張敬曉，呂 望，溫永福，韓 超，景 明

(1.河北水利電力學院，河北省滄州市重慶路1號 061001；2.中國水利水電科學研究院，北京市海淀區(qū)車公莊西路20號 100038；3.黃河水利科學研究院，河南省鄭州市順河路45號 450003)

土壤干燥化是限制黃土丘陵區(qū)生態(tài)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大問題。土壤干層的產(chǎn)生是由于近年來大面積推廣退耕還林，林草植被蒸騰耗水過度，致使土壤的水分承載能力遭到嚴重破壞所致[1]。土壤干層一旦形成將使土壤水分長期處于較低水平，對于該區(qū)域綠色植被建設與生態(tài)平衡發(fā)展具有明顯的制約作用[2]。自然降水是黃土丘陵半干旱地區(qū)唯一的水分來源，對修復干化黃土起著主要作用。

近年來，關于干化黃土土壤水分入滲的研究眾多，成果豐碩。宋麗萍等[3]在干化黃土中栽植苜蓿研究其土壤水分特性后指出，苜蓿-馬鈴薯和苜蓿-玉米輪作有助于提高土壤水分利用率，減緩土壤干層的發(fā)展；田璐等[4]針對陜北地區(qū)干化黃土設置了典型覆蓋下的自然降水修復試驗，結果表明薄膜覆蓋可以明顯促進干化土壤水分修復，3～4年內的修復深度即可到達1000cm；何婷婷[5]、繆凌[6]、周玉紅[7]等均對黃土丘陵區(qū)干化黃土的自然降水修復狀況做出過專門研究，由于試驗設置的邊界條件、氣象條件等存在差異，所得結果也存在一定的差別。

以往研究大多在地表覆蓋或栽植作物的條件下完成，而對于地表完全裸露條件下的自然降水修復特性研究較少。本文中以在野外構建大型土柱、控制地表裸露狀況處于完全自然狀態(tài)的試驗為基礎，分析降水分布變化、單次降水修復深度與累積降水修復深度等，探討自然降水對陜北干化黃土的修復特性，為加快形成干化土壤的水分修復理論提供依據(jù)，為促進科學、高效利用雨水資源提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于陜北米脂縣遠志山紅棗栽培試驗基地。該區(qū)是典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤貧瘠，土質疏松，容重為1.2～1.355g·cm-3，以黃綿土為主；土壤滲透性能良好，田間持水量為19.5%～23.2%。

1.2 試驗設計

在基地一水平階地構建野外大型土柱，土柱直徑80cm，深10m。柱體土壤用塑料薄膜與外界土壤隔離，試驗中控制柱體土壤的容重、含水量等均與林地干化土壤一致。土柱內安設CS650型土壤水分探頭，并與外側的CR1000型數(shù)據(jù)接收器連接，用于監(jiān)測采集土壤含水量。土壤水分探頭每10cm間距布設1個，共計安裝100個。同時，在土柱東側50m處安裝BLJW-4小型氣象觀測站，用以監(jiān)測降水量等氣象狀況。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗中所有數(shù)據(jù)均采用EXCEL 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用Origin 2016進行繪圖。

2 數(shù)據(jù)監(jiān)測與結果分析

2.1 降水分布變化

圖1為米脂縣近20年(2000～2019年)降水分布狀況。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，20年內豐、平、枯年組交替出現(xiàn)，降水量分布極不均衡：年降水量最大值發(fā)生在2013年，為733.7mm；年降水量最小值發(fā)生在2000年，為277.6mm；20年內降水量變幅達164.3%。

圖1 米脂縣2000～2019年降水分布狀況Fig.1 The distribution of precipitation in Mizhi County from 2014 to 2019

研究中為了消除極端降水事件導致的結果誤差，以20年平均降水量為標準，選取實測年降水量與該平均降水量值最為接近的年份作為典型年，以該典型年的降水量變化來反映自然降水的月際變化特征。經(jīng)計算，20年的平均降水量為433.05mm，該值與2006年實測降水量(434.90mm)最為接近，變幅僅為0.43%，因此選取2006年作為典型年。圖2為典型年(2006年)各月降水量分布圖。

圖2 米脂典型年(2006年)內各月降水分布狀況Fig.2 The distribution of precipitation in each month in the typical year (2006) in Mizhi County

圖2顯示，降水量在年內分布呈拋物線型單峰變化，各月分布情況具有明顯不均衡性：1～4月份處于冬末春初，降水稀少，累積降水量22.6mm，僅為年降水量的5.2%；5～6月份進入夏季階段，降水開始逐漸增多，累積雨量為95.5mm，為年降水量的22.0%；7～9月份跨越盛夏初秋階段，降水量達到高峰，累積降水量290.6mm，占年降水量的66.82%；10～12月份進入秋末冬初季節(jié)，降水再次減少，累積降水量26.2mm，為年降水量的6.02%。

