王承書，楊曉楠，孫文義，穆興民，高 鵬，趙廣舉，宋小燕

極端暴雨條件下黃土丘陵溝壑區(qū)土壤蓄水能力和入滲規(guī)律*

王承書1，楊曉楠1，4，孫文義1，2?，穆興民1，2，高 鵬1，2，趙廣舉1，2，宋小燕3

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；4. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)河北省山區(qū)研究所，河北保定 071001）

黃土高原退耕還林還草工程實施后，下墊面環(huán)境條件的變化可能對流域水文過程、水文通量、水量平衡以及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生十分重要的影響。研究極端暴雨條件下剖面土壤蓄水能力和入滲規(guī)律，對于闡明流域產(chǎn)匯流過程和影響機制具有重要的科學(xué)價值。采用土壤墑情儀對陜北“7·26”特大暴雨事件下黃土丘陵溝壑區(qū)草地剖面土壤水分進行了實時動態(tài)監(jiān)測，分析了極端暴雨條件下剖面土壤水分的動態(tài)變化和蓄水過程，利用Horton入滲模型模擬了剖面土壤水分濕潤鋒的運動過程，揭示了極端暴雨條件下剖面土壤水分的入滲規(guī)律。結(jié)果表明：（1）極端暴雨條件下，黃土丘陵溝壑區(qū)坡面草地不同深度層次土壤水分與降雨過程的響應(yīng)不同，具有層次性和明顯的滯后效應(yīng)，其中，0～140 cm是影響該地區(qū)土壤水文過程的關(guān)鍵層次；（2）土壤水分再分配結(jié)束時，濕潤鋒最深深度達(dá)140 cm，土壤蓄水量達(dá)225.99 mm，較降雨前95.37 mm增加了1.37倍；（3）極端暴雨過程中濕潤鋒的運動隨時間呈對數(shù)遞減關(guān)系，其穩(wěn)滲速率隨容重增加而減小，呈指數(shù)函數(shù)遞減；（4）極端降雨過程中該地區(qū)坡面草地的產(chǎn)流機制仍以超滲產(chǎn)流為主，對于揭示流域的產(chǎn)匯流機制和完善水文預(yù)報模型具有重要的科學(xué)意義。

黃土丘陵溝壑區(qū)；“7?26”極端暴雨；入滲過程；產(chǎn)匯流機制

土壤水文是水文循環(huán)和水量平衡的關(guān)鍵過程[1-2]。黃土高原退耕還林還草工程實施后，地表覆被條件發(fā)生了重要變化[3]，進而通過改變土壤結(jié)構(gòu)和物理特性，如土壤入滲特性和土壤持水能力，對地表的產(chǎn)匯流過程以及水分運動過程產(chǎn)生了重大影響[4-5]。植被的自然恢復(fù)能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)狀況，增加土壤的入滲性能，提高土壤蓄水及持水能力[6]。黃土高原下墊面環(huán)境條件的改變可能對流域水文過程、水文通量、水量平衡以及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生十分重要的影響[7]。因此，研究黃土高原下墊面環(huán)境條件變化下剖面土壤水分的運動過程，對于揭示流域產(chǎn)匯流過程以及影響機制具有重要的理論意義和科學(xué)價值。

