不同时间尺度反坡台阶红壤坡耕地土壤水分动态变化规律

王帅兵，王克勤，宋娅丽※，赵洋毅，李佳璇，王 震



不同时间尺度反坡台阶红壤坡耕地土壤水分动态变化规律

王帅兵1,2，王克勤2，宋娅丽2※，赵洋毅2，李佳璇2，王 震2

（1. 东北林业大学林学院，哈尔滨 1500402；2. 西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224）

为研究反坡台阶对红壤坡耕地土壤水分不同时间尺度变化以及土壤干湿变化的影响，在2016—2017年对布设反坡台阶坡耕地和原状坡耕地0～100 cm深度土壤水分状况进行了持续监测，计算了土壤相对含水率和增墒率。结果表明，反坡台阶对土壤水分的增加作用在枯水年更为显著（<0.05）。坡耕地旱季各土层土壤含水率变化相对不明显，基本上呈现出随着土层深度逐渐增加的规律；7月、9月和11月则呈现出明显的S状的规律；坡耕地布设反坡台阶后，各个时段各个土层土壤含水率均有了明显的提高，尤其是在5月土壤补水期和11月土壤失水期对土壤水分的增加效果更加明显。坡耕地土壤逐日含水率变异程度随着土层深度增加而逐渐减小；反坡台阶处理坡耕地和原状坡耕地5、20和40 cm处土壤逐日含水率与降雨量呈现极显著的相关关系（<0.01），60 cm处土壤逐日含水率与降雨量达显著相关（<0.05），而80、100 cm深度土壤逐日含水率与降雨量之间相关关系不显著。反坡台阶对坡耕地5、20、40、60、80、100 cm处土壤平均增墒率分别达到15.22%、15.25%、16.91%、15.60%、16.50%和16.17%，而其对不同深度土壤增墒率在年内均呈现出不同的变化规律。坡耕地布设反坡台阶，显著增加了土壤含水率，增加了土壤湿润期的持续时间，并且能显著提高坡耕地降雨利用率，这对于解决坡耕地的生态水文型干旱问题，提高山区坡耕地农业生产力具有重要意义。

土壤水分；干；湿；反坡台阶；红壤坡耕地；时间尺度

0 引 言

土壤水分是土壤的重要组成物质之一，是土壤系统养分循环和流动的载体。作为一个重要的生态因子，土壤水分对土壤的形成和发育、土壤中物质和能量的运移以及植物的生存与生长，都有着重要的影响[1-7]。坡耕地是云南省的主要耕地类型，尤以红壤坡耕地为主，而降雨是坡耕地土壤水分的主要来源[8-9]。在红壤坡耕地中，由于坡度的存在，降雨入渗减少，导致坡耕地水土流失严重，生态水文型干旱表现突出。因此，采取有效的措施减少地表径流，增加水分入渗，提高水分利用效率，是防治红壤坡耕地水土流失和提高坡耕地生产力的关键。

目前国内外对于坡耕地水土保持措施的研究较多，而各项措施的实施对于农田土壤水分动态变化的影响也是当前研究的一个热点。丁晋利等[10-12]研究了保护性耕作对坡耕地土壤水分的影响，发现免耕可以提高7.3%～25.34%的农田贮水量，增加作物产量[13-15]，深耕则能提高土层有效水储量，并提高深层土壤水分的利用率。董勤各等[16-18]研究发现，秸秆还田可以使0～40 cm土层含水率提高10.7%～20%，使作物产量提高20%以上。沟垄耕作能够显著提高农田土壤含水率和贮水量[11,19-20]；而植草能够促进坡地对土壤水分的吸收[21]。另外，施用生物炭可显著降低草甸黑土的降低土壤水分扩散率，增加土壤饱和含水率和田间持水量[22]；秸秆掺土还田则减少了土壤饱和含水率，使有限的水灌溉更多的农田，从而提高土壤水分利用效率[23]。张北赢等[24]研究了黄土丘陵沟壑区不同水保措施条件下土壤水分状况，发现不同水土保持措施对土壤储水亏缺补偿度不同，而且对土壤水分季节变化和垂直变化均产生不同影响。苟琪琪等[25]研究了不同时间尺度下常规耕作秸秆还田和深松秸秆还田2种耕作措施土壤水分在不同时间尺度的动态变化规律，发现不同耕作措施各层土壤含水率的变化过程存在较大的差异。邹文秀等[26-27]研究表明，降雨年型对土壤水分变化也有影响。针对西南红壤坡耕地土壤水分的研究较少。

