自然降水对陕北裸露干化黄土的修复深度的试验研究

2021-06-23张敬晓温永福

河北水利电力学院学报 2021年2期

张敬晓，吕望，温永福，韩超，景明

(1.河北水利电力学院，河北省沧州市重庆路1号 061001；2.中国水利水电科学研究院，北京市海淀区车公庄西路20号 100038；3.黄河水利科学研究院，河南省郑州市顺河路45号 450003)

土壤干燥化是限制黄土丘陵区生态经济可持续发展的重大问题。土壤干层的产生是由于近年来大面积推广退耕还林，林草植被蒸腾耗水过度，致使土壤的水分承载能力遭到严重破坏所致[1]。土壤干层一旦形成将使土壤水分长期处于较低水平，对于该区域绿色植被建设与生态平衡发展具有明显的制约作用[2]。自然降水是黄土丘陵半干旱地区唯一的水分来源，对修复干化黄土起着主要作用。

近年来，关于干化黄土土壤水分入渗的研究众多，成果丰硕。宋丽萍等[3]在干化黄土中栽植苜蓿研究其土壤水分特性后指出，苜蓿-马铃薯和苜蓿-玉米轮作有助于提高土壤水分利用率，减缓土壤干层的发展；田璐等[4]针对陕北地区干化黄土设置了典型覆盖下的自然降水修复试验，结果表明薄膜覆盖可以明显促进干化土壤水分修复，3～4年内的修复深度即可到达1000cm；何婷婷[5]、缪凌[6]、周玉红[7]等均对黄土丘陵区干化黄土的自然降水修复状况做出过专门研究，由于试验设置的边界条件、气象条件等存在差异，所得结果也存在一定的差别。

以往研究大多在地表覆盖或栽植作物的条件下完成，而对于地表完全裸露条件下的自然降水修复特性研究较少。本文中以在野外构建大型土柱、控制地表裸露状况处于完全自然状态的试验为基础，分析降水分布变化、单次降水修复深度与累积降水修复深度等，探讨自然降水对陕北干化黄土的修复特性，为加快形成干化土壤的水分修复理论提供依据，为促进科学、高效利用雨水资源提供理论支撑。

1 研究方法

1.1 研究区概况

试验区位于陕北米脂县远志山红枣栽培试验基地。该区是典型的黄土丘陵沟壑区，土壤贫瘠，土质疏松，容重为1.2～1.355g·cm-3，以黄绵土为主；土壤渗透性能良好，田间持水量为19.5%～23.2%。

1.2 试验设计

在基地一水平阶地构建野外大型土柱，土柱直径80cm，深10m。柱体土壤用塑料薄膜与外界土壤隔离，试验中控制柱体土壤的容重、含水量等均与林地干化土壤一致。土柱内安设CS650型土壤水分探头，并与外侧的CR1000型数据接收器连接，用于监测采集土壤含水量。土壤水分探头每10cm间距布设1个，共计安装100个。同时，在土柱东侧50m处安装BLJW-4小型气象观测站，用以监测降水量等气象状况。

1.3 数据处理

试验中所有数据均采用EXCEL 2010进行数据统计分析，利用Origin 2016进行绘图。

2 数据监测与结果分析

2.1 降水分布变化

图1为米脂县近20年(2000～2019年)降水分布状况。由图1可以发现，20年内丰、平、枯年组交替出现，降水量分布极不均衡：年降水量最大值发生在2013年，为733.7mm；年降水量最小值发生在2000年，为277.6mm；20年内降水量变幅达164.3%。

图1 米脂县2000～2019年降水分布状况Fig.1 The distribution of precipitation in Mizhi County from 2014 to 2019

研究中为了消除极端降水事件导致的结果误差，以20年平均降水量为标准，选取实测年降水量与该平均降水量值最为接近的年份作为典型年，以该典型年的降水量变化来反映自然降水的月际变化特征。经计算，20年的平均降水量为433.05mm，该值与2006年实测降水量(434.90mm)最为接近，变幅仅为0.43%，因此选取2006年作为典型年。图2为典型年(2006年)各月降水量分布图。

图2 米脂典型年(2006年)内各月降水分布状况Fig.2 The distribution of precipitation in each month in the typical year (2006) in Mizhi County

图2显示，降水量在年内分布呈抛物线型单峰变化，各月分布情况具有明显不均衡性：1～4月份处于冬末春初，降水稀少，累积降水量22.6mm，仅为年降水量的5.2%；5～6月份进入夏季阶段，降水开始逐渐增多，累积雨量为95.5mm，为年降水量的22.0%；7～9月份跨越盛夏初秋阶段，降水量达到高峰，累积降水量290.6mm，占年降水量的66.82%；10～12月份进入秋末冬初季节，降水再次减少，累积降水量26.2mm，为年降水量的6.02%。

