好水川流域梯田土壤含水量變化規律研究

馬 軼，張維江，朱旭東，趙慶恩

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021;2.寧夏建設職業技術學院，寧夏 銀川 750021)

黃土高原地區水土流失問題突出，給當地的生態建設和經濟發展帶來了嚴重影響［1］。近年來，隨著水土流失治理力度的加大，淤地壩、坡改梯、退耕還林還草工程的實施對防止水土流失具有重要意義，但同時也改變了流域產匯流的下墊面條件和水資源的演變規律［2］。為了研究水土保持措施對地表水資源的影響，國內研究人員加強了對土壤含水量垂直分布變化和年內變化趨勢的研究［3］。筆者以好水川流域為研究區，對坡改梯工程實施后梯田土壤含水量與次降雨量的響應關系進行研究，目的是分析流域下墊面條件改變后降水資源化和降雨徑流規律，為流域水資源優化配置和作物種植結構調整提供決策依據。

1 流域概況

好水川流域位于六盤山西側、黃土高原丘陵溝壑區第三副區，地理位置位于 N35°37'20″—35°41'40″、E105°56'20″—106°12'18″，海拔1 835—2 195 m，地勢東高西低，地貌特征以梁峁、溝谷和溝盆凹地為主，屬海洋季風邊緣區，處于中溫帶半濕潤向半干旱過渡地帶，干旱少雨，無霜期短，年均氣溫5.1℃，年平均日照時數2 228.1 h，年降水量520 mm，降雨多集中在6—9月，年水面蒸發量1 200 mm。選擇流域上、中游不同庫壩控制的6塊梯田作為樣地，進行土壤含水量變化規律研究。

2 研究方法

2.1 降水量

采用分辨率為0.1 mm的自記虹吸式雨量計觀測2010年4—10月流域降水量，觀測結果見表1。

2.2 土壤含水量

采用土鉆法定位觀測土壤含水量。土壤樣品取樣深度分別為 0—5、10—15、25—30、55—60 和 85—90 cm。常規觀測時間是在2010年4—9月每月的上、中、下旬各一次，并在降水前后進行加密觀測，將提取的土壤樣品用鋁盒封存，并盡快稱濕重。含水量測定采用烘干稱重法，烘干溫度為105℃，烘干時間為10 h，稱重儀器采用1/100 g精度電子天平。

表1 2010年4—10月好水川流域降水量

3 結果與分析

3.1 不同深度土層土壤含水量動態變化規律

由6塊樣地不同深度土層土壤含水量分布情況可知，各樣地淺層(0—30 cm)土壤受降雨和蒸發影響較大，含水量變幅劇烈，其中:0—5 cm土壤含水量變化范圍分別為3.5% ～21.7%、2.6% ～ 24.5%、1.2% ～ 21.9%、2.6% ～ 23.0%、2.7% ～26.5%、1.1% ～20.0%;10—15 cm 分別為 8.2% ～20.8%、11.9% ～26.8%、6.9% ～ 20.6%、9.1% ～ 24.0%、10.1% ～22.2%、9.5% ～21.5%;25—30 cm 分別為 9.0% ～21.6%、14.0% ～24.8%、7.5% ～ 16.1%、7.6% ～ 22.6%、10.6% ～21.8%、10.2% ～21.6%;最大變幅 23.8%，最小變幅 8.6%。深層(60—90 cm)土壤含水量變化幅度較小，55—60 cm最大變幅11.7%、最小變幅5.3%，85—90 cm最大變幅11%、最小變幅6.5%。4—10月各樣地土壤含水量的加權平均值主要分布在10%～25%之間。

通過分析6塊樣地淺層(0—30 cm)、深層(55—60 cm)土壤含水量變化與降水量季節變化趨勢，可以看出:淺層土壤含水量變化與降水量季節變化趨勢線呈M形。一般從4月底開始流域內降水增多，隨之土壤含水量增加，到5月底土壤含水量達到第一個峰值，土壤含水量平均值分別由13.9%、21.4%、13.7%、17.2%、18.9%、16.1%增加到 19.5%、24.8%、20.6%、19.8%、25.2%、20.7%;隨著氣溫升高和作物耗水量增加，7月中旬土壤含水量變為谷值，土壤含水量分別回落到11.6%、14.2%、8.4%、13.2%、16.6%、12%;7、8 月份是汛期，降水量較多，8月土壤含水量達到第二個峰值，土壤含水量分別上升到20.8%、22.2%、12.8%、21.9%、20.9% 和 17.6%;9 月以后土壤含水量又逐漸降低。深層土壤含水量趨勢線呈V形，谷底在7月下旬，6月前平均值分別為 14%、19.1%、11.5%、14.3%、21.9%、18%，到 7月下旬分別變為 10.1%、14.3%、7.1%、10.2%、15.9%、12%，8月份又逐漸增加。圖1為樣地1不同深度土層土壤含水量變化情況，其余樣地變化趨勢與樣地1相似，故圖略。

