好水川流域梯田土壤含水量变化规律研究

马 轶，张维江，朱旭东，赵庆恩

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021;2.宁夏建设职业技术学院，宁夏 银川 750021)

黄土高原地区水土流失问题突出，给当地的生态建设和经济发展带来了严重影响［1］。近年来，随着水土流失治理力度的加大，淤地坝、坡改梯、退耕还林还草工程的实施对防止水土流失具有重要意义，但同时也改变了流域产汇流的下垫面条件和水资源的演变规律［2］。为了研究水土保持措施对地表水资源的影响，国内研究人员加强了对土壤含水量垂直分布变化和年内变化趋势的研究［3］。笔者以好水川流域为研究区，对坡改梯工程实施后梯田土壤含水量与次降雨量的响应关系进行研究，目的是分析流域下垫面条件改变后降水资源化和降雨径流规律，为流域水资源优化配置和作物种植结构调整提供决策依据。

1 流域概况

好水川流域位于六盘山西侧、黄土高原丘陵沟壑区第三副区，地理位置位于 N35°37'20″—35°41'40″、E105°56'20″—106°12'18″，海拔1 835—2 195 m，地势东高西低，地貌特征以梁峁、沟谷和沟盆凹地为主，属海洋季风边缘区，处于中温带半湿润向半干旱过渡地带，干旱少雨，无霜期短，年均气温5.1℃，年平均日照时数2 228.1 h，年降水量520 mm，降雨多集中在6—9月，年水面蒸发量1 200 mm。选择流域上、中游不同库坝控制的6块梯田作为样地，进行土壤含水量变化规律研究。

2 研究方法

2.1 降水量

采用分辨率为0.1 mm的自记虹吸式雨量计观测2010年4—10月流域降水量，观测结果见表1。

2.2 土壤含水量

采用土钻法定位观测土壤含水量。土壤样品取样深度分别为 0—5、10—15、25—30、55—60 和 85—90 cm。常规观测时间是在2010年4—9月每月的上、中、下旬各一次，并在降水前后进行加密观测，将提取的土壤样品用铝盒封存，并尽快称湿重。含水量测定采用烘干称重法，烘干温度为105℃，烘干时间为10 h，称重仪器采用1/100 g精度电子天平。

表1 2010年4—10月好水川流域降水量

3 结果与分析

3.1 不同深度土层土壤含水量动态变化规律

由6块样地不同深度土层土壤含水量分布情况可知，各样地浅层(0—30 cm)土壤受降雨和蒸发影响较大，含水量变幅剧烈，其中:0—5 cm土壤含水量变化范围分别为3.5% ～21.7%、2.6% ～ 24.5%、1.2% ～ 21.9%、2.6% ～ 23.0%、2.7% ～26.5%、1.1% ～20.0%;10—15 cm 分别为 8.2% ～20.8%、11.9% ～26.8%、6.9% ～ 20.6%、9.1% ～ 24.0%、10.1% ～22.2%、9.5% ～21.5%;25—30 cm 分别为 9.0% ～21.6%、14.0% ～24.8%、7.5% ～ 16.1%、7.6% ～ 22.6%、10.6% ～21.8%、10.2% ～21.6%;最大变幅 23.8%，最小变幅 8.6%。深层(60—90 cm)土壤含水量变化幅度较小，55—60 cm最大变幅11.7%、最小变幅5.3%，85—90 cm最大变幅11%、最小变幅6.5%。4—10月各样地土壤含水量的加权平均值主要分布在10%～25%之间。

通过分析6块样地浅层(0—30 cm)、深层(55—60 cm)土壤含水量变化与降水量季节变化趋势，可以看出:浅层土壤含水量变化与降水量季节变化趋势线呈M形。一般从4月底开始流域内降水增多，随之土壤含水量增加，到5月底土壤含水量达到第一个峰值，土壤含水量平均值分别由13.9%、21.4%、13.7%、17.2%、18.9%、16.1%增加到 19.5%、24.8%、20.6%、19.8%、25.2%、20.7%;随着气温升高和作物耗水量增加，7月中旬土壤含水量变为谷值，土壤含水量分别回落到11.6%、14.2%、8.4%、13.2%、16.6%、12%;7、8 月份是汛期，降水量较多，8月土壤含水量达到第二个峰值，土壤含水量分别上升到20.8%、22.2%、12.8%、21.9%、20.9% 和 17.6%;9 月以后土壤含水量又逐渐降低。深层土壤含水量趋势线呈V形，谷底在7月下旬，6月前平均值分别为 14%、19.1%、11.5%、14.3%、21.9%、18%，到 7月下旬分别变为 10.1%、14.3%、7.1%、10.2%、15.9%、12%，8月份又逐渐增加。图1为样地1不同深度土层土壤含水量变化情况，其余样地变化趋势与样地1相似，故图略。

