黄土丘陵区降雨后鱼鳞坑土壤水分动态模拟研究

李高亮, 王 科, 段翠花, 郑纪勇

(1.中国科学院 教育部水土保持与生态环境研究中心, 陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100;3.中国科学院大学, 北京 100049; 4.西北农林科技大学 资源环境学院, 陕西 杨凌 712100)

半干旱黄土丘陵区是我国的生态环境脆弱区，区域内水资源严重不足导致了植被分布不合理，生态系统服务功能低下[1-4]。该区域地下水埋藏较深，自然降雨是该区域唯一的水分补给源[5-6]。但区域内自然降雨年内分布不均，6—9月份降雨量可占全年降雨量的73.7%，且多暴雨，大量降雨资源以径流形式损失[7-8]。降雨径流的大量损失降低了降雨的有效性，制约了植被恢复和生态重建工作的进行。为了控制水土流失，提高降雨资源化程度，当地开展了大量的工作，主要包括退耕还林还草、水土保持工程建设和植被人工恢复[9-11]。通过在坡面上建设集水措施进行下垫面改造，可以拦截降雨径流并积蓄水分，提高降雨资源化程度。大量研究表明，这些工程措施的实施有效地减少了水土流失，增加了土壤水分和养分，提升了人工种植植被的成活率[12-14]。鱼鳞坑整地措施是地形破碎条件下造林整地的重要方式，目前在黄土丘陵沟壑区已经被广泛使用。过往的研究大多集中于鱼鳞坑措施的减流减沙效益和提升造林成活率作用，对于鱼鳞坑措施下降雨后土壤水分的再分布特征少有研究。因此，本文通过灌水试验模拟不同的降雨径流量，研究鱼鳞坑措施下降雨后土壤水分的入渗范围和土壤储水量随时间的变化，以期为黄土丘陵区鱼鳞坑的营造和植被恢复与重建提供一定的技术与理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究在宁夏回族自治区固原市河川乡火岔湾流域(35°59′—36°02′ N，106°26′—106°30′ E，1 530～1 822 m)开展，该地区位于黄土高原西南部，属于半干旱区，气候类型为温带季风气候。该区域年降雨总量最大634.7 mm，最小259.9 mm，平均412.9 mm，多年平均蒸发量为1 558.3 mm，总体上土壤水分亏缺严重。土壤稳定入渗率范围为0.92～1.08 mm/min，表层(0—20 cm)土壤容重为1.07～1.14 g/cm3[15-16]。土壤类型为黄土母质发育的黄绵土，土壤颗粒组成为砂粒(0.02～2 mm)含量45.85%，粉粒(0.002～0.02 mm)含量34.47%，黏粒(<0.002 mm)含量19.68%，属于沙质壤土(表1)。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 试验选取的鱼鳞坑规格为60 cm×40 cm×10 cm(长×宽×深)，在研究区内选择弃耕15 a的梯田作为试验点，按设计的规格建造鱼鳞坑。结合国家气象中心发布的固原地区1956—2016年的气象数据，本试验选择60，30 mm/h作为模拟降雨强度，根据当地径流小区观测资料，选取0.3作为径流系数，2 m2作为汇流面积，则径流流量分别为36，18 L/h。本试验设计降雨时长为1 h，因此两个处理灌水量为36，18 L，每个处理重复3次。

1.2.2 指标测量及计算 试验采用自制的供水装置来供水，为试验提供流速稳定的水源。供水结束24 h后以鱼鳞坑中心为原点，沿3个相互之间夹角为120°的方向分别在距中心0，20，40，60，80 cm位置使用土钻采集0—300 cm深度土层的土壤样品，采样间隔10 cm。将采集的土壤样品带回实验室采用烘干法(105℃，24 h)测定其质量含水量。在采集完土壤样品后，立即在措施中心及选定方向布设5根中子管(PVC，300 cm)。在灌水后的第2，3，5，7天采用中子仪(Neutron probe, CNC503B，中国)测定0—300 cm土层的土壤体积含水量，测量间隔为10 cm。