本课题组在滇中地区针对红壤坡耕地提出了反坡台阶这一项行之有效的水土保持措施，研究表明该措施不但减沙效益显著[8-9]，而且能够拦截地表径流，将其转化为作物生长亟需的土壤水，从而改善坡耕地土壤水分状况[28]，提高坡耕地水分利用率。本研究于2016—2017年进行连续2 a的野外定位观测，分析不同时间尺度反坡台阶红壤坡耕地土壤水分变化规律，以期揭示反坡台阶改善坡耕地土壤水分状况和提高水分利用效率的机理，为解决红壤坡耕地的生态水文型干旱，提高山区坡耕地生产力，源头控制山区水土流失提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省昆明市松华坝水源区迤者小流域（24°14¢43²～25°12¢48²N，102°48¢37²～102°44¢51²E），流域面积13.26 km2，海拔在2 010～2 590 m之间，近15 a平均降雨量717.2 mm，其中5—10月为雨季，降雨量约占全年的85%以上，年蒸发量1 341 mm，年均气温13.8 ℃。该流域为松华坝水源区内典型的农业小流域，土壤以红壤为主，流域内耕地面积约占25%，主要以坡耕地为主。林地约占66%，以灌木林和疏林地为主。流域内主要农作物包括烤烟（Linn.）、玉米（L.）、大豆（(Linn.)Merr.）、马铃薯（L.）等，主要树种包括云南松（Franch.）、滇青冈（Schotky）、滇石栎（(Hook. f. et Thoms.) Rehd.）、厚皮香（(Wight et Arn.) Beddome）、杜鹃（Planch.）等。

1.2 样地设置

试验地选取位于昆明市松华坝水源区迤者小流域水土保持监测站的一块近似为长方形的坡耕地，长约32 m，宽约26 m，东西坡向，中坡位，海拔2 067 m左右，坡度约为15°。该地耕作年限在15 a以上，作物制度为一年一熟，主要种植大豆，于5月中旬播种，10月上旬收获。试验区地下水埋藏较深而不参与土壤水分循环，试验期间不灌溉，完全在旱作条件下进行，降雨为唯一补充水源。坡耕地中部右侧布设有1条反坡台阶，反坡台阶沿等高线布设，自上而下里切外垫，修成一台面，反坡5°，阶宽1.2 m（图1a）。为了控制试验条件，在反坡台阶上方7.5 m设置1条截水沟，将试验地上方降雨截走，坡耕地坡面均为自然排水。

如图1b所示，原状坡耕地（CK）和反坡台阶坡耕地（DG）各布设3组时域反射仪（Time-domain reflectometer，TDR）埋藏式波导管（美国SEC公司，型号6005L2）。各测点均埋设4根埋藏式波导管，埋设深度分别为40、60、80、100 cm。为了避免埋设波导管影响耕种，5和20 cm处土壤含水率使用直插式波导管（美国SEC公司，型号6002F1）测定。埋藏式波导管于2015年5月15日完成埋设，本试验监测期从2016年1月1日—2017年12月31日，其中雨季（6—10月）每1 d测定1次，雨季转旱季阶段（11—12月）每3 d测定1次，旱季（1—4月）每10 d测定1次，旱季转雨季（5月）每3 d监测1次。

用A、B、C 3个区域上、中、下坡位不同土层深度的土壤水分数据平均值来表征原状坡耕地各层次土壤水分状况，用D、E、F 3个区域上、中、下坡位不同土层深度的土壤水分数据平均值来表征布设反坡台阶坡耕地各层次土壤水分状况。每年雨季前用5点采样法分别采集坡耕地A、B、C区域和D、E、F区域的土壤调查土壤特征背景值和土壤水分参数（表1），稳定入渗率是在野外针对坡耕地测定的，没有进行分层测定，DG和CK处理的稳定入渗率分别为2.85和2.81 mm/min，每年种植作物前对坡耕地进行全面翻耕，同时对反坡台阶进行整修，保证试验条件基本一致。

注：A、B、C组为代表原状坡耕地（CK）的3组重复，D、E、F组为代表反坡台阶坡耕地（DG）的3组重复，每组均包括上、中、下3个点位。下同。

1.3 试验观测方法与计算

1.3.1 土壤水分及降雨监测

使用TDR仪（美国SEC公司生产的Mini Trase土壤水分监测系统，型号6050X3）对各深度埋藏式波导管进行测定得到各个点位对应深度的土壤水分，5和20 cm处的土壤水分则利用直插式波导管（美国，型号6002F1）直接插入坡耕地表层进行测定。由于使用TDR测定的土壤含水率均为体积含水率，因此本文的土壤含水率全部用体积含水率表示。

使用自记雨量计（美国AGR公司，型号RG2-M，）记录降雨过程。根据年降雨量观测结果（图2），试验区2016和2017年降雨量分别为793.0和612.5 mm，年内降雨量严重分布不均，降雨主要集中在5—10月，占全年降雨量的94.35%和90.79%。根据年降雨量距平百分比例[29]，可将2016年（降雨量距平百分比为+10.57%）划分为丰水年，2017年（-14.60%）划分为枯水年。

表1 径流小区不同土层土壤背景值及水分参数

注：砂、黏、粉粒粒径分别为0.05～1、﹤0.001、0.001～<0.05 mm。

Note: Sand, clay and silt particles have particle sizes of 0.05～1, ﹤0.001 and 0.001～<0.05 mm, respectively.

