段國秀，賈小旭,3*，白 曉，劉成功,3，魏孝榮,3

基于ERT的黃土高原小流域典型坡地和壩地土壤儲(chǔ)水量反演

段國秀1，賈小旭1,3*，白 曉2，劉成功1,3，魏孝榮2,3

（1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所/生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190）

【目的】反演黃土高原小流域典型坡地和壩地的土壤儲(chǔ)水量（），為小流域水資源管理與生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā吭陉儽绷罍闲×饔蜻x擇典型坡地和壩地，利用電阻率層析成像法（ERT）測定其土壤電阻率（），結(jié)合實(shí)測土壤體積含水率（v），構(gòu)建與v的冪函數(shù)模型，量化0～12.5 m土層剖面的，并對比分析坡地與壩地的空間分布差異。【結(jié)果】對于黃土高原坡地和壩地2種典型地貌類型，與v之間均具有顯著的冪函數(shù)關(guān)系（坡地：2=0.66，<0.01；壩地：2=0.64，<0.01）；坡地分布受坡位影響顯著，沿坡頂至坡底逐漸降低，壩地在垂直方向上呈“高-低-高”的分布格局，具有明顯的飽和層和非飽和層，而坡地剖面均為非飽和狀態(tài)；面積為1.8×104m2的壩地0～6.5 m非飽和層的可儲(chǔ)水量為1.49×104m3，6.5～12.5 m飽和層可儲(chǔ)水量為5.10×104m3；而相近面積的坡地0～12.5 m非飽和層可儲(chǔ)水量為2.59×104m3?！窘Y(jié)論】ERT可用于黃土區(qū)深層土壤水資源時(shí)空分布研究，六道溝小流域壩地土壤儲(chǔ)水量豐富，是坡地土壤儲(chǔ)水量的2.5倍，對小流域的水循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要作用。

黃土高原；電阻率層析成像法；土壤電阻率；坡地；壩地；土壤含水率

0 引 言

【研究意義】黃土高原氣候干旱，降水分布不均，水土流失嚴(yán)重，是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)和氣候敏感區(qū)[1]，其生態(tài)建設(shè)是鞏固北方生態(tài)屏障、促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。植被恢復(fù)和淤地壩建設(shè)分別是該地區(qū)水土流失治理的重要生物措施和工程措施[2]。隨著退耕還林（草）工程的大規(guī)模實(shí)施，小流域坡地土地利用發(fā)生了顯著改變，植被覆蓋度顯著增加，加劇了深層土壤水分的消耗[3]。目前，土壤水分供給不足已成為制約該區(qū)生態(tài)建設(shè)和植被恢復(fù)的主要因素[4]。與坡地不同，淤地壩內(nèi)淤積而成的壩地水肥條件優(yōu)越，是該區(qū)建設(shè)基本農(nóng)田的重要地理單元。當(dāng)前，黃土高原地區(qū)共有淤地壩約12萬座，淤成壩地約31萬hm2[5-6]，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、防治水土流失和改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用。量化小流域典型坡地和壩地的土壤儲(chǔ)水量（）及其空間分布格局，對小流域水資源優(yōu)化管理、生態(tài)恢復(fù)和可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要科學(xué)意義[1,7]。

