自然降雨條件下干化土壤水分恢復試驗

張敬曉，汪 星，許 迪，蔡甲冰，呂 望，唐 燕，納文娟

（1. 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室 北京 100038；2. 河北水利電力學院 滄州 061000；3. 寧夏大學農學院 銀川 750021；4. 黃河水利科學研究院 鄭州 450003）

0 引 言

土壤水處于土壤-植物-大氣連續體（Soil- Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）的核心位置[1-2]，對于維持作物生長發育，發揮“土壤水庫”調節功能具有重要作用。陜北黃土丘陵半干旱地區溝壑縱橫，地形破碎，水分存儲效率低下，水土流失嚴重，土壤水分成為限制當地植被生長與生態發育的主要因子[3]。近年來，大范圍、高密度的林草建設大大提高了當地植被覆蓋程度，一定程度上緩解了水土流失造成的生態破壞[4]。但由于林木耗水過多，嚴重超過當地土壤水分的承載能力，致使林地深層土壤水分出現虧缺，土壤呈現干燥化趨勢[5]。Su等[6]基于66篇文獻的1 262份觀測資料對黃土高原不同生態帶森林、灌叢和草地5 m深度土壤水分進行meta分析，指出該區植被恢復過程造成了嚴重的土壤水分下降。林地規模化土壤干化趨勢逐年加重不僅導致現有林木作物早衰，還將帶來更嚴重的土壤環境惡化，嚴重阻礙了后續植被更替。因此，干化土壤水分恢復成為中國黃土丘陵半干旱地區開展生態文明建設，實現可持續發展面臨的重大生態環境問題之一[7]。

黃土丘陵半干旱地區地下水位較深，自然降雨是當地土壤水分的唯一補給來源[8]。圍繞自然降雨在黃土中的入滲機制機理，近年來眾多學者開展了大量研究[9-14]，成果豐碩。張瑞等[15]基于黃土高原南部長武塬區冬小麥和春玉米土壤水分狀況研究指出，降雨年型、年內降水分布不均分別是造成冬小麥和春玉米土壤干化的主導因素。有關研究指出，該區干化土壤平均厚度處于40～800 cm[16]，深度達10 m[17]。何婷婷等[18]于2017—2018年針對陜西省米脂縣干化土壤建立不同覆蓋處理土柱試驗，觀測發現當年降雨無法對6～10 m土層形成水分補給。因此, 研究深層干化土壤水分恢復問題，需要開展長時間、深層次土壤水分定位觀測。李軍等[19]通過2003—2005年對黃土高原半濕潤區、半干旱區和半干旱偏旱區不同生長年限苜蓿草地0～1 000 cm土層土壤水分定期監測，發現3種類型區各類苜蓿草地年降水入滲深度均不超過2 m，降水入滲深度以下深層土壤保持穩定的干燥化狀態。田璐等[20]基于薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、栽植棗樹、刺槐及裸地6種處理分別設計了連續3 a的干化土壤水分恢復定位觀測試驗，結果顯示薄膜、石子、樹枝等覆蓋措施可以明顯促進干化土壤水分入滲，3 a內土壤水分恢復深度分別可以達到1 000、1 000、700 cm，為當地合理選擇覆蓋保墑措施，促進土壤水分入滲提供了技術支撐。目前，關于自然降雨條件下干化土壤水分恢復的研究大多是基于不同下墊面或不同土地利用方式等特定條件，且部分研究存在觀測時間不連續、時間短、土壤剖面深度淺等問題，限制了自然降雨對于深層干化土壤入滲補給恢復機理與恢復深度的認識。

