水平溝整地措施對(duì)黃土丘陵區(qū)草原土壤水分動(dòng)態(tài)平衡的影響

宿婷婷，韓丙芳，馬紅彬，馬 非，趙 菲，周 瑤，賈希洋

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，銀川750021； 2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川750021）

0 引 言

水分是半干旱黃土丘陵區(qū)生態(tài)恢復(fù)的主要限制因子，影響著植物生長(zhǎng)和植被變化[1-4]。黃土丘陵區(qū)草地土壤水分主要來(lái)自降水，其大小是降雨、徑流、入滲及植被消耗等綜合的結(jié)果[5-7]。研究土壤水分變化對(duì)指導(dǎo)退化植被恢復(fù)具有重要意義[8-9]。研究發(fā)現(xiàn)，土地利用方式或下墊面特征是導(dǎo)致土壤水分變化和蓄積的重要因素[10]。下墊面的改變對(duì)土壤水分輸入、蒸發(fā)及滲漏產(chǎn)生了影響[11]，造成坡面土壤水分分布變化和水分變異[12-13]。下墊面植被特征亦影響著土壤水分[7,14]、土壤理化性質(zhì)等[15]。沙丘與沙丘-低地[16]、河谷丘陵區(qū)[17]等微地形變化均可引起土壤水分改變[18]。

寧夏黃土丘陵區(qū)典型草原位于寧夏南部山區(qū)，降水少且易發(fā)生水土流失。該區(qū)在退耕還林（草）工程中采用了禁牧封育，開(kāi)挖水平溝與魚(yú)鱗坑等工程措施來(lái)恢復(fù)植被，一些地區(qū)的水平溝和魚(yú)鱗坑整地措施已占到當(dāng)?shù)夭菰娣e的20%以上。水平溝是干旱、半干旱地區(qū)經(jīng)長(zhǎng)期探索實(shí) 踐在坡地設(shè)置的水保工程措施之一，目的在于攔蓄坡地雨水徑流、增加溝內(nèi)土壤水分[19-20]。黃土丘陵區(qū)水平溝一般是在自然坡面隔一定間距沿等高線人工整地設(shè)置的反坡田面，水平溝和自然坡地沿山坡相間布置，上、下水平溝之間保留一定寬度的原山坡，以達(dá)到調(diào)控坡地徑流集聚和再分配的目的[20]。水平溝工程措施是具有針對(duì)性和目的性的下墊面形態(tài)改造，目的是攔蓄坡地徑流利于植被更好生長(zhǎng)，但也使土壤水分、蒸散量等表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性[14,21]。對(duì)晉西黃土殘塬溝壑區(qū)水平階邊緣、中部和根部研究發(fā)現(xiàn)，根部100～200 cm 土壤含水量分別比中部和邊緣高18%和68%[22]；西南山區(qū)10～40 cm 土層臺(tái)地的含水量較壩地和坡地低[23]；云南干熱河谷區(qū)的水平溝和溝間坡面的土壤水分高于同一等高線自然坡面[17]。通過(guò)水分入滲特性研究，壟溝集雨系統(tǒng)溝中水分變化情況可劃分為壟溝交接區(qū)為水分富集區(qū)、溝內(nèi)水分過(guò)渡區(qū)和溝中心水分次富集區(qū)[24]。洼地坡上未被擾動(dòng)的自然植被區(qū)土壤水分明顯高于坡下人為改造區(qū)域[25]，土地利用方式和植被導(dǎo)致土壤水分發(fā)生變化[26]。黃土高原降水匱乏，不同植被耗水情況不同[14]。人工整地使土地下墊面特征發(fā)生變化[27]，增加了水分的變異[5]，改變了水分循環(huán)[26,28]，對(duì)植被生長(zhǎng)和演替產(chǎn)生了影響[29]。因此，黃土丘陵區(qū)水平溝設(shè)置不僅要考慮其實(shí)際能夠攔蓄坡地徑流的情況，還要考慮水平溝設(shè)置成本及其對(duì)水分循環(huán)平衡的影響等，設(shè)置不當(dāng)也存在水分損耗增加的 可能。前期研究發(fā)現(xiàn)，寧夏黃土丘陵區(qū)典型草原實(shí)施的水平溝工程措施改變了自然坡面徑流，使土壤理化及生物學(xué)性狀、地上植被類型和演替產(chǎn)生了變化[19-20]，但使土壤水分平衡和分布發(fā)生了怎樣變化還不清楚?；诖?，本文在寧夏黃土丘陵區(qū)典型草原大面積實(shí)施水平溝措施的背景下，結(jié)合人工模擬降雨，對(duì)水平溝土壤水分變化、水平溝攔截坡地徑流和水分平衡及再分布特征進(jìn)行研究，揭示水平溝整地后土壤水分變化過(guò)程，以期為黃土丘陵區(qū)典型草原退化植被恢復(fù)中水平溝的科學(xué)設(shè)置提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏固原市原州區(qū)云霧山國(guó)家草原自然保護(hù)區(qū)，介于106°21'～106°27'E 和36°10'～36°17'N 之間，海拔1 800～2 100 m，是典型的中溫帶大陸性氣候。年均氣溫6～7℃，≥0℃的年積溫2 100～3 200 ℃，無(wú)霜期137 d。多年平均降雨量為442.7 mm，降水主要集中在7-9 月。土壤類型主要為山地灰褐土，容重1.28 g/cm3。地帶性植被為典型草原，植物以多年生草本為主，主要有本氏針茅（Stipabungeana）、大針茅（Stipagrandis）、百里香（Thymusmongolicus）、鐵桿蒿（Artemisiasacrorum）、豬毛蒿（Artemisiascoparia）等。

