陳 雪, 宋婭麗, 王克勤

(西南林業(yè)大學 生態(tài)與水土保持學院, 昆明 650224)

土壤水分是衡量土壤質量高低的重要指標[1]，也是坡耕地農業(yè)生產中的主要限制因子，其含量的多少和分布能直接影響作物產量的形成[2-3]。土壤貯水量可以系統(tǒng)地研究不同時段坡耕地的土壤水分利用情況，反映了土壤水分的真實值[4]，可通過土壤體積含水量與土壤厚度的乘積得到[5]。已有研究[6]表明，采取合理水土保持措施可以有效減輕風蝕和水蝕，增加土壤蓄水保墑能力。如郭清毅[7]和鄭洪兵[1]等研究表明，保護性耕作結合深松能有效改善耕層結構，顯著提高土壤含水量及貯水量，提高自然降水利用效率。楊永輝等[8]研究認為植被的恢復與重建改善了土壤結構、提高了土壤入滲性能和坡面降雨利用潛力。賀慧丹等[9]以三江源瑪沁縣高寒草甸為研究對象，研究了封育和未封育措施下土壤平均貯水量，表明封育措施一定程度上提高了高寒草甸土壤貯水量，利于水源涵養(yǎng)?？梢姡_展特定水土保持措施下土壤貯水量的研究對于區(qū)域高效利用自然降水、提高自然降水利用效率和增加作物產量具有重要意義。

等高反坡階作為坡耕地水土保持控制措施之一，可有效減少水土流失增加入滲，其機理在于可直接蓄水減沙，對坡面降水進行再分配，同時阻止泥沙的產生，從而對產生的徑流和泥沙起到調控作用[10-11]。目前有關等高反坡階對坡耕地水土流失的調控作用研究多集中于減流減沙效應、面源污染輸出特征、土壤碳庫等方面[12-15]，而對等高反坡階處理下坡耕地土壤貯水量的研究鮮有報道。滇中昆明松華壩水源區(qū)迤者小流域內山區(qū)半山區(qū)面積占總面積的95%以上，耕地面積近6 500 hm2，一半以上為坡耕地[10]。云南干濕季節(jié)分明，降雨主要集中于5—10月的雨季，而旱季(11月—次年4月)降雨量極少，更是加劇了坡耕地雨期嚴重水土流失和旱期的干旱。因此，本試驗選取滇中昆明市北郊的松華壩水源區(qū)迤者小流域為研究區(qū)，通過野外定位監(jiān)測與室內測試分析相結合的方法，分析2017年5月1日—2018年4月30日期間不同季節(jié)下各土層深度處(20，40，60，80，100 cm)土壤貯水量變化規(guī)律，探討土壤貯水量特征及其與其他物理性質的關系，以期為滇中松華壩水源區(qū)節(jié)水抗旱及保水蓄水技術的推廣應用提供理論依據。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

迤者小流域位于昆明市盤龍區(qū)滇源街道西南部，大部分屬于迤者村委會范圍，地位于北緯24°14′43″—25°12′48″，東經102°48′37″—102°44′51″。小流域呈不規(guī)則紡錘形，南北長6.7 km，土地總面積13.26 km2。小流域東連金鐘村，西部、南部與富民縣毗鄰，北到阿子營鄉(xiāng)交界。為滇池水系盤龍江一級支流源頭區(qū)，地勢總體西北高東南低，最高海拔2589.5 m，位于流域西南部野貓山，最低海拔2 010 m，位于流域河流出口處，相對高差479.5 m，平均海拔2 220 m。地面坡度西北和東部河流出口處較緩，坡度大多為5°～25°，平均坡長約1 000 m；西部、南部和東北端受河流切割影響，坡度較陡，坡度多數(shù)為10°～36°，平均坡長約為600 m。氣候特點夏秋溫熱，冬春干涼，屬北亞熱帶和暖溫帶混合型氣候，多年平均氣溫13.8℃。流域內多年平均降雨量757.2 mm，其中5—10月為雨季，降雨量約占全年的85%以上。該流域內土壤主要為紅壤，占流域土地總面積的89.3%。土壤pH值4.39，土壤有機質含量約為5.39 g/kg，土壤中速效性鉀的含量約為659.44 mg/kg。表層土壤全氮含量約為0.94 g/kg，水解氮含量120.95 mg/kg。表層土壤全磷含量約為0.35 g/kg，速效磷含量92.39 mg/kg。

