陜北高原土壤水分變化的研究與分析
黃土高原溝壑區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)，年平均降水量多在400~600 mm,水資源缺乏是該區(qū)農(nóng)林牧業(yè)發(fā)展的主要限制性因子。由于區(qū)內(nèi)溝谷下切，無良好的儲水條件，更兼地下水埋藏很深，開發(fā)利用代價甚高，因而增加降雨入滲是發(fā)展該區(qū)旱作農(nóng)業(yè)的一條重要途徑[1].坡地（農(nóng)田）表層土壤水分的動態(tài)變化因?qū)搅鞯男纬捎袠O大影響[2],因而日益受到有關(guān)專家的重視。本文以黃土高原溝壑區(qū)中部長武縣王東溝小流域徑流小區(qū)為研究對象，利用土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)分析農(nóng)田表層土壤水分動態(tài)變化過程，以期為農(nóng)田水分的優(yōu)化調(diào)控和水土保持措施的合理配置提供理論依據(jù)。
1 研究區(qū)概況與研究方法
1.1 研究區(qū)自然條件（見本期郝明德“長武試驗示范區(qū)高效農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)研究”）。
1.2 小區(qū)布設及研究方法試驗
徑流小區(qū)位于試區(qū)塬面，為東西坡向，土壤容重均為1.3 g/cm3,其基本情況見表1.小區(qū)周圍用單磚漿砌，高出地面15 cm,防止小區(qū)內(nèi)的徑流流出和區(qū)外徑流流入。小區(qū)下方設有包括集水槽、輸水槽以及集水桶在內(nèi)的測流、測沙裝置。由于采用撒播，無畦、垅影響，在同一作物種植條件下坡面差異不大。
雨季農(nóng)田土壤水分觀測主要在1996年7~9月，旱季農(nóng)田土壤水分觀測主要在1997年4~6月。土壤容積含水量用TDR逐日定位測定，降雨過程和降雨量用自記雨量計測定，水面蒸發(fā)量用蒸發(fā)皿逐日測定。每個徑流小區(qū)從坡頂?shù)狡履_每隔5 m分別布設一組測點，每組測點分別沿垂直地表方向在地表下10,20,30,40,50,60 cm處埋入波導線。測定土壤水分時，按固定順序沿坡頂?shù)狡履_從上到下逐個觀測。
2 結(jié)果與分析
2.1 雨季土壤水分動態(tài)變化
選擇1996年7月21日至8月4日持續(xù)降雨時期來分析雨季農(nóng)田土壤水分動態(tài)變化，在此期間，2、3區(qū)可視為裸地。將1~3區(qū)各深度處坡上、坡中、坡下土壤含水量平均，繪出各區(qū)全坡面平均土壤含水量動態(tài)變化過程線如圖1所示。
由圖1可知，雨季土壤水分動態(tài)變化過程與降水和蒸發(fā)的變化情況密切相關(guān)，不同深度處土壤水分的變化趨勢相同，但由于土壤水分入滲和蒸發(fā)向深層傳遞的滯后性，淺層（10~30 cm）土壤水分變化的幅度大于較深層（表2）。在較大降雨且產(chǎn)流時，淺層土壤水分變化幅度更加明顯，土壤水分先是急劇上升，然后又急劇下降（圖）。在觀測期間，7月27日、28日以及31日均降雨產(chǎn)流且雨量較大，表明土壤水分的補償和恢復主要取決于雨強適中、歷時長且雨量大的降雨過程。
如以10~50 cm土層來進行分析，觀測期間1區(qū)土壤平均含水量變化范圍為20.83%~29.14%,增大8.31%,增加幅度為39.88%,土壤蓄水量增加了21.12 mm;2區(qū)土壤平均含水量變化范圍為18.2%~25.73%,增加7.53%,增加幅度為41.34%,土壤蓄水量增加了23.24 mm;3區(qū)土壤平均含水量變化范圍為12.27%~19.64%,增加7.37%,增加幅度為60.08%,土壤蓄水量增加了28.56 mm.顯然，10~50cm土層蓄水增量是1區(qū)<2區(qū)<3區(qū)。這主要是由于觀測期間2、3區(qū)土壤前期含水量較低，因而降雨入滲較1區(qū)多[3]同時1區(qū)玉米蒸騰耗水較多可能也是原因之一。
為進一步說明上述結(jié)論，現(xiàn)以同為裸地而僅坡度有差異的2區(qū)和3區(qū)進行對比分析。2區(qū)（1°）坡度小于3區(qū)（3°），2區(qū)前期土壤含水量為18.2%,大于3區(qū)前期土壤含水量12.27%,但蓄水增量2區(qū)小于3區(qū)。這表明，降雨前土壤水分剖面特征對土壤蓄水增量的變化起決定作用，而坡度影響較小（對緩坡農(nóng)田而言）。即土壤蓄水增量與土壤前期含水量呈反相關(guān)關(guān)系，土壤前期含水量越大，降雨后土壤水分入滲就越慢，土壤蓄水增量也就越小。
