不同時間尺度反坡臺階紅壤坡耕地土壤水分動態(tài)變化規(guī)律

王帥兵，王克勤，宋婭麗※，趙洋毅，李佳璇，王 震

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不同時間尺度反坡臺階紅壤坡耕地土壤水分動態(tài)變化規(guī)律

王帥兵1,2，王克勤2，宋婭麗2※，趙洋毅2，李佳璇2，王 震2

（1. 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 1500402；2. 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650224）

為研究反坡臺階對紅壤坡耕地土壤水分不同時間尺度變化以及土壤干濕變化的影響，在2016—2017年對布設(shè)反坡臺階坡耕地和原狀坡耕地0～100 cm深度土壤水分狀況進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測，計算了土壤相對含水率和增墑率。結(jié)果表明，反坡臺階對土壤水分的增加作用在枯水年更為顯著（<0.05）。坡耕地旱季各土層土壤含水率變化相對不明顯，基本上呈現(xiàn)出隨著土層深度逐漸增加的規(guī)律；7月、9月和11月則呈現(xiàn)出明顯的S狀的規(guī)律；坡耕地布設(shè)反坡臺階后，各個時段各個土層土壤含水率均有了明顯的提高，尤其是在5月土壤補(bǔ)水期和11月土壤失水期對土壤水分的增加效果更加明顯。坡耕地土壤逐日含水率變異程度隨著土層深度增加而逐漸減小；反坡臺階處理坡耕地和原狀坡耕地5、20和40 cm處土壤逐日含水率與降雨量呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)關(guān)系（<0.01），60 cm處土壤逐日含水率與降雨量達(dá)顯著相關(guān)（<0.05），而80、100 cm深度土壤逐日含水率與降雨量之間相關(guān)關(guān)系不顯著。反坡臺階對坡耕地5、20、40、60、80、100 cm處土壤平均增墑率分別達(dá)到15.22%、15.25%、16.91%、15.60%、16.50%和16.17%，而其對不同深度土壤增墑率在年內(nèi)均呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。坡耕地布設(shè)反坡臺階，顯著增加了土壤含水率，增加了土壤濕潤期的持續(xù)時間，并且能顯著提高坡耕地降雨利用率，這對于解決坡耕地的生態(tài)水文型干旱問題，提高山區(qū)坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力具有重要意義。

土壤水分；干；濕；反坡臺階；紅壤坡耕地；時間尺度

0 引 言

土壤水分是土壤的重要組成物質(zhì)之一，是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動的載體。作為一個重要的生態(tài)因子，土壤水分對土壤的形成和發(fā)育、土壤中物質(zhì)和能量的運(yùn)移以及植物的生存與生長，都有著重要的影響[1-7]。坡耕地是云南省的主要耕地類型，尤以紅壤坡耕地為主，而降雨是坡耕地土壤水分的主要來源[8-9]。在紅壤坡耕地中，由于坡度的存在，降雨入滲減少，導(dǎo)致坡耕地水土流失嚴(yán)重，生態(tài)水文型干旱表現(xiàn)突出。因此，采取有效的措施減少地表徑流，增加水分入滲，提高水分利用效率，是防治紅壤坡耕地水土流失和提高坡耕地生產(chǎn)力的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)外對于坡耕地水土保持措施的研究較多，而各項措施的實(shí)施對于農(nóng)田土壤水分動態(tài)變化的影響也是當(dāng)前研究的一個熱點(diǎn)。丁晉利等[10-12]研究了保護(hù)性耕作對坡耕地土壤水分的影響，發(fā)現(xiàn)免耕可以提高7.3%～25.34%的農(nóng)田貯水量，增加作物產(chǎn)量[13-15]，深耕則能提高土層有效水儲量，并提高深層土壤水分的利用率。董勤各等[16-18]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以使0～40 cm土層含水率提高10.7%～20%，使作物產(chǎn)量提高20%以上。溝壟耕作能夠顯著提高農(nóng)田土壤含水率和貯水量[11,19-20]；而植草能夠促進(jìn)坡地對土壤水分的吸收[21]。另外，施用生物炭可顯著降低草甸黑土的降低土壤水分?jǐn)U散率，增加土壤飽和含水率和田間持水量[22]；秸稈摻土還田則減少了土壤飽和含水率，使有限的水灌溉更多的農(nóng)田，從而提高土壤水分利用效率[23]。張北贏等[24]研究了黃土丘陵溝壑區(qū)不同水保措施條件下土壤水分狀況，發(fā)現(xiàn)不同水土保持措施對土壤儲水虧缺補(bǔ)償度不同，而且對土壤水分季節(jié)變化和垂直變化均產(chǎn)生不同影響。茍琪琪等[25]研究了不同時間尺度下常規(guī)耕作秸稈還田和深松秸稈還田2種耕作措施土壤水分在不同時間尺度的動態(tài)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同耕作措施各層土壤含水率的變化過程存在較大的差異。鄒文秀等[26-27]研究表明，降雨年型對土壤水分變化也有影響。針對西南紅壤坡耕地土壤水分的研究較少。

