黄土高原丘陵沟壑区小流域坡面土壤水分分布特征

董起广，张 扬，陈田庆，袁水龙

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，西安 710075；3.国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室，西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，西安 710075)

作为水资源的重要组成部分，土壤水分对于研究地表径流、水分转化、土壤侵蚀、溶质运移等过程起到了非常重要的作用，也是流域水文过程研究的重要内容之一[1,2]。近年来，关于土壤水分的时空变异及驱动因子方面的研究已成为当下研究的热点[3-6]。而对黄土高原土壤水分分布和变异的研究主要集中在流域尺度和坡面尺度上[7]。研究表明，影响土壤水分分布的主要因子有地形、植被覆盖、气候条件、土壤质地、底层结构等，不同的学者，对于不同的区域进行研究得出的主控因素也不尽相同。在黄土高原丘陵沟壑区，地形、植被覆盖和降水对该区域土壤水分空间分布特征起到了关键性的作用。陕北黄土高原地区千沟万壑的破碎地形,形成了众多的小流域[8]，小流域内地形起伏变化，势必会对降水进行再分配，从而导致不同区位下土壤水分的差异[9]。路保昌等的研究结果显示，坡度较为平缓或在切沟地区，土壤水分的含量相对较大，同时，其变异系数较小[10]；姚雪玲等对黄土高原坡面雨季前后100 cm深度内土壤含水量进行了分析，认为上层土壤水分的空间变异性要小于下层[1]；贾志峰等人根据土壤水分变化状况从垂直剖面上将土壤从上至下依次划分为活跃层、次活跃层、过渡层及相对稳定层[11]。

本文通过对典型黄土高原丘陵沟壑区小流域坡面尺度条件下的土壤水分进行长期定位监测，分析了小流域坡面尺度下土壤水分的空间和时间变化特征，为研究黄土高原丘陵沟壑区小流域水文过程和土壤侵蚀提供参考。

1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市宝塔区南泥湾镇九龙泉沟，属陕北黄土丘陵沟壑区，研究区内沟道南北长9.8 km。河道海拔自南向北由1 170 m降至1 093 m，平均比降0.78%，河谷宽一般在250～500 m之间。研究区属于温带季风气候区，冬季寒冷干燥，降水较少；夏季炎热多雨，降雨集中。年平均气温9 ℃，平均无霜期179 d，多年平均水面蒸发量在1 000 mm左右，陆地蒸发量为550 mm，干旱指数1.75。降雨时空分布不均，季节变化大，利用率较低。多年平均降水量573 mm。冬季降水最少，占年降水量的3%，夏季最多，占年降水量的47%，其中7、8两月降水量最多，占年降水量的40%，春季一般占年降水量的22%。区内年日照时数为2 300～2 500 h，年总辐射量为531.6～560.9 kJ/(cm2·a)，一般年份，光热条件可满足农作物一年一熟。流域内土壤以黄绵土和褐土为主，土壤剖面层次明显，区内水土流失较为严重。坡面植被主要以草地和人工林地为主，包括刺槐、臭椿、松柏、野杏、枣树等，沟道内为旱地及水田。

2 研究方法

选取研究区域内一典型西向半阳坡面，坡面坡度为20°。按照距坡顶不同距离的5个坡位，分别涵盖了坡面上上坡、中坡、下坡3个不同的地理位置，共15个观测点。在土壤水分测定方面，传统的测试方法以烘干法为主，该方法具有操作简单、准确度高的特点，但会对土壤产生较大扰动，不宜在同一监测点进行长期定位监测。为了进行长期定位监测，本研究选择基于时域反射技术的TRIME-PICO TDR便携式土壤水分测量仪进行土壤水分的长期定位测定。观测深度为0～160 cm，每隔10 cm测定土壤水分含量。为避免受前期降雨的影响而引起的土壤水分(特别是表层土壤水分)差异过大，每次测定时间距上次降水至少5～10 d，并保证每个月至少测定1次。土壤水分观测时间为2016年5-10月共6个月。坡面植被以草地和天然灌木为主，所测土壤含水量为体积含水量。为保证所测土壤体积含水量准确可靠，利用烘箱法测定的土壤质量含水量对TDR测定的土壤含水量进行了校正。校正公式如下：

θmρ=0.906 5θv-0.035 3 (R2=0.926 6)

