不同坡面條件下土壤水分運移規律和保蓄能力研究

張濤，張建新，范文波，楊海梅，喬長錄

（1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.新疆農墾科學院，新疆 石河子 832000）

0 引 言

土壤水分對植物生存有重要作用，不同區域的土壤含水量對其植被的類型和植被的個體的發育具有很大影響，土壤水分時空變異性的研究對于相應地區的生態發展具有重要的研究意義[1,2]。坡面地區不同于平面地區，在坡面上，不同的坡向會導致太陽輻射時長和輻射強度產生差異，從而影響坡面土壤水分的蒸發；不同的坡度會影響坡面土壤水分的入滲和徑流過程，是降水后坡面土壤水分產生變化的主導地形因子，影響著不同坡位土壤水分含量的分布[3-5]。對于土壤水分的保持來說，土壤表面采用覆蓋處理是一種有效抑制土壤水分蒸發的方式，在我國干旱和半干旱地區，這一保水方式已經得到了廣泛的認可和推廣[6]。對于覆蓋層來說，覆蓋的顏色不同影響太陽輻射，從而影響了土壤水分的蒸發作用，導致不同覆蓋的保蓄水效果也有差異[7,8]。在不同坡面條件下研究覆蓋對坡面土壤水分的影響，可以有效提出適宜新疆北部干旱半干旱地區的保蓄水措施，對提高當地土壤水分利用效率具有重要作用。

近年來國內外對坡面條件下土壤水分運移和土壤水分保蓄的研究中，Moore[9]指出干旱區由于晴天多，坡向對土壤水分空間分布的影響要更為顯著。Qiu[10]在中國黃土高原分析了表層土壤水分與坡向的關系，指出北坡土壤水分較南坡高；馬耘秀等[11]研究了黃土丘陵地區地表含水量與坡向的關系，也證明了此結論。艾寧等[12]指出坡位對0～60 cm土層的水分影響較大，且隨著土層深度的增加，坡位對土壤水分的影響逐漸減小直到差異不顯著?？琢柘龅萚13]研究發現坡向對研究區刺槐林的土壤水分具有顯著性影響，陰坡的土壤水分顯著高于陽坡(P＜0.01)。國外學者Ma, J等[14]研究發現，覆蓋地膜等有助于降低土壤水分散失量，改變鹽分在土壤中的分布狀況，讓土壤的質地向好的方面轉變；Li, R等[6]對地膜和秸稈覆蓋這兩種措施對土壤水分蒸發的影響進行了研究，指出覆膜的蓄水保墑效果比覆秸稈的好，但在高溫季節，土壤表面進行覆蓋處理對減少土壤水分散失的作用極其微弱；張永濤等[15]研究發現，地膜覆蓋比無覆蓋處理土壤含水量增加20%～50%，貯水量增加10%～50%，水分虧缺減少5%～70%，具有明顯的抗旱保墑作用。

新疆北部瑪納斯河流域屬于典型的大陸性干旱半干旱氣候，其氣候特征為區域內干燥少雨，日照時間長，蒸發量大，區域內地形種類繁多。探究區域內不同坡面條件下的土壤水分運移規律和覆蓋對坡面水分蒸發的影響，可以得出適宜植被生長的水分環境，為指導當地利用土壤水分潛力恢復植被提供參考。

1 材料和方法

本次實驗采用土柱實驗和土槽實驗。土柱規格為（外徑×內徑×高）：21 cm×20 cm×60 cm。試驗裝置由土柱、黑白地膜、滴灌系統、輻射燈、Em50檢測和采集系統組成。根據野外調研結果確定土壤質地為砂質壤土并設置不同深度土壤容重，其基本物理參數如表1所示，其中Y為設計容重，ω為土壤顆粒質量分數。將試驗用土碾碎及風干后，過直徑2 mm篩以去除雜質，隨后在土柱內每隔5 cm進行振搗填裝、人工夯實，每層土層之間打毛，以便各層緊密接觸，避免分層。

表1 土層土壤設計容重及基本物理特性Tab.1 Design bulk density and basic physical characteristics of soil layer

根據瑪納斯流域地區降水量，灌水量設置為4 L，采用1 L/袋的輸液袋模擬滴頭對土柱進行灌水，滴頭由土柱中心膜孔滴入，為防止滴頭沖刷，在土柱表層放置一張濾紙，灌水完成后去掉；分別在距土柱土壤表面10、20、30、40和50 cm處打孔，在孔處安裝Em50探頭進行數據監測。設置兩種保水措施（白膜A1、黑膜A2），根據野外實地測量，設置3種輻射時長（8、10、12 h），兩種輻射強度（陰坡40 ℃左右，陽坡50 ℃左右），調整輻射燈高度，以溫度計確定土壤表面溫度。實驗采用完全隨機布置，時間為7 d（見圖1）。

