趙文舉，郁 文，馬孝義，宋建樹

（1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

土壤表層壓砂作為一種古老的覆蓋制度，在我國(guó)已有近300a的 歷 史［1］。 大 量 研 究［2－4］表 明，土 壤 表層壓砂可以減小地表產(chǎn)流、抑制土壤蒸發(fā)、顯著提高土壤儲(chǔ)水量，防止土壤次生鹽漬化，改善土壤理化性質(zhì)，最終提高作物產(chǎn)量等作用。因此研究壓砂在旱作農(nóng)業(yè)節(jié)水、鹽堿地改良和綠洲荒漠過(guò)渡帶植被的恢復(fù)等方面具有重大意義。土壤表層砂礫覆蓋可以減弱雨滴對(duì)土壤表層的濺蝕、表層結(jié)皮和提高水分進(jìn)入土壤的能力［5］。壓砂地能有效地協(xié)調(diào)和改善土壤水、熱、氣、肥等狀況，達(dá)到土壤和作物之間的生理協(xié)調(diào)，可有效提高降水利用效率，活化土壤潛在肥力，改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性，增加土壤的緩沖性等［6］，同時(shí)還具有明顯的生態(tài)防護(hù)效果。壓砂地能夠充分吸納雨水，增強(qiáng)土壤的滲透力和淋溶作用，使鹽分下移造成脫鹽和洗鹽；另一方面，由于砂礫層切斷了土壤的毛細(xì)管，減少土壤水分蒸發(fā)，因而土壤下層的水分不能上移，鹽分因之不能上移，這樣就有效地控制了土壤鹽漬化［7］。另外，土壤表層覆砂可以顯著阻止野生植被侵占農(nóng)田，在晝夜溫差較大的地區(qū)，土壤表層砂石上會(huì)形成冷凝水。

在干旱、半干旱的荒漠區(qū)，稀少的、不連續(xù)的和不可預(yù)測(cè)的降水脈動(dòng)事件是降水脈動(dòng)的基本特征［8］。小降水事件是降水脈動(dòng)的主體，大降水事件所占的比例較?。?］。土壤水分對(duì)降水脈動(dòng)產(chǎn)生響應(yīng)［10］。土壤水分狀況是影響荒漠區(qū)植物生長(zhǎng)的重要因素［11－13］。干旱、半干旱地區(qū)的地下水一般埋藏較深，所以大氣降水是該地區(qū)土壤水分的重要補(bǔ)給來(lái)源［14］。降水入滲決定著土壤的含水狀況，通常情況是：降水量小，入滲補(bǔ)給量也小，降水量大，入滲補(bǔ)給量也大。此外，土壤質(zhì)地、初始含水率等下墊面因素也直接影響水分的下滲過(guò)程［15］。降水對(duì)土壤水分入滲的影響機(jī)制國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究，其中大多研究集中在人工模擬降水的情況下，且多是研究單一質(zhì)地的土壤水分入滲情況。對(duì)壓砂地土壤水分對(duì)降水脈動(dòng)響應(yīng)鮮有研究。本研究對(duì)不同種植年限壓砂地表層土壤水分對(duì)降水脈動(dòng)響應(yīng)的規(guī)律進(jìn)行研究，旨在揭示降水后壓砂地的水分入滲規(guī)律，為研究區(qū)壓砂地降水后的入滲提供理論基礎(chǔ)和生產(chǎn)實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

景泰縣位于中國(guó)西部的甘肅省中部，河西走廊東端，甘、蒙、寧三?。▍^(qū)）交界處，黃土高原與騰格里沙漠的過(guò)渡地帶。土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土。景泰縣地處季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)過(guò)渡地帶，縣境內(nèi)氣候呈現(xiàn)出明顯的大陸性氣候特征，年均降水量185mm，多集中在7—9月份，占全年降水量的61.4%，年均蒸發(fā)量3 038mm，是降水量的16倍。光熱資源豐富，年日照時(shí)約為2 725h，日照百分率62%，太陽(yáng)年平均輻射約147.8kcal／cm2，年≥0℃的活動(dòng)積溫3 614.8℃，≥10℃的有效積溫3 038℃，無(wú)霜期141h，年均溫度8.2℃，極端最高氣溫36.6℃，極端最低氣溫－27.3℃。試驗(yàn)區(qū)位于景泰縣蘭州理工大學(xué)試驗(yàn)基地附近。