本課題組在滇中地區(qū)針對紅壤坡耕地提出了反坡臺階這一項行之有效的水土保持措施，研究表明該措施不但減沙效益顯著[8-9]，而且能夠攔截地表徑流，將其轉(zhuǎn)化為作物生長亟需的土壤水，從而改善坡耕地土壤水分狀況[28]，提高坡耕地水分利用率。本研究于2016—2017年進(jìn)行連續(xù)2 a的野外定位觀測，分析不同時間尺度反坡臺階紅壤坡耕地土壤水分變化規(guī)律，以期揭示反坡臺階改善坡耕地土壤水分狀況和提高水分利用效率的機(jī)理，為解決紅壤坡耕地的生態(tài)水文型干旱，提高山區(qū)坡耕地生產(chǎn)力，源頭控制山區(qū)水土流失提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省昆明市松華壩水源區(qū)迤者小流域（24°14￠432～25°12￠482N，102°48￠372～102°44￠512E），流域面積13.26 km2，海拔在2 010～2 590 m之間，近15 a平均降雨量717.2 mm，其中5—10月為雨季，降雨量約占全年的85%以上，年蒸發(fā)量1 341 mm，年均氣溫13.8 ℃。該流域?yàn)樗扇A壩水源區(qū)內(nèi)典型的農(nóng)業(yè)小流域，土壤以紅壤為主，流域內(nèi)耕地面積約占25%，主要以坡耕地為主。林地約占66%，以灌木林和疏林地為主。流域內(nèi)主要農(nóng)作物包括烤煙（Linn.）、玉米（L.）、大豆（(Linn.)Merr.）、馬鈴薯（L.）等，主要樹種包括云南松（Franch.）、滇青岡（Schotky）、滇石櫟（(Hook. f. et Thoms.) Rehd.）、厚皮香（(Wight et Arn.) Beddome）、杜鵑（Planch.）等。

1.2 樣地設(shè)置

試驗(yàn)地選取位于昆明市松華壩水源區(qū)迤者小流域水土保持監(jiān)測站的一塊近似為長方形的坡耕地，長約32 m，寬約26 m，東西坡向，中坡位，海拔2 067 m左右，坡度約為15°。該地耕作年限在15 a以上，作物制度為一年一熟，主要種植大豆，于5月中旬播種，10月上旬收獲。試驗(yàn)區(qū)地下水埋藏較深而不參與土壤水分循環(huán)，試驗(yàn)期間不灌溉，完全在旱作條件下進(jìn)行，降雨為唯一補(bǔ)充水源。坡耕地中部右側(cè)布設(shè)有1條反坡臺階，反坡臺階沿等高線布設(shè)，自上而下里切外墊，修成一臺面，反坡5°，階寬1.2 m（圖1a）。為了控制試驗(yàn)條件，在反坡臺階上方7.5 m設(shè)置1條截水溝，將試驗(yàn)地上方降雨截走，坡耕地坡面均為自然排水。

如圖1b所示，原狀坡耕地（CK）和反坡臺階坡耕地（DG）各布設(shè)3組時域反射儀（Time-domain reflectometer，TDR）埋藏式波導(dǎo)管（美國SEC公司，型號6005L2）。各測點(diǎn)均埋設(shè)4根埋藏式波導(dǎo)管，埋設(shè)深度分別為40、60、80、100 cm。為了避免埋設(shè)波導(dǎo)管影響耕種，5和20 cm處土壤含水率使用直插式波導(dǎo)管（美國SEC公司，型號6002F1）測定。埋藏式波導(dǎo)管于2015年5月15日完成埋設(shè)，本試驗(yàn)監(jiān)測期從2016年1月1日—2017年12月31日，其中雨季（6—10月）每1 d測定1次，雨季轉(zhuǎn)旱季階段（11—12月）每3 d測定1次，旱季（1—4月）每10 d測定1次，旱季轉(zhuǎn)雨季（5月）每3 d監(jiān)測1次。

用A、B、C 3個區(qū)域上、中、下坡位不同土層深度的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)平均值來表征原狀坡耕地各層次土壤水分狀況，用D、E、F 3個區(qū)域上、中、下坡位不同土層深度的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)平均值來表征布設(shè)反坡臺階坡耕地各層次土壤水分狀況。每年雨季前用5點(diǎn)采樣法分別采集坡耕地A、B、C區(qū)域和D、E、F區(qū)域的土壤調(diào)查土壤特征背景值和土壤水分參數(shù)（表1），穩(wěn)定入滲率是在野外針對坡耕地測定的，沒有進(jìn)行分層測定，DG和CK處理的穩(wěn)定入滲率分別為2.85和2.81 mm/min，每年種植作物前對坡耕地進(jìn)行全面翻耕，同時對反坡臺階進(jìn)行整修，保證試驗(yàn)條件基本一致。

注：A、B、C組為代表原狀坡耕地（CK）的3組重復(fù)，D、E、F組為代表反坡臺階坡耕地（DG）的3組重復(fù)，每組均包括上、中、下3個點(diǎn)位。下同。

1.3 試驗(yàn)觀測方法與計算

1.3.1 土壤水分及降雨監(jiān)測

使用TDR儀（美國SEC公司生產(chǎn)的Mini Trase土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，型號6050X3）對各深度埋藏式波導(dǎo)管進(jìn)行測定得到各個點(diǎn)位對應(yīng)深度的土壤水分，5和20 cm處的土壤水分則利用直插式波導(dǎo)管（美國，型號6002F1）直接插入坡耕地表層進(jìn)行測定。由于使用TDR測定的土壤含水率均為體積含水率，因此本文的土壤含水率全部用體積含水率表示。

