黃土丘陵區(qū)降雨后魚鱗坑土壤水分動(dòng)態(tài)模擬研究

李高亮, 王 科, 段翠花, 鄭紀(jì)勇

(1.中國科學(xué)院 教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

半干旱黃土丘陵區(qū)是我國的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，區(qū)域內(nèi)水資源嚴(yán)重不足導(dǎo)致了植被分布不合理，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能低下[1-4]。該區(qū)域地下水埋藏較深，自然降雨是該區(qū)域唯一的水分補(bǔ)給源[5-6]。但區(qū)域內(nèi)自然降雨年內(nèi)分布不均，6—9月份降雨量可占全年降雨量的73.7%，且多暴雨，大量降雨資源以徑流形式損失[7-8]。降雨徑流的大量損失降低了降雨的有效性，制約了植被恢復(fù)和生態(tài)重建工作的進(jìn)行。為了控制水土流失，提高降雨資源化程度，當(dāng)?shù)亻_展了大量的工作，主要包括退耕還林還草、水土保持工程建設(shè)和植被人工恢復(fù)[9-11]。通過在坡面上建設(shè)集水措施進(jìn)行下墊面改造，可以攔截降雨徑流并積蓄水分，提高降雨資源化程度。大量研究表明，這些工程措施的實(shí)施有效地減少了水土流失，增加了土壤水分和養(yǎng)分，提升了人工種植植被的成活率[12-14]。魚鱗坑整地措施是地形破碎條件下造林整地的重要方式，目前在黃土丘陵溝壑區(qū)已經(jīng)被廣泛使用。過往的研究大多集中于魚鱗坑措施的減流減沙效益和提升造林成活率作用，對(duì)于魚鱗坑措施下降雨后土壤水分的再分布特征少有研究。因此，本文通過灌水試驗(yàn)?zāi)M不同的降雨徑流量，研究魚鱗坑措施下降雨后土壤水分的入滲范圍和土壤儲(chǔ)水量隨時(shí)間的變化，以期為黃土丘陵區(qū)魚鱗坑的營造和植被恢復(fù)與重建提供一定的技術(shù)與理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究在寧夏回族自治區(qū)固原市河川鄉(xiāng)火岔灣流域(35°59′—36°02′ N，106°26′—106°30′ E，1 530～1 822 m)開展，該地區(qū)位于黃土高原西南部，屬于半干旱區(qū)，氣候類型為溫帶季風(fēng)氣候。該區(qū)域年降雨總量最大634.7 mm，最小259.9 mm，平均412.9 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 558.3 mm，總體上土壤水分虧缺嚴(yán)重。土壤穩(wěn)定入滲率范圍為0.92～1.08 mm/min，表層(0—20 cm)土壤容重為1.07～1.14 g/cm3[15-16]。土壤類型為黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土，土壤顆粒組成為砂粒(0.02～2 mm)含量45.85%，粉粒(0.002～0.02 mm)含量34.47%，黏粒(<0.002 mm)含量19.68%，屬于沙質(zhì)壤土(表1)。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)選取的魚鱗坑規(guī)格為60 cm×40 cm×10 cm(長(zhǎng)×寬×深)，在研究區(qū)內(nèi)選擇棄耕15 a的梯田作為試驗(yàn)點(diǎn)，按設(shè)計(jì)的規(guī)格建造魚鱗坑。結(jié)合國家氣象中心發(fā)布的固原地區(qū)1956—2016年的氣象數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)選擇60，30 mm/h作為模擬降雨強(qiáng)度，根據(jù)當(dāng)?shù)貜搅餍^(qū)觀測(cè)資料，選取0.3作為徑流系數(shù)，2 m2作為匯流面積，則徑流流量分別為36，18 L/h。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)降雨時(shí)長(zhǎng)為1 h，因此兩個(gè)處理灌水量為36，18 L，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)量及計(jì)算 試驗(yàn)采用自制的供水裝置來供水，為試驗(yàn)提供流速穩(wěn)定的水源。供水結(jié)束24 h后以魚鱗坑中心為原點(diǎn)，沿3個(gè)相互之間夾角為120°的方向分別在距中心0，20，40，60，80 cm位置使用土鉆采集0—300 cm深度土層的土壤樣品，采樣間隔10 cm。將采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室采用烘干法(105℃，24 h)測(cè)定其質(zhì)量含水量。在采集完土壤樣品后，立即在措施中心及選定方向布設(shè)5根中子管(PVC，300 cm)。在灌水后的第2，3，5，7天采用中子儀(Neutron probe, CNC503B，中國)測(cè)定0—300 cm土層的土壤體積含水量，測(cè)量間隔為10 cm。