研究區(qū)草原為圍欄封育草原，水平溝沿等高線在封育草原坡地上隔帶設(shè)置。上、下相鄰水平溝間為封育草地，溝與溝間距4.5 m。水平溝溝寬1 m，上埂、下（外）埂高度分別為0.6、0.2 m。整地當(dāng)年在水平溝中種植了沙打旺（Astragalusadsurgens），但經(jīng)多年演替，溝中植被已變?yōu)樽匀恢脖籟19]。

1.2 樣地設(shè)置

1）土壤水分動(dòng)態(tài)觀測(cè)樣地

在研究區(qū)坡度、海拔和坡向一致的山坡，選擇有水平溝設(shè)置的山坡中下部的水平溝溝中心位置、無(wú)水平溝的封育草地(CK)為觀測(cè)樣地，3 次重復(fù)。每個(gè)觀測(cè)樣地埋設(shè)3 根探管，采用時(shí)域反射儀（Time domain reflectometry，TDR）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土壤水分變化。

2）坡地產(chǎn)流、水分平衡及再分布樣地

在研究區(qū)山坡中下部、兩條水平溝和溝之間植被均一地段，設(shè)置A、B、C3 個(gè)獨(dú)立的徑流小區(qū)（圖1），3次重復(fù)。所有徑流小區(qū)上沿接上條水平溝的下埂，下沿接下條水平溝的上埂。徑流小區(qū)上、左、右沿三面用磚砌擋水堤，擋水堤深入地下20 cm，高出地面20 cm，用水泥做防滲處理。徑流小區(qū)面積為長(zhǎng)×寬4.38 m×3.26 m，小區(qū)內(nèi)植被為自然植被。A、B、C 徑流小區(qū)具體如下：

A 徑流小區(qū)為坡地徑流量測(cè)定小區(qū)，用于水平溝攔蓄坡地徑流量的測(cè)定，小區(qū)積雨面積為3.58 m2。在A 小區(qū)下方水平溝內(nèi)設(shè)置一徑流池（長(zhǎng)×寬×深為1 m×0.5 m× 0.5 m），收集A 小區(qū)徑流。徑流池上部距池頂0.2 m 處，在同一高度接5 個(gè)分水管，其中4 個(gè)分水管外漏，1 個(gè)分水管通往相同大小的分水池（圖1a）。徑流池和分水池內(nèi)側(cè)均做防滲處理，分水池用池蓋封口，防止降雨及四周徑流進(jìn)入。

B 徑流小區(qū)為水平溝溢流量測(cè)定小區(qū)，用于水平溝徑流蓄滿后溢出水量的測(cè)定。B 小區(qū)下方水平溝不作處理，在水平溝下方對(duì)應(yīng)做一溢流池（長(zhǎng)×寬×深為3.26 m×1 m×0.5 m），收集水平溝徑流蓄滿后溢出的水量，溢水池上方用防雨擋板架空，防止降雨落入，池內(nèi)做防滲處理（圖1b）。