圖1 樣地1不同深度土層土壤含水量變化

受降水、蒸發、地形等因素影響，不同深度土層土壤含水量的平均值及其變化量均不相同。用變差系數表示含水量的變化程度［4］，一般變差系數越大含水量變化幅度越大，反之則越小［5］。計算4—9月各樣地不同深度土層土壤含水量的平均值、標準差和變差系數，見表2。

3.2 土壤水分垂直變化規律

表2 不同深度土層土壤含水量平均值、標準差和變差系數

從平均值來看，土壤含水量總體變化趨勢是隨著土層深度的增加呈現“上升—下降”或“上升—下降—上升”趨勢，峰值一般在10—15 cm。從標準差來看，隨著土層深度的增加，土壤含水量的標準差逐漸變小，說明相比淺層，深層土壤含水量受外界干擾程度較低、穩定性更強。由于降雨時雨水滲入使淺層土壤含水量迅速增加，在重力勢和基質勢的作用下水分逐漸向深層運動，加之雨后受蒸發作用影響，因此0—5 cm土層土壤含水量變差系數最大，而深層土壤含水量的變差系數較小［6］，這點在變差系數的分布上也得到了證明。

3.3 土壤含水量變化與降雨量關系分析

用降雨前后土壤含水量的變化量和降雨量數據建立數據庫，利用SPSS軟件進行相關性及回歸分析，研究土壤含水量變化量與降水量之間的關系。因為流域地下水埋深較大，所以不考慮地下水補給，降水是土壤水分補給的唯一來源。降雨后1 d內進行土壤含水量測定，蒸發量可忽略不計。對降水量(y)與土壤含水量變化值(x，為雨后土壤含水量－雨前土壤含水量)用3階多項式回歸分析，結果見表3。由表3知，土壤含水量變化量與降水量呈極顯著相關關系，降水量每增加10 mm，0―5、10―15、25―30、55―60、85―90 cm土層土壤含水量分別增加 4.32%、2.62%、0.98%、0.43%、0.41%，6 塊梯田土壤含水量加權平均值增加0.45% ～1.56%，平均增加0.96%。

表3 各樣地土壤含水量變化量與次降水量回歸分析

4 結語

(1)受降雨和蒸發影響，淺層(0—30 cm)土壤含水量變幅明顯，最大變幅23.8%出現在0—5 cm土層，最小變幅8.6%出現在25—30 cm土層;變化規律與降水量的季節變化趨勢相同，趨勢線形狀為M形，峰值分別出現在5月底和8月份，谷值出現在7月中旬。深層(60—90 cm)土壤含水量變幅較小，最大變幅11.7%，最小變幅5.3%;趨勢線形狀為V形，谷值出現在7月下旬。4—10月份流域內土壤含水量的加權平均值主要分布在10%～25%。

(2)土壤含水量平均值的變化趨勢是隨著土層深度的增加呈現“上升—下降”或“上升—下降—上升”的趨勢，峰值一般出現在10—15 cm處。隨著土層深度的增加，土壤含水量的標準差逐漸減小，受外界影響減弱，穩定性增強。

(3)降水量與土壤含水量變化量之間呈極顯著相關關系。降水量每增加 10 mm，0—5、10—15、25—30、55—60、85—90 cm土層土壤含水量分別增加 4.32%、2.62%、0.98%、0.43% 和0.41%，土壤含水量加權平均值增加0.45% ～1.56%，平均增加 0.96%。

［1］徐建華，吳發啟，王健，等.黃土高原產流產沙機制及水土保持措施對水資源和泥沙影響的機理研究［M］.鄭州:黃河水利出版社，2005:1.

［2］賈仰文，王浩，倪廣恒，等.分布式流域水文模型原理與實踐［M］.北京:中國水利水電出版社，2005:2.

［3］伏巨鵬.徽成盆地土壤含水量變化規律分析［J］.甘肅水利水電技術，2009，45(9):14 －15.

［4］周景春，蘇玉杰，張懷念，等.0～50 cm土壤含水量與降水和蒸發的關系分析［J］.中國土壤與肥料，2007(6):23－27.

［5］岳宏昌，王玉，李纏云，等.黃土丘陵溝壑區土壤水分垂直分布研究［J］.水土保持通報，2009，29(1):66－69.

［6］王二虎，仝文偉，霍繼超，等.暴雨過程對不同深度土壤含水量的影響分析［J］.河南科學，2011，29(1):40 －43.