在使用中子儀進(jìn)行土壤水分測(cè)量之前，采用灌水法對(duì)中子儀標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行標(biāo)定，考慮到表層土壤性質(zhì)與深層差異較大，本次標(biāo)定采用分層標(biāo)定的方法[17]，標(biāo)定深度分為0—10 cm和>10 cm，0—10 cm標(biāo)定結(jié)果如公式(1)所示，>10 cm標(biāo)定結(jié)果如公式(2)所示：

y=0.3979x+0.1921

(1)

y=0.7998x+0.0496

(2)

式中：y為土壤體積含水量(cm3/cm3)；x為中子計(jì)數(shù)比。

在標(biāo)定中子儀過程中挖取3個(gè)深度為150 cm的土壤剖面，每隔10 cm深度用環(huán)刀采集土壤樣品，將采集的環(huán)刀樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，用烘干法測(cè)量土壤容重和體積含水量并計(jì)算土壤總孔隙度。土壤質(zhì)量含水量與體積含水量的轉(zhuǎn)換過程如公式(3)[18]所示；土壤總孔隙度(Total porosity，TP)計(jì)算公式如公式(4)[19]所示；土壤儲(chǔ)水量(Soil water storage，SWS)的計(jì)算公式如公式(5)[18]所示：

θv=θm×BD

(3)

(4)

(5)

式中:θv為土壤體積含水量(cm3/cm3);θm土壤質(zhì)量含水量(%);BD為土壤容重(g/cm3),150—300 cm深度土壤的容重采用100—150 cm深度土壤容重的平均值;TP為土壤總孔隙度(%);ds為土壤密度(g/cm3),取值2.65;SWS為土壤儲(chǔ)水量(mm);θvi第i層土壤的體積含水量(cm3/cm3);Di為i層土壤的厚度(cm);100,10-1為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理性質(zhì)

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 使用R 4.0.4對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和多重比較，用Origin 2021進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分垂直方向變化特征

深度0—300 cm土層在距離魚鱗坑中心0，20，40，60，80 cm處的土壤體積含水量隨時(shí)間的變化見圖1，2。由圖1可知，降雨強(qiáng)度為60 mm/h時(shí)，與試驗(yàn)前相比，在魚鱗坑中心處(0 cm)，灌水后第1天10—30 cm深度土層的含水量顯著增加，30—60 cm深度土層含水量增加但不顯著(p>0.05)；灌水后第2天，10—30 cm深度土層的含水量相比前一天降低，但仍高于灌水前，30—80 cm深度土壤含水量相比前一天升高；在灌水后第3，5，7天10—40 cm深度土壤含水量逐漸降低，40—80 cm深度土壤含水量逐漸增大。在距離中心20，40 cm處，土壤水分在垂直方向的變化趨勢(shì)與中心處基本一致，但變化幅度逐漸減小。灌水后第1天與灌水前相比，距離魚鱗坑中心0，20，40 cm處0—30 cm和30—60 cm深度土壤平均含水量增加率分別為32%，26%，21%和9.0%，1.9%，0.021%；灌水后第2天與灌水前相比水分增加率分別為14%，13%，5.0%和17%，14%，9.4%；灌水后第7天與灌水前相比水分增加率分別為12%，11%，3.3%和13%，11%，5.4%。灌水后0～7 d內(nèi)，深度80 cm以下的土層含水量在試驗(yàn)過程中無顯著變化(p>0.05)。

