王彥武，歐陽(yáng)雪芝，張 峰

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020)

隴中黃土丘陵區(qū)新修梯田土壤水分時(shí)空變異性

王彥武，歐陽(yáng)雪芝，張 峰

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020)

新修梯田；土壤水分；時(shí)空變異；隴中黃土丘陵區(qū)

在天水市清水縣采用野外典型抽樣調(diào)查和室內(nèi)分析測(cè)定的方法，研究了新修水平梯田和休閑坡耕地土壤水分的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：新修梯田土壤含水量變化與降水量和蒸發(fā)量的年內(nèi)分布有密切關(guān)系，隨時(shí)間變化表現(xiàn)為先下降后升高再下降的趨勢(shì)；新修梯田不同深度和不同月份土壤含水量均表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)>中部>外側(cè)；新修梯田和坡耕地土壤含水量在垂直方向上都表現(xiàn)為隨土層加深先升高后降低的趨勢(shì)，但總體上都隨著土層深度的增加而減小，且新修梯田各層土壤含水量均大于坡耕地。

標(biāo)準(zhǔn)化梯田建設(shè)不僅可以直接起到涵養(yǎng)水源、減少水土流失、提高糧食產(chǎn)量的作用，而且其保水保土效益、抗旱減災(zāi)效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均十分顯著[1-7]。根據(jù)《甘肅省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》，甘肅省委、省政府在全省順利實(shí)現(xiàn)第一輪33萬(wàn)hm2梯田建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，“十二五”期間將再新修50萬(wàn)hm2標(biāo)準(zhǔn)梯田，以此帶動(dòng)全省旱作農(nóng)業(yè)和特色產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展[8]。但是，由于新修梯田在施工中大量移動(dòng)土方，造成表土深埋，生土外露，土層堅(jiān)硬，土壤中水分和養(yǎng)分含量下降，嚴(yán)重影響了農(nóng)作物的生長(zhǎng)[9]。因此，如何使新修梯田快速恢復(fù)地力成為梯田建設(shè)的關(guān)鍵。近年來(lái)，隨著梯田大面積的推廣，梯田的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益越來(lái)越明顯，研究者從多個(gè)角度分析了梯田的水分狀況[10-14]，取得了許多科研成果，但以新修梯田為對(duì)象進(jìn)行土壤水分時(shí)空變化特征的研究，在文獻(xiàn)中還較少見(jiàn)。故筆者結(jié)合野外調(diào)查及室內(nèi)分析所采集的數(shù)據(jù)對(duì)新修梯田土壤水分的變化特征進(jìn)行分析，以期為黃土丘陵區(qū)新修梯田快速恢復(fù)地力提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

研究地選在天水市清水縣任家后溝小流域，該區(qū)位于清水縣東北部，屬渭河支流牛頭河水系，介于東經(jīng)106°13′33″～106°16′22″、北緯34°45′12″～34°49′40″之間。研究區(qū)地處內(nèi)陸，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫10 ℃，年最低氣溫-13.9 ℃，年最高氣溫35.2 ℃，多年平均蒸發(fā)量1 506.3 mm；年均降水總量574.8 mm，多集中在7—9三個(gè)月，占全年平均降水量的78.8%，降水量年際變化大，降水量最豐年和最枯年相差2.2倍。年日照時(shí)數(shù)2 131.2 h，≥10 ℃平均積溫2 894 ℃，全年無(wú)霜期190 d，大風(fēng)日數(shù)26 d，平均風(fēng)速為1.3 m/s，最大凍土深58 cm。該地區(qū)夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒，四季分明，氣候宜人，適宜多種農(nóng)作物和果類(lèi)生長(zhǎng)。土壤類(lèi)型以黃綿土和黑壚土為主，植被屬中溫帶森林草原地帶植被類(lèi)型。喬木有側(cè)柏、刺槐、油松等，灌木有沙棘、紫穗槐、狼牙剌等，經(jīng)濟(jì)樹(shù)種有蘋(píng)果、杏、核桃、梨等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

采用常規(guī)的典型抽樣法，在區(qū)域內(nèi)2013年新修的水平梯田中選擇立地條件類(lèi)型基本一致的田塊作為研究對(duì)象，新修水平梯田田面寬15 m，尚未種植利用；在新修水平梯田附近選擇一塊休閑坡耕地作為對(duì)照，坡耕地坡度為9°，尚未種植利用。將新修梯田根據(jù)田面寬度由內(nèi)到外分為內(nèi)側(cè)(0～5 m)、中部(5～10 m)、外側(cè)(10～15 m)三個(gè)區(qū)域，分別對(duì)新修梯田和坡耕地不同部位各選擇3塊樣地進(jìn)行土壤含水量的測(cè)定。

