宁夏南部山区经济林集流渗灌系统土壤水分对降水的响应

2022-02-17张淑倩张维江王永良

农业科学研究 2022年4期

张淑倩，张维江，王永良，黄艳，冯娜

（宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021）

在干旱半干旱地区土壤水分是植物生长与空间分布重要的影响因素之一，是土壤-植物-大气系统中一个重要的生态水文变量[1-2]，关系到整个生态系统的稳定。在自然降水过程中，雨水快速渗透土壤表层在深层积累，随着雨量增大，土壤储水平衡被破坏，导致初始土壤水分从表层排入深层[3]，进而影响土壤水分分布。土壤水分与降水过程之间的联系十分紧密[4]，占比较大的小降水事件和贡献度较大的大降水事件均会对土壤的水分循环产生重要作用，其间存在十分显著的差异。在干旱条件下，降水使土壤水分空间分布格局的异质性增加[5-6]。因此，研究土壤水分对降水的响应规律具重要意义。

已有学者针对土壤水分对降水的响应展开了研究。徐露等[7]通过对季节性干旱区土坡耕地的试验发现，不同土层水分对降水的响应规律不同，雨季初期表层土壤水分变化最大，而7—9月土壤深层水分变化幅度大于土壤表层。姚雪玲等[8]在陕西北部羊圈沟小流域的研究表明，土壤水分对不同降水格局的响应截然不同，强度小的降水几乎不会使深层土壤水分产生变化，而强度较大的降水会使土壤水分明显增加。郭小娇等[9]研究发现，土壤表层水分对首次降水响应的滞后时间与前期土壤含水率有关，响应时间为0.50～4.75 h，在旱季响应的时间大于雨季。上述试验丰富了土壤水分对降水响应特征的研究。然而，针对宁夏南部山区集流渗灌系统林地土壤水分动态变化的研究相对较少，其土壤水分对降水的响应规律尚不明晰。宁夏南部山区气候干旱，降水季节分布不均[10]，降水少且多发生小雨，而小强度降水只能对土壤浅层水分进行补给，或者蒸发于土壤表层，无法渗入到植物根部，对植被土壤水分贡献小，植被土壤水分对小降水事件的响应也较小[11]。

本试验基于渗灌技术，研制出一种新型集雨集流渗灌器，此装置可在野外直接利用覆盖膜收集雨水，对旱地经济林植物根部进行供水灌溉。试验对安装集流渗灌装置和自然裸地状态下的红梅杏经济林土壤水分在不同雨量下的变化趋势进行对比研究，以期为宁夏南部山区生态保护和解决水资源短缺问题提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于宁夏南部固原市原州区彭堡镇申庄村，地理位置为35°50′～36°20′N、106°00′～106°30′E。当地平均海拔1 750 m，属六盘山东北麓、黄土高原中西部，呈沟壑相交、山多川少的地貌特征。年均降水量300～550 mm，年均蒸发量在1 500 mm左右，年平均日照时间为2 250～2 700 h，无霜期140 d，属于温带大陆性干旱半干旱气候，四季分明，昼夜温差较大。该区域的土质组成较为单一，土层较为深厚，地下水埋深较浅。土壤机械组成如表1所示。

表1 土壤机械组成

1.2 试验装置及组成

在3年生红梅杏林布置降水集流渗灌装置，此装置主要由集流薄膜和自主研发的渗灌器组成，见图1。

图1 试验装置布置

1.3 试验设计与布置

分别在距渗灌器和裸地红梅杏树干10、20、30、40 cm和0、30、50、70 cm的水平位置布置土壤水分传感器；在渗灌器和裸地5、15、25、35 cm深度布置土壤水分传感器，将测得的土壤水分分别代表0～10、11～20、21～30、31～40 cm深度土层水分。通过对数据的处理发现，距渗灌器20 cm处的垂向水分含量处于各径向垂向水分含量的中间水平，具有代表性。因此，将距渗灌器水平距离20 cm和距自然生长的红梅杏树干50 cm处（等效覆膜状态下距离渗灌器20 cm的位置）不同土层深度的土壤体积含水率进行对比分析。图2为土壤水分传感器布置图，图3为集流渗灌装置和自然裸地对比图。