使用自記雨量計（美國AGR公司，型號RG2-M，）記錄降雨過程。根據(jù)年降雨量觀測結(jié)果（圖2），試驗(yàn)區(qū)2016和2017年降雨量分別為793.0和612.5 mm，年內(nèi)降雨量嚴(yán)重分布不均，降雨主要集中在5—10月，占全年降雨量的94.35%和90.79%。根據(jù)年降雨量距平百分比例[29]，可將2016年（降雨量距平百分比為+10.57%）劃分為豐水年，2017年（-14.60%）劃分為枯水年。

表1 徑流小區(qū)不同土層土壤背景值及水分參數(shù)

注：砂、黏、粉粒粒徑分別為0.05～1、﹤0.001、0.001～<0.05 mm。

Note: Sand, clay and silt particles have particle sizes of 0.05～1, ﹤0.001 and 0.001～<0.05 mm, respectively.

圖2 2016—2017年降雨量

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

1）土壤增墑率[10]計算公式：

式中MW為土壤增墑率，%；DG為反坡臺階處理坡耕地土壤含水率，%；CK為原狀坡耕地土壤含水率，%。

2）土壤相對含水率

土壤相對含水率可以表征土壤旱情狀況，一般以土壤含水率與田間持水量的比值表示[30]，建議采用的土層深度為0～40 cm[31]。5種干旱等級定義如下[31]：I濕潤：≥60%；II輕度干旱：50% ≤<60%；III中度干旱：40% ≤<50%；IV嚴(yán)重干旱：30% ≤<40%；V特大干旱：<30%。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)降雨特點(diǎn)，將年內(nèi)土壤變化分為干旱期、增濕期、濕潤期、干化期4個階段[32]。干旱期：干旱等級長期處于IV和V，即長期處于40%以下；增濕期：干旱等級從IV和IV過渡到II以上，即從40%以下提高到50%以上；濕潤期：干旱等級長期處于II以上，即持續(xù)在50%以上；干化期：干旱等級從III以上過渡到IV或以下，即從50%以上下降到40%以下。此處的干旱期、增濕期、濕潤期和干化期僅是一個相對的概念，以此來表征不同時段耕作層土壤含水率的差異和變化。

本研究采用Excel 2010和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 反坡臺階對坡耕地土壤水分年際變化的影響

由表2可知，坡耕地布設(shè)反坡臺階后，0~100 cm各個深度處土壤含水率均顯著提高（<0.01），其中2016年5、20、40、60、80、100 cm深度處年均土壤含水率分別增加了12.3%、11.9%、14.0%、12.3%、14.8%、14.5%，2017年各深度年均土壤含水率分別增加了15.4%、15.9%、17.4%、16.4%、17.4%、16.2%。2 a坡耕地各深度平均土壤含水率也呈現(xiàn)一定差異，其中5和20 cm深度處土壤平均含水率最大，其次為40 cm 深度，而60、80、100 cm深度處最小。坡耕地5、20、40 cm處平均土壤含水率表現(xiàn)為2016年>2017年（<0.05），而80和100 cm處平均土壤含水率未表現(xiàn)出顯著差異，說明降雨年型對40 cm以上土層平均土壤含水率影響顯著，而對于深層土壤的影響不大。反坡臺階對各層次土壤水分的增加效果顯著表現(xiàn)為2017年>2016年，這表明枯水年反坡臺階對土壤水分的增加作用更為明顯。

從變異性來看，坡耕地表層土壤水分變異系數(shù)最大，可達(dá)到50%左右，而深層次土壤變異系數(shù)則降低到10%以下，呈現(xiàn)出隨著土壤深度增加而減小的趨勢。坡耕地5～80 cm深度處土壤含水率變異系數(shù)年際變化均表現(xiàn)為2016年>2017年，且布設(shè)反坡臺階后坡耕地5、20、40、60 cm處土壤水分變異系數(shù)明顯減小，而80 cm處土壤水分變異系數(shù)在2016年有所增大，而2017年則無顯著差異。

表2 2016—2017年土壤水分年統(tǒng)計特征

注：各深度處的年平均土壤含水率為坡面上中下3個坡位各深度逐日平均含水率的平均值；不同小寫字母表示土層間土壤平均含水率之間差異顯著（<0.05）。

Note: The annual average soil moisture content at each soil layer is obtained by averaging the daily average soil moisture content at each layer of the upper, middle and lower slopes. Different lowercase letters mean significant difference in average soil moisture content between different soil layers at 0.05 level.

