寧夏南部山區(qū)經(jīng)濟(jì)林集流滲灌系統(tǒng)土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)

張淑倩，張維江，王永良，黃 艷，馮 娜

（寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

在干旱半干旱地區(qū)土壤水分是植物生長(zhǎng)與空間分布重要的影響因素之一，是土壤-植物-大氣系統(tǒng)中一個(gè)重要的生態(tài)水文變量[1-2]，關(guān)系到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在自然降水過程中，雨水快速滲透土壤表層在深層積累，隨著雨量增大，土壤儲(chǔ)水平衡被破壞，導(dǎo)致初始土壤水分從表層排入深層[3]，進(jìn)而影響土壤水分分布。土壤水分與降水過程之間的聯(lián)系十分緊密[4]，占比較大的小降水事件和貢獻(xiàn)度較大的大降水事件均會(huì)對(duì)土壤的水分循環(huán)產(chǎn)生重要作用，其間存在十分顯著的差異。在干旱條件下，降水使土壤水分空間分布格局的異質(zhì)性增加[5-6]。因此，研究土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)規(guī)律具重要意義。

已有學(xué)者針對(duì)土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)展開了研究。徐露等[7]通過對(duì)季節(jié)性干旱區(qū)土坡耕地的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同土層水分對(duì)降水的響應(yīng)規(guī)律不同，雨季初期表層土壤水分變化最大，而7—9月土壤深層水分變化幅度大于土壤表層。姚雪玲等[8]在陜西北部羊圈溝小流域的研究表明，土壤水分對(duì)不同降水格局的響應(yīng)截然不同，強(qiáng)度小的降水幾乎不會(huì)使深層土壤水分產(chǎn)生變化，而強(qiáng)度較大的降水會(huì)使土壤水分明顯增加。郭小嬌等[9]研究發(fā)現(xiàn)，土壤表層水分對(duì)首次降水響應(yīng)的滯后時(shí)間與前期土壤含水率有關(guān)，響應(yīng)時(shí)間為0.50～4.75 h，在旱季響應(yīng)的時(shí)間大于雨季。上述試驗(yàn)豐富了土壤水分對(duì)降水響應(yīng)特征的研究。然而，針對(duì)寧夏南部山區(qū)集流滲灌系統(tǒng)林地土壤水分動(dòng)態(tài)變化的研究相對(duì)較少，其土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)規(guī)律尚不明晰。寧夏南部山區(qū)氣候干旱，降水季節(jié)分布不均[10]，降水少且多發(fā)生小雨，而小強(qiáng)度降水只能對(duì)土壤淺層水分進(jìn)行補(bǔ)給，或者蒸發(fā)于土壤表層，無法滲入到植物根部，對(duì)植被土壤水分貢獻(xiàn)小，植被土壤水分對(duì)小降水事件的響應(yīng)也較小[11]。

本試驗(yàn)基于滲灌技術(shù)，研制出一種新型集雨集流滲灌器，此裝置可在野外直接利用覆蓋膜收集雨水，對(duì)旱地經(jīng)濟(jì)林植物根部進(jìn)行供水灌溉。試驗(yàn)對(duì)安裝集流滲灌裝置和自然裸地狀態(tài)下的紅梅杏經(jīng)濟(jì)林土壤水分在不同雨量下的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比研究，以期為寧夏南部山區(qū)生態(tài)保護(hù)和解決水資源短缺問題提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏南部固原市原州區(qū)彭堡鎮(zhèn)申莊村，地理位置為35°50′～36°20′N、106°00′～106°30′E。當(dāng)?shù)仄骄０? 750 m，屬六盤山東北麓、黃土高原中西部，呈溝壑相交、山多川少的地貌特征。年均降水量300～550 mm，年均蒸發(fā)量在1 500 mm左右，年平均日照時(shí)間為2 250～2 700 h，無霜期140 d，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，四季分明，晝夜溫差較大。該區(qū)域的土質(zhì)組成較為單一，土層較為深厚，地下水埋深較淺。土壤機(jī)械組成如表1所示。

