隴中黃土丘陵區(qū)新修梯田土壤水分時(shí)空變異性

王彥武，歐陽雪芝，張 峰

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020)

隴中黃土丘陵區(qū)新修梯田土壤水分時(shí)空變異性

王彥武，歐陽雪芝，張 峰

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020)

新修梯田；土壤水分；時(shí)空變異；隴中黃土丘陵區(qū)

在天水市清水縣采用野外典型抽樣調(diào)查和室內(nèi)分析測定的方法，研究了新修水平梯田和休閑坡耕地土壤水分的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：新修梯田土壤含水量變化與降水量和蒸發(fā)量的年內(nèi)分布有密切關(guān)系，隨時(shí)間變化表現(xiàn)為先下降后升高再下降的趨勢；新修梯田不同深度和不同月份土壤含水量均表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)>中部>外側(cè)；新修梯田和坡耕地土壤含水量在垂直方向上都表現(xiàn)為隨土層加深先升高后降低的趨勢，但總體上都隨著土層深度的增加而減小，且新修梯田各層土壤含水量均大于坡耕地。

標(biāo)準(zhǔn)化梯田建設(shè)不僅可以直接起到涵養(yǎng)水源、減少水土流失、提高糧食產(chǎn)量的作用，而且其保水保土效益、抗旱減災(zāi)效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均十分顯著[1-7]。根據(jù)《甘肅省國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》，甘肅省委、省政府在全省順利實(shí)現(xiàn)第一輪33萬hm2梯田建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，“十二五”期間將再新修50萬hm2標(biāo)準(zhǔn)梯田，以此帶動(dòng)全省旱作農(nóng)業(yè)和特色產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展[8]。但是，由于新修梯田在施工中大量移動(dòng)土方，造成表土深埋，生土外露，土層堅(jiān)硬，土壤中水分和養(yǎng)分含量下降，嚴(yán)重影響了農(nóng)作物的生長[9]。因此，如何使新修梯田快速恢復(fù)地力成為梯田建設(shè)的關(guān)鍵。近年來，隨著梯田大面積的推廣，梯田的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益越來越明顯，研究者從多個(gè)角度分析了梯田的水分狀況[10-14]，取得了許多科研成果，但以新修梯田為對象進(jìn)行土壤水分時(shí)空變化特征的研究，在文獻(xiàn)中還較少見。故筆者結(jié)合野外調(diào)查及室內(nèi)分析所采集的數(shù)據(jù)對新修梯田土壤水分的變化特征進(jìn)行分析，以期為黃土丘陵區(qū)新修梯田快速恢復(fù)地力提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

研究地選在天水市清水縣任家后溝小流域，該區(qū)位于清水縣東北部，屬渭河支流牛頭河水系，介于東經(jīng)106°13′33″～106°16′22″、北緯34°45′12″～34°49′40″之間。研究區(qū)地處內(nèi)陸，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫10 ℃，年最低氣溫-13.9 ℃，年最高氣溫35.2 ℃，多年平均蒸發(fā)量1 506.3 mm；年均降水總量574.8 mm，多集中在7—9三個(gè)月，占全年平均降水量的78.8%，降水量年際變化大，降水量最豐年和最枯年相差2.2倍。年日照時(shí)數(shù)2 131.2 h，≥10 ℃平均積溫2 894 ℃，全年無霜期190 d，大風(fēng)日數(shù)26 d，平均風(fēng)速為1.3 m/s，最大凍土深58 cm。該地區(qū)夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，四季分明，氣候宜人，適宜多種農(nóng)作物和果類生長。土壤類型以黃綿土和黑壚土為主，植被屬中溫帶森林草原地帶植被類型。喬木有側(cè)柏、刺槐、油松等，灌木有沙棘、紫穗槐、狼牙剌等，經(jīng)濟(jì)樹種有蘋果、杏、核桃、梨等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

采用常規(guī)的典型抽樣法，在區(qū)域內(nèi)2013年新修的水平梯田中選擇立地條件類型基本一致的田塊作為研究對象，新修水平梯田田面寬15 m，尚未種植利用；在新修水平梯田附近選擇一塊休閑坡耕地作為對照，坡耕地坡度為9°，尚未種植利用。將新修梯田根據(jù)田面寬度由內(nèi)到外分為內(nèi)側(cè)(0～5 m)、中部(5～10 m)、外側(cè)(10～15 m)三個(gè)區(qū)域，分別對新修梯田和坡耕地不同部位各選擇3塊樣地進(jìn)行土壤含水量的測定。