图2 2016—2017年降雨量

1.3.2 数据处理

1）土壤增墒率[10]计算公式：

式中MW为土壤增墒率，%；DG为反坡台阶处理坡耕地土壤含水率，%；CK为原状坡耕地土壤含水率，%。

2）土壤相对含水率

土壤相对含水率可以表征土壤旱情状况，一般以土壤含水率与田间持水量的比值表示[30]，建议采用的土层深度为0～40 cm[31]。5种干旱等级定义如下[31]：I湿润：≥60%；II轻度干旱：50% ≤<60%；III中度干旱：40% ≤<50%；IV严重干旱：30% ≤<40%；V特大干旱：<30%。

根据试验区数据，结合试验区降雨特点，将年内土壤变化分为干旱期、增湿期、湿润期、干化期4个阶段[32]。干旱期：干旱等级长期处于IV和V，即长期处于40%以下；增湿期：干旱等级从IV和IV过渡到II以上，即从40%以下提高到50%以上；湿润期：干旱等级长期处于II以上，即持续在50%以上；干化期：干旱等级从III以上过渡到IV或以下，即从50%以上下降到40%以下。此处的干旱期、增湿期、湿润期和干化期仅是一个相对的概念，以此来表征不同时段耕作层土壤含水率的差异和变化。

本研究采用Excel 2010和SPSS 22.0进行数据统计分析和图表的制作。

2 结果与分析

2.1 反坡台阶对坡耕地土壤水分年际变化的影响

由表2可知，坡耕地布设反坡台阶后，0~100 cm各个深度处土壤含水率均显著提高（<0.01），其中2016年5、20、40、60、80、100 cm深度处年均土壤含水率分别增加了12.3%、11.9%、14.0%、12.3%、14.8%、14.5%，2017年各深度年均土壤含水率分别增加了15.4%、15.9%、17.4%、16.4%、17.4%、16.2%。2 a坡耕地各深度平均土壤含水率也呈现一定差异，其中5和20 cm深度处土壤平均含水率最大，其次为40 cm 深度，而60、80、100 cm深度处最小。坡耕地5、20、40 cm处平均土壤含水率表现为2016年>2017年（<0.05），而80和100 cm处平均土壤含水率未表现出显著差异，说明降雨年型对40 cm以上土层平均土壤含水率影响显著，而对于深层土壤的影响不大。反坡台阶对各层次土壤水分的增加效果显著表现为2017年>2016年，这表明枯水年反坡台阶对土壤水分的增加作用更为明显。

从变异性来看，坡耕地表层土壤水分变异系数最大，可达到50%左右，而深层次土壤变异系数则降低到10%以下，呈现出随着土壤深度增加而减小的趋势。坡耕地5～80 cm深度处土壤含水率变异系数年际变化均表现为2016年>2017年，且布设反坡台阶后坡耕地5、20、40、60 cm处土壤水分变异系数明显减小，而80 cm处土壤水分变异系数在2016年有所增大，而2017年则无显著差异。

表2 2016—2017年土壤水分年统计特征

注：各深度处的年平均土壤含水率为坡面上中下3个坡位各深度逐日平均含水率的平均值；不同小写字母表示土层间土壤平均含水率之间差异显著（<0.05）。

Note: The annual average soil moisture content at each soil layer is obtained by averaging the daily average soil moisture content at each layer of the upper, middle and lower slopes. Different lowercase letters mean significant difference in average soil moisture content between different soil layers at 0.05 level.

