黃土高原不同降雨量條件下梯田與坡地土壤水分變化特征

李仕華， 徐麗嬌， 彭海英，王超凡

(1．陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西西安 710100；2.長安大學(xué)材料科學(xué)學(xué)院，陜西西安 710064，3.西安培華學(xué)院，陜西西安 710123)

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黃土高原不同降雨量條件下梯田與坡地土壤水分變化特征

李仕華1，3， 徐麗嬌1， 彭海英1，王超凡2

(1．陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西西安 710100；2.長安大學(xué)材料科學(xué)學(xué)院，陜西西安 710064，3.西安培華學(xué)院，陜西西安 710123)

[目的]研究不同降雨量下黃土高原坡地和梯田土壤水分的運(yùn)移及分布情況。[方法]以黃土高原陜西乾縣為試驗(yàn)區(qū)，通過田間試驗(yàn)，研究不同降雨量條件下梯田與坡地土壤含水量變化情況。[結(jié)果]梯田和坡地土壤含水量空間垂直變化分為4個(gè)層次：①土壤水分速變層(10～40 cm)。該層梯田土壤含水量大，坡地土壤含水量小。該層受水文氣象、耕作措施、冠層覆被等多種因素的影響較大，土壤水分變化較大。②土壤水分緩變層(40～80 cm)。該層土壤水分受諸多因素的影響相對(duì)小，土壤水分變化幅度小。該層梯田土壤含水量大，坡地土壤含水量小。③土壤水分過渡層(80～100 cm)。該層坡地土壤水分變化緩慢，而梯田土壤水分變化迅速，即開始由大向小快速突變。④土壤水分相對(duì)穩(wěn)定層(100 cm以下)。該層梯田土壤含水量小，坡地土壤含水量大。[結(jié)論]初步掌握了黃土高原乾縣的土壤水分變化特征。

黃土高原；梯田；坡地；土壤含水量；降雨量；乾縣

黃土高原位于我國中部偏北部，為干旱半干旱地區(qū)，土壤水分是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因子。由于坡地易產(chǎn)生地表徑流，造成水土流失，因此雨水資源化利用成為學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。因梯田具有截流納滲的功能，對(duì)解決農(nóng)業(yè)缺水問題具有重要意義。學(xué)者不僅對(duì)梯田土壤水分的變化比較重視，且梯田及其坡地土壤水分的變化也成為關(guān)注的問題之一[2-4]。韓芳芳等[5]應(yīng)用Hydrus-1D模型對(duì)不同降雨條件下的坡耕地和水平梯田土壤(黃綿土)水分入滲進(jìn)行定量模擬研究，結(jié)果表明，在0～20 cm土層深度，梯田的土壤含水量較坡耕地大。然而，關(guān)于20 cm土層深度以下的坡地和梯田土壤含水量空間變化的研究鮮見報(bào)道。筆者研究了不同降雨量對(duì)坡地和梯田土壤水分運(yùn)移及分布的影響，旨在為土地利用類型的實(shí)際應(yīng)用及提高自然降水利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)選擇在西北農(nóng)林科技大學(xué)在黃土臺(tái)原區(qū)建立的乾縣試驗(yàn)區(qū)[6]，1處為梯田地塊，1處為摞荒坡地(圖1)。梯田地塊東北高，西南低，呈現(xiàn)波狀臺(tái)原溝壑地貌，地面坡度3°～12°，梯田為連臺(tái)梯田，梯田東西長90 m，南北寬40 m，面積3 600 m2。為冬小麥?zhǔn)崭詈蟮牡貕K；摞荒坡地溝壑縱深、支離破碎。溝谷區(qū)內(nèi)地形坡度為18～25°。坡地試驗(yàn)場地選擇在18°的坡地上，坡地覆被為草本植物。試驗(yàn)區(qū)人口1 885人，耕地面積532.5 hm2。

圖1　陜西乾縣試驗(yàn)場地示意Fig.1　Test site of Qian County in Shaanxi Province

研究區(qū)年平均氣溫10.9 ℃，無霜期206 d。年平均降水量584.2 mm，豐水年為876.7 mm,枯水年為281.9 mm，降水多集中于7、8、9月，占全年總降水量的60%左右，年蒸發(fā)量1 420.4 mm。降水分布不均，降水年際間差別較大。最少年份(1977年)降水量為281.9 mm，最多年份(1983年)達(dá)到876.7 mm。干燥度1.42,土壤物理性狀良好，土質(zhì)疏松，蓄水性好。海拔900 m左右，面積10.3 km2。

