黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域坡面土壤水分分布特征

董起廣，張 揚(yáng)，陳田慶，袁水龍

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安 710075；3.國(guó)土資源部退化及未利用土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安 710075)

作為水資源的重要組成部分，土壤水分對(duì)于研究地表徑流、水分轉(zhuǎn)化、土壤侵蝕、溶質(zhì)運(yùn)移等過(guò)程起到了非常重要的作用，也是流域水文過(guò)程研究的重要內(nèi)容之一[1,2]。近年來(lái)，關(guān)于土壤水分的時(shí)空變異及驅(qū)動(dòng)因子方面的研究已成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)[3-6]。而對(duì)黃土高原土壤水分分布和變異的研究主要集中在流域尺度和坡面尺度上[7]。研究表明，影響土壤水分分布的主要因子有地形、植被覆蓋、氣候條件、土壤質(zhì)地、底層結(jié)構(gòu)等，不同的學(xué)者，對(duì)于不同的區(qū)域進(jìn)行研究得出的主控因素也不盡相同。在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地形、植被覆蓋和降水對(duì)該區(qū)域土壤水分空間分布特征起到了關(guān)鍵性的作用。陜北黃土高原地區(qū)千溝萬(wàn)壑的破碎地形,形成了眾多的小流域[8]，小流域內(nèi)地形起伏變化，勢(shì)必會(huì)對(duì)降水進(jìn)行再分配，從而導(dǎo)致不同區(qū)位下土壤水分的差異[9]。路保昌等的研究結(jié)果顯示，坡度較為平緩或在切溝地區(qū)，土壤水分的含量相對(duì)較大，同時(shí)，其變異系數(shù)較小[10]；姚雪玲等對(duì)黃土高原坡面雨季前后100 cm深度內(nèi)土壤含水量進(jìn)行了分析，認(rèn)為上層土壤水分的空間變異性要小于下層[1]；賈志峰等人根據(jù)土壤水分變化狀況從垂直剖面上將土壤從上至下依次劃分為活躍層、次活躍層、過(guò)渡層及相對(duì)穩(wěn)定層[11]。

本文通過(guò)對(duì)典型黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域坡面尺度條件下的土壤水分進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，分析了小流域坡面尺度下土壤水分的空間和時(shí)間變化特征，為研究黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域水文過(guò)程和土壤侵蝕提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市寶塔區(qū)南泥灣鎮(zhèn)九龍泉溝，屬陜北黃土丘陵溝壑區(qū)，研究區(qū)內(nèi)溝道南北長(zhǎng)9.8 km。河道海拔自南向北由1 170 m降至1 093 m，平均比降0.78%，河谷寬一般在250～500 m之間。研究區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，降水較少；夏季炎熱多雨，降雨集中。年平均氣溫9 ℃，平均無(wú)霜期179 d，多年平均水面蒸發(fā)量在1 000 mm左右，陸地蒸發(fā)量為550 mm，干旱指數(shù)1.75。降雨時(shí)空分布不均，季節(jié)變化大，利用率較低。多年平均降水量573 mm。冬季降水最少，占年降水量的3%，夏季最多，占年降水量的47%，其中7、8兩月降水量最多，占年降水量的40%，春季一般占年降水量的22%。區(qū)內(nèi)年日照時(shí)數(shù)為2 300～2 500 h，年總輻射量為531.6～560.9 kJ/(cm2·a)，一般年份，光熱條件可滿足農(nóng)作物一年一熟。流域內(nèi)土壤以黃綿土和褐土為主，土壤剖面層次明顯，區(qū)內(nèi)水土流失較為嚴(yán)重。坡面植被主要以草地和人工林地為主，包括刺槐、臭椿、松柏、野杏、棗樹(shù)等，溝道內(nèi)為旱地及水田。