C 徑流小區(qū)為攔蓄徑流后水平溝土壤水分再分布測(cè)定小區(qū)，用于水平溝攔蓄徑流后一定時(shí)間內(nèi)溝內(nèi)及上下埂附近土壤水分測(cè)定。C 小區(qū)內(nèi)、小區(qū)下方的水平溝及溝下方的坡地均不作處理，只在該徑流小區(qū)左、右沿對(duì)應(yīng)的下方水平溝位置設(shè)置一有防滲處理的擋水堤。設(shè)置Z（水平溝中心位置）、S1（距水平溝上埂10 cm 處）、S2（距水平溝上埂20 cm 處）、X1（距水平溝下埂10 cm 處）、X2（距水平溝下埂20 cm 處）共5 個(gè)點(diǎn)作為水平溝攔蓄徑流后土壤水分再分布觀測(cè)點(diǎn)，要求這5 個(gè)點(diǎn)在一條直線上且方向與水平溝方向垂直（圖1c）。

圖1 徑流小區(qū)側(cè)視圖 Fig. 1 Side view of runoff plots

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1）土壤水分動(dòng)態(tài)測(cè)定

試驗(yàn)期間（3 月20 日-12 月10 日），在土壤水分動(dòng)態(tài)觀測(cè)樣地，采用TDR 測(cè)定水平溝和封育草地0～100 cm土壤體積含水率，每旬測(cè)定一次，測(cè)定時(shí)以20 cm 為一層測(cè)定，9 月份用環(huán)刀法分層測(cè)定各樣地0～100 cm 土壤容重，將土壤體積含水率折算成重量含水率。

2）坡地產(chǎn)流測(cè)定

整個(gè)試驗(yàn)期間共有82 次天然降水，其中71 次是＜10 mm 降水，11 次為＞10 mm 降水，有徑流產(chǎn)生天然降水僅4 次?？紤]試驗(yàn)區(qū)地處干旱少雨的黃土丘陵區(qū)，能產(chǎn)生坡地徑流的降雨很少，完全依靠天然降水觀測(cè)到水平溝攔蓄較大徑流量的情況是件小概率事件，而不同徑流量情況下可能存在水分再分布特征的差異。因此，試驗(yàn)采用人工模擬降雨來(lái)提高降雨量，輔助試驗(yàn)觀測(cè)，以期能更為全面分析水分再分布特征。

人工模擬降雨依據(jù)該區(qū)域近10 a 降雨資料，參考?xì)v年最大降雨量和降雨強(qiáng)度情況，確定人工模擬降雨量和降雨強(qiáng)度。野外模擬降雨采用自制組合的人工降雨器。降雨噴頭采用短射程全圓微噴頭（SLPG-8015），噴頭高度2 m。在模擬降雨前，先在室內(nèi)調(diào)整供水壓力和噴頭數(shù)量以獲得較為均勻的降雨，掌握供水壓力、噴頭數(shù)量和降雨強(qiáng)度的關(guān)系，然后再進(jìn)行野外降雨試驗(yàn)。人工模擬降雨選擇無(wú)風(fēng)時(shí)進(jìn)行，降雨的歷時(shí)均2 h。降雨開(kāi)始前，在降雨小區(qū)均勻放置9 個(gè)自制的雨量筒，開(kāi)始降雨試驗(yàn)并計(jì)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)觀測(cè)雨量筒水量并記錄降雨量。

試驗(yàn)期間，共進(jìn)行了3次人工模擬降雨，其中9月17日在徑流A、C小區(qū)各降雨一次，9月19日在徑流A小區(qū)降雨一次。在A小區(qū)人工降雨主要用于坡地徑流量測(cè)定，C小區(qū)人工降雨用來(lái)水平溝攔蓄徑流后土壤水分再分布的測(cè)定。因此，試驗(yàn)期間共對(duì)6次降雨產(chǎn)流（4次天然降雨產(chǎn)流，2次人工降雨產(chǎn)流）雨后立即測(cè)定了A小區(qū)徑流池和分水池的水量(表1)。B小區(qū)設(shè)計(jì)初衷用于水平溝徑流蓄滿后溢出水量的測(cè)定，但由于其與C小區(qū)下墊面特征完全一致，9月17日人工模擬降雨C小區(qū)水平溝沒(méi)有產(chǎn)生溢流，因此無(wú)需再對(duì)B小區(qū)進(jìn)行人工模擬降雨，同時(shí)天然降雨產(chǎn)生的徑流也沒(méi)有發(fā)生溢流。