2.2 反坡臺階對坡耕地土壤水分月變化的影響

如圖3所示，2016年1月、3月和5月初，各土層深度處土壤含水率差異不大。7月初各層次土壤含水率呈現(xiàn)出顯著的差異，5、20、40 cm顯著大于60、80和100 cm（<0.01）；各層次土壤含水率均有顯著的提高，其中5 cm深度處土壤含水率比5月提高了148%～266%，20 cm處提高了118%～211%，40 cm處提高了108%～171%，60 cm處提高了28%～52%，80 cm處提高了11%～28%，100 cm處提高了7%～13%。9月各層次間土壤含水率同樣差異顯著，但是相比7月，5、20和40 cm處土壤含水率均有所減小，而60、80、100 cm處土壤含水率則有所提高。11月各土層之間土壤含水率差異減小，與9月相比，5、20和40 cm處土壤含水率均大幅減小，而60、80、100 cm處土壤含水率變化不大。與2016年相比，2017年1月、3月和5月各層次土壤含水率均大于2016年，而7月、9月和11月各層次土壤含水率則明顯小于2016年。其主要原因是2016年雨季后期降雨較多，2017年1月和3月仍保存有較多的水分，而且2017年5月前有降雨，表層土壤水分提前得到部分補(bǔ)給；而在7—11月，2017年降雨量均明顯小于2016年。2017年3月，各層次土壤含水率較1月均有明顯降低，各層次土壤均持續(xù)失水。5月，受少量降雨影響，5、20、40 cm土壤含水率有所增加，而60 cm以上土層土壤含水率則繼續(xù)降低，整個土層土壤含水率差異達(dá)到全年最小值。0～40 cm土壤含水率于7月達(dá)到全年最大值，而60～100 cm土壤含水率則持續(xù)提升到11月；7月之后，9月和11月表層0～40 cm土壤含水率均開始降低。

總體來看，坡耕地表層土壤含水率年內(nèi)變化劇烈，土壤含水率時間動態(tài)隨深度的變化明顯減弱；坡耕地1月、3月和5月各土層土壤含水率變化相對不明顯，基本上呈現(xiàn)出隨著土層深度逐漸增加的規(guī)律；7月、9月和11月則呈現(xiàn)出明顯的“S”狀的規(guī)律，即隨著土壤深度增加，土壤水分先增加后減小，尤其7月的S特征最為明顯。

與原狀坡耕地相比，坡耕地布設(shè)反坡臺階后，各個時段各個土層土壤含水率均有了明顯的提高，尤其是在土壤補(bǔ)水期開始的5月和土壤失水期開始的11月對土壤水分的增加作用更加明顯。

注：月土壤含水率指每月第1d的土壤含水率，取坡面上中下3個坡位處土壤含水率平均值。

2.3 反坡臺階對坡耕地逐日動態(tài)變化的影響

2.3.1 坡耕地土壤水分逐日動態(tài)變化及其對降雨的響應(yīng)

圖4顯示，DG和CK坡耕地各深度土壤水分逐日動態(tài)變化規(guī)律基本一致，但是DG坡耕地各深度處土壤含水率均高于CK坡耕地。DG和CK坡耕地5和20 cm深度處土壤水分2016年雨季前一直較穩(wěn)定處于8%～13%的水平，而到2016年5月隨著雨季來臨，土壤水分進(jìn)入一個迅速的升高期，其中5月20日—5月30日10 d內(nèi)急速升高到25%～30%，而后繼續(xù)上升，在2016年7月9日達(dá)到35%～40%的頂峰水平，之后在雨季持續(xù)波動，但是土壤含水率均穩(wěn)定在25%以上；從2016年10月后，隨著降雨減少，土壤水分逐漸降低，降低的過程一直持續(xù)到2017年雨季前，并持續(xù)保持在較低的水平；2017年5月，土壤水分開始升高，并于2017年7月24日達(dá)到頂峰，之后開始逐漸降低，到2016年12月31日降低到20%左右的水平。相比之下，5 cm深度土壤含水率在雨季比20 cm深度略高，而旱季則略低。坡耕地40 cm深度處土壤水分年內(nèi)變化趨勢和5、20 cm處基本一致，但是變化幅度略小，總體上雨季土壤含水率低于5和20 cm，而旱季土壤含水率略高于5和20 cm。坡耕地60 cm深度處土壤含水率也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，和上層土壤相比，其土壤含水率大體變化趨勢相同，但是基本上沒有小的波動；旱季持續(xù)保持在13%～15%的范圍，而雨季緩慢上升至20%～23%左右的水平，雨季中期最高，雨季后期逐漸降低，最終又降低至13%～15%的范圍。坡耕地80和100 cm深度處土壤含水率全年變化均較小，主要原因是其受地表外界條件影響較小，同時土壤水分難以進(jìn)入土壤深層。

注：各深度處土壤含水率是由坡面上中下3個坡位處每10 d內(nèi)逐日平均土壤含水率的平均值。

通過各層次土壤含水率與2016—2017年降雨疊加發(fā)現(xiàn)，2016年5—6月降雨較多，因此從5月后5、20、40和60 cm處土壤含水率均急劇上升，并在7月中旬達(dá)到全年最高值，隨著7月下旬降雨減少，土壤含水率開始回落，后隨著降雨增加8月中旬又達(dá)到第2個峰值，而8月下旬雨量減少后又跌落，并在9月中旬達(dá)到第3個峰值，而后隨著降雨減少進(jìn)入旱季，土壤含水率則持續(xù)降低。與2016年不同，2017年降雨相對較為均衡，5—6月降雨相對較少，因此坡耕地5、20、40和60 cm處土壤含水率上升較為緩慢，持續(xù)上升至8月下旬方達(dá)到全年最高值，而隨著9月上中旬滴雨未下，土壤含水率降低至60%以下，隨著9月下旬的降雨，土壤含水率達(dá)到全年第2個峰值。坡耕地80和100 cm僅呈現(xiàn)出年內(nèi)的季節(jié)性波動。

