何子淼,肖培青,郝仕龍,楊春霞

(1.華北水利水電大學(xué),資源與環(huán)境學(xué)院,450045,鄭州;

2.黃河水利科學(xué)研究院,水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室,450003,鄭州;3.南陽師范學(xué)院,南水北調(diào)中線水源區(qū)水安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,473061,河南南陽)

黃土高原是世界上水土流失最嚴重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)。土壤水分作為地下水、地表水、大氣水聯(lián)系的紐帶[12],在水資源形成、轉(zhuǎn)換、消耗、循環(huán)的過程中起著重要作用[34],對植被的生長有顯著影響,一直是制約區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)的關(guān)鍵因子。

土壤水分是水分入滲量與蒸發(fā)耗散量共同作用的結(jié)果,受降雨與蒸發(fā)的季節(jié)性變化影響,土壤水分表現(xiàn)為明顯的季節(jié)性變化特征[57]。陳洪松等[2]的研究結(jié)果表明,黃土高原溝壑區(qū)荒草地和裸地的土壤水分循環(huán)特征隨季節(jié)的變化可以劃分為3個時期,即春季失墑期、夏秋增失交替期、冬季相對穩(wěn)定期。寧婷等[5]在黃丘區(qū)上黃生態(tài)試驗站的研究結(jié)果表明,區(qū)域土壤水分儲量的季節(jié)變化表現(xiàn)為先減少后增加的為“V”型變化趨勢。由于地形等因素的影響,土壤水分表現(xiàn)為垂直方向上變異性特征和水平空間的相關(guān)性特征。王瑜等[8]研究陜北黃土區(qū)不同林地類型土壤水分垂直變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)人工油松林地及山杏林地土壤水分隨土層深度的增加呈逐漸減少趨勢,人工沙棘林地及荒草地土壤水分隨土層深度的增加呈逐漸增加趨勢。王軍等[9]結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS),利用地統(tǒng)計學(xué)方法研究了黃土丘陵區(qū)小流域土壤水分的空間結(jié)構(gòu)特征,認為土壤水分的分布與空間結(jié)構(gòu)特征具有強烈和中等程度的空間自相關(guān)性。目前關(guān)于野外土壤水分運動的研究側(cè)重于降雨前后土壤水分的變化規(guī)律,以雨后觀測數(shù)據(jù)為主。關(guān)于降雨過程中土壤水分變化的研究較少,尤其是暴雨作用下土壤水分運動的規(guī)律不很多,研究降雨與土壤水分之間的關(guān)系對闡明土壤水分再分布、有機質(zhì)遷移過程的模擬有著重要的作用[7,10]。鑒于此,本文對野外坡面進行定位觀測,并結(jié)合人工降雨模擬試驗,研究降雨過程中土壤水分垂直變化規(guī)律與空間變異特征,闡明暴雨對土壤水分變化規(guī)律的影響,為黃丘區(qū)坡面水資源高效利用及植被恢復(fù)和生態(tài)重建提供科學(xué)依據(jù)與理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在天水市羅玉溝水土保持科學(xué)試驗站,位于甘肅省天水市北郊。羅玉溝流域地處E 105°30′～105°45′,N 34°34′～34°40′之間,是黃河流域渭河一級支流籍河的一條支溝(圖1),屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第3副區(qū),為典型的黃土丘陵地形地貌,溝壑密度3.54 km/km2。該流域?qū)贉貛Т箨懶詺夂蚝蛠啛釒夂虻倪^渡地帶,年平均氣溫為7～11℃,多年平均降雨量約533.7 mm,其中5—10月的降雨量約占年降雨量的80%,且多以暴雨形式出現(xiàn),降雨范圍小,歷時短,強度大。該區(qū)多年平均侵蝕模數(shù) 5 510 t/(km2·a)。