土槽規格為（長×寬×高）：120 cm×15 cm×65 cm。試驗裝置由土槽、灌水系統、輻射燈、水熱鹽采集系統組成。分別在距土槽土壤表面中間及距邊緣位置10、20、30、40和50 cm處埋設Em50傳感器，以便監測膜內土壤水分變化規律。為模擬野外太陽輻射，在每部分土槽上方同時懸掛兩個輻射燈進行光照，輸液袋所在位置與輻射燈相同（見圖2）。

圖2 土槽試驗裝置圖（單位：cm）Fig.2 Diagram of soil tank test device

實驗設置土壤為砂壤土，土層深度為60 cm，裝土時每隔5 cm進行一次人工夯實，并用刷子刷毛土層確保不出現土層分層現象。灌水入滲試驗時，根據實測得瑪納斯降水量76.13 mm，從而確定灌水量為27.4 L。在該灌水量下設計3個坡度P1(10°)、P2(20°)、P3(30°），兩種保水措施（黑膜、白膜），以3個坡位（W1上坡位、W2中坡位、W3下坡位）作為觀測點。蒸發試驗時，調整輻射燈高度以確保土層表面溫度控制在40 ℃左右，蒸發時間為12 h。

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0進行數據分析，Origin 9.0和AutoCAD進行作圖．

2 結果與分析

2.1 不同輻射時長對土壤剖面水分的影響

該實驗為土柱實驗，模擬了連續7 d，每天8、10和12 h輻射時長下土柱內不同深度土層土壤含水率的變化規律。蒸發結束后，各處理不同深度土層土壤體積含水率大小分布如圖3所示，蒸發結束后土壤含水率相對變化率如表2所示。

圖3 不同輻射時長下各土層土壤含水率對比圖Fig.3 Comparison of soil moisture content of each soil layer under different radiation duration

表2 不同輻射時長下蒸發結束時土壤水分相對變化率Tab.2 Relative change rate of soil moisture at the end of evaporation under different radiation duration

圖3的信息表明，在歷時7 d的蒸發結束后，0～60 cm土層深度范圍內，土壤含水率的分布隨著土層深度的增加呈現先增加后降低的趨勢，且T1處理下的土壤含水率明顯大于T2和T3處理。在T1、T2、T3這3種不同輻射時長處理中土壤含水率最高的土層均為20 cm土層，其中含水率最高的為T1處理，為25%，土壤含水率最低的土層均為50 cm土層，最低為T3處理的5.08%。從整體相對變化率來看，T1、T2、T3這3種處理的相對變化率大小排列為：T3＞T2＞T1，這說明日輻射時長影響蒸發過程中土壤含水率的變化，一日內輻射時間越長，土壤含水率減少越多。

由表2可知，蒸發過程中不同土層土壤水分相對變化率不同，相對變化率最大的為10 cm的表層土壤，最小的為50 cm的深層土層，在3種不同輻射時長處理中，土壤水分相對變化率隨著土層深度的增加而減少。對于10 cm土層來說，T3處理下土壤水分相對變化率最大，為59.42%，T1處理下土壤水分相對變化率最小，為39.14%。蒸發結束時在深度為50 cm的土層中土壤水分的相對變化率為負值，這是由于土壤水分的下滲作用，淺層土層未蒸發的水分在重力勢能的影響下補充了50 cm處的土壤水分。當日輻射時長改變時，50 cm土層土壤含水率的增加也收到了影響，在T1、T2、T3這3種處理影響下的相對變化率大小排列為T3＞T2＞T1。

綜合以上分析得，一日內輻射時間越長，土壤水分日蒸發量越大，0～10 cm土層對輻射時長變化的響應最為明顯。在所有處理中，歷時7 d的蒸發結束后50 cm土層土壤含水率均增加，且隨著日蒸發歷時的增加土壤含水率的增加量減少。

2.2 不同輻射強度對土壤剖面水分的影響

該實驗為土柱實驗，模擬了連續7 d每天10 h不同輻射強度下土柱內不同深度土層土壤體積含水率的變化規律。實驗設置兩個不同輻射強度，用來模擬陽坡和陰坡的太陽輻射分別記作，C1和C2。根據野外實地測量，確定陰坡白天平均地面氣溫為41.3 ℃，陽坡平均地面氣溫為53.7 ℃。調整輻射燈高度，以確定土柱土壤表面溫度達到所需溫度。