2.2 反坡台阶对坡耕地土壤水分月变化的影响

如图3所示，2016年1月、3月和5月初，各土层深度处土壤含水率差异不大。7月初各层次土壤含水率呈现出显著的差异，5、20、40 cm显著大于60、80和100 cm（<0.01）；各层次土壤含水率均有显著的提高，其中5 cm深度处土壤含水率比5月提高了148%～266%，20 cm处提高了118%～211%，40 cm处提高了108%～171%，60 cm处提高了28%～52%，80 cm处提高了11%～28%，100 cm处提高了7%～13%。9月各层次间土壤含水率同样差异显著，但是相比7月，5、20和40 cm处土壤含水率均有所减小，而60、80、100 cm处土壤含水率则有所提高。11月各土层之间土壤含水率差异减小，与9月相比，5、20和40 cm处土壤含水率均大幅减小，而60、80、100 cm处土壤含水率变化不大。与2016年相比，2017年1月、3月和5月各层次土壤含水率均大于2016年，而7月、9月和11月各层次土壤含水率则明显小于2016年。其主要原因是2016年雨季后期降雨较多，2017年1月和3月仍保存有较多的水分，而且2017年5月前有降雨，表层土壤水分提前得到部分补给；而在7—11月，2017年降雨量均明显小于2016年。2017年3月，各层次土壤含水率较1月均有明显降低，各层次土壤均持续失水。5月，受少量降雨影响，5、20、40 cm土壤含水率有所增加，而60 cm以上土层土壤含水率则继续降低，整个土层土壤含水率差异达到全年最小值。0～40 cm土壤含水率于7月达到全年最大值，而60～100 cm土壤含水率则持续提升到11月；7月之后，9月和11月表层0～40 cm土壤含水率均开始降低。

总体来看，坡耕地表层土壤含水率年内变化剧烈，土壤含水率时间动态随深度的变化明显减弱；坡耕地1月、3月和5月各土层土壤含水率变化相对不明显，基本上呈现出随着土层深度逐渐增加的规律；7月、9月和11月则呈现出明显的“S”状的规律，即随着土壤深度增加，土壤水分先增加后减小，尤其7月的S特征最为明显。

与原状坡耕地相比，坡耕地布设反坡台阶后，各个时段各个土层土壤含水率均有了明显的提高，尤其是在土壤补水期开始的5月和土壤失水期开始的11月对土壤水分的增加作用更加明显。

注：月土壤含水率指每月第1d的土壤含水率，取坡面上中下3个坡位处土壤含水率平均值。

2.3 反坡台阶对坡耕地逐日动态变化的影响

2.3.1 坡耕地土壤水分逐日动态变化及其对降雨的响应

图4显示，DG和CK坡耕地各深度土壤水分逐日动态变化规律基本一致，但是DG坡耕地各深度处土壤含水率均高于CK坡耕地。DG和CK坡耕地5和20 cm深度处土壤水分2016年雨季前一直较稳定处于8%～13%的水平，而到2016年5月随着雨季来临，土壤水分进入一个迅速的升高期，其中5月20日—5月30日10 d内急速升高到25%～30%，而后继续上升，在2016年7月9日达到35%～40%的顶峰水平，之后在雨季持续波动，但是土壤含水率均稳定在25%以上；从2016年10月后，随着降雨减少，土壤水分逐渐降低，降低的过程一直持续到2017年雨季前，并持续保持在较低的水平；2017年5月，土壤水分开始升高，并于2017年7月24日达到顶峰，之后开始逐渐降低，到2016年12月31日降低到20%左右的水平。相比之下，5 cm深度土壤含水率在雨季比20 cm深度略高，而旱季则略低。坡耕地40 cm深度处土壤水分年内变化趋势和5、20 cm处基本一致，但是变化幅度略小，总体上雨季土壤含水率低于5和20 cm，而旱季土壤含水率略高于5和20 cm。坡耕地60 cm深度处土壤含水率也呈现出明显的季节变化，和上层土壤相比，其土壤含水率大体变化趋势相同，但是基本上没有小的波动；旱季持续保持在13%～15%的范围，而雨季缓慢上升至20%～23%左右的水平，雨季中期最高，雨季后期逐渐降低，最终又降低至13%～15%的范围。坡耕地80和100 cm深度处土壤含水率全年变化均较小，主要原因是其受地表外界条件影响较小，同时土壤水分难以进入土壤深层。

注：各深度处土壤含水率是由坡面上中下3个坡位处每10 d内逐日平均土壤含水率的平均值。

通过各层次土壤含水率与2016—2017年降雨叠加发现，2016年5—6月降雨较多，因此从5月后5、20、40和60 cm处土壤含水率均急剧上升，并在7月中旬达到全年最高值，随着7月下旬降雨减少，土壤含水率开始回落，后随着降雨增加8月中旬又达到第2个峰值，而8月下旬雨量减少后又跌落，并在9月中旬达到第3个峰值，而后随着降雨减少进入旱季，土壤含水率则持续降低。与2016年不同，2017年降雨相对较为均衡，5—6月降雨相对较少，因此坡耕地5、20、40和60 cm处土壤含水率上升较为缓慢，持续上升至8月下旬方达到全年最高值，而随着9月上中旬滴雨未下，土壤含水率降低至60%以下，随着9月下旬的降雨，土壤含水率达到全年第2个峰值。坡耕地80和100 cm仅呈现出年内的季节性波动。