2.2 樣品采集與分析

根據(jù)新修梯田土壤形成特點(diǎn)和試驗(yàn)地的實(shí)際情況，在每塊樣地沿S形線路分別選設(shè)5個(gè)點(diǎn)，定期按0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 分層取樣，采用土鉆取土，烘干稱重法測定土壤含水量。通過觀測土壤水平和垂直方向上水分分布及變化情況，掌握各部位土壤水分的動(dòng)態(tài)變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 新修梯田土壤水分隨時(shí)間的變化

土壤水分是土壤的重要組成部分，是植物生長所需水分的主要來源，也是土壤內(nèi)生物活動(dòng)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的必須條件，同時(shí)也影響土壤鹽基養(yǎng)分的淋溶。決定土壤水分變化的主要因子有大氣降水、有無植被覆蓋、土壤蒸發(fā)和土壤結(jié)構(gòu)等[15]。從新修梯田不同位置(內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè))土壤平均含水量隨時(shí)間變化情況看(圖1)，新修梯田土壤含水量變化主要取決于氣象因子，與降水量和蒸發(fā)量的年內(nèi)分布有密切關(guān)系，但土壤水分的變化滯后于降水量的年內(nèi)分布[16]。由于研究區(qū)1—6月份降水較少，氣候干燥，新修梯田修筑過程中土壤蒸發(fā)量大，而又沒有有效降雨補(bǔ)充，因此土壤含水量總體趨于下降；從6月下旬開始，新修梯田土壤含水量開始升高，到10月份達(dá)到本年度的峰值，主要是因?yàn)樵摃r(shí)期降雨量充足，能夠補(bǔ)充土壤水分。10月份后隨著降雨量逐漸減少，土壤含水量開始下降，一直持續(xù)到第二年。這與蔡進(jìn)軍等[17]的研究結(jié)果一致。

圖1 新修梯田土壤水分隨時(shí)間變化情況

3.2 新修梯田土壤水分水平變化

從新修梯田不同部位土壤含水量情況看(圖2)，新修梯田水平方向上由內(nèi)向外側(cè)土壤含水量存在差異：4月份土壤含水量內(nèi)側(cè)比中部高0.09百分點(diǎn)、比外側(cè)高0.72百分點(diǎn)，6月份土壤含水量內(nèi)側(cè)比中部高0.8百分點(diǎn)、比外側(cè)高1.07百分點(diǎn)，8月份土壤含水量內(nèi)側(cè)比中部高0.05百分點(diǎn)、比外側(cè)高1.21百分點(diǎn)，10月份土壤含水量內(nèi)側(cè)比中部高0.73百分點(diǎn)、比外側(cè)高1.21百分點(diǎn)，各月份平均土壤含水量內(nèi)側(cè)比中部高0.42百分點(diǎn)、比外側(cè)高1.05百分點(diǎn)。根據(jù)測量結(jié)果，新修梯田不同月份(4月、6月、8月、10月)土壤含水量均表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)>中部>外側(cè)，這主要由于新修梯田在修筑過程中內(nèi)側(cè)開挖取土，外側(cè)填筑壓實(shí)，造成新修梯田內(nèi)外側(cè)土壤結(jié)構(gòu)存在一定差異，內(nèi)側(cè)土壤容重小于外側(cè)，導(dǎo)致新修梯田內(nèi)側(cè)土壤含水量高于外側(cè)。另外，由于梯田內(nèi)側(cè)除接收自然降水外，還可接收上一級梯田外沿的徑流雨水[18]，而梯田外側(cè)則由于梯田“脅邊效應(yīng)”造成外側(cè)邊緣附近的土壤受雙面立體蒸發(fā)影響因此含水量相對較小，且這種差異與降水、梯田田坎高低和田面寬度密切相關(guān)。在豐水年，田坎越低，田面越寬，其“脅邊效應(yīng)”所占的比例就越小，內(nèi)外側(cè)含水量差異越小；在枯水年，田坎越高，田面越窄，其“脅邊效應(yīng)”所占的比例就越大，內(nèi)外側(cè)含水量差異越大[19]。

