红壤丘陵区不同措施下经济林坡面土壤水分特征试验研究.pdf

江西农业学报 2023，35（10）：96102ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.10.015红壤丘陵区不同措施下经济林坡面土壤水分特征试验研究王 嘉1，2，聂小飞1，3，刘 昭1，3，莫明浩1，3*，李 情1，3（1.江西省水利科学院，江西 南昌 330029；2.江西农业大学 林学院，江西 南昌 330045；3.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029）摘 要:为探讨不同措施下红壤丘陵区经济林坡面土壤水分对降雨的响应特征及土壤含水量变化情况，在江西水土保持生态科技园设置了3种油茶试验样地（直坡坡地、台地坡地、竹节水平沟坡地），对不同措施不同深度土壤水分及降雨情况进行了连续监测。结果表明：直坡油茶园坡面表层土壤含水量波动性较大，台地和竹节水平沟措施下波动性较小；从各月平均土壤含水量来看，3种处理在雨季期间的表层土壤含水量均较高，在旱季期间台地和竹节水平沟措施下的坡面深层土壤水分含量比无措施的高，竹节水平沟有利于较深层土壤水分的蓄积；表层土壤水分对降雨的响应程度表现为直坡台地竹节水平沟，整体表现为随着降雨量的增加，土壤水分响应程度增大；竹节水平沟在雨季和旱季对深层土壤水分蓄积的效果均较好。研究结果可为红壤丘陵区不同措施经济林的水土保持和土壤水分利用提供参考。关键词:土壤水分；降雨；竹节水平沟；台地；红壤丘陵区 中图分类号：S152.7 文献标志码：A 文章编号：1001-8581（2023）10-0096-07Experimental Study on Soil Moisture Characteristics of Economic Forest Slope under Different Measures in Red Soil Hilly Region WANGJia1,2,NIEXiao-fei1,3,LIUZhao1,3,MOMing-hao1,3*,LIQing1,3(1.JiangxiAcademyofWaterScienceandEngineering,Nanchang330029,China;2.CollegeofForestry,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China;3.JiangxiProvincialKeyLaboratoryofSoilErosionandPrevention,Nanchang330029,China)Abstract:Inordertoexploretheresponsecharacteristicsofsoilmoisturetorainfallandchangesinsoilwatercontentontheslopesofeconomicforestsinredsoilhillyregionunderdifferentmeasures,threeoil-teatestsampleplots(straightslope,platformslopeandbamboo-typecontourtrenchslope)weresetupinJiangxiScienceandTechnologyParkofSoilandWaterConservationtocontinuouslymonitorrainfallandsoilmoistureatdifferentdepthsunderdifferentmeasures.Theresultsshowedthatthesurfacesoilmoisturecontentontheslopeofstraightslopeoil-teaplantationwasmorevolatile,andlessvolatileunderthemeasuresofplatformandbamboo-typecontourtrench.Fromtheaveragesoilmoisturecontentofeachmonth,thesurfacesoilmoisturecontentofallthreetreatmentswashigherintherainyseason,andthedeepsoilmoisturecontentontheslopeunderthemeasuresofplatformandbamboo-typecontourtrenchwashigherthanthatwithoutmeasuresinthedryseason.Thebamboo-typecontourtrenchwasconducivetotheaccumulationofdeepersoilmoisture.Theresponsedegreeofsurfacesoilmoisturetorainfallwasstraightslopeplatformslopebamboo-typecontourtrenchslope,andtheoverallresponseofsoilmoistureincreasedwiththeincreaseofrainfall.Bamboo-typecontourtrenchslopehadbettereffectsondeepsoilmoistureaccumulationinbothrainyanddryseasons.Thestudyresultscanprovidereferenceforsoilandwaterconservationandsoilmoistureutilizationofeconomicforestsunderdifferentmeasuresinredsoilhillyregion.Key words:Soilmoisture;Rainfall;Bamboo-typecontourtrench;Platform;Redsoilhillyregion红壤坡地是我国重要的土地资源，发展坡地农业是南方红壤丘陵区社会经济发展的必然选择1-2。收稿日期：2023-07-23基金项目：国家自然科学基金项目（42067020）；江西省科技厅重大科技研发专项“揭榜挂帅”制项目（20213AAG01012）；江西省水利厅科技项目（202325ZDKT02）；国家科技奖后备项目培育计划（20212AEI91011）。作者简介：王嘉（1985），女，安徽安庆人，工程师，硕士，研究方向为水土保持与生态环境。*通信作者：莫明浩。10 期王嘉等：红壤丘陵区不同措施下经济林坡面土壤水分特征试验研究97油茶（Camellia oleiferaAbel.）因其适生性和高经济价值，是我国红壤丘陵区中常见的油料经济树种3-4，栽植油茶是促进农民增收、保障粮油安全、促进生态建设的重要途径。江西省是油茶主要的集中栽培地之一，油茶产业也是地方经济林特色产业5，栽种油茶也是坡地利用的重要途径之一。土壤水分对油茶生长具有关键作用，而红壤丘陵区的水土流失会降低坡面水源的涵养能力，从而影响油茶的产量和品质。水土保持措施在减少水土流失的同时，可达到增加土壤水库库容的目的6-9。穆兴民10对黄土高原坡改梯的试验表明，荒坡地土壤水分仅为梯田的41%73%；宿婷婷等11的研究表明，黄土丘陵区水平沟拦蓄径流后较封育草地能给予土壤更多、更深的水分补给；于元芬等12认为不同植被、不同深度的红壤坡地土壤的持水能力、释水特性及水分有效性存在一定差异，深层土壤的持水能力强于表层土壤；刘昭等13发现“农林草”模式的表层土壤在蒸发期可减少深层土壤水的消耗，在降雨期能够补充深层土壤水；林丽蓉等14对红壤旱坡稻草覆盖的雨季和旱季保水作用的研究表明稻草覆盖改善了土壤的持水性和水分有效性；陶禹等15等通过试验得出，在植被覆盖差的花岗岩红壤坡面工程措施的初期，反坡台地、水平沟等措施均能促进坡面降水入渗，增加表土的含水量；胡建民等16认为梯田、水平竹节沟等水土保持坡面工程措施能有效拦蓄地表径流，增加地表径流入渗率，提高径流使用效率。然而，在红壤丘陵区，不同措施不同深度土层下经济林坡面土壤水分特征尚不明晰，不同措施对土壤水分的影响程度有待探讨。为探明南方普遍采用的台地、竹节水平沟措施对红壤丘陵区经济林坡面土壤水分的影响，本文通过设置油茶园样地进行定位监测试验，研究不同土层土壤的水分特征，以期为该地区农林开发过程中的坡面工程治理提供参考依据。1 试验区概况试验小区布设在典型红壤区的江西水土保持生态科技园内，园区地处江西省北部的德安县境内，属鄱阳湖流域博阳河水系，位于115 42 115 43 E，29 16 29 17 N。试验区属亚热带季风气候区，多年平均降水量1399mm，多年平均气温16.7，年日照时数16502100h，多年平均无霜期为249d17；地貌类型为浅丘岗地，成土母质为第四纪红黏土，植被类型主要是天然次生、半次生和人工林及其伴生的灌木和地被物。本研究在园区内设置油茶园开展经济林土壤水分特征试验研究，于2017年采用机械开挖整地与人工整地相结合的方式开垦建园，建成坡度为19 的油茶园坡面，油茶园整体长约31m、宽约28m，土壤理化性质见表1。