將2016—2017年反坡臺階處理坡耕地各土層深度處逐日土壤含水率與逐日降雨量和降雨強(qiáng)度做Pearson相關(guān)分析（表3），結(jié)果表明，5、20和40 cm處土壤逐日含水率與逐日降雨量呈現(xiàn)出極顯著的相關(guān)關(guān)系（<0.01），60 cm處土壤逐日含水率與逐日降雨量也具有顯著相關(guān)關(guān)系（<0.05），而80、100 cm深度土壤逐日含水率與降雨量之間相關(guān)關(guān)系不顯著；5、20 cm處逐日土壤含水率與逐日降雨強(qiáng)度呈顯著相關(guān)（<0.05），而40 cm及以上土層深度處土壤逐日含水率與降雨強(qiáng)度之間相關(guān)關(guān)系不顯著；相比之下，各層次土壤含水率與降雨量之間的相關(guān)系數(shù)大于與降雨強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)。另外，隨著土層深度增加，土壤含水率與降雨量和降雨強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)均逐漸降低。對比發(fā)現(xiàn)，5和20 cm深度土壤含水率與降雨量相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為CK>DG，而40 cm及以上深度則表現(xiàn)為DG>CK，而不同土層深度土壤含水率與降雨強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)DG和CK未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

表3 坡耕地不同土層深度土壤含水率與降雨的Pearson相關(guān)分析

注：采用土壤含水率的全部數(shù)據(jù)，樣本數(shù)為324個；**，<0.01；*，<0.05。

Note: Sample number (324) is total of samples for moisture measurement; **,<0.01; *,<0.05.

2.3.2 反坡臺階對坡耕地增墑率動態(tài)變化

引入增墑率表征反坡臺階對坡耕地土壤水分的改善效果。由圖5所示，2016—2017年反坡臺階對坡耕地5、20、40、60、80、100 cm處土壤逐日增墑率分別為4.95%～24.66%、4.21%～26.61%、10.14%～21.88%、10.53%～20.49%、13.28%～20.22%和13.07%～20.18%，平均增墑率分別達(dá)到15.22%、15.25%、16.91%、15.60%、16.50%和16.17%，總體上反坡臺階對深層土壤的增墑率略大于淺層土壤。反坡臺階對不同層次土壤增墑率在年內(nèi)均呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律（圖5），總體上越靠近表層增墑率變化幅度越大。反坡臺階對5和20 cm處土壤增墑率在旱季（11月—次年4月）開始后呈現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律，而雨季（5—10月）開始后則表現(xiàn)為先急劇升高又急劇降低然后再升高；反坡臺階對40和60 cm增墑率的變化與5和20 cm處相似，但是變化幅度有所減小，并且峰值出現(xiàn)的時間有所滯后；反坡臺階對80 和100 cm增墑率的變化則更加平穩(wěn)，基本上在雨季結(jié)束后達(dá)到峰值，然后持續(xù)降低，至下年雨季前期又緩慢升高。旱季反坡臺階對不同層次土壤增墑率均較為接近，而雨季則呈現(xiàn)出巨大的差異，主要表現(xiàn)為雨季初期表層土壤增墑率最大，而雨季中后期深層土壤增墑率最大。從變異性上來看，反坡臺階對各土層深度土壤增墑率變異系數(shù)隨著土層深度增加而逐漸變小。

圖5 反坡臺階對不同層次土壤增墑率變化情況

2.4 反坡臺階對坡耕地耕作層土壤水分干濕變化的影響

耕作層（0～40 cm）土壤含水率的高低與季節(jié)性降雨量變化基本一致，降雨量的年內(nèi)分布直接影響著土壤相對含水率的年內(nèi)分布。根據(jù)2016年和2017年坡耕地土壤相對含水率數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)降雨特點(diǎn)，將年內(nèi)土壤變化分為干旱期、增濕期、濕潤期、干化期4個階段（表4）。

表4 坡耕地土壤水分干濕時段劃分

注：各個階段平均土壤含水率指的是0~40 cm深度內(nèi)平均土壤含水率，由各階段逐日平均含水率求平均得到。不同小寫字母表示不同干濕時期平均土壤相對含水率之間差異顯著（<0.05）。

Note: The average soil moisture in each duration refers to the average in the depth of 0-40 cm. and it is obtained by calculating the average daily average soil moisture in each duration. Different lowercase letters mean significant difference in average relative moisture content between different wet and dry periods at 0.05 level.

