陜北高原土壤水分變化的研究與分析
黃土高原溝壑區位于干旱半干旱地區，年平均降水量多在400~600 mm,水資源缺乏是該區農林牧業發展的主要限制性因子。由于區內溝谷下切，無良好的儲水條件，更兼地下水埋藏很深，開發利用代價甚高，因而增加降雨入滲是發展該區旱作農業的一條重要途徑[1].坡地（農田）表層土壤水分的動態變化因對徑流的形成有極大影響[2],因而日益受到有關專家的重視。本文以黃土高原溝壑區中部長武縣王東溝小流域徑流小區為研究對象，利用土壤水分監測系統分析農田表層土壤水分動態變化過程，以期為農田水分的優化調控和水土保持措施的合理配置提供理論依據。
1 研究區概況與研究方法
1.1 研究區自然條件（見本期郝明德“長武試驗示范區高效農業生態經濟系統研究”）。
1.2 小區布設及研究方法試驗
徑流小區位于試區塬面，為東西坡向，土壤容重均為1.3 g/cm3,其基本情況見表1.小區周圍用單磚漿砌，高出地面15 cm,防止小區內的徑流流出和區外徑流流入。小區下方設有包括集水槽、輸水槽以及集水桶在內的測流、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。
雨季農田土壤水分觀測主要在1996年7~9月，旱季農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，水面蒸發量用蒸發皿逐日測定。每個徑流小區從坡頂到坡腳每隔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，按固定順序沿坡頂到坡腳從上到下逐個觀測。
2 結果與分析
2.1 雨季土壤水分動態變化
選擇1996年7月21日至8月4日持續降雨時期來分析雨季農田土壤水分動態變化，在此期間，2、3區可視為裸地。將1~3區各深度處坡上、坡中、坡下土壤含水量平均，繪出各區全坡面平均土壤含水量動態變化過程線如圖1所示。
由圖1可知，雨季土壤水分動態變化過程與降水和蒸發的變化情況密切相關，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<2區<3區。這主要是由于觀測期間2、3區土壤前期含水量較低，因而降雨入滲較1區多[3]同時1區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論，現以同為裸地而僅坡度有差異的2區和3區進行對比分析。2區（1°）坡度小于3區（3°），2區前期土壤含水量為18.2%,大于3區前期土壤含水量12.27%,但蓄水增量2區小于3區。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�。▽徠罗r田而言）。即土壤蓄水增量與土壤前期含水量呈反相關關系，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 旱季農田土壤水分動態變化
旱季土壤水分的觀測資料選在久旱蒸發條件下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變化過程線，以種植玉米的3區為例進行分析（圖2）。由圖2可知，由于植被蒸騰和土壤蒸發，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,而此期間蒸發皿實測的水面蒸發量高達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變化的影響
以上分析雨季和旱季土壤水分動態變化時，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、3兩區為例，分析土壤水分動態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變化的影響沒有明顯規律，這與土壤水分空間變異性和農田土壤水分運動的多維性有關。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，山頂宜種植抗逆性較強的牧草或灌木，需水較多的農作物或果樹宜配置在坡的中下部。
3 結 論
雨季土壤水分動態變化過程與降雨和蒸散發的變化情況密切相關，由于土壤水分入滲和蒸發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，在降雨產流時表現尤為明顯。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，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。