将2016—2017年反坡台阶处理坡耕地各土层深度处逐日土壤含水率与逐日降雨量和降雨强度做Pearson相关分析（表3），结果表明，5、20和40 cm处土壤逐日含水率与逐日降雨量呈现出极显著的相关关系（<0.01），60 cm处土壤逐日含水率与逐日降雨量也具有显著相关关系（<0.05），而80、100 cm深度土壤逐日含水率与降雨量之间相关关系不显著；5、20 cm处逐日土壤含水率与逐日降雨强度呈显著相关（<0.05），而40 cm及以上土层深度处土壤逐日含水率与降雨强度之间相关关系不显著；相比之下，各层次土壤含水率与降雨量之间的相关系数大于与降雨强度之间的相关系数。另外，随着土层深度增加，土壤含水率与降雨量和降雨强度的相关系数均逐渐降低。对比发现，5和20 cm深度土壤含水率与降雨量相关系数表现为CK>DG，而40 cm及以上深度则表现为DG>CK，而不同土层深度土壤含水率与降雨强度相关系数DG和CK未表现出明显规律。

表3 坡耕地不同土层深度土壤含水率与降雨的Pearson相关分析

注：采用土壤含水率的全部数据，样本数为324个；**，<0.01；*，<0.05。

Note: Sample number (324) is total of samples for moisture measurement; **,<0.01; *,<0.05.

2.3.2 反坡台阶对坡耕地增墒率动态变化

引入增墒率表征反坡台阶对坡耕地土壤水分的改善效果。由图5所示，2016—2017年反坡台阶对坡耕地5、20、40、60、80、100 cm处土壤逐日增墒率分别为4.95%～24.66%、4.21%～26.61%、10.14%～21.88%、10.53%～20.49%、13.28%～20.22%和13.07%～20.18%，平均增墒率分别达到15.22%、15.25%、16.91%、15.60%、16.50%和16.17%，总体上反坡台阶对深层土壤的增墒率略大于浅层土壤。反坡台阶对不同层次土壤增墒率在年内均呈现出不同的变化规律（图5），总体上越靠近表层增墒率变化幅度越大。反坡台阶对5和20 cm处土壤增墒率在旱季（11月—次年4月）开始后呈现出先升高后降低的规律，而雨季（5—10月）开始后则表现为先急剧升高又急剧降低然后再升高；反坡台阶对40和60 cm增墒率的变化与5和20 cm处相似，但是变化幅度有所减小，并且峰值出现的时间有所滞后；反坡台阶对80 和100 cm增墒率的变化则更加平稳，基本上在雨季结束后达到峰值，然后持续降低，至下年雨季前期又缓慢升高。旱季反坡台阶对不同层次土壤增墒率均较为接近，而雨季则呈现出巨大的差异，主要表现为雨季初期表层土壤增墒率最大，而雨季中后期深层土壤增墒率最大。从变异性上来看，反坡台阶对各土层深度土壤增墒率变异系数随着土层深度增加而逐渐变小。

图5 反坡台阶对不同层次土壤增墒率变化情况

2.4 反坡台阶对坡耕地耕作层土壤水分干湿变化的影响

耕作层（0～40 cm）土壤含水率的高低与季节性降雨量变化基本一致，降雨量的年内分布直接影响着土壤相对含水率的年内分布。根据2016年和2017年坡耕地土壤相对含水率数据，结合试验区降雨特点，将年内土壤变化分为干旱期、增湿期、湿润期、干化期4个阶段（表4）。

表4 坡耕地土壤水分干湿时段划分

注：各个阶段平均土壤含水率指的是0~40 cm深度内平均土壤含水率，由各阶段逐日平均含水率求平均得到。不同小写字母表示不同干湿时期平均土壤相对含水率之间差异显著（<0.05）。

Note: The average soil moisture in each duration refers to the average in the depth of 0-40 cm. and it is obtained by calculating the average daily average soil moisture in each duration. Different lowercase letters mean significant difference in average relative moisture content between different wet and dry periods at 0.05 level.

