黄土丘陵沟壑区不同年限机修梯田土壤水分变化规律研究

王锦志

（山西省水土保持科学研究所）

黄土高原干旱少雨，且降水量随季节性变化大，是世界上土壤侵蚀最强烈、侵蚀危害最严重的地区之一[1-2]。水土流失给当地的农业生产和生态建设带来了严重的影响。袁建平博士等[3]关于黄土丘陵区入渗速率的研究表明，无论何种利用类型的土地，土壤的稳渗率均随着坡度的增大而减小，坡度越陡越容易产生坡面径流，土地对天然降雨的就地拦蓄能力就越差。因此，要想增强土壤的蓄水保土能力，必须要减缓地面坡度，变坡地为梯田。近年来，随着水土流失治理力度的加大，大范围实施坡改梯工程对防治水土流失具有重要意义，但同时也改变了治理区产汇流的下垫面条件和水资源的演变规律[4-5]。为了研究水土保持措施对地表水资源的影响，目前，国内研究人员从土壤含水量空间分布变化和年内变化趋势等多个角度，分析梯田的水分状况[6-10]及定量评估梯田的蓄水保土效益[11-13]研究已较为成熟，但关于不同年限机修梯田土壤含水量空间变异特性和随季节变化规律的研究鲜见报道。本文以晋西南永和县2013年、2015和2016年机修梯田为例，研究不同年限机修梯田土壤含水量与次降雨量时空变异特性及各年限梯田蓄水能力的变化差异，以获得治理区下垫面条件改变后降水资源化规律。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于晋西吕梁山脉的南端，临汾市西北边缘永和县东南15 km处的坡头乡，属晋西黄土高原的组成部分，总体呈黄土丘陵沟壑地貌特征。海拔最高1 300 m，最低1 000 m，相对高差300 m，地形起伏急剧，垂直变化明显，形成了极易侵蚀的地貌条件。主要农作物有小麦、玉米、谷子、黄豆、甘薯等。

研究区域属暖温带半干旱大陆性季风气候，主要特点是四季冷暖干湿分明，夏季炎热雨水集中，秋季湿润天气凉爽，冬春两季寒冷干燥少雨雪，昼夜温差大。据当地气象观测资料：年均气温9.5℃，极端最高气温35.8℃，极端最低气温-22.2℃；年日照时数2 555.4 h，无霜期183 d；年均风速2.7 m/s，年大风日数8 d；年均降水量502.6 mm，年内季节变化大，多集中在7-9月份，约占年降水量的70%左右。降水分配上的高度集中，是造成严重水土流失的主要因素之一。

1.2 供试地块

选取3块不同治理年限的机修梯田，即2013年（110°43′12″E，36°52′36.84″N）、2015年 （110°43′32.16″E ，36°52′12.00″N）和2016年（110°43′34.68″E,36°52′12.72″N）所修水平梯田各一块，作为研究对象。同时，选取梯田附近的一块坡耕地（110°43′12.72″E，36°52′35.76″N），作为对照样地。梯田数年连种玉米，田宽8 m，田坎高2.3 m。坡耕地15°，已连续耕作10 a以上，当季主要种植作物同样为玉米。

1.3 研究方法

1.3.1 降雨量观测

采用0.1 mm准确度的雨量筒，观测研究区2016年6-10月降雨量。观测数据见表1。

表1 研究区2016年6-10月降雨量

1.3.2 土壤含水量测定

用土钻法实施定位监测，在样地内按三角桩布设点位，每排相间2.5 m，布设3排，共9个测点（图1）。岳宏昌等[14]对黄土丘陵沟壑区土壤水分垂直分布研究表明，不同类型的土地在不同深度层次上土壤水分变化幅度较大，其中梯田被分为土壤速变层、活跃层和相对稳定层。据此，各测点土壤样品垂直取样深度分别为0-20 cm、20-40 cm和40-60 cm。所取土样用铝盒封存，现场称量湿重。含水量（质量含水量）采用烘干称重法测定，烘干温度105℃，持续烘烤8 h，用1/100 g精度天平称重。

图1 土壤含水量采样点布设

1.3.3 土壤容重测定

在样地内按梅花桩布设测点，点位间隔3 m，共布设6个测点（图2）。然后，挖掘土壤剖面，将剖面分为0-20 cm、20-40 cm和40-60 cm三个层次，每层用规格为100 cm3的环刀取3个原状土，带回实验室测定容重。