3）水平溝攔蓄徑流后土壤水分再分布測(cè)定

選擇有徑流產(chǎn)生的8 月25 日天然降雨、9 月17 日人工模擬降雨進(jìn)行水分再分布測(cè)定。測(cè)定雨前和雨后C 小區(qū)中Z、S1、S2、X1、X2 點(diǎn)和封育草地（CK）的土壤含水率，測(cè)定時(shí)按Z、S1、X1、S2、X2 及CK 樣地的固定順序用土鉆取0～100 cm 土樣(圖1c)，每10 cm 為一土層，用烘干法測(cè)定土壤含水率[13]，3 次重復(fù)。雨后測(cè)定的具體時(shí)間為雨后0、2、15、39、73、87、115、144、165 h。測(cè)定期間準(zhǔn)備了塑料布，以防新的雨水進(jìn)入對(duì)試驗(yàn)的影響。

表1 試驗(yàn)期間降雨與產(chǎn)流 Table 1 Rainfall and runoff during test

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算

采用Office 2010 整理數(shù)據(jù)，徑流小區(qū)示意圖通過(guò)AI軟件繪制，土壤水分變化皆由Origin9.1 軟件制圖。根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)，計(jì)算以下指標(biāo)：

1）坡面降雨量[30]：

式中Pα為降落在坡面的雨量，mm；P 為降落在平坦地面上的雨量，mm；α為坡度，(°)；

2）坡面降雨強(qiáng)度[30]：

式中Iα為坡面降雨（承雨）強(qiáng)度，mm/min或mm/h；t為降雨時(shí)間，min或h；

3）模擬坡面降雨量[31]：

4）模擬降雨強(qiáng)度[31]：

5）模擬降雨均勻度系數(shù)[31]：

式中Wi為第i個(gè)量雨筒承接的水量，cm3；Si為第i個(gè)量雨筒上部開(kāi)敞口面積，cm2；n為量雨筒的數(shù)目；I為平均降雨強(qiáng)度，mm/min或mm/h；Ii為第i個(gè)量雨筒所在點(diǎn)的降雨強(qiáng)度，mm/min或mm/h；| |IΔ 為降雨強(qiáng)度平均偏差；模擬降雨均勻度系數(shù)K值一般要求不應(yīng)低于70%。

6）土壤水分入滲量[32]：

式中V為土壤水分入滲量，mm；C為雨后0 h與雨前各土層土壤含水率之差，%；ρ為某土層土壤容重，g/cm3，此處各土層平均土壤容重為1.28 g/cm3；h為土層厚度，cm，文中土層為10 cm。

土壤水分平衡。黃土高原地下水較深、加之試驗(yàn)區(qū)草地植被低矮，忽略降雨植被截留、雨期蒸散水分和地下水，土壤水分平衡模型簡(jiǎn)化為[27]：

研究區(qū)土壤質(zhì)地均一，均質(zhì)黃土坡地不會(huì)形成淺層壤中徑流，可忽略土壤水分沿坡側(cè)向下流[33]，故封育草地土壤水分平衡模型為：

水平溝整地后溝內(nèi)土地平坦、攔蓄了坡地降雨產(chǎn)流且無(wú)溢流，但攔蓄徑流后水分向溝的上下埂側(cè)滲明顯。因此水平溝水分收入主要為降水和徑流小區(qū)的徑流，支出主要為水分的蒸散和側(cè)滲。為了方便計(jì)算，將兩項(xiàng)水分支出合并，用ES表示。故水平溝水分平衡模型為

式中（7）～（9）W 為測(cè)定期始、末土壤儲(chǔ)水量，mm；R為地表徑流量，mm；E 為封育草地水分蒸散(發(fā))量，mm；S 為封育草地水分沿坡側(cè)向下流量，mm；ES 為水平溝水分支出（側(cè)滲和蒸散量總量，mm）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水平溝工程措施對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)的影響