2.2 樣品采集與分析

根據(jù)新修梯田土壤形成特點(diǎn)和試驗(yàn)地的實(shí)際情況，在每塊樣地沿S形線(xiàn)路分別選設(shè)5個(gè)點(diǎn)，定期按0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 分層取樣，采用土鉆取土，烘干稱(chēng)重法測(cè)定土壤含水量。通過(guò)觀(guān)測(cè)土壤水平和垂直方向上水分分布及變化情況，掌握各部位土壤水分的動(dòng)態(tài)變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 新修梯田土壤水分隨時(shí)間的變化

土壤水分是土壤的重要組成部分，是植物生長(zhǎng)所需水分的主要來(lái)源，也是土壤內(nèi)生物活動(dòng)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的必須條件，同時(shí)也影響土壤鹽基養(yǎng)分的淋溶。決定土壤水分變化的主要因子有大氣降水、有無(wú)植被覆蓋、土壤蒸發(fā)和土壤結(jié)構(gòu)等[15]。從新修梯田不同位置(內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè))土壤平均含水量隨時(shí)間變化情況看(圖1)，新修梯田土壤含水量變化主要取決于氣象因子，與降水量和蒸發(fā)量的年內(nèi)分布有密切關(guān)系，但土壤水分的變化滯后于降水量的年內(nèi)分布[16]。由于研究區(qū)1—6月份降水較少，氣候干燥，新修梯田修筑過(guò)程中土壤蒸發(fā)量大，而又沒(méi)有有效降雨補(bǔ)充，因此土壤含水量總體趨于下降；從6月下旬開(kāi)始，新修梯田土壤含水量開(kāi)始升高，到10月份達(dá)到本年度的峰值，主要是因?yàn)樵摃r(shí)期降雨量充足，能夠補(bǔ)充土壤水分。10月份后隨著降雨量逐漸減少，土壤含水量開(kāi)始下降，一直持續(xù)到第二年。這與蔡進(jìn)軍等[17]的研究結(jié)果一致。

圖1 新修梯田土壤水分隨時(shí)間變化情況

3.2 新修梯田土壤水分水平變化

從新修梯田不同部位土壤含水量情況看(圖2)，新修梯田水平方向上由內(nèi)向外側(cè)土壤含水量存在差異：4月份土壤含水量?jī)?nèi)側(cè)比中部高0.09百分點(diǎn)、比外側(cè)高0.72百分點(diǎn)，6月份土壤含水量?jī)?nèi)側(cè)比中部高0.8百分點(diǎn)、比外側(cè)高1.07百分點(diǎn)，8月份土壤含水量?jī)?nèi)側(cè)比中部高0.05百分點(diǎn)、比外側(cè)高1.21百分點(diǎn)，10月份土壤含水量?jī)?nèi)側(cè)比中部高0.73百分點(diǎn)、比外側(cè)高1.21百分點(diǎn)，各月份平均土壤含水量?jī)?nèi)側(cè)比中部高0.42百分點(diǎn)、比外側(cè)高1.05百分點(diǎn)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，新修梯田不同月份(4月、6月、8月、10月)土壤含水量均表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)>中部>外側(cè)，這主要由于新修梯田在修筑過(guò)程中內(nèi)側(cè)開(kāi)挖取土，外側(cè)填筑壓實(shí)，造成新修梯田內(nèi)外側(cè)土壤結(jié)構(gòu)存在一定差異，內(nèi)側(cè)土壤容重小于外側(cè)，導(dǎo)致新修梯田內(nèi)側(cè)土壤含水量高于外側(cè)。另外，由于梯田內(nèi)側(cè)除接收自然降水外，還可接收上一級(jí)梯田外沿的徑流雨水[18]，而梯田外側(cè)則由于梯田“脅邊效應(yīng)”造成外側(cè)邊緣附近的土壤受雙面立體蒸發(fā)影響因此含水量相對(duì)較小，且這種差異與降水、梯田田坎高低和田面寬度密切相關(guān)。在豐水年，田坎越低，田面越寬，其“脅邊效應(yīng)”所占的比例就越小，內(nèi)外側(cè)含水量差異越小；在枯水年，田坎越高，田面越窄，其“脅邊效應(yīng)”所占的比例就越大，內(nèi)外側(cè)含水量差異越大[19]。

