黃土丘陵溝壑區(qū)不同年限機修梯田土壤水分變化規(guī)律研究

王錦志

（山西省水土保持科學研究所）

黃土高原干旱少雨，且降水量隨季節(jié)性變化大，是世界上土壤侵蝕最強烈、侵蝕危害最嚴重的地區(qū)之一[1-2]。水土流失給當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設帶來了嚴重的影響。袁建平博士等[3]關(guān)于黃土丘陵區(qū)入滲速率的研究表明，無論何種利用類型的土地，土壤的穩(wěn)滲率均隨著坡度的增大而減小，坡度越陡越容易產(chǎn)生坡面徑流，土地對天然降雨的就地攔蓄能力就越差。因此，要想增強土壤的蓄水保土能力，必須要減緩地面坡度，變坡地為梯田。近年來，隨著水土流失治理力度的加大，大范圍實施坡改梯工程對防治水土流失具有重要意義，但同時也改變了治理區(qū)產(chǎn)匯流的下墊面條件和水資源的演變規(guī)律[4-5]。為了研究水土保持措施對地表水資源的影響，目前，國內(nèi)研究人員從土壤含水量空間分布變化和年內(nèi)變化趨勢等多個角度，分析梯田的水分狀況[6-10]及定量評估梯田的蓄水保土效益[11-13]研究已較為成熟，但關(guān)于不同年限機修梯田土壤含水量空間變異特性和隨季節(jié)變化規(guī)律的研究鮮見報道。本文以晉西南永和縣2013年、2015和2016年機修梯田為例，研究不同年限機修梯田土壤含水量與次降雨量時空變異特性及各年限梯田蓄水能力的變化差異，以獲得治理區(qū)下墊面條件改變后降水資源化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于晉西呂梁山脈的南端，臨汾市西北邊緣永和縣東南15 km處的坡頭鄉(xiāng)，屬晉西黃土高原的組成部分，總體呈黃土丘陵溝壑地貌特征。海拔最高1 300 m，最低1 000 m，相對高差300 m，地形起伏急劇，垂直變化明顯，形成了極易侵蝕的地貌條件。主要農(nóng)作物有小麥、玉米、谷子、黃豆、甘薯等。

研究區(qū)域?qū)倥瘻貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候，主要特點是四季冷暖干濕分明，夏季炎熱雨水集中，秋季濕潤天氣涼爽，冬春兩季寒冷干燥少雨雪，晝夜溫差大。據(jù)當?shù)貧庀笥^測資料：年均氣溫9.5℃，極端最高氣溫35.8℃，極端最低氣溫-22.2℃；年日照時數(shù)2 555.4 h，無霜期183 d；年均風速2.7 m/s，年大風日數(shù)8 d；年均降水量502.6 mm，年內(nèi)季節(jié)變化大，多集中在7-9月份，約占年降水量的70%左右。降水分配上的高度集中，是造成嚴重水土流失的主要因素之一。

1.2 供試地塊

選取3塊不同治理年限的機修梯田，即2013年（110°43′12″E，36°52′36.84″N）、2015年 （110°43′32.16″E ，36°52′12.00″N）和2016年（110°43′34.68″E,36°52′12.72″N）所修水平梯田各一塊，作為研究對象。同時，選取梯田附近的一塊坡耕地（110°43′12.72″E，36°52′35.76″N），作為對照樣地。梯田數(shù)年連種玉米，田寬8 m，田坎高2.3 m。坡耕地15°，已連續(xù)耕作10 a以上，當季主要種植作物同樣為玉米。

