李仕华， 徐丽娇， 彭海英，王超凡

(1．陕西职业技术学院, 陕西西安 710100；2.长安大学材料科学学院，陕西西安 710064，3.西安培华学院，陕西西安 710123)



黄土高原不同降雨量条件下梯田与坡地土壤水分变化特征

李仕华1，3， 徐丽娇1， 彭海英1，王超凡2

(1．陕西职业技术学院, 陕西西安 710100；2.长安大学材料科学学院，陕西西安 710064，3.西安培华学院，陕西西安 710123)

[目的]研究不同降雨量下黄土高原坡地和梯田土壤水分的运移及分布情况。[方法]以黄土高原陕西乾县为试验区，通过田间试验，研究不同降雨量条件下梯田与坡地土壤含水量变化情况。[结果]梯田和坡地土壤含水量空间垂直变化分为4个层次：①土壤水分速变层(10～40 cm)。该层梯田土壤含水量大，坡地土壤含水量小。该层受水文气象、耕作措施、冠层覆被等多种因素的影响较大，土壤水分变化较大。②土壤水分缓变层(40～80 cm)。该层土壤水分受诸多因素的影响相对小，土壤水分变化幅度小。该层梯田土壤含水量大，坡地土壤含水量小。③土壤水分过渡层(80～100 cm)。该层坡地土壤水分变化缓慢，而梯田土壤水分变化迅速，即开始由大向小快速突变。④土壤水分相对稳定层(100 cm以下)。该层梯田土壤含水量小，坡地土壤含水量大。[结论]初步掌握了黄土高原乾县的土壤水分变化特征。

黄土高原；梯田；坡地；土壤含水量；降雨量；乾县

黄土高原位于我国中部偏北部，为干旱半干旱地区，土壤水分是制约该地区农业生产的重要因子。由于坡地易产生地表径流，造成水土流失，因此雨水资源化利用成为学者关注的焦点[1]。因梯田具有截流纳渗的功能，对解决农业缺水问题具有重要意义。学者不仅对梯田土壤水分的变化比较重视，且梯田及其坡地土壤水分的变化也成为关注的问题之一[2-4]。韩芳芳等[5]应用Hydrus-1D模型对不同降雨条件下的坡耕地和水平梯田土壤(黄绵土)水分入渗进行定量模拟研究，结果表明，在0～20 cm土层深度，梯田的土壤含水量较坡耕地大。然而，关于20 cm土层深度以下的坡地和梯田土壤含水量空间变化的研究鲜见报道。笔者研究了不同降雨量对坡地和梯田土壤水分运移及分布的影响，旨在为土地利用类型的实际应用及提高自然降水利用率提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况研究区选择在西北农林科技大学在黄土台原区建立的乾县试验区[6]，1处为梯田地块，1处为摞荒坡地(图1)。梯田地块东北高，西南低，呈现波状台原沟壑地貌，地面坡度3°～12°，梯田为连台梯田，梯田东西长90 m，南北宽40 m，面积3 600 m2。为冬小麦收割后的地块；摞荒坡地沟壑纵深、支离破碎。沟谷区内地形坡度为18～25°。坡地试验场地选择在18°的坡地上，坡地覆被为草本植物。试验区人口1 885人，耕地面积532.5 hm2。

图1　陕西乾县试验场地示意Fig.1　Test site of Qian County in Shaanxi Province

研究区年平均气温10.9 ℃，无霜期206 d。年平均降水量584.2 mm，丰水年为876.7 mm,枯水年为281.9 mm，降水多集中于7、8、9月，占全年总降水量的60%左右，年蒸发量1 420.4 mm。降水分布不均，降水年际间差别较大。最少年份(1977年)降水量为281.9 mm，最多年份(1983年)达到876.7 mm。干燥度1.42,土壤物理性状良好，土质疏松，蓄水性好。海拔900 m左右，面积10.3 km2。