由圖2可知，在降雨強(qiáng)度為30 mm/h時(shí)，與試驗(yàn)前相比，在魚鱗坑中心處(0 cm)，灌水后第1天時(shí)10—30 cm深度土層的含水量顯著增加，30—50 cm深度土層含水量增加但不顯著(p>0.05)；灌水后第2天，10—20 cm深度土層的含水量相比前一天降低，20—50 cm深度土壤含水量相比前一天升高。在距離魚鱗坑中心20，40 cm處，土壤水分垂直方向變化規(guī)律一致；灌水后第1天時(shí)10—30 cm深度土層的含水量顯著增加(p<0.05)；灌水后第2天，10—30 cm深度土層的含水量相比前一天降低，30—40 cm深度土壤含水量相比前一天升高；在灌水后第3，5，7天，土壤含水量幾乎無變化。灌水后第1天與灌水前相比，魚鱗坑中心及水平距離20，40 cm處在0—30 cm和30—50 cm深度土壤平均含水量增加率分別為25%，25%，11%和2.2%，1.7%，0.013%；灌水后第2天與灌水前相比水分增加率分別為19%，12%，8.9%和16%，5.9%，4.1%；灌水后第7天與灌水前相比水分增加率分別為12%，6.2%，4.2%和7.1%，1.3%，1.4%。灌水后0～7 d內(nèi)，距離魚鱗坑中心60，80 cm處及所有深度50 cm以下的土層含水量無顯著變化(p>0.05)。

在垂直方向上，土壤水分的變化主要受土壤性質(zhì)、植被生長(zhǎng)和氣候因素(降水、風(fēng)速、太陽輻射等)的影響[20-21]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，降雨強(qiáng)度分別為60，30 mm/h時(shí)，在垂直方向上灌水后第1天土壤含水量最高值分別出現(xiàn)在30 cm和20 cm深度處，水分最大入滲深度分別為60，40 cm；灌水后第2天，土壤含水量最高值分別出現(xiàn)在40，30 cm深度，最大入滲深度分別為80，60 cm，并持續(xù)至灌水后第7天。這表明降雨強(qiáng)度大的時(shí)候，灌水后土壤水分最大值出現(xiàn)的深度和水分最大入滲深度大于降雨量小的時(shí)候；灌水后土壤水分的最大入滲深度隨時(shí)間推移而增大，在灌水后第2天達(dá)到最大值，2～7 d內(nèi)保持不變。

2.2 土壤水分水平方向變化特征

距離魚鱗坑中心0，20，40，60，80 cm處含水量在0—100 cm深度各土層隨時(shí)間的變化見圖3，4。由圖3可知，在降雨強(qiáng)度為60 mm/h時(shí)，深度0—10 cm土層處距魚鱗坑中心40 cm處土壤含水量在灌水后第1天顯著增加(p< 0.05)，增加率為25.09%，隨后恢復(fù)至灌水前水平，同一深度其他位置土壤含水量無顯著變化(p>0.05)。深度10—30 cm土層含水量在灌水后第1天在距離魚鱗坑中心0—40 cm處顯著增加，而后隨著時(shí)間的推移而減小。深度30—60 cm土層處距離魚鱗坑中心0—40 cm處在灌水后第1天增加，而后隨時(shí)間推移而增加。深度60—80 cm處距離魚鱗坑中心0—20 cm處土壤含水量隨時(shí)間推移逐漸增加。深度80 cm以下土層的含水量在水平方向無顯著變化(p>0.05)。