原狀坡耕地中，2016年5月4日干旱期結(jié)束，經(jīng)歷持續(xù)17 d增濕期后于5月29日進(jìn)入濕潤期，濕潤期的持續(xù)時間為141 d，10月17日開始進(jìn)入干化期，11月22日干化期結(jié)束，隨后經(jīng)歷了長達(dá)177 d的干旱期，2017年5月19日至6月8日為增濕期，6月9日至10月25日為長達(dá)139 d的濕潤期，干化期持續(xù)23 d后，11月18日進(jìn)入干旱期。坡耕地布設(shè)反坡臺階后，土壤水分狀況得到改善，2016和2017年濕潤期分別增加了27和38 d，干旱期分別減少了20和54 d。此外，布設(shè)反坡臺階使2016年濕潤期提前了10 d，干旱期推遲了13 d，2017年濕潤期則提前了20 d，干旱期推遲了32 d。對比各個階段DG和CK土壤相對含水率，濕潤期和干旱期均表現(xiàn)為DG顯著大于CK（<0.01）。坡耕地布設(shè)反坡臺階后，增加了濕潤期的持續(xù)時間，減少了干旱期的天數(shù)，而且可以顯著增加濕潤期和干旱期的土壤含水率，使坡耕地土壤水分長期處于較為理想的水平；反坡臺階在雨季前期能夠使土壤更快的蓄積水分，提前達(dá)到作物生長所需的水分條件，而在雨季結(jié)束后能夠維持土壤水分較長時間仍處于良好的水平，提高了土地的水分生產(chǎn)力。另外，反坡臺階在2017年干旱年對土壤水分干濕變化的調(diào)控作用比2016年的豐水年更加顯著，說明反坡臺階在干旱時能夠發(fā)揮更大的作用，這對于山區(qū)坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。

干旱期、增濕期和干化期、濕潤期土壤相對含水率呈現(xiàn)出極顯著差異（<0.01），而增濕期和干化期則未呈現(xiàn)明顯差異。不同階段土壤相對含水率的變異系數(shù)明顯的表現(xiàn)為增濕期>干化期>濕潤期>干旱期。增濕期主要為土壤補(bǔ)給水分，干化期則為土壤水分損失的階段，因此變異性最強(qiáng)，相對來說增濕期土壤補(bǔ)水受降雨影響更大，因此變異性大于土壤失水的干化期；濕潤期土壤水分則長期處于較為濕潤的水平，干旱期土壤水分長期缺水，因此相對來講變異程度較小，但是濕潤期土壤水分降雨影響較大，而干旱期降雨少因而變異程度最小。 另外，坡耕地布設(shè)反坡臺階后，干旱期和濕潤期土壤相對含水率的變異系數(shù)均有所減少，說明反坡臺階不但具有顯著的調(diào)控土壤水分的效果，而且這種效果是比較穩(wěn)定的。

2.5 濕潤期典型降雨下反坡臺階對坡耕地降雨利用率的影響

本文挑選了2016和2017年濕潤期15場典型降雨，對其降雨量、降雨強(qiáng)度、坡耕地耕作層雨前土壤含水率、雨后土壤含水率、降雨利用率等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（表5）。結(jié)果表明：雨前土壤含水率越小，降雨利用率越高；在降雨量基本相同時，降雨利用率隨著降雨強(qiáng)度增大而降低；而在雨前土壤含水率基本一致時，降雨量和降雨強(qiáng)度越大，降雨利用率越低。坡耕地布設(shè)反坡臺階后，降雨利用率顯著提高（<0.05）。坡耕地降雨利用率與雨前土壤含水率之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.05），DG和CK坡耕地中相關(guān)系數(shù)分別為-0.581和-0.534。

表5 濕潤期典型降雨下坡耕地土壤水分變化

3 討 論

降雨是坡耕地土壤水分的唯一來源，反坡臺階調(diào)控土壤水分的機(jī)理在于對徑流的再分配，當(dāng)降雨較小時，反坡臺階上部產(chǎn)生的徑流可以全部攔蓄在反坡臺階內(nèi)，經(jīng)入滲后進(jìn)入土壤進(jìn)行再分配；而當(dāng)降雨量和降雨強(qiáng)度較大時，反坡臺階不但能夠攔蓄一定的徑流，并且能夠減緩徑流流速，增加水分入滲，調(diào)節(jié)坡面土壤水分分布，從而改善坡耕地土壤水分條件。

鑒于試驗(yàn)區(qū)地下水埋深在30 m以上，因此本試驗(yàn)未考慮地下水對坡耕地土壤水分的影響，另外，由于滇中紅壤坡耕地土壤滲水能力相對較差，降雨一般不會影響到100 cm土層以下界面，因此本次研究僅限于100 cm以上土層，而100 cm以下土層的土壤水分運(yùn)移情況的研究在今后將繼續(xù)開展。

在本研究中，反坡臺階對于坡耕地土壤水分的增加效果表現(xiàn)為2017年（枯水年）>2016年（豐水年），而丁晉利等[10]和許迪等[33]研究中也發(fā)現(xiàn)，免耕的蓄水保墑作用在干旱少雨條件下愈加明顯，這跟本文研究結(jié)果類似。枯水年降雨相對較少，反坡臺階攔蓄地表徑流，減緩徑流流速的作用得到更大的發(fā)揮，因此對土壤水分的改善作用更加明顯。另外，本文研究得出，坡耕地各深度處土壤含水率變異系數(shù)年際變化均表現(xiàn)為2016年（豐水年）>2017年（枯水年），而鄒文秀等[26]的研究認(rèn)為，較為豐富的降水能夠降低土壤水分的變異程度，即土壤水分變異系數(shù)表現(xiàn)為枯水年>平水年>豐水年，其主要原因是該研究區(qū)為東北平原黑土區(qū)，氣溫低且蒸發(fā)作用弱，降雨大多數(shù)均能轉(zhuǎn)化為土壤水分，而本研究區(qū)所處西南滇中地區(qū)紅壤坡耕地，降雨主要集中在雨季，水土流失嚴(yán)重，降雨難以轉(zhuǎn)化為土壤水分。