1.2 樣地選擇與樣品的采集

試驗地位于昆明市松華壩水源區(qū)迤者小流域，根據該地區(qū)地形條件，選擇一塊典型坡耕地進行試驗布設。試驗樣地包括原狀對照坡耕地和2009年布設的等高反坡階處理坡耕地，分別編號為1#，2#小區(qū)，樣地示意圖見圖1A。坡度均為15°，東西坡向，中坡位。等高反坡階設置階寬1.2 m，反坡5°，兩條等高反坡階之間距離為7.5 m，等高反坡階剖面示意圖見圖1B。

在原狀對照和等高反坡階處理坡耕地上，于2017年4月沿坡面在坡上、坡中和坡下分別各選擇3塊樣地，每塊樣地沿對角線設置5個1 m×1 m的樣方。然后挖1 m深的土壤剖面，按照0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm共6個土層分別取樣，用于測定土壤物理背景值，文中所有數(shù)據均為3次重復平均值。

圖1 樣地平面及等高反坡階示意圖

1.3 樣品的測定

1.3.1 土壤物理背景值的測定 土壤物理性狀對土壤水分運動有重要影響[16]，試驗前，測定不同土層深度的土壤物理性狀，測定方法如下：

土壤容重采用環(huán)刀法，環(huán)刀體積100 cm3。降雨前取樣，取0—100 cm土層容重，每個小區(qū)均取三點樣，用平均值代表小區(qū)容重。

總孔隙度ρ=(93.947-32.995d)×100%[17]，d為土石混合體容重；毛管孔隙度采用室內環(huán)刀原狀土吸水法測定；通氣孔隙度為總孔隙度減去毛管孔隙度。

粒徑組成分析采用馬爾文MS 2000激光粒度分析儀測定，土壤質地采用卡慶斯基制分類標準。試驗土樣經過如下預處理：加10%的H2O210 ml煮沸至反應平靜，冷卻；加10%鹽酸10 ml煮沸，注入蒸餾水，靜置一夜。抽去蒸餾水，洗去過量的鹽酸，反復清洗，徹底清除酸離子。所有樣品在測試前都加入10 ml的0.5 mol/L六偏磷酸鈉，用超聲波進行分散[18]。

土壤飽和導水率(Ks)采用室內環(huán)刀定水頭法，水頭高控制在5 cm。

不同土層深度的土壤物理性狀見表1。

表1 不同土層深度的土壤物理性狀

注：A表示原狀坡耕地，B表示等高反坡階處理坡耕地。

1.3.2 降雨特征觀測及土壤水分的測定 觀測記錄試驗年度內次降雨量，使用自記雨量計(美國，型號RG2-M)記錄降雨過程，并對降雨過程進行分析。根據云南省多年平均降雨量劃分，將5—10月劃分為雨季，降雨量約占全年的85%以上；11月—次年4月劃分為旱季，降雨量僅為全年的15%。

為了對滇中松華壩水源區(qū)紅壤坡耕地不同坡位的土壤水分變化進行實時動態(tài)監(jiān)測，在昆明迤者小流域典型坡耕地徑流小區(qū)的坡面上布設6組TDR儀(美國Soilmoisture 公司生產的mini Trase土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，型號6050X3)探頭。監(jiān)測深度為0—100 cm，每20 cm為1層，共分為5層，各個點位40—100 cm深度土壤水分使用直接埋在各處的TDR儀探頭測定，表層20 cm深度土壤水分使用直插式波導管(美國，型號6002F1)直接插入坡耕地表層進行測定，測定前用烘干法對TDR儀進行標定。本研究采用2017年5月1日—2018年4月30日期間的土壤含水量監(jiān)測數(shù)據，雨季逐日監(jiān)測，旱季每15 d監(jiān)測1次，研究在不同土層深度處的土壤水分變化情況，本文所描述的含水量均為體積含水量。