2.2 旱季農(nóng)田土壤水分動態(tài)變化
旱季土壤水分的觀測資料選在久旱蒸發(fā)條件下1997年5月13日至5月31日，以兩天為間隔繪出全坡面平均土壤水分動態(tài)變化過程線，以種植玉米的3區(qū)為例進行分析（圖2）。由圖2可知，由于植被蒸騰和土壤蒸發(fā)，旱季各層土壤含水量隨時間逐漸減小，但只有淺層土壤水分變化幅度較大，從5月13日至5月31日，10,20,30,40,50,60 cm處土壤容積含水量分別減少22. 4%, 13. 04%, 12. 0%, 9.67%,6.82%和6.21%.同時由于土壤蒸發(fā)向深層傳遞的滯后性，深層土壤水分的遞減也具有滯后性。即土層越深，土壤水分開始減少的時間也越遲。如在觀測期間，30,60 cm處土壤容積含水量開始減少時間分別比10 cm處滯后7 d對10~60 cm土層，在觀測期間，土壤平均含水量從19.54%降至17.5%,減少了2.04%,減少幅度為10.44%,土壤蓄水量減少了8.05 mm,而此期間蒸發(fā)皿實測的水面蒸發(fā)量高達159.9 mm.這表明，深厚的黃土如同地下水庫，能保證作物旱季生長對水分的需求。所以，應盡量強化降雨就地入滲，一方面增加土壤蓄水量，保證作物旱季生長需求；另一方面還可以減少水土流失量。
2.3 坡位對土壤水分動態(tài)變化的影響
以上分析雨季和旱季土壤水分動態(tài)變化時，僅考慮了全坡面平均含水量的變化情況，沒有考慮坡位的影響，實際上坡位對土壤水分的變化也有一定的影響[3, 4].對雨季、旱季，本文分別以種植玉米的1、3兩區(qū)為例，分析土壤水分動態(tài)變化在坡面位置的差異。
由表可知，雨季、旱季坡位對各層土壤水分動態(tài)變化的影響沒有明顯規(guī)律，這與土壤水分空間變異性和農(nóng)田土壤水分運動的多維性有關(guān)。對10~50 cm土層，雨季觀測間坡上、坡中、坡下土壤平均容積含水量分別從21.93%、21.25%和19.4%,增加到27.21%、30.57%和29.38%,分別增加了24.11%、43.87%、51.41%,土壤蓄水增量分別為17.32,22.6,23.2 mm.顯然，土壤水分變化幅度、土壤蓄水增量是坡上<坡中<坡下。這可能是坡下玉米生長發(fā)育耗水較多，導致前期土壤含水量較低[3];同時隨著坡長的增加，降雨產(chǎn)流時地表積水時間、積水深度增大，從而坡下土壤水分增加較大的緣故
同理，在旱季以10~60 cm土層來分析，觀測期間坡上、坡中、坡下土壤平均含水量分別從16.77%、20. 26%和21.74%,降至14. 0%、18. 19%和20.3%,分別減少了16.52%、10.24%和6.6%,土壤蓄水量分別減少了9.56,6.96和2.76 mm.顯然，土壤水分減少的幅度、土壤蓄水減少量是坡上<坡中<坡下，這與土壤前期含水量越大蒸發(fā)越強從而蓄水量減少越多相矛盾。這可能是雖然坡下土壤前期含水量較高，土壤蒸散發(fā)量較大，但是深層土壤補充水分較多，從而其蓄水量降低較少，也可能是分析時間較短的緣故。由于表層土壤蒸發(fā)和深層土壤水分補充機理的復雜性，這方面今后還需要進一步深入研究。
由上可知，不論雨季還是旱季，觀測期末坡的中下部土壤水分交換最活躍，土壤儲水量最大。因此，從因地制宜、充分利用降水資源的角度出發(fā)，山頂宜種植抗逆性較強的牧草或灌木，需水較多的農(nóng)作物或果樹宜配置在坡的中下部。
3 結(jié) 論
雨季土壤水分動態(tài)變化過程與降雨和蒸散發(fā)的變化情況密切相關(guān)，由于土壤水分入滲和蒸發(fā)向深層傳遞的滯后性，淺層（10~30 cm）土壤水分變化幅度大于深層土壤，在降雨產(chǎn)流時表現(xiàn)尤為明顯。旱季土壤水分虧缺的補償和恢復，主要取決于雨季雨強適中、歷時長且降雨量大的降雨過程，微雨和暴雨的作用較小。緩坡農(nóng)田降雨入滲與前期土壤水剖面特征、作物覆蓋度以及作物耗水特性緊密相關(guān)，而坡度的影響可以忽略不計。深厚的黃土如同地下水庫，能滿足旱季作物對水分的要求，但作物的過度耗水會造成下伏干燥化土層的產(chǎn)生，反而不利于作物的生長[5].在同一作物種植條件下，坡位對淺層土壤蓄水增量也有一定的影響，觀測期末雨季（10~50 cm）、旱季（10~60 cm）土壤蓄水增量為坡上<坡中<坡下，坡中下部的儲水量較坡上部大。