水平沟整地措施对黄土丘陵区草原土壤水分动态平衡的影响

水平沟整地措施对黄土丘陵区草原土壤水分动态平衡的影响

宿婷婷1，韩丙芳2，马红彬1，马 非1，赵 菲1，周 瑶1，贾希洋1

※

（1.宁夏大学农学院，宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，银川750021；

2.宁夏大学土木与水利工程学院，旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川750021）

摘 要：为明确水平沟工程措施对土壤水分平衡和再分布的影响。在宁夏黄土丘陵典型草原坡地，以封育草地为对照，辅助人工模拟降雨，对水平沟整地措施下0~100 cm土壤水分动态、土壤水分平衡及影响水分平衡因素进行了研究。结果表明：1）水平沟和封育草地土壤水分动态随降雨呈季节性变化，3-12月期间二者0~60 cm土层水分接近，＞60~100 cm水平沟含水率较高；土壤水分变异系数均随土层加深而下降。2）水平沟可拦蓄坡地径流，改变土壤水分平衡。多数时间下水平沟和封育草地土壤储水量变化量为负数，试验期间3-12月水分变化量分别为-32.53和-31.20 mm。在降雨少、径流量小时水平沟比封育草地更易形成水分亏缺，径流量较大时（7-9月）水平沟水分盈余才高于封育草地，水平沟中水分增量较封育草地增加20.68 mm。3）水平沟拦蓄径流后较封育草地能给予土壤更多、更深的水分补给，在径流量10.49 mm时，封育草地入渗的水分为水平沟入渗水分的8.49%，在径流量大时更为明显，但其水分耗损高于封育草地，侧渗加剧了水平沟内水分的损失；雨后0~2 h是土壤水分损失最为强烈的时期；强烈的蒸散是封育草地和水平沟土壤水分亏缺的一个主要原因。研究认为，宁夏黄土丘陵区典型草原生产中应综合考虑降雨、坡度、成本等因素合理设置水平沟。 关键词：土壤；水分；水平沟；水分运动；典型草原；黄土丘陵 doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.21.015

中图分类号：S812.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019) -21-0125-09

宿婷婷，韩丙芳，马红彬，马 非，赵 菲，周 瑶，贾希洋. 水平沟整地措施对黄土丘陵区草原土壤水分动态平衡的影响[J].农业工程学报，2019，35(21)：125－134. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.21.015 http://www.tcsae.org Su Tingting, Han Bingfang, Ma Hongbin, Ma Fei, Zhao Fei, Zhou Yao, Jia Xiyang. Effects of contour trenches engineering measures on soil moisture dynamics and balance of typical steppe in Loess Hilly region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019,35(21):125－134. (in Chinese with English abstract) doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.21.015 http://www.tcsae.org

0 引 言1 水分是半干旱黄土丘陵区生态恢复的主要因子，

黄土丘陵区草地土壤水分影响着植物生长和植被变化[1-4]。

主要来自降水，其大小是降雨、径流、入渗及植被消耗等综合的结果[5-7]。研究土壤水分变化对指导退化植被恢复具有重要意义[8-9]。研究发现，土地利用方式或下垫面特征是导致土壤水分变化和蓄积的重要因素[10]。下垫面的改变对土壤水分输入、蒸发及渗漏产生了影响[11]，造成坡面土壤水分分布变化和水分变异[12-13]。下垫面植被特征亦影响着土壤水分[7, 14]、土壤理化性质等[15]。沙丘与沙丘-低地[16]、河谷丘陵区[17]等微地形变化均可引起土壤水分改变[18]。

宁夏黄土丘陵区典型草原位于宁夏南部山区，降水少且易发生水土流失。该区在退耕还林（草）工程中采用了禁牧封育，开挖水平沟与鱼鳞坑等工程措施来恢复植被，一些地区的水平沟和鱼鳞坑整地措施已占到当地草原面积的20%以上。水平沟是干旱、半干旱地区经长期探索实