1.3.3 土壤貯水量的計算 自然條件下一定厚度的土壤所能容納的實際含水量，以mm降水量表示，計算公式[5]如下：

v=h×θ/10

(1)

式中：v為土壤貯水量(mm)；h為土層厚度(cm)；θ為土壤體積含水量(cm3/cm3)。

1.4 數(shù)據處理與分析

采用Excel 2010軟件進行數(shù)據初步處理與分析，并采用SPSS 21.0軟件中單因素方差分析(One-way ANOVA)方法分析等高反坡階對不同土層土壤容重、孔隙度、土壤質地、飽和導水率及土壤體積含水量影響，檢驗顯著性并做多重比較。采用Excel 2010軟件和Auto CAD 2007軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 降雨特征分析

降雨特征包括降雨量、降雨強度等指標[19]，本研究降雨強度選取最大30分鐘雨強(I30)。圖2為試驗年份(2017年5月—2018年4月)各月降雨量及I30分布特征。2017年的降雨總量為576.9 mm，較多年平均年降雨量613.9 mm低37 mm，總體上來說，2017年屬枯水年。雨季2017年5月1日—10月31日降雨量為528.5 mm，占試驗年降雨量的92.7 %，其中6月、7月、8月份降雨量較多，分別為105.6，114.6，131.2 mm，占雨季降雨量的20.0%，21.7%，24.8%，總量占雨季降雨量的66.5%。旱季2017年11月1日—2018年4月30日降雨量為41.5 mm，僅占試驗年降雨量的7.3%，其中1月、2月、3月份降雨量較少，分別為1.6，0.0，4.6 mm，占旱季降雨量的3.9%，0.0%，11.1%，總量占旱季降雨量的14.9%。從圖2中可以看出降雨量與I30的整體變化趨勢一致，最大降雨量出現(xiàn)在8月，最大I30出現(xiàn)在7月，最小降雨量和最小I30均出現(xiàn)在2月。

圖2 2017年5月-2018年4月各月降雨特征

2.2 等高反坡階下土壤貯水量的垂直變化規(guī)律

表2為試驗年雨季和旱季原狀坡耕地和等高反坡階處理坡耕地在不同土層深度的土壤貯水量，各土層深度處的土壤貯水量由坡面上中下3個坡位各土層深度逐日平均貯水量平均得到。在雨季，原狀坡耕地20，40，60，80，100 cm深度處土壤貯水量分別為49.90，93.12，130.62，144.40，186.40 mm(表2)，布設等高反坡階后，各土層深度下土壤貯水量分別增加了13.5%，10.4%，10.3%，11.2%，9.6%；在旱季，原狀坡耕地20，40，60，80，100 cm深度處土壤貯水量為32.82，73.44，94.68，89.52，125.60 mm，布設等高反坡階后，各土層深度下土壤貯水量分別增加了23.3%，23.9%，13.6%，17.5%，10.0%?？傮w上看，坡耕地布設等高反坡階后，各土層平均土壤貯水量均顯著增加(p<0.05)，其中布設等高反坡階對20 cm和40 cm土層的改善效果優(yōu)于其他土層，對坡耕地土壤貯水量的影響力表現(xiàn)為40 cm>20 cm>60 cm>80 cm>100 cm。

布設等高反坡階后坡耕地各深度處土壤貯水量變異系數(shù)明顯減小(p<0.05)，在雨季，原狀坡耕地20，40，60，80，100 cm深度處土壤貯水量變異系數(shù)為22.49%，8.09%，3.05%，1.64%，0.80%，布設等高反坡階后，各土層深度下土壤貯水量變異系數(shù)分別減小了7.16%，0.87%，9.18%，7.32%，31.25%；在旱季，原狀坡耕地20，40，60，80，100 cm深度處土壤貯水量變異系數(shù)為19.34%，8.00%，2.60%，1.15%，0.51%，布設等高反坡階后，各土層深度下土壤貯水量變異系數(shù)分別減小了2.33%，15.63%，1.54%，3.48%，7.84%。這表明，在降雨量相對充沛的時期，土壤含水量相對較高，土壤貯水量變異程度較高；旱季由于降雨量較小，土壤含水量相對較低，土壤貯水量變異程度略小。另外，隨著坡耕地土層深度的增加，變異系數(shù)逐漸減小，各土層深度下土壤貯水量變異系數(shù)的大小為：20 cm>40 cm>60 cm>80 cm>100 cm。這主要是由于表層土壤水分受降雨、徑流、入滲、蒸發(fā)等外界條件的影響比較大，而大氣邊界的影響隨著土層深度增加逐漸減弱，因此變異程度逐漸減小。