黃土高原坡面的產(chǎn)匯流機制是否因下墊面環(huán)境條件改變而發(fā)生著重要變化，至今尚難定論[7-9]。同一位置、多深度、穩(wěn)定、連續(xù)的土壤水分動態(tài)監(jiān)測和定量化研究，可以揭示土壤水文參量在不同尺度上的真實狀況，更準(zhǔn)確地描述和模擬水文過程，有助于回答流域下墊面變化是否引起黃土高原坡面產(chǎn)匯流機制的變化。80年代以來，降雨-入滲-產(chǎn)流過程及機理的研究成為水文學(xué)領(lǐng)域的熱點，在流域尺度上對降雨強度、土地利用、植被類型與恢復(fù)年限、地形坡度、土壤特性、水土保持措施等方面開展了降雨產(chǎn)流規(guī)律和影響因素的大量研究[6]。近年來，在全球氣候變化背景下，極端干旱和極端降雨頻發(fā)，鐘科元等[10]研究發(fā)現(xiàn)極端降雨對松花江流域徑流輸沙量的影響異常強烈。李慧娟等[11]研究發(fā)現(xiàn)高強度、短歷時的極端降雨事件造成了梯田的嚴(yán)重破壞和滑坡等重力災(zāi)害的發(fā)生。極端降水量和極端降水強度呈增加態(tài)勢[12]，坡面土壤入滲-產(chǎn)流特征與機制得到學(xué)者們普遍關(guān)注。本文通過分析2017年黃土丘陵溝壑區(qū)發(fā)生在陜北綏德的“7·26”特大暴雨事件和坡面草地土壤剖面水分的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系，闡明了特大暴雨事件下土壤蓄水能力和土壤水分的入滲過程，揭示了極端暴雨條件下的土壤水文參量特征與變化規(guī)律，對于研究流域的產(chǎn)匯流機制具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市綏德縣裴家峁村橋溝小流域（37°29′41″N，110°17′56″E），是裴家峁溝的一級支溝，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)（圖1）。流域面積0.45 km2，主溝長1.4 km，溝壑密度5.4 km·km–2。流域內(nèi)有兩條支溝，其中一支溝溝長為870 m，溝道比降為4.97%；二支溝溝長為805 m，溝道比降為1.15%。橋溝流域坡度集中在11°～49°，占整個流域面積的69%。流域多年平均氣溫10.2 ℃；平均降雨量約486 mm；降水主要集中在雨季6—9月，約為年降水量的70.4%，且多以暴雨形式出現(xiàn)。流域水土流失嚴(yán)重，年平均侵蝕模數(shù)為3 423 t·km–2·a–1，以水力侵蝕和重力侵蝕為主[13]。

研究區(qū)植被以草本為主，主要有艾蒿（（L.）DC）、狗尾草（L.）、本氏羽茅（（Linn.）Keng）、胡枝子（Turcz.）、百里香（Ronn.）、白草（Tzvel）、豬毛蒿（Waldst.et Kit）、冰草（（L.）Gaertn.）等數(shù)十種，多分布于溝谷的荒坡上，人工草地較少。

圖1 橋溝流域及土壤墑情儀和氣象站分布圖

1.2 降雨量

降雨數(shù)據(jù)時間尺度為小時，來自陜西省綏德縣橋溝氣象站觀測資料，時間為2017年7月25日—2017年7月26日的逐時觀測資料。降雨日值數(shù)據(jù)均由小時數(shù)據(jù)疊加計算所得?！??26”極端暴雨事件的降雨特征值如表1所示。

表1 “7?26”極端暴雨特征值

1.3 土壤水分

采用北京東方潤澤生態(tài)科技股份有限公司生產(chǎn)的土壤墑情儀（TD200），監(jiān)測深度為0～200 cm，間隔為10 cm，共20層。土壤墑情儀（TD200）利用FD原理[14]建立振蕩頻率與土壤含水量之間的指數(shù)關(guān)系，監(jiān)測土壤水分的相對百分誤差為≤3%。土壤的介電常數(shù)主要依賴于土壤的含水量。通過FD原理建立土壤的介電常數(shù)與土壤含水率之間的對應(yīng)關(guān)系，建立SF（Scaled frequency）參數(shù)與土壤容積含水量θ之間的指數(shù)關(guān)系式

式中，θ為土壤容積含水量，SF為土壤的介電常數(shù)，為待定參數(shù)。

容積含水率是克服土壤變異性對土壤含水率測量影響的一種有效方法[15]。SF 定義為

式中，為儀器放置于空氣中所測得的頻率，為儀器放置在水中所測得的頻率，則為儀器安裝于土壤中所測得的頻率，為待定參數(shù)。

土壤蓄水量公式為[16]

1.4 入滲過程模擬

采用Horton模型對實測入滲水量隨降雨歷時的變化進行擬合和顯著性檢驗[17]，研究降雨條件下土壤中入滲水量隨時間的變化關(guān)系。Horton入滲模型：

式中，為時刻下的下滲速率；f為穩(wěn)定入滲速率，0為初始入滲速率，為時間，為系數(shù)，反映土壤的下滲性能。

2 結(jié) 果

2.1 極端暴雨條件下土壤剖面蓄水過程的動態(tài)變化

“7?26”極端暴雨條件下，橋溝草地土壤剖面蓄水量的動態(tài)變化如圖2。0～200 cm土壤蓄水量的消長變化與降水隨時間的變化具有相對一致性?！??26”暴雨歷時6d，其中，7月26日降雨量最大，日降雨量高達(dá)112.80 mm，占總降雨量（158.60 mm）的71.12%（圖2a）。降雨期間0～200 cm層次土壤蓄水量達(dá)300.90 mm，較降雨前（170.28 mm）增加約1.77倍。

