黃土丘陵區坡耕地與撂荒地土壤水分對降雨的響應特征

陳 偉,李亞新,王紅陽,王 佳,孫從建,*

1 山西師范大學地理科學學院,臨汾 041000 2 山西省資源環境信息化管理院士工作站,臨汾 041000

土壤水分是干旱半干旱地區植物穩定生長的主要限制因子,是維持農業可持續發展的關鍵,同時也是影響土壤—植被—大氣水循環的重要環節[1]。土壤水分受地形、降雨、土壤物理性質和植被等因素的影響往往呈現出顯著的地域差異[2]。其中,降雨作為土壤水分的重要補給來源,其變化會對區域土壤水分特征產生顯著的影響[3]。黃土丘陵溝壑區是我國旱作農業的主要分布區之一,其農業的發展對大氣降水具有較強的依賴性[4]。近年來,隨著氣候變化及人類活動的雙重影響,土壤水分的分布、運移及降雨對其產生的影響日趨復雜化[5]。認識并系統分析不同強度降雨對土壤水分的影響已成為區域生態環境治理、農業高質量發展的迫切需要。

土壤水分的補給和運移對降雨的響應與土壤水文特性和降雨特性緊密相關,并直接影響流域水文過程和植被的生長、穩定與生態功能[6]。目前國內外研究者關于不同土地覆被方式下土壤水分動態變化和不同強度降雨對土壤水分滲透深度的研究在西南喀斯特地區[7—8]、西北荒漠區[9]、華東丘陵區[10]等地區開展了部分工作。在喀斯特地區的研究表明植被類型差異對土壤含水量的影響不同,例如貴州省西南部花江小流域的研究發現小雨事件中淺層土壤含水率火龍果地最高,其在大雨事件中土壤含水率增長最少,而花椒地、金銀花地和荒地則剛好呈現相反趨勢[7]；在貴州省西南部關嶺縣的研究發現降雨時耕地至草地恢復階段土壤水分上升幅度增大,而草地至灌叢階段土壤水分上升幅度減小[8]。在西北荒漠區的研究發現不同強度降雨土壤水分變化存在顯著差異,烏蘭布和沙區的研究表明隨著降雨量的增加對土層的影響深度也呈增加的趨勢[9]。在華東丘陵區的研究發現土壤含水率變化和降雨量有較好的線性關系且相關性較強,隨著降雨量的增加其相關性減弱[10]。在黃土高原地區,盡管相關的研究開展較少,但亦有研究者針對于陜北地區開展了部分工作,如在陜北羊圈溝小流域的研究表明土壤水分對不同強度降雨的響應存在顯著差異,小降雨幾乎不會引起深層土壤水分的波動,而大降雨后土壤水分會出現明顯的階梯式抬升[11]；在陜北紙坊溝小流域的研究顯示降雨量對土壤水分的影響較明顯,土壤含水量在雨季升高,非雨季降低[12]。上述研究豐富了對土壤水分動態變化規律的認識,也為區域水土資源的合理利用提供了重要理論支持,然而現有的研究對于黃土高原東部丘陵溝壑區土壤水分的動態變化涉及甚少。該區域地處季風區邊緣,近年來氣候變化致使降水的波動性日益顯著。在此背景下,該區域不同土地利用下土壤水分空間變化規律以及其對降水波動響應機制已經成為區域農業管理、生態保護部門密切關注的焦點問題[13],迫切需要開展相關的研究工作。

基于此,本文選取黃土高原東部的山西省馮家溝小流域作為典型研究區,以農耕地和撂荒地為研究對象,系統分析了不同強度降雨下0—60 cm土壤水分的動態變化規律,以期為黃土丘陵區水土資源利用提供科學依據。