表1 油茶园坡面不同深度土层的土壤理化性质土层深度/cm全氮含量/（g/kg）全磷含量/（g/kg）有机质含量/（g/kg）pH值机械组成/%饱和导水率/（mm/min）容重/（g/cm3）黏粒（0.002mm）粉粒（0.0020.050mm）砂粒（0.0502.000mm）100.710.1416.405.0526.7744.2428.991.981.43200.610.1412.224.9026.0146.0427.954.091.43400.470.137.974.7925.7144.7929.503.131.492 研究方法2.1 坡面措施试验设计根据地方水土保持工程的实践经验，设计了3种坡面处理（表2），其中直坡为对照，台地和竹节水平沟为红壤丘陵区常用的水土保持措施，以此研究不同措施对经济林坡面土壤水分的影响。表2 油茶园坡面措施设计规格坡面类型规格尺寸直坡（对照）坡度均一，坡面顺直。台地台壁呈75，台面宽约2.27m，前埂高0.05m、顶部宽0.10m，埂外侧距离台地外侧边缘约0.10m。竹节水平沟沟深0.40m，沟长1.00m，沟顶宽0.50m，沟底宽0.30m，竹节长0.25m、宽0.20m、深0.10m，沟间间隔2.50m。2.2 土壤水分监测于2018年5月1日9月30日对试验地土壤水分进行监测，具体流程为：在3个处理的径流小区内设置土壤水分监测点，在各处理坡面的上坡和下坡分别布置共计6个监测点，各监测点布设ECH2O土壤含水量监测系统（由美国Meter公司生江 西 农 业 学 报35 卷98产），台地布设于台面，竹节水平沟布设于沟外；在每个监测点地表10、20和40cm深处分别埋设FDR土壤水分传感器EC-5；利用EM50数据采集器对土壤水分数据进行采集，采集频率为5min。2.3 降雨量监测采用RG3-M雨量自动记录仪获取时间间隔为5min的同步降雨数据，分析自然降雨条件下坡面土壤的水分特征及不同降雨事件下土壤水分的响应特征。本文将无降雨时间不超过6h的系列降雨界定为一次降雨事件，由于雨量过小的降雨事件对土壤水分的运移影响甚微，因此在分析时仅考虑降雨量大于5mm的降雨事件。监测期间的降雨量如图1所示，详细降雨特征见表3。日期/（月/日）图1 2018年59月油茶园试验区降雨量变化表3 2018年59月油茶园试验区降雨特征月份降雨量/mm最大日降雨量/mm最大30min雨强/（mm/h）日降雨量5mm天数/d日降雨量10mm天数/d日降雨量25mm天数/d5168.845.819.67626162.239.415.6753787.417.016.8521874.818.615.2440935.017.812.82102.4 数据处理2.4.1 土壤含水量处理 针对3种不同试验处理，计算土壤含水量在时间上的统计特征（均值和变异系数等），并分析不同处理统计特征的差异。2.4.2 降雨过程土壤水分对降雨响应的参数表达 根据公式计算土层土壤水分响应强度、土壤水分响应时间、土壤含水量升高历时和最大含水量滞后时间，具体计算公式为：max=max-0 （1）tL=t0C-t0Rain （2）tD=tmax-t0C （3）tmaxL=tmax-tmaxRain （4）式（1）式（4）中，max为某土层土壤水分响应强度，max为降雨过程该土层最大土壤含水量，0为雨前该土层的最小含水量（即初始土壤含水量）；tL为某土层土壤水分响应时间，t0C为该土层土壤含水量开始变化的时间，t0Rain为降雨开始时间；tD为土壤含水量升高历时，tmax为土层最大土壤含水量出现时间，t0C为土壤含水量开始变化时间；tmaxL为土层最大含水量滞后时间，tmaxRain为降雨峰值出现的时间。2.4.3 数据分析 应用MicrosoftExcel软件进行数据处理，应用Origin2019软件进行制图，基于Canoco5.0软件进行冗余分析（RDA）。3 结果与分析3.1 不同措施下土壤水分特征由表4可知，3种措施下010、1020cm土层的土壤含水量均值相差不大，台地、竹节水平沟措施下2040cm土层土壤含水量高于直坡处理，这说明水土保持措施能够提高经济林坡面的深层含水量。试验期间，直坡、台地、竹节水平沟措施下油茶园坡面土壤含水量分别处于10.5%42.0%、16.0%39.0%、15.1%46.2%，不同措施下坡面土壤含水量均有波动。从变异系数看，直坡油茶园坡面表层（020cm）土壤含水量的波动性较大，1020cm土层变异系数达30.4%；竹节水平沟油茶园坡面下层（2040cm）土壤含水量波动较大，但表层波动较小；台地油茶园坡面各土层土壤含水量波动性介于直坡和竹节水平沟之间。