土壤干化導致原有林木死亡后形成裸露地表，其水分恢復的主要途徑有：裸地條件下的土壤水分自然恢復、自然荒草條件下的土壤水分恢復、人工加速恢復（不同覆蓋措施）等。基于此，本文在陜北米脂試驗站建造地表裸露的野外大型地下土柱，模擬林地深層干化土壤水分狀態，通過2014—2019年連續6 a定位觀測自然降雨與土壤水分變化，對不同時間尺度自然降雨條件下林地深層干化土壤的水分恢復狀況進行深入研究。研究結果可以為探索原有林木死亡后裸地情況下土壤水分恢復途徑，加強黃土丘陵半干旱地區土壤水分調控與生態環境建設提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于陜西省米脂縣銀州鎮（109.47E，37.18N）遠志山紅棗栽培試驗基地，屬于典型的黃土丘陵溝壑區。該區域降雨量小，蒸發量大，且降水年內分配不均，年平均降雨量451.60 mm，最大年降雨量704.80 mm，最小年降雨量186.10 mm，屬于中溫帶半干旱性氣候。試驗區土壤為黃綿土，剖面發育不明顯，土質均一，滲透性能良好，土壤容重為1.20～1.35 g/cm3，0～60 cm土壤計劃濕潤層的田間持水量約為20%，土地較為貧瘠。

1.2 試驗設計

1.2.1 野外土柱建造

土柱建造在遠志山紅棗試驗基地水平階地，田面規格為10 m×6 m，該水平階地為前期23 a蘋果林伐后再植棗樹的節水型修剪觀測區，土壤干化深度達10 m，平均土壤含水率約為6%。采用開挖后回填方式建造地下土柱，土柱直徑80 cm，深10 m（圖1）。開挖前，利用洛陽鏟采集土樣，每10 cm深度采集一次，每次取3個重復，共計采集300個土樣，帶回試驗室利用烘干法測定其土壤含水率。開挖過程中，將開挖土分層堆放，分別保存，以便于按照原來的土壤層次分層回填。回填過程中，一方面在土柱側壁鋪設厚約1 mm的塑料薄膜，將土柱土壤與外界土壤隔離，避免水分向周圍土壤產生擴散損失，另一方面嚴格控制其土壤含水率、土壤質地、土壤層次、土壤容重等指標與林地深層干化土壤相接近，以最大程度模擬林地深層干化土壤狀態。考慮到降雨入滲至10 m深度需要較長時間，且無地下水影響，土柱底部未作密封處理。土柱布設完成后經過約3個月自然沉淀，以消除由于回填所導致的偶然誤差。

1.2.2 土壤水分測定

利用CS650-CR1000土壤水分自動監測系統進行測定。考慮到土壤水分入滲可能存在邊緣效應，在土柱中心安設CS650型土壤水分探頭，自地表以下每10 cm布設一個，共計布設100個水分探頭；在土柱外安設CR1000型數據采集器，用于采集數據，每30 min采集一次。以相應深度土層烘干法測定結果對CS650-CR1000型土壤水分自動監測系統進行數據可靠性分析，兩種方法回歸擬合方程為y=0.878 4x+0.518 7（R2=0.967）。因此CS650-CR1000型土壤水分自動監測系統測得的數據可靠。

1.2.3 氣象因子測定

利用BLJW-4小型綜合氣象觀測站進行測定，氣象站布設在試驗土柱東側50 m處。監測指標包括氣溫（T，℃）、降雨量（P，mm）、相對濕度（RH，%）、土壤熱通量（G，W/m2）、總輻射（R，W/m2）、太陽凈輻射（Rn，W/m2）和風速（V，m/s），監測時間步長為30 min。

1.3 指標判定與計算

降雨入滲深度：對比不同時間尺度（次、月、年）降雨始、末時刻干化土壤水分狀況，土壤水分得到增加的深度即為降雨入滲深度。

完全恢復深度：以土壤含水量低于田間持水量30%（本研究為6%）定為土壤干化定量指標[21]。基于張文飛等[22]2011年4月對研究區相同地形、相同土質的農地10 m剖面土壤水分調查結果，自然狀態下農地土壤剖面平均含水率為13.83%，不存在干化現象。以該結果為標準，判定降雨入滲深度范圍內達到（或超過）農地含水率水平的深度即為完全恢復深度。

