黄土区坡地土壤水分运动与转化试验研究

【摘要】： 在严重土壤侵蚀和频繁干旱并存的黄土高原地区，由于水资源极端缺乏，因而如何合理、有效地利用土壤水资源就成为保证农作物和林草植被生理需水、改善生态环境的关键。针对当前该区植被恢复重建中存在的科学问题，以植被建设的关键性限制因素—土壤水分为出发点，通过室内外模拟降雨试验，研究了坡地降雨入渗、产流及土壤水分再分布规律，同时采用定位观测和采样分析相结合的方法，分析了坡地土壤水分的循环与转化特征，并初步建立了深层土壤干燥化程度的评价标准，取得的主要结论如下： (1)在防止土壤侵蚀的条件下，均质坡地的降雨入渗过程可以简化为一维。当初始含水量分布均匀时，降雨入渗过程中湿润锋面几乎平行坡面运移，湿润锋深度与时间的关系可用幂函数描述。当初始含水量较低时，入渗主要受控于基质势梯度的作用，上方来水对入渗几乎没有影响。 (2)植被覆盖度较高的荒草地，产流时间主要取决于初始含水量，两者的关系可用幂函数描述；裸地因降雨产生地表结皮，产流时间主要取决于降雨强度，两者的关系可用线性描述。裸地坡面覆盖杂草，能延缓产流时间、增加入渗，并促进土壤水分向深层的运移。 (3)在防止蒸发条件下，再分布过程中，土壤水分在重力的作用下有沿坡向下运移的趋势；在蒸发条件下，由于初始含水量一般较低，雨季量小且分散的降雨极易为强烈的蒸发蒸腾所消耗，侧向沿坡向下流难以发生，但在持续的降雨条件下，土壤水分在重力势和基质势梯度的作用下易沿坡向下运移。 (4)土壤水分沿坡面呈“波浪形”分布是坡面径流的波动性、上方来水(径流)的沿程入渗、侧向沿坡向下流以及坡面各处入渗性能和蒸发蒸腾作用的差异等综合作用的结果。雨季林草地坡中下部土壤水分含量较高的原因，可能主要与其蒸散较小且坡度较缓导致入渗水量较多有关；但是对于植被覆盖度较低的坡地(如裸地)，坡中下部土壤水分含量较高还与上方来水有较大的关系。 (5)土壤剖面水分的垂直变化具有明显的层次。基于标准差和变异系数两个指标，采用聚类分析，可将土壤剖面水分垂直变化划分为四个层次：速变层、活跃层、次活跃层和相对稳定层。与裸地相比，荒草地由于植被强烈的蒸腾作用，其土壤水分循环强度加剧，表现为活跃层、次活跃层以及蒸发蒸腾作用层深度增大。 (6)土壤水分的动态变化主要受降雨和蒸散过程的影响，具有明显的季节性。根 陈洪松博士学位论文:黄土区坡地土壤水分运动与转化试验研究 据年内降雨和水面蒸发量的相对大小，可将土壤水分的变化分为三个主要时期:春季失 墒期、夏秋增失交替期和冬季相对稳定期。干早年，夏秋以失墒为主，土壤水分处于负 补偿;丰水年，夏秋以增墒为主，土壤水分处于正补偿。 (7)在以土壤水分消耗为主的时期，土壤蒸发时水分的整体移动性能较强，最大 蒸发蒸腾作用层深度很快形成，并不是一个“由浅而深”的渐进过程。黄土高原地区雨、 热同季，雨季降雨主要为蒸发蒸腾所消耗。干早年，土壤水分收支负平衡，入渗雨量全 为蒸发蒸腾所消耗;丰水年，荒草地蒸散量和裸地蒸发量分别占同期降雨量的80%和 60%以上。 (8)将土壤水分的几个主要指标与水分特征曲线相结合，从能量的角度初步建立 了黄土高原地区深层土壤干燥化程度的评价标准。 (9)数值模拟研究表明，荒草地土壤水分收支基本平衡所需的年降雨量和雨季降 雨量分别为747.6mm和570.0~，说明黄土高原地区深层土壤水分在干早年和平水年 易收支负平衡。