延安治沟造地耕作土壤水分的空间变异

何 靖， 黎雅楠

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司， 陕西 西安 710075； 2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司， 陕西 西安 710075； 3.自然资源部 退化及未利用土地整治工程重点实验室, 陕西 西安 710075； 4.陕西省土地整治工程技术研究中心， 陕西 西安 710075)

土壤水分含量的变化对作物生产有很大影响。当土壤水分亏缺或过饱和时，均会导致作物生长发育不良甚至枯萎死亡[1]，只有土壤水分在适当范围内，才能既保障作物的正常生长发育并减少水资源浪费，形成作物-水分协同发展。黄土高原是我国水土流失最为严重的地区之一，近年来通过实施退耕还林还草工程，虽大幅度减少了黄土高原的水土流失量、有效地改善了黄土高原的生态环境，但也减少了黄土高原可耕地面积，致当地百姓的人均耕地面积、人均收入下降，造成农村劳动力闲置等。为此，延安市推行实施了治沟造地重大工程项目——通过盐碱地改造、荒沟闲置土地开发利用增加耕地面积。对此，选择延安市南泥湾镇九龙泉治沟造地新增耕地，观测土壤水分含量变化并分析其空间分布特征，以期为延安市治沟造地新增耕地种植作物的选择和灌水与治沟造地工程实施提供依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市宝塔区南泥湾镇九龙泉沟，治沟造地工程于2012年实施，属黄土高原梁峁丘陵沟壑区，地处汾川河流域上游，属河谷川、台地貌，黄土覆盖深为50～150 m，川道区土层厚度0.4～5.0 m。区内全年寒暑交替，四季分明。多年平均气温9.9℃，最高气温39.9℃，最低气温-22.4℃，年无霜期最长225 d，最短157 d，平均182 d。降雨时空分布不均，季节变化大，多年平均降水量573 mm。年平均水面蒸发量1 000 mm，陆地蒸发量550 mm，干旱指数1.75。植被主要以人工林地为主，包括刺槐、臭椿、松柏、野杏、枣树等。川道耕地土壤以淤土为主，土壤有机质含量平均0.713%，全氮0.0499%，碱解氮37.4 mg/kg，速效磷5.3 mg/kg，速效钾134.9 mg/kg，是宝塔区耕地土壤养分含量最高的区域之一。

1.2 采样点设置与采样方法

在延安市南泥湾镇九龙泉沟治沟造地新增耕地中，按沟道流域主次不同，在不同空间位置共布设18个土壤含水量数据采集点(各观测点位置见图1)，采集点分为主沟沟谷点位和支沟沟谷点位2类。图中点1(包含点位1-1、1-2，其他类似)、3、4、5、6、7、9系列为主沟沟谷点位，其中点1、3、7系列布设于主沟分叉口处，点5、6系列布设于周边有一较大池塘处，点9系列布设于水稻田中；点2、8、10系列为支沟沟谷点位，其中点8系列布设于沟口位置，点2、10系列布设于沟谷内。土壤含水量采用TRIM-TDR测定。TRIM管布设深度根据布设点地质条件不同而有所变化，部分直至基岩处，部分至地下水界面处。测定时间为2019年4月的无降雨日。

1.3 数据分析

利用Excel 2013和SPSS 19.0分析土壤含水量的空间分布特征和空间变异性。土壤含水量的变异系数大小可用来反映土壤水分的空间变异性[2]，变异系数(CV)数值大小表示变异性程度，一般判别标准是：CV<0.01为弱变异；0.011.00为强变异[3-4]。同时，在分析土壤水分空间变化过程中，对采集的监测数据进行“点系”均值化处理，消除机械误差和人为误差对分析结果的影响。

2 结果与分析

2.1 主沟沟谷区耕作地土壤水分空间变异特征

由研究区主沟沟谷区7个不同位置土壤含水量变化状况(图2)可见，各观测点位的土壤水分含量变化各不相同，差异性较大。

点1系列：土壤深度90 cm以上的水分含量在10%左右，并呈小幅波动；超过90 cm后水分含量急剧增大至20%左右，并在近基岩界面处减小。

点3系列：土壤水分含量呈“C”形变化，从深度10～30 cm由33.12%急剧减小至25.35%，此后随深度逐渐增大。

点4系列：土壤水分含量呈“反C形”变化，从深度10～70 cm由低增高，70 cm处达到最大值后逐渐减小。

点5系列：土壤水分含量70 cm以上呈“反C”形变化，70～150 cm呈“S”形变化，后急剧增大达最大值(基岩层)。

点6系列：土壤水分含量在110 cm以上呈“反S”形变化，110～180 cm呈“C”形变化。

点7系列：土壤水分含量呈2个“S”形变化，并于70 cm深处重合，土壤水分含量整体随深度增加而呈增大趋势，且波动较大。

点9系列：土壤水分含量呈不规则“C”形变化，总体是含水量随土壤深度增加而逐渐增大。

各点位差异的原因：从点1、3、7系列的位置可以看出，主沟经过支沟分流汇流之后，沟谷内土壤水分含量变化差异性极大，说明自然因素对土壤水分含量的影响极大；从点4系列土壤的水分变化可以看出，沟谷土壤水分含量的变化异于常规认知，这是由于研究区存在壤中流[5-6]，影响了土壤水分的重分布过程，形成不同于常规认知的土壤水分分布规律；点5、6系列水分分布变化规律相反，这是由于点5、6系列位于池塘上下游，池塘作为蓄水设施，常年蓄水改变了其周边土壤的水分含量，影响了周边土壤水分重分布过程，从而形成点5、6系列土壤水分分布规律的异常；点9系列布设于水田，土壤水分数据采集期间处于淹田状态，故其土壤水分逐渐增大且趋于稳定状态。

