黄土高原旱作区雨水就地富集利用土壤水渗蓄规律

张育斌，张丽娜，王军德，赵小洁，秦 力

(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730030)

0 引言

雨水就地富集利用实质上是一个对天然降水在空间范围内的富集叠加过程，膜料的防蒸发作用及膜面产生的径流必然会改变土壤水渗蓄规律[4-5]，进而影响农田土壤水分的横向及纵向分布，形成空间差异性。目前，关于雨水就地富集利用的土壤渗蓄规律研究多集中在对比不同农田下垫面处理、不同沟垄比条件下的降水入渗过程，以选取最佳种植模式[6-9]。降水-土壤水渗蓄过程复杂，影响因素多[10-13]，故还需进一步系统揭示覆膜沟垄种植模式对初期降水入渗及后期土壤水分运移再分布的影响规律。付玉娟等[14]在松辽平原研究降水入渗过程表明，降水量达18mm以上时，垄沟的集雨增渗作用显现，入渗量及入渗深度增加，且覆膜会削弱垄沟的集雨作用，相对不覆膜起垄可增加入渗量减少。李尧等[15]利用Hydrus-2D模拟分析了不同覆膜宽度的降雨入渗特征，指出覆膜和垄沟的设置都会增加降雨入渗，湿润锋的垂向运移距离与降雨量、覆膜宽度呈正相关关系，但这种促进入渗的作用会随着雨量的增加而减小，在降雨量为30mm时，垄沟促进入渗的作用已经很小。由于不同地区土壤质地及农田下垫面处理存在差异性，且现有降水入渗研究大多在土箱试验或者模型模拟的条件下开展的[16-17]，大田作物种植条件下连续的降水渗蓄过程研究较少，对垄沟渗蓄过程中包括土壤水分再分配的空间差异变化还需进一步揭示。因此，本研究以马铃薯覆垄膜高垄种植模式为依托，研究不同降水过程中土壤水分的渗蓄规律及分布特征，对比垄沟位置降水入渗情况进一步揭示黄土高原旱作区雨水就地富集利用规律，以期为旱作农业技术体系的完善提供理论支撑，为农田水分调控和雨水资源高效利用提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2020年在甘肃省定西市安定区大坪村进行，海拔2087m。该地区属黄土高原丘陵沟壑区和干旱半干旱地区，大陆性季风气候显著。年均气温6.3℃，无霜期140d，年均日照时数2500h。全区多年平均降水量398.5mm左右，多集中在夏秋季节，最大4个月(6—9月)降水量占全年降水量的67.2%，蒸发量高达1500mm以上，为降水量的3～4倍，是典型的旱作雨养农业区。该地区地带性土壤类型为黄绵土，经分土层取样测定，其物理特性见表1。

表1 研究区土壤物理特性

表2 不同降水量条件下降水后不同历时垄沟0～40cm层入渗量变化 单位：mm

1.2 试验方案

本文选取当地特色作物马铃薯为研究对象，供试作物品种为冀张薯8号。采用起高垄双行种植，垄面覆膜，沟内部分覆膜，膜宽120cm，垄高20cm，垄面宽60cm，沟上口宽40cm，沟底宽20cm(如图1所示)。马铃薯种植时1膜2行，行距50cm，株距45cm。试验小区长15m，宽1m。利用土壤墒情仪测定不同土层土壤水分随时间的动态变化过程，以次降水量<10mm、10～20mm、>20mm三个雨量级选取典型次降水量，分别为4.8、7.4、11.2、17.6、21.4、25.8mm，降水历时为375、61、579、593、626、625min，对应降水强度为0.013、0.121、0.019、0.030、0.034、0.041mm/min。

图1 马铃薯雨水富集利用种植模式

1.3 观测项目和方法

在试验区布设一个HOBO RG3-M自计式雨量筒，监测获取降水量及气温数据；在垄上及沟中各埋设一个土壤墒情仪(智墒+)，整个生育期每隔1h对土壤水分进行连续、动态监测，每10cm土层测定1次，测定土壤深度共1m。