流域土壤類型主要為褐土、黑壚土和紅黏土,土壤結(jié)構(gòu)疏松多孔,總的孔隙度約為50%,可耕性良好,但板結(jié)嚴重,通氣透水性能較差;土壤具有綿酥性,結(jié)持力小,抗蝕性差。土壤剖面具有明顯的分層現(xiàn)象,大致可劃分為3層：A層,一般厚度20～25 cm,質(zhì)地為輕壤,多為粒狀到細核狀結(jié)構(gòu);B層,厚度50～80 cm,質(zhì)地為中壤,核狀結(jié)構(gòu),較密實;C層,根據(jù)母質(zhì)類型而有較大的變異,如黃土狀母質(zhì)則疏松而深厚等。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

圖2 小區(qū)布設(shè)Fig.2 Experimental setup

2 試驗設(shè)計與研究方法

2.1 試驗小區(qū)

經(jīng)實地查勘和比選,選定在羅玉溝流域下游一塊天然撂荒地坡面布設(shè)野外試驗小區(qū),小區(qū)坡度約15°,海拔約1 500 m。小區(qū)地表植被以草類為主,主要有小冠花(Coronilla varia L.)、龍須草(Juncus effusus),覆蓋度約30%。試驗小區(qū)共10個,長10 m,寬2 m,面積為20 m2(圖2)。

2.2 試驗裝置

試驗降雨裝置采用QYJY-501人工模擬降雨系統(tǒng)設(shè)備,由主控器、水泵、降雨噴頭、雨量計和數(shù)據(jù)下載分析軟件等部分組成。降雨裝置通過雨量計數(shù)據(jù)對降雨進行實時反饋調(diào)控,所形成的降雨在降雨強度、雨滴落速、雨滴粒徑等方面與天然降雨有80%以上的相似度。根據(jù)以往研究關(guān)于降雨對土壤影響的深度[1113],確定本研究土壤水分測量的范圍為0～100 cm。土壤水分采用土壤剖面水分測定儀(PR2/6)進行檢測,儀器使用先進的FDR技術(shù),在1根探桿上同時分布6個土壤水分探頭,實現(xiàn)同地點 10、20、30、40、60、100 cm 深度處土壤體積含水量的測定。同時在試驗站用烘干法測定小區(qū)土樣土壤含水量,對土壤剖面水分測定儀檢測數(shù)據(jù)進行檢驗、校正。

2.3 試驗設(shè)計

試驗時間為2016年7—9月。根據(jù)當?shù)夭荼槐桓蔡卣?在3、4、8、10小區(qū)上中下3處位置布設(shè)觀測點,用以觀測土壤剖面水分。天然狀態(tài)下,每天早上、傍晚2個時段連續(xù)對試驗小區(qū)土壤水分進行動態(tài)觀測。降雨試驗中,根據(jù)當?shù)丶竟?jié)降雨特征,選擇模擬降雨強度為90 mm/h,降雨歷時為60 min。每場次降雨至少重復(fù)1次,然后根據(jù)試驗現(xiàn)場情況和試驗結(jié)果進行補充試驗,共進行10場降雨試驗。降雨前,先用雨布遮蓋小區(qū),降雨強度率定后,撤掉雨布,開始試驗;試驗中,利用擋風(fēng)棚減弱風(fēng)因素的影響。

2.4 數(shù)據(jù)采集與方法

2.4.1 土壤物理性狀 土壤物理性狀對土壤水分運動有重要影響,試驗前,測定不同深度的土壤物理性狀。用密封袋依次采集不同深度土壤顆分樣品土樣,在黃科院工力學(xué)所用激光粒度儀法進行顆粒分析。土壤飽和導(dǎo)水率數(shù)據(jù)采用SW080B土壤張力入滲儀獲取不同土層深度飽和導(dǎo)水率,每個土層深度飽和導(dǎo)水率為同一土層獲取的3組數(shù)據(jù)的平均值。土壤密度測定采用環(huán)刀法,對采集點土壤進行取樣,烘干、稱量后獲得的土壤密度約為1.38 g/cm3。不同土層深度的土壤物理性狀見表1。