橋溝草地土壤剖面0～200 cm不同層次蓄水量與降雨過程的響應(yīng)不同（圖2b、圖2c、圖2d）。其中，0～60 cm土層土壤蓄水量對降雨變化的響應(yīng)最敏感，7月26日0時開始降雨，剖面土壤蓄水量出現(xiàn)較小峰值，7月26日18時剖面土壤蓄水量達(dá)到最大值，為100.92 mm（圖2b）；60～120 cm土層土壤蓄水量存在明顯的滯后現(xiàn)象（圖2c），7月27日3時土壤剖面蓄水量開始迅速增長，增長幅度分別為195.8%、185.6%、183.0%、150.97%、94.7%、66.3%，隨土層深度增加而減少；120～140 cm土層，8月4日才出現(xiàn)響應(yīng)，蓄水量由9.75 mm、9.77 mm分別增加至13.58 mm、11.25 mm，增幅為39.14%、15.17%；140～200 cm土層，直至8月11日土壤蓄水量未出現(xiàn)增長，對降雨變化沒有響應(yīng)（圖2d）。

圖2 “7?26”極端暴雨期間土壤剖面蓄水量變化

7月26日—7月28日共有3次集中降雨事件，總降雨量為158.30 mm。降雨事件分別發(fā)生在7月26日0:00～8:00（降雨1）、7月27日5:00～7:00（降雨2）、7月28日6:00～13:00（降雨3），降雨量分別為114.50 mm、14.00 mm、31.80 mm。降雨1（圖3a）開始之前經(jīng)歷了長達(dá)15 d的干旱，降雨1結(jié)束時0～10 cm、10～20 cm土層的蓄水量有大幅增長，分別由7.78 mm、6.06 mm增至23.27 mm（199.10%）和11.77 mm（94.22%）；30～40 cm土層蓄水量變化微小。濕潤鋒在降雨1入滲結(jié)束后（約20 h）達(dá)到最大深度70 cm，0～70 cm蓄水增量為138.36 mm，土壤蓄水量的增加主要集中在0～40 cm土層。降雨2（圖3b）開始距降雨1結(jié)束約27 h，降雨2降雨強度為7.00 mm·h–1。疊加此次降雨后，土層蓄水的響應(yīng)深度達(dá)到80 cm。降雨2結(jié)束時土層的蓄水增量為16.20 mm，較降雨1增加了6.85%。降雨2入滲過程結(jié)束時0～80 cm土層蓄水增量為26.05 mm。

降雨3（圖3c、圖3d）開始距降雨2結(jié)束約54 h，降雨強度為4.54 mm·h–1。疊加降雨1和降雨2后，降雨3結(jié)束時土壤蓄水的響應(yīng)深度為90 cm，降雨3入滲過程結(jié)束時濕潤鋒達(dá)到最大深度100 cm，蓄水量較降雨1、降雨2分別增加了42.86%、25.01%。直到8月4日土壤水分再分配結(jié)束時，濕潤鋒達(dá)到最深深度為140 cm，土壤蓄水量達(dá)到225.99 mm，較降雨前95.37 mm增加了137%。

圖3 “7?26”極端暴雨土壤剖面含水量動態(tài)

2.2 極端暴雨條件下土壤剖面蓄水量垂向分布特征

根據(jù)不同層次土壤蓄水量與降雨過程響應(yīng)的顯著性差異[18]，可將橋溝草地剖面土壤水分在垂直方向上劃分為三個層次：土壤水分速變層（0～60 cm）、土壤水分活躍層（60～140 cm）和土壤水分穩(wěn)定層（140～200 cm）。不同層次土壤蓄水量增減值變化范圍分別為15.49～16.72 mm、2.01～13.27 mm和0.22～0.44 mm（圖4）。

圖4 土壤剖面蓄水量變化動態(tài)

