張 雪, 董建國, 汪有科,2, 郭旭新, 趙 英, 衛(wèi)新東,4

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 4.長安大學(xué) 資環(huán)學(xué)院, 西安 710054)

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黃土丘陵區(qū)不同降雨條件下聚水溝土壤水分研究

張 雪1, 董建國1, 汪有科1,2, 郭旭新3, 趙 英3, 衛(wèi)新東1,4

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 4.長安大學(xué) 資環(huán)學(xué)院, 西安 710054)

為提高陜北黃土丘陵區(qū)林地降水的有效利用率，以水平階地為對照，進(jìn)行了填充石子、秸稈、樹枝、基質(zhì)等不同材料的聚水溝保墑試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：天然降雨量小于6 mm時(shí)，聚水溝內(nèi)土壤含水量未增加；降雨量在6～10 mm時(shí)，聚水溝溝底約10 cm土層土壤含水量與對照出現(xiàn)差異(p<0.05)；25～40 mm降雨條件下，聚水溝兩側(cè)垂直40 cm以上土層平均儲水量較對照差異顯著高16.14%，其土壤含水增量表現(xiàn)為:秸稈(4.8%)>樹枝(3.5%)>石子(3.1%)>對照(2.4%)>基質(zhì)(2.3%)；日降雨量大于40 mm時(shí)，聚水溝30—190 cm土層的攔蓄儲水量較對照提高了12.6%～17.5%，此后無降雨時(shí)，聚水溝兩側(cè)30 cm×30 cm×70 cm體積內(nèi)大于13%的高水分含量可以維持近一個(gè)月；典型136.8 mm的月累積降雨對石子、秸稈、樹枝、基質(zhì)覆蓋聚水溝內(nèi)水分?jǐn)U散影響深度分別為120，160，160，130 cm。綜合分析，聚水溝內(nèi)填充秸稈和樹枝在增加水分入滲的同時(shí)對周邊土壤水分的分配及存儲效果好于石子和基質(zhì)。

土壤水分; 降雨特性; 聚水溝; 黃土丘陵區(qū)

干旱半干旱地區(qū)，土壤水分狀況普遍受到天然降水的影響，而年降水的時(shí)空分配不均勻性，使得土壤水分的補(bǔ)給與存儲、剖面水分的更新與平衡均受到影響。在生態(tài)建設(shè)中為防止環(huán)境的肆意惡化，構(gòu)建適宜當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)林發(fā)展的降水?dāng)r蓄措施以被許多科研工作者重視[1-4]。利用自然降水的再分配性和可移動(dòng)性，將多個(gè)地塊上的雨水徑流疊加于一個(gè)地塊上或把多時(shí)段的雨水徑流疊加于一個(gè)時(shí)段上，充分發(fā)揮雨水的功能，最大限度減少集流區(qū)水分的無效損耗，增加水分供應(yīng)，減少作物在非生育期的水分消耗，增加生育期的水分供應(yīng)已有眾多文獻(xiàn)報(bào)道[5-8]。已有研究降雨影響下土壤狀況大多是利用人工模擬降雨[9-10]，多把固定雨強(qiáng)作為前提，分析降雨因素對土壤入滲的影響[11-12]。考慮到自然條件下各氣象指標(biāo)時(shí)空差異性大，降雨強(qiáng)度及歷時(shí)不可能是固定參數(shù)，入滲到土壤中的絕大部分雨水僅有部分直接轉(zhuǎn)化為土壤水。與此同時(shí)，因土壤表層初始含水量、下墊面承接雨水方式存在較大差異，故降雨入滲到土壤中的量及地表徑流損失的量必須綜合分析。在改造土壤下墊面措施中，首先，降低和延緩直接到達(dá)土壤表面的雨滴，承接雨水方式主要為減少降雨的無效損失；其次，最大程度地將雨水貯蓄在土壤中供植物利用尤為重要，覆蓋即是非常有效的一種途徑[13]。覆蓋能在干旱條件下減少土壤水分蒸發(fā)，促使進(jìn)入土壤中的水在重力和吸力梯度的作用下不斷向深層運(yùn)動(dòng)，具有明顯的保墑效果已被公認(rèn)[14-15]。