圖2 為水平溝和封育草地3-12 月土壤水分隨時(shí)間變化圖。由圖2 可見(jiàn)，3-12 月水平溝和封育草地土壤含水率分別在6.66%～13.66%和6.14%～11.72%。隨降雨和植物生長(zhǎng)消耗，二者水分呈現(xiàn)波動(dòng)變化，波動(dòng)趨勢(shì)基本一致。結(jié)合試驗(yàn)區(qū)氣候，可將土壤水分動(dòng)態(tài)變化分為3 個(gè)階段：第一階段（3-6 月），降水較少，土壤水分在波動(dòng)中呈現(xiàn)下降變化；第二階段（7-9 月），隨著降雨顯著增加，土壤含水率明顯上升，雖有波動(dòng)但基本維持在較高水平；第三階段（10-12 月），降水減少，土壤含水率逐漸下降。比較水平溝和封育草地土壤水分可見(jiàn)，0～60 cm 各土層水平溝與封育草地水分變化不顯著，深層＞60～80 cm和＞80～100 cm 土壤水分水平溝顯著高于封育草地（P＜0.05）（表2）。0～100 cm 土層水平溝含水率總體高于封育草地。

圖2 水平溝措施下土壤含水率動(dòng)態(tài)變化 Fig. 2 Dynamic change of soil water content under contour trenches measures

表2 水平溝措施下土壤水分垂直變異 Table 2 Vertical variation of soil moisture under contour trenches measures

水分垂直變異方面，水平溝和封育草地土壤水分均以表層0～20 cm 土壤水分變異較大，變異系數(shù)分別為13.11%～29.06%和15.33%～32.98%，屬中等變異。隨著土層加深，二者的變異系數(shù)均呈下降趨勢(shì)。

2.2 水平溝工程措施對(duì)土壤水分平衡的影響

水平溝整地措施下各時(shí)段土壤水分的收支不盡相同（表3）。3-6 月，水平溝和封育草地土壤水分蒸散量為135.28 和114.30 mm，分別為同期水分收入的1.53和1.41 倍；10-12 月，兩者水分平衡與3-6 月類似，仍以水平溝水分虧缺較高，說(shuō)明水平溝在3-6 月和10-12月時(shí)段內(nèi)水分循環(huán)強(qiáng)度高于封育草地，只不過(guò)此階段土壤水分虧缺較3-6 月小。7-9 月天然降雨情況下，封育草地和水平溝土壤儲(chǔ)水量變化量均為正數(shù)，其中以水平溝水分的增加為多；在7-9 月人工降雨的補(bǔ)充下，水平溝獲得更多的水分增量，其水分消耗比例明顯低于封育草地。僅在天然降雨的情況下，3-12 月水平溝和封育草地土壤儲(chǔ)水量變化量均為負(fù)數(shù)，以封育草地水分循環(huán)強(qiáng)度較高。

表3 水平溝和封育草地土壤水分平衡 Table 3 Soil water balance in contour-trenched and enclosed grassland

2.3 影響水平溝土壤水分平衡的因素

2.3.1 降雨及攔蓄徑流量

水平溝對(duì)草地徑流的攔蓄情況見(jiàn)表4。同等降雨量的條件下，水平溝可獲得比封育草地較多的降雨量，當(dāng)有徑流產(chǎn)生時(shí)，水平溝疊加坡面上方徑流，增加了溝內(nèi)入滲水量。在徑流量最小(7 月22 日降雨)降雨25.90 mm 時(shí)，水平溝中水分入滲量是封育草地的1.11 倍；在徑流最大的人工降雨時(shí)(9 月19 日降雨)，水平溝雨水入滲量為138.26 mm，封育草地僅為25.63 mm，水平溝獲得的水分是封育草地的5.39 倍?？梢?jiàn)，水平溝坡面整地措施能夠有效攔蓄坡地徑流，增加自身蓄積的雨水量。但是，試驗(yàn)期間82 次降水中，71 次都是＜10 mm降水，＞10 mm 降水僅為11 次。若以小于10 mm 的降水為無(wú)效降水的話[1]，說(shuō)明試驗(yàn)區(qū)雖降水次數(shù)不少，但對(duì)土壤水分虧缺補(bǔ)償和恢復(fù)真正有意義的有效降水次數(shù)并不多，水平溝也僅有4 次攔蓄到了天然降雨產(chǎn)生的徑流，這也導(dǎo)致封育草地和水平溝土壤水分一年內(nèi)大多時(shí)間內(nèi)處在虧缺狀態(tài)。