1.2研究方法依據(jù)天氣預(yù)報(bào)，以自然降雨設(shè)施作為試驗(yàn)條件。提前做好準(zhǔn)備工作，包括準(zhǔn)備降雨量的測量儀器，選取梯田和坡地樣地，測試降雨前梯田和坡地的土壤含水量。在自然降雨過程中，使用雨量筒和量杯測量自然降雨過程的降雨量。試驗(yàn)期間自然降雨時(shí)間分別出現(xiàn)在2010年7月2日、7月10日和7月15日，降雨量分別為5.3、11.1、20.3 mm，觀察和測定梯田和坡地的土壤含水量變化情況。具體方法：在每場降雨之后，分別在梯田和坡地采取土鉆法取樣，在0～100 cm的土層范圍內(nèi)，每間隔10 cm取樣，在100～200 cm的土層范圍內(nèi)，每間隔20 cm取樣，采取烘干法測定土壤含水量。

每個(gè)鉆孔采集13個(gè)土樣，共采集樣品104個(gè)，將樣品在電子天平稱重，放入烘干箱內(nèi)烘干，然后將樣品稱重，用毛重減去干重，計(jì)算每個(gè)樣品的含水量。

2　結(jié)果與分析

2.1降雨前梯田與坡地的土壤含水量變化從圖2可見，在0～80 cm土層，梯田土壤含水量大于坡地，這是由于梯田的入滲性能較好,能夠使得降雨就地入滲，而坡地產(chǎn)生了徑流，入滲性能較低。

在80～90 cm土層，梯田土壤含水量迅速減小，而坡地土壤含水量變化緩慢。這說明80～90 cm梯田土壤含水量變化速率較大，干濕交替頻繁。也就是說，該層梯田土壤含水量變異系數(shù)(CV)較大，坡地土壤含水量變異系數(shù)(CV)較小。這是由于在前期降雨過程中，梯田土壤水分入滲量大，濕潤鋒由上部推移到該處，還未繼續(xù)向下部干層土壤入滲，降雨停止，入滲也停止。

在100 cm土層以下，梯田土壤含水量小于坡地。這是由于土壤水分的吸收利用及蒸發(fā)散失,導(dǎo)致梯田的土壤貯水量比坡地小。該層距離地表較深，受降雨和蒸騰的影響較小，土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定，變化幅度小、速度慢。

圖2　降雨前土壤剖面含水量變化情況Fig.2　The change of soil profile moisture before precipitation

2.2降雨5.3 mm梯田與坡地的土壤含水量變化從圖3可見，在0～40 cm土層，梯田土壤含水量呈減小趨勢，在10 cm土層處，梯田土壤含水量為8.89%，坡地土壤含水量為6.83%。與降雨前相比，降雨量5.3 mm梯田和坡地0～40 cm土層的土壤含水量變化較小。該層土壤含水量受氣候、耕作措施、冠層覆被和根系活動(dòng)等多種因素的影響較大。

在40～80 cm土層，梯田土壤含水量變化幅度較大。該層土壤的水分運(yùn)動(dòng)與熱量轉(zhuǎn)化、溶質(zhì)運(yùn)移、空氣、土壤顆粒等相互影響、相互作用，直接影響土壤水分的重新分布。一般來說，相比表層土壤，該層土壤含水量受氣候、耕作措施、冠層覆被和根系活動(dòng)等多種因素的影響相對(duì)小。

在80～100 cm土層，坡地土壤含水量變化平穩(wěn)緩慢，而梯田土壤含水量迅速減小，水分變化活躍。其變化狀態(tài)與降雨前的土壤含水量分布及其空間變異化類似，說明在降雨量為5.3 mm的條件下，80～100 cm層土壤含水量未受到降雨的入滲影響。

在100 cm土層以下，梯田與坡地的土壤含水量變化及其分布與降雨前相同，梯田土壤含水量小于坡地。該層土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定。

圖3　降雨量5.3 mm土壤含水量變化情況Fig.3　The change of soil moisture under 5.3 mm precipitation