坡耕地土壤水分越靠近表層受外界環(huán)境影響越大，因此不同土層土壤水分變異系數(shù)隨著土層深度增加而不斷減小。在吳巍等[20]和孫中鋒等[34]的研究中，受土壤蒸發(fā)和作物根系吸收水分的影響，隨土層深度的加大，土壤水分含量的時間變化呈減少趨勢，表層（ 0～30 cm）土壤水分的波動最為劇烈，而80～120 cm土壤水分含量最為穩(wěn)定，這跟本文的研究結(jié)果一致。另外，坡耕地布設(shè)反坡臺階后，60 cm及以上土層土壤水分變異系數(shù)明顯減小（<0.05），而80 cm處土壤水分變異系數(shù)在2016年有所增大，這主要是由于布設(shè)反坡臺階后，不但能穩(wěn)定提高表層土壤的含水率，而且水分更容易進(jìn)入深層土壤，導(dǎo)致深處土壤水分變異系數(shù)增大。在馬婧怡等[2]的研究中，土壤含水率隨深度的變化自上而下均呈“S”狀分布，隨著土層深度的增加，土壤含水率呈先增加后減小的趨勢，這跟本文研究結(jié)果類似。

總體上，坡耕地土壤含水率尤其是表層土壤含水率動態(tài)變化與降雨變化是一致的。本文研究發(fā)現(xiàn)，坡耕地表層土壤逐日含水率與降雨量、降雨強(qiáng)度均有顯著的相關(guān)關(guān)系（<0.05），而深層土壤逐日含水率與降雨量、降雨強(qiáng)度之間相關(guān)關(guān)系不明顯，并且隨著土層深度增加，土壤含水率與降雨量和降雨強(qiáng)度之間相關(guān)系數(shù)逐漸降低。而彭艷平等[35]研究結(jié)果表明，坡面0～45 cm 土層平均土壤含水量季節(jié)變化規(guī)律基本與降水變化一致，這跟本文的研究結(jié)果一致。對比發(fā)現(xiàn)，5和20 cm深度土壤含水率與降雨量相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為CK>DG，而40 cm及以上深度則表現(xiàn)為DG>CK，其主要原因是坡耕地布設(shè)反坡臺階后，土壤水分相對更容易進(jìn)入土層深處，因此深層土壤含水率與降雨相關(guān)關(guān)系更明顯。

反坡臺階對坡耕地不同深度土壤含水率均有顯著的改善作用。本文研究了反坡臺階土壤增墑率的年內(nèi)動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)其對表層土壤增墑率在每年雨季初最高，而峰值出現(xiàn)的時間隨著土層深度增加而有所推遲，這是由反坡臺階攔截降雨，雨水進(jìn)一步入滲的過程決定的。反坡臺階在雨季初能夠使土壤快速補(bǔ)給水分，提高水分利用率，因此對土壤表層增墑率最高，而降雨首先補(bǔ)給表層土壤，隨著雨季深入，土壤水分補(bǔ)給的深度逐漸增加，因此反坡臺階對深層土壤增墑率峰值出現(xiàn)時間會有所滯后。隨著雨季深入，表層土壤水分均維持在較高的水平，此時反坡臺階對表層土壤增墑率最小，而雨季末降雨減小，表層土壤含水率逐漸降低，反坡臺階增墑率又開始增大，并在旱季初期達(dá)到最大，之后旱季土壤持續(xù)失水，反坡臺階增墑率又逐漸減小。反坡臺階對深層土壤增墑率的年內(nèi)變化隨著土層深度增加峰值出現(xiàn)時間逐漸滯后，而且變異程度逐漸減小。

本研究中布設(shè)反坡臺階對坡耕地5、20、40、60、80、100 cm處土壤平均增墑率分別達(dá)到15.22%、15.25%、16.91%、15.60%、16.50%和16.17%，極大改善了坡耕地的土壤水分狀況。張興昌等[36]研究了坡地水平溝耕作土壤水分動態(tài)變化，也發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)果。同時，坡耕地布設(shè)反坡臺階增加了濕潤期的持續(xù)時間，減少了干旱期，顯著增加濕潤期和干旱期的土壤含水率，使坡耕地土壤水分長期處于較為理想的水平，具有顯著的調(diào)控坡耕地土壤水分的效果；反坡臺階能夠提高坡耕地降雨利用率，使土壤更快的蓄積水分，這對于解決坡耕地的生態(tài)水文型干旱問題，提高山區(qū)坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力具有重要意義。

4 結(jié) 論

1）布設(shè)反坡臺階在2016年（豐水年）對坡耕地5～100 cm深度處年均土壤含水率分別增加了11.9%～14.8%；而2017年（枯水年）分別增加了15.4%～17.4%，表明反坡臺階對土壤水分的增加作用在枯水年更為顯著。

2）坡耕地旱季各土層土壤含水率變化相對不明顯，基本上呈現(xiàn)出隨著土層深度逐漸增加的規(guī)律；雨季則呈現(xiàn)出明顯的“S”狀的規(guī)律，尤其7月的S特征最為明顯。坡耕地布設(shè)反坡臺階后，各個時段各個土層土壤含水率均有了明顯的提高，尤其是在5月土壤補(bǔ)水期和11月土壤失水期對土壤水分的增加作用更加明顯。