2.2 單次降水修復深度

為了排除多次降水間交互影響，試驗中選取了3次典型單次降水，該3次降水發(fā)生前、降水入滲結束前一定時間內均無其他降水發(fā)生。降水狀況如表1所示。

表1 典型單次降水基本信息

圖3為3場單次降水發(fā)生后的土壤水分變化過程。圖3顯示，降水量為24.4mm，8.2mm，43.6mm的3場降水在降水歷時內的入滲深度均為20cm。降水停止后表層土壤得到一定的水分補充，體積含水率較降水前有所提高，分別由19.6%，15.3%，14.8%提高至22.1%，15.9%，16.7%。當降水停止時，上下土層間含水率差別較大，土層之間存在水勢差，因此雨水在土壤水勢梯度及重力作用下仍然繼續(xù)向下運移。雨停后，3場降水分別經(jīng)歷了130.5h，26.5h，217.5h的土壤水分再分布過程，土壤剖面間的水分狀況達到平衡，入滲深度達到最大。當入滲結束時，3場降水的入滲深度分別為40cm，20cm，120cm?？傮w來看，降水量與最大入滲深度成正相關關系。為進一步定量說明二者之間的函數(shù)關系，試驗統(tǒng)計了2014～2019年間的所有單次降水情況，發(fā)現(xiàn)6年內發(fā)生0～8.2mm的降水共計2265次，累積雨量1630.6mm，為6年降水總量的72.47%；發(fā)生8.2～24.4mm的降水共計27次，累積雨量318.8mm，為6年降水總量的14.17%；發(fā)生24.4～43.6mm的降水共計12次，累積雨量300.6mm，為6年降水總量的13.36%。結合土壤水分變化狀況，運用SPSS軟件對6年內所有單次降水雨量P與最大入滲深度Zmax進行擬合回歸分析，得到二者之間呈冪函數(shù)關系變化，即：

Zmax=28.657P0.78486(R2=0.89)

圖3 單次降水事件土壤水分修復深度Fig.3 Depth of soil water remediation in a single rainfall event

2.3 累積降水修復深度

有關研究表明[8]，多次降水的累積作用有助于促進土壤水分入滲，即累積降水作用下，自然降水對于干化黃土的修復深度更大。表2為2015～2019年近5年的降水分布狀況，為了說明降水的累積作用，現(xiàn)給出年尺度下土柱剖面土壤水分運移曲線，如圖4所示。

表2 2014～2015年雨量分布狀況

圖4顯示，雨水在深層土壤中運移具有明顯的滯后性，深度為80cm，140cm，220cm土層的水分在2015年開始呈大幅增加趨勢上升，而深度為400cm土層的水分曲線自2016年才開始呈上升趨勢，深度為700cm土層的水分曲線則從2017年開始上升，深度為1000cm土層的水分曲線自2018年開始上升。因此，至2019年自然降水對干化黃土的修復深度已經(jīng)達到1000cm。

圖4 2014～2019年不同深度土層土壤水分運移曲線Fig.4 Curves of soil water transportation at different depths from 2014 to 2019

經(jīng)分析認為，深度為80cm以下的土層水分入滲運移是多年累積降水作用的結果?，F(xiàn)以2015年為例說明。2015年深度為80cm，140cm，220cm土層的土壤水分曲線均呈現(xiàn)出不同幅度的增加，因此自2014年8月試驗布設至2015年，自然降水對干化黃土的修復深度達到220cm，該深度水分并非某一次降水所致，而是2015年全年以及更早時間(2014年8～12月)累積降水的結果。同樣，2016年降水修復深度為400cm，是2014年、2015年、2016年3年累積降水作用的結果。因此，在逐年降水不斷累積的促進作用下，裸露地表狀況下1000cm深度的干化黃土得到自然降水修復大概需要5～6年的時間。

3 討論

基于陜北地區(qū)形成大面積土壤干層現(xiàn)象的事實，文中利用野外地下大型土柱模擬了棗林地深層干化土壤自然降水入滲修復狀況。試驗的創(chuàng)新之處在于試驗布設著眼于完全真實的野外條件，在空間尺度、時間跨度、監(jiān)測精度等方面都較以往室內試驗有了更大的拓展和提升，研究結果因此也更加客觀真實，應用價值更加有效實用。但同時，由于自然條件多種因素對入滲作用產(chǎn)生交互影響，各種變量無法進行精確控制，導致研究結果也存在一定誤差。這也是本試驗存在的不足。

研究顯示，裸露地表狀況下自然降水對于干化土壤的水分修復深度在5～6年內可達1000cm。該結果僅代表地表無作物種植(即僅有土壤蒸發(fā)耗水)情況下的修復結果。事實上，在大面積的林地土壤中都栽植有林木樹種，水量除了被土壤蒸發(fā)消耗外，還被植株生長過程中產(chǎn)生的大量蒸騰作用所損耗。因此，真實情況下的自然降水對深層干化黃土的修復結果較該研究所得結果要差。

4 結論

(1)黃土丘陵區(qū)自然降水具有明顯的年際、月際分布不均勻性。年變化表現(xiàn)為豐、平、枯年組交替出現(xiàn)，月變化表現(xiàn)為降水量呈拋物線型單峰曲線變化，其中7～9月份為降水量峰值，為290.6mm。

(2)單次降水量P與最大入滲深度Zmax呈冪函數(shù)關系Zmax=28.657P0.78486(R2=0.89)。降水量為24.4mm，8.2mm，43.6mm的3個單次降水的最大入滲深度依次為40cm，20cm，120cm。

(3)多次降水的累積作用有助于促進深層土壤水分運移。在降水的累積促進作用下，2014～2019年間自然降水對裸露干化黃土的修復深度達到1000cm。