从最大值和最小值来看，最小值为直坡处理（10.5%），说明经济林坡面若不采取水土保持措施，在旱季时土壤含水量极低；最大值为竹节水平沟处理（46.2%），这也说明了水土保持工程措施的效果。由图2可知，在5、6月份的雨季，3种处理的表层土壤含水量均较高，台地、竹节水平沟处理下2040cm土层的土壤含水量也较高，但直坡处理10 期王嘉等：红壤丘陵区不同措施下经济林坡面土壤水分特征试验研究99下2040cm土层的土壤含水量较低；7月受降雨量减少的影响，各深度土层的土壤含水量均有所下降；在8、9月的伏旱季，各处理各土层的土壤含水量均相对较低，均在20%以下；直坡处理下010、1020、2040cm土层月平均含水量的最小值分别比月平均含水量的最大值高10.01、16.22、5.36个百分点，而台地和竹节水平沟措施下的分别高出9.18、7.12、11.94和6.82、5.75、8.10个百分点；59月2040cm土层，台地处理的土壤含水量分别比直坡处理高出13.11、12.87、11.60、7.64、6.53个百分点，竹节水平沟处理分别比直坡高出7.33、8.06、6.61、5.62、4.73个百分点。综上说明水土保持措施对深层土壤水分保持能起到积极作用。表4 不同措施下土壤含水量统计特征坡面类型土层深度/cm均值/%标准差/%最大值/%最小值/%变异系数/%直坡01021.74.935.015.222.7102023.47.142.014.330.4204013.82.431.810.517.1台地01022.34.031.216.017.9102020.93.330.416.115.9204024.25.239.016.721.6竹节水平沟01020.73.127.816.314.8102022.12.927.317.913.2204020.34.646.215.122.8a.010cm土层；b.1020cm土层；c.2040cm土层。图2 不同措施下不同土层各月份土壤平均含水量3.2 土壤水分对单次降雨的响应选取降雨量相近的3次降雨事件，分别为2018年8月13日、2018年9月18日和2018年8月16日，降雨量分别为18.8、17.8、16.8mm，计算在各降雨事件影响下的土壤水分最大值和土壤水分增加值，结果取平均值。由图3可知，表层（020cm）土壤含水量增加值的大小次序为：直坡台地竹节水平沟，深层（2040cm）土壤含水量的增加值的大小次序为：竹节水平沟直坡台地；在无竹节沟的坡地，表层土壤含水量增加值明显高于深层的，在有竹节沟的坡地则呈现出相反的结果。这表明竹节水平沟有利于较深层土壤水分的蓄积，这与陶禹等15的研究结论一致。江 西 农 业 学 报35 卷100图3 单次降雨不同坡面处理不同土层土壤最大含水量和土壤含水量增加值3.3 不同雨型下土壤水分特征对不同降雨类型的降雨事件，土壤水分响应过程有所差异。本文以3种降雨类型的典型降雨事件为例，分析了不同类型降雨事件土壤水分响应过程（表5）。其中小雨选取2018年6月22日的降雨事件，其降雨量为8.6mm，降雨历时45min，最大30min降雨量为8.2mm；中雨选择2018年5月18日的降雨事件，其降雨量17.0mm，降雨历时225min，最大30min降雨量为8.0mm；大雨选取2018年5月21日的降雨事件，其降雨量为32.0mm，降雨历时350min，最大30min降雨量8.2mm。由表5可知，小、中、大雨事件下，土壤水分响应程度规律相似，表层（020cm）土壤水分响应程度表现为：直坡台地竹节水平沟，深层（2040cm）土壤水分响应程度则表现为竹节水平沟大于直坡和台地。表5 不同雨型下各措施坡面土壤水分响应特征参数雨型处理土层深度/cm土壤水分响应强度/%土壤水分响应时间/min土壤含水量升高历时/min最大含水量滞后时间/min小雨直坡0107.6515510203.45201020400.610360355台地0102.75251510201.515353520400.625540550竹节沟0101.85201010200.95135125204012.5204045中雨直坡0105.715907010205.41521521020402.110115105台地0104.215504510202.9359010520401.440610630竹节沟0102.5151009510201.31031530520402.9109080大雨直坡01010.710115510209.951301520402.7151105台地0106.215110510207.2359015204010.73011020竹节沟0103.815110510202.651155204026.64580510 期王嘉等：红壤丘陵区不同措施下经济林坡面土壤水分特征试验研究1014 讨论4.1 降雨特征对土壤水分的影响不同措施坡面土壤水分响应特征影响因素不同。