2.3降雨11.1 mm梯田與坡地的土壤含水量變化從圖4可見，降雨量為11.1 mm時(shí)，在0～40 cm土層，梯田土壤含水量大于坡地。在10 cm土層，梯田土壤含水量為9.62%，坡地土壤含水量為7.36%，梯田較坡地高出2.26個(gè)百分點(diǎn)；在40 cm土層，梯田土壤含水量為8.32%，該層土壤含水量受氣候、耕作措施等多種因素的影響較大。

在40～80 cm土層處，坡地土壤含水量變化緩慢，梯田土壤含水量逐漸增大，說明梯田地面形成一定水層的有壓入滲。該層梯田土壤含水量大于坡地土壤含水量，為土壤水分緩變層。

在80～100 cm土層，坡地土壤含水量變化平穩(wěn)緩慢，而梯田土壤含水量變化迅速減小，由11.39%減小至7.85%，水分變化活躍。與降雨量5.3 mm相比，80～100 cm層向下推移的濕潤鋒出現(xiàn)了尖滅，說明土壤水分滲入至此停止了運(yùn)移。該層為土壤水分過渡層。

在100 cm土層以下，梯田與坡地的土壤含水量變化及其分布與降雨量5.3 mm時(shí)的土壤含水量變化情況類似，梯田土壤含水量小于坡地，不同的是坡地土壤水分運(yùn)移相對(duì)較活躍。該土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定。

圖4　降雨量11.1 mm土壤含水量變化情況Fig.4　The change of soil moisture under 11.1 mm precipitation

2.4降雨20.3 mm梯田與坡地土壤含水量變化從圖5可見，降雨量為20.3 mm時(shí)，在0～40 cm土層，梯田土壤含水量大于坡地，土壤含水量為9.62%～18.20%。在10 cm土層，梯田土壤含水量為18.2%，坡地土壤含水量為15.83%，梯田較坡地高出2.37個(gè)百分點(diǎn)；在20 cm土層，梯田土壤含水量為15.48%，坡地土壤含水量為8.22%，梯田較坡地高出7.26個(gè)百分點(diǎn)。這說明梯田蓄水納滲的能力較坡地強(qiáng)，該層為土壤水分速變層。

在40～80 cm土層，坡地土壤含水量變化緩慢，梯田土壤含水量變化較大。這是由于梯田表面形成了積水層，從而使得梯田入滲量加大，導(dǎo)致土壤含水量增大。該層梯田土壤含水量大于坡地土壤含水量，為土壤水分緩變層。

圖5　降雨量20.3 mm土壤含水量變化情況Fig.5　The change of soil moisture under 20.3 mm precipitation

在80～100 cm土層，坡地土壤含水量變化平穩(wěn)緩慢，而梯田土壤含水量變化迅速減小。與降雨量為11.1 mm時(shí)梯田土壤含水量曲線相比，降雨量為20.3 mm時(shí)的土壤含水量濕潤鋒由80 cm下滲推移到90 cm。該層為土壤水分過渡層。

在100 cm以下土層，梯田土壤含水量小于坡地。在100 cm土層處，梯田土壤含水量為8.10%，坡地含水量為9.47%。在土層120 cm處，梯田土壤含水量為8.06%，該層土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定。

3　結(jié)論

該研究結(jié)果表明，梯田和坡地土壤剖面含水量空間變異不同。梯田土壤含水量變異系數(shù)(CV)較大，而坡地土壤含水量變異系數(shù)(CV)較小。具體地說，梯田和坡地土壤水分垂直變化分為4個(gè)層次[7]：

(1)土壤水分速變層(10～40 cm)。該層位于地表，受水文氣象、耕作措施、冠層覆被和根系活動(dòng)等多種因素的影響，土壤含水量變化幅度大，蒸發(fā)速度快，交替頻繁。該層梯田土壤含水量大于坡地。這是由于梯田降雨入滲是積水入滲，表面形成了積水壓力，從而入滲強(qiáng)度較大，而坡地則產(chǎn)生了地表徑流，因此該層梯田土壤含水量較大，而坡地較小。

(2)土壤水分緩變層(40～80 cm)。該層土壤水分受氣候、耕作措施、冠層覆被和根系活動(dòng)等多種因素的影響相對(duì)小，土壤含水量變化幅度小。該緩變層梯田土壤含水量大于坡地。當(dāng)上部非飽和土土壤含水量趨于飽和，接近田間持水量時(shí)，該層接受上部的土壤水分運(yùn)移，逐次緩慢傳導(dǎo)到該層。