表1 土壤機(jī)械組成

1.2 試驗(yàn)裝置及組成

在3年生紅梅杏林布置降水集流滲灌裝置，此裝置主要由集流薄膜和自主研發(fā)的滲灌器組成，見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置布置

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與布置

分別在距滲灌器和裸地紅梅杏樹干10、20、30、40 cm和0、30、50、70 cm的水平位置布置土壤水分傳感器；在滲灌器和裸地5、15、25、35 cm深度布置土壤水分傳感器，將測(cè)得的土壤水分分別代表0～10、11～20、21～30、31～40 cm深度土層水分。通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)，距滲灌器20 cm處的垂向水分含量處于各徑向垂向水分含量的中間水平，具有代表性。因此，將距滲灌器水平距離20 cm和距自然生長(zhǎng)的紅梅杏樹干50 cm處（等效覆膜狀態(tài)下距離滲灌器20 cm的位置）不同土層深度的土壤體積含水率進(jìn)行對(duì)比分析。圖2為土壤水分傳感器布置圖，圖3為集流滲灌裝置和自然裸地對(duì)比圖。

圖2 土壤水分傳感器布置

圖3 集流滲灌裝置和自然裸地對(duì)比

通過馬芳等[12]的室內(nèi)模擬試驗(yàn)可知，在4、8、12 mm 3種不同雨量下，隨時(shí)間推移累計(jì)入滲量不斷增大，入滲速率減??；灌水結(jié)束24 h后高含水率土壤主要分布在垂向20～40 cm，垂向土壤含水率增量隨土層深度增加呈先增后減趨勢(shì)；土壤水分再分布的變化規(guī)律相同，濕潤(rùn)體大致呈半橢球體，且隨雨量增加而擴(kuò)大。

研究區(qū)4—8月為紅梅杏生長(zhǎng)季，試驗(yàn)觀測(cè)期為2021年4月1日—8月31日。根據(jù)以往對(duì)降水事件的分析方法，將時(shí)間間隔大于24 h的降水作為2次獨(dú)立降水事件。試驗(yàn)區(qū)降水強(qiáng)度小，不適宜根據(jù)國(guó)家降水標(biāo)準(zhǔn)劃分降水強(qiáng)度，因而采用常昌明等[13]的分析方法對(duì)研究區(qū)的降水等級(jí)進(jìn)行劃分，將雨量劃分為0.1～2.0 mm（Ⅰ）、2.1～5.0 mm（Ⅱ）、5.1～10.0 mm（Ⅲ）、10.1～18.0 mm（Ⅳ）、>18.0 mm（Ⅴ）5個(gè)等級(jí)。每5 min觀測(cè)1次，將測(cè)得的雨量數(shù)據(jù)按逐時(shí)、逐日、逐月進(jìn)行整理。將1天內(nèi)的降水時(shí)間段累加得到各日降水歷時(shí)，雨量和降水歷時(shí)比值即為降水強(qiáng)度。在每一量級(jí)中分別選取1個(gè)前后無明顯降水的單場(chǎng)降水事件進(jìn)行分析。

1.4 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤水分監(jiān)測(cè)方法使用EC5土壤水分傳感器測(cè)定土壤含水率；使用EM 50數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每隔5 min記錄1次數(shù)據(jù)，降水前后可加測(cè)。

1.4.2 降水監(jiān)測(cè)方法本試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且主要降水?dāng)?shù)據(jù)取自天然降水，因此采用精度較高的翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在紅梅杏樹附近的空曠地設(shè)置翻斗式雨量計(jì)對(duì)試驗(yàn)區(qū)雨量及歷時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)定每5 min記錄1次，降水結(jié)束后及時(shí)收集數(shù)據(jù)。每次降水后雨量計(jì)所得數(shù)據(jù)即為天然雨量。