通过雨后0、3、6、12、24h的土壤含水率和雨前初始土壤含水量之差分析不同时段内的垄沟降水入渗量变化。入渗量占降水量的比例可反映下垫面对降水利用的有效性，因此按下式计算有效降雨系数(K)：

ΔW=h1SWCa-h1SWCc

(1)

K=ΔW/P

(2)

式中，h1—模型中土层的深度，cm；SWCa—雨后0、3、6、12、24h的土壤含水量；SWCc—初始的土壤含水量，cm3/cm3；P—次降水量，mm；ΔW—降水入渗量，mm。

1.4 数据处理

利用Excel和Origin进行数据分析和图表制作，采用SPSS软件进行差异显著性分析和相关分析。

兰德对电子邮件的兴趣并不限于此。在20世纪90年代中期，研究人员提出了建立一个全国性通用电子邮件系统的构想，为每个美国居民提供一个电子邮件地址，并为那些上不起网的人提供计算机公共接入和经济援助。

2 结果与分析

2.1 不同降水过程中垄沟入渗深度变化

降水过程中垄沟下渗差异可由降水前后土壤含水量的变化得知。故选取降水前、降水结束及降水后(6h)3个时间节点，对不同次降水量条件下垄沟土壤水分纵向分布进行分析。小雨量(<10mm)选取了4.8mm和7.4mm两场降水，对比可知7.4mm降水集中，历时短，强度大，降水过程中土壤水分变化更为剧烈，降水结束时垄中土壤水分仅渗入表层0～10cm，而沟中土壤水分已下渗至10～20cm，降水后土壤水分在水势梯度的影响下继续运移，垄中下渗至10～20cm，沟中下渗至20～30cm，与4.8mm降水条件下下渗深度基本一致。从雨水在土层的主要蓄集区来看，小雨量降水后垄中入渗主要蓄集在表层，沟中主要蓄集在0～20cm，总体表现为沟中下渗量大，下渗深度深。4.8mm降水表现更突出，降水结束时，沟中表层土壤含水量大幅提升，增加了14.7%，增幅是垄中(3.8%)的3倍以上；且降水后，沟中表层土壤水分经蒸发和向下层运移，土壤含水量已呈现小幅回落，而垄中仍小幅增加，此时垄沟含水量相对降水结束增幅差距拉近，接近两倍。7.4mm降水结束时，垄沟表层含水量增幅相当，但沟中雨水已下渗至10～20cm，土壤含水量增加了2.5%，降水后增加至13.6%。

中雨量(10～20mm)选取了11.2mm和17.6mm两场降水，两场降水下渗规律基本一致，土壤水分下渗深度均保持在40～50cm，降水结束时垄沟下渗仍呈现较大差异，主要体现在0～20cm深度，随着入渗垄沟差异减小，表现为垄和沟土壤水分下渗深度相同，且雨水主要蓄集在同一土层。11.2mm降水垄沟都蓄集在0～20cm，随着雨量增加，17.6mm降水主要蓄集区有所下移，集中在0～30cm。两场降水结束时，表层和10～20cm土层沟中土壤含水量增幅高于垄中，尤其是11.2mm降水，垄沟土壤含水量增幅差异达7.3%；降水后，沟中表层和10～20cm土层含水量的回落程度相对较快，垄中表层含水量略有下降，下渗趋势开始显现，下层仍呈现正增长。

大雨量(>20mm)选取了21.4mm和25.8mm两场降水，25.8mm降水下渗至更深土层，雨水在土层的主要蓄集区纵向分布更广，集中在0～40cm。两场降水过程中垄沟下渗差异显著，沟中下渗速率更快，下渗量大，主要蓄集区厚度更大。垄沟下渗深度差异如图2所示：在21.4mm降水条件下，降水后沟中土壤水分下渗至更深土层40～50cm，垄中仅下渗至30～40cm；25.8mm降水条件下，垄沟土壤水分下渗深度均为50～60cm。两场降水结束时，21.4mm降水沟中雨水已下渗至40～50cm，即最大下渗深度，随着土层加深，沟中含水量增幅渐小，但各土层含水量增幅均高于垄中；25.8mm降水结束时，沟中雨水已下渗至40～50cm，垄中才下渗至30～40cm，且该层含水量增幅(2.9%)远低于沟中含水量增幅(16.9%)。降水后，垄沟的土壤水分含量均呈现回落趋势，垄中仅表层含水量略有下降，而沟中回落范围更大。两场降水表现不一致，21.4mm降水，沟中0～20cm呈现回落趋势；25.8mm降水，沟中0～30cm土层含水量回落，且随着土层加深回落幅度越小。