2 研究方法

選取研究區(qū)域內(nèi)一典型西向半陽(yáng)坡面，坡面坡度為20°。按照距坡頂不同距離的5個(gè)坡位，分別涵蓋了坡面上上坡、中坡、下坡3個(gè)不同的地理位置，共15個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。在土壤水分測(cè)定方面，傳統(tǒng)的測(cè)試方法以烘干法為主，該方法具有操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，但會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生較大擾動(dòng)，不宜在同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)。為了進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，本研究選擇基于時(shí)域反射技術(shù)的TRIME-PICO TDR便攜式土壤水分測(cè)量?jī)x進(jìn)行土壤水分的長(zhǎng)期定位測(cè)定。觀測(cè)深度為0～160 cm，每隔10 cm測(cè)定土壤水分含量。為避免受前期降雨的影響而引起的土壤水分(特別是表層土壤水分)差異過(guò)大，每次測(cè)定時(shí)間距上次降水至少5～10 d，并保證每個(gè)月至少測(cè)定1次。土壤水分觀測(cè)時(shí)間為2016年5-10月共6個(gè)月。坡面植被以草地和天然灌木為主，所測(cè)土壤含水量為體積含水量。為保證所測(cè)土壤體積含水量準(zhǔn)確可靠，利用烘箱法測(cè)定的土壤質(zhì)量含水量對(duì)TDR測(cè)定的土壤含水量進(jìn)行了校正。校正公式如下：

θmρ=0.906 5θv-0.035 3 (R2=0.926 6)

式中：θm為土壤質(zhì)量含水量；ρ為土壤容重；θv為T(mén)DR測(cè)定的土壤體積含水量。

土壤水分的空間變異性采用變異系數(shù)Cv表示，其值的大小反映了層間水分的穩(wěn)定性。

利用Microsoft Excel 2007軟件對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，并采用SigmaPlot 10.0進(jìn)行圖形繪制。

3 結(jié)果分析

3.1 坡位對(duì)土壤水分的影響

土壤水分含量作為該點(diǎn)水量平衡的狀態(tài)變量，是當(dāng)?shù)亟邓?、土地利用條件、地形部位及土壤類(lèi)型等因素的綜合反映。在各個(gè)條件中，地形條件對(duì)降水的再分配起著決定性的影響。不同坡位下土壤水分含量見(jiàn)表1。據(jù)此繪制上坡、中坡和下坡處土壤水分含量在不同季節(jié)的剖面變化趨勢(shì)如圖1。由圖1中可以看出，春季降水相對(duì)較少時(shí)，在表層土壤與外界交換密切的狀態(tài)下，3個(gè)坡位上層土壤的含水量差別較大，這主要是由于表層土壤是水分交換的活躍層，受到坡位、坡度等地形條件和小氣候條件下的蒸發(fā)力影響較大引起的[12]；而在秋季降水量相對(duì)較大時(shí)，不同坡位下地表土壤水分與深層土壤水分差別均較大，從上坡到下坡深層土壤水分有明顯的增加趨勢(shì)，這主要是由于在重力作用下，坡面壤中流活躍，對(duì)水分的再分布產(chǎn)生了影響。當(dāng)降水到達(dá)坡面后，由于重力的作用，上坡水分主要通過(guò)兩個(gè)渠道向下坡運(yùn)動(dòng)。一部分水分以地表徑流的方式沿坡面向下運(yùn)動(dòng)，另一部分水分則以土壤中壤中流的形式向下坡運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)的結(jié)果導(dǎo)致了在降水相對(duì)較多時(shí)，深層土壤含水量從上坡到下坡逐漸增大。

表1 不同坡位土壤水分含量 %

圖1 土壤水分含量隨土層深度的變化

整體來(lái)看，土壤含水量從上坡到下坡有逐漸增大的趨勢(shì)。在春季，上坡、中坡、下坡土壤平均含水量分別為9.82%、10.67%、10.89%；秋季分別為11.66%、15.03%、16.99%。即當(dāng)表層干旱缺水時(shí)，下坡處土壤的深層水分可以對(duì)表層土壤起到一定的補(bǔ)充作用，而上坡處樣點(diǎn)的供水能力則相對(duì)較差。不同坡位土壤含水量隨深度的增加呈現(xiàn)出相近的變化趨勢(shì)，干旱時(shí)期，土壤水分隨深度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小，再增大的趨勢(shì)；在濕潤(rùn)期，土壤水分含量隨土壤深度的增加而增加。