在使用中子仪进行土壤水分测量之前，采用灌水法对中子仪标准曲线进行标定，考虑到表层土壤性质与深层差异较大，本次标定采用分层标定的方法[17]，标定深度分为0—10 cm和>10 cm，0—10 cm标定结果如公式(1)所示，>10 cm标定结果如公式(2)所示：

y=0.3979x+0.1921

(1)

y=0.7998x+0.0496

(2)

式中：y为土壤体积含水量(cm3/cm3)；x为中子计数比。

在标定中子仪过程中挖取3个深度为150 cm的土壤剖面，每隔10 cm深度用环刀采集土壤样品，将采集的环刀样品带回实验室，用烘干法测量土壤容重和体积含水量并计算土壤总孔隙度。土壤质量含水量与体积含水量的转换过程如公式(3)[18]所示；土壤总孔隙度(Total porosity，TP)计算公式如公式(4)[19]所示；土壤储水量(Soil water storage，SWS)的计算公式如公式(5)[18]所示：

θv=θm×BD

(3)

(4)

(5)

式中:θv为土壤体积含水量(cm3/cm3);θm土壤质量含水量(%);BD为土壤容重(g/cm3),150—300 cm深度土壤的容重采用100—150 cm深度土壤容重的平均值;TP为土壤总孔隙度(%);ds为土壤密度(g/cm3),取值2.65;SWS为土壤储水量(mm);θvi第i层土壤的体积含水量(cm3/cm3);Di为i层土壤的厚度(cm);100,10-1为单位转换系数。

表1 试验区土壤物理性质

1.2.3 数据处理 使用R 4.0.4对数据进行处理，对各项指标进行差异显著性检验和多重比较，用Origin 2021进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤水分垂直方向变化特征

深度0—300 cm土层在距离鱼鳞坑中心0，20，40，60，80 cm处的土壤体积含水量随时间的变化见图1，2。由图1可知，降雨强度为60 mm/h时，与试验前相比，在鱼鳞坑中心处(0 cm)，灌水后第1天10—30 cm深度土层的含水量显著增加，30—60 cm深度土层含水量增加但不显著(p>0.05)；灌水后第2天，10—30 cm深度土层的含水量相比前一天降低，但仍高于灌水前，30—80 cm深度土壤含水量相比前一天升高；在灌水后第3，5，7天10—40 cm深度土壤含水量逐渐降低，40—80 cm深度土壤含水量逐渐增大。在距离中心20，40 cm处，土壤水分在垂直方向的变化趋势与中心处基本一致，但变化幅度逐渐减小。灌水后第1天与灌水前相比，距离鱼鳞坑中心0，20，40 cm处0—30 cm和30—60 cm深度土壤平均含水量增加率分别为32%，26%，21%和9.0%，1.9%，0.021%；灌水后第2天与灌水前相比水分增加率分别为14%，13%，5.0%和17%，14%，9.4%；灌水后第7天与灌水前相比水分增加率分别为12%，11%，3.3%和13%，11%，5.4%。灌水后0～7 d内，深度80 cm以下的土层含水量在试验过程中无显著变化(p>0.05)。

由图2可知，在降雨强度为30 mm/h时，与试验前相比，在鱼鳞坑中心处(0 cm)，灌水后第1天时10—30 cm深度土层的含水量显著增加，30—50 cm深度土层含水量增加但不显著(p>0.05)；灌水后第2天，10—20 cm深度土层的含水量相比前一天降低，20—50 cm深度土壤含水量相比前一天升高。在距离鱼鳞坑中心20，40 cm处，土壤水分垂直方向变化规律一致；灌水后第1天时10—30 cm深度土层的含水量显著增加(p<0.05)；灌水后第2天，10—30 cm深度土层的含水量相比前一天降低，30—40 cm深度土壤含水量相比前一天升高；在灌水后第3，5，7天，土壤含水量几乎无变化。灌水后第1天与灌水前相比，鱼鳞坑中心及水平距离20，40 cm处在0—30 cm和30—50 cm深度土壤平均含水量增加率分别为25%，25%，11%和2.2%，1.7%，0.013%；灌水后第2天与灌水前相比水分增加率分别为19%，12%，8.9%和16%，5.9%，4.1%；灌水后第7天与灌水前相比水分增加率分别为12%，6.2%，4.2%和7.1%，1.3%，1.4%。灌水后0～7 d内，距离鱼鳞坑中心60，80 cm处及所有深度50 cm以下的土层含水量无显著变化(p>0.05)。