1.3 研究方法

1.3.1 降雨量觀測

采用0.1 mm準確度的雨量筒，觀測研究區(qū)2016年6-10月降雨量。觀測數(shù)據(jù)見表1。

表1 研究區(qū)2016年6-10月降雨量

1.3.2 土壤含水量測定

用土鉆法實施定位監(jiān)測，在樣地內(nèi)按三角樁布設點位，每排相間2.5 m，布設3排，共9個測點（圖1）。岳宏昌等[14]對黃土丘陵溝壑區(qū)土壤水分垂直分布研究表明，不同類型的土地在不同深度層次上土壤水分變化幅度較大，其中梯田被分為土壤速變層、活躍層和相對穩(wěn)定層。據(jù)此，各測點土壤樣品垂直取樣深度分別為0-20 cm、20-40 cm和40-60 cm。所取土樣用鋁盒封存，現(xiàn)場稱量濕重。含水量（質(zhì)量含水量）采用烘干稱重法測定，烘干溫度105℃，持續(xù)烘烤8 h，用1/100 g精度天平稱重。

圖1 土壤含水量采樣點布設

1.3.3 土壤容重測定

在樣地內(nèi)按梅花樁布設測點，點位間隔3 m，共布設6個測點（圖2）。然后，挖掘土壤剖面，將剖面分為0-20 cm、20-40 cm和40-60 cm三個層次，每層用規(guī)格為100 cm3的環(huán)刀取3個原狀土，帶回實驗室測定容重。

圖2 土壤容重采樣點布設

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限機修梯田土壤含水量剖面垂直動態(tài)變化規(guī)律

圖3為不同年限機修梯田不同深度土層的土壤含水量動態(tài)變化。從圖3可以看出，不同深度土層土壤含水量變化幅度差異性很大，以坡耕地最為劇烈。2013年、2015年和2016年機修梯田及坡耕地4塊樣地，0-20 cm的土層，由于受到溫度、降水和風力等氣象因素及農(nóng)作物生長的直接影響，土壤含水量變幅劇烈，變化范圍分別為10.50%-15.30%、9.90%-14.78%、9.60%-15.60%和6.30%-17.60%，最大變幅為11.30%（坡耕地），最小變幅為4.80%；20-40 cm土層，土壤含水量變化范圍分別為10.75%-15.25%、11.20%-15.70%、10.30%-15.36%和10.20%-15.80%，最大變幅5.6%（坡耕地），最小變幅4.50%；40-60 cm土層，由于受降水補給和外界條件影響相對較小，土壤含水量變化趨勢較為平緩，變化范圍分別為11.20%-15.84%、11.30%-16.06% 、10.20%-15.98%和12.00%-17.45%，最大變幅5.45%（坡耕地），最小變幅4.64%。4塊樣地0-60 cm土層在6-10月間土壤含水量的平均值集中分布在10%-15%之間。

通過對4塊樣地6-10月土壤含水量年內(nèi)變化的分析看，樣地不同深度土層土壤含水量變化規(guī)律與降水量的季節(jié)性變化趨勢表現(xiàn)的較為一致，趨勢圖呈現(xiàn)出倒“V”形。從6月初研究區(qū)內(nèi)降水量開始增多，土壤含水量隨之增加，到7月下旬，各土層土壤含水量達到峰值。此時，2013年、2015年和2016年機修梯田及坡耕地4塊樣地的土壤含水量平均值分別由6月初的10.82%、11.41%、10.03%和10.11%，增加到7月下旬的15.46%、15.51%、15.64%和16.94%。隨著農(nóng)作物的生長需水量的增加、氣溫的升高及降水量的相對減少，從8月初開始各土層土壤含水量開始降低，到10月底，樣地土壤含水量平均值分別回落到11.53%、11.00%、11.16%和9.51%。

圖3 不同年限機修梯田不同深度土層土壤含水量動態(tài)變化

2.2 不同年限機修梯田土壤含水量垂直變化的變異系數(shù)

土壤含水量受到降水、作物生長耗水與蒸騰和地面蒸發(fā)的相互作用，同時不同治理年限也是重要的影響因素，使得不同深度土層的土壤含水量及其變化均不相同。土壤含水量變化程度可用變異系數(shù)來表示，變異系數(shù)越大，土壤含水量變化幅度越大，反之則越小。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算研究區(qū)4塊樣地6-10月不同深度土層土壤含水量的平均值、標準差和變異系數(shù)（表2）。從表2可以看出，同一深度土層，不同年限機修梯田土壤含水量變化程度不同；同一年限機修梯田不同深度土層土壤含水量變化幅度也存在著較大差異。

