不同種植年限壓砂地土壤水分對降水脈動的響應

趙文舉，郁 文，馬孝義，宋建樹

（1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅 蘭州730050；2.西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌712100）

土壤表層壓砂作為一種古老的覆蓋制度，在我國已有近300a的 歷 史［1］。 大 量 研 究［2－4］表 明，土 壤 表層壓砂可以減小地表產流、抑制土壤蒸發、顯著提高土壤儲水量，防止土壤次生鹽漬化，改善土壤理化性質，最終提高作物產量等作用。因此研究壓砂在旱作農業節水、鹽堿地改良和綠洲荒漠過渡帶植被的恢復等方面具有重大意義。土壤表層砂礫覆蓋可以減弱雨滴對土壤表層的濺蝕、表層結皮和提高水分進入土壤的能力［5］。壓砂地能有效地協調和改善土壤水、熱、氣、肥等狀況，達到土壤和作物之間的生理協調，可有效提高降水利用效率，活化土壤潛在肥力，改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性，增加土壤的緩沖性等［6］，同時還具有明顯的生態防護效果。壓砂地能夠充分吸納雨水，增強土壤的滲透力和淋溶作用，使鹽分下移造成脫鹽和洗鹽；另一方面，由于砂礫層切斷了土壤的毛細管，減少土壤水分蒸發，因而土壤下層的水分不能上移，鹽分因之不能上移，這樣就有效地控制了土壤鹽漬化［7］。另外，土壤表層覆砂可以顯著阻止野生植被侵占農田，在晝夜溫差較大的地區，土壤表層砂石上會形成冷凝水。

在干旱、半干旱的荒漠區，稀少的、不連續的和不可預測的降水脈動事件是降水脈動的基本特征［8］。小降水事件是降水脈動的主體，大降水事件所占的比例較小［9］。土壤水分對降水脈動產生響應［10］。土壤水分狀況是影響荒漠區植物生長的重要因素［11－13］。干旱、半干旱地區的地下水一般埋藏較深，所以大氣降水是該地區土壤水分的重要補給來源［14］。降水入滲決定著土壤的含水狀況，通常情況是：降水量小，入滲補給量也小，降水量大，入滲補給量也大。此外，土壤質地、初始含水率等下墊面因素也直接影響水分的下滲過程［15］。降水對土壤水分入滲的影響機制國內外學者已開展了大量研究，其中大多研究集中在人工模擬降水的情況下，且多是研究單一質地的土壤水分入滲情況。對壓砂地土壤水分對降水脈動響應鮮有研究。本研究對不同種植年限壓砂地表層土壤水分對降水脈動響應的規律進行研究，旨在揭示降水后壓砂地的水分入滲規律，為研究區壓砂地降水后的入滲提供理論基礎和生產實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

景泰縣位于中國西部的甘肅省中部，河西走廊東端，甘、蒙、寧三省（區）交界處，黃土高原與騰格里沙漠的過渡地帶。土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土。景泰縣地處季風區與非季風區過渡地帶，縣境內氣候呈現出明顯的大陸性氣候特征，年均降水量185mm，多集中在7—9月份，占全年降水量的61.4%，年均蒸發量3 038mm，是降水量的16倍。光熱資源豐富，年日照時約為2 725h，日照百分率62%，太陽年平均輻射約147.8kcal／cm2，年≥0℃的活動積溫3 614.8℃，≥10℃的有效積溫3 038℃，無霜期141h，年均溫度8.2℃，極端最高氣溫36.6℃，極端最低氣溫－27.3℃。試驗區位于景泰縣蘭州理工大學試驗基地附近。

1.2 試驗方法

采用野外試驗，通過烘干法測定降水前后各表層土的含水率來研究土壤水分的入滲規律，壓砂地取土前揭去表層覆砂，用土鉆取土，以裸地（無植被覆蓋）組為參照組，探討不同年限的壓砂地的水分入滲規律。降水分別發生在2013年5月15日7.1mm和5月27日1.9mm，降水歷時分別為10h和6h。

壓砂地的劃分為以種植年限為基準：新壓砂地種植年限為5～10a，中壓砂地種植年限為25～30a，老壓砂地種植年限為45～60a。土壤取土范圍：從地表依次向下0—10cm。分別從64個點獲取土樣（0—10cm），取其平均值以確保土壤含水率的準確性。

1.3 不同種植年限壓砂地的土壤初始含水率和砂石顆粒級配

第1次降水7.1mm發生前20d以內試驗區無明顯降水，第2次降水1.9mm與第一次降水7.1mm間隔12d，所以第2次降水脈動對土壤含水率的影響受第1次降水的影響，裸地和不同種植年限壓砂地土壤初始含水率和砂石顆粒級配分別見表1—2。