表4 水平溝對(duì)草地徑流攔蓄情況 Table 4 Contour trenches interception of grassland runoff

2.3.2 降雨補(bǔ)給

圖3 為有徑流產(chǎn)生后水平溝溝內(nèi)和封育草地雨后土壤水分變化圖。在無(wú)徑流情況下，水平溝和封育草地獲得的水分差異不大，所以本文主要分析有徑流情況下二者雨水補(bǔ)給的差異。試驗(yàn)選擇有徑流產(chǎn)生的8 月25 日天然降雨（10.49 mm徑流量）和9 月17 日人工模擬降雨（17.14 mm 徑流量）進(jìn)行水平溝土壤水分入滲觀測(cè)（圖3）。從圖3a 可以看出，在徑流量10.49 mm 的情況下，水平溝中心雨后0～100 cm 土壤增加水分50.61 mm，含水率由雨前的7.38%增加到11.40%；土壤含水率變化主要在0～30 cm 土層，0～30 cm 土層土壤含水率由雨前的7.33%增加到20.71%。相同降雨條件下，封育草地(CK)入滲雨量為4.30 mm(圖3b)，0～100 cm土層含水率由雨前的6.41%增加到6.75%；土壤含水率主要在0～10 cm 土層變化，0～10 cm 土層含水率由雨前的6.59%增加到10.07%。本次降雨下封育草地增加的水分僅為水平溝的8.49%。在徑流量17.14 mm 的情況下（圖3c），由于水平溝的攔蓄作用，水平溝中心雨后0～100 cm 水分增加86.90 mm，土壤含水率由雨前的9.15%增加到15.94%；土壤含水率變化主要在0～50 cm 土層，0～50 cm 土壤含水率由11.32%增加到24.82%。此徑流量時(shí)封育草地入滲水分為27.13 mm（圖3d），0～100 cm 土層含水率由雨前的8.29%增加到10.41%；土壤水分的增加主要集中在0～30 cm 土層，0～30 cm 土層含水率由雨前的11.71%增加到18.48%。本次降雨下封育草地增加的水分是水平溝的31.22%。

圖3 降雨產(chǎn)生徑流后水平溝中心和封育草地雨后土壤水分變化 Fig. 3 Varation soil moisture after occurrence of runoff in contour trenches centerand enclosed grassland after the rain

從圖3 中可看出，在徑流量10.49 mm 的情況下，水平溝雨后0～39 h 土壤水分不斷下滲，但是到雨后39 h 時(shí)，除50～60 cm 含水率有所增加外，其余各層土壤含水率均表現(xiàn)為下降或基本穩(wěn)定，說(shuō)明水分下滲的現(xiàn)象已不明顯。同等降雨情況下，封育草地土壤表層水分下滲的深度主要在20～30 cm，且在雨后15 h 時(shí)下滲現(xiàn)象已不明顯。在徑流量17.14 mm 的情況下，水平溝雨后0～73 h 上層土壤水分不斷下滲，到雨后73 h 時(shí)下滲深度達(dá)到90～100 cm，90～100 cm 含水率由降雨前的5.58%增加到9.28%。與此同時(shí)，封育草地在雨后0～15 h 間40～60 cm 土層也得到了不同程度的水分下滲補(bǔ)給?？梢?jiàn)，封育草地和水平溝水分的補(bǔ)償深度與降雨大小和徑流量密切相關(guān)。在有徑流產(chǎn)生的情況下，水平溝土壤下層能夠比封育草地給予土壤更多的水分補(bǔ)給。

2.3.3 側(cè)滲和蒸散

圖4 為水平溝攔蓄徑流后溝上下埂附近土壤水分變化圖。水平溝側(cè)滲、蒸散均屬于水分支出，故合并一起敘述。為了驗(yàn)證水平溝側(cè)滲情況，試驗(yàn)對(duì)雨后0～165 h 距水平溝上、下埂10 和20 cm 處0～100 cm 土壤含水率進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)（圖4）。在10.49 mm 徑流量下，封育草地雨后0 h 降雨入滲水分4.30 mm(圖3b)，而水平溝上埂10 cm 處土壤水分入滲6.68mm（圖4a），其60～70 cm 土壤水分比上一層高29.00%，比下一層高15.91%。雨后0～15 h，該層土壤含水率均高于上一層，雨后39 h 才減弱，水平溝攔蓄徑流后產(chǎn)生側(cè)滲增加了上埂10 cm 土壤水分。在徑流量17.14 mm 時(shí)（圖4b），封育草地雨后0 h 降雨入滲水分27.13 mm(圖3d)，而水平溝上埂10 cm 處水分入滲37.89 mm，與封育草地相比，此徑流量下水平溝上埂也發(fā)生了側(cè)滲。但在水平溝上埂20 cm 處在兩次徑流量時(shí)其0～100 cm 土層含水率與封育草地（CK）接近（圖4），說(shuō)明側(cè)滲未能到達(dá)上埂20 cm 處。