2.3 等高反坡階下土壤貯水量的時間變化規(guī)律

由于不同時期降水、溫度、土壤蒸發(fā)強度等的不同，原狀坡耕地與等高反坡階處理坡耕地土壤貯水量不僅表現(xiàn)出隨土層深度變化而變化的特點，而且隨時間的動態(tài)變化也存在著明顯的差異。為了研究坡耕地不同土層深度土壤貯水量的年內動態(tài)變化，探究等高反坡階在土壤貯水量年內動態(tài)變化中所起的作用，在試驗年內將1#，2#小區(qū)的兩塊坡耕地每隔15 d的各土層深度土壤貯水量數(shù)據進行匯總(圖3)。從圖3中可以看出，坡耕地土壤各土層深度平均土壤貯水量均表現(xiàn)為雨季>旱季，而等高反坡階對各土層土壤貯水量的增加效果顯著表現(xiàn)為雨季小于旱季(p<0.05)，說明等高反坡階對旱季土壤貯水量的提高作用更為明顯。布設等高反坡階后坡耕地土壤貯水量變異系數(shù)的變化均表現(xiàn)為雨季大于旱季(p<0.05)。土壤貯水量季節(jié)動態(tài)變化與降雨量基本一致，坡耕地20 cm深度處土壤貯水量隨著雨季來臨，進入一個升高期，在7月15日達到頂峰(72～76 mm)，之后在雨季呈現(xiàn)波動，但是土壤貯水量均穩(wěn)定在49 mm以上；從10月后，隨著降雨減少，土壤貯水量逐漸降低，降低的過程一直持續(xù)到2018年2月，隨后持續(xù)保持在較低的水平，穩(wěn)定在25 mm左右。

表2 布設等高反坡階對土壤貯水量垂直變化的影響

坡耕地40 cm深度處土壤貯水量年內變化趨勢和20 cm深度處一致，隨著雨季來臨進入一個升高期，在7月15日達到頂峰，達到128～137 mm的水平，之后在雨季呈現(xiàn)波動，但是土壤貯水量均穩(wěn)定在92 mm以上；從10月后，隨著降雨減少，土壤貯水量逐漸降低，降低的過程一直持續(xù)到2018年2月，隨后持續(xù)保持在較低的水平，穩(wěn)定在57 mm左右。坡耕地60 cm深度處土壤貯水量年內變化幅度略小，最高土壤貯水量出現(xiàn)在7月15日，達到150～154 mm的水平，旱季最低土壤貯水量在63 mm左右。相比之下，坡耕地80 cm和100 cm深度處土壤貯水量全年變化均較小，主要原因是其受地表外界條件影響較小，同時進入土壤深層的水分較少。布設等高反坡階后，20 cm和40 cm處均呈現(xiàn)為雨季前期等高反坡階處理坡耕地土壤貯水量升高速率大于原狀坡耕地，而雨季結束后等高反坡階處理坡耕地土壤貯水量降低速率小于原狀坡耕地，60 cm，80 cm和100 cm處這一規(guī)律不明顯。