1.4.3 土壤水分波動(dòng)幅度計(jì)算利用土壤水分變異系數(shù)（CV）表示觀測(cè)期內(nèi)土壤水分波動(dòng)的幅度，計(jì)算公式如下：CV=σ/μ。式中：σ為觀測(cè)期內(nèi)的土壤水分標(biāo)準(zhǔn)差；μ為觀測(cè)期內(nèi)的土壤水分平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水特征

試驗(yàn)區(qū)多年平均降水量維持在447 mm左右，近五十年來年雨量峰值和谷值分別為741.2、262.2 mm。2021年4月1日—8月31日的降水情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)主要以小雨為主，發(fā)生大雨的頻率較低，但大雨對(duì)總雨量的貢獻(xiàn)較大。隨著雨量等級(jí)升高，降水次數(shù)逐漸減少，雨量和降水強(qiáng)度逐漸增大。整個(gè)觀測(cè)期共發(fā)生降水事件35起，總降水量為152.4 mm。最大雨量為18.2 mm，為V級(jí)降水事件，只發(fā)生過1次，最小雨量為0.2 mm。各量級(jí)降水情況見表2。

表2 各量級(jí)降水情況

由觀測(cè)期月降水分布特征可知（圖4），4月雨量最大、次數(shù)最多，7月雨量最小，8月降水次數(shù)最少。

圖4 月降水分布特征

2.2 土壤水分對(duì)不同量級(jí)降水的響應(yīng)

試驗(yàn)區(qū)蒸發(fā)量大，2 mm以下降水僅能影響表層土壤水分，且還會(huì)被林木截留，2 mm以下降水對(duì)紅梅杏根系幾乎無補(bǔ)充作用，因此本試驗(yàn)對(duì)2 mm以下降水不予分析。在其余的降水事件中，每個(gè)量級(jí)選取1個(gè)前后無明顯降水的單場(chǎng)降水事件為研究對(duì)象（表3），分析不同量級(jí)降水事件中土壤水分的變化特征。

表3 不同量級(jí)降水事件的特征參數(shù)

2.2.1 Ⅱ級(jí)降水事件由圖5可知集流滲灌處理和自然裸地土壤水分對(duì)Ⅱ級(jí)降水的響應(yīng)。降水事件持續(xù)4 h，雨量先增加后減小。自然裸地0～10 cm土層土壤含水率在累計(jì)雨量達(dá)到3.2 mm時(shí)才有升高趨勢(shì)。在降水4 h時(shí)，土壤含水率從雨前的10.39%增長(zhǎng)到10.81%，增幅為4.04%。11～20、21～30 cm土層含水率變化不明顯，31～40 cm土層土壤含水率幾乎無變化。該場(chǎng)降水僅對(duì)表層土壤水分產(chǎn)生了影響，對(duì)深層土壤水分幾乎沒有補(bǔ)充作用。土壤水分對(duì)量級(jí)低的降水不敏感。集流滲灌處理0～10、11～20 cm土層土壤含水率呈輕微波動(dòng)變化，其間土壤含水率僅有輕微增長(zhǎng)。雨后18 h 21～30 cm土層土壤含水率達(dá)到峰值，從雨前的16.41%增長(zhǎng)到16.92%，增幅為3.11%。31～40 cm土層水分在降水后1 h開始明顯增加，從降水前的23.07%增長(zhǎng)到24.56%，增幅為6.46%。

