自然降雨条件下干化土壤水分恢复试验

张敬晓，汪 星，许 迪，蔡甲冰，吕 望，唐 燕，纳文娟

（1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室 北京 100038；2. 河北水利电力学院 沧州 061000；3. 宁夏大学农学院 银川 750021；4. 黄河水利科学研究院 郑州 450003）

0 引 言

土壤水处于土壤-植物-大气连续体（Soil- Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）的核心位置[1-2]，对于维持作物生长发育，发挥“土壤水库”调节功能具有重要作用。陕北黄土丘陵半干旱地区沟壑纵横，地形破碎，水分存储效率低下，水土流失严重，土壤水分成为限制当地植被生长与生态发育的主要因子[3]。近年来，大范围、高密度的林草建设大大提高了当地植被覆盖程度，一定程度上缓解了水土流失造成的生态破坏[4]。但由于林木耗水过多，严重超过当地土壤水分的承载能力，致使林地深层土壤水分出现亏缺，土壤呈现干燥化趋势[5]。Su等[6]基于66篇文献的1 262份观测资料对黄土高原不同生态带森林、灌丛和草地5 m深度土壤水分进行meta分析，指出该区植被恢复过程造成了严重的土壤水分下降。林地规模化土壤干化趋势逐年加重不仅导致现有林木作物早衰，还将带来更严重的土壤环境恶化，严重阻碍了后续植被更替。因此，干化土壤水分恢复成为中国黄土丘陵半干旱地区开展生态文明建设，实现可持续发展面临的重大生态环境问题之一[7]。

黄土丘陵半干旱地区地下水位较深，自然降雨是当地土壤水分的唯一补给来源[8]。围绕自然降雨在黄土中的入渗机制机理，近年来众多学者开展了大量研究[9-14]，成果丰硕。张瑞等[15]基于黄土高原南部长武塬区冬小麦和春玉米土壤水分状况研究指出，降雨年型、年内降水分布不均分别是造成冬小麦和春玉米土壤干化的主导因素。有关研究指出，该区干化土壤平均厚度处于40～800 cm[16]，深度达10 m[17]。何婷婷等[18]于2017—2018年针对陕西省米脂县干化土壤建立不同覆盖处理土柱试验，观测发现当年降雨无法对6～10 m土层形成水分补给。因此, 研究深层干化土壤水分恢复问题，需要开展长时间、深层次土壤水分定位观测。李军等[19]通过2003—2005年对黄土高原半湿润区、半干旱区和半干旱偏旱区不同生长年限苜蓿草地0～1 000 cm土层土壤水分定期监测，发现3种类型区各类苜蓿草地年降水入渗深度均不超过2 m，降水入渗深度以下深层土壤保持稳定的干燥化状态。田璐等[20]基于薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、栽植枣树、刺槐及裸地6种处理分别设计了连续3 a的干化土壤水分恢复定位观测试验，结果显示薄膜、石子、树枝等覆盖措施可以明显促进干化土壤水分入渗，3 a内土壤水分恢复深度分别可以达到1 000、1 000、700 cm，为当地合理选择覆盖保墒措施，促进土壤水分入渗提供了技术支撑。目前，关于自然降雨条件下干化土壤水分恢复的研究大多是基于不同下垫面或不同土地利用方式等特定条件，且部分研究存在观测时间不连续、时间短、土壤剖面深度浅等问题，限制了自然降雨对于深层干化土壤入渗补给恢复机理与恢复深度的认识。

土壤干化导致原有林木死亡后形成裸露地表，其水分恢复的主要途径有：裸地条件下的土壤水分自然恢复、自然荒草条件下的土壤水分恢复、人工加速恢复（不同覆盖措施）等。基于此，本文在陕北米脂试验站建造地表裸露的野外大型地下土柱，模拟林地深层干化土壤水分状态，通过2014—2019年连续6 a定位观测自然降雨与土壤水分变化，对不同时间尺度自然降雨条件下林地深层干化土壤的水分恢复状况进行深入研究。研究结果可以为探索原有林木死亡后裸地情况下土壤水分恢复途径，加强黄土丘陵半干旱地区土壤水分调控与生态环境建设提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于陕西省米脂县银州镇（109.47E，37.18N）远志山红枣栽培试验基地，属于典型的黄土丘陵沟壑区。该区域降雨量小，蒸发量大，且降水年内分配不均，年平均降雨量451.60 mm，最大年降雨量704.80 mm，最小年降雨量186.10 mm，属于中温带半干旱性气候。试验区土壤为黄绵土，剖面发育不明显，土质均一，渗透性能良好，土壤容重为1.20～1.35 g/cm3，0～60 cm土壤计划湿润层的田间持水量约为20%，土地较为贫瘠。