原状坡耕地中，2016年5月4日干旱期结束，经历持续17 d增湿期后于5月29日进入湿润期，湿润期的持续时间为141 d，10月17日开始进入干化期，11月22日干化期结束，随后经历了长达177 d的干旱期，2017年5月19日至6月8日为增湿期，6月9日至10月25日为长达139 d的湿润期，干化期持续23 d后，11月18日进入干旱期。坡耕地布设反坡台阶后，土壤水分状况得到改善，2016和2017年湿润期分别增加了27和38 d，干旱期分别减少了20和54 d。此外，布设反坡台阶使2016年湿润期提前了10 d，干旱期推迟了13 d，2017年湿润期则提前了20 d，干旱期推迟了32 d。对比各个阶段DG和CK土壤相对含水率，湿润期和干旱期均表现为DG显著大于CK（<0.01）。坡耕地布设反坡台阶后，增加了湿润期的持续时间，减少了干旱期的天数，而且可以显著增加湿润期和干旱期的土壤含水率，使坡耕地土壤水分长期处于较为理想的水平；反坡台阶在雨季前期能够使土壤更快的蓄积水分，提前达到作物生长所需的水分条件，而在雨季结束后能够维持土壤水分较长时间仍处于良好的水平，提高了土地的水分生产力。另外，反坡台阶在2017年干旱年对土壤水分干湿变化的调控作用比2016年的丰水年更加显著，说明反坡台阶在干旱时能够发挥更大的作用，这对于山区坡耕地农业生产至关重要。

干旱期、增湿期和干化期、湿润期土壤相对含水率呈现出极显著差异（<0.01），而增湿期和干化期则未呈现明显差异。不同阶段土壤相对含水率的变异系数明显的表现为增湿期>干化期>湿润期>干旱期。增湿期主要为土壤补给水分，干化期则为土壤水分损失的阶段，因此变异性最强，相对来说增湿期土壤补水受降雨影响更大，因此变异性大于土壤失水的干化期；湿润期土壤水分则长期处于较为湿润的水平，干旱期土壤水分长期缺水，因此相对来讲变异程度较小，但是湿润期土壤水分降雨影响较大，而干旱期降雨少因而变异程度最小。 另外，坡耕地布设反坡台阶后，干旱期和湿润期土壤相对含水率的变异系数均有所减少，说明反坡台阶不但具有显著的调控土壤水分的效果，而且这种效果是比较稳定的。

2.5 湿润期典型降雨下反坡台阶对坡耕地降雨利用率的影响

本文挑选了2016和2017年湿润期15场典型降雨，对其降雨量、降雨强度、坡耕地耕作层雨前土壤含水率、雨后土壤含水率、降雨利用率等数据进行分析（表5）。结果表明：雨前土壤含水率越小，降雨利用率越高；在降雨量基本相同时，降雨利用率随着降雨强度增大而降低；而在雨前土壤含水率基本一致时，降雨量和降雨强度越大，降雨利用率越低。坡耕地布设反坡台阶后，降雨利用率显著提高（<0.05）。坡耕地降雨利用率与雨前土壤含水率之间呈现显著负相关关系（<0.05），DG和CK坡耕地中相关系数分别为-0.581和-0.534。

表5 湿润期典型降雨下坡耕地土壤水分变化

3 讨 论

降雨是坡耕地土壤水分的唯一来源，反坡台阶调控土壤水分的机理在于对径流的再分配，当降雨较小时，反坡台阶上部产生的径流可以全部拦蓄在反坡台阶内，经入渗后进入土壤进行再分配；而当降雨量和降雨强度较大时，反坡台阶不但能够拦蓄一定的径流，并且能够减缓径流流速，增加水分入渗，调节坡面土壤水分分布，从而改善坡耕地土壤水分条件。

鉴于试验区地下水埋深在30 m以上，因此本试验未考虑地下水对坡耕地土壤水分的影响，另外，由于滇中红壤坡耕地土壤渗水能力相对较差，降雨一般不会影响到100 cm土层以下界面，因此本次研究仅限于100 cm以上土层，而100 cm以下土层的土壤水分运移情况的研究在今后将继续开展。

在本研究中，反坡台阶对于坡耕地土壤水分的增加效果表现为2017年（枯水年）>2016年（丰水年），而丁晋利等[10]和许迪等[33]研究中也发现，免耕的蓄水保墒作用在干旱少雨条件下愈加明显，这跟本文研究结果类似。枯水年降雨相对较少，反坡台阶拦蓄地表径流，减缓径流流速的作用得到更大的发挥，因此对土壤水分的改善作用更加明显。另外，本文研究得出，坡耕地各深度处土壤含水率变异系数年际变化均表现为2016年（丰水年）>2017年（枯水年），而邹文秀等[26]的研究认为，较为丰富的降水能够降低土壤水分的变异程度，即土壤水分变异系数表现为枯水年>平水年>丰水年，其主要原因是该研究区为东北平原黑土区，气温低且蒸发作用弱，降雨大多数均能转化为土壤水分，而本研究区所处西南滇中地区红壤坡耕地，降雨主要集中在雨季，水土流失严重，降雨难以转化为土壤水分。