【研究進(jìn)展】當(dāng)前，關(guān)于土壤水分時(shí)空分布的研究大多采用烘干法、中子儀法、原位傳感器等方法測定土壤含水率（）[8-9]，但這些方法監(jiān)測范圍較小，存在空間上的不連續(xù)性且費(fèi)時(shí)、耗力等缺點(diǎn)，限制了對深層土壤水分時(shí)空特征的探索。宇宙射線快中子法和遙感反演方法雖然能獲取更大尺度的時(shí)空分布，但獲取深度和空間分辨率有限[10]。發(fā)展大尺度和高空間分辨率的監(jiān)測技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵。探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMR）、電阻率層析成像（Electrical Resistivity Tomography，ERT）等地球物理技術(shù)是將土壤剖面特征（如土壤結(jié)構(gòu)、土壤水分）與地球物理信號相關(guān)聯(lián)，能實(shí)現(xiàn)多尺度高分辨率的土壤特征監(jiān)測，極大地促進(jìn)了水文地理的發(fā)展[7,11]。研究表明，ERT可實(shí)現(xiàn)多尺度土壤水文狀況的原位連續(xù)監(jiān)測，在土壤水和地下水的空間格局研究中具有較高的應(yīng)用潛力和價(jià)值[12-14]。然而，在黃土高原地區(qū)利用ERT測量土壤剖面電阻率（），進(jìn)而反演的研究較少[15-16]，缺乏小流域坡地和淤地壩不同水分條件的對比研究。岳寧等[15]利用ERT和水分傳感器測定2 m深度土壤剖面的和，建立了隴中半干旱區(qū)農(nóng)田與之間的定量關(guān)系。Sun等[17]在黃土高原地區(qū)分別建立了多因素影響下的和的關(guān)系模型，但模型受眾多因素限制，無法大范圍推廣應(yīng)用。Celano等[18]利用實(shí)測數(shù)據(jù)建立了與的指數(shù)模型，較好地評估了果園土壤水分的季節(jié)變化。張世斌等[19]利用室內(nèi)模擬試驗(yàn)建立了黃土與飽和度之間的關(guān)系式，重塑了黃土水分遷移特性。袁鴻猷等[16]利用ERT測定了黃土高原壩地，基于和的關(guān)系模型估算了壩地淺層地下水儲(chǔ)量。以往研究對利用ERT技術(shù)反演土壤水分或地下水儲(chǔ)量進(jìn)行了探索，但對于小流域坡地和壩地的對比研究尚屬缺乏，對不同地類下的土壤儲(chǔ)水特征認(rèn)識不足，且和的反演模型也存在較大差異，已有研究結(jié)果難以被廣泛應(yīng)用。因此，本研究利用ERT開展黃土區(qū)小流域典型坡地和淤地壩的及時(shí)空分布的反演研究，對于小流域坡地植被建設(shè)和壩地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理具有重要的科學(xué)意義。

【切入點(diǎn)】以往研究大多關(guān)注黃土高原坡面土壤水分及區(qū)域尺度土壤水分的時(shí)空變異性，由于監(jiān)測技術(shù)的限制，相關(guān)土壤水分時(shí)空分布及儲(chǔ)水量估算的研究大多集中在5 m土層內(nèi)[8-9, 20-24]，僅有少數(shù)研究關(guān)注深層[24-27]。深層土壤水分是黃土區(qū)人工植被生長和應(yīng)對極端干旱的重要水源，一旦耗盡將難以恢復(fù)[1,3]，其信息的缺失限制了黃土高原深層土壤水的可持續(xù)管理?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究以陜北神木六道溝小流域土壤質(zhì)地較為均勻的典型坡地和壩地為研究對象，利用ERT測定的二維空間分布，基于實(shí)測剖面土壤體積含水率（v），建立和v的定量關(guān)系模型，探究ERT在反演坡地和壩地方面的適用性，并估算深層，分析坡地和壩地深層土壤儲(chǔ)水特征及空間分布格局，以期為黃土高原小流域不同地貌單元土壤水定量評估與管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木市以西14 km處的六道溝小流域（圖1（a）），海拔1 080～1 275 m。該流域地處黃土高原與毛烏素沙地的過渡地帶，是黃土高原水蝕、風(fēng)蝕交錯(cuò)帶強(qiáng)烈的侵蝕區(qū)。年平均氣溫為8.4 ℃，年平均降水量為427 mm，屬于典型的半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。由于水蝕和風(fēng)蝕的交替危害及人為濫砍濫伐和過度放牧，天然喬、灌叢植被幾乎破壞殆盡。經(jīng)人工植被恢復(fù)后，目前小流域主要有草地（44%）、灌木林地（26%）和農(nóng)田（16%）3種土地利用類型[27]。草地包括以長芒草為主的天然草地和以苜蓿為主的人工草地，灌木地以檸條為主，農(nóng)用地以1 a生農(nóng)作物為主[28]。

注 B為壩地，P為坡地；數(shù)字代表每個(gè)樣地中監(jiān)測電阻率時(shí)布設(shè)的測線編號。

本研究所選坡地為小流域內(nèi)遠(yuǎn)離侵蝕溝的一個(gè)典型坡面（圖1（b）），坡長350 m，海拔落差42 m。坡上植被以人工植被為主，其中坡地上部110 m內(nèi)是種植32 a的苜蓿地，坡中部是種植16 a的杏樹林，坡底部為種植16 a的杏樹林和零星分布的刺槐和鐵桿蒿[29]。壩地位于所選坡地底部的西北面，總長度為550 m[10]，面積約為1.8×104m2。自壩頭至壩尾分布有檸條灌木地、撂荒灌草地、苜蓿草地和玉米為主的農(nóng)耕地，兩側(cè)零星分布有少許榆樹和旱柳。沉積泥沙主要為粉粒泥沙，質(zhì)地較為均一[30]。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