图2 土壤水分传感器布置

图3 集流渗灌装置和自然裸地对比

通过马芳等[12]的室内模拟试验可知，在4、8、12 mm 3种不同雨量下，随时间推移累计入渗量不断增大，入渗速率减小；灌水结束24 h后高含水率土壤主要分布在垂向20～40 cm，垂向土壤含水率增量随土层深度增加呈先增后减趋势；土壤水分再分布的变化规律相同，湿润体大致呈半椭球体，且随雨量增加而扩大。

研究区4—8月为红梅杏生长季，试验观测期为2021年4月1日—8月31日。根据以往对降水事件的分析方法，将时间间隔大于24 h的降水作为2次独立降水事件。试验区降水强度小，不适宜根据国家降水标准划分降水强度，因而采用常昌明等[13]的分析方法对研究区的降水等级进行划分，将雨量划分为0.1～2.0 mm（Ⅰ）、2.1～5.0 mm（Ⅱ）、5.1～10.0 mm（Ⅲ）、10.1～18.0 mm（Ⅳ）、>18.0 mm（Ⅴ）5个等级。每5 min观测1次，将测得的雨量数据按逐时、逐日、逐月进行整理。将1天内的降水时间段累加得到各日降水历时，雨量和降水历时比值即为降水强度。在每一量级中分别选取1个前后无明显降水的单场降水事件进行分析。

1.4 观测项目与方法

1.4.1 土壤水分监测方法使用EC5土壤水分传感器测定土壤含水率；使用EM 50数据采集器进行数据采集，每隔5 min记录1次数据，降水前后可加测。

1.4.2 降水监测方法本试验持续时间较长，且主要降水数据取自天然降水，因此采用精度较高的翻斗式自动雨量计进行监测。在红梅杏树附近的空旷地设置翻斗式雨量计对试验区雨量及历时进行监测，设定每5 min记录1次，降水结束后及时收集数据。每次降水后雨量计所得数据即为天然雨量。

1.4.3 土壤水分波动幅度计算利用土壤水分变异系数（CV）表示观测期内土壤水分波动的幅度，计算公式如下：CV=σ/μ。式中：σ为观测期内的土壤水分标准差；μ为观测期内的土壤水分平均值。

2 结果与分析

2.1 降水特征

试验区多年平均降水量维持在447 mm左右，近五十年来年雨量峰值和谷值分别为741.2、262.2 mm。2021年4月1日—8月31日的降水情况统计结果表明，试验区主要以小雨为主，发生大雨的频率较低，但大雨对总雨量的贡献较大。随着雨量等级升高，降水次数逐渐减少，雨量和降水强度逐渐增大。整个观测期共发生降水事件35起，总降水量为152.4 mm。最大雨量为18.2 mm，为V级降水事件，只发生过1次，最小雨量为0.2 mm。各量级降水情况见表2。

表2 各量级降水情况

由观测期月降水分布特征可知（图4），4月雨量最大、次数最多，7月雨量最小，8月降水次数最少。

图4 月降水分布特征

2.2 土壤水分对不同量级降水的响应

试验区蒸发量大，2 mm以下降水仅能影响表层土壤水分，且还会被林木截留，2 mm以下降水对红梅杏根系几乎无补充作用，因此本试验对2 mm以下降水不予分析。在其余的降水事件中，每个量级选取1个前后无明显降水的单场降水事件为研究对象（表3），分析不同量级降水事件中土壤水分的变化特征。

表3 不同量级降水事件的特征参数

2.2.1 Ⅱ级降水事件由图5可知集流渗灌处理和自然裸地土壤水分对Ⅱ级降水的响应。降水事件持续4 h，雨量先增加后减小。自然裸地0～10 cm土层土壤含水率在累计雨量达到3.2 mm时才有升高趋势。在降水4 h时，土壤含水率从雨前的10.39%增长到10.81%，增幅为4.04%。11～20、21～30 cm土层含水率变化不明显，31～40 cm土层土壤含水率几乎无变化。该场降水仅对表层土壤水分产生了影响，对深层土壤水分几乎没有补充作用。土壤水分对量级低的降水不敏感。集流渗灌处理0～10、11～20 cm土层土壤含水率呈轻微波动变化，其间土壤含水率仅有轻微增长。雨后18 h 21～30 cm土层土壤含水率达到峰值，从雨前的16.41%增长到16.92%，增幅为3.11%。31～40 cm土层水分在降水后1 h开始明显增加，从降水前的23.07%增长到24.56%，增幅为6.46%。