“7?26”極端暴雨條件下，橋溝草地土壤剖面降雨入滲所能達(dá)到的最大深度為140 cm。0～140 cm土層對降雨有較強的容蓄作用。降雨前0～140 cm土層平均蓄水量（6.81 mm）較降雨前140～200 cm穩(wěn)定層平均蓄水量（12.48 mm）低約45.43%。降雨結(jié)束后，0～140 cm土層平均蓄水量（14.17 mm）為降雨前的2.08倍，穩(wěn)定層平均蓄水量（12.20 mm）則較降雨前幾乎無變化，且0～140 cm土層平均蓄水量較140～200 cm土層高約16.15%。0～60 cm和60～140 cm土層土壤蓄水量的平均值分別為17.37 mm（13.93～19.91 mm）和11.63 mm（9.21～16.53 mm），與降雨前各土層蓄水量相比均有顯著增加，且增加量隨土層深度的增加呈減少趨勢。土壤水分與外界降雨交換的土層集中在0～140 cm土層，而140 cm以下土層的蓄水量則變化不明顯。

2.3 極端暴雨條件下剖面土壤調(diào)蓄能力

橋溝草地剖面0～140 cm 土壤水分動態(tài)是影響該地區(qū)土壤水文過程的關(guān)鍵層次（圖5）?！??26”極端暴雨條件下，橋溝草地土壤剖面降雨入滲所能達(dá)到的最大深度為140 cm；直到8月11日，重力水入滲深度均無法突破140 cm，進入更深層次。橋溝草地土壤剖面140 cm 以下土層土壤水一直保持田間持水量狀態(tài)。剖面0～140 cm土層，降雨前土壤含水量為6.67%，是田間持水量（13.24%）的50.38%；降雨結(jié)束后，土壤含水量超過田間持水量，達(dá)17.93%，約為田間持水量的1.35倍。剖面150～200 cm土層，降雨前土壤含水量為12.19%，與田間持水量（12.31%）相似；降雨結(jié)束后土壤含水量略有增加，為12.49%?？梢?，0～200 cm土壤具有較好的調(diào)蓄能力。

橋溝剖面土壤水分實時動態(tài)監(jiān)測反映的與草被密切相關(guān)的土壤有效水層次為0～100 cm，100～140 cm 為過渡層。草地剖面土壤降雨前經(jīng)歷了長達(dá)15d的持續(xù)干旱，0～100 cm土層草被的蒸騰作用（夏季7月）使得土壤剖面水分基本接近凋萎系數(shù)（圖5）；100～140 cm 剖面各層水分隨深度增加逐漸接近田間持水量；140 cm 土層以下保持田間持水量狀態(tài)。

2.4 極端暴雨條件下土壤剖面水分入滲規(guī)律

“7?26”暴雨主要集中在降雨1（26日0～8 h），且最強降雨出現(xiàn)在26日0～4 h，入滲過程體現(xiàn)了極端降雨條件下水分的入滲規(guī)律。按土壤水分受力情況及運動特征可分為三個階段：滲潤階段、滲漏階段和滲透階段。滲潤階段，土壤含水量較低，入滲速度較大，隨著水分不斷入滲，土壤含水量增加，入滲速度迅速減小，這個階段僅持續(xù)3 h左右；滲漏階段，土壤含水量繼續(xù)增加，下滲速度逐漸減小，這個階段持續(xù)5 h左右；滲透階段，土壤含水量達(dá)到田間持水量，下滲速度趨于穩(wěn)定?；纛D方程能較好地模擬極端降雨條件下土壤水分入滲速率的變化過程（圖6a），利用霍頓方程將降雨1入滲速率隨時間的變化趨勢進行擬合分析，擬合曲線與降雨實測數(shù)據(jù)吻合程度較好，2=0.97，< 0.01。降雨1累積入滲曲線呈逐漸增加后趨于穩(wěn)定的趨勢（圖6b），0～4 h內(nèi)累積入滲量增幅較大。

濕潤鋒的運動能夠直觀地反映水分入滲過程和滲流速度，將降雨過程中不同土層土壤水分含量開始增加的時間作為濕潤鋒到達(dá)的時間[19]。“7?26”極端暴雨過程中濕潤鋒的運動如圖7。降雨1開始后1h，濕潤鋒運動至10 cm處，11 h時則移動至40 cm深；23 h時濕潤鋒運動至6 cm土層，濕潤鋒的平均運動速度為2.63 cm·h–1；67 h時濕潤鋒到達(dá)100 cm土層，平均滲流速度為1.50 cm·h–1；100 cm以下深度的平均滲流速度為0.25 cm·h–1；226 h時濕潤鋒運動達(dá)到最大深度140 cm。