2.4.2 土壤水分 土壤水分數(shù)據(jù)的測量包括2個階段,第1階段為天然狀態(tài)下野外坡面動態(tài)監(jiān)測階段,獲得210組數(shù)據(jù);第2階段為模擬降雨階段,獲得216組數(shù)據(jù)。根據(jù)變異系數(shù)Cv和標準差S 2個指標,應(yīng)用Excel實現(xiàn)土壤水分差異性層次的劃分,其計算公式分別為：

2.4.3 產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量 試驗過程中,利用徑流桶對徑流泥沙樣進行收集,每隔2 min收集1次,持續(xù)到試驗結(jié)束;試驗后,通過標準桶體積測量獲取徑流量,采用烘干法與比重法相互校正的方法,獲得產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。

表1 不同土層深度的土壤物理性狀Tab.1 Physical properties of soil for different soil layers

3 結(jié)果與分析

3.1 天然條件下土壤水分垂直運動變化特征

土壤水分的垂直變化受降雨入滲、地下水補給以及蒸散過程的影響[1415],與土壤結(jié)構(gòu)、土壤物理性質(zhì)、氣候、觀測時間、地表被覆、地形等因素也密切相關(guān)[1618]。不同剖面土壤水分垂直變化的定量化描述一般采用變異系數(shù)和標準差2個指標,將剖面土壤水分垂直變化的層次劃分為：速變層(Cv＞30%和標準差S＞4)、活躍層(Cv=20% ～30%和標準差S=3～4)、次活躍層(Cv=10% ～20%和標準差S=2～3)和相對穩(wěn)定層(Cv＜10%和標準差S＜2)[23]。土壤水分的標準差(S)和變異系數(shù)(Cv)反映了各土層土壤水分運動的活躍程度,土壤水分的方差和變異系數(shù)越大,意味著該層土壤水和大氣水交替變換越頻繁[5]。

根據(jù)野外坡面土壤水分動態(tài)監(jiān)測結(jié)果,計算不同土層深度的土壤水分標準差和變異系數(shù),研究區(qū)坡面土壤水分垂直變化層次可以劃分為4層(表2),0～10、10～20 cm土層范圍為速變層,20～30 cm土層范圍為活躍層,30～40 cm土層范圍為次活躍層,40～60、60～100 cm土層范圍為相對穩(wěn)定層。由表2可見,40 cm土層深度是土壤水分活躍層和相對穩(wěn)定層的分界線,土壤水分與外界交換的土層主要集中在0～40 cm范圍內(nèi);研究結(jié)果表明,標準差和變異系數(shù)隨土層深度的增加,總體呈現(xiàn)不斷減小的趨勢,但在10～20 cm土層范圍內(nèi)出現(xiàn)突變,這一現(xiàn)象可能與地表土壤形成板結(jié)或結(jié)皮有關(guān)。與陳洪松等[2]在黃土區(qū)的研究結(jié)果相比,土壤水分垂直變化均可劃分為4層,不同之處為黃土丘陵區(qū)速變層、活躍層深度增大,原因可能為黃土區(qū)研究結(jié)果為6—8月,而黃丘區(qū)野外坡面的研究在7—9月,氣溫不同,蒸發(fā)量不同,進而對土壤水分運動產(chǎn)生影響。