1.2 試驗(yàn)方法

采用野外試驗(yàn)，通過(guò)烘干法測(cè)定降水前后各表層土的含水率來(lái)研究土壤水分的入滲規(guī)律，壓砂地取土前揭去表層覆砂，用土鉆取土，以裸地（無(wú)植被覆蓋）組為參照組，探討不同年限的壓砂地的水分入滲規(guī)律。降水分別發(fā)生在2013年5月15日7.1mm和5月27日1.9mm，降水歷時(shí)分別為10h和6h。

壓砂地的劃分為以種植年限為基準(zhǔn)：新壓砂地種植年限為5～10a，中壓砂地種植年限為25～30a，老壓砂地種植年限為45～60a。土壤取土范圍：從地表依次向下0—10cm。分別從64個(gè)點(diǎn)獲取土樣（0—10cm），取其平均值以確保土壤含水率的準(zhǔn)確性。

1.3 不同種植年限壓砂地的土壤初始含水率和砂石顆粒級(jí)配

第1次降水7.1mm發(fā)生前20d以內(nèi)試驗(yàn)區(qū)無(wú)明顯降水，第2次降水1.9mm與第一次降水7.1mm間隔12d，所以第2次降水脈動(dòng)對(duì)土壤含水率的影響受第1次降水的影響，裸地和不同種植年限壓砂地土壤初始含水率和砂石顆粒級(jí)配分別見(jiàn)表1—2。

表1 試驗(yàn)地不同降水脈動(dòng)前土壤初始含水率

表2 不同年限壓砂地砂石顆粒級(jí)配

2 結(jié)果與分析

2.1 相同降水脈動(dòng)對(duì)不同壓砂地土壤含水率的影響

通過(guò)測(cè)定降水脈動(dòng)一定的情況下，土壤表層含水率隨時(shí)間的變化關(guān)系來(lái)探究不同類型壓砂地對(duì)降水脈動(dòng)的響應(yīng)規(guī)律（圖1）。圖1給出了壓砂地和裸地的土壤表層含水率隨時(shí)間的擬合方程式，對(duì)其土壤表層含水率隨時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，壓砂地土壤含水率與時(shí)間呈顯著指函數(shù)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均介于0.938 1～0.987 3。裸地土壤含水率與時(shí)間呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別是0.909 5和0.890 2。圖1顯示，在降水7.1mm的情況下，不同類型壓砂地表層土壤含水率隨時(shí)間的變化曲線，壓砂地的土壤含水率都隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，其中新壓砂地土壤含水率增長(zhǎng)最快，中壓砂地次之，老壓砂地最慢，原因是隨著種植年限的增加，壓砂地表層覆砂中的土含量增高，阻礙了水分的入滲；裸地土壤表層含水率出現(xiàn)顯著地先增大后減小的規(guī)律，只在短時(shí)間內(nèi)土壤含水率高于壓砂地，這主要是該地區(qū)強(qiáng)烈蒸發(fā)造成的。當(dāng)降水為1.9 mm時(shí)，壓砂地的土壤含水率均隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增高，其中老壓砂地增長(zhǎng)緩慢，裸地土壤含水率依舊呈現(xiàn)先增高后減小的規(guī)律，和降水7.1mm時(shí)的裸地土壤含水率的變化曲線相比，變化量不顯著，原因是初始含水率較高，且降水量小。圖1中壓砂地曲線斜率顯示含水率增加速率表現(xiàn)為：新壓砂地＞中壓砂地＞老壓砂地。

圖1 相同降水脈動(dòng)對(duì)不同種植年限壓砂地土壤含水率的影響

壓砂地相比裸地，蒸發(fā)作用不明顯。當(dāng)降水分別為7.1和1.9mm時(shí)，壓砂地含水率分別在降水后第7天和第5天開始出現(xiàn)緩慢下降。

