量550 mm，干旱指數1.75。植被主要以人工林地為主，包括刺槐、臭椿、松柏、野杏、棗樹等。川道耕地土壤以淤土為主，土壤有機質含量平均0.713%，全氮0.0499%，堿解氮37.4 mg/kg，速效磷5.3 mg/kg，速效鉀134.9 mg/kg，是寶塔區耕地土壤養分含量最高的區域之一。

1.2 采樣點設置與采樣方法

在延安市南泥灣鎮九龍泉溝治溝造地新增耕地中，按溝道流域主次不同，在不同空間位置共布設18個土壤含水量數據采集點(各觀測點位置見圖1)，采集點分為主溝溝谷點位和支溝溝谷點位2類。圖中點1(包含點位1-1、1-2，其他類似)、3、4、5、6、7、9系列為主溝溝谷點位，其中點1、3、7系列布設于主溝分叉口處，點5、6系列布設于周邊有一較大池塘處，點9系列布設于水稻田中；點2、8、10系列為支溝溝谷點位，其中點8系列布設于溝口位置，點2、10系列布設于溝谷內。土壤含水量采用TRIM-TDR測定。TRIM管布設深度根據布設點地質條件不同而有所變化，部分直至基巖處，部分至地下水界面處。測定時間為2019年4月的無降雨日。

1.3 數據分析

利用Excel 2013和SPSS 19.0分析土壤含水量的空間分布特征和空間變異性。土壤含水量的變異系數大小可用來反映土壤水分的空間變異性[2]，變異系數(CV)數值大小表示變異性程度，一般判別標準是：CV<0.01為弱變異；0.011.00為強變異[3-4]。同時，在分析土壤水分空間變化過程中，對采集的監測數據進行“點系”均值化處理，消除機械誤差和人為誤差對分析結果的影響。

2 結果與分析

2.1 主溝溝谷區耕作地土壤水分空間變異特征

由研究區主溝溝谷區7個不同位置土壤含水量變化狀況(圖2)可見，各觀測點位的土壤水分含量變化各不相同，差異性較大。

點1系列：土壤深度90 cm以上的水分含量在10%左右，并呈小幅波動；超過90 cm后水分含量急劇增大至20%左右，并在近基巖界面處減小。

點3系列：土壤水分含量呈“C”形變化，從深度10～30 cm由33.12%急劇減小至25.35%，此后隨深度逐漸增大。

點4系列：土壤水分含量呈“反C形”變化，從深度10～70 cm由低增高，70 cm處達到最大值后逐漸減小。

點5系列：土壤水分含量70 cm以上呈“反C”形變化，70～150 cm呈“S”形變化，后急劇增大達最大值(基巖層)。

點6系列：土壤水分含量在110 cm以上呈“反S”形變化，110～180 cm呈“C”形變化。

點7系列：土壤水分含量呈2個“S”形變化，并于70 cm深處重合，土壤水分含量整體隨深度增加而呈增大趨勢，且波動較大。

點9系列：土壤水分含量呈不規則“C”形變化，總體是含水量隨土壤深度增加而逐漸增大。

各點位差異的原因：從點1、3、7系列的位置可以看出，主溝經過支溝分流匯流之后，溝谷內土壤水分含量變化差異性極大，說明自然因素對土壤水分含量的影響極大；從點4系列土壤的水分變化可以看出，溝谷土壤水分含量的變化異于常規認知，這是由于研究區存在壤中流[5-6]，影響了土壤水分的重分布過程，形成不同于常規認知的土壤水分分布規律；點5、6系列水分分布變化規律相反，這是由于點5、6系列位于池塘上下游，池塘作為蓄水設施，常年蓄水改變了其周邊土壤的水分含量，影響了周邊土壤水分重分布過程，從而形成點5、6系列土壤水分分布規律的異常；點9系列布設于水田，土壤水分數據采集期間處于淹田狀態，故其土壤水分逐漸增大且趨于穩定狀態。

從研究區主溝不同位置樣點觀測的土壤含水量數據變異系數(表1)可見，隨著土壤深度的加深，土壤含水量變異系數逐漸減小，這是由于隨著土壤深度加深，深度土層處影響土壤水分的因素逐漸減少進而呈現為單一主因素影響，進而變異系數減小，變異性減小。