2.2 单次降水修复深度

为了排除多次降水间交互影响，试验中选取了3次典型单次降水，该3次降水发生前、降水入渗结束前一定时间内均无其他降水发生。降水状况如表1所示。

表1 典型单次降水基本信息

图3为3场单次降水发生后的土壤水分变化过程。图3显示，降水量为24.4mm，8.2mm，43.6mm的3场降水在降水历时内的入渗深度均为20cm。降水停止后表层土壤得到一定的水分补充，体积含水率较降水前有所提高，分别由19.6%，15.3%，14.8%提高至22.1%，15.9%，16.7%。当降水停止时，上下土层间含水率差别较大，土层之间存在水势差，因此雨水在土壤水势梯度及重力作用下仍然继续向下运移。雨停后，3场降水分别经历了130.5h，26.5h，217.5h的土壤水分再分布过程，土壤剖面间的水分状况达到平衡，入渗深度达到最大。当入渗结束时，3场降水的入渗深度分别为40cm，20cm，120cm。总体来看，降水量与最大入渗深度成正相关关系。为进一步定量说明二者之间的函数关系，试验统计了2014～2019年间的所有单次降水情况，发现6年内发生0～8.2mm的降水共计2265次，累积雨量1630.6mm，为6年降水总量的72.47%；发生8.2～24.4mm的降水共计27次，累积雨量318.8mm，为6年降水总量的14.17%；发生24.4～43.6mm的降水共计12次，累积雨量300.6mm，为6年降水总量的13.36%。结合土壤水分变化状况，运用SPSS软件对6年内所有单次降水雨量P与最大入渗深度Zmax进行拟合回归分析，得到二者之间呈幂函数关系变化，即：

Zmax=28.657P0.78486(R2=0.89)

图3 单次降水事件土壤水分修复深度Fig.3 Depth of soil water remediation in a single rainfall event

2.3 累积降水修复深度

有关研究表明[8]，多次降水的累积作用有助于促进土壤水分入渗，即累积降水作用下，自然降水对于干化黄土的修复深度更大。表2为2015～2019年近5年的降水分布状况，为了说明降水的累积作用，现给出年尺度下土柱剖面土壤水分运移曲线，如图4所示。

表2 2014～2015年雨量分布状况

图4显示，雨水在深层土壤中运移具有明显的滞后性，深度为80cm，140cm，220cm土层的水分在2015年开始呈大幅增加趋势上升，而深度为400cm土层的水分曲线自2016年才开始呈上升趋势，深度为700cm土层的水分曲线则从2017年开始上升，深度为1000cm土层的水分曲线自2018年开始上升。因此，至2019年自然降水对干化黄土的修复深度已经达到1000cm。

图4 2014～2019年不同深度土层土壤水分运移曲线Fig.4 Curves of soil water transportation at different depths from 2014 to 2019

经分析认为，深度为80cm以下的土层水分入渗运移是多年累积降水作用的结果。现以2015年为例说明。2015年深度为80cm，140cm，220cm土层的土壤水分曲线均呈现出不同幅度的增加，因此自2014年8月试验布设至2015年，自然降水对干化黄土的修复深度达到220cm，该深度水分并非某一次降水所致，而是2015年全年以及更早时间(2014年8～12月)累积降水的结果。同样，2016年降水修复深度为400cm，是2014年、2015年、2016年3年累积降水作用的结果。因此，在逐年降水不断累积的促进作用下，裸露地表状况下1000cm深度的干化黄土得到自然降水修复大概需要5～6年的时间。

3 讨论

基于陕北地区形成大面积土壤干层现象的事实，文中利用野外地下大型土柱模拟了枣林地深层干化土壤自然降水入渗修复状况。试验的创新之处在于试验布设着眼于完全真实的野外条件，在空间尺度、时间跨度、监测精度等方面都较以往室内试验有了更大的拓展和提升，研究结果因此也更加客观真实，应用价值更加有效实用。但同时，由于自然条件多种因素对入渗作用产生交互影响，各种变量无法进行精确控制，导致研究结果也存在一定误差。这也是本试验存在的不足。

研究显示，裸露地表状况下自然降水对于干化土壤的水分修复深度在5～6年内可达1000cm。该结果仅代表地表无作物种植(即仅有土壤蒸发耗水)情况下的修复结果。事实上，在大面积的林地土壤中都栽植有林木树种，水量除了被土壤蒸发消耗外，还被植株生长过程中产生的大量蒸腾作用所损耗。因此，真实情况下的自然降水对深层干化黄土的修复结果较该研究所得结果要差。