收稿日期：2019-06-01 修订日期：2019-10-27

基金项目：国家自然科学基金项目（31001032，31360582）；宁夏科技创新领军人才培养项目（KJT2018003）；宁夏自然科学基金资助项目（NZ1620） 作者简介：宿婷婷，研究方向为草地生态、资源与环境研究。 Email: sutingnxu@163.com

※通信作者：韩丙芳，博士，教授，研究方向为节水灌溉理论与技术研究。Email:hanbf@nxu.edu.cn

践在坡地设置的水保工程措施之一，目的在于拦蓄坡地雨水径流、增加沟内土壤水分[19-20]。黄土丘陵区水平沟一般是在自然坡面隔一定间距沿等高线人工整地设置的反坡田面，水平沟和自然坡地沿山坡相间布置，上、下水平沟之间保留一定宽度的原山坡，以达到坡地径流集聚和再分配的目的[20]。水平沟工程措施是具有针对性和目的性的下垫面形态改造，目的是拦蓄坡地径流利于植被更好生长，但也使土壤水分、蒸散量等表现出明显的异质性[14,21]。对晋西黄土残塬沟壑区水平阶边缘、中部和根部研究发现，根部100~200 cm土壤含水量分别比中部和边缘高18%和68%[22]；西南山区10~40 cm土层台地的含水量较坝地和坡地低[23]；云南干热河谷区的水平沟和沟间坡面的土壤水分高于同一等高线自然坡面[17]。通过水分入渗特性研究，垄沟集雨系统沟中水分变化情况可划分为垄沟交接区为水分富集区、沟内水分过渡区和沟中心水分次富集区[24]

。洼地坡上未被扰动的自然植被区土壤水分明显高于坡下人为改造区域[25]，土地利用方式和植被导致土壤水分发

黄土高原降水匮乏，不同植被耗水情况不同[14]。生变化[26]。

人工整地使土地下垫面特征发生变化[27]，增加了水分的变异[5]，改变了水分循环[26, 28]，对植被生长和演替产生了影响[29]。因此，黄土丘陵区水平沟设置不仅要考虑其实际能够拦蓄坡地径流的情况，还要考虑水平沟设置成本及其对水分循环平衡的影响等，设置不当也存在水分损耗增加的

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可能。前期研究发现，宁夏黄土丘陵区典型草原实施的水平沟工程措施改变了自然坡面径流，使土壤理化及生物学性状、地上植被类型和演替产生了变化[19-20]，但使土壤水分平衡和分布发生了怎样变化还不清楚。基于此，本文在宁夏黄土丘陵区典型草原大面积实施水平沟措施的背景下，结合人工模拟降雨，对水平沟土壤水分变化、水平沟拦截坡地径流和水分平衡及再分布特征进行研究，揭示水平沟整地后土壤水分变化过程，以期为黄土丘陵区典型草原退化植被恢复中水平沟的科学设置提供基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏固原市原州区云雾山国家草原自然保护区，介于106°21'~106°27'E和36°10'~36°17'N之间，海拔1 800~2 100 m，是典型的中温带性气候。年均气温6~7℃，≥0℃的年积温2 100~3 200 ℃，无霜期137 d。多年平均降雨量为442.7 mm，降水主要集中在7-9月。土壤类型主要为山地灰褐土，容重1.28 g/cm3。地带性植被为典型草原，植物以多年生草本为主，主要有本氏针茅（Stipabungeana）、大针茅（Stipagrandis）、百里香（Thymusmongolicus）、铁杆蒿（Artemisiasacrorum）、猪毛蒿（Artemisiascoparia）等。

研究区草原为围栏封育草原，水平沟沿等高线在封育草原坡地上隔带设置。上、下相邻水平沟间为封育草地，沟与沟间距4.5 m。水平沟沟宽1 m，上埂、下（外）埂高度分别为0.6、0.2 m。整地当年在水平沟中种植了沙打旺（Astragalusadsurgens），但经多年演替，沟中植被已变为自然植被[19]。 1.2 样地设置

