陇中黄土丘陵区新修梯田土壤水分时空变异性

王彦武，欧阳雪芝，张 峰

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730020)

陇中黄土丘陵区新修梯田土壤水分时空变异性

王彦武，欧阳雪芝，张 峰

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730020)

新修梯田；土壤水分；时空变异；陇中黄土丘陵区

在天水市清水县采用野外典型抽样调查和室内分析测定的方法，研究了新修水平梯田和休闲坡耕地土壤水分的时空变化特征。结果表明：新修梯田土壤含水量变化与降水量和蒸发量的年内分布有密切关系，随时间变化表现为先下降后升高再下降的趋势；新修梯田不同深度和不同月份土壤含水量均表现为内侧>中部>外侧；新修梯田和坡耕地土壤含水量在垂直方向上都表现为随土层加深先升高后降低的趋势，但总体上都随着土层深度的增加而减小，且新修梯田各层土壤含水量均大于坡耕地。

标准化梯田建设不仅可以直接起到涵养水源、减少水土流失、提高粮食产量的作用，而且其保水保土效益、抗旱减灾效益、生态效益、经济效益和社会效益均十分显著[1-7]。根据《甘肃省国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，甘肃省委、省政府在全省顺利实现第一轮33万hm2梯田建设目标的基础上，“十二五”期间将再新修50万hm2标准梯田，以此带动全省旱作农业和特色产业规模化发展[8]。但是，由于新修梯田在施工中大量移动土方，造成表土深埋，生土外露，土层坚硬，土壤中水分和养分含量下降，严重影响了农作物的生长[9]。因此，如何使新修梯田快速恢复地力成为梯田建设的关键。近年来，随着梯田大面积的推广，梯田的生态、经济和社会效益越来越明显，研究者从多个角度分析了梯田的水分状况[10-14]，取得了许多科研成果，但以新修梯田为对象进行土壤水分时空变化特征的研究，在文献中还较少见。故笔者结合野外调查及室内分析所采集的数据对新修梯田土壤水分的变化特征进行分析，以期为黄土丘陵区新修梯田快速恢复地力提供科学依据。

1 研究地概况

研究地选在天水市清水县任家后沟小流域，该区位于清水县东北部，属渭河支流牛头河水系，介于东经106°13′33″～106°16′22″、北纬34°45′12″～34°49′40″之间。研究区地处内陆，属温带大陆性季风气候。年平均气温10 ℃，年最低气温-13.9 ℃，年最高气温35.2 ℃，多年平均蒸发量1 506.3 mm；年均降水总量574.8 mm，多集中在7—9三个月，占全年平均降水量的78.8%，降水量年际变化大，降水量最丰年和最枯年相差2.2倍。年日照时数2 131.2 h，≥10 ℃平均积温2 894 ℃，全年无霜期190 d，大风日数26 d，平均风速为1.3 m/s，最大冻土深58 cm。该地区夏无酷暑，冬无严寒，四季分明，气候宜人，适宜多种农作物和果类生长。土壤类型以黄绵土和黑垆土为主，植被属中温带森林草原地带植被类型。乔木有侧柏、刺槐、油松等，灌木有沙棘、紫穗槐、狼牙剌等，经济树种有苹果、杏、核桃、梨等。

2 研究方法

2.1 样地选择

采用常规的典型抽样法，在区域内2013年新修的水平梯田中选择立地条件类型基本一致的田块作为研究对象，新修水平梯田田面宽15 m，尚未种植利用；在新修水平梯田附近选择一块休闲坡耕地作为对照，坡耕地坡度为9°，尚未种植利用。将新修梯田根据田面宽度由内到外分为内侧(0～5 m)、中部(5～10 m)、外侧(10～15 m)三个区域，分别对新修梯田和坡耕地不同部位各选择3块样地进行土壤含水量的测定。

2.2 样品采集与分析

根据新修梯田土壤形成特点和试验地的实际情况，在每块样地沿S形线路分别选设5个点，定期按0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 分层取样，采用土钻取土，烘干称重法测定土壤含水量。通过观测土壤水平和垂直方向上水分分布及变化情况，掌握各部位土壤水分的动态变化。