图1 样地1不同深度土层土壤含水量变化

受降水、蒸发、地形等因素影响，不同深度土层土壤含水量的平均值及其变化量均不相同。用变差系数表示含水量的变化程度［4］，一般变差系数越大含水量变化幅度越大，反之则越小［5］。计算4—9月各样地不同深度土层土壤含水量的平均值、标准差和变差系数，见表2。

3.2 土壤水分垂直变化规律

表2 不同深度土层土壤含水量平均值、标准差和变差系数

从平均值来看，土壤含水量总体变化趋势是随着土层深度的增加呈现“上升—下降”或“上升—下降—上升”趋势，峰值一般在10—15 cm。从标准差来看，随着土层深度的增加，土壤含水量的标准差逐渐变小，说明相比浅层，深层土壤含水量受外界干扰程度较低、稳定性更强。由于降雨时雨水渗入使浅层土壤含水量迅速增加，在重力势和基质势的作用下水分逐渐向深层运动，加之雨后受蒸发作用影响，因此0—5 cm土层土壤含水量变差系数最大，而深层土壤含水量的变差系数较小［6］，这点在变差系数的分布上也得到了证明。

3.3 土壤含水量变化与降雨量关系分析

用降雨前后土壤含水量的变化量和降雨量数据建立数据库，利用SPSS软件进行相关性及回归分析，研究土壤含水量变化量与降水量之间的关系。因为流域地下水埋深较大，所以不考虑地下水补给，降水是土壤水分补给的唯一来源。降雨后1 d内进行土壤含水量测定，蒸发量可忽略不计。对降水量(y)与土壤含水量变化值(x，为雨后土壤含水量－雨前土壤含水量)用3阶多项式回归分析，结果见表3。由表3知，土壤含水量变化量与降水量呈极显著相关关系，降水量每增加10 mm，0―5、10―15、25―30、55―60、85―90 cm土层土壤含水量分别增加 4.32%、2.62%、0.98%、0.43%、0.41%，6 块梯田土壤含水量加权平均值增加0.45% ～1.56%，平均增加0.96%。

表3 各样地土壤含水量变化量与次降水量回归分析

4 结语

(1)受降雨和蒸发影响，浅层(0—30 cm)土壤含水量变幅明显，最大变幅23.8%出现在0—5 cm土层，最小变幅8.6%出现在25—30 cm土层;变化规律与降水量的季节变化趋势相同，趋势线形状为M形，峰值分别出现在5月底和8月份，谷值出现在7月中旬。深层(60—90 cm)土壤含水量变幅较小，最大变幅11.7%，最小变幅5.3%;趋势线形状为V形，谷值出现在7月下旬。4—10月份流域内土壤含水量的加权平均值主要分布在10%～25%。

(2)土壤含水量平均值的变化趋势是随着土层深度的增加呈现“上升—下降”或“上升—下降—上升”的趋势，峰值一般出现在10—15 cm处。随着土层深度的增加，土壤含水量的标准差逐渐减小，受外界影响减弱，稳定性增强。

(3)降水量与土壤含水量变化量之间呈极显著相关关系。降水量每增加 10 mm，0—5、10—15、25—30、55—60、85—90 cm土层土壤含水量分别增加 4.32%、2.62%、0.98%、0.43% 和0.41%，土壤含水量加权平均值增加0.45% ～1.56%，平均增加 0.96%。

［1］徐建华，吴发启，王健，等.黄土高原产流产沙机制及水土保持措施对水资源和泥沙影响的机理研究［M］.郑州:黄河水利出版社，2005:1.

［2］贾仰文，王浩，倪广恒，等.分布式流域水文模型原理与实践［M］.北京:中国水利水电出版社，2005:2.

［3］伏巨鹏.徽成盆地土壤含水量变化规律分析［J］.甘肃水利水电技术，2009，45(9):14 －15.

［4］周景春，苏玉杰，张怀念，等.0～50 cm土壤含水量与降水和蒸发的关系分析［J］.中国土壤与肥料，2007(6):23－27.

［5］岳宏昌，王玉，李缠云，等.黄土丘陵沟壑区土壤水分垂直分布研究［J］.水土保持通报，2009，29(1):66－69.

［6］王二虎，仝文伟，霍继超，等.暴雨过程对不同深度土壤含水量的影响分析［J］.河南科学，2011，29(1):40 －43.