在垂直方向上，土壤水分的变化主要受土壤性质、植被生长和气候因素(降水、风速、太阳辐射等)的影响[20-21]。本试验研究结果表明，降雨强度分别为60，30 mm/h时，在垂直方向上灌水后第1天土壤含水量最高值分别出现在30 cm和20 cm深度处，水分最大入渗深度分别为60，40 cm；灌水后第2天，土壤含水量最高值分别出现在40，30 cm深度，最大入渗深度分别为80，60 cm，并持续至灌水后第7天。这表明降雨强度大的时候，灌水后土壤水分最大值出现的深度和水分最大入渗深度大于降雨量小的时候；灌水后土壤水分的最大入渗深度随时间推移而增大，在灌水后第2天达到最大值，2～7 d内保持不变。

2.2 土壤水分水平方向变化特征

距离鱼鳞坑中心0，20，40，60，80 cm处含水量在0—100 cm深度各土层随时间的变化见图3，4。由图3可知，在降雨强度为60 mm/h时，深度0—10 cm土层处距鱼鳞坑中心40 cm处土壤含水量在灌水后第1天显著增加(p< 0.05)，增加率为25.09%，随后恢复至灌水前水平，同一深度其他位置土壤含水量无显著变化(p>0.05)。深度10—30 cm土层含水量在灌水后第1天在距离鱼鳞坑中心0—40 cm处显著增加，而后随着时间的推移而减小。深度30—60 cm土层处距离鱼鳞坑中心0—40 cm处在灌水后第1天增加，而后随时间推移而增加。深度60—80 cm处距离鱼鳞坑中心0—20 cm处土壤含水量随时间推移逐渐增加。深度80 cm以下土层的含水量在水平方向无显著变化(p>0.05)。

由图4可知，在降雨强度为30 mm/h时，深度0—10 cm土层处距鱼鳞坑中心40 cm处土壤含水量在灌水后第1天增加了11%，同一深度其他位置土壤含水量无显著变化(p>0.05)。深度10—30 cm土层含水量在灌水后第1天在距离鱼鳞坑中心0—40 cm处显著增加，而后随着时间的推移而减小；深度30—50 cm土层在灌水后第1天在距离鱼鳞坑中心0 cm处含水量显著增加，距离中心20—40 cm处增加但不显著，在灌水后第2，3天继续增加，灌水后5～7 d降低直至稳定。深度50 cm以下土层的含水量在水平方向无显著变化(p>0.05)。

在水平方向上，土壤水分的空间分布结构受海拔高度、坡向、下垫面、降雨动态、植被形态、土壤剖面性质等多种因素影响[20,22-23]。本文研究表明，在水平方向上土壤含水量随距离鱼鳞坑中心距离增大而降低。在不同土层深度下水分的水平入渗范围不同，降雨强度为60 mm/h时，深度10—50 cm土层水分水平入渗距离可达40 cm，深度60—80 cm土层水分水平入渗距离为20 cm。降雨强度为30 mm/h时，深度10—20 cm土层水分水平入渗距离为40 cm，20—40 cm深度水分水平入渗距离为20 cm。由此可知水分的水平入渗距离随土层深度的增加而减小，这是因为土壤水分水平运移的动力之一是基质对水分的吸持作用，这一作用随土壤含水量的增加而减小[18]。灌水后浅层土壤含水量迅速上升，与周围土壤形成水势差，水分迅速向周围扩散，在重力作用下水分向垂直方向上扩散更快，但土层深度越大水分增加量越少，形成的水势差越小，因此水平方向上水分入渗范围更小。