2.4 等高反坡階下土壤物理性質與土壤貯水量之間的相關性

土壤貯水量在同一氣候條件下因土壤質地等的不同造成土壤中水分含量的垂直梯度和水平分布的差異[20-21]。由表3可見，土壤物理因子中土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、通氣孔隙度、粉粒含量、砂粒含量和土壤飽和導水率與土壤貯水量都達到了極顯著相關(p<0.01)，其相關系數(shù)的大小順序為土壤容重>砂粒含量>土壤飽和導水率>通氣孔隙度>粉粒含量>毛管孔隙度>總孔隙度。黏粒含量與土壤貯水量的相關性不顯著。各土壤物理因子間X1與X2，X4，X6，X7，X8；X2與X3，X4；X3與X5；X4與X5；X6與X7，X8；X7與X8相關關系均達到極顯著的水平(p<0.01)，X1與X3；X3與X6，X7，X8達到顯著水平(p<0.05)，說明在布設等高反坡階后，土壤物理因子間存在交互作用。不同土層深度、等高反坡階處理及其交互作用對土壤貯水量的影響均達到顯著水平(表4)。修正模型平方和最高且達到48 149.124，即等高反坡階處理與土層深度的交互作用對土壤貯水量的影響最大。

注：橫坐標中05-01—12-30為2017年5月1日—2017年12月30日，01-15—04-30為2018年1月15日—2018年4月30日，數(shù)據間隔為15 d。
圖3 布設等高反坡階對坡耕地不同土層深度時間變化的影響

3 討 論

降雨到達地面后被分解為兩個部分，一部分形成地表徑流，另一部分則入滲到土壤中形成土壤水分，而降雨特性和下墊面結構則決定了地表徑流和土壤水分兩者之間的比例[22-23]。降雨入滲決定著土壤水分的分布特征[24]，進而影響著坡耕地作物的生長情況和穩(wěn)定性。本研究選取的試驗年份為2017年5月—2018年4月，從多年平均年降雨量來看，2017年降水較低，屬枯水年。雨季5月1日—10月31日降雨量為528.5 mm，旱季11月1日—4月30日降雨量為41.5 mm，最大降雨量出現(xiàn)在7—8月，最大I30出現(xiàn)在7月，最小降雨量和最小I30均出現(xiàn)在2月，土壤貯水量與降雨量和I30的變化一致，說明降雨特征直接決定了土壤貯水量。該區(qū)降雨年內季節(jié)分布不均且變率大，雨季雨水充沛而旱季雨水非常匱乏，降雨作為農業(yè)生產中一個不可預測的因素，給農業(yè)的持續(xù)發(fā)展造成很大影響，因此，采取相應的水土保持措施對坡耕地蓄水保墑是必要的。

本研究中，布設等高反坡階后，各土層深度下土壤貯水量在雨季較原狀坡耕地增加了9.6%～13.5%，在旱季增加了10.0%～23.9%?？傮w規(guī)律表現(xiàn)為坡耕地土壤各土層深度平均土壤貯水量在雨季大于旱季，鄭洪兵等[1]研究認為土壤貯水量隨季節(jié)呈先增后降的趨勢變化，這與本研究結果一致。布設等高反坡階后，紅壤坡耕地各土層平均土壤貯水量增加明顯(p<0.05)，其中對20 cm和40 cm土層的改善效果優(yōu)于其他土層，對不同土層土壤貯水量的影響表現(xiàn)為40 cm>20 cm>60 cm>80 cm>100 cm，且雨季小于旱季(p<0.05)。這說明布設等高反坡階可以顯著提高旱季土壤貯水量，從而增加全年貯水量，使土壤水分能夠進入更深層土壤，從而更有效保持土壤水分，提高作物的生長。布設等高反坡階后，雨季和旱季坡耕地土壤貯水量的變異系數(shù)均有所減小，表明等高反坡階具有顯著的調控土壤水分的效果，且效果穩(wěn)定，這與華錦欣等[13]研究結果一致，等高反坡階具有攔蓄地表徑流和再分配的功能，其保水效果優(yōu)于原狀坡面。另外，隨著坡耕地土層深度的增加，變異系數(shù)逐漸減小，各土層深度下土壤貯水量變異系數(shù)的大小為：20 cm>40 cm>60 cm>80 cm>100 cm，這與王慶海[23]、寧婷[25]等研究結果一致。這是由于隨著土層深度的增加，土壤貯水量受降雨、入滲、蒸發(fā)等的影響逐漸減弱，因此變異程度逐漸減小。