圖2 土壤含水量均值隨時(shí)間的變化

3.2 坡面水分的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

繪制不同坡位以及不同土層深度土壤含水量均值隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖2。在坡面尺度上，不同坡位的土壤水分呈現(xiàn)出相同的時(shí)間變化趨勢(shì)，上坡位的變化幅度要小于中坡位和下坡位，且水分含量整體要低于后兩者，土壤水分含量各月平均值上坡位比中坡位及下坡位分別低了2.4%和3.0%，分析主要原因是土壤水分含量測(cè)定時(shí)盡可能地避開(kāi)了降水發(fā)生前后，從而有效減少了降水對(duì)土壤水分分布的瞬時(shí)影響，說(shuō)明上坡位對(duì)于水分的存儲(chǔ)能力弱，水分達(dá)到上坡位后會(huì)在重力作用下沿坡面運(yùn)移至坡面中下部。坡面土壤水分在主要植被的生長(zhǎng)季內(nèi)大致經(jīng)歷了水分的減少-增加-減少-增加4個(gè)過(guò)程。坡面主要植被以林草地為主，在進(jìn)入5、6月后，植被生長(zhǎng)加速，土壤水分受到蒸發(fā)蒸騰作用的影響較大，加上降雨相對(duì)較少，導(dǎo)致此時(shí)期土壤水分含量微弱下降，不同坡位下土壤含水量平均降低了0.73%；進(jìn)入7月后，降水量增大，相對(duì)干旱的土壤受到雨水補(bǔ)給，土壤水含量快速增加至較高水平，其中以中坡位和下坡位的增加較為明顯分別增加了4.8%和4.4%。隨后，由于8-9月氣溫升高，蒸發(fā)量大，植被蒸騰作用強(qiáng)烈，而此時(shí)間段內(nèi)的降水量雖大，但以歷時(shí)短，雨量集中的暴雨居多，對(duì)于土壤水分的補(bǔ)充也相對(duì)有限，因此，土壤水分仍呈現(xiàn)出微弱的減小趨勢(shì)；從9-10月期間，由于降水的持續(xù)，而植被耗水相對(duì)降低，土壤水分能夠得到有效補(bǔ)充，土壤含水量開(kāi)始增加并達(dá)到最大值，上坡位、中坡位和下坡位分別達(dá)到了11.7%、15.3%和17.0%。進(jìn)入11月以后，氣溫降低，部分土壤開(kāi)始凍結(jié)，故未進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而11月-次年3月期間，土壤基本都處于凍結(jié)狀態(tài)，土壤水分維持在一個(gè)相對(duì)恒定的條件。

從圖2可以看出，不同層次土壤的時(shí)間變化趨勢(shì)大體相同。在5-6月期間，0～50 cm土層土壤水分含量呈下降趨勢(shì)，而50 cm以下土壤水分含量在此期間減少不明顯，說(shuō)明干旱條件對(duì)于淺層土壤水分的影響要大于深層土壤，深層土壤水分隨時(shí)間的變化幅度要小于淺層土壤水分。

3.3 土壤水分的空間變異性

為了進(jìn)一步反映土壤水分在垂直方向上的變化情況，用變異系數(shù)Cv表示土壤水分含量的變化情況，Cv為土壤含水量樣本的均方差與樣本平均值的比值。Cv越大表示土壤水分變化越劇烈，反之表示土壤水分差異越小[13]。在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，土壤剖面上水分含量的平均值與變異系數(shù)的垂直分布見(jiàn)表2和圖3。從中可以看出，土壤含水量基本隨著土層深度的增加而增加，但在60～100 cm之間存在一個(gè)相對(duì)干層，此層的土壤含水量要比上層和下層的略低，分析主要原因可能是上層土壤中植物根系吸水，致使該層次土壤水分對(duì)其上部土層進(jìn)行了一定的補(bǔ)給，在降水量不足時(shí)，該層次土壤得到大氣降水的有效補(bǔ)給較少；而100 cm以下土壤水分，具有相對(duì)較好的蓄水能力，基本不受蒸發(fā)和作物根系的影響。

不同土層土壤含水量的變化幅度有所不同，通過(guò)變異系數(shù)可以看出，不同時(shí)期剖面土壤含水量變異系數(shù)均表現(xiàn)為隨土壤深度加深而遞減的趨勢(shì)，表明隨著土層深度的增加，其含水量變化程度逐漸變小。在距地表0～60 cm土層，無(wú)論旱季還是雨季，在整個(gè)坡面上土壤含水量的變異系數(shù)均較高，主要由于該層土壤水分的變化受到降水、徑流和蒸發(fā)等的影響較大；而在坡面下層土壤，其含水量的變異系數(shù)都較小，這說(shuō)明該層土壤水分的變化受外界環(huán)境影響較小，且根系數(shù)量相對(duì)較少、吸水消耗少。