1.2 试验设计

1.2.1 野外土柱建造

土柱建造在远志山红枣试验基地水平阶地，田面规格为10 m×6 m，该水平阶地为前期23 a苹果林伐后再植枣树的节水型修剪观测区，土壤干化深度达10 m，平均土壤含水率约为6%。采用开挖后回填方式建造地下土柱，土柱直径80 cm，深10 m（图1）。开挖前，利用洛阳铲采集土样，每10 cm深度采集一次，每次取3个重复，共计采集300个土样，带回试验室利用烘干法测定其土壤含水率。开挖过程中，将开挖土分层堆放，分别保存，以便于按照原来的土壤层次分层回填。回填过程中，一方面在土柱侧壁铺设厚约1 mm的塑料薄膜，将土柱土壤与外界土壤隔离，避免水分向周围土壤产生扩散损失，另一方面严格控制其土壤含水率、土壤质地、土壤层次、土壤容重等指标与林地深层干化土壤相接近，以最大程度模拟林地深层干化土壤状态。考虑到降雨入渗至10 m深度需要较长时间，且无地下水影响，土柱底部未作密封处理。土柱布设完成后经过约3个月自然沉淀，以消除由于回填所导致的偶然误差。

1.2.2 土壤水分测定

利用CS650-CR1000土壤水分自动监测系统进行测定。考虑到土壤水分入渗可能存在边缘效应，在土柱中心安设CS650型土壤水分探头，自地表以下每10 cm布设一个，共计布设100个水分探头；在土柱外安设CR1000型数据采集器，用于采集数据，每30 min采集一次。以相应深度土层烘干法测定结果对CS650-CR1000型土壤水分自动监测系统进行数据可靠性分析，两种方法回归拟合方程为y=0.878 4x+0.518 7（R2=0.967）。因此CS650-CR1000型土壤水分自动监测系统测得的数据可靠。

1.2.3 气象因子测定

利用BLJW-4小型综合气象观测站进行测定，气象站布设在试验土柱东侧50 m处。监测指标包括气温（T，℃）、降雨量（P，mm）、相对湿度（RH，%）、土壤热通量（G，W/m2）、总辐射（R，W/m2）、太阳净辐射（Rn，W/m2）和风速（V，m/s），监测时间步长为30 min。

1.3 指标判定与计算

降雨入渗深度：对比不同时间尺度（次、月、年）降雨始、末时刻干化土壤水分状况，土壤水分得到增加的深度即为降雨入渗深度。

完全恢复深度：以土壤含水量低于田间持水量30%（本研究为6%）定为土壤干化定量指标[21]。基于张文飞等[22]2011年4月对研究区相同地形、相同土质的农地10 m剖面土壤水分调查结果，自然状态下农地土壤剖面平均含水率为13.83%，不存在干化现象。以该结果为标准，判定降雨入渗深度范围内达到（或超过）农地含水率水平的深度即为完全恢复深度。

入渗量：根据某一时段内土壤储水量的变化量确定。即

式中I(t)为入渗量，mm；θ(z，ts)为时段末土壤含水率，%；θ(z，t0)为时段初土壤含水率，%；L为土层厚度，mm。

蒸发量：根据土壤水量平衡方程计算[20]。试验土柱地表裸露，无作物种植。土柱井圈高出地表10 cm，无径流产生。地下水埋藏较深，不产生深层渗漏。因此计算公式可简化为

式中E为蒸发量，mm；P为降雨量，mm；ΔW为时段初与时段末储水量之差，mm。

1.4 数据处理

试验所有数据均采用EXCEL2010、SPSS 18软件进行数据统计分析，利用Origin 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 降雨与入渗深度