陜北黃土丘陵區(qū)，大部分降雨在無任何截留措施下通常形成徑流損失及蒸發(fā)損失，為維持持續(xù)良好的土壤微環(huán)境，最大限度地?cái)r蓄雨水以提高降雨有效利用率對維持良好的土壤微環(huán)境至關(guān)重要。近幾年試驗(yàn)區(qū)正應(yīng)用一項(xiàng)新的蓄積雨水措施—竹節(jié)式聚水溝技術(shù)，該技術(shù)是在坡地林木株間沿等高線開挖壕溝，之后在溝內(nèi)填充蓄水材料并壓實(shí)。已有研究表明，聚水溝在攔蓄坡面徑流、緩解淺層土壤干化、集蓄雨水等方面均有良好的效果。藺君等[16]測定了自然狀態(tài)和模擬降雨條件下不同填充材料聚水溝的土壤水分和攔蓄水量，并配合室內(nèi)浸水試驗(yàn)，分析了各種材料的持蓄水能力，為該區(qū)覆蓋材料的選擇及應(yīng)用提供了依據(jù)?？紤]到自然條件下降雨的隨機(jī)性差異，筆者通過測定不同降雨條件下聚水溝實(shí)際表現(xiàn)的土壤水分狀況，分析了覆蓋下填充材料對不同降雨量的攔蓄、存儲及對周邊土壤的濕潤情況，全方面認(rèn)識不同下墊面儲蓄下臨時(shí)性水源對溝內(nèi)部及周邊土壤水分分配的協(xié)調(diào)效果，以期為當(dāng)?shù)赜邢薜慕涤炅吭诮?jīng)濟(jì)林地的適時(shí)高效利用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)地選擇

試驗(yàn)地位于陜北米脂縣遠(yuǎn)志山紅棗試驗(yàn)基地，土壤以黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土為主，質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，滲透性能良好，土壤容重為1.2～1.35 g/cm3，0—60 cm土壤計(jì)劃濕潤層的田間持水量約為20%，有效N，P，K含量分別為34.73，2.90，101.9 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為0.21%，pH值為8.6，土壤較為貧瘠。海拔最高1 252 m，最低843.2 m，平均海拔1 049 m。地貌類型主要以峁、溝、梁、川為主，溝壑密度為3～6 km/km2，土壤侵蝕模數(shù)為1.8萬t/(km2·a)，形成了梁峁起伏、溝壑縱橫、支離破碎的特殊地貌類型。該區(qū)植被類型屬于森林草原植被帶，由于人為過度開墾及放牧等活動(dòng)，地帶性森林草原植被帶有向草原方向演變的趨勢。據(jù)米脂縣多年氣象資料顯示，研究區(qū)年平均溫度為8.8℃，≥10℃積溫3 281℃，日照時(shí)數(shù)為2 372.7 h，無霜期160～170 d。該區(qū)降水主要集中在夏秋季，夏季(6—8月)降水量占全年降水量的60%，秋季(9—11月)為總降雨量的23%，春季時(shí)候干旱最嚴(yán)重，而冬季降水對土壤補(bǔ)墑極少，這些特點(diǎn)對當(dāng)?shù)卮杭玖帜久妊亢驮炝殖苫盥?，以及后期植被生長產(chǎn)生了極大的限制。降雨年內(nèi)分配不均，晝夜溫差相差大，溫度變化范圍為-25～38℃，屬于中溫帶半干旱性氣候。針對陜北黃土丘陵區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)林建設(shè)過程中水土資源高效利用的問題，以國家科技支撐計(jì)劃“西北生態(tài)脆弱區(qū)經(jīng)濟(jì)作物高效用水關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”創(chuàng)立的一項(xiàng)新型雨水集蓄利用措施—竹節(jié)式聚水溝。該技術(shù)以提高生態(tài)經(jīng)濟(jì)林地的綜合生產(chǎn)力，推動(dòng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)可持續(xù)發(fā)展為研究目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件變化與降水分配特征，對竹節(jié)式聚水溝的水分特征進(jìn)行研究，以探討新型集雨保墑措施的水分環(huán)境效應(yīng)。本試驗(yàn)區(qū)選取在遠(yuǎn)志山棗樹示范基地的4 a生旱作棗林地，由于在高低起伏溝壑上，多采用水平階整地措施，階面寬度為1 m，棗樹株行距為2 m×3 m，平均樹高為1.9 m，冠幅為1.8 m×1.9 m，聚水溝布設(shè)于棗樹株間，按照當(dāng)?shù)卦炝忠?guī)格計(jì)算，每1 hm2可布設(shè)聚水溝1 665個(gè)。在陜北經(jīng)濟(jì)林地中，由于人為干擾較大，往往沒有枯落物覆蓋，這就增大了產(chǎn)流的可能性，容易導(dǎo)致水土流失。考慮到枯落物層的蓄水改土作用以及經(jīng)濟(jì)林的特殊性，覆蓋聚水溝措施在自然降雨下發(fā)揮的聚水、保墑、改土效果值得驗(yàn)證。