1.2研究方法依据天气预报，以自然降雨设施作为试验条件。提前做好准备工作，包括准备降雨量的测量仪器，选取梯田和坡地样地，测试降雨前梯田和坡地的土壤含水量。在自然降雨过程中，使用雨量筒和量杯测量自然降雨过程的降雨量。试验期间自然降雨时间分别出现在2010年7月2日、7月10日和7月15日，降雨量分别为5.3、11.1、20.3 mm，观察和测定梯田和坡地的土壤含水量变化情况。具体方法：在每场降雨之后，分别在梯田和坡地采取土钻法取样，在0～100 cm的土层范围内，每间隔10 cm取样，在100～200 cm的土层范围内，每间隔20 cm取样，采取烘干法测定土壤含水量。

每个钻孔采集13个土样，共采集样品104个，将样品在电子天平称重，放入烘干箱内烘干，然后将样品称重，用毛重减去干重，计算每个样品的含水量。

2　结果与分析

2.1降雨前梯田与坡地的土壤含水量变化从图2可见，在0～80 cm土层，梯田土壤含水量大于坡地，这是由于梯田的入渗性能较好,能够使得降雨就地入渗，而坡地产生了径流，入渗性能较低。

在80～90 cm土层，梯田土壤含水量迅速减小，而坡地土壤含水量变化缓慢。这说明80～90 cm梯田土壤含水量变化速率较大，干湿交替频繁。也就是说，该层梯田土壤含水量变异系数(CV)较大，坡地土壤含水量变异系数(CV)较小。这是由于在前期降雨过程中，梯田土壤水分入渗量大，湿润锋由上部推移到该处，还未继续向下部干层土壤入渗，降雨停止，入渗也停止。

在100 cm土层以下，梯田土壤含水量小于坡地。这是由于土壤水分的吸收利用及蒸发散失,导致梯田的土壤贮水量比坡地小。该层距离地表较深，受降雨和蒸腾的影响较小，土壤含水量相对稳定，变化幅度小、速度慢。

图2　降雨前土壤剖面含水量变化情况Fig.2　The change of soil profile moisture before precipitation

2.2降雨5.3 mm梯田与坡地的土壤含水量变化从图3可见，在0～40 cm土层，梯田土壤含水量呈减小趋势，在10 cm土层处，梯田土壤含水量为8.89%，坡地土壤含水量为6.83%。与降雨前相比，降雨量5.3 mm梯田和坡地0～40 cm土层的土壤含水量变化较小。该层土壤含水量受气候、耕作措施、冠层覆被和根系活动等多种因素的影响较大。

在40～80 cm土层，梯田土壤含水量变化幅度较大。该层土壤的水分运动与热量转化、溶质运移、空气、土壤颗粒等相互影响、相互作用，直接影响土壤水分的重新分布。一般来说，相比表层土壤，该层土壤含水量受气候、耕作措施、冠层覆被和根系活动等多种因素的影响相对小。

在80～100 cm土层，坡地土壤含水量变化平稳缓慢，而梯田土壤含水量迅速减小，水分变化活跃。其变化状态与降雨前的土壤含水量分布及其空间变异化类似，说明在降雨量为5.3 mm的条件下，80～100 cm层土壤含水量未受到降雨的入渗影响。

在100 cm土层以下，梯田与坡地的土壤含水量变化及其分布与降雨前相同，梯田土壤含水量小于坡地。该层土壤含水量相对稳定。

图3　降雨量5.3 mm土壤含水量变化情况Fig.3　The change of soil moisture under 5.3 mm precipitation

2.3降雨11.1 mm梯田与坡地的土壤含水量变化从图4可见，降雨量为11.1 mm时，在0～40 cm土层，梯田土壤含水量大于坡地。在10 cm土层，梯田土壤含水量为9.62%，坡地土壤含水量为7.36%，梯田较坡地高出2.26个百分点；在40 cm土层，梯田土壤含水量为8.32%，该层土壤含水量受气候、耕作措施等多种因素的影响较大。