2.2.2 Ⅲ级降水事件集流渗灌处理和自然裸地土壤水分对Ⅲ级降水的响应见图5。降水事件断续进行12 h，雨量先增加后减小。自然裸地0～10、11～20、21～30 cm土层土壤含水率达到峰值后，随着雨量减少各土层均出现退水现象，土壤含水率分别增加8.64%、4.48%、3.12%。31～40 cm土层含水率对降水几乎无响应，土壤水分无明显波动。集流渗灌处理0～10 cm土层土壤含水率几乎无变化，土壤含水率对降水几乎无响应。11～20 cm土层土壤含水率从降水前的14.63%增长到14.96%，增幅为2.26%。21～30 cm土层土壤含水率缓慢上升，增幅为4.16%。31～40 cm土层含水率有较明显的平台期，时间为9 h，之后土壤含水率开始明显增加，峰值为0.247 cm3/cm3，增幅为5.56%。由此可知，自然裸地土壤水分对降水的响应随着土层深度的增加由强变弱，而集流渗灌处理土壤水分对降水的响应逐层由弱变强。这说明集流渗灌装置对深层土壤水分的补给作用优于自然裸地。

2.2.3 Ⅳ级降水事件集流渗灌处理和自然裸地土壤水分对Ⅳ级降水的响应如图5所示。降水事件持续19 h，主要分为2个阶段，前一阶段雨量为7.6 mm，后一阶段雨量为5.4 mm，自然裸地0～10 cm土层土壤水分对降水均有响应，从降水前到降水后土壤含水率先降低后升高再降低，两阶段土壤含水率峰值分别为0.092、0.093 cm3/cm3，增幅分别为9.52%、10.71%。11～20 cm土层含水率波动较小，21～30 cm土层含水率在两阶段的峰值分别为0.116、0.117cm3/cm3，增幅分别为1.75%、2.63%。31～40 cm土层土壤水分无明显变化，土壤含水率对降水几乎无响应。除31～40 cm土层，其他土层土壤水分对频繁的小降水事件的响应表现出累积效应，从而导致较深层土壤水分的脉动。集流渗灌处理0～10 cm土层土壤含水率在第一阶段雨后第8小时达到峰值，从降水前的14.54%增长到15.38%，增幅为5.78%。11～20 cm土层土壤水分几乎无变化，土壤含水率对降水响应的曲线较为平缓。21～30、31～40 cm土层含水率对降水响应的曲线平台期分别为55、41 h，峰值为0.140、0.228 cm3/cm3，增幅分别为7.60%、27.71%。

2.2.4 Ⅴ级降水事件由图5可知集流渗灌处理和自然裸地土壤水分对Ⅴ级降水的响应。自然裸地0～10 cm土层土壤含水率对降水有剧烈的响应，当雨量达18.2 mm时，土壤含水率从降水前的10.62%增长到19.13%，增幅为80.13%。11～20 cm土层土壤含水率随雨量增加先上升后下降，较土壤含水率最低点的增幅为5.41%。21～30 cm土层土壤含水率轻微增长。从降水前的12.44%增长到12.76%，仅增加了0.32 mm，增幅为2.57%。31～40 cm土层土壤水分无明显波动，土壤含水率对降水几乎无响应。集流渗灌处理0～10 cm土层土壤含水率无明显变化，呈轻微波动。11～20 cm土层含水率缓慢上升，土壤含水率从降水前的14.11%增长到15.40%，增幅为9.14%。21～30、31～40 cm土层在累计雨量达到17.4 mm时土壤水分迅速增长，土壤对降水响应的曲线平台期分别为32、30 h，峰值为0.211、0.296 cm3/cm3，增幅分别为26.35%、30.97%，降水结束后土壤含水率出现了明显的退水趋势。可见，集流渗灌装置下的土壤含水率在较深土层对降水表现出较为明显的响应过程。

图5 不同条件土壤水分对降水的响应过程

2.3 不同降水条件下土壤水分特征

不同量级降水下土壤水分特征及变异系数见表4。自然裸地在Ⅱ—Ⅳ级降水下，31～40 cm土层土壤平均含水率最大，0～10 cm土层最小；Ⅴ级降水下0～10 cm土层最大，11～20 cm土层最小。除了Ⅳ级降水，其他量级降水下不同土层土壤含水率变异系数从上到下依次减小。可见，表层土壤水分对降水的响应显著，而较深层土壤水分对降水的响应明显减弱。集流渗灌处理31～40 cm土层土壤平均含水率最大，11～20 cm土层土壤平均含水率最小，Ⅱ、Ⅳ级降水下除0～10 cm土层外，其余土层的变异系数由上到下逐层增大；Ⅲ、Ⅴ级降水下不同土层的变异系数从上到下依次增大。可见，集流渗灌装置使较深层土壤水分对降水的响应更明显。