1.2 研究方法

本文提供了陜北米脂試驗(yàn)基地2011—2013年遠(yuǎn)志山棗林地降雨量資料及聚水溝的土壤水分狀況。試驗(yàn)地為水平階上開挖聚水溝，聚水溝規(guī)格為100 cm(長)×30 cm(寬)×30 cm(深)，溝內(nèi)0～30 cm范圍填充覆蓋當(dāng)?shù)爻Ｒ姷霓r(nóng)作廢棄材料秸稈、樹枝(長度為10～15 cm)，當(dāng)?shù)厥訌S生產(chǎn)的石子(粒徑為1.0 cm

土壤水分采用CNC503B型NP中子儀測定。聚水溝觀測深度為30—190 cm，土壤水分中子管布置在聚水溝中間，以水平階地為參考，覆蓋物下最先接觸的土層認(rèn)為是聚水溝30 cm處的土層。聚水溝兩側(cè)觀測深度為0—190 cm，中子管布置在水平距離溝壁30 cm處。每10 cm為一個(gè)測層，溝兩側(cè)0—30 cm深度測定的中子計(jì)數(shù)是結(jié)合土鉆烘干法校核標(biāo)定所得的土壤含水量。用中子儀對不同覆蓋聚水溝土壤水分進(jìn)行長期定位監(jiān)測，本文土壤含水量均為體積含水量。降雨量采用自動(dòng)氣象站測定，土壤水分平均10 d測定一次，雨后2～3 d內(nèi)加測。

采用Excel和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，用OriginLab 8.1進(jìn)行繪圖。采用單因素方差分析法分析不同降雨量對聚水溝土壤水分的影響，差異程度采用LSD多重比較。采用成對數(shù)據(jù)t檢驗(yàn)對不同填充物聚水溝土壤水分進(jìn)行差異性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨量下土壤含水量狀況