于2019年7月7日，利用美國AGI（Advanced Geosciences, Inc.）公司研制的SuperSting-R8/IP高密度電導(dǎo)儀，采用對電阻率垂向變異較為敏感的Wenner電極陣列，對坡地和壩地剖面土壤電阻率（m）進(jìn)行了測定[31-32]。對于坡地，沿坡面布設(shè)3條間隔16.5 m的平行測線（P1—P3）。對于壩地，從壩頭至壩尾布設(shè)1條測線B4，同時(shí)在垂直于B4測線方向另外布設(shè)3條測線（B1—B3），測線具體信息和位置分別見表1和圖1。

表1 坡地和壩地各樣線基本情況

測線P1—P3布設(shè)在距坡面原有的3列中子管0.5 m距離處，每列共有28根。測線B4沿原有的22根中子管布設(shè)，所有中子管測深均為5.2 m。在測定土壤剖面m的同時(shí)，利用中子儀（型號CNC503DR）測定相應(yīng)位置0～5 m不同土層深度的v，其中0～1 m土層間隔10 cm，1～5 m土層間隔20 cm。此外，在壩地中部安裝自記式水位計(jì)（型號ZYHC-300B）以監(jiān)測地下水位狀況。利用環(huán)刀采集坡地和壩地剖面原狀土壤樣品，在室內(nèi)測定飽和土壤含水率（s）。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤真實(shí)由田間測定的m反演得到。數(shù)據(jù)反演前，需對m進(jìn)行質(zhì)量控制，即刪除滿足下列條件的m值：①m高于5 000 Ω m的數(shù)值；②重復(fù)測量誤差大于3%的數(shù)值[17,33-34]；③負(fù)值。使用EarthImager 2D軟件，采用平滑模型對m進(jìn)行反演，利用m值和模型反演的值計(jì)算得到均方根誤差（），對數(shù)據(jù)擬合程度進(jìn)行評價(jià)，并通過EarthImager 2D軟件中的擬合誤差直方圖，在考慮誤差分布的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整擬合閾值，去除誤差高于100%的數(shù)據(jù)點(diǎn)再次反演[17]。

一般來說，ERT樣線兩端的靈敏度和分辨率較低[17]。因此，選擇位于樣線中部的中子管實(shí)測v及其對應(yīng)位置的建立數(shù)據(jù)集，隨機(jī)選取其中80%的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，其余20%用于模型驗(yàn)證。利用決定系數(shù)（2）和對模型精度進(jìn)行評價(jià)。

壩地土壤剖面包含非飽和層和飽和層。通過和v之間的關(guān)系模型計(jì)算各測點(diǎn)的土壤含水率vi，然后獲得非飽和層的平均土壤含水率`vi，利用式（1）計(jì)算非飽和層的。飽和層的通過s計(jì)算獲得，計(jì)算方法見式（2）[20]。飽和層的上下邊界利用的空間分布并結(jié)合地下水位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

式中：1和2分別為非飽和層和飽和層的（m3）；s為土體積（m3）；`θ和s分別為非飽和層土壤含水率（%）和飽和層土壤含水率（%）。

為了與壩地進(jìn)行對比分析，坡地則是在整個(gè)坡面選擇與壩地面積相近、深度一致的土體進(jìn)行反演和計(jì)算。根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)相對位置在坡面建立矩形網(wǎng)格，計(jì)算每個(gè)矩形網(wǎng)格的v，共有1 710個(gè)矩形單元網(wǎng)格。中心點(diǎn)坐標(biāo)定義為（，，），為3 m，代表相鄰兩電極間距的50%（電極間距6 m），代表與當(dāng)前電極所在樣線相鄰平行樣線之間水平距離的50%，代表矩形網(wǎng)格中心點(diǎn)垂向深度[15]?，F(xiàn)場作業(yè)的命令文件在編寫時(shí)根據(jù)測距、電極間距和最大測深將土壤剖面自動(dòng)劃分為5層，各層深度分別為0.38、3.10、6.01、9.11 m和12.43 m。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡地和壩地土壤電阻率空間分布特征

