好水川流域梯田土壤含水量變化規(guī)律研究

馬 軼，張維江，朱旭東，趙慶恩

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021;2.寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

黃土高原地區(qū)水土流失問(wèn)題突出，給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重影響［1］。近年來(lái)，隨著水土流失治理力度的加大，淤地壩、坡改梯、退耕還林還草工程的實(shí)施對(duì)防止水土流失具有重要意義，但同時(shí)也改變了流域產(chǎn)匯流的下墊面條件和水資源的演變規(guī)律［2］。為了研究水土保持措施對(duì)地表水資源的影響，國(guó)內(nèi)研究人員加強(qiáng)了對(duì)土壤含水量垂直分布變化和年內(nèi)變化趨勢(shì)的研究［3］。筆者以好水川流域?yàn)檠芯繀^(qū)，對(duì)坡改梯工程實(shí)施后梯田土壤含水量與次降雨量的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究，目的是分析流域下墊面條件改變后降水資源化和降雨徑流規(guī)律，為流域水資源優(yōu)化配置和作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供決策依據(jù)。

1 流域概況

好水川流域位于六盤(pán)山西側(cè)、黃土高原丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，地理位置位于 N35°37'20″—35°41'40″、E105°56'20″—106°12'18″，海拔1 835—2 195 m，地勢(shì)東高西低，地貌特征以梁峁、溝谷和溝盆凹地為主，屬海洋季風(fēng)邊緣區(qū)，處于中溫帶半濕潤(rùn)向半干旱過(guò)渡地帶，干旱少雨，無(wú)霜期短，年均氣溫5.1℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 228.1 h，年降水量520 mm，降雨多集中在6—9月，年水面蒸發(fā)量1 200 mm。選擇流域上、中游不同庫(kù)壩控制的6塊梯田作為樣地，進(jìn)行土壤含水量變化規(guī)律研究。

2 研究方法

2.1 降水量

采用分辨率為0.1 mm的自記虹吸式雨量計(jì)觀測(cè)2010年4—10月流域降水量，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 土壤含水量

采用土鉆法定位觀測(cè)土壤含水量。土壤樣品取樣深度分別為 0—5、10—15、25—30、55—60 和 85—90 cm。常規(guī)觀測(cè)時(shí)間是在2010年4—9月每月的上、中、下旬各一次，并在降水前后進(jìn)行加密觀測(cè)，將提取的土壤樣品用鋁盒封存，并盡快稱(chēng)濕重。含水量測(cè)定采用烘干稱(chēng)重法，烘干溫度為105℃，烘干時(shí)間為10 h，稱(chēng)重儀器采用1/100 g精度電子天平。

表1 2010年4—10月好水川流域降水量

3 結(jié)果與分析

3.1 不同深度土層土壤含水量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

由6塊樣地不同深度土層土壤含水量分布情況可知，各樣地淺層(0—30 cm)土壤受降雨和蒸發(fā)影響較大，含水量變幅劇烈，其中:0—5 cm土壤含水量變化范圍分別為3.5% ～21.7%、2.6% ～ 24.5%、1.2% ～ 21.9%、2.6% ～ 23.0%、2.7% ～26.5%、1.1% ～20.0%;10—15 cm 分別為 8.2% ～20.8%、11.9% ～26.8%、6.9% ～ 20.6%、9.1% ～ 24.0%、10.1% ～22.2%、9.5% ～21.5%;25—30 cm 分別為 9.0% ～21.6%、14.0% ～24.8%、7.5% ～ 16.1%、7.6% ～ 22.6%、10.6% ～21.8%、10.2% ～21.6%;最大變幅 23.8%，最小變幅 8.6%。深層(60—90 cm)土壤含水量變化幅度較小，55—60 cm最大變幅11.7%、最小變幅5.3%，85—90 cm最大變幅11%、最小變幅6.5%。4—10月各樣地土壤含水量的加權(quán)平均值主要分布在10%～25%之間。

通過(guò)分析6塊樣地淺層(0—30 cm)、深層(55—60 cm)土壤含水量變化與降水量季節(jié)變化趨勢(shì)，可以看出:淺層土壤含水量變化與降水量季節(jié)變化趨勢(shì)線呈M形。一般從4月底開(kāi)始流域內(nèi)降水增多，隨之土壤含水量增加，到5月底土壤含水量達(dá)到第一個(gè)峰值，土壤含水量平均值分別由13.9%、21.4%、13.7%、17.2%、18.9%、16.1%增加到 19.5%、24.8%、20.6%、19.8%、25.2%、20.7%;隨著氣溫升高和作物耗水量增加，7月中旬土壤含水量變?yōu)楣戎担寥篮糠謩e回落到11.6%、14.2%、8.4%、13.2%、16.6%、12%;7、8 月份是汛期，降水量較多，8月土壤含水量達(dá)到第二個(gè)峰值，土壤含水量分別上升到20.8%、22.2%、12.8%、21.9%、20.9% 和 17.6%;9 月以后土壤含水量又逐漸降低。深層土壤含水量趨勢(shì)線呈V形，谷底在7月下旬，6月前平均值分別為 14%、19.1%、11.5%、14.3%、21.9%、18%，到 7月下旬分別變?yōu)?10.1%、14.3%、7.1%、10.2%、15.9%、12%，8月份又逐漸增加。圖1為樣地1不同深度土層土壤含水量變化情況，其余樣地變化趨勢(shì)與樣地1相似，故圖略。