3）坡耕地土壤逐日含水率變異程度隨著土層深度增加而減小。坡耕地5、20和40 cm處土壤逐日含水率與逐日降雨量呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系（<0.01），60 cm處土壤逐日含水率與逐日降雨量也具有相關(guān)關(guān)系（<0.05），而80、100 cm深度土壤逐日含水率與降雨量之間相關(guān)系數(shù)不明顯。

4）試驗(yàn)期間反坡臺階對坡耕地5、20、40、60、80、100 cm處土壤逐日增墑率分別為4.95%～24.66%、4.21%～26.61、10.14%～21.88%、10.53%～20.49%、13.28%～20.22%和13.07%～20.18%，而其對不同層次土壤增墑率在年內(nèi)呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

坡耕地布設(shè)反坡臺階，顯著增加了土壤含水率，增加了土壤濕潤期的持續(xù)時間，并且能顯著提高坡耕地降雨利用率，這對于解決坡耕地的生態(tài)水文型干旱問題，提高山區(qū)坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力具有重要意義。

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Dynamic variation of soil moisture at different temporal scales in red soil sloping farmland under reverse-slope terrace

Wang Shuaibing1,2, Wang Keqin2, Song Yali2※, Zhao Yangyi2, Li Jiaxuan2, Wang Zhen2

(1.150040,; 2.650224,)

In order to study the effects of reverse-slope terrace on soil moisture changes at different temporal scales and the changes of dry and wet states in red soil slope farmland, the monitoring of the soil moisture were carried out by time domain reflectometer in 2 sloping farmland in central Yunnan Province. One was the sloping farmland with contour reverse-slope terrace, and the other one was the original sloping farmland. Soil moisture at depths of 40, 60, 80 and 100 cm was measured by buried waveguide, and soil moisture at depths of 5 and 20 cm was measured by straight insert waveguide. The monitoring period in this study was from January 1st, 2016 to December 31st, 2017. During this period, soil moisture was measured every 10 days in the dry season (January to April), every 3 days from the dry season to rainy season (May), every day in the rainy season (June to October), and every 3 days from the rainy season to dry season (November to December). The results showed that after the reverse-slope terrace was used, the soil moisture at different depths was significantly improved at annual scale. Effect of reverse-slope terrace on soil moisture were more obvious in dry years at the annual scale. The variable coefficient of soil moisture was higher at the surface soil, reaching about 50%. At the monthly scale, soil moisture followed an obvious “S” shape characteristic in July, September and November along the soil profile. Specifically, the “S” was more pronounced in July. After reverse-slope terrace was laid in sloping farmland, the soil moisture content of all soil layers had been significantly increased in each period. In particular, the effect on increasing of soil moisture was more obvious in May when soil moisture was replenished and in November when soil moisture was decreased. The variation degree of the daily soil moisture content in sloping farmland was decreased with soil depth increasing. There was a extremely significant correlation between daily soil moisture content and daily rainfall at 5, 20 and 40 cm of sloping farmland (<0.01). Meanwhile, there was also a significant correlation between daily soil moisture content and daily rainfall at 60 cm (<0.05). However, significant correlation was not found between daily soil moisture content and rainfall at depths of 80 cm and 100 cm. With the increase of soil depth, the correlation coefficient between soil moisture content and rainfall decreased gradually. The average soil moisture conservation rates of reverse-slope terrace at 5, 20, 40, 60, 80 and 100 cm in sloping farmland were 15.22%, 15.25%, 16.91%, 15.60%, 16.50%, and 16.17%, respectively. The soil moisture conservation rates of reverse-slope terrace were different at different soil layers during monitoring period. Reverse-slope terrace lengthened the wet period of sloping farmland, and significantly increased the soil moisture in wet period and dry period. Soil moisture content of sloping farmland stayed at an ideal level for a long time after reverse-slope terrace was used, which had a significant effect on regulating soil moisture of sloping farmland. It also significantly increased the rainfall utilization rate of sloping farmland, which would be of great significance for solving the eco-hydrological drought problem of sloping farmland and improving the agricultural productivity of sloping farmland in mountainous areas.

soil moisture; drying ; wetting; reverse-slope terrace; red soil sloping farmland; temporal scales

2018-12-31

2019-03-10

國家自然科學(xué)基金項目（30660037）；云南省重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2018BB018）

王帥兵，博士生，主要從事小流域面源污染控制及水土保持研究。Email：wsbld257@163.com

宋婭麗，博士，講師，主要從事小流域環(huán)境綜合治理的理論與技術(shù)研究。Email：songyali19851205@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.023

S157.1

A

1002-6819(2019)-08-0195-11

王帥兵，王克勤，宋婭麗，趙洋毅，李佳璇，王 震. 不同時間尺度反坡臺階紅壤坡耕地土壤水分動態(tài)變化規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(8)：195－205. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.023 http://www.tcsae.org

Wang Shuaibing, Wang Keqin, Song Yali, Zhao Yangyi, Li Jiaxuan, Wang Zhen. Dynamic variation of soil moisture at different temporal scales in red soil sloping farmland under reverse-slope terrace[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 195－205. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.023 http://www.tcsae.org