2.1.1 日降雨量低于10 mm時(shí)聚水溝內(nèi)土壤水分狀況 半干旱黃土丘陵區(qū)，降水是土壤含水量動(dòng)態(tài)變化的主效應(yīng)。本研究把某界限降水量在一定時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)與同時(shí)段降水總次數(shù)的百分比定義為降水頻率，高于(或低于)該界限降水量的頻率總和定義為降水保證率。在水土保持林業(yè)措施中把部分降雨被林冠層及枯枝落葉層截留后通過大氣蒸發(fā)返回大氣中去，對林地土壤來說該降雨屬于無效降雨，應(yīng)用此概念并結(jié)合陜北米脂縣1971—2013年降水量的年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)資料，可知本試驗(yàn)區(qū)年降水主要集中在5—10月，日降水統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)24 h低于10 mm的降雨保證率約30.23%，平均每年累積雨量約有143 mm，占總年降雨量的1/3，而此部分降雨常作為無效降雨被忽視。參考許浩[17]在半干旱黃土丘陵區(qū)寧夏南部山區(qū)降雨對土壤含水量貢獻(xiàn)及造林成活率研究時(shí)采用的擬合方法，對本試驗(yàn)區(qū)降雨量和土壤水分增量進(jìn)行回歸分析后發(fā)現(xiàn)，降雨量低于6 mm時(shí)各處理土壤含水量未增加，認(rèn)為在該區(qū)域小于6 mm的降雨不足以顯著增加土壤水分，屬無效降雨。統(tǒng)計(jì)6～10 mm日降雨量雨后土壤含水量動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)，在陰天及前期無降雨的情況下，此類型小降雨可使聚水溝溝溝底20 cm土層平均土壤含水量提高，秸稈覆蓋增加約3.2%，樹枝覆蓋約2.8%，石子覆蓋約2.1%，基質(zhì)約2.6%。認(rèn)為在該降雨量下，填充材料吸持水及攔蓄降雨影響下的土層主要分布在溝底20 cm以上土層，以秸稈和樹枝覆蓋抑制土壤水分無效損耗效果較優(yōu)。

2.1.2 日降雨量在10～25 mm時(shí)聚水溝土壤水分狀況 試驗(yàn)區(qū)6—8月，日降雨量10～25 mm的情況時(shí)常出現(xiàn)，且保證率約16.79%。聚水溝30—60 cm土層土壤含水量影響深度與對照同深度處存在明顯差異(p<0.05)，其中以石子覆蓋土壤水分垂直入滲增量最為明顯，比對照高15.8%；雨后觀測發(fā)現(xiàn)，日尺度內(nèi)此類型降雨使得聚水溝溝壁水平約30 cm，垂直190 cm以上范圍內(nèi)土壤含水量平均較對照高12.4%，聚水溝50 cm以下土層土壤含水增量隨深度增加逐漸趨于平緩，而對照隨深度增加土壤含水增量呈線性減少趨勢。

2.1.3 日降雨量在25～40 mm時(shí)聚水溝土壤水分狀況 經(jīng)成對t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，25～40 mm日降雨量下，聚水溝50 cm以上土層較對照差異不明顯，在50—60 cm土層石子覆蓋降雨前后水分增量最大，其土壤含水量較對照高23.4%，而秸稈、樹枝覆蓋與對照在同一深度處差異不顯著。聚水溝兩側(cè)約30 cm，垂直0—40 cm土層剖面土壤含水量與其初始土壤含水量差異最為明顯，各處理土壤含水增量及順序?yàn)?秸稈(4.8%)>樹枝(3.5%)>石子(3.1%)>對照(2.4%)>基質(zhì)(2.3%)。雨后觀測數(shù)據(jù)顯示，隨深度增加，聚水溝兩側(cè)垂直方向土壤含水量與對照差異越小。秸稈覆蓋聚水溝溝底土壤含水量增加最多，說明秸稈覆蓋在抑制表層土壤含水量損耗的同時(shí)釋放及輸送更多的水分?jǐn)U散濕潤周圍土壤，這種特性有利于聚水溝周圍土壤水分蓄積及植被生長。