3.2 天然條件下土壤水分空間分布變異特征

坡面土壤水分的空間分布主要受土層深度和地形位置的影響。圖3示出土壤含水量在土層中的垂直分布情況,短線為該組數(shù)據(jù)的標準誤差,標準誤差最大值為0.52,平均值為0.27。圖3和圖4中同一坡位的土壤水分變化曲線表明,土壤水分在土層中的分布表現(xiàn)為,隨土層深度的增加,土壤水分整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。0～40 cm土層范圍內(nèi),土壤水分層間差異性較大,40～60 cm土層范圍與60～100 cm土層范圍,土層間土壤水分差異性較小。王瑜等[8]在陜北黃土區(qū)的研究認為,土壤水分隨土層深度的變化呈線性相關(guān)關(guān)系,土壤水分波動在70 cm深度處才趨于穩(wěn)定并逐漸減小。與本文結(jié)果略有不同,分析原因認為,土壤水分在土層中的分布是土壤分子力、毛管力和重力共同作用的結(jié)果,與土壤質(zhì)地有密切關(guān)系。該研究區(qū)土壤有典型的分層現(xiàn)象,對比發(fā)現(xiàn),研究區(qū)土壤水分含量變化節(jié)點與土壤分層厚度具有一致性。

表2 野外坡面不同深度土壤含水量垂直變化Tab.2 Vertical variation of soil moisture at different depths of slope

圖3 不同深度土壤水分垂直分布(平均值±標準誤差)Fig.3 Vertical distribution of soil moisture at different soil depths(Mean±SE)

圖4 不同深度土壤水分變異系數(shù)Fig.4 Variation coefficient of soil moisture at different soil depths

對不同時段不同坡位土壤含水量差異性分析,表明不同坡位間土壤水分分布的變化具有顯著的空間變異特征,上坡位與中坡位顯著性水平P=0.03,中坡位與下坡位顯著性水平位P=0.04,上坡位與下坡位顯著性水平P=0.01。不同坡位間相同土層土壤含水量在0～20 cm土層范圍內(nèi)差異性較大,隨土層深度的增加,不同坡位間相同土層土壤含水量差異性不斷縮小,且變化方向趨于一致。在0～20 cm土層范圍內(nèi),上坡位土壤水分含量相對較低。安裝土壤剖面水分測量管時,發(fā)現(xiàn)試驗小區(qū)上坡位10～20 cm深度處存在砂漿層,由于砂漿層吸水、保水能力較差,導(dǎo)致該層土壤含水量相對較低。

3.3 暴雨作用下不同層次土壤水分變化特征

降雨過程中,土壤水分觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果見表3,與表2對比,可以發(fā)現(xiàn)連續(xù)降雨過程中土壤水分垂直變化與天然狀態(tài)時相比有明顯差別。降雨過程中,0～100 cm深度范圍內(nèi)土壤水分方差和變異系數(shù)都顯著增大,并且次活躍層土層范圍擴大、穩(wěn)定層消失,這表明降雨能增加土壤水分的活躍程度。不同土層土壤水分含水量方差最大值為7.87,最小值為1.65,變異系數(shù)最大值為61.28%,最小值為11.4%,兩者之間的差值明顯增大;從方差和變異系數(shù)增加的比率來看,降雨增大土層間變異性的差異,但隨土層深度的增加,降雨對土壤水分活躍程度的影響逐漸減弱;30 cm土層深度以上部分,相鄰?fù)翆拥姆讲詈妥儺愊禂?shù)差別較大,30 cm土層深度以下部分,相鄰?fù)翆臃讲詈妥儺愊禂?shù)差別較小,表明降雨對土壤水分活躍性的影響主要表現(xiàn)在0～30 cm土層范圍內(nèi)。

表3 降雨過程中土壤剖面土壤含水量動態(tài)變化Tab.3 Dynamic changes of soil moisture in soil profile under continuous rainfall

降雨入滲對土壤水分的補給與再分布是1個由淺入深的緩慢變化過程,具體表現(xiàn)為深層土壤水分補給的時間延遲性和不同位置土壤水分再分布的變異性[5,14]。根據(jù)降雨過程中觀測的數(shù)據(jù),繪制出降雨過程中不同坡位、各層土壤體積含水量隨時間變化的曲線(圖5、圖6和圖7)。

圖5 上坡位降雨過程中不同土層深度土壤含水量變化Fig.5 Variation of soil moisture during rainfall on uphill slope at different soil depths