1 研究區概況

本研究選取黃土丘陵區的山西省馮家溝水土保持站(農耕地和撂荒地)作為典型研究區,其基本情況見表1。該研究區地理位置為北緯35°57′,東經110°48′,海拔1038.7 m,地勢西北高東南低,沖溝發育,流域內地貌以剝蝕中低山區和中間沖刷溝谷為主。氣候屬于暖溫帶半干旱大陸性季風氣候,年平均氣溫9.9℃,最低氣溫為-19.8℃,最高氣溫為38℃,無霜期150 d,年降雨量631.8 mm,年蒸發量高達1749.4 mm。本研究區土壤類型以褐土為主,植被主要分布有蘆草(Agropyronmongolicum)、蒼耳(XanthiumsibiricumPatrinexWidde)、狗尾草(SetariaBeauv)等天然植被和刺槐(Robiniapseudoacacia)、側柏(Platycladusorientalis)等人工植被[14—15]。

表1 樣地基本情況

2 數據來源及方法

本研究開展于2019年4月—10月,在研究區內同一地形條件下分別設有面積為20 m×20 m的農耕地(谷子)和撂荒地,為保證其土壤水分互不干擾之間建50 cm水泥圍埂,同步比較不同層次土壤含水量。在空曠地設置虹吸式自記雨量計觀測每次降雨過程,記錄降雨量(mm)、降雨歷時(min)和降雨強度(mm/h)等指標。參考國家氣象局規定,凡日雨量在10 mm以下稱為小雨,10—25 mm為中雨,25—50 mm為大雨,50—100 mm為暴雨[16]。利用ECH2O土壤含水量監測系統(美國METER公司)對土壤水分進行連續監測[17],該監測系統通過測量土壤的電介常數來計算土壤體積含水量,測量范圍0—100%,測量精度在±3%以內[18]。在農耕地和撂荒地中部分別挖取深度為60 cm和100 cm的土壤剖面,從上到下按照每10 cm一個深度,分別安裝5TM土壤水分傳感器。利用EM50數據采集器每隔1小時連續記錄監測土壤體積含水量,為了與農耕地進行對比本文只選用撂荒地0—60 cm數據。

采用Excel和SPSS對數據進行統計和分析,利用Origin 2017軟件作圖,采用單因素方差分析分別對農耕地和撂荒地不同土層下土壤含水量進行差異性比較(P<0.05)。

3 結果與分析

3.1 降雨特征

研究區2019年4月—10月共發生65次降雨事件,總降雨量586 mm,單次最小降雨量為0.1 mm,最大為71.1 mm。單次降雨量<10 mm降雨次數最多,共發生49次,占總降雨次數的75.38%,總降雨量145.6 mm,占總降雨量的24.85%；50—100 mm的降雨事件次數最少,僅有2次,占總降雨次數的3.08%,降雨量為127.1 mm,占總降雨量的21.69%(表2)。

表2 各量級降雨特征

3.2 不同強度降雨后土壤含水量的動態變化

我們選擇了4場典型無干擾的獨立降雨事件,即每場降雨在24小時內結束,且降雨前后2天內均無降雨發生,以時間為橫軸,土壤含水量為縱軸,得到各土層土壤含水量對降雨響應的變化曲線(圖1)。

圖1 不同強度降雨土壤含水量動態曲線Fig.1 Dynamic curve of soil water content in different rainfall intensity

5月28日此次降雨累計雨量為4.4 mm,小雨條件下農耕地和撂荒地各土層土壤含水量變化趨勢相似,均表現為0—10 cm和10—20 cm土層呈波動變化,而其余土層幾乎看不到變化。該場降雨僅對表層土壤水分產生了影響,基本沒有發生對深層土壤水分的補充。

4月27日此次降雨累計雨量為16.6 mm,中雨條件下農耕地0—10、10—20 cm和20—30 cm土層土壤含水量分別增加了9.78%、3.15%和1.21%,對降雨響應明顯,而其余土層土壤含水量的增加不足1%,對降雨的響應較弱；撂荒地0—10、10—20 cm和20—30 cm土層土壤含水量分別增加了8.4%、3.73%和1.25%。農耕地和撂荒地均表現為0—10 cm土層土壤含水量率先達到峰值,而10—20 cm和20—30 cm土層有滯后現象。