由圖4可知，輻射強度不同時土柱內各深度土層土壤含水率的變化具有明顯的差異，整體上看C1處理下土壤含水率隨蒸發歷時的減少量明顯大于C2處理。在每日輻射10 h歷時7 d的蒸發結束后，0～40 cm土層含水率均隨著蒸發歷時的增加而減少，變化趨勢呈正弦變化，其中20 cm以上的淺層減少趨勢較為明顯，減少幅度最大的為C1處理中20 cm土層，其相對變化率為54.17%，這可能是由于土柱內20 cm土層是灌水入滲以及土壤水分再分布后土壤含水率最高的土層，所以蒸發開始時20 cm土層土壤含水率較高，導致在蒸發過程中土壤含水率變化幅度最大。對于50 cm的深層土壤來說，在C1處理下土壤含水率未發生明顯變化，而在C2處理下土壤含水率相對于初始狀態增加了142.02%，這說明在C2處理下土壤蒸發量少于C1處理，土柱內土壤水分相對于C1處理更多，導致土壤垂直方向入滲能力增加。不同輻射強度下各土層深度土壤水分相對變化率最大為為：C120cm處理，最小為C250cm處理（見表3）。

圖4 不同輻射強度下各土層土壤含水率變化對比圖Fig.4 Comparison of soil moisture content changes of different soil layers under different radiation intensities

表3 不同輻射強度下蒸發結束時土壤水分相對變化率Tab.3 Relative change rate of soil moisture at the end of evaporation under different radiation intensities

綜合以上分析得，輻射強度越強，土壤含水率減少越多，土壤含水率的相對變化率隨土層深度的增加而減少，上部20 cm土層對輻射強度變化的響應最為明顯。在50 cm的深層土層中，兩種處理土壤水分相對變化出現顯著差異，在C1處理中土壤水分未發生明顯變化，在C2處理中，蒸發結束后50 cm土層土壤含水率出現增加趨勢，這說明輻射強度對土壤的水分入滲產生了影響，輻射強度的增加將使蒸發效果增強，導致土壤整體含水率減少，從而減弱較深層土壤的水分入滲過程。

2.3 不同坡度對土壤濕潤鋒的影響

濕潤鋒是水分下滲過程中土壤干土層與被濕潤的先頭部位形成的明顯交界面，此處具有極大的土壤含水量梯度，隨時間的變化趨勢可以反映出水分在土壤中的運移狀態[16,17]。該小節在不同坡度條件（10°、20°、30°）下分析了坡面在每日輻射時長為10 h，輻射強度為C1（41.3 ℃）時濕潤鋒動態變化過程，分別記作P1、P2、P3。圖5為不同坡度條件下土壤水分累積入滲量隨時間的變化曲線。

圖5 入滲階段不同坡度條件下坡面土壤濕潤鋒分布圖Fig.5 Distribution of soil moisture on slope surface under different slope conditions at evaporation stage

由圖5可知，在灌水總量不變的情況下，整個土壤水分入滲過程分為兩個階段，第一階段水分入滲速率快，第二階段水分入滲速率較慢，坡度和坡位不同，兩階段之間的拐點也不同。3種坡度條件下，W2處濕潤鋒隨時間的變化幾乎一致，濕潤鋒的運移距離也基本相同，這說明坡度變化對中坡位土壤水分入滲的影響相對較小。P1處理中W3處濕潤鋒運移距離最大，為37.3 cm，拐點出現的時間點卻最晚，為10 h。W1處濕潤鋒運移距離最小，為21.1 cm，變化趨勢與W2處濕潤鋒差異不大，但與W3處理的差異較大，且W1處濕潤鋒第二階段運移速率明顯小于W3處理。P2處理中W3處濕潤鋒運移距離為42.9 cm，明顯大于P1處理，相對P1處理的運移距離增加了13.94%。P2處理W1和W2處的濕潤鋒隨時間的動態變化與P1處理相差不大。在P3處理中，W3處濕潤鋒的運移距離為49.2 cm，大于P2處理，顯著大于P1處理，運移距離分別相對增加了31.9%和14.93%。P3處理中W1處濕潤鋒的運移距離相對P1處理和P2處理最小，為18 cm，拐點出現的時間與P1處理和P2處理的時間相差不大，但是在第二階段的入滲過程中，濕潤鋒的運移速率較P1和P2處理較慢。