2.2 降雨量對聚水溝溝內(nèi)及兩側(cè)土壤儲水量研究

2.2.1 降雨量對聚水溝溝內(nèi)儲水量的影響 聚水溝溝底儲水量的多少取決于降水?dāng)r蓄、蒸散耗水和土壤水分再分配幾個(gè)主要方面。與對照水平階相比，10～25 mm日降雨量下，石子、秸稈、樹枝覆蓋溝溝底30—50 cm土壤儲水增量平均較對照高9%，此時(shí)，石子覆蓋土壤儲水量高于秸稈和樹枝覆蓋約3.5%，分析是因?yàn)槭訋缀鯚o吸水性，增加的土壤水分是覆蓋物抑制土壤蒸發(fā)的結(jié)果。25～40 mm日降雨量發(fā)生保證率近16.8%，聚水溝70 cm以上土層土壤儲水量平均較水平階地高7%，其中儲水增量變化最大的50—70 cm土層，石子、秸稈、樹枝覆蓋溝內(nèi)土壤儲水增量分別較水平階地高23.4，31.7，30.5 mm，說明覆蓋措施下聚水溝土壤儲水增量不僅表現(xiàn)在溝底，70 cm以上土壤儲水量明顯優(yōu)于水平階地。在對聚水溝土壤水分變異性研究中發(fā)現(xiàn)，秸稈、樹枝覆蓋溝內(nèi)土壤含水量變異性相對較小，這對林地土壤結(jié)構(gòu)改良及土壤水分補(bǔ)給再分配上有良好的效果。

干旱半干旱區(qū)，大于40 mm的日降雨強(qiáng)度下易產(chǎn)生地表徑流，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)平均每年至少有一次大于40 mm的降雨量。針對研究區(qū)3 a的降雨量與土壤儲水量分析發(fā)現(xiàn)，聚水溝覆蓋對增加降雨攔蓄量、攔蓄儲水量重分配有積極作用。為確定自然降雨條件下土壤的最大儲水量狀況，于2012年7月8日降雨集中來臨時(shí)測定了聚水溝土壤含水量。7月9日凌晨一場40.8 mm的大雨降臨，持續(xù)至7月10日，10日累積有12.4 mm的雨量，7月12日又一場10.8 mm的小雨，4 d內(nèi)連續(xù)降雨3次共計(jì)64 mm的降雨量，由于試驗(yàn)地位于坡度較大的山上，連續(xù)降雨時(shí)段氣溫下降幅度明顯，未立即測定各處理土壤水分含量值。雨后觀測同土層深度處土壤儲水量由圖1可知，降雨連續(xù)累積發(fā)生后，聚水溝30—190 cm土層土壤儲水量較對照提高了12.6%～17.5%。

由此說來，溝內(nèi)填充物自身性質(zhì)不同是導(dǎo)致聚水溝攔蓄水量存在差異的主要原因。秸稈與石子、樹枝相比，不僅吸水能力強(qiáng)而且填充入溝后其間大孔隙很多，石子的吸水能力較差，填充入溝后之間形成孔隙也比秸稈和樹枝小，但它可以起到分散、過濾和緩沖徑流的作用，坡上產(chǎn)生的徑流入溝后會(huì)通過這些較小孔隙在溝內(nèi)分布均勻后緩慢到達(dá)溝底部，最大限度的避免了含沙水流對溝底土壤孔隙的淤塞，增加了溝內(nèi)土壤水分的入滲狀況。樹枝填充入溝后形成很大的孔隙，含有泥沙的徑流入溝后大部分直接到達(dá)溝底，在溝底緩慢淤積，對徑流在溝內(nèi)的土壤水分下滲產(chǎn)生一定的阻礙作用。其次，由于填充材料切斷了表面蒸發(fā)與下層土壤毛管聯(lián)系，加之填充的聚水材料可以起到一定的保墑作用，使水分不斷地在土壤中積累。在水平階地上開挖聚水溝，水流入溝后可以不斷入滲，不僅對淺層土壤水分變化有顯著的影響，而且降雨轉(zhuǎn)換成的土壤水更有利于深層水分的入滲及存儲，改變土壤水分分配格局，使得土壤水分分布更均勻。