1）土壤水分动态观测样地

在研究区坡度、海拔和坡向一致的山坡，选择有水平沟设置的山坡中下部的水平沟沟中心位置、无水平沟的封育草地(CK)为观测样地，3次重复。每个观测样地埋设3根探管，采用时域反射仪（Time domain reflectometry，TDR）动态监测土壤水分变化。

2）坡地产流、水分平衡及再分布样地

在研究区山坡中下部、两条水平沟和沟之间植被均一地段，设置A、B、C3个的径流小区（图1），3次重复。所有径流小区上沿接上条水平沟的下埂，下沿接下条水平沟的上埂。径流小区上、左、右沿三面用砖砌挡水堤，挡水堤深入地下20 cm，高出地面20 cm，用水泥做防渗处理。径流小区面积为长×宽4.38 m×3.26 m，小区内植被为自然植被。A、B、C径流小区具体如下：

A径流小区为坡地径流量测定小区，用于水平沟拦蓄坡地径流量的测定，小区积雨面积为3.58 m2。在A小区下方水平沟内设置一径流池（长×宽×深为1 m×0.5 m× 0.5 m），收集A小区径流。径流池上部距池顶0.2 m处，在同一高度接5个分水管，其中4个分水管外漏，1个分水管通往相同大小的分水池（图1a）。径流池和分水池内侧均做防渗处理，分水池用池盖封口，防止降雨及四周径流进入。

B径流小区为水平沟溢流量测定小区，用于水平沟径流蓄满后溢出水量的测定。B小区下方水平沟不作处理，在水平沟下方对应做一溢流池（长×宽×深为3.26 m×1 m×0.5 m），收集水平沟径流蓄满后溢出的水量，溢水池上方用防雨挡板架空，防止降雨落入，池内做防渗处理（图1b）。

C径流小区为拦蓄径流后水平沟土壤水分再分布测定小区，用于水平沟拦蓄径流后一定时间内沟内及上下埂附近土壤水分测定。C小区内、小区下方的水平沟及沟下方的坡地均不作处理，只在该径流小区左、右沿对应的下方水平沟位置设置一有防渗处理的挡水堤。设置Z（水平沟中心位置）、S1（距水平沟上埂10 cm处）、S2（距水平沟上埂20 cm处）、X1（距水平沟下埂10 cm处）、X2（距水平沟下埂20 cm处）共5个点作为水平沟拦蓄径流后土壤水分再分布观测点，要求这5个点在一条直线上且方向与水平沟方向垂直（图1c）。

a.水平沟拦蓄坡地径流量测定小区(A区)

a.Runoff measurement area of contour trenches (A plot)

b.水平沟溢流量测定小区(B区)

b. Overflow flow measurement of trenches after intercepting runoff (B plot)

c.拦蓄径流后水平沟土壤水分再分布测定小区(C区)

c. Measurement of soil moisture redistribution in contour contour trenches (C plot)

图1 径流小区侧视图 Fig. 1 Side view of runoff plots

1.3 测定项目及方法

1）土壤水分动态测定

试验期间（3月20日-12月10日），在土壤水分动态观测样地，采用TDR测定水平沟和封育草地0~100 cm

第21期 宿婷婷等：水平沟整地措施对黄土丘陵区草原土壤水分动态平衡的影响 127

土壤体积含水率，每旬测定一次，测定时以20 cm为一层测定，9月份用环刀法分层测定各样地0~100 cm土壤容重，将土壤体积含水率折算成重量含水率。

2）坡地产流测定

整个试验期间共有82次天然降水，其中71次是<10 mm降水，11次为>10 mm降水，有径流产生天然降水仅4次。考虑试验区地处干旱少雨的黄土丘陵区，能产生坡地径流的降雨很少，完全依靠天然降水观测到水平沟拦蓄较大径流量的情况是件小概率事件，而不同径流量情况下可能存在水分再分布特征的差异。因此，试验采用人工模拟降雨来提高降雨量，辅助试验观测，以期能更为全面分析水分再分布特征。