在40～80 cm土层处，坡地土壤含水量变化缓慢，梯田土壤含水量逐渐增大，说明梯田地面形成一定水层的有压入渗。该层梯田土壤含水量大于坡地土壤含水量，为土壤水分缓变层。

在80～100 cm土层，坡地土壤含水量变化平稳缓慢，而梯田土壤含水量变化迅速减小，由11.39%减小至7.85%，水分变化活跃。与降雨量5.3 mm相比，80～100 cm层向下推移的湿润锋出现了尖灭，说明土壤水分渗入至此停止了运移。该层为土壤水分过渡层。

在100 cm土层以下，梯田与坡地的土壤含水量变化及其分布与降雨量5.3 mm时的土壤含水量变化情况类似，梯田土壤含水量小于坡地，不同的是坡地土壤水分运移相对较活跃。该土壤含水量相对稳定。

图4　降雨量11.1 mm土壤含水量变化情况Fig.4　The change of soil moisture under 11.1 mm precipitation

2.4降雨20.3 mm梯田与坡地土壤含水量变化从图5可见，降雨量为20.3 mm时，在0～40 cm土层，梯田土壤含水量大于坡地，土壤含水量为9.62%～18.20%。在10 cm土层，梯田土壤含水量为18.2%，坡地土壤含水量为15.83%，梯田较坡地高出2.37个百分点；在20 cm土层，梯田土壤含水量为15.48%，坡地土壤含水量为8.22%，梯田较坡地高出7.26个百分点。这说明梯田蓄水纳渗的能力较坡地强，该层为土壤水分速变层。

在40～80 cm土层，坡地土壤含水量变化缓慢，梯田土壤含水量变化较大。这是由于梯田表面形成了积水层，从而使得梯田入渗量加大，导致土壤含水量增大。该层梯田土壤含水量大于坡地土壤含水量，为土壤水分缓变层。

图5　降雨量20.3 mm土壤含水量变化情况Fig.5　The change of soil moisture under 20.3 mm precipitation

在80～100 cm土层，坡地土壤含水量变化平稳缓慢，而梯田土壤含水量变化迅速减小。与降雨量为11.1 mm时梯田土壤含水量曲线相比，降雨量为20.3 mm时的土壤含水量湿润锋由80 cm下渗推移到90 cm。该层为土壤水分过渡层。

在100 cm以下土层，梯田土壤含水量小于坡地。在100 cm土层处，梯田土壤含水量为8.10%，坡地含水量为9.47%。在土层120 cm处，梯田土壤含水量为8.06%，该层土壤含水量相对稳定。

3　结论

该研究结果表明，梯田和坡地土壤剖面含水量空间变异不同。梯田土壤含水量变异系数(CV)较大，而坡地土壤含水量变异系数(CV)较小。具体地说，梯田和坡地土壤水分垂直变化分为4个层次[7]：

(1)土壤水分速变层(10～40 cm)。该层位于地表，受水文气象、耕作措施、冠层覆被和根系活动等多种因素的影响，土壤含水量变化幅度大，蒸发速度快，交替频繁。该层梯田土壤含水量大于坡地。这是由于梯田降雨入渗是积水入渗，表面形成了积水压力，从而入渗强度较大，而坡地则产生了地表径流，因此该层梯田土壤含水量较大，而坡地较小。

(2)土壤水分缓变层(40～80 cm)。该层土壤水分受气候、耕作措施、冠层覆被和根系活动等多种因素的影响相对小，土壤含水量变化幅度小。该缓变层梯田土壤含水量大于坡地。当上部非饱和土土壤含水量趋于饱和，接近田间持水量时，该层接受上部的土壤水分运移，逐次缓慢传导到该层。