從平均值來看，2013年、2015年和2016年機修梯田以及坡耕地4塊樣地，總的變化趨勢是隨著土層深度的增加土壤含水量呈現(xiàn)“上升”的趨勢。在0-20 cm和40-60 cm土層，早治理的機修梯田比晚治理的機修梯田土壤含水量平均值明顯要大；在0-20 cm土層，2013年機修梯田土壤含水量平均值比2015年和2016年機修梯田和坡耕地土壤含水量平均值分別超出0.22%、0.63%和2.50%；在40-60 cm土層，分別超出2.00%、2.87%和2.96%；同時，在0-20 cm和40-60 cm土層，三塊不同年限機修梯田的土壤含水量平均值均不同程度地高于坡耕地。分析結(jié)果表明，在0-20 cm和40-60 cm，2013年機修梯田的儲水能力要大于2015年和2016年機修梯田，且三個不同年限機修梯田儲水能力都不同程度地高于坡耕地。但是，在20-40 cm土層，4塊樣地土壤含水量平均值無明顯變化規(guī)律，含水量平均值相近，其原因可能是作物根系主要分布在這一土層，作物生長消耗的土壤水分量均較大之故。

表2 不同年限機修梯田不同深度土層土壤含水量平均值、標準差和變異系數(shù)

從標準差來看，各樣地土壤含水量的標準差數(shù)值均隨土層深度的增加而逐漸減小，表明土層深度越大，土壤含水量受外界各種因素干擾越小，穩(wěn)定性越強。同時也可以看出，在同一土層深度下，早治理的梯田土壤含水量標準差較晚治理的梯田小，機修梯田土壤含水量標準差較坡耕地小。由此說明，同一土層深度下，晚治理的梯田土壤含水量較早治理的梯田穩(wěn)定性弱；坡耕地土壤含水量穩(wěn)定性較機修梯田弱；土壤含水量的穩(wěn)定性，除受到降水等外界因素的影響外，還與耕地的坡度有關(guān)。

從變異系數(shù)來看，2013年、2015年和2016年的機修梯田及坡耕地4塊樣地，土層深度在0-20 cm的變異系數(shù)較大，這是由于0-20 cm土層直接受到降水、溫度、風力等外界因素的影響較大之故。降水時雨水首先入滲該層，使土壤含水量急劇升高，隨后土壤水分受到重力和土壤毛細管力等作用，使該層土壤水分向下滲透。同時該層受到溫度、風力等氣象因素的直接影響，土壤蒸發(fā)量較大，使得土壤含水量很快降低，故土壤含水量變化幅度較大，變異系數(shù)明顯大于深層土壤。雖然4塊樣地同一土層深度的土壤含水量變異系數(shù)不同，但總的變化趨勢同為隨著土層深度的增加而減小，表明隨土層深度的增加，降水和其他氣象因素對土壤含水量的作用減弱。

3 不同年限機修梯田土壤蓄水效益分析

白一茹博士等人[15]對土壤蓄水量穩(wěn)定性的研究表明，在某研究區(qū)內(nèi)土壤蓄水量（SWS）的計算方法為：SWS=θ·h。由于θ=w·ρs，整理可得SWS=w·ρs·h。其中SWS為土壤蓄水量，mm；θ為土壤體積含水率，cm3/cm3；h為土壤蓄水量的厚度，mm；w為土壤質(zhì)量含水率，%；ρs為土壤容重，g/cm3。經(jīng)過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理，并按公式分別計算機修梯田和坡耕地0-20 cm、0-40 cm及0-60 cm土層的土壤平均蓄水量（圖4）。