基于自然降水是黄土丘陵半干旱地区唯一水分来源的事实，该区干化土壤水分恢复必然通过降雨入渗实现，因此入渗深度是反映干化黄土水分恢复状况的重要指标。以单一年份为周期，根据阶段降雨量及所占该年总降雨量的比例（占比）情况，降雨分布可以划分为3个阶段：降雨匮乏阶段（Stage of Deficit Precipitation，SDP）：上年11—3月，降雨过渡增加阶段（Stage of Increasing Precipitation，SIP）：4—6月，降雨丰沛阶段（Stage of Abundant Precipitation，SAP）：7—10月。表1为2014—2019年米脂县降雨分布统计结果。表1显示，6 a内降雨分布阶段性明显，其中SDP、SIP、SAP阶段降雨量分别处于1.20～85.40、94.40～169.00、173.40～403.20 mm，依次占比0.31%～12.99%、25.70%～33.34%、61.31%～100%。年际不均衡性主要体现在多年间丰、平、枯年组交替出现。依据水文学中降雨年型划分标准，统计米脂2000—2019年间降雨量，可以得到丰水年（P＞25%）、偏丰水年（10%＜P＜25%）、平水年（-10%＜P＜10%）、偏枯水年（-25%＜P＜-10%）、枯水年（P＜-25%）分别出现4、1、7、5、3次，年降雨量依次处于562.30～733.70、534.50、391.60～470.10、325.20～355.00、277.60～320.00 mm。多年降雨变化中，各种降雨年型出现的概率均具有随机性。

表1 2014—2019年米脂县降雨分布状况Table 1 Distribution of precipitation in Mizhi County from 2014 to 2019

图2 为米脂县2014年8月—2019年12月间逐次降雨及其入渗深度的监测状况。可以看出，6 a内降雨分布具有明显的阶段性和年际不均衡性。结合逐次降雨量与其入渗深度变化，图2显示二者具有良好的一致性，利用SPSS进行回归分析，可以得到入渗深度（Z）随降雨量（P）呈二次函数递增变化：Z=-0.002P2+3.271 9P-0.873 7（R2=0.939 1）。分析认为产生这种趋势的原因是入渗深度受降雨量、土壤质地等多种因素协同影响，较小的雨量能够快速渗入干燥表层，入渗深度增速较快，次降雨量进一步增大时，由于土壤干燥化严重，大部分雨水储蓄在上层，至接近饱和后继续向下层土壤入渗，入渗深度增速呈先快后慢变化。

为进一步说明逐次降雨条件下不同深度干化土壤的恢复状况，研究将土柱沿深度方向分为5层：表层（0～20 cm）、浅层（＞20～50 cm）、中层（＞50～100 cm）、较深层（＞100～300 cm）、深层（＞300～1 000 cm）。其中，表层（0～20 cm）、浅层（＞20～50 cm）属于土壤水分活跃层，受外界大气降水、土壤水分蒸发等自然因素和人为因素影响较大[23]，干化土壤的恢复主要体现在中层（＞50～100 cm）、较深层（＞100～300 cm）和深层（＞300～1 000 cm）。表2为2014—2019年不同土层深度入渗特征统计状况，其中对干化土壤水分恢复不发挥作用的降雨（入渗深度小于50 cm）次数和降雨量分别为289次、794.80 mm，依次占总降雨次数和总降雨量的83.77%、35.32%，这也说明黄土丘陵区单次降雨以小雨为主，为无效降雨。能够促进深层干化土壤水分恢复的有效降雨（入渗深度大于50 cm）次数为56次，降雨量1 455.20 mm，分别为6 a总降雨次数和总降雨量的16.23%、64.68%。次平均降雨量能够显著反应降雨入渗有效性，随着次平均降雨量的增加，入渗层次逐渐加深。

2.2 月尺度下降雨入渗能力

由于降雨分布明显的阶段性特征，月尺度下自然降雨引发的入渗响应存在较大变化。本研究根据各月降雨发生后土壤水分变化情况，从逐月入渗与累积入渗两个方面，对月尺度下干化土壤的水分恢复情况进行分析。以2014年8—10月为例，图3表示出了月尺度下降雨入渗响应特征。

表2 2014-2019年不同土层深度入渗特征Table 2 Characteristics of infiltration in different soil layers from 2014 to 2019

不难发现，2014年8—10月分别发生降雨58.60、97.80、17.00 mm，逐月降雨入渗深度依次为140、160、70 cm。与月初土壤剖面水分状况相比，干化土壤在逐月降雨入渗的影响下，入渗深度范围内土壤水分得到不同程度增加，图3显示，2 m剖面平均土壤含水率分别由13.47%（8月初）增加至14.47%（8月末）、14.63%（9月末）、14.36%（10月末）。研究逐月统计了2014年8月—2019年12月降雨量与入渗深度，统计结果如图4a所示。图4a显示，监测期内最大月降雨量（209.60 mm）发生在2016年7月，当月入渗深度也处于最大值（400 cm）；最小月降雨量（0.20 mm）发生在2018年2月，为无效降雨，当月入渗深度为0。整体上，月降雨量与逐月入渗深度一致性良好，运用SPSS进行回归分析发现，逐月入渗深度（Zm）随月降雨量（Pm）增加呈二次函数递增变化：Zm=-0.010 2Pm2+3.955Pm-6.733 5（R2=0.963 9）。