坡地剖面的空間分布如圖2所示。在沿坡面方向上，沿坡面由坡頂至坡底呈逐漸下降趨勢，具體為坡頂（0～100 m）>坡中（100～250 m）>坡底（250～330 m）。這種分布特征與坡面降水再分配有關(guān)，部分降水以徑流的形式沿坡面向坡底匯聚，導(dǎo)致坡底剖面v較高，較低。在垂直方向，地表至20 m深度內(nèi)的土層相比更深土層的值高，特別是在坡頂位置，這可能是由于坡頂降水補(bǔ)給量較小且深根系人工植被過度消耗土壤水分，導(dǎo)致土壤干燥化[3,20]。

注 Iteration表示迭代次數(shù)，RMSE表示ERT實(shí)測視電阻率數(shù)據(jù)與軟件反演時(shí)重建模型計(jì)算數(shù)據(jù)之間的均方根誤差；L2為視電阻率值加權(quán)誤差的平方和；EP（Electrode Spacing）為電極間距。

壩地剖面在垂直方向上呈“高-低-高”的層狀分布格局（圖3）。淺層高阻區(qū)厚度自壩尾向壩頭方向逐漸增加，這主要是由于植被類型的不同。淺層高阻區(qū)以下至15 m深度范圍為連續(xù)帶狀低阻區(qū)，值在16～50 Ω m范圍內(nèi)分布，這與地下水的觀測結(jié)果基本一致，是壩地飽和含水層的分布區(qū)域，與袁鴻猷等[16]研究結(jié)果相近。根據(jù)壩地剖面分布規(guī)律和值大小，選取該低阻區(qū)同一測點(diǎn)下值變化差異最大的2個(gè)點(diǎn)，分別提取這2個(gè)點(diǎn)各自對應(yīng)的深度，即為該測點(diǎn)處飽和含水層上、下邊界的深度，取各測點(diǎn)的平均值作為壩地飽和含水層的上、下邊界深度，分別為6.5、12.5 m。飽和含水層上邊界深度與壩地地下水觀測的水位結(jié)果基本一致，觀測當(dāng)月地下水平均水位深度也為6.5 m。另外，飽和含水層以下的高阻區(qū)可能是由基巖所致[10]。

注 Iteration=4，RMSE=2.83%，L2=0.89，EP=6 m。

與壩地縱向（即壩尾—壩頭方向）不同，壩地橫向（即與壩尾—壩頭的垂直方向）剖面空間分布較為復(fù)雜，橫向剖面B1、B2和B3分別位于壩頭、壩中和壩尾，各測線空間變異較大，特別是B1和B2這2條測線（圖4）。土壤淺層高電阻區(qū)由壩尾至壩頭由1 m（B3）增至7 m（B1），這可能是由于水流挾沙能力和重力等多因素影響，使粗顆粒在壩頭先沉積，壩頭土壤砂粒量較高，使得剖面較高[16,30]。同時(shí)，壩頭至壩尾地勢逐漸降低，部分降水在壩尾匯集，淺層地下水埋深逐漸變淺，高阻區(qū)厚度隨之減小，如圖4（c）中位于壩尾的B3剖面地勢最低，具有較為連續(xù)的飽和帶分布特征。此外，3條樣線地表植被類型有顯著差異，根系耗水量不同也會(huì)導(dǎo)致剖面的差異。如圖4（a）位于壩頭的B1中部是以高耗水檸條為主的灌木林地，而兩側(cè)零星分布有榆樹、旱柳等喬木和少許撂荒草本。以檸條為主的人工灌木林地根系耗水深度可達(dá)21 m[27]。B2測線為以苜蓿、鐵桿蒿為主的撂荒草地，樣線剖面分布的高阻區(qū)也是由于苜蓿根系過度耗水導(dǎo)致v降低所致。此外，B2測線四周分布有小的洼地，可能存在測量時(shí)相應(yīng)的電極與地面接觸不良，且為人工苜蓿地和撂荒草地復(fù)合區(qū)域，植被類型和微地形均較為復(fù)雜，其和迭代次數(shù)比其余剖面均較大[17]（圖4（b））。而B3測線則是以玉米為主的農(nóng)耕地，作物根系主要分布在1 m土層內(nèi)，對深層v影響很小，故B3測線剖面分布較為均勻[27]。