土壤容重與土壤穩(wěn)定入滲速率關(guān)系如圖8所示。土壤容重與穩(wěn)定入滲速率之間存在指數(shù)關(guān)系，穩(wěn)定入滲速率隨土壤容重的增加，呈指數(shù)函數(shù)遞減。

圖7 “7?26”極端暴雨濕潤鋒運動過程

圖8 土壤容重與穩(wěn)定入滲速率的關(guān)系

3 討 論

降雨入滲是土壤水文過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，受氣候因素（降雨強度、歷時、降雨量）和下墊面因素（植被、土壤、地形地貌）等影響[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在極端降雨條件下，剖面土壤與外界降雨發(fā)生交互影響的土壤層次為0～140 cm；140 cm以下土層一直保持田間持水量狀態(tài)，與土壤水分入滲和降雨再分配無明顯關(guān)系。其中，0～60 cm土層含水量對降雨變化的響應(yīng)最敏感；60～140 cm土層蓄水量存在明顯的滯后現(xiàn)象。關(guān)于土壤水分垂向運動變化特征的研究表明[21]，0～90 cm土層含水量對降雨入滲敏感，90～160 cm土層含水量則對降雨入滲遲緩，160～240 cm土層僅受重力水影響，與本研究中土壤水分對極端降雨的響應(yīng)具有相似性。與一般降雨相比，極端暴雨的區(qū)別主要體現(xiàn)為降雨量及降雨強度大。而“7?26”極端降雨過程中，土壤含水量隨降雨入滲而變化，并且含水量的變化與降雨量和降雨強度大小成正相關(guān)，如張敬曉等[21]、李毅和邵明安[22]、劉小璐等[23]發(fā)現(xiàn)，降雨強度越大，入滲率和累積入滲量均越大，對表層土壤水分的影響也越大，表明入滲過程受降雨性質(zhì)的影響。地表產(chǎn)流與降雨-入滲過程密切相關(guān)，產(chǎn)流能力主要取決于降雨強度和土壤的入滲能力。李彬權(quán)等[24]、劉曉燕等[25]認(rèn)為，入滲在一定程度上延緩了徑流產(chǎn)生的時間，降低了徑流量，但受暴雨的影響，產(chǎn)流機制表現(xiàn)為超滲產(chǎn)流。陳力等[26]模擬研究坡面降雨入滲產(chǎn)流規(guī)律得出了滲透率增大，產(chǎn)流過程所有參量均減小的結(jié)論。本研究認(rèn)為，極端降雨過程中由于降雨強度遠(yuǎn)大于土壤入滲速率，且入滲量亦小于降雨量，其坡面產(chǎn)流機制仍以超滲產(chǎn)流為主，土壤的入滲性能在很大程度上影響產(chǎn)流機制。

極端暴雨條件下土壤水分入滲過程的動態(tài)監(jiān)測對于研究土壤水文過程具有重要意義，能夠反映出特定地區(qū)土壤的蓄水能力、持水能力和入滲能力[27]。黃土高原土壤的蓄水能力受到土壤性質(zhì)的影響，其入滲深度一般較淺，降雨無法到達(dá)土壤深層，使得土壤蓄水能力在淺層和深層存在較大的差異[28]。橋溝草地0～140 cm土層對降雨有較強的容蓄作用，平均蓄水量較140～200 cm土層高約26.49%，蓄水量為降雨前的1.37倍，穩(wěn)定層（140～200 cm）蓄水量較降雨前幾乎無變化。土壤的蓄水能力反映土壤的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，在一定程度上影響著土壤的持水能力和入滲能力。已有研究表明，土壤容重和孔隙度[29]是影響土壤持水能力的重要因素，土壤飽和含水率與土壤保水和蓄水能力呈正比[30]。黃土高原植被恢復(fù)與重建使表層土壤物理性質(zhì)發(fā)生了重要改變，表現(xiàn)為土壤容重減少、土壤孔隙數(shù)、孔隙度增加；土壤滲透系數(shù)和持水能力顯著提高[31]，如5年、20年、30年林草地土壤含水量分別為農(nóng)地的1.41倍、1.44倍、1.72倍；土壤穩(wěn)定滲透率分別為農(nóng)地的1.78倍、2.84倍、3.44倍[32]。土壤結(jié)構(gòu)和物理特性的變化勢必對土壤的蓄水能力、持水能力和入滲能力產(chǎn)生重要影響。土壤的入滲性能直觀反映于土壤入滲速率，亦受土壤物理性質(zhì)的顯著影響[31]。土壤入滲率受土壤容重影響較大，土壤入滲率隨著容重的增大而遞減[33-34]，本研究結(jié)果也證實了這一點，“7?26”極端降雨過程中土壤入滲率隨著容重的增大呈遞減趨勢。本研究反映了橋溝草地土壤在極端降雨條件下土壤水分入滲的特例，僅揭示了極端暴雨條件下的土壤水文參量的特征與規(guī)律。要闡明黃土高原降雨條件下土壤水分入滲過程的一般性規(guī)律，還需要更多降雨資料、監(jiān)測點及更長監(jiān)測時間做進一步的研究。