整體分析發現，坡度對濕潤鋒的運移距離和運移速率有明顯影響，影響最大的坡位為下坡位，坡度越陡，下坡位濕潤鋒的運移距離越大，運移速率越快，P3處理濕潤鋒運移距離分別比P1和P2處理大31.9%和14.93%。對于中坡位來說，坡度在20°內的小范圍變化對濕潤鋒的運移距離和運移速率的影響不大。對于上坡位來說，坡度越陡，濕潤鋒的運移距離越小，運移速率越慢，P3處理濕潤鋒運移距離分別比P1和P2處理小14.28%和10%。

2.4 覆蓋條件下不同坡面土壤水分運移規律

2.4.1 覆蓋條件下坡面（坡度為10°）土壤水分分布特征

該實驗為土槽實驗，設置了兩種覆膜處理（白膜A1、黑膜A2），以探究在不同坡度條件（10°、20°、30°）下兩種不同覆蓋措施對坡面水分運移的影響和對不同坡位（上坡位W1、中坡位W2、下坡位W3）垂直方向土壤水分入滲的影響。

當坡度為10°，每日輻射時長為10 h，輻射強度為C1（41.3 ℃）時，兩種覆蓋條件下土壤水分在不同坡位的運移規律如圖6所示。

圖6 蒸發階段P1處理的坡面土壤水分分布Fig.6 Distribution of soil moisture on the slope treated by P1 in evaporation stage

由圖6可知，在W1處和W2處20 cm以上的淺層土層中，隨著蒸發歷時的增加，土壤體積含水率逐漸下降，下降最快的為白膜覆蓋下的W1處，相較與蒸發開始前下降了39.09%，黑膜覆蓋下的W1處與白膜覆蓋下的W2處下降幅度相差不大，分別為32.89%和30.70%，黑膜覆蓋下W2處下降幅度最小，為28.99%。在W3處黑膜覆蓋下整體的土壤含水率要高于白膜，在30 cm以上的土層中，黑膜覆蓋與白膜覆蓋土壤含水率的差異不大，30 cm以下的土層中黑膜覆蓋下的土壤含水率明顯高于白膜。相對與蒸發開始前，白膜覆蓋下整體的土壤含水率減少了15.38%，黑膜覆蓋下的土壤含水率減少了12.13%，這說明在坡度為10°的情況下，黑膜的保水性明顯優于白膜。

2.4.2 覆蓋條件下坡面（坡度為20°）土壤水分分布特征

當坡度為20°，每日輻射時長為10 h，輻射強度為C1（41.3 ℃）時，兩種覆蓋條件下土壤水分在不同坡位的運移規律如圖7所示。

圖7 蒸發階段P2處理的坡面土壤水分分布Fig.7 Distribution of soil moisture on the slope treated by P2 during evaporation

由圖7可知，在20°的坡面條件下，黑膜覆蓋下的坡面中坡位和下坡位土壤含水率在蒸發后明顯大于白膜，在整個蒸發歷程中，白膜覆蓋下的坡面土壤含水率由蒸發開始前的23.06%下降到了蒸發完成后的20.31%，相對于蒸發開始前下降了13.03%，高于黑膜覆蓋下的10.77%。對于上坡位來說，在20 cm以上的土層中白膜覆蓋下的土壤含水率下降速度明顯快于黑膜，土壤含水率由蒸發前的26.43%下降到了18.64%，相對下降了29.47%，高于黑膜覆蓋下的23.24%，這可能是由于在蒸發過程中，黑膜覆蓋下坡面土壤保水能力更為優異，從而導致坡面整體土壤含水率更高，使得水分在垂直方向的滲透能力更強。在中坡位20 cm以上的淺層土層中，白膜覆蓋和黑膜覆蓋下的土壤水分均呈現正弦式下降，但是黑膜覆蓋下的下降速度略小于白膜，在20～30 cm土層中，黑膜覆蓋下的土壤水分均呈現正弦式上升，在30 cm以下的土層中，白膜覆蓋和黑膜覆蓋下的坡面土壤水分變化無明顯差異。在黑膜覆蓋和白膜覆蓋下，下坡位都是坡面土壤水分聚集最多地方，整體土壤含水率明顯高于上坡位和中坡位。

2.4.3 覆蓋條件下坡面（坡度為30°）土壤水分分布特征

當坡度為30°，每日輻射時長為10 h，輻射強度為C1（41.3 ℃）時，兩種覆蓋條件下土壤水分在不同坡位的運移規律如圖8所示。

圖8 蒸發階段P3處理的坡面土壤水分分布Fig.8 Distribution of soil moisture on the slope treated by P3 during evaporation