从研究区主沟不同位置样点观测的土壤含水量数据变异系数(表1)可见，随着土壤深度的加深，土壤含水量变异系数逐渐减小，这是由于随着土壤深度加深，深度土层处影响土壤水分的因素逐渐减少进而呈现为单一主因素影响，进而变异系数减小，变异性减小。

2.2 支沟耕地土壤水分空间变异特征

由研究区3个不同支沟土壤含水量变化状况(图3)可见，各观测点位的土壤水分含量差异性较大。

点2系列：土壤分布整体呈2个“S”形分布并于土层深度70 cm处相接，土壤含水量整体为减小趋势，在土层深度90 cm处出现最小值，后续波动增大趋于稳定。

点8系列：土壤水分呈2个“S”形和1个“C”形分布，2个“S”于土层深度70 cm处相接，“S”和“C”于土层深度110 cm处相接，土壤含水量整体随着土层深度的增加逐渐增大。

点10系列：土壤水分呈2个“C”形分布并于土层深度90 cm处相接，土壤含水量先减小(土层深度50 cm以上)再增大(土层深度50～90 cm)再减小(土层深度90～110 cm)后增大(土层深度110 cm以下)，总体呈现为增大趋势。

各点位差异的原因：通过对3个支沟土壤水分剖面数据的采集可以看出，虽隶属于同一主沟，但支沟受其自身所处周边环境的影响，土壤水分分布与主沟相差较大。以上分析表明：土壤水分分布的影响因素随着土层深度的加深作用大小不一，气候、植被和人为作用主要作用于浅层土壤，深层土壤水分分布主要受到单一作用的影响[7]，点10系列在土层对于支沟土壤水分采样土层深度与土壤含水量变异系数，从表2可以看出，点8系列土壤水分随着土层深度加深其变异性与主沟点位的变异性一致，而点2、10系列位于支沟沟谷，其土壤水分随采样土层深度加深的变异性不同于主沟点位土壤水分的变异性，点2、10系列的土壤含水量的变异系数不随着采样深度的加深而逐渐减小，虽其变异系数值较大，但随着采样深度增大到一定深度，变异系数逐渐趋于稳定。表明变异系数增大到一定数值后趋于稳定，不再随着采样深度的加深而无限增大。

图3支沟耕地不同深度土壤水分含量

深度90 cm处突然增大出现拐点，是由于壤中流[5-6]的影响。

表2支沟耕地不同深度土壤水分含量变异系数

采样深度/cm变异系数/%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 讨论

土壤水分对黄土高原农业生产、生态环境保护、水资源循环等具有极为重要的作用，已有大量专家学者对黄土高原土壤水分进行了深入研究[8-13]，乔江波等[7]研究了黄土高原关键带土壤水分空间变异特性，指出土壤水分空间分布具有纬度地带性、变异强度和影响因素具有深度依赖性、空间依赖性也具有地域性。本文利用TRIME-TDR获取了治沟造地工程造田小流域尺度(九龙泉沟)典型样点地表到岩层(地下水)界面的土壤水分数据，研究了黄土高原治沟造地沟道耕地全剖面土壤水分分布，结果表明：与深层土壤相比较，浅层土壤水分变异系数较大[4]，充分表明浅层土壤水分分布受到的影响因素较多且相互影响，特别是降水或者蓄水工程，如点5、6系列分别位于池塘上下游，其浅层土壤水分分布特征完全相反；但点2、10系列的浅层土壤水分变异系数小于深层土壤水分的变异系数，表明其深层土壤水分空间变异性大于浅层土壤，这又与主沟点位分析不一致，可能是点位所处地小气候环境影响所致，但其变异系数随着土层深度增加到一定深度时逐渐趋于稳定，表明影响深层土壤水分分布的因素呈现为单一主因素作用；点4系列土壤水分、变异系数与其余点位变化有所不同，是由于壤中流的影响，使130 cm以上土层土壤水分进行了重分布。现有对于黄土高原土壤水分空间变异的研究主要集中于已经成熟的农业生产用地或重点研究区域，针对黄土高原治沟造地新增耕地土壤水分空间变异的研究鲜有报道，治沟造地是一项利国利民的重大工程项目，本研究初步探究了治沟造地新增耕地土壤水分的空间变异性，以期为治沟造地工程提供借鉴。

4 结论

1) 治沟造地土壤水分空间分布，研究区土壤水分全剖面空间分布呈中等变异。

2) 治沟造地土壤水分空间分布具有地域性，主沟与支沟土壤水分空间分布规律相反，主沟土壤水分变异系数随着土层深度加深逐渐减小，降水、蓄水工程等因素影响浅层土壤水分的分布；支沟土壤水分变异系数不随着土层深度加深而减小，当变异系数随着土层深度增加波动到一定数值后趋于稳定。