2.2 支溝耕地土壤水分空間變異特征

由研究區3個不同支溝土壤含水量變化狀況(圖3)可見，各觀測點位的土壤水分含量差異性較大。

點2系列：土壤分布整體呈2個“S”形分布并于土層深度70 cm處相接，土壤含水量整體為減小趨勢，在土層深度90 cm處出現最小值，后續波動增大趨于穩定。

點8系列：土壤水分呈2個“S”形和1個“C”形分布，2個“S”于土層深度70 cm處相接，“S”和“C”于土層深度110 cm處相接，土壤含水量整體隨著土層深度的增加逐漸增大。

點10系列：土壤水分呈2個“C”形分布并于土層深度90 cm處相接，土壤含水量先減小(土層深度50 cm以上)再增大(土層深度50～90 cm)再減小(土層深度90～110 cm)后增大(土層深度110 cm以下)，總體呈現為增大趨勢。

各點位差異的原因：通過對3個支溝土壤水分剖面數據的采集可以看出，雖隸屬于同一主溝，但支溝受其自身所處周邊環境的影響，土壤水分分布與主溝相差較大。以上分析表明：土壤水分分布的影響因素隨著土層深度的加深作用大小不一，氣候、植被和人為作用主要作用于淺層土壤，深層土壤水分分布主要受到單一作用的影響[7]，點10系列在土層對于支溝土壤水分采樣土層深度與土壤含水量變異系數，從表2可以看出，點8系列土壤水分隨著土層深度加深其變異性與主溝點位的變異性一致，而點2、10系列位于支溝溝谷，其土壤水分隨采樣土層深度加深的變異性不同于主溝點位土壤水分的變異性，點2、10系列的土壤含水量的變異系數不隨著采樣深度的加深而逐漸減小，雖其變異系數值較大，但隨著采樣深度增大到一定深度，變異系數逐漸趨于穩定。表明變異系數增大到一定數值后趨于穩定，不再隨著采樣深度的加深而無限增大。

圖3支溝耕地不同深度土壤水分含量

深度90 cm處突然增大出現拐點，是由于壤中流[5-6]的影響。

表2支溝耕地不同深度土壤水分含量變異系數

采樣深度/cm變異系數/%28101073.943.8112.363047.3213.7225.105059.9913.2530.307040.0711.0620.439030.3211.5313.6111053.3514.3038.6013069.9113.0068.0215067.707.3455.61170-3.1856.05

3 討論

土壤水分對黃土高原農業生產、生態環境保護、水資源循環等具有極為重要的作用，已有大量專家學者對黃土高原土壤水分進行了深入研究[8-13]，喬江波等[7]研究了黃土高原關鍵帶土壤水分空間變異特性，指出土壤水分空間分布具有緯度地帶性、變異強度和影響因素具有深度依賴性、空間依賴性也具有地域性。本文利用TRIME-TDR獲取了治溝造地工程造田小流域尺度(九龍泉溝)典型樣點地表到巖層(地下水)界面的土壤水分數據，研究了黃土高原治溝造地溝道耕地全剖面土壤水分分布，結果表明：與深層土壤相比較，淺層土壤水分變異系數較大[4]，充分表明淺層土壤水分分布受到的影響因素較多且相互影響，特別是降水或者蓄水工程，如點5、6系列分別位于池塘上下游，其淺層土壤水分分布特征完全相反；但點2、10系列的淺層土壤水分變異系數小于深層土壤水分的變異系數，表明其深層土壤水分空間變異性大于淺層土壤，這又與主溝點位分析不一致，可能是點位所處地小氣候環境影響所致，但其變異系數隨著土層深度增加到一定深度時逐漸趨于穩定，表明影響深層土壤水分分布的因素呈現為單一主因素作用；點4系列土壤水分、變異系數與其余點位變化有所不同，是由于壤中流的影響，使130 cm以上土層土壤水分進行了重分布。現有對于黃土高原土壤水分空間變異的研究主要集中于已經成熟的農業生產用地或重點研究區域，針對黃土高原治溝造地新增耕地土壤水分空間變異的研究鮮有報道，治溝造地是一項利國利民的重大工程項目，本研究初步探究了治溝造地新增耕地土壤水分的空間變異性，以期為治溝造地工程提供借鑒。

4 結論

1) 治溝造地土壤水分空間分布，研究區土壤水分全剖面空間分布呈中等變異。

2) 治溝造地土壤水分空間分布具有地域性，主溝與支溝土壤水分空間分布規律相反，主溝土壤水分變異系數隨著土層深度加深逐漸減小，降水、蓄水工程等因素影響淺層土壤水分的分布；支溝土壤水分變異系數不隨著土層深度加深而減小，當變異系數隨著土層深度增加波動到一定數值后趨于穩定。