圖1 64 mm累積降雨量下各處理土壤儲水量

2.2.2 降雨量對聚水溝兩側(cè)儲水量的影響 本試驗(yàn)區(qū)，雨水是棗林地唯一的補(bǔ)給水源，最大程度地將雨水儲蓄在土壤中供植物利用對抵御干旱尤為重要。穩(wěn)定的降雨入滲運(yùn)移規(guī)律與降雨類型、棗樹根系分布及生育期有關(guān)。4 a生棗樹，吸水根系分布范圍在0—60 cm，吸水根系分布對溝內(nèi)土壤水分分配關(guān)系明顯。在定量描述降雨對聚水溝周邊土壤儲水量時(shí)發(fā)現(xiàn)，聚水溝兩側(cè)30 cm，垂直距離地面30 cm深度土層儲水量較水平階高1.6%～3.9%，這可以說明覆蓋聚水溝平衡攔蓄雨水及抑制蒸發(fā)損失方面較水平階地有優(yōu)勢。

由表1可知,在25～40 mm日降雨量后發(fā)現(xiàn)，隨土層深度增加,各處理土壤儲水量均呈增加趨勢。聚水溝兩側(cè)垂直0—40 cm土層平均儲水量較水平階高16.14%。秸稈覆蓋溝兩側(cè)土壤儲水量為38.6 mm，較樹枝覆蓋多13%，較石子覆蓋儲水量多83%。秸稈覆蓋儲水量多，是因?yàn)榻斩挶旧砦芰?qiáng),而且填充入溝后其間大孔隙很多,樹枝材料本身密實(shí),但填充后空隙較大，石子在吸水性方面不占優(yōu)勢，但其在持水性方面優(yōu)于樹枝和基質(zhì)。聚水溝兩側(cè)土壤儲水量多，主要是由于聚水溝內(nèi)水分入滲運(yùn)移至兩側(cè)增加了周圍土壤水分，其這種特性有利于聚水溝周圍淺層土壤水分狀況及植被生長。

日累積降雨量大于40 mm時(shí)，雨后聚水溝兩側(cè)土壤含水量明顯較對照同土層土壤周圍水分高。聚水溝兩側(cè)影響最為顯著的30 cm×30 cm×70 cm范圍內(nèi)大于13%高水分大約可維持近一個(gè)月，該月內(nèi)土壤儲水量呈逐漸下降趨勢。此類型降雨，使聚水溝兩側(cè)垂直70 cm以上土層土壤高水分含量值最大，其土壤水分維持順序?yàn)橐?秸稈>樹枝>石子>基質(zhì)>對照。覆蓋聚水溝內(nèi)土壤水分消減量均小于對照，說明聚水溝攔蓄雨后土壤水分的運(yùn)移及再分配潛移默化的緩解了兩側(cè)棗樹耗水穩(wěn)定性，很好的為聚水溝兩側(cè)棗樹生長提供了補(bǔ)給性水源。