圖2 新修梯田不同部位土壤含水量變化情況

3.3 新修梯田土壤水分的垂直變化

由新修梯田土壤水分垂直變化情況可以看出(圖3)，新修梯田土壤含水量在垂直方向上都表現(xiàn)為隨土層加深先升高后降低的趨勢，但總體上都隨著土層深度的增加而減小。新修梯田0～20 cm土層土壤含水量變化較為劇烈，且無明顯變化規(guī)律，主要是由于0～20 cm土層在梯田修筑過程中開挖回填擾動(dòng)較大，土壤含水量受地形、降雨入滲、地面蒸發(fā)、土質(zhì)等多種因素影響[18]，該層水分變化最不穩(wěn)定。20～40 cm土層土壤含水量有一定的變化，內(nèi)側(cè)土壤在30 cm深達(dá)到最大值20.22%，外側(cè)土壤在40 cm深達(dá)到該區(qū)域的最小值18.03%，該層是新修梯田土壤主要的貯水庫，土壤水分變化幅度比較小。40～60 cm土層土壤含水量呈現(xiàn)出規(guī)律變化，是水分相對穩(wěn)定層，該層土壤主要用于調(diào)節(jié)上下層土壤含水量，使土壤水分達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[20]。

對比新修梯田與坡耕地土壤水分垂直變化情況可以看出(圖3)，坡耕地土壤水分隨著土層深度的增加也呈減小趨勢，但是土壤水分變化較新修梯田更為劇烈。0～20 cm土層，坡耕地與新修梯田土壤含水量分別為18.30%、18.95%，坡耕地土壤含水量比梯田少0.65百分點(diǎn)；20～40 cm土層，坡耕地與新修梯田土壤含水量分別為17.07%、18.55%，坡耕地土壤含水量比梯田少1.48百分點(diǎn)；40～60 cm土層，坡耕地與新修梯田土壤含水量分別為16.38%、17.92%，坡耕地土壤含水量比梯田少1.54百分點(diǎn)?？梢钥闯?～20 cm土層坡耕地土壤含水量與新修梯田相比差異不明顯，但是新修梯田各層土壤含水量均大于坡耕地。

圖3 土壤水分垂直變化

4 結(jié) 論

(1)新修梯田土壤含水量變化與降水量和蒸發(fā)量的年內(nèi)分布有密切關(guān)系，但土壤含水量的變化滯后于降水量和蒸發(fā)量。1—6月份新修梯田土壤含水量總體上趨于下降，6月下旬開始升高，到10月份達(dá)到年度的峰值， 10月份后開始下降，并一直持續(xù)到第二年。

(2)新修梯田不同月份的土壤含水量均表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)>中部>外側(cè)，各月份平均土壤含水量內(nèi)側(cè)比中部高0.42百分點(diǎn)、比外側(cè)高1.05百分點(diǎn)，主要是梯田在修筑過程中造成內(nèi)外側(cè)土壤結(jié)構(gòu)差異和梯田外側(cè)的“脅邊效應(yīng)”所致。

(3)新修梯田土壤含水量在垂直方向上都表現(xiàn)為隨土層加深先升高后降低的趨勢，但總體上都隨著土層深度的增加而減小。新修梯田0～20 cm土層土壤含水量變化較為劇烈，且無明顯變化規(guī)律；20～40 cm土層土壤含水量有一定的變化，但變化幅度比較小，均在18.03%～20.22%之間；40～60 cm土層土壤含水量呈現(xiàn)出規(guī)律變化，是水分相對穩(wěn)定層。

(4)坡耕地土壤水分隨著土層深度的增加也呈減小趨勢，但是土壤水分變化較新修梯田更為劇烈。新修梯田各層土壤含水量均大于坡耕地，0～20、20～40、40～60 cm深土層坡耕地土壤含水量比梯田分別少0.65、1.48、1.54百分點(diǎn)，說明通過修筑水平梯田，可以有效地保蓄土壤水分。

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(責(zé)任編輯 王 琦)

S157.31

A

1000-0941(2015)10-0056-03

王彥武(1982—)，男，甘肅會(huì)寧縣人，工程師，碩士，主要從事水土保持與荒漠化防治方面的研究。

2015-03-24