表4 不同量级降水下土壤含水率均值及变异系数 %

3 讨论

宁夏南部山区干旱少雨，当地土壤水分最重要的来源是天然降水。试验表明，集流渗灌系统和自然裸地2种条件下红梅杏经济林土壤水分对降水的响应呈现不同规律，在一次降水过程中，自然裸地31～40 cm土层土壤平均含水率最大，0～10 cm土层最小，土壤含水率对降水的响应逐层由强变弱。这是由于降水初期雨水在毛管力和重力的双重作用下开始入渗，这时入渗速率大，随着土层深度增加，毛管力不断减小，到后期仅靠重力作用缓慢下渗，所以下层土壤的入渗速率慢，在降水和入渗的双重作用下，对较深层土壤水分产生的补给十分有限[14]。此外，在降水过程中水分既要克服蒸发消耗又要克服表层土的吸附截留才能下渗到植物根系层，有效补充该层土壤水分[15]。整体来看，裸地不同土层土壤含水率的变异系数从上到下依次减小，这与王帅兵等[16]的研究结果一致。集流渗灌处理31～40 cm土层土壤平均含水率最大，11～20 cm土层最小，不同土层土壤含水率变异系数从上到下依次增大，土壤水分对降水的响应逐层增强，浅层土壤对降水的响应时间滞后于深层土壤，整体响应时间滞后于自然裸地。这是由于集流渗灌系统独特的设计所造成的，当降水发生时，除了小部分雨水被树冠截留，其余雨水因为土壤表层覆盖地膜对浅层土壤不产生影响，直接通过集流装置流入渗灌器盖部经过上层过滤孔进入渗灌器沉入底部，当底部水量不断增加上升至渗灌器壁打孔位置时，收集储存的水分开始入渗。此外，随着雨量的持续增加，水分在毛管力和重力的双重作用下沿着渗灌器壁孔向外扩散的同时向下入渗。

随着降水强度的增大，自然裸地0～10、11～20 cm土层土壤水分对降水的响应越来越剧烈，21～30、31～40 cm土层土壤水分对降水的响应越来越微弱。土壤深层水分对降水的响应不明显，基本处于平缓状态，这与沈志强等[17]在西藏拉萨河谷山地的试验结果一致。可见，自然裸地土壤水分对雨量小、强度小的降水并不敏感，在以小降水事件为主的降水格局影响下，表层土壤水分条件优于深层土壤[18]。其中土壤对降水响应的曲线从降水前到降水后呈现低—高—低的变化趋势，这同高红贝等[19]的干旱区降水过程试验结果相符。集流渗灌处理21～30、31～40 cm土层土壤水分对降水的响应越来越显著，0～10、11～20 cm土层土壤含水率变化不明显，可能的原因有以下两点：其一，湿润峰并未运移至此范围；其二，渗灌器顶层盖部材料损耗了部分降落到地面表层的雨水。伴随着雨量增大，土壤水分对降水的响应可以分为平台期、上升期、峰值期和退水期[20]。集流渗灌处理和裸地的土壤含水量对降水的响应程度均随雨量增加而不断增强，但集流渗灌处理的土壤含水量对大多数降水事件表现出更明显的响应过程。在本试验中，宁夏南部山区小于5 mm降水对自然裸地21～30、31～40 cm土层土壤水分几乎无影响，而集流渗灌处理下土壤水分响应的曲线产生较为明显的波动，可见集流渗灌处理使土壤湿润的深度远大于自然裸地雨水的入渗深度，即使在小降水事件中也能对较深层次土壤水分产生补给作用，且土壤最低含水率均为田间持水率的60%～80%，在旱地作物培育中，这是作物根区最适宜的土壤环境。可见，集流渗灌系统适用于干早地区，其良好的储水作用有益于干旱及半干旱地区植物的生长。

降雨集流渗灌系统目前还处在初步研究阶段，量化此系统下不同雨量对土壤水分的影响以及深层土壤雨后土壤水分再分配是十分复杂的过程，还需要进行长期监测。因此，分析此系统下宁夏南部山区红梅杏经济林土壤水分对降水的响应有助于挖掘旱区经济林水资源潜力。