水文模型常常用來進行水文規(guī)律研究，并解決實際生產(chǎn)問題，在水文理論研究和實踐中具有重要意義。入滲-產(chǎn)流過程是水文過程模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，自然降雨入滲和水文模型所用的積水入滲有很大差異，研究表明，自然降雨入滲受制于降雨強度變化，供水不足[35]，如SWAT模型所使用的Green-Ampt入滲法是基于積水條件下建立的，在供水條件上與自然降雨條件下入滲有很大的區(qū)別，不能真實反映土壤入滲過程和徑流形成過程。自然降雨條件下，雨強的變化促進水分向土層深處入滲，累積入滲量顯著增加[36]，極端降雨條件下，累積入滲量相應(yīng)也越大。極端暴雨條件下土壤水文變化的實時監(jiān)測有助于模型更準(zhǔn)確模擬實際降雨入滲過程。降雨—入滲—產(chǎn)流過程亦是影響土壤侵蝕的重要環(huán)節(jié)之一，極端降雨事件的入滲過程可以反映極端降雨與產(chǎn)匯流之間的關(guān)系，有助于完善土壤侵蝕預(yù)報模型對土壤侵蝕的模擬。

4 結(jié) 論

基于橋溝草地土壤剖面水分動態(tài)監(jiān)測，探討了極端降雨條件下土壤水文參量和入滲過程特征與規(guī)律，主要結(jié)論如下：總體上，不同層次蓄水量與降雨過程的響應(yīng)不同，土壤水分對降雨的響應(yīng)時間隨深度的增加呈現(xiàn)不同程度的滯后效應(yīng)。橋溝草地土壤剖面水分的垂向運動具有層次性，分為土壤水分速變層（0～60 cm）、土壤水分活躍層（70～140 cm）和土壤水分穩(wěn)定層（150～200 cm）。研究發(fā)現(xiàn)0～140 cm土層是影響該地區(qū)土壤水文過程的關(guān)鍵層次，其中與草被密切相關(guān)的土壤有效水層次為0～100 cm，100～140 cm 為過渡層?；纛D方程能很好地模擬降雨的入滲過程（2=0.97，< 0.01），入滲速率隨時間呈指數(shù)關(guān)系。入滲過程中滲流速度遵循先快后慢的規(guī)律，濕潤鋒的運動趨勢呈對數(shù)關(guān)系（<0.01）。降雨入滲特征參數(shù)受土壤物理性質(zhì)影響，土壤穩(wěn)滲速率與容重呈負(fù)相關(guān)，減幅隨容重的增大而減緩。降雨入滲特征參數(shù)與持水能力取決于土壤結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，入滲作用在一定程度上影響降雨-產(chǎn)流機制。

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Soil Water Storage Capacity and Rainwater Infiltration in Hilly-Gully Loess Region under Severe Rainstorm

WANG Chengshu1, YANG Xiaonan1, 4, SUN Wenyi1, 2?, MU Xingmin1, 2, GAO Peng1, 2, ZHAO Guangju1, 2, SONG Xiaoyan3

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China;3. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 4. Mountain Areas Research Institute of Hebei Province, Agricultural University of Hebei, Baoding, Hebei 071001, China)