MonteCarlo检验结果（表6）表明，直坡坡面土壤水分变化主要受平均雨强和土层影响，台地坡面土壤水分受平均雨强影响最大，竹节水平沟坡面土壤水分则主要受降雨历时和最大60min雨强影响，各因子的贡献率均在25.0%以上。因此，相较于降雨量，雨强的相对贡献率更高，这与洪雨馨等18的研究结果一致。本试验中，中雨事件土壤水分响应程度较大的直坡坡地表层和竹节水平沟坡地深层呈现出相反的结论，其响应程度要明显小于小雨事件下对应土层的响应程度，这可能与雨强有关，中雨事件降雨量虽大，但历时较长，平均雨强仅为4.53mm/h，而小雨事件的雨强为11.47mm/h。此外，不同坡面类型土壤水分响应特征也存在差异，通常情况下坡地表面土壤水分较活跃，对降雨的响应程度也较大19，竹节水平沟因其独特的构造，表现为深层土壤水分变化大，对降雨的响应也更为敏感。表6 降雨事件下油茶园坡面土壤水分响应特征影响因子Monte Carlo检验结果影响因素直坡台地竹节水平沟P值相对贡献率/%P值相对贡献率/%P值相对贡献率/%降雨量0.0028.50.104/0.0483.1平均雨强0.00238.00.00244.20.162/最大5min雨强0.500/0.372/0.0383.4最大30min雨强0.132/0.800/0.186/最大60min雨强0.0029.40.00614.60.00228.3降雨历时0.192/0.01216.30.00250.5土层深度0.00226.40.156/0.514/峰值降雨位置0.0029.60.02211.40.0028.3初始土壤含水量0.224/0.730/0.120/合计/91.9/86.5/93.6注：/表示该因子的MonteCarlo检验不显著（P0.100），不具有相对贡献率。4.2 不同措施对土壤水分的影响竹节水平沟、台地等工程措施可通过改变地形而缩短径流线、提高入渗和减小径流量等加强降水就地拦蓄和入渗10，从而提高土壤含水量。本试验结果表明，无措施的直坡坡面表层对降雨的响应较快，旱季的保水效果差；台地、竹节水平沟措施下深层土壤的蓄水保水效果较好，能减小水流对土壤的冲刷作用，对土壤水分具有涵养作用20，且存在侧向补给。方少文等21-22研究表明竹节水平沟措施在水土流失综合治理初期效果显著，对泥沙的拦截率也较高，且在休眠期能较好地抑制蒸发，相较于无措施经济林，具有一定的增产效果。土壤水分具有一定的时空变化规律，一方面土壤水分随季节变化而变化，另一方面土壤水分随土层深度和水平位置的变化而变化23。本试验结果表明，在水平方向上同一坡面不同坡位的土壤水分具有明显差异，有竹节沟的试验样地，土壤水分的水平分布更加均匀。贺帅等24研究表明050cm土壤含水量对降雨的响应较为敏感，但不同措施下土层对降雨的响应也略有差异。本试验中，有竹节沟坡地的深层土壤水分增加更明显，无措施坡地表层土壤水分变化更明显。5 结论经济林坡面在不采取水土保持措施条件下的土壤含水量波动较大，且在旱季时土壤含水量极低。从各月平均土壤含水量来看，台地和竹节水平沟处理的经济林坡面深层土壤水分含量比无措施的坡面高，其中竹节水平沟更有利于较深层土壤水分的蓄积。参考文献：1 杨洁,莫明浩,宋月君,等.红壤坡地水土保持植物措施下柑橘林地水文生态效应 J.长江流域资源与环境,2012,21(8):994-999.2 谢小立,王凯荣,周卫军.红壤丘岗缓坡地水资源状况与管理 J.山地学报,2000,18(4):336-340.3 周寅杰,王瑞辉,陈志钢,等.低山丘陵地区油茶林地土壤水分特性分析 J.经济林研究,2013,31(1):7-12.江 西 农 业 学 报35 卷1024 杨文利,朱平宗,闫靖坤.水平阶种植油茶对红壤坡地土壤理化性质的影响 J.水土保持学报,2017,31(5):315-320.5 杨少新,何俊海,丁建,等.江西油茶产业绿色发展存在的问题及建议 J.江西农业学报,2011,23(12):174-177.6 朱显谟.重建土壤水库是黄土高原治本之道 J.中国科学院院刊,2006,21(4):320-324.7 王嘉,莫明浩,宋月君,等.竹节水平沟对红壤坡面土壤水分的影响 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