式中：θm为土壤质量含水量；ρ为土壤容重；θv为TDR测定的土壤体积含水量。

土壤水分的空间变异性采用变异系数Cv表示，其值的大小反映了层间水分的稳定性。

利用Microsoft Excel 2007软件对土壤水分数据进行分析计算，并采用SigmaPlot 10.0进行图形绘制。

3 结果分析

3.1 坡位对土壤水分的影响

土壤水分含量作为该点水量平衡的状态变量，是当地降水、土地利用条件、地形部位及土壤类型等因素的综合反映。在各个条件中，地形条件对降水的再分配起着决定性的影响。不同坡位下土壤水分含量见表1。据此绘制上坡、中坡和下坡处土壤水分含量在不同季节的剖面变化趋势如图1。由图1中可以看出，春季降水相对较少时，在表层土壤与外界交换密切的状态下，3个坡位上层土壤的含水量差别较大，这主要是由于表层土壤是水分交换的活跃层，受到坡位、坡度等地形条件和小气候条件下的蒸发力影响较大引起的[12]；而在秋季降水量相对较大时，不同坡位下地表土壤水分与深层土壤水分差别均较大，从上坡到下坡深层土壤水分有明显的增加趋势，这主要是由于在重力作用下，坡面壤中流活跃，对水分的再分布产生了影响。当降水到达坡面后，由于重力的作用，上坡水分主要通过两个渠道向下坡运动。一部分水分以地表径流的方式沿坡面向下运动，另一部分水分则以土壤中壤中流的形式向下坡运动。这种运动的结果导致了在降水相对较多时，深层土壤含水量从上坡到下坡逐渐增大。

表1 不同坡位土壤水分含量 %

图1 土壤水分含量随土层深度的变化

整体来看，土壤含水量从上坡到下坡有逐渐增大的趋势。在春季，上坡、中坡、下坡土壤平均含水量分别为9.82%、10.67%、10.89%；秋季分别为11.66%、15.03%、16.99%。即当表层干旱缺水时，下坡处土壤的深层水分可以对表层土壤起到一定的补充作用，而上坡处样点的供水能力则相对较差。不同坡位土壤含水量随深度的增加呈现出相近的变化趋势，干旱时期，土壤水分随深度的增加呈现出先增大后减小，再增大的趋势；在湿润期，土壤水分含量随土壤深度的增加而增加。

图2 土壤含水量均值随时间的变化

3.2 坡面水分的时间动态变化

绘制不同坡位以及不同土层深度土壤含水量均值随时间的变化关系，如图2。在坡面尺度上，不同坡位的土壤水分呈现出相同的时间变化趋势，上坡位的变化幅度要小于中坡位和下坡位，且水分含量整体要低于后两者，土壤水分含量各月平均值上坡位比中坡位及下坡位分别低了2.4%和3.0%，分析主要原因是土壤水分含量测定时尽可能地避开了降水发生前后，从而有效减少了降水对土壤水分分布的瞬时影响，说明上坡位对于水分的存储能力弱，水分达到上坡位后会在重力作用下沿坡面运移至坡面中下部。坡面土壤水分在主要植被的生长季内大致经历了水分的减少-增加-减少-增加4个过程。坡面主要植被以林草地为主，在进入5、6月后，植被生长加速，土壤水分受到蒸发蒸腾作用的影响较大，加上降雨相对较少，导致此时期土壤水分含量微弱下降，不同坡位下土壤含水量平均降低了0.73%；进入7月后，降水量增大，相对干旱的土壤受到雨水补给，土壤水含量快速增加至较高水平，其中以中坡位和下坡位的增加较为明显分别增加了4.8%和4.4%。随后，由于8-9月气温升高，蒸发量大，植被蒸腾作用强烈，而此时间段内的降水量虽大，但以历时短，雨量集中的暴雨居多，对于土壤水分的补充也相对有限，因此，土壤水分仍呈现出微弱的减小趋势；从9-10月期间，由于降水的持续，而植被耗水相对降低，土壤水分能够得到有效补充，土壤含水量开始增加并达到最大值，上坡位、中坡位和下坡位分别达到了11.7%、15.3%和17.0%。进入11月以后，气温降低，部分土壤开始冻结，故未进行监测，而11月-次年3月期间，土壤基本都处于冻结状态，土壤水分维持在一个相对恒定的条件。

从图2可以看出，不同层次土壤的时间变化趋势大体相同。在5-6月期间，0～50 cm土层土壤水分含量呈下降趋势，而50 cm以下土壤水分含量在此期间减少不明显，说明干旱条件对于浅层土壤水分的影响要大于深层土壤，深层土壤水分随时间的变化幅度要小于浅层土壤水分。