6月5日此次降雨累計雨量為32.2 mm,大雨條件下農耕地各土層土壤含水量均發生了明顯的變化,0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm和50—60 cm土層土壤含水量分別增加了10.05%、4.03%、3.96%、2.43%、3%和2.15%；撂荒地0—10 cm土層土壤含水量急劇上升,增加了16.98%,10—20 cm土層土壤含水量上升相對緩慢,增加了5.09%,其余土層土壤含水量的增加不是很明顯。值得注意的是,大雨條件下降雨前0—10 cm土層土壤含水量農耕地遠大于撂荒地,降雨過程中農耕地各土層土壤含水量均產生明顯變化,而撂荒地僅0—10 cm和10—20 cm土層產生波動。

8月26日此次降雨累計雨量為71.1 mm,暴雨條件下農耕地各土層土壤含水量對降雨均出現了明顯的響應,分別使0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm和50—60 cm土層土壤含水量增加了19.11%、11.21%、7.87%、6.34%、5.81%和4.34%,且0—10 cm土層土壤含水量率先達到峰值,隨著土層深度的增加土壤含水量峰值依次減小；撂荒地各土層土壤含水量對降雨也均出現了明顯的響應,分別使0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm和50—60 cm土層土壤含水量增加了6.56%、10.2%、12.3%、10.41%、9.18%和6.9%。

3.3 不同土地覆被方式下土壤含水量差異性分析

土地覆被方式通過改變下墊面性質及降雨的再分配過程而影響土壤水分的運移[19],為進一步揭示不同土地覆被方式下土壤含水量的差異,本文選取4場典型降雨事件,采用獨立樣本T檢驗,對比分析不同強度降雨下農耕地和撂荒地土壤含水量,結果發現：除小雨條件下10—20 cm土層、大雨條件下0—10 cm土層和暴雨條件下0—20 cm土層外,農耕地和撂荒地各土層土壤含水量差異顯著(P<0.05),具體表現為0—10 cm土層農耕地小于撂荒地,而其余土層均為農耕地大于撂荒地(圖2)。

圖2 不同土地覆被土壤含水量差異Fig.2 Differences in soil water content of different land covers不同大寫字母表示同一土層不同土地覆被方式下土壤含水量差異顯著(P<0.05)

3.4 不同土層土壤含水量變化特征

表3為4場典型降雨事件下農耕地和撂荒地不同土層土壤含水量變化特征,農耕地土壤含水量變化范圍為4.65%—36.46%,土壤平均含水量在50—60 cm土層最大,0—10 cm土層最小；隨著土層深度的增加土壤含水量有增大的趨勢而變異系數呈減小的趨勢。撂荒地土壤含水量變化范圍為5.27%—29.7%,土壤平均含水量最大值出現在30—40 cm土層(18.34%),最小值出現在0—10 cm土層,為15.1%；隨土層深度的增加變異系數有減小的趨勢。不同土地覆被方式下,土壤含水量變異系數均隨土層深度的增加而減小,表明表層土壤水分對降雨的響應顯著,而深層土壤水分對降雨的響應明顯減弱。

表3 不同土層土壤含水量變化特征

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1不同強度降雨對土壤含水量的影響

黃土丘陵區地下水埋藏深,降雨成為該地區土壤水分的最主要來源。本研究發現,隨著降雨量的增加,土層的響應深度也呈增加的趨勢。這是因為表層土壤含水量小,小降雨就能對其產生明顯的補充作用,而深層土壤含水量較高,濕潤前沿的水力梯度較小,水的滲透力較低,降雨量足夠大時才能對其產生影響[20—21]。

研究期間共發生65次降雨事件,其中小雨49次,占總降雨次數的75.38%,小雨僅使表層土壤水分產生了波動,對深層土壤水分的補充作用較弱。但許多研究都預測未來小降雨事件發生的頻率會越來越少,將使表層土壤趨于干旱化,而大降雨事件會越來越多,大降雨能夠使更多的水分滲透到深層土壤,對深層土壤水分產生明顯的補充作用,將改變土壤剖面的水分分布格局[22—23],土壤水分的改變可能使得植物群落結構發生顯著變化。