表2 土壤剖面上水分含量統(tǒng)計(jì)值 %

圖3 土壤含水量空間變異系數(shù)與土層深度的關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域坡面土壤水分分布受到降水、坡位、植被等因素的影響較大，具有較為明顯的時(shí)空變異性。地形特征主要是通過(guò)改變土壤水分的運(yùn)移軌道使土壤水分進(jìn)行再分布，其對(duì)于表層土壤水分的影響較為顯著；深層土壤水分則主要是受到植物根系吸水及作物蒸騰發(fā)的影響[14]。

在研究區(qū)內(nèi)，坡面土壤水分隨著坡位的降低，有增加的趨勢(shì)。在相對(duì)干旱的春季，上坡、中坡、下坡土壤平均含水量分別為9.82%、10.67%、10.89%；在濕潤(rùn)期的秋季，土壤平均含水量分別為11.66%、15.03%、16.99%，總體上，下坡位的土壤含水量比上坡位高，雖然有研究認(rèn)為，同種植被覆蓋會(huì)使土壤水分趨向于均質(zhì)化，進(jìn)而削弱地形對(duì)土壤水分的影響[15]，但在本研究中，由于地形因子導(dǎo)致的壤中流現(xiàn)象較為突出，因此其坡位仍對(duì)土壤水分分布產(chǎn)生了較大影響。在干旱期土壤表層水分差異較大，濕潤(rùn)期整個(gè)土壤剖面上土壤水分含量差異均較大。這主要是在干旱期降水較少，蒸散發(fā)是影響土壤水分含量主要的因素，其影響范圍集中于土壤表層，所以導(dǎo)致表層土壤水分變化較大；濕潤(rùn)期降水較多，坡面壤中流活躍，對(duì)土壤水分的分布產(chǎn)生了影響，上坡水分向下坡集中導(dǎo)致下坡土壤水分整體含量較高。

土壤水分隨時(shí)間的變化過(guò)程一方面取決于降水量，另一方面取決于植物根系吸水[16]。從土壤水分的時(shí)間變化進(jìn)程來(lái)看，上坡位的土壤水分含量及其變化程度均較小，且深層土壤水分隨時(shí)間的變化幅度小于淺層土壤水分。坡面土壤水分在植被的主要生長(zhǎng)季內(nèi)大致經(jīng)歷了水分的減少-增加-減少-增加4個(gè)過(guò)程。土壤水分含量前期減少是由于該時(shí)間段內(nèi)降水少，但植物開(kāi)始生長(zhǎng)，根系吸水，土壤水分含量第一增加則是進(jìn)入夏季初期，降水量在短時(shí)間內(nèi)增大，對(duì)前期虧缺的土壤水分起到一定的彌補(bǔ)作用；進(jìn)入夏季后，植物生長(zhǎng)茂盛，蒸騰作用強(qiáng)烈，根系吸水量也增加，而此時(shí)間段內(nèi)的降水則以集中的暴雨居多，對(duì)土壤水分補(bǔ)給有限，土壤水分含量又經(jīng)歷了短期的減少；秋季植物基本停止生長(zhǎng)，但雨水總量并未減少，且歷時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，土壤水分得到了充分補(bǔ)給。

土壤水分空間變異程度的不同是由隨機(jī)性因素(如灌溉、耕作措施、放牧、砍伐等)與結(jié)構(gòu)性因素(如氣候、母質(zhì)、土壤類(lèi)型等)共同引起的[17]，通過(guò)計(jì)算變異系數(shù)分析土壤水分含量在垂向上的變異情況，發(fā)現(xiàn)隨著土壤深度的增加，土壤水分的變異性減小，說(shuō)明隨著土層深度的增加，土壤水分受蒸發(fā)、降水、地表植被等作用的影響減小。在0～60 cm土層，無(wú)論旱季還是雨季，在整個(gè)坡面上土壤含水量的變異系數(shù)均較高，主要是此區(qū)間內(nèi)土壤水分與外界環(huán)境聯(lián)系密切，受到降水、蒸發(fā)、根系吸水的影響較大，其中以0～20 cm土層變異性最強(qiáng)，在干旱期和濕潤(rùn)期分別為38.1%和29.0%；而在土層深處的140～160 cm土壤水分含量變異性最弱，在干旱期和濕潤(rùn)期分別為2.9%和12.3%。