由圖4可知，在降雨強(qiáng)度為30 mm/h時(shí)，深度0—10 cm土層處距魚鱗坑中心40 cm處土壤含水量在灌水后第1天增加了11%，同一深度其他位置土壤含水量無顯著變化(p>0.05)。深度10—30 cm土層含水量在灌水后第1天在距離魚鱗坑中心0—40 cm處顯著增加，而后隨著時(shí)間的推移而減小；深度30—50 cm土層在灌水后第1天在距離魚鱗坑中心0 cm處含水量顯著增加，距離中心20—40 cm處增加但不顯著，在灌水后第2，3天繼續(xù)增加，灌水后5～7 d降低直至穩(wěn)定。深度50 cm以下土層的含水量在水平方向無顯著變化(p>0.05)。

在水平方向上，土壤水分的空間分布結(jié)構(gòu)受海拔高度、坡向、下墊面、降雨動(dòng)態(tài)、植被形態(tài)、土壤剖面性質(zhì)等多種因素影響[20,22-23]。本文研究表明，在水平方向上土壤含水量隨距離魚鱗坑中心距離增大而降低。在不同土層深度下水分的水平入滲范圍不同，降雨強(qiáng)度為60 mm/h時(shí)，深度10—50 cm土層水分水平入滲距離可達(dá)40 cm，深度60—80 cm土層水分水平入滲距離為20 cm。降雨強(qiáng)度為30 mm/h時(shí)，深度10—20 cm土層水分水平入滲距離為40 cm，20—40 cm深度水分水平入滲距離為20 cm。由此可知水分的水平入滲距離隨土層深度的增加而減小，這是因?yàn)橥寥浪炙竭\(yùn)移的動(dòng)力之一是基質(zhì)對(duì)水分的吸持作用，這一作用隨土壤含水量的增加而減小[18]。灌水后淺層土壤含水量迅速上升，與周圍土壤形成水勢(shì)差，水分迅速向周圍擴(kuò)散，在重力作用下水分向垂直方向上擴(kuò)散更快，但土層深度越大水分增加量越少，形成的水勢(shì)差越小，因此水平方向上水分入滲范圍更小。

2.3 土壤儲(chǔ)水量變化范圍

灌水后魚鱗坑不同距離處10—100 cm深度土壤的總儲(chǔ)水量變化見圖5。由圖可知，灌水后距魚鱗坑0，20 cm處土壤儲(chǔ)水量顯著增加，相比于灌水前，灌水后第1天降雨強(qiáng)度60 mm/h時(shí)增加率分別為12%，6.2%，降雨強(qiáng)度30 mm/h時(shí)增加率分別為7.7%，4.7%；在灌水后第2～7 d0 cm處土壤儲(chǔ)水量逐漸降低，20 cm處土壤儲(chǔ)水量在灌水后2～3 d逐漸升高，3～7 d逐漸降低；相比于灌水前，灌水后第7天，降雨強(qiáng)度60，30 mm/h下，距離0，20 cm處土壤儲(chǔ)水量增加率分別為8.9%，7.6%和6.1%，1.2%。降雨強(qiáng)度60，30 cm/h下，距離魚鱗坑40 cm處土壤儲(chǔ)水量在灌水后逐漸增加，在第2天達(dá)到最大值，相比灌水前增加率分別為7.7%，4.9%；在灌水后2～7 d波動(dòng)變化，第7天時(shí)相比于灌水前的儲(chǔ)水量增加率分別為2.0%，-0.53%。在試驗(yàn)過程中距離魚鱗坑60，80 cm處土壤儲(chǔ)水量無明顯變化。