(3)土壤水分過渡層(80～100 cm)。該層坡地土壤含水量變化緩慢，而梯田土壤含水量變化迅速。該過渡層對(duì)于梯田來說是另一種土壤水分“速變層”。該層為梯田土壤水分濕潤鋒的變動(dòng)帶。降雨量5.3 mm時(shí)，濕潤鋒不明顯；降雨量為11.1 mm時(shí)，梯田在該層出現(xiàn)了濕潤鋒，為80～90 cm處；降雨量為20.3 mm時(shí)，而“交點(diǎn)”區(qū)間處梯田土壤濕潤鋒推移到土層深度90～100 cm處。這表明隨著降雨量的增加，濕潤鋒逐漸向下推移。

(4)土壤水分相對(duì)穩(wěn)定層(100 cm以下)。該層距離地表較深，受降雨和蒸騰的影響較小，土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定，變化幅度小、變化速度慢。該層是降雨補(bǔ)充蓄積的對(duì)象。該層土壤水分的空間變異特征是梯田土壤含水量小，坡地土壤含水量大。

[1] 朱顯謨.黃土高原的形成與整治對(duì)策[J].水土保持通報(bào)，1991，11(1)：1-17.

[2] 徐學(xué)選，劉文兆，高鵬．黃土丘陵區(qū)土壤水分空間分布差異性探討[J].生態(tài)環(huán)境，2003，12(1)：52-55.

[3] 徐英，王俊生，蔡守華．緩坡水平梯田土壤水分空間變異性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(12)：16-19.

[4] 衛(wèi)三平，吳發(fā)啟，張治國．黃土丘陵溝壑區(qū)不同耕作措施下梯田土壤水分時(shí)空變化[J].中國水土保持，2005(6)：25-27.

[5] 韓芳芳，劉秀花，馬成玉．不同降雨歷時(shí)梯田和坡耕地的土壤水分入滲特征[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2012,30(4):14-19.

[6] 李佩成，包紀(jì)祥，韓思明，等．黃土臺(tái)原的治理與開發(fā)[M].西安：陜西人民出版社，1993：12.

[7] 陳海濱，孫長忠，安鋒，等．黃土高原溝壑區(qū)林地土壤水分特征的研究(Ⅰ):土壤水分的垂直變化和季節(jié)變化特征[J]．西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,18(4):13-16.

The Variation Characteristics of Terrace and Sloping Land Soil Moisture under Different Rainfall Conditions in the Loess Plateau

LI Shi-hua1,3, XU Li-jiao1, PENG Hai-ying1et al

(1. Shaanxi Vocational and Technical Collage, Xi’an, Shaanxi 710100; 3. Xi’an Peihua University, Xi’an, Shaanxi 710123)

[Objective] The aim was to study soil moisture transport and distribution of terrace and sloping land in the Loess Plateau under different rainfall conditions. [Method] With Qian County in Shaanxi Province as study area, through field experiment, the variation of soil moisture of terrace and sloping land under different rainfall conditions were studied. [Result] The results showed that the vertical variation of soil moisture of terrace and sloping land was divided into four levels: ①the change of soil moisture layer (10-40 cm). The soil moisture of this layer of terrace is large and that of sloping land is small. The change of soil moisture in this layer is bigger, affected by hydrometeor, tillage measures, canopy cover and other factors. ②Soil moisture slowly varying layer (40-80 cm). The soil moisture of this layer is smaller influenced by many factors compared with first layer. The soil moisture of the terrace this layer is large and the soil moisture of sloping land is small. ③Soil moisture transition layer (80-100 cm). The change of soil moisture of sloping land is slowly, and the change of soil moisture of terrace is rapidly, that is, from the big to small fast mutation. ④The soil moisture is relatively stable layer (below 100 cm). The soil moisture of terrace this layer is small and the soil moisture of sloping land is large.[Conclusion] The variation characteristics of soil moisture in Qian County in the Loess Plateau are preliminarily grasped.

Loess Plateau; Terrace; Sloping land; Soil moisture; Rainfall; Qian County

高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目 (B08039)。

李仕華(1964- ),男，陜西柞水人，講師，博士，從事人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響機(jī)理研究。

2016-05-09

S 152.7

A

0517-6611(2016)18-111-03