2.2.2 Ⅲ級(jí)降水事件集流滲灌處理和自然裸地土壤水分對(duì)Ⅲ級(jí)降水的響應(yīng)見圖5。降水事件斷續(xù)進(jìn)行12 h，雨量先增加后減小。自然裸地0～10、11～20、21～30 cm土層土壤含水率達(dá)到峰值后，隨著雨量減少各土層均出現(xiàn)退水現(xiàn)象，土壤含水率分別增加8.64%、4.48%、3.12%。31～40 cm土層含水率對(duì)降水幾乎無響應(yīng)，土壤水分無明顯波動(dòng)。集流滲灌處理0～10 cm土層土壤含水率幾乎無變化，土壤含水率對(duì)降水幾乎無響應(yīng)。11～20 cm土層土壤含水率從降水前的14.63%增長(zhǎng)到14.96%，增幅為2.26%。21～30 cm土層土壤含水率緩慢上升，增幅為4.16%。31～40 cm土層含水率有較明顯的平臺(tái)期，時(shí)間為9 h，之后土壤含水率開始明顯增加，峰值為0.247 cm3/cm3，增幅為5.56%。由此可知，自然裸地土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)隨著土層深度的增加由強(qiáng)變?nèi)酰鳚B灌處理土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)逐層由弱變強(qiáng)。這說明集流滲灌裝置對(duì)深層土壤水分的補(bǔ)給作用優(yōu)于自然裸地。

2.2.3 Ⅳ級(jí)降水事件集流滲灌處理和自然裸地土壤水分對(duì)Ⅳ級(jí)降水的響應(yīng)如圖5所示。降水事件持續(xù)19 h，主要分為2個(gè)階段，前一階段雨量為7.6 mm，后一階段雨量為5.4 mm，自然裸地0～10 cm土層土壤水分對(duì)降水均有響應(yīng)，從降水前到降水后土壤含水率先降低后升高再降低，兩階段土壤含水率峰值分別為0.092、0.093 cm3/cm3，增幅分別為9.52%、10.71%。11～20 cm土層含水率波動(dòng)較小，21～30 cm土層含水率在兩階段的峰值分別為0.116、0.117cm3/cm3，增幅分別為1.75%、2.63%。31～40 cm土層土壤水分無明顯變化，土壤含水率對(duì)降水幾乎無響應(yīng)。除31～40 cm土層，其他土層土壤水分對(duì)頻繁的小降水事件的響應(yīng)表現(xiàn)出累積效應(yīng)，從而導(dǎo)致較深層土壤水分的脈動(dòng)。集流滲灌處理0～10 cm土層土壤含水率在第一階段雨后第8小時(shí)達(dá)到峰值，從降水前的14.54%增長(zhǎng)到15.38%，增幅為5.78%。11～20 cm土層土壤水分幾乎無變化，土壤含水率對(duì)降水響應(yīng)的曲線較為平緩。21～30、31～40 cm土層含水率對(duì)降水響應(yīng)的曲線平臺(tái)期分別為55、41 h，峰值為0.140、0.228 cm3/cm3，增幅分別為7.60%、27.71%。

2.2.4 Ⅴ級(jí)降水事件由圖5可知集流滲灌處理和自然裸地土壤水分對(duì)Ⅴ級(jí)降水的響應(yīng)。自然裸地0～10 cm土層土壤含水率對(duì)降水有劇烈的響應(yīng)，當(dāng)雨量達(dá)18.2 mm時(shí)，土壤含水率從降水前的10.62%增長(zhǎng)到19.13%，增幅為80.13%。11～20 cm土層土壤含水率隨雨量增加先上升后下降，較土壤含水率最低點(diǎn)的增幅為5.41%。21～30 cm土層土壤含水率輕微增長(zhǎng)。從降水前的12.44%增長(zhǎng)到12.76%，僅增加了0.32 mm，增幅為2.57%。31～40 cm土層土壤水分無明顯波動(dòng)，土壤含水率對(duì)降水幾乎無響應(yīng)。集流滲灌處理0～10 cm土層土壤含水率無明顯變化，呈輕微波動(dòng)。11～20 cm土層含水率緩慢上升，土壤含水率從降水前的14.11%增長(zhǎng)到15.40%，增幅為9.14%。21～30、31～40 cm土層在累計(jì)雨量達(dá)到17.4 mm時(shí)土壤水分迅速增長(zhǎng)，土壤對(duì)降水響應(yīng)的曲線平臺(tái)期分別為32、30 h，峰值為0.211、0.296 cm3/cm3，增幅分別為26.35%、30.97%，降水結(jié)束后土壤含水率出現(xiàn)了明顯的退水趨勢(shì)。可見，集流滲灌裝置下的土壤含水率在較深土層對(duì)降水表現(xiàn)出較為明顯的響應(yīng)過程。