3 结果与分析

3.1 新修梯田土壤水分随时间的变化

土壤水分是土壤的重要组成部分，是植物生长所需水分的主要来源，也是土壤内生物活动和养分转化的必须条件，同时也影响土壤盐基养分的淋溶。决定土壤水分变化的主要因子有大气降水、有无植被覆盖、土壤蒸发和土壤结构等[15]。从新修梯田不同位置(内侧、中部、外侧)土壤平均含水量随时间变化情况看(图1)，新修梯田土壤含水量变化主要取决于气象因子，与降水量和蒸发量的年内分布有密切关系，但土壤水分的变化滞后于降水量的年内分布[16]。由于研究区1—6月份降水较少，气候干燥，新修梯田修筑过程中土壤蒸发量大，而又没有有效降雨补充，因此土壤含水量总体趋于下降；从6月下旬开始，新修梯田土壤含水量开始升高，到10月份达到本年度的峰值，主要是因为该时期降雨量充足，能够补充土壤水分。10月份后随着降雨量逐渐减少，土壤含水量开始下降，一直持续到第二年。这与蔡进军等[17]的研究结果一致。

图1 新修梯田土壤水分随时间变化情况

3.2 新修梯田土壤水分水平变化

从新修梯田不同部位土壤含水量情况看(图2)，新修梯田水平方向上由内向外侧土壤含水量存在差异：4月份土壤含水量内侧比中部高0.09百分点、比外侧高0.72百分点，6月份土壤含水量内侧比中部高0.8百分点、比外侧高1.07百分点，8月份土壤含水量内侧比中部高0.05百分点、比外侧高1.21百分点，10月份土壤含水量内侧比中部高0.73百分点、比外侧高1.21百分点，各月份平均土壤含水量内侧比中部高0.42百分点、比外侧高1.05百分点。根据测量结果，新修梯田不同月份(4月、6月、8月、10月)土壤含水量均表现为内侧>中部>外侧，这主要由于新修梯田在修筑过程中内侧开挖取土，外侧填筑压实，造成新修梯田内外侧土壤结构存在一定差异，内侧土壤容重小于外侧，导致新修梯田内侧土壤含水量高于外侧。另外，由于梯田内侧除接收自然降水外，还可接收上一级梯田外沿的径流雨水[18]，而梯田外侧则由于梯田“胁边效应”造成外侧边缘附近的土壤受双面立体蒸发影响因此含水量相对较小，且这种差异与降水、梯田田坎高低和田面宽度密切相关。在丰水年，田坎越低，田面越宽，其“胁边效应”所占的比例就越小，内外侧含水量差异越小；在枯水年，田坎越高，田面越窄，其“胁边效应”所占的比例就越大，内外侧含水量差异越大[19]。

图2 新修梯田不同部位土壤含水量变化情况

3.3 新修梯田土壤水分的垂直变化

由新修梯田土壤水分垂直变化情况可以看出(图3)，新修梯田土壤含水量在垂直方向上都表现为随土层加深先升高后降低的趋势，但总体上都随着土层深度的增加而减小。新修梯田0～20 cm土层土壤含水量变化较为剧烈，且无明显变化规律，主要是由于0～20 cm土层在梯田修筑过程中开挖回填扰动较大，土壤含水量受地形、降雨入渗、地面蒸发、土质等多种因素影响[18]，该层水分变化最不稳定。20～40 cm土层土壤含水量有一定的变化，内侧土壤在30 cm深达到最大值20.22%，外侧土壤在40 cm深达到该区域的最小值18.03%，该层是新修梯田土壤主要的贮水库，土壤水分变化幅度比较小。40～60 cm土层土壤含水量呈现出规律变化，是水分相对稳定层，该层土壤主要用于调节上下层土壤含水量，使土壤水分达到动态平衡[20]。

对比新修梯田与坡耕地土壤水分垂直变化情况可以看出(图3)，坡耕地土壤水分随着土层深度的增加也呈减小趋势，但是土壤水分变化较新修梯田更为剧烈。0～20 cm土层，坡耕地与新修梯田土壤含水量分别为18.30%、18.95%，坡耕地土壤含水量比梯田少0.65百分点；20～40 cm土层，坡耕地与新修梯田土壤含水量分别为17.07%、18.55%，坡耕地土壤含水量比梯田少1.48百分点；40～60 cm土层，坡耕地与新修梯田土壤含水量分别为16.38%、17.92%，坡耕地土壤含水量比梯田少1.54百分点。可以看出0～20 cm土层坡耕地土壤含水量与新修梯田相比差异不明显，但是新修梯田各层土壤含水量均大于坡耕地。

图3 土壤水分垂直变化

4 结 论

(1)新修梯田土壤含水量变化与降水量和蒸发量的年内分布有密切关系，但土壤含水量的变化滞后于降水量和蒸发量。1—6月份新修梯田土壤含水量总体上趋于下降，6月下旬开始升高，到10月份达到年度的峰值， 10月份后开始下降，并一直持续到第二年。