表1 25～40 mm降雨量下聚水溝兩側(cè)0-40 cm土層土壤儲水量 mm

注:同一因素中不同小寫字母表示差異達(dá)到0.05顯著水平。

2.3 土壤水分入滲深度狀況

在黃土高原地區(qū)，土壤水分受季節(jié)性降水、外界環(huán)境和土壤管理措施的影響較大，一般降水影響深度達(dá)2 m。本文把2013年9月136.8 mm的典型月降雨量作為探討對象，該月經(jīng)歷3次有效降雨，其中以9月1罕見的日降雨量67.2 mm為土壤水分補(bǔ)給做了重要貢獻(xiàn)。通過雨后土壤水分觀測發(fā)現(xiàn)，在無任何覆蓋的情況下，月初67.2 mm的降雨影響了溝底90 cm以上土層土壤水分的變化，而石子、秸稈、樹枝、基質(zhì)覆蓋聚水溝溝底受此次降雨的影響深度分別為110，150，150，120 cm。隨后9月6號出現(xiàn)了29.5 mm的降雨，觀測發(fā)現(xiàn)雨后水平階地土壤水分入滲至溝底110 cm處，而聚水溝溝底土壤水分入滲平均影響深度各增加了約10 cm。此后近20 d無任何降雨，9月25日24.1 mm的有效降雨量，聚水溝30—190 cm土層土壤含水量比水平階地高18.7%。圖2為136.8 mm降雨前、后各處理土壤水分入滲影響深度過程。由圖2可知，8月末，聚水溝溝底130 cm以上土層與對照土壤含水量均值約為8.5%，其間差異不明顯；聚水溝130—190 cm土層土壤含水量存在顯著差異，基質(zhì)覆蓋下溝底土壤含水量與水平階地差異相對較微弱。10月初，聚水溝100 cm以上土層土壤含水量均存在明顯的削減，以基質(zhì)、石子溝土壤水分減少較劇烈，而溝底100 cm以下土壤水分受降雨入滲、蒸散耗水及降雨過程的影響相對較小，這與填充材料本身的持蓄水性有絕對關(guān)系。秸稈和樹枝覆蓋聚水溝土壤水分在溝底160 cm以上土層均可維持10%以上相對較高的水分值。林地降雨入滲影響深度與下墊面類型及雨型有直接關(guān)系，各處理在10月份土壤水分恢復(fù)深度達(dá)到最大，雨季后聚水溝溝內(nèi)水分恢復(fù)深度在100 cm以上土層，其中秸稈溝和樹枝溝恢復(fù)深度最大達(dá)到140 cm，石子溝次之為110 cm，而水平階地恢復(fù)深度最小僅為80 cm。該月136.8 mm的累積降雨量對石子、秸稈、樹枝、基質(zhì)覆蓋溝溝內(nèi)垂直水分?jǐn)U散最大影響深度分別為120，160，160，130 cm。各處理整個(gè)土壤剖面高水分維持增量及順序?yàn)?秸稈(11.2%)>樹枝(9.8%)>對照(8.6%)>石子(8.4%)>基質(zhì)(4.3%)。分析得出，開挖聚水溝措施能在水平階地基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加土壤水分的入滲，使得溝內(nèi)土壤水分受降雨因素影響水分入滲運(yùn)移規(guī)律發(fā)生改變。

圖2 136.8 mm月降雨量前后各處理30-190 cm土層土壤水分入滲情況

3 結(jié)論與討論

聚水溝作為承接降雨的工程措施，可最大限度地?cái)r蓄雨水供植物利用。溝內(nèi)的填充物相對于裸地可以更大程度地?cái)r蓄降雨增加入滲，其本身吸持的水分不僅不斷地供給下層和四周土壤，相當(dāng)于一個(gè)臨時(shí)性水源，改善了溝內(nèi)部及周邊的土壤水分狀況。3 a研究結(jié)果顯示，自然條件下低于6 mm的降雨對覆蓋聚水溝土壤水分狀況的影響微弱，對降雨較為敏感的水平階地也只是暫時(shí)濕潤了土壤表層。日降雨在6～10 mm時(shí)，聚水溝溝底10 cm土層土壤含水量開始與對照出現(xiàn)差異，認(rèn)為試驗(yàn)區(qū)小于6 mm的降雨被視為無效降雨。

典型月累積136.8 mm的降雨量對石子、秸稈、樹枝、基質(zhì)覆蓋聚水溝內(nèi)水分入滲影響深度分別為120，160，160，130 cm，而水平階地水分影響深度為90 cm，覆蓋下秸稈和樹枝溝溝內(nèi)水分的影響深度最為顯著，其原因可能是秸稈和樹枝對水分的吸收以及雨水的阻擋作用，延長了水土相互作用的時(shí)間而增加雨水的入滲，這與趙聚寶[18]在干旱地區(qū)研究秸稈覆蓋在調(diào)控土壤供水方式時(shí)使得土壤蓄水明顯較對照多45.2～69.3 mm的結(jié)果較一致。基質(zhì)填充下聚水溝內(nèi)水分未達(dá)到預(yù)想的效果，其原因可能是其室內(nèi)的最大持水量估算較自然降水的實(shí)際攔蓄能力較大。降雨入滲影響深度與下墊面類型及雨型有直接關(guān)系，說明開挖聚水溝措施能在水平階地基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加土壤水分的入滲。降雨、入滲及土壤水分再分配是一個(gè)復(fù)雜的過程，考慮一次性降雨入滲到土壤的水分及剖面層間水分情況必須結(jié)合所選填充材料的持蓄水特性[19-20]。