入滲量：根據某一時段內土壤儲水量的變化量確定。即

式中I(t)為入滲量，mm；θ(z，ts)為時段末土壤含水率，%；θ(z，t0)為時段初土壤含水率，%；L為土層厚度，mm。

蒸發量：根據土壤水量平衡方程計算[20]。試驗土柱地表裸露，無作物種植。土柱井圈高出地表10 cm，無徑流產生。地下水埋藏較深，不產生深層滲漏。因此計算公式可簡化為

式中E為蒸發量，mm；P為降雨量，mm；ΔW為時段初與時段末儲水量之差，mm。

1.4 數據處理

試驗所有數據均采用EXCEL2010、SPSS 18軟件進行數據統計分析，利用Origin 9.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 降雨與入滲深度

基于自然降水是黃土丘陵半干旱地區唯一水分來源的事實，該區干化土壤水分恢復必然通過降雨入滲實現，因此入滲深度是反映干化黃土水分恢復狀況的重要指標。以單一年份為周期，根據階段降雨量及所占該年總降雨量的比例（占比）情況，降雨分布可以劃分為3個階段：降雨匱乏階段（Stage of Deficit Precipitation，SDP）：上年11—3月，降雨過渡增加階段（Stage of Increasing Precipitation，SIP）：4—6月，降雨豐沛階段（Stage of Abundant Precipitation，SAP）：7—10月。表1為2014—2019年米脂縣降雨分布統計結果。表1顯示，6 a內降雨分布階段性明顯，其中SDP、SIP、SAP階段降雨量分別處于1.20～85.40、94.40～169.00、173.40～403.20 mm，依次占比0.31%～12.99%、25.70%～33.34%、61.31%～100%。年際不均衡性主要體現在多年間豐、平、枯年組交替出現。依據水文學中降雨年型劃分標準，統計米脂2000—2019年間降雨量，可以得到豐水年（P＞25%）、偏豐水年（10%＜P＜25%）、平水年（-10%＜P＜10%）、偏枯水年（-25%＜P＜-10%）、枯水年（P＜-25%）分別出現4、1、7、5、3次，年降雨量依次處于562.30～733.70、534.50、391.60～470.10、325.20～355.00、277.60～320.00 mm。多年降雨變化中，各種降雨年型出現的概率均具有隨機性。

表1 2014—2019年米脂縣降雨分布狀況Table 1 Distribution of precipitation in Mizhi County from 2014 to 2019

圖2 為米脂縣2014年8月—2019年12月間逐次降雨及其入滲深度的監測狀況。可以看出，6 a內降雨分布具有明顯的階段性和年際不均衡性。結合逐次降雨量與其入滲深度變化，圖2顯示二者具有良好的一致性，利用SPSS進行回歸分析，可以得到入滲深度（Z）隨降雨量（P）呈二次函數遞增變化：Z=-0.002P2+3.271 9P-0.873 7（R2=0.939 1）。分析認為產生這種趨勢的原因是入滲深度受降雨量、土壤質地等多種因素協同影響，較小的雨量能夠快速滲入干燥表層，入滲深度增速較快，次降雨量進一步增大時，由于土壤干燥化嚴重，大部分雨水儲蓄在上層，至接近飽和后繼續向下層土壤入滲，入滲深度增速呈先快后慢變化。