与逐月降雨入渗响应不同，累积降雨入渗对于促进深层干化土壤水分恢复发挥重要作用。图3显示，2014年8—10月累积入渗深度依次为140、160、180 cm，累积入渗深度呈现稳定的增加趋势。图4a统计了2014年8月—2018年12月月尺度下累积降雨入渗深度，可以发现至2018年12月，累积降雨入渗深度已经达到1 000 cm。从水量平衡的角度来看，裸地情况下的降雨量主要用于入渗和蒸发，入渗量与蒸发量的相对大小决定了自然降雨条件下干化黄土的恢复速度。图4b为月尺度下降雨-入渗-蒸发动态变化，整体上蒸发量与入渗量均随降雨量起伏变化，蒸发量略大于入渗量。计算得知，观测期内发生累积降雨2 250.00 mm，其中52.54%被蒸发损失，蒸发量达1 182.11 mm，仅有47.46%入渗补给到土壤中，对干化土壤水分恢复发挥作用，入渗量为1 067.89 mm。由于土柱底部未进行密封处理，至2019年该深度继续加深，并且将超越土壤水分探针监测的最大深度，本研究未能做出有效监测与深入分析。

2.3 年尺度下降雨入渗能力

图5 为2014—2019年年尺度下土壤水分对于降雨入渗的响应曲线。图5显示，排除受自然、人为等因素影响致使土壤水分运动活跃的0～90 cm深度外[24]，2014年8月至年末发生的187.60 mm降雨使90～180 cm深度范围土壤水分由8.65%增加至11.96%，即当年入渗深度为180 cm。同样，2015—2019年分别发生降雨391.60、590.80、337.60、342.40、400.00 mm，逐年降雨入渗深度依次为260、400、260、260、120 cm（图6a）。不难发现，年尺度下逐年降雨量与入渗深度仍具有较强的一致性，这个结果也说明降雨量是影响入渗深度变化的主要因素。

以初始状态（2014年8月）土壤水分为基准，分别对比各年末土壤剖面水分曲线，可以得到累积降雨入渗深度变化。不同于逐年降雨入渗响应，累积降雨入渗更体现多年降雨的交互促进作用，即：较早年份降雨入渗能够提高上层土壤含水率，由此促进后续年份降雨向更深层土壤入渗，入渗深度更深。如，2017、2018年累积降雨入渗深度分别达到700、1 000 cm，较逐年降雨入渗深度（均为260 cm）分别提高了169%、285%。由图5分析得到，2014—2019累积入渗深度依次为180、260、400、700、1 000、＞1 000 cm，其动态变化结果如图6a。与同一区域农地土壤水分（平均含水率13.83%）对比分析（图5），可以进行干化土壤水分恢复深度与恢复程度评价。分析可知，2014—2019年完全恢复深度依次可达140、180、300、600、700、700 cm（图6a），完全恢复程度分别为14%、18%、30%、60%、70%、70%。依据水量平衡原理，图6b表示出2014—2019年年尺度下的降雨-入渗-蒸发动态变化，可以发现在2014、2015两年表现为蒸发量大于入渗量，2016—2018年表现相反。分析认为由于年尺度对时间尺度的刻画比较粗糙，降雨入渗更侧重反应累积效应，因此2014、2015年降雨促进了2016—2018年降雨入渗，入渗量大于蒸发量。2019年由于入渗深度超越了监测范围，不具有代表性，本研究不作深入分析。

3 讨 论

自然降雨条件下黄土区深层干化土壤水分恢复问题一直是土壤学家和生态学家关注的热点。刘晓丽等[25]基于黄土区枣林深层土壤耗水特性研究指出，9 a枣林耗水深度可达4 m，且枣林吸收土壤水分有向深处延伸的趋势。李军等[19]针对该区多年生苜蓿地土壤水分特性研究也指出4 a生以上的苜蓿草地干化土壤深度将超过10 m。因此，土壤干化问题如果不能得到有效恢复，其影响深度将不断加深，对黄土丘陵半干旱地区生态发展、水文发展与可持续发展等造成严重破坏。然而目前关于降雨入渗的研究，大多侧重于作物对雨水的吸收利用，因此研究的土层深度集中在计划湿润层深度（3 m）以内。本研究选取黄土区干化土壤为研究对象，以自然降雨在不同时间尺度下的入渗特性为切入点，设计了野外大型土柱观测试验。与以往试验相比，本试验通过人为控制土柱土壤的含水率、土壤容重、土壤质地等状况与真实的林地深层干化土壤状况相接近，使研究结果更加真实；土柱规格更大，研究的土壤剖面深度达到10 m，远远超过了作物计划湿润层深度，更能体现深层干化土壤的自然恢复情况。另外，试验在野外完全自然条件下进行，保持30 min的监测步长连续监测6 a时间，试验中无任何人为因素干扰和影响，研究结果具有较强的代表性。