3.3 土壤水分的空间变异性

为了进一步反映土壤水分在垂直方向上的变化情况，用变异系数Cv表示土壤水分含量的变化情况，Cv为土壤含水量样本的均方差与样本平均值的比值。Cv越大表示土壤水分变化越剧烈，反之表示土壤水分差异越小[13]。在监测时间段内，土壤剖面上水分含量的平均值与变异系数的垂直分布见表2和图3。从中可以看出，土壤含水量基本随着土层深度的增加而增加，但在60～100 cm之间存在一个相对干层，此层的土壤含水量要比上层和下层的略低，分析主要原因可能是上层土壤中植物根系吸水，致使该层次土壤水分对其上部土层进行了一定的补给，在降水量不足时，该层次土壤得到大气降水的有效补给较少；而100 cm以下土壤水分，具有相对较好的蓄水能力，基本不受蒸发和作物根系的影响。

不同土层土壤含水量的变化幅度有所不同，通过变异系数可以看出，不同时期剖面土壤含水量变异系数均表现为随土壤深度加深而递减的趋势，表明随着土层深度的增加，其含水量变化程度逐渐变小。在距地表0～60 cm土层，无论旱季还是雨季，在整个坡面上土壤含水量的变异系数均较高，主要由于该层土壤水分的变化受到降水、径流和蒸发等的影响较大；而在坡面下层土壤，其含水量的变异系数都较小，这说明该层土壤水分的变化受外界环境影响较小，且根系数量相对较少、吸水消耗少。

表2 土壤剖面上水分含量统计值 %

图3 土壤含水量空间变异系数与土层深度的关系

4 结 语

黄土高原丘陵沟壑区小流域坡面土壤水分分布受到降水、坡位、植被等因素的影响较大，具有较为明显的时空变异性。地形特征主要是通过改变土壤水分的运移轨道使土壤水分进行再分布，其对于表层土壤水分的影响较为显著；深层土壤水分则主要是受到植物根系吸水及作物蒸腾发的影响[14]。

在研究区内，坡面土壤水分随着坡位的降低，有增加的趋势。在相对干旱的春季，上坡、中坡、下坡土壤平均含水量分别为9.82%、10.67%、10.89%；在湿润期的秋季，土壤平均含水量分别为11.66%、15.03%、16.99%，总体上，下坡位的土壤含水量比上坡位高，虽然有研究认为，同种植被覆盖会使土壤水分趋向于均质化，进而削弱地形对土壤水分的影响[15]，但在本研究中，由于地形因子导致的壤中流现象较为突出，因此其坡位仍对土壤水分分布产生了较大影响。在干旱期土壤表层水分差异较大，湿润期整个土壤剖面上土壤水分含量差异均较大。这主要是在干旱期降水较少，蒸散发是影响土壤水分含量主要的因素，其影响范围集中于土壤表层，所以导致表层土壤水分变化较大；湿润期降水较多，坡面壤中流活跃，对土壤水分的分布产生了影响，上坡水分向下坡集中导致下坡土壤水分整体含量较高。

土壤水分随时间的变化过程一方面取决于降水量，另一方面取决于植物根系吸水[16]。从土壤水分的时间变化进程来看，上坡位的土壤水分含量及其变化程度均较小，且深层土壤水分随时间的变化幅度小于浅层土壤水分。坡面土壤水分在植被的主要生长季内大致经历了水分的减少-增加-减少-增加4个过程。土壤水分含量前期减少是由于该时间段内降水少，但植物开始生长，根系吸水，土壤水分含量第一增加则是进入夏季初期，降水量在短时间内增大，对前期亏缺的土壤水分起到一定的弥补作用；进入夏季后，植物生长茂盛，蒸腾作用强烈，根系吸水量也增加，而此时间段内的降水则以集中的暴雨居多，对土壤水分补给有限，土壤水分含量又经历了短期的减少；秋季植物基本停止生长，但雨水总量并未减少，且历时长较长，土壤水分得到了充分补给。

土壤水分空间变异程度的不同是由随机性因素(如灌溉、耕作措施、放牧、砍伐等)与结构性因素(如气候、母质、土壤类型等)共同引起的[17]，通过计算变异系数分析土壤水分含量在垂向上的变异情况，发现随着土壤深度的增加，土壤水分的变异性减小，说明随着土层深度的增加，土壤水分受蒸发、降水、地表植被等作用的影响减小。在0～60 cm土层，无论旱季还是雨季，在整个坡面上土壤含水量的变异系数均较高，主要是此区间内土壤水分与外界环境联系密切，受到降水、蒸发、根系吸水的影响较大，其中以0～20 cm土层变异性最强，在干旱期和湿润期分别为38.1%和29.0%；而在土层深处的140～160 cm土壤水分含量变异性最弱，在干旱期和湿润期分别为2.9%和12.3%。