為進一步說明逐次降雨條件下不同深度干化土壤的恢復狀況，研究將土柱沿深度方向分為5層：表層（0～20 cm）、淺層（＞20～50 cm）、中層（＞50～100 cm）、較深層（＞100～300 cm）、深層（＞300～1 000 cm）。其中，表層（0～20 cm）、淺層（＞20～50 cm）屬于土壤水分活躍層，受外界大氣降水、土壤水分蒸發等自然因素和人為因素影響較大[23]，干化土壤的恢復主要體現在中層（＞50～100 cm）、較深層（＞100～300 cm）和深層（＞300～1 000 cm）。表2為2014—2019年不同土層深度入滲特征統計狀況，其中對干化土壤水分恢復不發揮作用的降雨（入滲深度小于50 cm）次數和降雨量分別為289次、794.80 mm，依次占總降雨次數和總降雨量的83.77%、35.32%，這也說明黃土丘陵區單次降雨以小雨為主，為無效降雨。能夠促進深層干化土壤水分恢復的有效降雨（入滲深度大于50 cm）次數為56次，降雨量1 455.20 mm，分別為6 a總降雨次數和總降雨量的16.23%、64.68%。次平均降雨量能夠顯著反應降雨入滲有效性，隨著次平均降雨量的增加，入滲層次逐漸加深。

2.2 月尺度下降雨入滲能力

由于降雨分布明顯的階段性特征，月尺度下自然降雨引發的入滲響應存在較大變化。本研究根據各月降雨發生后土壤水分變化情況，從逐月入滲與累積入滲兩個方面，對月尺度下干化土壤的水分恢復情況進行分析。以2014年8—10月為例，圖3表示出了月尺度下降雨入滲響應特征。

表2 2014-2019年不同土層深度入滲特征Table 2 Characteristics of infiltration in different soil layers from 2014 to 2019

不難發現，2014年8—10月分別發生降雨58.60、97.80、17.00 mm，逐月降雨入滲深度依次為140、160、70 cm。與月初土壤剖面水分狀況相比，干化土壤在逐月降雨入滲的影響下，入滲深度范圍內土壤水分得到不同程度增加，圖3顯示，2 m剖面平均土壤含水率分別由13.47%（8月初）增加至14.47%（8月末）、14.63%（9月末）、14.36%（10月末）。研究逐月統計了2014年8月—2019年12月降雨量與入滲深度，統計結果如圖4a所示。圖4a顯示，監測期內最大月降雨量（209.60 mm）發生在2016年7月，當月入滲深度也處于最大值（400 cm）；最小月降雨量（0.20 mm）發生在2018年2月，為無效降雨，當月入滲深度為0。整體上，月降雨量與逐月入滲深度一致性良好，運用SPSS進行回歸分析發現，逐月入滲深度（Zm）隨月降雨量（Pm）增加呈二次函數遞增變化：Zm=-0.010 2Pm2+3.955Pm-6.733 5（R2=0.963 9）。

與逐月降雨入滲響應不同，累積降雨入滲對于促進深層干化土壤水分恢復發揮重要作用。圖3顯示，2014年8—10月累積入滲深度依次為140、160、180 cm，累積入滲深度呈現穩定的增加趨勢。圖4a統計了2014年8月—2018年12月月尺度下累積降雨入滲深度，可以發現至2018年12月，累積降雨入滲深度已經達到1 000 cm。從水量平衡的角度來看，裸地情況下的降雨量主要用于入滲和蒸發，入滲量與蒸發量的相對大小決定了自然降雨條件下干化黃土的恢復速度。圖4b為月尺度下降雨-入滲-蒸發動態變化，整體上蒸發量與入滲量均隨降雨量起伏變化，蒸發量略大于入滲量。計算得知，觀測期內發生累積降雨2 250.00 mm，其中52.54%被蒸發損失，蒸發量達1 182.11 mm，僅有47.46%入滲補給到土壤中，對干化土壤水分恢復發揮作用，入滲量為1 067.89 mm。由于土柱底部未進行密封處理，至2019年該深度繼續加深，并且將超越土壤水分探針監測的最大深度，本研究未能做出有效監測與深入分析。