表1 試驗地不同降水脈動前土壤初始含水率

表2 不同年限壓砂地砂石顆粒級配

2 結果與分析

2.1 相同降水脈動對不同壓砂地土壤含水率的影響

通過測定降水脈動一定的情況下，土壤表層含水率隨時間的變化關系來探究不同類型壓砂地對降水脈動的響應規律（圖1）。圖1給出了壓砂地和裸地的土壤表層含水率隨時間的擬合方程式，對其土壤表層含水率隨時間的關系進行擬合，壓砂地土壤含水率與時間呈顯著指函數正相關，相關系數均介于0.938 1～0.987 3。裸地土壤含水率與時間呈二次多項式關系，相關系數分別是0.909 5和0.890 2。圖1顯示，在降水7.1mm的情況下，不同類型壓砂地表層土壤含水率隨時間的變化曲線，壓砂地的土壤含水率都隨時間的延長而增大，其中新壓砂地土壤含水率增長最快，中壓砂地次之，老壓砂地最慢，原因是隨著種植年限的增加，壓砂地表層覆砂中的土含量增高，阻礙了水分的入滲；裸地土壤表層含水率出現顯著地先增大后減小的規律，只在短時間內土壤含水率高于壓砂地，這主要是該地區強烈蒸發造成的。當降水為1.9 mm時，壓砂地的土壤含水率均隨時間的增長而增高，其中老壓砂地增長緩慢，裸地土壤含水率依舊呈現先增高后減小的規律，和降水7.1mm時的裸地土壤含水率的變化曲線相比，變化量不顯著，原因是初始含水率較高，且降水量小。圖1中壓砂地曲線斜率顯示含水率增加速率表現為：新壓砂地＞中壓砂地＞老壓砂地。

圖1 相同降水脈動對不同種植年限壓砂地土壤含水率的影響

壓砂地相比裸地，蒸發作用不明顯。當降水分別為7.1和1.9mm時，壓砂地含水率分別在降水后第7天和第5天開始出現緩慢下降。

2.2 不同降水脈動下壓砂地土壤含水率不同時間的變化量

當降水分別為7.1和1.9mm時，不同砂地土壤含水率在降水后不同時刻相對降水前的增加量詳見表3。由表3可知，降水后第1天土壤含水率增加量，裸地含水率呈現出降水量大，入滲量大，降水量小，入滲量小的規律。和裸地相比，不同降水脈動時，降水后第1天土壤含水率相對降水前的增加率，新壓砂地和中壓砂地都呈現出降水脈動1.9mm大于降水脈動7.1mm，原因是當降水1.9mm時，表層覆砂是濕潤的，縮短了水分在覆砂中的入滲時間，老壓砂地出現相反情況，這可能與壓砂地功能退化和土壤初始含水率有關。

降水后第3天土壤含水率增加量，降水脈動大的含水率增加量均大于降水脈動小的情況，相同降水脈動時，裸地的土壤含水率增加最大，主要是裸地土壤初始含水率很小；和裸地相比，壓砂地土壤含水率增加量表現為：新壓砂地＞中壓砂地 ＞老壓砂地，原因是隨著種植年限的增加，表層覆砂中土砂比增大，壓砂地入滲能力和抑制蒸發的能力都在減弱。

表3 降水后土壤含水率相對降水前的增加量

2.3 不同降水脈動下各壓砂地表層土壤平均含水率

由圖2可知，降水1.9mm時壓砂地土壤平均含水率均高于降水7.1mm時的含水率，裸地相反。兩次降水都呈現出土壤平均含水率表現為：新壓砂地＞中壓砂地＞老壓砂地 ＞裸地。說明壓砂地能更好地保持水分、抑制蒸發，裸地的持水能力弱，不能高效利用雨水。隨著種植年限的增加，壓砂地利用雨水的功能在降低。降水為7.1mm時，平均含水率新壓砂地、中壓砂地、老壓砂地較裸地分別增加了52.7%，45.5%，38.2%；降水為1.9mm 時，分別增加了171.8%，156.4%，110.3%。壓砂地顯著提高了降水的利用效率。

圖2 不同降水脈動下壓砂地土壤平均含水率

3 結論

（1）裸地土壤含水率與時間呈二次多項式關系，壓砂地的表層含水率都隨降水后時間的延長而增大，與時間呈指函數正相關，相關系數均介于0.938 1～0.987 3。時間間隔在一定范圍內的兩次降水，第1次降水脈動對第2次的降水脈動有影響，這種影響主要是通過改變土壤初始含水率，進而改變水分的入滲速率。就壓砂地而言，第1次的降水對表層壓砂起到了潤濕作用，該作用縮短了第2次降水在砂石中的入滲時間。另外，水分的入滲和蒸發與土壤的物理性質（田間持水率、飽和含水率、孔隙率、透水性等）及土壤自身的結構有關。

（2）壓砂地的土壤含水率都隨時間的延長而增大，其中新壓砂地土壤含水率增長最快，中壓砂地次之，老壓砂地最慢。相同降水脈動時，裸地的土壤含水率增加最大，主要是裸地土壤初始含水率很小；壓砂地土壤含水率增加量表現為：新壓砂地＞中壓砂地＞老壓砂地。降水脈動為7.1mm時，新壓砂地、中壓砂地、老壓砂地在降水后第3天土壤含水率比降水前分別增加了42.3%，27.4%，23.2%，降水脈動為1.9mm時，土壤含水率分別增加了22.6%，21.7%，7.6%。

（3）與裸地相比，降水1.9mm時壓砂地土壤平均含水率均高于降水7.1mm時的含水率，說明壓砂地能更好地保持水分、抑制蒸發，裸地的持水能力弱，不能高效利用雨水。當降水脈動為7.1和1.9mm時，新壓砂地、中壓砂地、老壓砂地平均含水率較裸地分別增加了52.7%，45.5%，38.2%和171.8%，156.4%，110.3%。說明隨著種植年限的增加，壓砂地利用雨水的功能在降低。

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