坡耕地土壤水分越靠近表层受外界环境影响越大，因此不同土层土壤水分变异系数随着土层深度增加而不断减小。在吴巍等[20]和孙中锋等[34]的研究中，受土壤蒸发和作物根系吸收水分的影响，随土层深度的加大，土壤水分含量的时间变化呈减少趋势，表层（ 0～30 cm）土壤水分的波动最为剧烈，而80～120 cm土壤水分含量最为稳定，这跟本文的研究结果一致。另外，坡耕地布设反坡台阶后，60 cm及以上土层土壤水分变异系数明显减小（<0.05），而80 cm处土壤水分变异系数在2016年有所增大，这主要是由于布设反坡台阶后，不但能稳定提高表层土壤的含水率，而且水分更容易进入深层土壤，导致深处土壤水分变异系数增大。在马婧怡等[2]的研究中，土壤含水率随深度的变化自上而下均呈“S”状分布，随着土层深度的增加，土壤含水率呈先增加后减小的趋势，这跟本文研究结果类似。

总体上，坡耕地土壤含水率尤其是表层土壤含水率动态变化与降雨变化是一致的。本文研究发现，坡耕地表层土壤逐日含水率与降雨量、降雨强度均有显著的相关关系（<0.05），而深层土壤逐日含水率与降雨量、降雨强度之间相关关系不明显，并且随着土层深度增加，土壤含水率与降雨量和降雨强度之间相关系数逐渐降低。而彭艳平等[35]研究结果表明，坡面0～45 cm 土层平均土壤含水量季节变化规律基本与降水变化一致，这跟本文的研究结果一致。对比发现，5和20 cm深度土壤含水率与降雨量相关系数表现为CK>DG，而40 cm及以上深度则表现为DG>CK，其主要原因是坡耕地布设反坡台阶后，土壤水分相对更容易进入土层深处，因此深层土壤含水率与降雨相关关系更明显。

反坡台阶对坡耕地不同深度土壤含水率均有显著的改善作用。本文研究了反坡台阶土壤增墒率的年内动态变化，发现其对表层土壤增墒率在每年雨季初最高，而峰值出现的时间随着土层深度增加而有所推迟，这是由反坡台阶拦截降雨，雨水进一步入渗的过程决定的。反坡台阶在雨季初能够使土壤快速补给水分，提高水分利用率，因此对土壤表层增墒率最高，而降雨首先补给表层土壤，随着雨季深入，土壤水分补给的深度逐渐增加，因此反坡台阶对深层土壤增墒率峰值出现时间会有所滞后。随着雨季深入，表层土壤水分均维持在较高的水平，此时反坡台阶对表层土壤增墒率最小，而雨季末降雨减小，表层土壤含水率逐渐降低，反坡台阶增墒率又开始增大，并在旱季初期达到最大，之后旱季土壤持续失水，反坡台阶增墒率又逐渐减小。反坡台阶对深层土壤增墒率的年内变化随着土层深度增加峰值出现时间逐渐滞后，而且变异程度逐渐减小。

本研究中布设反坡台阶对坡耕地5、20、40、60、80、100 cm处土壤平均增墒率分别达到15.22%、15.25%、16.91%、15.60%、16.50%和16.17%，极大改善了坡耕地的土壤水分状况。张兴昌等[36]研究了坡地水平沟耕作土壤水分动态变化，也发现同样的结果。同时，坡耕地布设反坡台阶增加了湿润期的持续时间，减少了干旱期，显著增加湿润期和干旱期的土壤含水率，使坡耕地土壤水分长期处于较为理想的水平，具有显著的调控坡耕地土壤水分的效果；反坡台阶能够提高坡耕地降雨利用率，使土壤更快的蓄积水分，这对于解决坡耕地的生态水文型干旱问题，提高山区坡耕地农业生产力具有重要意义。

4 结 论

1）布设反坡台阶在2016年（丰水年）对坡耕地5～100 cm深度处年均土壤含水率分别增加了11.9%～14.8%；而2017年（枯水年）分别增加了15.4%～17.4%，表明反坡台阶对土壤水分的增加作用在枯水年更为显著。

2）坡耕地旱季各土层土壤含水率变化相对不明显，基本上呈现出随着土层深度逐渐增加的规律；雨季则呈现出明显的“S”状的规律，尤其7月的S特征最为明显。坡耕地布设反坡台阶后，各个时段各个土层土壤含水率均有了明显的提高，尤其是在5月土壤补水期和11月土壤失水期对土壤水分的增加作用更加明显。

3）坡耕地土壤逐日含水率变异程度随着土层深度增加而减小。坡耕地5、20和40 cm处土壤逐日含水率与逐日降雨量呈现显著的相关关系（<0.01），60 cm处土壤逐日含水率与逐日降雨量也具有相关关系（<0.05），而80、100 cm深度土壤逐日含水率与降雨量之间相关系数不明显。