圖5 不同條件土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)過程

2.3 不同降水條件下土壤水分特征

不同量級(jí)降水下土壤水分特征及變異系數(shù)見表4。自然裸地在Ⅱ—Ⅳ級(jí)降水下，31～40 cm土層土壤平均含水率最大，0～10 cm土層最?。虎跫?jí)降水下0～10 cm土層最大，11～20 cm土層最小。除了Ⅳ級(jí)降水，其他量級(jí)降水下不同土層土壤含水率變異系數(shù)從上到下依次減小?？梢?，表層土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)顯著，而較深層土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)明顯減弱。集流滲灌處理31～40 cm土層土壤平均含水率最大，11～20 cm土層土壤平均含水率最小，Ⅱ、Ⅳ級(jí)降水下除0～10 cm土層外，其余土層的變異系數(shù)由上到下逐層增大；Ⅲ、Ⅴ級(jí)降水下不同土層的變異系數(shù)從上到下依次增大?？梢?，集流滲灌裝置使較深層土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)更明顯。

表4 不同量級(jí)降水下土壤含水率均值及變異系數(shù) %

3 討論

寧夏南部山區(qū)干旱少雨，當(dāng)?shù)赝寥浪肿钪匾膩碓词翘烊唤邓?。試?yàn)表明，集流滲灌系統(tǒng)和自然裸地2種條件下紅梅杏經(jīng)濟(jì)林土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)呈現(xiàn)不同規(guī)律，在一次降水過程中，自然裸地31～40 cm土層土壤平均含水率最大，0～10 cm土層最小，土壤含水率對(duì)降水的響應(yīng)逐層由強(qiáng)變?nèi)?。這是由于降水初期雨水在毛管力和重力的雙重作用下開始入滲，這時(shí)入滲速率大，隨著土層深度增加，毛管力不斷減小，到后期僅靠重力作用緩慢下滲，所以下層土壤的入滲速率慢，在降水和入滲的雙重作用下，對(duì)較深層土壤水分產(chǎn)生的補(bǔ)給十分有限[14]。此外，在降水過程中水分既要克服蒸發(fā)消耗又要克服表層土的吸附截留才能下滲到植物根系層，有效補(bǔ)充該層土壤水分[15]。整體來看，裸地不同土層土壤含水率的變異系數(shù)從上到下依次減小，這與王帥兵等[16]的研究結(jié)果一致。集流滲灌處理31～40 cm土層土壤平均含水率最大，11～20 cm土層最小，不同土層土壤含水率變異系數(shù)從上到下依次增大，土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)逐層增強(qiáng)，淺層土壤對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)間滯后于深層土壤，整體響應(yīng)時(shí)間滯后于自然裸地。這是由于集流滲灌系統(tǒng)獨(dú)特的設(shè)計(jì)所造成的，當(dāng)降水發(fā)生時(shí)，除了小部分雨水被樹冠截留，其余雨水因?yàn)橥寥辣韺痈采w地膜對(duì)淺層土壤不產(chǎn)生影響，直接通過集流裝置流入滲灌器蓋部經(jīng)過上層過濾孔進(jìn)入滲灌器沉入底部，當(dāng)?shù)撞克坎粩嘣黾由仙翝B灌器壁打孔位置時(shí)，收集儲(chǔ)存的水分開始入滲。此外，隨著雨量的持續(xù)增加，水分在毛管力和重力的雙重作用下沿著滲灌器壁孔向外擴(kuò)散的同時(shí)向下入滲。