图2 土壤容重采样点布设

2 结果与分析

2.1 不同年限机修梯田土壤含水量剖面垂直动态变化规律

图3为不同年限机修梯田不同深度土层的土壤含水量动态变化。从图3可以看出，不同深度土层土壤含水量变化幅度差异性很大，以坡耕地最为剧烈。2013年、2015年和2016年机修梯田及坡耕地4块样地，0-20 cm的土层，由于受到温度、降水和风力等气象因素及农作物生长的直接影响，土壤含水量变幅剧烈，变化范围分别为10.50%-15.30%、9.90%-14.78%、9.60%-15.60%和6.30%-17.60%，最大变幅为11.30%（坡耕地），最小变幅为4.80%；20-40 cm土层，土壤含水量变化范围分别为10.75%-15.25%、11.20%-15.70%、10.30%-15.36%和10.20%-15.80%，最大变幅5.6%（坡耕地），最小变幅4.50%；40-60 cm土层，由于受降水补给和外界条件影响相对较小，土壤含水量变化趋势较为平缓，变化范围分别为11.20%-15.84%、11.30%-16.06% 、10.20%-15.98%和12.00%-17.45%，最大变幅5.45%（坡耕地），最小变幅4.64%。4块样地0-60 cm土层在6-10月间土壤含水量的平均值集中分布在10%-15%之间。

通过对4块样地6-10月土壤含水量年内变化的分析看，样地不同深度土层土壤含水量变化规律与降水量的季节性变化趋势表现的较为一致，趋势图呈现出倒“V”形。从6月初研究区内降水量开始增多，土壤含水量随之增加，到7月下旬，各土层土壤含水量达到峰值。此时，2013年、2015年和2016年机修梯田及坡耕地4块样地的土壤含水量平均值分别由6月初的10.82%、11.41%、10.03%和10.11%，增加到7月下旬的15.46%、15.51%、15.64%和16.94%。随着农作物的生长需水量的增加、气温的升高及降水量的相对减少，从8月初开始各土层土壤含水量开始降低，到10月底，样地土壤含水量平均值分别回落到11.53%、11.00%、11.16%和9.51%。

图3 不同年限机修梯田不同深度土层土壤含水量动态变化

2.2 不同年限机修梯田土壤含水量垂直变化的变异系数

土壤含水量受到降水、作物生长耗水与蒸腾和地面蒸发的相互作用，同时不同治理年限也是重要的影响因素，使得不同深度土层的土壤含水量及其变化均不相同。土壤含水量变化程度可用变异系数来表示，变异系数越大，土壤含水量变化幅度越大，反之则越小。

根据监测数据，计算研究区4块样地6-10月不同深度土层土壤含水量的平均值、标准差和变异系数（表2）。从表2可以看出，同一深度土层，不同年限机修梯田土壤含水量变化程度不同；同一年限机修梯田不同深度土层土壤含水量变化幅度也存在着较大差异。

从平均值来看，2013年、2015年和2016年机修梯田以及坡耕地4块样地，总的变化趋势是随着土层深度的增加土壤含水量呈现“上升”的趋势。在0-20 cm和40-60 cm土层，早治理的机修梯田比晚治理的机修梯田土壤含水量平均值明显要大；在0-20 cm土层，2013年机修梯田土壤含水量平均值比2015年和2016年机修梯田和坡耕地土壤含水量平均值分别超出0.22%、0.63%和2.50%；在40-60 cm土层，分别超出2.00%、2.87%和2.96%；同时，在0-20 cm和40-60 cm土层，三块不同年限机修梯田的土壤含水量平均值均不同程度地高于坡耕地。分析结果表明，在0-20 cm和40-60 cm，2013年机修梯田的储水能力要大于2015年和2016年机修梯田，且三个不同年限机修梯田储水能力都不同程度地高于坡耕地。但是，在20-40 cm土层，4块样地土壤含水量平均值无明显变化规律，含水量平均值相近，其原因可能是作物根系主要分布在这一土层，作物生长消耗的土壤水分量均较大之故。

表2 不同年限机修梯田不同深度土层土壤含水量平均值、标准差和变异系数

从标准差来看，各样地土壤含水量的标准差数值均随土层深度的增加而逐渐减小，表明土层深度越大，土壤含水量受外界各种因素干扰越小，稳定性越强。同时也可以看出，在同一土层深度下，早治理的梯田土壤含水量标准差较晚治理的梯田小，机修梯田土壤含水量标准差较坡耕地小。由此说明，同一土层深度下，晚治理的梯田土壤含水量较早治理的梯田稳定性弱；坡耕地土壤含水量稳定性较机修梯田弱；土壤含水量的稳定性，除受到降水等外界因素的影响外，还与耕地的坡度有关。

从变异系数来看，2013年、2015年和2016年的机修梯田及坡耕地4块样地，土层深度在0-20 cm的变异系数较大，这是由于0-20 cm土层直接受到降水、温度、风力等外界因素的影响较大之故。降水时雨水首先入渗该层，使土壤含水量急剧升高，随后土壤水分受到重力和土壤毛细管力等作用，使该层土壤水分向下渗透。同时该层受到温度、风力等气象因素的直接影响，土壤蒸发量较大，使得土壤含水量很快降低，故土壤含水量变化幅度较大，变异系数明显大于深层土壤。虽然4块样地同一土层深度的土壤含水量变异系数不同，但总的变化趋势同为随着土层深度的增加而减小，表明随土层深度的增加，降水和其他气象因素对土壤含水量的作用减弱。