图2 不同次降水量条件下垄沟土壤水分纵向分布

2.2 不同降水过程中垄沟土壤含水量变化

经上述分析，土壤水分的变化基本集中在0～60cm深度，考虑到40～60cm变化相对较小，故仅分析0～40cm垄沟的土层含水量变化。图3—8整体表现为沟中土壤水分波动更为剧烈，对降水的响应更及时。

图3 4.8mm降水过程中不同土层土壤含水量的响应变化

图3—4同时表明了小雨量条件下，降水量达到一定程度时，土壤含水量才显著提升，且随着降水分布呈现波动。4.8mm降水，垄沟表层土壤含水量从10h开始明显抬升，此时累计降水量为1.4mm，后期沟中变化幅度较大，受双峰型降水影响呈波动增长，在15h达到峰值，土壤含水量提升了12.8%，随后缓慢下降，10～20cm土层含水量在15h后有所提升，即表层含水量下降时才开始提升；垄中各土层均表现为缓慢上升后保持平稳，表层仅提升6.0%，垄沟差异显著。7.4mm降水集中，垄沟表层土壤含水量在3～5h陡增，沟在5h(降水结束时)达到峰值，土壤含水量增加了16.4%；而垄在降水结束后仍保持缓慢增加，在9h达到峰值，一方面是因为降水通过种植孔局部入渗扩散较为缓慢，另一方面是因为植物截流的一部分雨水又顺着枝叶进入种植孔。后期沟中随着水分横向纵向运动和蒸发损失，土壤含水量持续下降，相比峰值减少了9.0%，而垄中略有下降后保持稳定。10～20cm土层，仅沟中土壤含水量对降水响应强烈，在4h之后土壤含水量大幅抬升，相对表层响应时间有所滞后，直至14h保持稳定，土壤含水量增加了19.9%。

中雨量条件下，垄沟土壤水分变化的响应时间差异显著。如图5—6所见在同一土层中，垄中土壤含水量变化滞后于沟中。11.2mm降水，沟中表层土壤含水量在4～6h陡增，土壤含水量增加了25.0%，在9h达到峰值；而垄中土壤含水量变化滞后，在6h后才有明显抬升，滞后2h，此时累计降水量为6.4mm，直至15h达到峰值；垄沟含水量变化趋势与小雨量降水基本一致，沟含水量后期出现下降趋势，而垄保持稳定。10～20cm土层，土壤水分相对表层响应时间滞后，沟中表层趋于缓慢变化时，该层土壤含水量才开始抬升，在11h达到峰值，土壤含水量增加了10.7%；垄中土壤含水量变化平缓，同样是在表层变化缓慢时才开始上升，且相对沟也呈现滞后，含水量增加了7.3%。

图5 11.2mm降水过程中不同土层土壤含水量的响应变化

图6 17.6mm降水过程中不同土层土壤含水量的响应变化

17.6mm降水，垄沟表层土壤水分变化趋势基本一致，随着降水的持续，土壤含水量先大幅增加，然后缓慢下降，下渗进入下层土壤，其中在7h集中降水5mm，土壤含水量增幅变陡。14h沟中土壤含水量达到峰值，土壤含水量增加了33.2%；垄中土壤含水量在7h才开始增加，相比沟中滞后2h，在15h达到峰值，滞后1h，土壤含水量增加了28.2%。10～20cm土层，沟中土壤含水量已呈现下降趋势时，垄中土壤含水量仍缓慢上升，随后保持平稳。20～40cm土层，沟垄均呈现先上升后平稳趋势，且受土壤水横向运动影响，垄沟含水量差异减小。