研究結果反映出原狀坡耕地與等高反坡階處理坡耕地土壤貯水量不僅表現(xiàn)出一定的垂直變化規(guī)律，而且隨時間的動態(tài)變化也存在著明顯的差異。在試驗年內每隔15 d對兩塊坡耕地各土層深度的土壤貯水量數(shù)據進行匯總分析得到，布設等高反坡階后，20 cm和40 cm處均呈現(xiàn)為雨季前期等高反坡階處理坡耕地土壤貯水量升高速率大于原狀坡耕地，而雨季結束后等高反坡階處理坡耕地土壤貯水量降低速率小于原狀坡耕地，說明等高反坡階能夠使坡耕地表層在雨季開始時快速匯集水分，而在雨季結束后能夠有效保存水分。不同層次土壤水分狀況對降雨的響應是復雜的[26]，在0—100 cm剖面上，土壤水分貯量與降雨量具有很強的一致性[27]，本研究中，土壤貯水量的季節(jié)動態(tài)變化與降雨量基本一致，這與賀慧丹[9]、呂渡[28]等研究結果一致。各土壤物理因子與土壤貯水量的相關性大小為土壤容重>砂粒含量>土壤飽和導水率>通氣孔隙度>粉粒含量>毛管孔隙度>總孔隙度。土層深度、等高反坡階處理及其交互作用對土壤貯水量的影響最大，修正模型平方和達到48 149.124，土層深度和等高反坡階處理對土壤貯水量的影響也均達到了顯著性水平(p<0.05)。

表3 等高反坡階下土壤物理性質與土壤貯水量之間的相關性

注：X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，Y分別表示土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、通氣孔隙度、黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、土壤飽和導水率和土壤貯水量。**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關，*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

表4 等高反坡階和不同土層對土壤貯水量的方差分析結果

注：a代表R2，調整的R2=1.000。

綜上，等高反坡階處理對坡耕地土壤的貯水能力具有明顯的提高作用，對坡耕地地表徑流攔蓄、增加水分入滲和減少土壤流失起到了明顯的改善作用。等高反坡階不僅具有很好的保墑保水功能，且操作簡便、占用耕種面積小，其應用價值應該大力推廣。小流域是滇中地區(qū)綜合治理的基本單元，將來應集中于小流域尺度土壤貯水量的研究，這將有利于更好地理解小流域尺度的生態(tài)水文過程及小流域水土資源管理。

4 結 論

(1) 試驗期間，雨季5月1日—10月31日和旱季11月1日—4月30日降雨量分別為528.5，41.5 mm，占試驗年降雨量的92.7%，7.3%；I30與降雨量的整體變化一致，最大降雨量和I30分別出現(xiàn)在8月和7月，最小降雨量和I30均出現(xiàn)在2月，降雨年內季節(jié)分布不均且變率大；

(2) 布設等高反坡階后，各土層平均土壤貯水量顯著增加(p<0.05)，分別在雨季和旱季增加了9.6%～13.5%和10.0%～23.9%，其水源涵養(yǎng)能力優(yōu)于原狀坡面；坡耕地表層土壤貯水量年內變化較大，隨深度的變化明顯減弱，布設等高反坡階對坡耕地土壤貯水量的影響表現(xiàn)為40 cm>20 cm>60 cm>80 cm>100 cm；

(3) 坡耕地各深度處土壤貯水量變異系數(shù)的變化均表現(xiàn)為雨季大于旱季(p<0.05)，布設等高反坡階后坡耕地各土層土壤貯水量變異系數(shù)明顯減小(p<0.05)，分別在雨季和旱季減小0.87%～31.25%和1.54%～7.84%，較原狀坡面提高了土壤的水源涵養(yǎng)能力；

(4) 各土壤物理因子與土壤貯水量的相關性為：土壤容重>砂粒含量>土壤飽和導水率>通氣孔隙度>粉粒含量>毛管孔隙度>總孔隙度；等高反坡階處理和不同土層深度對土壤貯水量的影響顯著，修正模型平方和達到48 149.124。