隨著降水強(qiáng)度的增大，自然裸地0～10、11～20 cm土層土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)越來越劇烈，21～30、31～40 cm土層土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)越來越微弱。土壤深層水分對(duì)降水的響應(yīng)不明顯，基本處于平緩狀態(tài)，這與沈志強(qiáng)等[17]在西藏拉薩河谷山地的試驗(yàn)結(jié)果一致?？梢?，自然裸地土壤水分對(duì)雨量小、強(qiáng)度小的降水并不敏感，在以小降水事件為主的降水格局影響下，表層土壤水分條件優(yōu)于深層土壤[18]。其中土壤對(duì)降水響應(yīng)的曲線從降水前到降水后呈現(xiàn)低—高—低的變化趨勢(shì)，這同高紅貝等[19]的干旱區(qū)降水過程試驗(yàn)結(jié)果相符。集流滲灌處理21～30、31～40 cm土層土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)越來越顯著，0～10、11～20 cm土層土壤含水率變化不明顯，可能的原因有以下兩點(diǎn)：其一，濕潤(rùn)峰并未運(yùn)移至此范圍；其二，滲灌器頂層蓋部材料損耗了部分降落到地面表層的雨水。伴隨著雨量增大，土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)可以分為平臺(tái)期、上升期、峰值期和退水期[20]。集流滲灌處理和裸地的土壤含水量對(duì)降水的響應(yīng)程度均隨雨量增加而不斷增強(qiáng)，但集流滲灌處理的土壤含水量對(duì)大多數(shù)降水事件表現(xiàn)出更明顯的響應(yīng)過程。在本試驗(yàn)中，寧夏南部山區(qū)小于5 mm降水對(duì)自然裸地21～30、31～40 cm土層土壤水分幾乎無影響，而集流滲灌處理下土壤水分響應(yīng)的曲線產(chǎn)生較為明顯的波動(dòng)，可見集流滲灌處理使土壤濕潤(rùn)的深度遠(yuǎn)大于自然裸地雨水的入滲深度，即使在小降水事件中也能對(duì)較深層次土壤水分產(chǎn)生補(bǔ)給作用，且土壤最低含水率均為田間持水率的60%～80%，在旱地作物培育中，這是作物根區(qū)最適宜的土壤環(huán)境?？梢?，集流滲灌系統(tǒng)適用于干早地區(qū)，其良好的儲(chǔ)水作用有益于干旱及半干旱地區(qū)植物的生長(zhǎng)。

降雨集流滲灌系統(tǒng)目前還處在初步研究階段，量化此系統(tǒng)下不同雨量對(duì)土壤水分的影響以及深層土壤雨后土壤水分再分配是十分復(fù)雜的過程，還需要進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。因此，分析此系統(tǒng)下寧夏南部山區(qū)紅梅杏經(jīng)濟(jì)林土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)有助于挖掘旱區(qū)經(jīng)濟(jì)林水資源潛力。

4 結(jié)論

1）集流滲灌系統(tǒng)31～40 cm土層土壤平均含水率最大，各土層土壤平均含水率均大于裸地。

2）雨量小于5 mm降水對(duì)裸地21～30、31～40 cm土層土壤水分幾乎無影響，而集流滲灌處理下土壤水分響應(yīng)的曲線變化較大，且隨著降水強(qiáng)度的增大土壤含水率表現(xiàn)出更明顯的響應(yīng)過程。

3）在一次降水過程中，自然裸地不同土層土壤含水率的變異系數(shù)從上到下依次減小，土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)程度由上到下逐層減弱。集流滲灌系統(tǒng)下不同土層土壤含水率變異系數(shù)從上到下依次增大，土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)程度由上到下逐層增強(qiáng)。

4）集流滲灌裝置對(duì)較深層土壤水分的補(bǔ)給作用優(yōu)于裸地，使樹干根部土壤的儲(chǔ)水量提高。