(2)新修梯田不同月份的土壤含水量均表现为内侧>中部>外侧，各月份平均土壤含水量内侧比中部高0.42百分点、比外侧高1.05百分点，主要是梯田在修筑过程中造成内外侧土壤结构差异和梯田外侧的“胁边效应”所致。

(3)新修梯田土壤含水量在垂直方向上都表现为随土层加深先升高后降低的趋势，但总体上都随着土层深度的增加而减小。新修梯田0～20 cm土层土壤含水量变化较为剧烈，且无明显变化规律；20～40 cm土层土壤含水量有一定的变化，但变化幅度比较小，均在18.03%～20.22%之间；40～60 cm土层土壤含水量呈现出规律变化，是水分相对稳定层。

(4)坡耕地土壤水分随着土层深度的增加也呈减小趋势，但是土壤水分变化较新修梯田更为剧烈。新修梯田各层土壤含水量均大于坡耕地，0～20、20～40、40～60 cm深土层坡耕地土壤含水量比梯田分别少0.65、1.48、1.54百分点，说明通过修筑水平梯田，可以有效地保蓄土壤水分。

[1] 焦菊英，王万忠，李靖.黄土丘陵区不同降雨条件下水平梯田的减水减沙效益分析[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1999，5(3)：59-63.

[2] 杨封科.半干旱黄土丘陵区梯田集水增产效应研究[J].水土保持学报，2006，20(5)：130-132，161.

[3] 吴家兵，裴铁潘.长江上游、黄河上中游坡改梯对其径流及生态环境的影响[J].国土与自然资源研究，2002(1)：59-61.

[4] 魏天兴，朱金兆，朱清科，等.黄土陡坡地农林复合经营设计与水土保持效益研究[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1998，4(2)：82-87.

[5] 黄奕龙，陈利顶，傅伯杰，等.黄土丘陵小流域生态用水试验研究——气候和土地利用变化的影响[J].水科学进展，2006，17(1)：14-19.

[6] 姚云峰，王礼先，关君蔚.论旱作梯田生态系统[J].干旱区资源与环境，1994，8(1)：116-121.

[7] 白丹，王玮，王勇.南水北调中线水源区水平梯田建设效益分析[J].西北大学学报：自然科学版，2010，40(1)：158-161.

[8] 徐剑春，罗进选，王彦武.甘肃省梯田建设效益评价模型研究[J].中国水土保持，2013(6)：60-61.

[9] 柳向阳,唐宁生,徐晓宁.固原市新修梯田增产措施初探[J].中国水土保持，2010(8)：45-46.

[10] 康玲玲，鲍宏品，刘立斌，等.黄土高原不同类型区梯田蓄水拦沙指标的分析与确定[J]. 中国水土保持科学，2005,3(2):51-56.

[11] 吴发启，张玉斌，佘雕，等.黄土高原南部梯田土壤水分环境效应研究[J].水土保持研究，2003,10(4):128-130.

[12] 张玉斌，曹宁，武敏，等.黄土高原南部水平梯田的土壤水分特征分析[J].中国农学通报，2005,21(8):215-220.

[13] 黄萍萍，李占斌，徐国策，等.基于田块尺度的丹江上游坡改梯土壤养分空间变异性研究[J].西安理工大学学报，2013,29(3):307-313.

[14] 姜勇，梁文举，张玉革.田块尺度下土壤磷素的空间变异性[J].应用生态学报，2005,16(11):2086-2091.

[15] 赵雨森,王克勤,辛颖.水土保持与荒漠化防治实验教程[M].北京:中国林业出版社，2013:13-14.

[16] 卫三平,吴发启，张治国.黄土丘陵沟壑区不同耕作措施下梯田土壤水分时空变化[J].中国水土保持，2005(6):25-27.

[17] 蔡进军，张源润，火勇，等.宁南山区梯田土壤水分及养分特征时空变异性研究[J].干旱地区农业研究，2005,23(5):83-87.

[18] 朱德兰,吴发启.不同地形部位土壤水分的年变化分析[J].中国水土保持科学，2003,1(4):28-31.

[19] 范兴科,蒋定生,赵合理.陕北黄土丘陵区水平梯田最佳田面宽度的优化设计[J].水土保持研究，1996,3(2):129-135.

[20] 霍云霈，朱冰冰.黄土丘陵区水平梯田保水保土效益分析[J].水土保持研究，2013,20(5):24-28.

(责任编辑 王 琦)

S157.31

A

1000-0941(2015)10-0056-03

王彦武(1982—)，男，甘肃会宁县人，工程师，硕士，主要从事水土保持与荒漠化防治方面的研究。

2015-03-24