圖6 中坡位降雨過程中不同土層深度土壤含水量變化Fig.6 Variation of soil moisture during rainfall on midhill slope at different soil depths

圖7 下坡位降雨過程中不同土層深度土壤含水量變化Fig.7 Variation of soil moisture during rainfall on downhill slope at different soil depths

對比不同深度土壤含水量變化可以發(fā)現(xiàn),降雨后,不同深度土層土壤含水量表現(xiàn)出不同的起伏變化過程。0～10 cm土層土壤含水量對降雨的反應(yīng)最為迅速,從降雨開始,該土層范圍土壤含水量就迅速增加;隨著降雨的持續(xù),不同深度土層土壤含水量依次出現(xiàn)增加趨勢,只是相鄰?fù)翆娱g土壤含水量出現(xiàn)增加的時間間隔不斷增大,增加速度不斷趨緩。這體現(xiàn)了降雨作用下不同土層深度土壤水分隨時間的變化過程,即雨水從表層土壤開始向下入滲,穿過相同厚度的土層,土層深度越深,需要的時間越長,流經(jīng)的水量越少。表明水分在土壤中的流動并不均勻,存在梯度性差異。

試驗過程中,0～30 cm土壤含水量在降雨前期增加較快,中間時段增加速度趨緩,后期甚至出現(xiàn)下降的趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是不同土層土壤前期含水量不同,土壤水分變化與土層中所受作用力及水分的運動速度有關(guān)。降雨初期,水分在分子力、毛管力和重力共同作用下快速下滲,其中以毛管力作用為主,隨著降雨的繼續(xù),地表土壤逐漸被浸潤、濺散,土壤毛管開始被濺散的泥土堵塞,同時表層土壤水分增加,吸水能力下降的影響,表層土壤入滲的速度不斷下降,伴隨表層土壤水分向下的滲透,表層土壤含水量增速逐漸減慢;在這個過程中,表層土壤水分入滲補給不斷減緩,并且不斷向深層土壤滲透,呈現(xiàn)出深層土壤水分補給時間與降雨時間的不一致性。根據(jù)野外土壤剖面觀測和不同深度土層土壤顆粒分析,該區(qū)土壤有明顯的分層現(xiàn)象,淺層土壤質(zhì)地為輕壤,深層土壤為較密實的核狀結(jié)構(gòu),不同層次的土壤水分運動與土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)也密切相關(guān)。與天然情況下相比,除0～30 cm土層土壤水分變化明顯外,其余各土層間土壤水分間距變化不大,且降雨中各土層間水分變化曲線交叉較少,說明降雨入滲增加了各土層土壤含水量,但是,對各層間土壤含水量在整體土層范圍中土壤含水量的占比影響較小。

與圖4相比,圖8降雨過程中不同坡面的變異系數(shù)差異不很明顯。由圖5、6、7發(fā)現(xiàn),降雨過程中坡位對土壤水分的影響主要體現(xiàn)在降雨后期,此階段中坡位相較于上坡位,土壤水分下降速度趨緩,下坡位相較于中坡位,土壤水分下降速度更緩,0～20 cm土層范圍土壤含水量還略有上升。土壤含水量存在下坡位＞中坡位＞上坡位的現(xiàn)象,分析原因,在蒸發(fā)耗散量相同的情況下,坡位對土壤水分的影響主要體現(xiàn)在產(chǎn)流性降雨過程中,由于雨水自上而下運動,下坡位接受雨水的時間增長,入滲量增多,土壤含水量也就較大。入滲量差異的大小與坡長、坡度密切相關(guān)。對降雨過程中不同坡位土壤含水量分布的差異性分析,各坡位間顯著性水平P值均小于0.01,表明降雨過程過程中不同坡位土壤含水量差異性極顯著。

圖8 降雨過程中不同深度土壤水分變異Fig.8 Changes of soil moisture during rainfall at different soil depths