4）试验期间反坡台阶对坡耕地5、20、40、60、80、100 cm处土壤逐日增墒率分别为4.95%～24.66%、4.21%～26.61、10.14%～21.88%、10.53%～20.49%、13.28%～20.22%和13.07%～20.18%，而其对不同层次土壤增墒率在年内呈现出不同的变化规律。

坡耕地布设反坡台阶，显著增加了土壤含水率，增加了土壤湿润期的持续时间，并且能显著提高坡耕地降雨利用率，这对于解决坡耕地的生态水文型干旱问题，提高山区坡耕地农业生产力具有重要意义。

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Dynamic variation of soil moisture at different temporal scales in red soil sloping farmland under reverse-slope terrace

Wang Shuaibing1,2, Wang Keqin2, Song Yali2※, Zhao Yangyi2, Li Jiaxuan2, Wang Zhen2

(1.150040,; 2.650224,)

In order to study the effects of reverse-slope terrace on soil moisture changes at different temporal scales and the changes of dry and wet states in red soil slope farmland, the monitoring of the soil moisture were carried out by time domain reflectometer in 2 sloping farmland in central Yunnan Province. One was the sloping farmland with contour reverse-slope terrace, and the other one was the original sloping farmland. Soil moisture at depths of 40, 60, 80 and 100 cm was measured by buried waveguide, and soil moisture at depths of 5 and 20 cm was measured by straight insert waveguide. The monitoring period in this study was from January 1st, 2016 to December 31st, 2017. During this period, soil moisture was measured every 10 days in the dry season (January to April), every 3 days from the dry season to rainy season (May), every day in the rainy season (June to October), and every 3 days from the rainy season to dry season (November to December). The results showed that after the reverse-slope terrace was used, the soil moisture at different depths was significantly improved at annual scale. Effect of reverse-slope terrace on soil moisture were more obvious in dry years at the annual scale. The variable coefficient of soil moisture was higher at the surface soil, reaching about 50%. At the monthly scale, soil moisture followed an obvious “S” shape characteristic in July, September and November along the soil profile. Specifically, the “S” was more pronounced in July. After reverse-slope terrace was laid in sloping farmland, the soil moisture content of all soil layers had been significantly increased in each period. In particular, the effect on increasing of soil moisture was more obvious in May when soil moisture was replenished and in November when soil moisture was decreased. The variation degree of the daily soil moisture content in sloping farmland was decreased with soil depth increasing. There was a extremely significant correlation between daily soil moisture content and daily rainfall at 5, 20 and 40 cm of sloping farmland (<0.01). Meanwhile, there was also a significant correlation between daily soil moisture content and daily rainfall at 60 cm (<0.05). However, significant correlation was not found between daily soil moisture content and rainfall at depths of 80 cm and 100 cm. With the increase of soil depth, the correlation coefficient between soil moisture content and rainfall decreased gradually. The average soil moisture conservation rates of reverse-slope terrace at 5, 20, 40, 60, 80 and 100 cm in sloping farmland were 15.22%, 15.25%, 16.91%, 15.60%, 16.50%, and 16.17%, respectively. The soil moisture conservation rates of reverse-slope terrace were different at different soil layers during monitoring period. Reverse-slope terrace lengthened the wet period of sloping farmland, and significantly increased the soil moisture in wet period and dry period. Soil moisture content of sloping farmland stayed at an ideal level for a long time after reverse-slope terrace was used, which had a significant effect on regulating soil moisture of sloping farmland. It also significantly increased the rainfall utilization rate of sloping farmland, which would be of great significance for solving the eco-hydrological drought problem of sloping farmland and improving the agricultural productivity of sloping farmland in mountainous areas.

soil moisture; drying ; wetting; reverse-slope terrace; red soil sloping farmland; temporal scales

2018-12-31

2019-03-10

国家自然科学基金项目（30660037）；云南省重点研发计划项目（2018BB018）

王帅兵，博士生，主要从事小流域面源污染控制及水土保持研究。Email：wsbld257@163.com

宋娅丽，博士，讲师，主要从事小流域环境综合治理的理论与技术研究。Email：songyali19851205@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.023

S157.1

A

1002-6819(2019)-08-0195-11

王帅兵，王克勤，宋娅丽，赵洋毅，李佳璇，王 震. 不同时间尺度反坡台阶红壤坡耕地土壤水分动态变化规律[J]. 农业工程学报，2019，35(8)：195－205. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.023 http://www.tcsae.org

Wang Shuaibing, Wang Keqin, Song Yali, Zhao Yangyi, Li Jiaxuan, Wang Zhen. Dynamic variation of soil moisture at different temporal scales in red soil sloping farmland under reverse-slope terrace[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 195－205. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.023 http://www.tcsae.org