借助于时间尺度效应，本研究分别对次降雨、月降雨、年降雨条件下的单独、累积入渗能力做出研究。次降雨、月降雨条件下的观测样本分别为345、65个，样本数量较多，代表性较强，故研究进行了相关的回归模型分析。而年降雨条件下观测样本仅有6组有效数据，样本数量较少，为确保结果准确，研究未进行年尺度降雨入渗恢复能力的回归效果分析。事实上，可以在一定程度上依据月尺度降雨入渗规律推测年尺度降雨入渗结果。

土壤干燥化是制约旱区生态恢复与农业生产的核心问题，恢复年限与恢复深度是问题有效解决的关键。Ali等[26]基于黄土丘陵半干旱区21个试验点数据对苜蓿地0～1 500 cm土壤水分特性进行研究，指出自然降雨条件下200～500、500～1 000 cm干化土壤得到有效恢复分别需要18、23 a。Zhang等[27]研究指出苹果园地恢复至农田水平大约需要26 a时间。孙剑等[28]、王志强等[29]也分别针对6 a生苜蓿地、林后放牧荒坡进行了干化土壤水分恢复研究，有效恢复大约需要23.8、150 a。由此可见，深层干化土壤水分恢复是一个长期、缓慢的过程。本研究因地表裸露，不存在蒸腾耗水，研究结果较以上结果更加乐观，0～1 000 cm干化土壤恢复仅用了5 a（2014—2018年）时间。田璐[20,30]等针对裸地干化土壤水分恢复也进行了专门研究，结果与本研究结果一致。

需要说明的是，本研究所得6 a累积降雨对干化土壤完全恢复深度达到700 cm的结果也仅针对地表裸露、无作物蒸腾的情况，该结果对于探索原有林木死亡后形成裸露地表的干化土壤水分恢复途径具有现实指导意义。在农业生产实际中，除土壤蒸发外，植被蒸腾也是影响黄土丘陵半干旱地区干化土壤水分恢复的主要因子。在栽植有作物的干化土壤中，腾发量较裸地蒸发更大，其直接影响表现为自然降雨对干化土壤的恢复进程减缓。此外，不合理的林木树种选择、栽植密度过大等甚至可能会进一步加剧土壤干化程度。因此针对干化土壤水分调控与恢复研究，需要进一步加强自然降水与植被蒸腾耗水关系研究，有关不同植物和不同地面覆盖条件下的土壤水分恢复试验还需要其他专门的试验研究来完成。

4 结 论

利用陕北黄土丘陵半干旱地区CS650-CR1000土壤水分监测数据和BLJW-4气象监测数据，定量分析了降雨分布特征和2014—2019年不同时间尺度自然降雨条件下地表裸露的干化土壤的水分恢复状况，结论如下：

1）黄土区降雨分布的阶段性和年际不均衡性特点是直接影响到深层干化土壤水分入渗的主导因素，该区降雨分布具有明显的阶段性和年际不均衡性。年内降雨可以划分为3个阶段：降雨匮乏阶段（上年11—3月）、降雨过渡增加阶段（4—6月）、降雨丰沛阶段（7—10月）。

2）次降雨条件下，入渗深度随降雨量增加呈二次函数增大变化。黄土区年降雨次数较多，但对于深层干化土壤起到恢复作用的降雨次数较少。试验期间，能够影响深层干化土壤水分恢复的有效降雨（入渗深度大于50 cm）次数为56次，降雨量1 455.20 mm，分别为总降雨次数和总降雨量的16.23%、64.68%。

3）月尺度、年尺度条件下，逐月、逐年降雨入渗深度随降雨量增加呈二次函数关系增大变化，累积降雨入渗深度随时间延续持续增加。至2018年12月，累积降雨入渗深度达到1 000 cm。

4）与农地土壤水分相比，2014—2019年自然降雨条件下干化土壤完全恢复深度分别为140、180、300、600、700、700 cm，完全恢复程度依次可达14%、18%、30%、60%、70%、70%。因此，充分利用降水资源，加强土壤水分调控，有利于促进深层干化土壤得到有效水分恢复。