3.4 土壤水分變化與產(chǎn)流、產(chǎn)沙關(guān)系

土壤水分變化對坡面徑流和侵蝕產(chǎn)沙過程有一定影響。上述研究成果表明,降雨對土壤水分的影響主要表現(xiàn)在0～30 cm土層范圍內(nèi),因而,重點分析0～30 cm土層范圍平均土壤含水量變化與產(chǎn)流、產(chǎn)沙的關(guān)系。

由圖9可見：隨降雨的持續(xù),土壤含水量與產(chǎn)流速率總體呈同步增加的變化趨勢。0～30 min內(nèi),土壤含水量和產(chǎn)流速率增加迅速;30～50 min內(nèi),土壤含水量和產(chǎn)流速率增加速度趨于平緩;50～60 min階段,土壤含水量出現(xiàn)略微的下降,產(chǎn)流速率進一步增大、并趨于穩(wěn)定。降雨中,忽略蒸發(fā)因素的影響,雨水一部分入滲形成土壤水,另一部分在地表匯聚形成徑流,隨著土壤的浸潤、飽和,土壤水分增加的速率不斷減小,相應(yīng)的產(chǎn)流速率增加速度趨緩。由圖10可見：產(chǎn)沙速率隨土壤含水量的變化總體呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢,降雨0～20 min內(nèi),產(chǎn)沙速率略微上升;20～40 min內(nèi),產(chǎn)沙速率快速下降;40～60 min內(nèi),產(chǎn)沙速率緩慢下降。形成這種變化趨勢的原因是,降雨初期由于土壤表面疏松,地面物質(zhì)補給能力強,產(chǎn)生較大的產(chǎn)沙量,隨著土壤含水量不斷增加,地表土壤不斷被浸潤,伴隨著徑流速率增加緩慢的趨勢,坡面產(chǎn)沙速率呈下降的趨勢。降雨40 min之后,隨著表層土壤不斷被侵蝕,坡面形態(tài)相對發(fā)育穩(wěn)定,盡管土壤含水率呈現(xiàn)出上升的趨勢,坡面產(chǎn)沙速率卻表現(xiàn)出下降的趨勢。

圖9 土壤含水量與產(chǎn)流變化關(guān)系Fig.9 Relationship between soil moisture and runoff

4 結(jié)論

1)天然狀態(tài)下野外坡面土壤水分動態(tài)監(jiān)測結(jié)果表明,土壤水分的垂直變化可以劃分為速變層、活躍層、次活躍層和相對穩(wěn)定層,土壤水分隨土層深度的增加,呈現(xiàn)先增大后減小、先變化大后變化小的趨勢,且0～40 cm土層范圍內(nèi)差異較大。

2)暴雨作用下不同層次土壤水分的活躍性明顯增加,降雨對土壤水分活躍性的影響主要表現(xiàn)在0～30 cm土層范圍內(nèi),且隨土層深度的增加,降雨對土壤水分活躍程度的影響逐漸減弱。模擬降雨中土壤水分隨時間變化表現(xiàn)快速上升期、穩(wěn)定期、略微下降期3個階段,土壤含水量明顯存在下坡位＞中坡位＞上坡位的現(xiàn)象。土壤水分在不同土層土壤中的流動存在梯度性差異和非均勻性特征。

圖10 土壤含水量與產(chǎn)沙變化關(guān)系Fig.10 Relationship between soil moisture and sediment yield

3)土壤水分與坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙的變化趨勢不完全相同,坡面產(chǎn)流速率與0～30 cm土層范圍平均土壤含水量呈同步增加的趨勢,產(chǎn)沙速率呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢。

土壤水分運動影響因素錯綜復(fù)雜,本文利用野外監(jiān)測和模擬降雨試驗在現(xiàn)有的條件下對坡面水分運動變化特征進行探討,還有待結(jié)合更多的試驗觀測,進一步揭示不同下墊面條件不同降雨特征下的土壤水分變化機制。