在徑流量10.49 mm 時(shí)（圖4e），水平溝下埂10 cm處雨后0 h 土壤水分較封育草地高4.58 mm，其30～40 cm土層含水率高于上下相鄰?fù)翆?，亦較對(duì)照相應(yīng)土層含水率高，水平溝攔蓄徑流后向下埂產(chǎn)生側(cè)滲增加了土壤水分。但水平溝下埂20 cm 處雨后土壤水分變化與封育草地類似（圖3b 和圖4g）。徑流量17.14mm 時(shí)，水平溝下埂10 cm 處水分入滲仍高于封育草地，水分側(cè)滲發(fā)生在30～50 cm 土層左右。雨后15 h 時(shí)，0～100 cm 土壤水分仍然高于封育草地雨后0 h 水分含量，此時(shí)水平溝下埂10 cm 處側(cè)滲增加的水分仍然存在。水平溝下埂20 cm 處雨后土壤水分高于封育草地，水平溝中側(cè)滲水分的增加其50～60 cm 土層含水率均高于上下相鄰?fù)翆?。水平溝上、下?0 和20 cm 處土壤水分的變化說(shuō)明攔蓄徑流后水平溝可以向上、下埂產(chǎn)生側(cè)滲，隨著攔蓄徑流量的增加，側(cè)滲也在增加。

由圖4 可見(jiàn)，在降雨量16.80 mm（10.49 mm 徑流量）的情況下，雨后2h，水平溝0～100 cm 土壤含水率由雨后0 h的11.40%降低為10.94%，雨后2 h 后水分損失開(kāi)始變慢，到雨后144 h 時(shí)水分已消耗到雨前含水量水平。同等降雨情況下，封育草地雨后2 h 含水率由雨前的6.75%降低為6.70%，到雨后15 h 時(shí)0～100 cm 土壤水分已接近降雨前土壤含水率水平。

在降雨量51.63 mm（徑流量17.14 mm）的情況下，雨后2 h 水平溝0～100 cm 土壤含水率由雨后0 h 的15.94%降低為15.04%，雨后2 h 后水分損失開(kāi)始變慢。到雨后165 h 時(shí)，0～100 cm 土壤含水率仍高于雨前土壤含水率。與此同時(shí)，封育草地雨后2 h土壤含水率由雨前0 h的10.41%降低為10.22%，雨后87 h 時(shí)0～100 cm 土壤水分已接近降雨前土壤含水率。

結(jié)合水平溝、封育草地雨后土壤含水率變化和土壤水分平衡可見(jiàn)（表3），水平溝水分蒸散（蒸騰蒸發(fā)）和側(cè)滲損失隨水分補(bǔ)給的增加而增加。水平溝雖能攔蓄徑流獲得更多雨水補(bǔ)給，但其蒸散側(cè)滲等水分消耗也高于封育草地。一次降雨對(duì)土壤水分的改善持續(xù)的時(shí)間并不長(zhǎng)，大部分補(bǔ)給的水分在很短時(shí)間內(nèi)被消耗掉。

圖4 攔蓄徑流后水平溝上埂和下埂附近土壤含水率變化 Fig. 4 Varation soil moisture after occurrence of runoff of contour trenches top margin and bottom margin