圖4 壩地橫向（與壩尾-壩頭垂直方向）剖面土壤電阻率空間分布

2.2 土壤含水率與電阻率的關(guān)系模型

坡地和壩地剖面變異系數(shù)（）分別為40%和26%，v的分別為30%和56%，均具有較高的變異性。壩地的中值和平均值（46.26、46.20 Ω m）較坡地（79.1、74.61 Ω m）低，而v的中值和平均值（19.40%、18.53%）比坡地（14.45%、11.43%）高。袁水龍等[23]研究發(fā)現(xiàn)，壩地土壤水分呈層狀分布特征，0～0.4 m和1.4 m以下壩地的v明顯高于坡地，而0.4～1.4 m坡地v高于壩地，這與壩地植被根系耗水有關(guān)。

利用在壩地和坡地獲得的與v數(shù)據(jù)集，分別建立適于坡地和壩地的與v定量關(guān)系模型，并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，結(jié)果如圖5和圖6所示。坡地和壩地v實(shí)測值與模擬值之間均具有顯著的相關(guān)關(guān)系（<0.01），2分別為0.61和0.75，分別為3.66和3.15，表明建立的-v關(guān)系模型可以較準(zhǔn)確地反演坡地和壩地土壤水分狀況。Celano等[18]在2種管理措施（耕作和覆蓋）的橄欖園地也建立了v與顯著相關(guān)的指數(shù)函數(shù)模型，用于評價(jià)2種果園秋春期v的變化，通過高分辨率的土壤結(jié)構(gòu)二維分布與水分運(yùn)移過程的圖像，研究剖面v分布的動(dòng)態(tài)差異，評估深層土壤（>1.0 m）的v，發(fā)現(xiàn)覆蓋具有顯著的土壤儲(chǔ)水性能。岳寧等[15]在隴中半干旱區(qū)玉米田對降雨前后土壤二維剖面進(jìn)行監(jiān)測，建立了v與的線性關(guān)系（2=0.65，=96），探究了不同條件下土壤含水率變化的可能原因。

圖5 坡地土壤電阻率與土壤含水率的回歸模型與模型評價(jià)

圖6 壩地土壤電阻率與土壤含水率的回歸模型與模型評價(jià)

2.3 坡地和壩地土壤儲(chǔ)水量估算

小流域壩地的估算分為土壤水飽和帶和非飽和帶2部分。其中，土壤水飽和帶上、下邊界深度平均值分別為6.5、12.5 m。依據(jù)式（2）估算獲得面積為1.8×104m2、厚度為6.0 m的壩地土壤飽和含水層的為5.10×104m3。利用壩地-v定量關(guān)系模型獲得非飽和層的v，其中0～1.44、1.44～3.03 m和3.03～6.50 m土層的v分別為10.58%、13.76%和13.89%。在0～6.5 m非飽和層，隨土層深度的增加，基于反演獲取的θ逐漸增加。依據(jù)式（1）估算獲得面積為1.8×104m2、厚度為6.5 m的壩地非飽和層為1.49×104m3。與壩地不同，所選坡地0～12.5 m均為非飽和狀態(tài)。因此，利用坡地-v定量關(guān)系模型計(jì)算獲得坡地剖面v，依據(jù)式（1）估算獲得面積1.75×104m2、厚度為12.5 m的坡地剖面為2.59×104m3。壩地單位面積0～12.5 m剖面的達(dá)到3.66 m3，而相同深度的坡地單位面積剖面的為1.48 m3，壩地約為坡地的2.5倍，表明陜北六道溝小流域壩地儲(chǔ)水量豐富，是小流域水資源重要的存儲(chǔ)場所。

3 討 論

受土壤溫度、質(zhì)地、溶質(zhì)濃度等多種因素影響，而在特定環(huán)境中，往往受個(gè)別因素主導(dǎo)[35]。例如坡地P1測線因其v受坡位和植被影響，導(dǎo)致P1測線受坡位和植被影響顯著：坡頂植被以人工苜蓿植被為主，植被耗水量大，加之受風(fēng)速、太陽輻射等強(qiáng)烈影響，蒸散量大，降水補(bǔ)給到深層土壤中的水分更少，導(dǎo)致剖面土壤較高[20]。與P1測線對應(yīng)的0～4 m剖面v也具有相似的空間分布特征，即坡頂高阻區(qū)對應(yīng)的0～80 m距離范圍內(nèi)低v區(qū)域比坡中和坡底面積更大，且深度更深（圖7（a））?？梢姡m然人工高耗水植被分布于整個(gè)坡面，但高阻區(qū)主要集中在坡頂位置，坡地分布特征受植被和坡位的共同影響[20]。