目前，尋找協(xié)調(diào)降雨補(bǔ)給和蒸發(fā)損失比率措施來保證林地水分生態(tài)方面發(fā)揮的效益暫且不能統(tǒng)一定論。半干旱區(qū)降雨分配、降雨頻率及其強(qiáng)度差異大等問題，這就需要對覆蓋材料在多年降雨頻次下土壤水分入滲及再分配進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證?？紤]到隨使用年限增加，要想準(zhǔn)確掌握竹節(jié)式聚水溝技術(shù)措施在改良土壤結(jié)構(gòu)、攔蓄降水、保蓄水分等方面的特性需要長期且持續(xù)定位監(jiān)測。降雨的補(bǔ)給時(shí)期及補(bǔ)給量不是一個(gè)確定量，本文只對該區(qū)幾種典型降雨量下土壤水分狀況做了分析。因此,后期有望進(jìn)一步深入聚水溝對應(yīng)各梯度降雨量時(shí)的入滲機(jī)理耦合研究，為自然狀態(tài)下提高降雨利用率及經(jīng)濟(jì)林營造管理提供理論支撐。

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Soil Moisture of Rainwater Harvesting Ditches Under Different Rainfall Conditions in the Hilly Loess Region

ZHANG Xue1, DONG Jianguo1, WANG Youke1,2, GUO Xuxin3, ZHAO Ying3, WEI Xindong1,4

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.VocationalTechnicalCollegeofYangling,Yangling,Shaanxi712100,China; 4.CollegeofResources,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China)

To improve the effective utilization rate of rainfall in the loess hilly region of north Shaanxi Province, this paper examined the conservation effect of rainwater harvesting ditchs (RHD) filled with gravel, straw, branch or matrix compared with level terrace. The results showed that soil moisture presents no increase in the RHDs under the rainfall lesss than 6 mm. When the rainfall ranged from 6 to 10 mm, soil moisture content exhibited significant differences in 10 cm soil layer of RHD(p<0.05). Under the condition of 25～40 mm rainfall, the average water content is 16.14% higher than the control in the vertical 0～40 cm soil layer on both sides of RHDs, the amounts of increment soil moisture by RHDs were in the order of straw(4.8%)>branch(3.5%)>stone(3.1%) >reference(2.4%)>matrix(2.3%). According to the data of disposable dammed-up, the water storage increased by 12.6%～17.5% in the 30—190 cm soil layer after daily above 40 mm rainfall compared to the control, more than 13% of water moisture can be maintained for nearly a month in 30 cm×30 cm×70 cm distance on both sides of RHD when there is no rain in the later period. The water influence depths of gravel, straw, branch, matrix ditches are 120, 160, 160, 130 cm, respectively, under the condition of 36.8 mm of typical month accumulative rainfall. In summary, RHDs filled with straw or branch not only improve water infiltration, at the same time, but also promote surrounding water distribution and storage， which shows better effects than the filled gravel or matrix.

soil moisture; rainfall infiltration; rain water harvesting ditch; hilly loess region

2014-07-11

2014-09-10

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“山地紅棗生態(tài)經(jīng)濟(jì)林增效關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(201404709);陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃課題“山地紅棗旱作優(yōu)質(zhì)高效栽培技術(shù)集成與示范”(2013KTZB02-03-02);國家科技支撐計(jì)劃課題“西北干旱半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)大學(xué)農(nóng)業(yè)科技服務(wù)模式關(guān)鍵技術(shù)集成與示范(2013BAD20B03)

張雪(1989—),女,寧夏中衛(wèi)人,碩士研究生,主要從事節(jié)水灌溉新技術(shù)研究。E-mail:zxheyeh@126.com

汪有科(1956—),男,甘肅民勤人,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事黃土高原林草植被建設(shè)理論與技術(shù)研究。E-mail:gjzwyk@vip.sina.com

S157.9

1005-3409(2015)02-0129-07