3 不同年限机修梯田土壤蓄水效益分析

白一茹博士等人[15]对土壤蓄水量稳定性的研究表明，在某研究区内土壤蓄水量（SWS）的计算方法为：SWS=θ·h。由于θ=w·ρs，整理可得SWS=w·ρs·h。其中SWS为土壤蓄水量，mm；θ为土壤体积含水率，cm3/cm3；h为土壤蓄水量的厚度，mm；w为土壤质量含水率，%；ρs为土壤容重，g/cm3。经过对监测数据的整理，并按公式分别计算机修梯田和坡耕地0-20 cm、0-40 cm及0-60 cm土层的土壤平均蓄水量（图4）。

从图4可以看出，不同年限的机修梯田与坡耕地，其土壤平均容重和平均蓄水量，均存在较大差异。

图4 不同年限机修梯田不同土层深度土壤蓄水量及容重变化

总体上看，由于在修筑梯田过程中需要挖掘、移动大量的土方，造成原坡耕地土层紊乱，即原深层的生土被翻到表面来成为新的表土层，原表层的熟土被掩埋，加上机械碾压，使得新修梯田各厚度土层的土壤平均容重不同程度地大于坡耕地。2013年和2015年的机修梯田，0-20 cm土层的土壤容重与坡耕地基本相同，而20 cm以下较之略大。但2016年的新修梯田，各厚度土层平均容重均大于2013年、2015年机修梯田和坡耕地相应土层的土壤平均容重。由此表明，机修梯田需通过数年的连续耕作，土壤熟化程度才可以恢复到与治理前坡耕地相当水平。

在蓄水量方面，2013年机修梯田各厚度土层平均蓄水量均大于2015年、2016年机修梯田和坡耕地。0-20 cm、0-40 cm和0-60 cm土层，分别超出2015年机修梯田1.12 mm、1.23 mm、0.98 mm，分别超出2016年机修梯田6.82 mm、5.61 mm、7.20 mm和坡耕地6.4 mm、2.31 mm、6.25 mm。2013年和2015年机修梯田蓄水量基本相同，相差较小。2016年机修梯田各土层的平均蓄水量均较其他样地都小，其原因可能是在修筑梯田时，对坡耕地土壤的剧烈扰动使其物理性质发生巨大改变—表层土变为容重较大的深层土、各土层毛管孔隙度增大，加之受气象条件影响，导致蒸发量增大，蓄水能力减弱。莫斌等[16]对不同土地利用类型土壤入渗性能影响因素的研究成果也证实，入渗速率与土壤容重和毛管空隙度呈负相关。

综上表明，2013年机修梯田较2015年、2016年机修梯田和坡耕地而言，具有良好的蓄水效应；2015年机修梯田蓄水能力优于2016年机修梯田和坡耕地；新修梯田的蓄水能力较坡耕地差，需经过数年的耕作才可恢复和增强。

4 结论

（1）不同年限机修梯田和坡耕地，在不同深度土层的土壤含水量变化幅度差异较大。含水量最大变幅出现在坡耕地0-20 cm土层，变幅为11.30%；最小变幅出现在2013年机修梯田20-40 cm土层，变幅为4.50%。不同深度土层土壤含水量变化规律与降水量的季节性变化趋势相同，趋势线形状呈现出倒“V”形，峰值均出现在7月下旬，8月以后土壤含水量均呈下降趋势。4块样地0-60 cm土层在6-10月间，土壤含水量的平均值集中分布在10%-15%之间。

（2）在0-20 cm和40-60 cm土层，早治理的机修梯田储水能力优于晚治理的机修梯田，且不同年限机修梯田的储水能力均不同程度地高于坡耕地。在20-40cm土层，不同年限机修梯田和坡耕地的储水能力相近。

（3）在相同的土层深度下，早治理的机修梯田土壤含水量稳定性优于晚治理的机修梯田，且不同年限机修梯田的土壤含水量稳定性均不同程度地高于坡耕地。

（4）2013年、2015年和2016年机修梯田以及坡耕地4块样地，土壤含水量变异系数总体变化趋势呈现出随着土层深度的增加而减小，最大变异系数出现在0-20 cm和20-40 cm土层，表明随土层深度增加降水和其他气象因素对土壤含水量的作用减弱。

（5）0-20 cm、0-40 cm和0-60 cm的土壤蓄水厚度，2013年机修梯田高于2015年、2016年机修梯田和坡耕地。新修梯田的蓄水能力较差，要加强土壤培肥，提高土壤肥力，以实现旱作农业“以肥调水”。