人工模拟降雨依据该区域近10 a降雨资料，参考历年最大降雨量和降雨强度情况，确定人工模拟降雨量和降雨强度。野外模拟降雨采用自制组合的人工降雨器。降雨喷头采用短射程全圆微喷头（SLPG-8015），喷头高度2 m。在模拟降雨前，先在室内调整供水压力和喷头数量以获得较为均匀的降雨，掌握供水压力、喷头数量和降雨强度的关系，然后再进行野外降雨试验。人工模拟降雨选择无风时进行，降雨的历时均2 h。降雨开始前，在降雨小区均匀放置9个自制的雨量筒，开始降雨试验并计时，试验结束时观测雨量筒水量并记录降雨量。

试验期间，共进行了3次人工模拟降雨，其中9月17日在径流A、C小区各降雨一次，9月19日在径流A小区降雨一次。在A小区人工降雨主要用于坡地径流量测定，C小区人工降雨用来水平沟拦蓄径流后土壤水分再分布的测定。因此，试验期间共对6次降雨产流（4次天然降雨产流，2次人工降雨产流）雨后立即测定了A小区径流池和分水池的水量(表1)。B小区设计初衷用于水平沟径流蓄满后溢出水量的测定，但由于其与C小区下垫面特征完全一致，9月17日人工模拟降雨C小区水平沟没有产生溢流，因此无需再对B小区进行人工模拟降雨，同时天然降雨产生的径流也没有发生溢流。

3）水平沟拦蓄径流后土壤水分再分布测定 选择有径流产生的8月25日天然降雨、9月17日人工模拟降雨进行水分再分布测定。测定雨前和雨后C小区中Z、S1、S2、X1、X2点和封育草地（CK）的土壤含水率，测定时按Z、S1、X1、S2、X2及CK样地的固定顺序用土钻取0~100 cm土样(图1c)，每10 cm为一土层，用烘干法测定土壤含水率[13]，3次重复。雨后测定的具体时间为雨后0、2、15、39、73、87、115、144、165 h。测定期间准备了塑料布，以防新的雨水进入对试验的影响。

表1 试验期间降雨与产流

Table 1 Rainfall and runoff during test

降雨参数Rainfall parameters

坡度Slope/(º) 降雨历时 Rainfall duration /h 降雨均匀系数

Rainfall uniformity coefficient /％

降雨量Rainfall /mm 坡面降雨量Slope rainfall /mm 降雨强度

Rainfall intensity /(mm•h-1)

雨前0~20 cm土壤含水率

0~20 cm soil moisture content before rain /％

径流量Runoff/mm 径流系数Runoff coefficient /％

降雨类型 Rainfall types

日期 Date

07-15 07-22 08-25 08-27 24.20 24.20 24.20 24.20 2.78 10.43 0.28 7.16 －

－

－

－

09-17 24.20 2.00

09-19 24.20 2.00

71.40 76.10 51.63 47.09 23.55

51.80 47.25 23.62 15.24 21.62 45.76

13.60 25.90 16.80 15.80 12.40 23.62 15.32 14.41 4.46 2.26 .73 2.01

11.84 11.56 6.31 12.52 12.34 0.45 0.08 10.49 2.44

17.14

3.63 0.34 68.46 16.93 36.40 天然降雨

天然降雨

天然降雨

天然降雨

人工模拟降雨

人工模拟降雨

1.4 数据计算

采用Office 2010整理数据，径流小区示意图通过AI软件绘制，土壤水分变化皆由Origin9.1软件制图。根据测定数据，计算以下指标： 1）坡面降雨量[30]：

Pα=Pcosα （1）

式中Pα为降落在坡面的雨量，mm；P为降落在平坦地面上的雨量，mm；α为坡度，(°)； 2）坡面降雨强度[30]：

P

（2） It

式中Iα为坡面降雨（承雨）强度，mm/min或mm/h；t为降雨时间，min或h；

3）模拟坡面降雨量[31]：

10Wi()i1

Si

（3） p

n

[31]

4）模拟降雨强度：

10WiIi（4）

tSi

[31]