然而，由于壩地大部分中子管進(jìn)水導(dǎo)致v測定深度較淺，僅為0～80 cm，圖3壩地B4測線對應(yīng)的剖面v難以與剖面進(jìn)行對比分析（圖7（b））。但圖3水平方向自壩尾至壩頭，淺層值逐漸增大，植被類型依次為農(nóng)耕地、苜蓿草地、撂荒灌草地和檸條灌木地，表明其分布特征可能與植被耗水量增加有關(guān)，這與劉成功等[10]的研究結(jié)果一致。垂直方向壩地呈明顯的“高-低-高”分層分布格局，袁水龍等[23]長期監(jiān)測、分析了黃土高原一壩地土壤水分時(shí)空分布特征，結(jié)果也表明，壩地土壤水分具有明顯的分層現(xiàn)象，表層變化劇烈，隨著深度的增加變化程度減弱，且壩尾各層（0.6～1.4 m）均明顯高于壩中和壩頭。此外，壩地中層呈現(xiàn)連續(xù)帶狀低阻區(qū)，表明壩地中部存在土壤水飽和層。張翔等[36]利用同位素示蹤技術(shù)分析陜北綏德韭園溝流域一壩地土壤水的來源及分布，發(fā)現(xiàn)其土壤水垂直方向賦存規(guī)律從“較為平均分布的地表徑流為主”逐漸向“地下水為主、地表徑流為輔”轉(zhuǎn)變，這也表明部分壩地中層存在土壤水飽和層。此外，鄒俊亮等[37]在本研究的壩地采集壩淤土?xí)r，在5.3 m深度已見水，可見多年來該壩地中部保持有較多的土壤水，這些研究結(jié)果也表明壩地v存在分層分布規(guī)律，具有一定的蓄水潛能。目前現(xiàn)有觀測方法難以監(jiān)測確定壩地地下水位下邊界[38-40]，而ERT可用于估計(jì)土壤水飽和帶上下邊界深度進(jìn)而估算地下水資源儲(chǔ)量。

由于輸入?yún)?shù)的數(shù)量和種類在理論和實(shí)踐上都影響模型的精度，而輸入?yún)?shù)具有高度的空間異質(zhì)性和尺度依賴性[10]，且受多種因素的共同影響，很難建立高精度、多因子模型?？紤]到特定環(huán)境中，往往受個(gè)別因素主導(dǎo)[31]，以及本研究結(jié)果在田間尺度上的應(yīng)用性，本文選取土壤質(zhì)地較為均一的地區(qū)開展監(jiān)測[10, 41]，降低了其余因素對的影響，故認(rèn)為v是影響該區(qū)的主要因子。本研究建立的特定環(huán)境下-v定量關(guān)系模型也具有較高的模擬精度，可用于黃土區(qū)坡地和壩地深層的估算。然而，本研究尚未探討與土壤不同理化性質(zhì)之間的作用機(jī)制，在未來研究中應(yīng)考慮氣象、地形、環(huán)境等因子對的影響，室內(nèi)外試驗(yàn)相結(jié)合，并加強(qiáng)土壤影響因子與之間作用機(jī)理的研究，建立多因子、高精度、普適性的物理耦合模型。

壩地在防止水土流失、糧食增產(chǎn)、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益[4]。研究表明，淤地壩建設(shè)在小流域系統(tǒng)中表現(xiàn)為土壤的碳和氮匯[42]，也有研究發(fā)現(xiàn)壩地是增加小流域地下水資源量的重要來源[38]，這部分水資源是黃土高原小流域不可忽視的寶貴水源，對生態(tài)系統(tǒng)功能的持續(xù)發(fā)揮具有重要作用。然而，賦存于不同壩地的水資源形式和儲(chǔ)量較為復(fù)雜，受諸如植被、氣候、土壤、排水等多種因素的影響，對于壩地水資源賦存特征和具體數(shù)量的研究還處在探索階段。未來應(yīng)加強(qiáng)壩地水資源形成過程、賦存特征、轉(zhuǎn)化機(jī)制、儲(chǔ)量及經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益等方面的研究，更深入了解小流域坡地和壩地系統(tǒng)水循環(huán)過程，以評價(jià)小流域水量平衡。本研究基于-v定量關(guān)系模型估算的壩地也存在著一定的不確定性。例如，由于水流挾沙能力和重力等多因素的影響，沉積顆粒的分選過程使壩地在淤積形成過程中粗顆粒在壩頭先沉積，垂直方向其土壤質(zhì)地也存在分層現(xiàn)象，而本研究并未考慮土壤質(zhì)地在壩地水平和垂直方向的異質(zhì)性。盡管如此，土壤電學(xué)特性較其他土壤性質(zhì)更易測得，ERT技術(shù)仍是高效獲取深層的有效方法，在多尺度土壤水文過程和土壤電學(xué)性質(zhì)的無損監(jiān)測中具有較好的潛力。