2.2 不同降水脈動(dòng)下壓砂地土壤含水率不同時(shí)間的變化量

當(dāng)降水分別為7.1和1.9mm時(shí)，不同砂地土壤含水率在降水后不同時(shí)刻相對(duì)降水前的增加量詳見(jiàn)表3。由表3可知，降水后第1天土壤含水率增加量，裸地含水率呈現(xiàn)出降水量大，入滲量大，降水量小，入滲量小的規(guī)律。和裸地相比，不同降水脈動(dòng)時(shí)，降水后第1天土壤含水率相對(duì)降水前的增加率，新壓砂地和中壓砂地都呈現(xiàn)出降水脈動(dòng)1.9mm大于降水脈動(dòng)7.1mm，原因是當(dāng)降水1.9mm時(shí)，表層覆砂是濕潤(rùn)的，縮短了水分在覆砂中的入滲時(shí)間，老壓砂地出現(xiàn)相反情況，這可能與壓砂地功能退化和土壤初始含水率有關(guān)。

降水后第3天土壤含水率增加量，降水脈動(dòng)大的含水率增加量均大于降水脈動(dòng)小的情況，相同降水脈動(dòng)時(shí)，裸地的土壤含水率增加最大，主要是裸地土壤初始含水率很?。缓吐愕叵啾?，壓砂地土壤含水率增加量表現(xiàn)為：新壓砂地＞中壓砂地 ＞老壓砂地，原因是隨著種植年限的增加，表層覆砂中土砂比增大，壓砂地入滲能力和抑制蒸發(fā)的能力都在減弱。

表3 降水后土壤含水率相對(duì)降水前的增加量

2.3 不同降水脈動(dòng)下各壓砂地表層土壤平均含水率

由圖2可知，降水1.9mm時(shí)壓砂地土壤平均含水率均高于降水7.1mm時(shí)的含水率，裸地相反。兩次降水都呈現(xiàn)出土壤平均含水率表現(xiàn)為：新壓砂地＞中壓砂地＞老壓砂地 ＞裸地。說(shuō)明壓砂地能更好地保持水分、抑制蒸發(fā)，裸地的持水能力弱，不能高效利用雨水。隨著種植年限的增加，壓砂地利用雨水的功能在降低。降水為7.1mm時(shí)，平均含水率新壓砂地、中壓砂地、老壓砂地較裸地分別增加了52.7%，45.5%，38.2%；降水為1.9mm 時(shí)，分別增加了171.8%，156.4%，110.3%。壓砂地顯著提高了降水的利用效率。

圖2 不同降水脈動(dòng)下壓砂地土壤平均含水率

3 結(jié)論

（1）裸地土壤含水率與時(shí)間呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，壓砂地的表層含水率都隨降水后時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，與時(shí)間呈指函數(shù)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均介于0.938 1～0.987 3。時(shí)間間隔在一定范圍內(nèi)的兩次降水，第1次降水脈動(dòng)對(duì)第2次的降水脈動(dòng)有影響，這種影響主要是通過(guò)改變土壤初始含水率，進(jìn)而改變水分的入滲速率。就壓砂地而言，第1次的降水對(duì)表層壓砂起到了潤(rùn)濕作用，該作用縮短了第2次降水在砂石中的入滲時(shí)間。另外，水分的入滲和蒸發(fā)與土壤的物理性質(zhì)（田間持水率、飽和含水率、孔隙率、透水性等）及土壤自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

（2）壓砂地的土壤含水率都隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，其中新壓砂地土壤含水率增長(zhǎng)最快，中壓砂地次之，老壓砂地最慢。相同降水脈動(dòng)時(shí)，裸地的土壤含水率增加最大，主要是裸地土壤初始含水率很?。粔荷暗赝寥篮试黾恿勘憩F(xiàn)為：新壓砂地＞中壓砂地＞老壓砂地。降水脈動(dòng)為7.1mm時(shí)，新壓砂地、中壓砂地、老壓砂地在降水后第3天土壤含水率比降水前分別增加了42.3%，27.4%，23.2%，降水脈動(dòng)為1.9mm時(shí)，土壤含水率分別增加了22.6%，21.7%，7.6%。

（3）與裸地相比，降水1.9mm時(shí)壓砂地土壤平均含水率均高于降水7.1mm時(shí)的含水率，說(shuō)明壓砂地能更好地保持水分、抑制蒸發(fā)，裸地的持水能力弱，不能高效利用雨水。當(dāng)降水脈動(dòng)為7.1和1.9mm時(shí)，新壓砂地、中壓砂地、老壓砂地平均含水率較裸地分別增加了52.7%，45.5%，38.2%和171.8%，156.4%，110.3%。說(shuō)明隨著種植年限的增加，壓砂地利用雨水的功能在降低。

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