圖2 新修梯田不同部位土壤含水量變化情況

3.3 新修梯田土壤水分的垂直變化

由新修梯田土壤水分垂直變化情況可以看出(圖3)，新修梯田土壤含水量在垂直方向上都表現(xiàn)為隨土層加深先升高后降低的趨勢(shì)，但總體上都隨著土層深度的增加而減小。新修梯田0～20 cm土層土壤含水量變化較為劇烈，且無(wú)明顯變化規(guī)律，主要是由于0～20 cm土層在梯田修筑過(guò)程中開(kāi)挖回填擾動(dòng)較大，土壤含水量受地形、降雨入滲、地面蒸發(fā)、土質(zhì)等多種因素影響[18]，該層水分變化最不穩(wěn)定。20～40 cm土層土壤含水量有一定的變化，內(nèi)側(cè)土壤在30 cm深達(dá)到最大值20.22%，外側(cè)土壤在40 cm深達(dá)到該區(qū)域的最小值18.03%，該層是新修梯田土壤主要的貯水庫(kù)，土壤水分變化幅度比較小。40～60 cm土層土壤含水量呈現(xiàn)出規(guī)律變化，是水分相對(duì)穩(wěn)定層，該層土壤主要用于調(diào)節(jié)上下層土壤含水量，使土壤水分達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[20]。

對(duì)比新修梯田與坡耕地土壤水分垂直變化情況可以看出(圖3)，坡耕地土壤水分隨著土層深度的增加也呈減小趨勢(shì)，但是土壤水分變化較新修梯田更為劇烈。0～20 cm土層，坡耕地與新修梯田土壤含水量分別為18.30%、18.95%，坡耕地土壤含水量比梯田少0.65百分點(diǎn)；20～40 cm土層，坡耕地與新修梯田土壤含水量分別為17.07%、18.55%，坡耕地土壤含水量比梯田少1.48百分點(diǎn)；40～60 cm土層，坡耕地與新修梯田土壤含水量分別為16.38%、17.92%，坡耕地土壤含水量比梯田少1.54百分點(diǎn)?？梢钥闯?～20 cm土層坡耕地土壤含水量與新修梯田相比差異不明顯，但是新修梯田各層土壤含水量均大于坡耕地。

圖3 土壤水分垂直變化

4 結(jié) 論

(1)新修梯田土壤含水量變化與降水量和蒸發(fā)量的年內(nèi)分布有密切關(guān)系，但土壤含水量的變化滯后于降水量和蒸發(fā)量。1—6月份新修梯田土壤含水量總體上趨于下降，6月下旬開(kāi)始升高，到10月份達(dá)到年度的峰值， 10月份后開(kāi)始下降，并一直持續(xù)到第二年。

(2)新修梯田不同月份的土壤含水量均表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)>中部>外側(cè)，各月份平均土壤含水量?jī)?nèi)側(cè)比中部高0.42百分點(diǎn)、比外側(cè)高1.05百分點(diǎn)，主要是梯田在修筑過(guò)程中造成內(nèi)外側(cè)土壤結(jié)構(gòu)差異和梯田外側(cè)的“脅邊效應(yīng)”所致。

(3)新修梯田土壤含水量在垂直方向上都表現(xiàn)為隨土層加深先升高后降低的趨勢(shì)，但總體上都隨著土層深度的增加而減小。新修梯田0～20 cm土層土壤含水量變化較為劇烈，且無(wú)明顯變化規(guī)律；20～40 cm土層土壤含水量有一定的變化，但變化幅度比較小，均在18.03%～20.22%之間；40～60 cm土層土壤含水量呈現(xiàn)出規(guī)律變化，是水分相對(duì)穩(wěn)定層。

(4)坡耕地土壤水分隨著土層深度的增加也呈減小趨勢(shì)，但是土壤水分變化較新修梯田更為劇烈。新修梯田各層土壤含水量均大于坡耕地，0～20、20～40、40～60 cm深土層坡耕地土壤含水量比梯田分別少0.65、1.48、1.54百分點(diǎn)，說(shuō)明通過(guò)修筑水平梯田，可以有效地保蓄土壤水分。

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(責(zé)任編輯 王 琦)

S157.31

A

1000-0941(2015)10-0056-03

王彥武(1982—)，男，甘肅會(huì)寧縣人，工程師，碩士，主要從事水土保持與荒漠化防治方面的研究。

2015-03-24