從圖4可以看出，不同年限的機修梯田與坡耕地，其土壤平均容重和平均蓄水量，均存在較大差異。

圖4 不同年限機修梯田不同土層深度土壤蓄水量及容重變化

總體上看，由于在修筑梯田過程中需要挖掘、移動大量的土方，造成原坡耕地土層紊亂，即原深層的生土被翻到表面來成為新的表土層，原表層的熟土被掩埋，加上機械碾壓，使得新修梯田各厚度土層的土壤平均容重不同程度地大于坡耕地。2013年和2015年的機修梯田，0-20 cm土層的土壤容重與坡耕地基本相同，而20 cm以下較之略大。但2016年的新修梯田，各厚度土層平均容重均大于2013年、2015年機修梯田和坡耕地相應土層的土壤平均容重。由此表明，機修梯田需通過數(shù)年的連續(xù)耕作，土壤熟化程度才可以恢復到與治理前坡耕地相當水平。

在蓄水量方面，2013年機修梯田各厚度土層平均蓄水量均大于2015年、2016年機修梯田和坡耕地。0-20 cm、0-40 cm和0-60 cm土層，分別超出2015年機修梯田1.12 mm、1.23 mm、0.98 mm，分別超出2016年機修梯田6.82 mm、5.61 mm、7.20 mm和坡耕地6.4 mm、2.31 mm、6.25 mm。2013年和2015年機修梯田蓄水量基本相同，相差較小。2016年機修梯田各土層的平均蓄水量均較其他樣地都小，其原因可能是在修筑梯田時，對坡耕地土壤的劇烈擾動使其物理性質(zhì)發(fā)生巨大改變—表層土變?yōu)槿葜剌^大的深層土、各土層毛管孔隙度增大，加之受氣象條件影響，導致蒸發(fā)量增大，蓄水能力減弱。莫斌等[16]對不同土地利用類型土壤入滲性能影響因素的研究成果也證實，入滲速率與土壤容重和毛管空隙度呈負相關(guān)。

綜上表明，2013年機修梯田較2015年、2016年機修梯田和坡耕地而言，具有良好的蓄水效應；2015年機修梯田蓄水能力優(yōu)于2016年機修梯田和坡耕地；新修梯田的蓄水能力較坡耕地差，需經(jīng)過數(shù)年的耕作才可恢復和增強。

4 結(jié)論

（1）不同年限機修梯田和坡耕地，在不同深度土層的土壤含水量變化幅度差異較大。含水量最大變幅出現(xiàn)在坡耕地0-20 cm土層，變幅為11.30%；最小變幅出現(xiàn)在2013年機修梯田20-40 cm土層，變幅為4.50%。不同深度土層土壤含水量變化規(guī)律與降水量的季節(jié)性變化趨勢相同，趨勢線形狀呈現(xiàn)出倒“V”形，峰值均出現(xiàn)在7月下旬，8月以后土壤含水量均呈下降趨勢。4塊樣地0-60 cm土層在6-10月間，土壤含水量的平均值集中分布在10%-15%之間。

（2）在0-20 cm和40-60 cm土層，早治理的機修梯田儲水能力優(yōu)于晚治理的機修梯田，且不同年限機修梯田的儲水能力均不同程度地高于坡耕地。在20-40cm土層，不同年限機修梯田和坡耕地的儲水能力相近。

（3）在相同的土層深度下，早治理的機修梯田土壤含水量穩(wěn)定性優(yōu)于晚治理的機修梯田，且不同年限機修梯田的土壤含水量穩(wěn)定性均不同程度地高于坡耕地。

（4）2013年、2015年和2016年機修梯田以及坡耕地4塊樣地，土壤含水量變異系數(shù)總體變化趨勢呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而減小，最大變異系數(shù)出現(xiàn)在0-20 cm和20-40 cm土層，表明隨土層深度增加降水和其他氣象因素對土壤含水量的作用減弱。

（5）0-20 cm、0-40 cm和0-60 cm的土壤蓄水厚度，2013年機修梯田高于2015年、2016年機修梯田和坡耕地。新修梯田的蓄水能力較差，要加強土壤培肥，提高土壤肥力，以實現(xiàn)旱作農(nóng)業(yè)“以肥調(diào)水”。