如图7—8所示大雨量条件下，雨水不能及时入渗会在沟中产生积水，且垄面覆膜产生的径流增加，垄沟土壤水分变化差异凸显。21.4mm降水各土层均呈现沟中土壤含水量波动剧烈，且增加幅度随着雨强的变化而变化，垄中则较为平缓，且垄中表层土壤含水量变化滞后沟中1h，随土层加深，滞后时长增加。由于10～20cm土层，垄中初始含水量低，仅为14.9%，雨水下渗多集中蓄集在该层，从5h起土壤含水量呈持续上升趋势，增加了30.1%，故下层20～40cm土层垄土壤含水量在后期增幅较小。25.8mm降水，土壤含水量变化趋势与17.6mm降水条件下基本一致，但垄中土壤水分变化滞后效应更为显著，尤其是10～40cm土层。说明降水强度越大，产生的积水促进了沟中雨水的垂直入渗补给，加强了土壤水分的纵向运动，使得沟中水分响应更为强烈。

图7 21.4mm降水过程中不同土层土壤含水量的响应变化

2.3 不同降水过程中垄沟入渗量及有效降水系数变化

降水入渗后，各典型降水条件下沟中最大入渗量均高于垄中，但随着降水后历时增加，垄沟的入渗量差异逐渐减小。除7.4mm降水之外，垄最大入渗量出现时间均相对于沟有所滞后，且随着降水量增加，滞后时间延长，其中小雨量4.8mm降水滞后时间9h，中雨量条件下滞后时间达12h，大雨量条件下滞后时间达24h；7.4mm降水由于降水历时短，强度大，垄沟降水入渗的滞后效应不明显，均在降水后6h入渗量达到最大。对比同一时段垄沟入渗量可以看出，降水结束垄沟入渗量差异达到最大，大雨量条件下尤为凸显，垄沟入渗量分别相差6.9、5.44mm；降水后24h，各雨量条件下垄沟差异均显著减小，其他时段，小雨量、大雨量条件下垄沟差异仍较大，中雨量条件下垄沟差异较小，且垄中入渗量逐渐超过沟中入渗量，此时降水强度仍低于土壤入渗能力，雨水直接进入土层，未形成积水，垄中入渗量增加主要源自土体水分横向补给和植物截流，侧渗效应显著，该降水量级下，雨水在土壤中蓄集的空间变异性较小。

通过降水量、垄沟位置以及降水历时对入渗量和有效降水系数影响的方差分析，结果表明，垄沟位置、降水历时对入渗量的影响并未达到显著水平(P>0.05)，但降水量对入渗量的影响达到了极显著水平(P<0.01)，同样降水历时对有效降水系数的影响不显著(P>0.05)，但降水量、垄沟位置对有效降水系数的影响达到了极显著水平(P<0.01)。对比不同次降水量与垄沟入渗量、有效降水系数的变化情况，可以看出随着次降水量的增加，入渗量虽整体呈增加趋势，但雨水的损失量也相应增加，沟中有效降水系数整体呈下降趋势，垄中有效降水系数呈现中间高两边低的趋势。小雨量条件下，沟中能最大化的留贮雨水，有效降水系数平均达0.75，但垄中在覆膜作用下贮水较少，有效降水系数平均低至0.51；中等雨量条件下，沟中有效降水系数有小幅度降低，降至0.72，但垄中有效降水系数平均提升至0.65，垄沟贮水差异缩小；大雨量条件下，由于径流损失的影响，垄沟有效降水系数均处于较低水平，分别为0.49和0.56，雨水富集利用效率较低。不同降水量条件下垄沟有效降水系数变化如图9所示。可见，覆膜沟垄种植在小雨量及大雨量条件下空间差异性相对较大，能够在沟中蓄集更多雨水，优势更为凸显；对于小雨量，植物截流作用下水分损失较多，沟中能形成汇流，使得垄沟差异凸显，随着雨量增加，差异有所减小；而对于中雨量，由于土壤水分在土体中的再分布，随着降水量增加，土壤水分运动加强，雨水向垄中的侧渗作用也会增强，使得沟垄土壤水分空间差异变小；对于大雨量，由于表层土壤水分饱和，雨水来不及下渗产生积水，加之垄面形成径流流入沟中，使得垄沟空间差异性变大。