圖8中信息表明，在30°的坡度下，白膜覆蓋和黑膜覆蓋下坡面整體土壤含水率相差不大，黑膜覆蓋下的坡面整體土壤含水率在蒸發后略大于白膜，相對與蒸發開始前，白膜覆蓋下整體的土壤含水率減少了10.08%，黑膜覆蓋下的土壤含水率減少了9.53%。對于上坡位和中坡位來說，白膜覆蓋和黑膜覆蓋下蒸發過程的土壤含水率變化并不顯著，對于下坡位來說，整體土層土壤含水率變化都是呈現上升趨勢而且差距不顯著，但40 cm以下土層黑膜覆蓋下的土壤含水率的增長量明顯大于白膜覆蓋，黑膜覆蓋由蒸發前的9.51%增加到了15.13%，增加了5.62%，白膜覆蓋由蒸發前的9.40%增加到了12.88%，增加了3.48%（見表4）。

表4 不同坡度坡面蒸發結束后不同覆蓋條件下土壤含水率減少量 %Tab.4 Reduction of soil moisture content under different cover conditions after evaporation on slopes with different slopes

從整體上看，對坡面進行覆蓋處理可以有效的減少坡面土壤水分的蒸發，加強坡面土壤保水蓄水的能力，對坡面進行黑膜覆蓋的保水效果要優于白膜。在坡面上，坡高不變的情況下，坡度越大，覆蓋對坡面整體的保水能力影響越小。

3 討 論

由實驗結果可見，土壤水分的蒸發受坡向、坡度的影響，且坡度變化時顯著影響不同坡位土壤水分的變化[18]。本次研究中隨著日輻射時長的增加和輻射強度的增加，蒸發過程中土壤水分減少量也隨之增加，0～20 cm土層對輻射強度變化的響應最為明顯，這與Runhong Liu[19]的研究結果相似。究其原因是坡向不同，受到的太陽輻射不同，坡面不同坡位一日內所受的輻射時長也不同，使得土層表面土壤蒸發強度不同，進而影響了土壤的水分分布狀況，造成陰坡的土壤含水率比陽坡大，水分蒸發量也較少。

不同覆蓋下坡面土壤水分變化也不相同，這主要是由于不同顏色的地膜對光和熱的傳導能力不同，導致對土壤環境的調控作用也不一樣，研究發現地膜顏色越淺，其透光性越好[20]。對坡面進行覆蓋處理后，黑膜的保水性要優于白膜，這和前人的研究結果一致[21,22]。以上結果表明，對于新疆北部瑪納斯河流域前山地區來說，在陰坡地區的下坡位選擇種植植被并覆蓋黑膜最可使植被擁有最好的土壤水分環境，最利于植被的萌發和生長。

4 結 論

本研究利用室內模擬實驗對不同坡向和坡度條件下的土壤水分運移規律和不同覆蓋保蓄能力進行了研究，在水分的入滲和蒸發期間，各深度土層土壤含水率的變化具有明顯的差異。

（1）坡度對濕潤鋒的運移距離和運移速率有明顯影響，影響最大的坡位為下坡位，坡度越大，下坡位濕潤鋒的運移距離越大，坡度為30°時濕潤鋒運移距離分別比20°和10°處理大31.9%和14.93%。

（2）日輻射時長影響土壤水分的蒸發，隨著日輻射時長的增加，土壤含水率的減小量也隨之增加，不同土層土壤水分相對變化率不同，相對變化率最大的為10 cm的表層土層，最小的為50 cm的深層土層。輻射強度影響各深度土層土壤含水率的變化，輻射強度越強，土壤含水率減少越多，土壤含水率的相對變化率隨土層深度的增加而減少，0～20 cm土層對輻射強度變化的響應最為明顯。

（3）黑膜的保水性要優于白膜，且坡度越陡，覆蓋對坡面整體的保水能力影響越小。在坡度為10°的坡面，相對與蒸發開始前，白膜覆蓋下整體的土壤含水率減少了15.38%，黑膜覆蓋下的土壤含水率減少了12.13%；在坡度為20°的坡面，白膜覆蓋下整體的土壤含水率減少了13.03%，黑膜覆蓋下的土壤含水率減少了10.77%；在坡度為20°的坡面，白膜覆蓋下整體的土壤含水率減少了10.08%，黑膜覆蓋下的土壤含水率減少了9.53%。