大量研究已經(jīng)證明魚鱗坑措施具有優(yōu)異的攔截及入滲降雨徑流的能力，本研究也得到了相同的結(jié)果。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)魚鱗坑規(guī)格為60 cm×40 cm×10 cm(長(zhǎng)×寬×深)時(shí)，降雨強(qiáng)度為60，30 mm/h時(shí)，降雨水分主要儲(chǔ)存距離魚鱗坑中心0—40 cm處，距離魚鱗坑40—80 cm處的土壤儲(chǔ)水量基本沒有變化。相比于距離魚鱗坑0 cm處，距離20 cm處土壤儲(chǔ)水量的最高值達(dá)到的時(shí)間更晚，這是因?yàn)樵邳S土丘陵區(qū)土壤水分的垂直和水平入滲速率不同，水分在垂直方向入滲的更快，但最終距離魚鱗坑不同距離處土壤儲(chǔ)水量有趨于相同的趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果相一致[24-25]。

3 討 論

魚鱗坑措施通過改變坡面微地形，攔截并切斷坡面徑流，增加降雨水分的就地入滲，提高降雨資源的利用率[26-27]。大量研究表明魚鱗坑措施在降雨期間具有良好的集水效果，本研究中也證明了規(guī)格為60 cm×40 cm×10 cm(長(zhǎng)×寬×深)的魚鱗坑可以在1 h內(nèi)攔截及入滲強(qiáng)度為60，30 mm/h的降雨所產(chǎn)生的徑流。有研究顯示魚鱗坑措施主要增加了深度40—60 cm土層的含水量[26,28]，本研究的結(jié)果則表明在降雨強(qiáng)度為60，30 mm/h時(shí)，魚鱗坑措施下水分的最大入滲深度分別為80，60 cm，這一深度大于前人的研究結(jié)果，可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)位于梯田內(nèi)，且處于雨季，土壤初始含水量較大，0—100 cm的土壤平均含水量達(dá)到了0.22 cm3/cm3。較高的初始含水量會(huì)降低水分入滲的初始速率和穩(wěn)定速率，但在入滲水量不變時(shí)可以增加水分的最大入滲深度[29-30]。在降雨強(qiáng)度為60，30 mm/h的時(shí)候，魚鱗坑措施下水分的水平入滲距離均為40 cm，不受降雨強(qiáng)度的影響，且?guī)缀醪浑S時(shí)間變化，可能是因?yàn)橥寥浪衷谥亓退畡?shì)梯度差的作用下優(yōu)先向垂直方向入滲，在總水量有限的情況下水分在垂直方向的入滲距離也是有限的。

圖3 降雨強(qiáng)度60 mm/h不同深度處土壤含水量水平變化

圖4 降雨強(qiáng)度30 mm/h不同深度處土壤含水量水平變化

圖5 灌水后魚鱗坑不同距離處土壤儲(chǔ)水量變化

4 結(jié) 論

(1) 降雨強(qiáng)度為60，30 mm/h時(shí)灌水后第1天水分入滲深度為60，50 cm，第2天入滲深度達(dá)到最大值，分別為80，60 cm，水分最大入滲深度隨降雨強(qiáng)度的增加而增大，在達(dá)到最大入滲深度前隨灌水后時(shí)間推移而增大。灌水后第1天水分水平入滲距離達(dá)到最大值40 cm，水平入滲范圍隨著土層深度的增加而減小。

(2) 灌水后7 d內(nèi)，降雨強(qiáng)度60 mm/h時(shí)水分主要儲(chǔ)存在深度10—80 cm距離魚鱗坑中心0—40 cm的區(qū)域；降雨強(qiáng)度30 mm/h時(shí)，水分主要儲(chǔ)存在深度10—50 cm距離魚鱗坑中心0—40 cm的區(qū)域。

(3) 深度10—30 cm處土壤水分在灌水后第1天達(dá)到最大值，深度30—50 cm處土壤水分在灌水后第3天達(dá)到最大值；距離魚鱗坑0—20 cm處土壤水分在灌水后第1天達(dá)到最大值，距離20—40 cm處在灌水后2～3 d水分達(dá)到最大值；達(dá)到最大值后土壤水分逐漸降低。