2.3 土壤储水量变化范围

灌水后鱼鳞坑不同距离处10—100 cm深度土壤的总储水量变化见图5。由图可知，灌水后距鱼鳞坑0，20 cm处土壤储水量显著增加，相比于灌水前，灌水后第1天降雨强度60 mm/h时增加率分别为12%，6.2%，降雨强度30 mm/h时增加率分别为7.7%，4.7%；在灌水后第2～7 d0 cm处土壤储水量逐渐降低，20 cm处土壤储水量在灌水后2～3 d逐渐升高，3～7 d逐渐降低；相比于灌水前，灌水后第7天，降雨强度60，30 mm/h下，距离0，20 cm处土壤储水量增加率分别为8.9%，7.6%和6.1%，1.2%。降雨强度60，30 cm/h下，距离鱼鳞坑40 cm处土壤储水量在灌水后逐渐增加，在第2天达到最大值，相比灌水前增加率分别为7.7%，4.9%；在灌水后2～7 d波动变化，第7天时相比于灌水前的储水量增加率分别为2.0%，-0.53%。在试验过程中距离鱼鳞坑60，80 cm处土壤储水量无明显变化。

大量研究已经证明鱼鳞坑措施具有优异的拦截及入渗降雨径流的能力，本研究也得到了相同的结果。本试验研究结果表明，当鱼鳞坑规格为60 cm×40 cm×10 cm(长×宽×深)时，降雨强度为60，30 mm/h时，降雨水分主要储存距离鱼鳞坑中心0—40 cm处，距离鱼鳞坑40—80 cm处的土壤储水量基本没有变化。相比于距离鱼鳞坑0 cm处，距离20 cm处土壤储水量的最高值达到的时间更晚，这是因为在黄土丘陵区土壤水分的垂直和水平入渗速率不同，水分在垂直方向入渗的更快，但最终距离鱼鳞坑不同距离处土壤储水量有趋于相同的趋势，这与前人的研究结果相一致[24-25]。

3 讨 论

鱼鳞坑措施通过改变坡面微地形，拦截并切断坡面径流，增加降雨水分的就地入渗，提高降雨资源的利用率[26-27]。大量研究表明鱼鳞坑措施在降雨期间具有良好的集水效果，本研究中也证明了规格为60 cm×40 cm×10 cm(长×宽×深)的鱼鳞坑可以在1 h内拦截及入渗强度为60，30 mm/h的降雨所产生的径流。有研究显示鱼鳞坑措施主要增加了深度40—60 cm土层的含水量[26,28]，本研究的结果则表明在降雨强度为60，30 mm/h时，鱼鳞坑措施下水分的最大入渗深度分别为80，60 cm，这一深度大于前人的研究结果，可能是因为本试验位于梯田内，且处于雨季，土壤初始含水量较大，0—100 cm的土壤平均含水量达到了0.22 cm3/cm3。较高的初始含水量会降低水分入渗的初始速率和稳定速率，但在入渗水量不变时可以增加水分的最大入渗深度[29-30]。在降雨强度为60，30 mm/h的时候，鱼鳞坑措施下水分的水平入渗距离均为40 cm，不受降雨强度的影响，且几乎不随时间变化，可能是因为土壤水分在重力和水势梯度差的作用下优先向垂直方向入渗，在总水量有限的情况下水分在垂直方向的入渗距离也是有限的。

图3 降雨强度60 mm/h不同深度处土壤含水量水平变化

图4 降雨强度30 mm/h不同深度处土壤含水量水平变化

图5 灌水后鱼鳞坑不同距离处土壤储水量变化

4 结 论

(1) 降雨强度为60，30 mm/h时灌水后第1天水分入渗深度为60，50 cm，第2天入渗深度达到最大值，分别为80，60 cm，水分最大入渗深度随降雨强度的增加而增大，在达到最大入渗深度前随灌水后时间推移而增大。灌水后第1天水分水平入渗距离达到最大值40 cm，水平入渗范围随着土层深度的增加而减小。

(2) 灌水后7 d内，降雨强度60 mm/h时水分主要储存在深度10—80 cm距离鱼鳞坑中心0—40 cm的区域；降雨强度30 mm/h时，水分主要储存在深度10—50 cm距离鱼鳞坑中心0—40 cm的区域。

(3) 深度10—30 cm处土壤水分在灌水后第1天达到最大值，深度30—50 cm处土壤水分在灌水后第3天达到最大值；距离鱼鳞坑0—20 cm处土壤水分在灌水后第1天达到最大值，距离20—40 cm处在灌水后2～3 d水分达到最大值；达到最大值后土壤水分逐渐降低。