2.3 年尺度下降雨入滲能力

圖5 為2014—2019年年尺度下土壤水分對于降雨入滲的響應曲線。圖5顯示，排除受自然、人為等因素影響致使土壤水分運動活躍的0～90 cm深度外[24]，2014年8月至年末發生的187.60 mm降雨使90～180 cm深度范圍土壤水分由8.65%增加至11.96%，即當年入滲深度為180 cm。同樣，2015—2019年分別發生降雨391.60、590.80、337.60、342.40、400.00 mm，逐年降雨入滲深度依次為260、400、260、260、120 cm（圖6a）。不難發現，年尺度下逐年降雨量與入滲深度仍具有較強的一致性，這個結果也說明降雨量是影響入滲深度變化的主要因素。

以初始狀態（2014年8月）土壤水分為基準，分別對比各年末土壤剖面水分曲線，可以得到累積降雨入滲深度變化。不同于逐年降雨入滲響應，累積降雨入滲更體現多年降雨的交互促進作用，即：較早年份降雨入滲能夠提高上層土壤含水率，由此促進后續年份降雨向更深層土壤入滲，入滲深度更深。如，2017、2018年累積降雨入滲深度分別達到700、1 000 cm，較逐年降雨入滲深度（均為260 cm）分別提高了169%、285%。由圖5分析得到，2014—2019累積入滲深度依次為180、260、400、700、1 000、＞1 000 cm，其動態變化結果如圖6a。與同一區域農地土壤水分（平均含水率13.83%）對比分析（圖5），可以進行干化土壤水分恢復深度與恢復程度評價。分析可知，2014—2019年完全恢復深度依次可達140、180、300、600、700、700 cm（圖6a），完全恢復程度分別為14%、18%、30%、60%、70%、70%。依據水量平衡原理，圖6b表示出2014—2019年年尺度下的降雨-入滲-蒸發動態變化，可以發現在2014、2015兩年表現為蒸發量大于入滲量，2016—2018年表現相反。分析認為由于年尺度對時間尺度的刻畫比較粗糙，降雨入滲更側重反應累積效應，因此2014、2015年降雨促進了2016—2018年降雨入滲，入滲量大于蒸發量。2019年由于入滲深度超越了監測范圍，不具有代表性，本研究不作深入分析。

3 討 論

自然降雨條件下黃土區深層干化土壤水分恢復問題一直是土壤學家和生態學家關注的熱點。劉曉麗等[25]基于黃土區棗林深層土壤耗水特性研究指出，9 a棗林耗水深度可達4 m，且棗林吸收土壤水分有向深處延伸的趨勢。李軍等[19]針對該區多年生苜蓿地土壤水分特性研究也指出4 a生以上的苜蓿草地干化土壤深度將超過10 m。因此，土壤干化問題如果不能得到有效恢復，其影響深度將不斷加深，對黃土丘陵半干旱地區生態發展、水文發展與可持續發展等造成嚴重破壞。然而目前關于降雨入滲的研究，大多側重于作物對雨水的吸收利用，因此研究的土層深度集中在計劃濕潤層深度（3 m）以內。本研究選取黃土區干化土壤為研究對象，以自然降雨在不同時間尺度下的入滲特性為切入點，設計了野外大型土柱觀測試驗。與以往試驗相比，本試驗通過人為控制土柱土壤的含水率、土壤容重、土壤質地等狀況與真實的林地深層干化土壤狀況相接近，使研究結果更加真實；土柱規格更大，研究的土壤剖面深度達到10 m，遠遠超過了作物計劃濕潤層深度，更能體現深層干化土壤的自然恢復情況。另外，試驗在野外完全自然條件下進行，保持30 min的監測步長連續監測6 a時間，試驗中無任何人為因素干擾和影響，研究結果具有較強的代表性。