3 討 論

干旱半干旱地區(qū)，降水和蒸散是影響土壤水分的主要因子[14,34]。本文中水平溝和封育草地土壤受降雨和蒸散的影響，土壤水分呈階段性變化。水平溝具有壟溝集雨類似特點(diǎn)[35-36]，對(duì)徑流產(chǎn)生攔截作用，溝中下墊面的改變?cè)黾恿怂值娜霛B，致使水平溝土壤水分在60～80 cm和80～100 cm土層顯著高于封育草地（P＜0.05）?？梢?jiàn)，地表微地形可改變土壤水分。試驗(yàn)區(qū)3-6月和10-12月期間降水少，水平溝和封育草地土壤水分均虧缺，且水平溝內(nèi)虧缺的水分大于封育草地，說(shuō)明水平溝水分消耗高于封育草地。7-9月天然降水的增加致使水平溝和封育草地土壤水分盈余，水平溝在攔蓄徑流情況下水分盈余高于封育草地，模擬降雨亦說(shuō)明了這一現(xiàn)象。但是，整個(gè)試驗(yàn)期間3-12月草地土壤水分仍為虧缺狀態(tài)，說(shuō)明降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)給并不能彌補(bǔ)土壤水分的消耗。在有徑流產(chǎn)生的情況下，水平溝可以通過(guò)攔蓄坡地徑流改善溝內(nèi)水分平衡狀況，但土壤水分的盈虧與降雨強(qiáng)度和降雨量息息相關(guān)。

耕作、地表粗糙度、土壤孔隙度等地表特征均可改變土壤水分入滲，從而影響坡地徑流[32]。封育草地土層未經(jīng)擾動(dòng)，淺層的根系會(huì)改變土壤的水力特性，根系吸水降低孔隙水壓力，土壤的透水性降低[37]，而水平溝整地表層土被擾動(dòng)，增加了土壤的孔隙度，雨后水分入滲迅速，使表層土壤水分增加明顯，深層土壤含水率相對(duì)滯后。有研究認(rèn)為，對(duì)于土壤容重比較均一的黃土坡地，水分沿坡側(cè)向下流（壤中流）可忽略不計(jì)[33]。本研究區(qū)封育草地土壤質(zhì)地均一，因此忽略了土壤水分沿坡側(cè)向下流。但是，水平溝攔蓄徑流后，水分顯著高于封育草地，溝內(nèi)土壤水分就會(huì)與其上下兩側(cè)的封育草地土壤水分形成水勢(shì)梯度，水勢(shì)梯度和重力因素的作用會(huì)導(dǎo)致水平溝向上下埂產(chǎn)生側(cè)滲。在水分延坡向下運(yùn)移趨勢(shì)的作用下[38]，向下坡面的側(cè)滲能力高于上坡，下埂側(cè)滲的距離更遠(yuǎn)；隨著雨后水分的蒸散，側(cè)滲逐漸變緩。

研究發(fā)現(xiàn)，水平溝整地措施可以增加土壤水分，有利于全年土壤水分平衡，但在降水較少時(shí)期（3-6 月和10-12 月），水平溝較封育草地更易形成水分虧缺。即使在降雨和徑流量較大的雨后，水平溝的補(bǔ)給深度也僅為100 cm 左右，封育草地就更淺。強(qiáng)烈的蒸散是封育草地和水平溝水分循環(huán)虧缺的一個(gè)主要原因，側(cè)滲加快了水平溝水分虧缺的形成。

因此，生產(chǎn)中應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)囟嗄杲涤戤a(chǎn)流、坡度、水平溝設(shè)置成本等因素，因地制宜設(shè)置水平溝來(lái)進(jìn)行生態(tài)建設(shè)。在徑流量小的地方可通過(guò)增加水平溝帶間距、降低水平溝寬度等來(lái)降低生態(tài)建設(shè)成本。由于客觀原因，試驗(yàn)未能在不同坡度、不同間距水平溝地段設(shè)置多個(gè)徑流小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，這還有待于今后加強(qiáng)。

4 結(jié) 論

1）水平溝整地后，0～100 cm 土壤含水率隨季節(jié)變化波動(dòng)，與封育草地相似。3-12 月期間60～100 cm 土壤水分高于封育草地。

2）水平溝可攔截坡面徑流，改善土壤水分平衡狀況。3-12 月期間水平溝和封育草地0～100 cm 土壤水分都處于虧缺，在降雨少、徑流量小的情況下水平溝比封育草地儲(chǔ)水量變化量更易形成負(fù)數(shù)。當(dāng)徑流量較大（7-9 月）時(shí)，水平溝水分盈余才高于封育草地。

3）水平溝攔蓄徑流后較封育草地獲得的水分補(bǔ)給量高、補(bǔ)給的土層更深，這在徑流量大時(shí)更為明顯，但其水分耗損亦高于封育草地。一次降雨對(duì)土壤水分的改善持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，強(qiáng)烈的蒸散是封育草地和水平溝水分循環(huán)虧缺的一個(gè)主要原因，側(cè)滲加快了水平溝內(nèi)水分虧缺的形成。