4 結(jié) 論

1）小流域典型坡地剖面土壤沿坡頂至坡底逐漸降低，主要受坡位和植被的影響；而壩地土壤空間分布較為復(fù)雜，具有明顯的水平和垂直分異特征，垂直方向呈“高-低-高”的分布格局，水平方向淺層土壤受植被類型影響顯著。壩地具有明顯的土壤水非飽和層和飽和層，而坡地剖面均為非飽和層。

2）小流域典型坡地和壩地土壤與v之間均具有顯著的冪函數(shù)關(guān)系，利用ERT可較為準(zhǔn)確地反演深層v并獲得飽和含水層厚度，可用于黃土區(qū)不同地貌單元土壤水非飽和層和飽和層儲(chǔ)水量及空間分布研究。

3）神木六道溝小流域面積1.8×104m2的壩地和坡地0～12.5 m的分別為6.59×104和2.59×104m3，表明壩地比坡地儲(chǔ)存了更多的水資源，水儲(chǔ)量是坡地的2.5倍，對小流域水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有重要作用。

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Variation of Soil Water over Slopes and Retained Lands in Loess Region: Investigated Using Electrical Resistivity Tomography

DUAN Guoxiu1, JIA Xiaoxu1,3*, BAI Xiao2, LIU Chenggong1,3, WEI Xiaorong2,3

(1. Key laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Beijing 100101, China; 2. Northwest A&F University, Yangling 712100, China;3. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

【Objective】Crop growth and ecological functions in arid and semi-arid loess regions in northwestern China are limited not only by topsoil water directly available to crop but by deep soil water which functions as a reservoir. Slopes and lands formed by artificial retaining are two typical geographical units in small watersheds in the loess plateau. This paper presents a method to estimate soil water distribution in them up to 12.5 m deep.【Method】The method was based on electrical resistivity tomography (ERT). We measured electrical resistivity of the soil in typical slope and retained land in the small Liudaogou watershed in northern Shaanxi province. Using the measured soil volumetric water content, a power function relating the resistivity to soil water content was established, from which we calculated water distribution and water storage in the 0～12.5 m profile in both the slope and the retained land.【Result】The distribution of electrical resistivity over the slope was significantly affected by slope position, with the resistivity decreasing gradually from the slope top to the slope toe. Such changes were associated with vegetation consumption of the topsoil water and redistribution of the infiltrated precipitation over the slope. The vertical distribution of the resistivity in the retained land showed a high-low-high variation; this was also related to root water uptake from the topsoil and precipitation recharge to the subsoil. ERT inversion showed co-existence of a saturated zone and an unsaturated zone in the retained land, while the slope was partly saturated. In a 1.8×104m2of retained land, there was 1.49×104m3of water in the 0～6.5 m unsaturated layer, and 5.10×104m3of water in the saturated layer. In a same area but on the slope, there was only 2.59×104m3of water in the 0～12.5 m soil layer.【Conclusion】Retained land contains more water than slope, and the deep soil in it functions as a reservoir banking infiltration water in wet seasons. ERT is suitable for measuring spatiotemporal variation in soil moisture in both slopes and flatten plains in the loess plateau.

loess plateau;electrical resistivity tomography (ERT); soil resistivity; slope land; dam land; soil water content

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1672 - 3317（2023）03 - 0104 - 08

P343.9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022274

2022-05-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42022048）

段國秀（1996-），女。碩士研究生，主要從事土壤物理與水文生態(tài)研究。E-mail: duangx@nwafu.edu.cn

賈小旭（1985-），男。研究員，主要從事土壤物理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。E-mail: jiaxx@igsnrr.ac.cn

責(zé)任編輯：韓 洋