Revegetation of the Loess Plateau, especially since the implementation of large-scaled “Grain for Green” projects, has brought about great changes in land surface coverage and underlying surface (or subsoil layer) of the plateau and altered significantly physical properties (soil structure, porosity, etc.) of the soil. Such dynamic changes in the environment may generate very important impacts on hydrological processes, hydrological fluxes, water balance, and ecosystems at a watershed scale. In recent years, rainfall-infiltration-runoff processes and their mechanisms as affected by global warming have become a hot topic in the field of hydrology. Therefore, the study to explore water storage capacity of and rainwater infiltration processes in soil profile under severe rainstorm may help expose processes and mechanisms of soil hydrology, soil erosion and surface runoff, and hence is of great scientific value to elucidation of processes of runoff generation and convergence and their influencing mechanisms.In this paper, a real-time dynamic soil water monitoring system was used to monitor soil moisture layer by layer at 10 cm intervals in 2 m soil profiles in a tract of grassland in a hilly and gully loess region during the “7?26” severe rainstorm event in northern Shaanxi Province. Data of the rainfall event was obtained from the meteorological station of the region. Both rainfall data and soil moisture data were extracted at 1-hour intervals. Based on analysis of the rainfall and soil moisture data, dynamic changes, distribution characteristics and soil water storage capacity of the soil water in the profiles during the severe rainstorm event were acquired. And with the aid of the Horton infiltration model, movement and infiltration processes of the soil moisture wetting front in the grassland profiles were simulated.Results show; (1) the response of soil moisture in the profile to the rainfall varied with process of the rainfall and depth of the soil layer. The soil profile could be divided into three layers, i.e. soil moisture quick-changing layer (0～60 cm) , soil moisture active layer (70～140 cm) and soil moisture stable layer (150～200 cm) , with soil water varying in the range of 15.49～16.72 mm, 2.01～13.27 mm and 0.22～0.44 mm, respectively; (2) The 0～140 cm soil layer is critical to the soil hydrological process in the profile, with average water storage being 26.49% higher than that of the 150～200 cm soil layer. The soil water storage of that layer could reach as high as 225.99 mm, 1.37 times its initial water storage capacity (95.37 mm) . Thereinto, the 0～100 cm soil layer is the one with available soil water closely related to its grass cover; (3) In this area, soil infiltration depends on physical properties of the soil. Soil steady infiltration rate decreases with increasing soil bulk density, and the decrease declines in magnitude with risng bulk density, too; and (4) Rainwater infiltration rate on grassland hillslopes (<0.01) shows a decreasing trend with the time going. The attenuation is high in rate in the initial period and turns low. The infiltration rate varies exponentially with time. Cumulative infiltration (2= 0.99,< 0.01) shows a logarithmic relationship with wetting front movement process (2= 0.99,< 0.01) along the time series. The Horton infiltration model is suitable for simulation of the infiltration process (2= 0.97,< 0.01) as affected by severe rainstorm.During the severe rainstorm event, the mechanism of runoff generation is still dominated by infiltration excess runoff on hillslopes of the region. The increase in infiltration can reduce runoff volume and delay runoff generation to a certain extent, which has a significant impact on the mechanism of runoff generation.

Hilly and gully loess region; “7?26” severe rainstorm; Infiltration process; Mechanism of runoff generation and convergence

S152.7

A

10.11766/trxb201902190602

王承書，楊曉楠，孫文義，穆興民，高鵬，趙廣舉，宋小燕. 極端暴雨條件下黃土丘陵溝壑區(qū)土壤蓄水能力和入滲規(guī)律[J]. 土壤學(xué)報，2020，57（2）：296–306.

WANG Chengshu，YANG Xiaonan，SUN Wenyi，MU Xingmin，GAO Peng，ZHAO Guangju，SONG Xiaoyan. Soil Water Storage Capacity and Rainwater Infiltration in Hilly-Gully Loess Region under Severe Rainstorm[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（2）：296–306.

* 國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0402401）和國家青年科學(xué)基金項目（41501293）資助Supported by the National Key R&D Program of China（No.2016YFC0402401）and the National Natural Science Foundation of China（No.41501293）

，E-mail：sunwy@ms.iswc.ac.cn

王承書（1995—），男，碩士研究生，主要從事生態(tài)水文研究。E-mail：wcsmissing@live.com

2019–02–19；

2019–08–014；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2019–09–11

（責(zé)任編輯：檀滿枝）