(3)土壤水分过渡层(80～100 cm)。该层坡地土壤含水量变化缓慢，而梯田土壤含水量变化迅速。该过渡层对于梯田来说是另一种土壤水分“速变层”。该层为梯田土壤水分湿润锋的变动带。降雨量5.3 mm时，湿润锋不明显；降雨量为11.1 mm时，梯田在该层出现了湿润锋，为80～90 cm处；降雨量为20.3 mm时，而“交点”区间处梯田土壤湿润锋推移到土层深度90～100 cm处。这表明随着降雨量的增加，湿润锋逐渐向下推移。

(4)土壤水分相对稳定层(100 cm以下)。该层距离地表较深，受降雨和蒸腾的影响较小，土壤含水量相对稳定，变化幅度小、变化速度慢。该层是降雨补充蓄积的对象。该层土壤水分的空间变异特征是梯田土壤含水量小，坡地土壤含水量大。

[1] 朱显谟.黄土高原的形成与整治对策[J].水土保持通报，1991，11(1)：1-17.

[2] 徐学选，刘文兆，高鹏．黄土丘陵区土壤水分空间分布差异性探讨[J].生态环境，2003，12(1)：52-55.

[3] 徐英，王俊生，蔡守华．缓坡水平梯田土壤水分空间变异性[J].农业工程学报，2008，24(12)：16-19.

[4] 卫三平，吴发启，张治国．黄土丘陵沟壑区不同耕作措施下梯田土壤水分时空变化[J].中国水土保持，2005(6)：25-27.

[5] 韩芳芳，刘秀花，马成玉．不同降雨历时梯田和坡耕地的土壤水分入渗特征[J]．干旱地区农业研究，2012,30(4):14-19.

[6] 李佩成，包纪祥，韩思明，等．黄土台原的治理与开发[M].西安：陕西人民出版社，1993：12.

[7] 陈海滨，孙长忠，安锋，等．黄土高原沟壑区林地土壤水分特征的研究(Ⅰ):土壤水分的垂直变化和季节变化特征[J]．西北林学院学报，2003,18(4):13-16.

The Variation Characteristics of Terrace and Sloping Land Soil Moisture under Different Rainfall Conditions in the Loess Plateau

LI Shi-hua1,3, XU Li-jiao1, PENG Hai-ying1et al

(1. Shaanxi Vocational and Technical Collage, Xi’an, Shaanxi 710100; 3. Xi’an Peihua University, Xi’an, Shaanxi 710123)

[Objective] The aim was to study soil moisture transport and distribution of terrace and sloping land in the Loess Plateau under different rainfall conditions. [Method] With Qian County in Shaanxi Province as study area, through field experiment, the variation of soil moisture of terrace and sloping land under different rainfall conditions were studied. [Result] The results showed that the vertical variation of soil moisture of terrace and sloping land was divided into four levels: ①the change of soil moisture layer (10-40 cm). The soil moisture of this layer of terrace is large and that of sloping land is small. The change of soil moisture in this layer is bigger, affected by hydrometeor, tillage measures, canopy cover and other factors. ②Soil moisture slowly varying layer (40-80 cm). The soil moisture of this layer is smaller influenced by many factors compared with first layer. The soil moisture of the terrace this layer is large and the soil moisture of sloping land is small. ③Soil moisture transition layer (80-100 cm). The change of soil moisture of sloping land is slowly, and the change of soil moisture of terrace is rapidly, that is, from the big to small fast mutation. ④The soil moisture is relatively stable layer (below 100 cm). The soil moisture of terrace this layer is small and the soil moisture of sloping land is large.[Conclusion] The variation characteristics of soil moisture in Qian County in the Loess Plateau are preliminarily grasped.

Loess Plateau; Terrace; Sloping land; Soil moisture; Rainfall; Qian County

高等学校学科创新引智计划项目 (B08039)。

李仕华(1964- ),男，陕西柞水人，讲师，博士，从事人类活动对环境的影响机理研究。

2016-05-09

S 152.7

A

0517-6611(2016)18-111-03