图9 不同降水量条件下垄沟有效降水系数变化

3 讨论

覆膜垄沟系统在田间微地形和膜料防渗抑蒸的共同作用下，形成了集雨、蓄水、保墒一体的农田水分调控技术，旱作农业有限的水资源得以高效配置，降水生产潜力得以大幅增进，其关键在于降水、土壤水分在垄沟间的入渗、运移和再分布。随着次降水量的增加，垄沟土壤水分下渗深度总体呈增加趋势，但非线性增长，说明影响下渗深度的因素不是单一的。土壤水在重力作用下向下运移，且由土水势高的地方流向低的地方，这就决定了水分运移需先满足上层土壤的持水能力，故初始土壤含水量是影响下渗深度的另一重要因素。如21.4mm降水前，垄中0～20cm初始土壤含水量仅为18.7%和14.9%，降水后，雨水多蓄集在该深度，未向深层下渗，最大下渗深度小于17.6mm降水条件下的下渗深度。

垄沟下渗深度的差异性和水量分布的不均衡性均在小雨量(<10mm)和大雨量(>20mm)条件下表现更为突出，表现为同等降水条件下，沟中土壤水分下渗深度大于垄中，且沟中雨水的入渗更深，降水后沟中入渗量高于垄中。小雨量条件下，包括通常所说的无效降水(<5mm)，垄面覆膜和作物生长覆盖会截留一部分降水，进入垄面种植孔的水量减少，截流效应占主导，在膜面汇集径流的加持下，进入沟中水量增加，使得两者下渗深度及下渗量产生差异。大雨量条件下，雨水来不及下渗，产流快，在微地形的作用下，沟内的积水增多，下渗量增加，同时促进了土壤水分的二维入渗，横向侧渗虽能平衡一部分垄沟差异，但垂直入渗作用更强，致使沟中下渗深度深。

垄沟水分变化时间的滞后性取决于入渗速率的快慢，即土壤下渗能力，其影响因素包括降水强度和土壤初始含水量[18]。小雨量条件下，垄沟水分对降雨的响应差异性不显著，但垄中水分达到峰值的时间有所滞后，一定程度上说明垄中入渗速率相对缓慢。随着雨量的增加，时间上的滞后效应越发凸显，中等雨量条件下，垄中表层水分变化时间较沟中滞后2h，达到峰值时间滞后1h，滞后效应最强烈；大雨量条件下，垄中表层土壤含水量变化滞后沟中1h，滞后效应次之，且随土层加深，滞后时长增加。田间植被及膜料覆盖阻隔了降水在土体的直接入渗，使得土壤水分的响应有所滞后，对于中等雨量，在截流作用下，降水初期进入垄面种植孔的雨量有限，土壤水分的响应不大，而沟中叠加了一部分膜面汇集雨量，入渗速率加快，土壤水分响应及时，垄沟响应时间差异凸显。对于大雨量，降水量及降水强度是主导因素，截流效应弱化，垄沟入渗速率加快，响应时间差异减小。包含等[15]通过室内模拟降水入渗研究表明，浅层对湿润锋运移起主导作用的是降水强度，深层降水强度和土壤初始含水量对湿润锋运移有同样重要的影响，雨强越大，含水量越高，越有利于湿润锋运移。这与本文结论有一致性，考虑到田间试验的外界环境因子及作物种植，故实际影响土壤水分变化的因素要相对复杂。