4.1.2不同土地覆被方式下土壤含水量的差異

除0—10 cm土層外,各強度降雨過程中農耕地土壤含水量均大于撂荒地,一方面是因為農耕地植被蓋度較撂荒地高,植物根系的生長使得土壤孔隙增加,降雨通過這些孔隙入滲到土壤,另一方面植被蓋度高,增加了地表粗糙度,使得降雨不容易很快產生徑流,從而補充到土壤當中[24]。撂荒地植被蓋度較低,土壤孔隙相對緊密,不利于水分的入滲,此外撂荒地表面枯枝落葉較少,雨滴直接擊濺土壤表層對其產生一定的破壞,也不利于水分的入滲,使得撂荒地土壤含水量處于相對較低水平[25]。

值得注意的是,大雨條件下降雨前0—10 cm土層土壤含水量農耕地遠大于撂荒地,這可能是由于撂荒地植被蓋度低,且正值夏季蒸發作用強烈,另一方面可能是由于谷子正處于生長期,0—20 cm土層中根系表面積占總根系表面積的80%,根系集中在表層,儲存了大量的水分,雖也有強烈的蒸發但水分的消耗遠小于水分的存儲,致使表層土壤含水量較高[26]。

此外,大雨條件下農耕地各土層土壤含水量變化都比較明顯,而撂荒地僅0—10 cm和10—20 cm土層土壤含水量產生了波動。撂荒地深層土壤含水量受降雨影響波動不大,這可能與降雨歷時和降雨強度有關,撂荒地植被覆蓋度低,歷時久、強度大的降雨對地表直接擊濺,表層土孔隙少,易發育土壤結皮,易產生徑流[27]。

4.1.3不同土層深度土壤含水量的差異

在一次降雨過程中,表層土壤水分對降雨的響應顯著,深層土壤水分對降雨的響應明顯減弱,這是因為表層土壤水分的下滲受毛管力和重力的雙重影響,隨著土層深度的增加毛管力不斷減小,土壤入滲速度減慢,最后僅在重力作用下緩慢下滲。受降雨量和入滲的影響,深層土壤水分能夠得到的補給十分有限[28]。

各強度降雨過程中,農耕地土壤平均含水量最大值出現在50—60 cm土層而撂荒地出現在30—40 cm土層。這可能和土壤黏化淀積層分布差異有關,農耕地受人為影響較大,化肥的施用增加了土壤中可以被優先淋洗的低價態離子,降雨后土壤水分顯著高于撂荒地,這些因素結合在一起使農耕地的黏化淀積層比天然的撂荒地深,而撂荒地黏化淀積層的存在,阻礙了水分的入滲速度,同時也影響了水分在土層中的運移方向和含量。有研究表明,撂荒地黏化淀積層中中壤和重壤居多,較為緊實,降雨后,雨水沿著土壤孔隙在重力作用下垂直入滲,到達該層時水分很難入滲,發生側向流動,導致水分在其上層聚集,形成壤中流[29—31]。

目前來說我們的觀測時間相對較短,而以上分析需要多年降雨及土壤水分等數據予以支撐。通過上述分析可結合天氣預報,預測未來不同強度降雨下土壤水分變化情況,從而提供準確的農業氣象服務,為黃土高原丘陵溝壑區緩解干旱提供重要理論依據。

4.2 結論

通過分析黃土丘陵區農耕地和撂荒地土壤含水量對不同強度降雨的響應特征,得出以下結論：

(1)不同強度降雨下,小雨、中雨、大雨和暴雨對土壤水分的影響深度分別為20、20、60 cm和60 cm,土壤水分受小雨的補給十分有限。

(2)不同土地覆被方式下,除0—10 cm土層外,農耕地土壤含水量均大于撂荒地；大雨條件下降雨前0—10 cm土層土壤含水量農耕地遠大于撂荒地；大雨條件下農耕地各土層土壤含水量變化都比較明顯,而撂荒地僅0—10、10—20 cm和20—30 cm土層土壤含水量產生了波動。

(3)不同土層深度下,降雨對各土層土壤水分的影響差異顯著,隨著土層深度的增加,降雨的補充作用減弱；農耕地土壤平均含水量最大值出現在50—60 cm土層,而撂荒地出現在30—40 cm土層。