借助于時間尺度效應，本研究分別對次降雨、月降雨、年降雨條件下的單獨、累積入滲能力做出研究。次降雨、月降雨條件下的觀測樣本分別為345、65個，樣本數量較多，代表性較強，故研究進行了相關的回歸模型分析。而年降雨條件下觀測樣本僅有6組有效數據，樣本數量較少，為確保結果準確，研究未進行年尺度降雨入滲恢復能力的回歸效果分析。事實上，可以在一定程度上依據月尺度降雨入滲規律推測年尺度降雨入滲結果。

土壤干燥化是制約旱區生態恢復與農業生產的核心問題，恢復年限與恢復深度是問題有效解決的關鍵。Ali等[26]基于黃土丘陵半干旱區21個試驗點數據對苜蓿地0～1 500 cm土壤水分特性進行研究，指出自然降雨條件下200～500、500～1 000 cm干化土壤得到有效恢復分別需要18、23 a。Zhang等[27]研究指出蘋果園地恢復至農田水平大約需要26 a時間。孫劍等[28]、王志強等[29]也分別針對6 a生苜蓿地、林后放牧荒坡進行了干化土壤水分恢復研究，有效恢復大約需要23.8、150 a。由此可見，深層干化土壤水分恢復是一個長期、緩慢的過程。本研究因地表裸露，不存在蒸騰耗水，研究結果較以上結果更加樂觀，0～1 000 cm干化土壤恢復僅用了5 a（2014—2018年）時間。田璐[20,30]等針對裸地干化土壤水分恢復也進行了專門研究，結果與本研究結果一致。

需要說明的是，本研究所得6 a累積降雨對干化土壤完全恢復深度達到700 cm的結果也僅針對地表裸露、無作物蒸騰的情況，該結果對于探索原有林木死亡后形成裸露地表的干化土壤水分恢復途徑具有現實指導意義。在農業生產實際中，除土壤蒸發外，植被蒸騰也是影響黃土丘陵半干旱地區干化土壤水分恢復的主要因子。在栽植有作物的干化土壤中，騰發量較裸地蒸發更大，其直接影響表現為自然降雨對干化土壤的恢復進程減緩。此外，不合理的林木樹種選擇、栽植密度過大等甚至可能會進一步加劇土壤干化程度。因此針對干化土壤水分調控與恢復研究，需要進一步加強自然降水與植被蒸騰耗水關系研究，有關不同植物和不同地面覆蓋條件下的土壤水分恢復試驗還需要其他專門的試驗研究來完成。

4 結 論

利用陜北黃土丘陵半干旱地區CS650-CR1000土壤水分監測數據和BLJW-4氣象監測數據，定量分析了降雨分布特征和2014—2019年不同時間尺度自然降雨條件下地表裸露的干化土壤的水分恢復狀況，結論如下：

1）黃土區降雨分布的階段性和年際不均衡性特點是直接影響到深層干化土壤水分入滲的主導因素，該區降雨分布具有明顯的階段性和年際不均衡性。年內降雨可以劃分為3個階段：降雨匱乏階段（上年11—3月）、降雨過渡增加階段（4—6月）、降雨豐沛階段（7—10月）。

2）次降雨條件下，入滲深度隨降雨量增加呈二次函數增大變化。黃土區年降雨次數較多，但對于深層干化土壤起到恢復作用的降雨次數較少。試驗期間，能夠影響深層干化土壤水分恢復的有效降雨（入滲深度大于50 cm）次數為56次，降雨量1 455.20 mm，分別為總降雨次數和總降雨量的16.23%、64.68%。

3）月尺度、年尺度條件下，逐月、逐年降雨入滲深度隨降雨量增加呈二次函數關系增大變化，累積降雨入滲深度隨時間延續持續增加。至2018年12月，累積降雨入滲深度達到1 000 cm。

4）與農地土壤水分相比，2014—2019年自然降雨條件下干化土壤完全恢復深度分別為140、180、300、600、700、700 cm，完全恢復程度依次可達14%、18%、30%、60%、70%、70%。因此，充分利用降水資源，加強土壤水分調控，有利于促進深層干化土壤得到有效水分恢復。