垄沟入渗量对有效降水系数、降水量的响应关系有所不同，随着次降水量的增加，毋庸置疑垄沟入渗量相应增加，但有效降水系数并未呈现持续提升趋势，沟中有逐渐小幅下降趋势，垄中呈现先上升后下降趋势。岳德成等[19]通过全膜双垄沟播玉米试验研究表明，降水入渗效果在61.44%～80.06%之间，汇集水分入渗过程中无效损失率低于28.49%。李尧等[15]提出设置覆膜和垄沟都大幅提高了有效降雨系数，随着降雨量的增加，这种促进作用明显降低，在降雨量达到30mm时，这种增加已经不明显。这与本文结论类似，本文中降水量在20mm以上时，有效降水系数已经呈现下降趋势，主要是由于垄沟位置入渗差异和区域气候土壤的差异。

4 结论

覆膜垄沟系统对土壤水渗蓄规律的影响体现在空间的差异性、时间的滞后性以及水量分布的不均衡性3个方面。小雨量(<10mm)和大雨量(>20mm)条件下垄沟空间差异性和水量分布的不均衡性较为显著，具体为小雨量降水入渗后主要蓄集在0～10cm土层，垄沟土壤水分下渗深度呈现差异，沟中土壤水分下渗深度深，为20～30cm，垄中为10～20cm，且沟中土壤水分增幅大，各时段降水入渗量均高于垄中，尤其是4.8mm降水；大雨量雨水未及时下渗产生的积水和膜面汇集的径流加重了垄沟的空间差异性，整体表现为沟中土壤水分下渗至更深土层，且雨水的主要蓄集区纵向分布更广，沟中下渗速率快，降水后上层土壤水分的回落趋势更为显著，且随着土层加深回落幅度越小，能够将水分更多的蓄集在深层土壤，垄沟入渗量差异达到最大，尤其是21.4mm降水，降水结束入渗量相差6.6mm。中等雨量(10～20mm)条件下，垄沟土壤水分下渗差异较小，下渗深度相同均保持在40～50cm且雨水主要蓄集在同一土层，除降水结束时，降水后各时段垄沟下渗量差异不大，由此可得：

(1)各雨量级条件下，垄沟土壤水分变化对降水的响应过程均呈现差异，整体表现为沟中土壤水分波动更为剧烈，对降水的响应更及时。中等雨量(10～20mm)和大雨量(>20mm)条件下垄沟土壤水分变化对降水的响应过程差异更为显著，同一土层垄中土壤含水量变化滞后于沟中，随着土层加深，滞后时长增加，滞后效应更为突出。小雨量(<10mm)条件下，降水量达到一定程度时，土壤含水量才显著提升，且随着降水分布呈现波动，垄沟土壤水分的前期响应都较为强烈，相对同步，但后期沟中土壤水分出现明显下降趋势时，垄中仍保持缓慢增加，达到峰值时间有所滞后。

(2)随着雨量级的变化，垄沟有效降水系数响应程度也不一致，沟中有效降水系数整体呈下降趋势，垄中有效降水系数呈现中间高两边低的趋势，且小雨量(<10mm)条件下垄沟有效降水系数差异较大，沟中有效降水系数平均达0.75，能够在沟中蓄集更多雨水，但相应垄中雨水损失量也较大，大雨量(>20mm)条件下垄沟有效降水系数均处于较低水平，雨水富集利用效率较低，就整体而言，中等雨量(10～20mm)条件下，垄沟有效降水系数差异较小且均在0.6以上，该雨量级条件下雨水富集利用效率达到最高。

(3)雨水就地富集利用能够高效调控旱作区雨水在田间的分配，同时需结合作物需水特性和生理特性作出种植模式调整，沟中土壤水分波动剧烈，相比垄中各时期墒情条件较好，尤其是在上层土壤(0～20cm)，对于马铃薯而言，块茎生长在土壤里，过湿的水分环境会泡烂块茎，采用沟播反而不利于生产；采用高垄垄作，沟中土壤水分侧渗补充垄水，在垄沟交界处因地膜覆盖存贮起来，形成后备水库，在保证马铃薯生长适宜水分环境的同时，避免了块茎泡烂的风险。雨水就地富集利用的优势不仅仅体现在“雨量增值”上，雨水入渗后土壤水分的再分布，即垄沟之间的水分运移更是旱作农业水分利用和增产增效的关键点。