圖1 樣地1不同深度土層土壤含水量變化

受降水、蒸發(fā)、地形等因素影響，不同深度土層土壤含水量的平均值及其變化量均不相同。用變差系數(shù)表示含水量的變化程度［4］，一般變差系數(shù)越大含水量變化幅度越大，反之則越小［5］。計(jì)算4—9月各樣地不同深度土層土壤含水量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變差系數(shù)，見(jiàn)表2。

3.2 土壤水分垂直變化規(guī)律

表2 不同深度土層土壤含水量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變差系數(shù)

從平均值來(lái)看，土壤含水量總體變化趨勢(shì)是隨著土層深度的增加呈現(xiàn)“上升—下降”或“上升—下降—上升”趨勢(shì)，峰值一般在10—15 cm。從標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，隨著土層深度的增加，土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸變小，說(shuō)明相比淺層，深層土壤含水量受外界干擾程度較低、穩(wěn)定性更強(qiáng)。由于降雨時(shí)雨水滲入使淺層土壤含水量迅速增加，在重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)的作用下水分逐漸向深層運(yùn)動(dòng)，加之雨后受蒸發(fā)作用影響，因此0—5 cm土層土壤含水量變差系數(shù)最大，而深層土壤含水量的變差系數(shù)較?。?］，這點(diǎn)在變差系數(shù)的分布上也得到了證明。

3.3 土壤含水量變化與降雨量關(guān)系分析

用降雨前后土壤含水量的變化量和降雨量數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性及回歸分析，研究土壤含水量變化量與降水量之間的關(guān)系。因?yàn)榱饔虻叵滤裆钶^大，所以不考慮地下水補(bǔ)給，降水是土壤水分補(bǔ)給的唯一來(lái)源。降雨后1 d內(nèi)進(jìn)行土壤含水量測(cè)定，蒸發(fā)量可忽略不計(jì)。對(duì)降水量(y)與土壤含水量變化值(x，為雨后土壤含水量－雨前土壤含水量)用3階多項(xiàng)式回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3知，土壤含水量變化量與降水量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，降水量每增加10 mm，0―5、10―15、25―30、55―60、85―90 cm土層土壤含水量分別增加 4.32%、2.62%、0.98%、0.43%、0.41%，6 塊梯田土壤含水量加權(quán)平均值增加0.45% ～1.56%，平均增加0.96%。

表3 各樣地土壤含水量變化量與次降水量回歸分析

4 結(jié)語(yǔ)

(1)受降雨和蒸發(fā)影響，淺層(0—30 cm)土壤含水量變幅明顯，最大變幅23.8%出現(xiàn)在0—5 cm土層，最小變幅8.6%出現(xiàn)在25—30 cm土層;變化規(guī)律與降水量的季節(jié)變化趨勢(shì)相同，趨勢(shì)線形狀為M形，峰值分別出現(xiàn)在5月底和8月份，谷值出現(xiàn)在7月中旬。深層(60—90 cm)土壤含水量變幅較小，最大變幅11.7%，最小變幅5.3%;趨勢(shì)線形狀為V形，谷值出現(xiàn)在7月下旬。4—10月份流域內(nèi)土壤含水量的加權(quán)平均值主要分布在10%～25%。

(2)土壤含水量平均值的變化趨勢(shì)是隨著土層深度的增加呈現(xiàn)“上升—下降”或“上升—下降—上升”的趨勢(shì)，峰值一般出現(xiàn)在10—15 cm處。隨著土層深度的增加，土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，受外界影響減弱，穩(wěn)定性增強(qiáng)。

(3)降水量與土壤含水量變化量之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系。降水量每增加 10 mm，0—5、10—15、25—30、55—60、85—90 cm土層土壤含水量分別增加 4.32%、2.62%、0.98%、0.43% 和0.41%，土壤含水量加權(quán)平均值增加0.45% ～1.56%，平均增加 0.96%。

［1］徐建華，吳發(fā)啟，王健，等.黃土高原產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)制及水土保持措施對(duì)水資源和泥沙影響的機(jī)理研究［M］.鄭州:黃河水利出版社，2005:1.

［2］賈仰文，王浩，倪廣恒，等.分布式流域水文模型原理與實(shí)踐［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005:2.

［3］伏巨鵬.徽成盆地土壤含水量變化規(guī)律分析［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2009，45(9):14 －15.

［4］周景春，蘇玉杰，張懷念，等.0～50 cm土壤含水量與降水和蒸發(fā)的關(guān)系分析［J］.中國(guó)土壤與肥料，2007(6):23－27.

［5］岳宏昌，王玉，李纏云，等.黃土丘陵溝壑區(qū)土壤水分垂直分布研究［J］.水土保持通報(bào)，2009，29(1):66－69.

［6］王二虎，仝文偉，霍繼超，等.暴雨過(guò)程對(duì)不同深度土壤含水量的影響分析［J］.河南科學(xué)，2011，29(1):40 －43.