5）模拟降雨均匀度系数：



n

K(%)100(1

|I|

)，其中 I

ni1

|I|

|IiI|n

)（5）

128 农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2019年

式中Wi为第i个量雨筒承接的水量，cm3；Si为第i个量雨筒上部开敞口面积，cm2；n为量雨筒的数目；I为平均降雨强度，mm/min或mm/h；Ii为第i个量雨筒所在点的降雨强度，mm/min或mm/h；|I|为降雨强度平均偏差；模拟降雨均匀度系数K值一般要求不应低于70%。

6）土壤水分入渗量[32]：

V=10Cρh （6）

式中V为土壤水分入渗量，mm；C为雨后0 h与雨前各土层土壤含水率之差，%；ρ为某土层土壤容重，g/cm3，此处各土层平均土壤容重为1.28 g/cm3；h为土层厚度，cm，文中土层为10 cm。

土壤水分平衡。黄土高原地下水较深、加之试验区草地植被低矮，忽略降雨植被截留、雨期蒸散水分和地下水，土壤水分平衡模型简化为[27]：

W=P-R-E-S （7）

研究区土壤质地均一，均质黄土坡地不会形成浅层壤中径流，可忽略土壤水分沿坡侧向下流[33]，故封育草地土壤水分平衡模型为：

W=Pcosα-R-E （8）

水平沟整地后沟内土地平坦、拦蓄了坡地降雨产流且无溢流，但拦蓄径流后水分向沟的上下埂侧渗明显。因此水平沟水分收入主要为降水和径流小区的径流，支出主要为水分的蒸散和侧渗。为了方便计算，将两项水分支出合并，用ES表示。故水平沟水分平衡模型为

W=P+R-ES （9）

式中（7）~（9）W为测定期始、末土壤储水量，mm；R为地表径流量，mm；E为封育草地水分蒸散(发)量，mm；S为封育草地水分沿坡侧向下流量，mm；ES为水平沟水分支出（侧渗和蒸散量总量，mm）。

2 结果与分析

2.1水平沟工程措施对土壤水分动态的影响

图2为水平沟和封育草地3-12月土壤水分随时间变化图。由图2可见，3-12月水平沟和封育草地土壤含水率分别在6.66%~13.66%和6.14%~11.72%。随降雨和植物生长消耗，二者水分呈现波动变化，波动趋势基本一致。结合试验区气候，可将土壤水分动态变化分为3个阶段：第一阶段（3-6月），降水较少，土壤水分在波动中呈现下降变化；第二阶段（7-9月），随着降雨显著增加，土壤含水率明显上升，虽有波动但基本维持在较高水平；第三阶段（10-12月），降水减少，土壤含水率逐渐下降。比较水平沟和封育草地土壤水分可见，0~60 cm各土层水平沟与封育草地水分变化不显著，深层>60~80 cm和>80~100 cm土壤水分水平沟显著高于封育草地（P＜0.05）（表2）。0~100 cm土层水平沟含水率总体高于封育草地。

图2 水平沟措施下土壤含水率动态变化

Fig. 2 Dynamic change of soil water content under contour

trenches measures

表2 水平沟措施下土壤水分垂直变异

Table 2 Vertical variation of soil moisture under contour trenches measures

土层 Soil layer/cm 0~20

水平沟Contour trenches

均值 Mean/% 10.57±0.59a

最大值 Maximum/%

最小值Minimum/%

标准差SD

变异系数CV/%

均值 Mean/%

封育Enclosure

最大值 Maximum/%

最小值 Minimum/%

标准差SD

变异系数CV/%

19.19 6.74 3.07 29.06 10.00±0.63a 15. 5.81 2.26 21.49 9.55±0.41a 14.15 6.05 1.79 18.78 8.52±0.30a 12.57 5.79 1.52 17.45 7.48±0.24b 10.08 5.97 1.01 13.11 7.00±0.21b

18.21 6.31 3.30 32.98 15.26 6.01 2.14 22.41 12.10 5.05 1.58 18.51 9.71 4.16 1.24 16. 9.27 3.94 1.07 15.33

＞20~40 10.52±0.44a ＞40~60 9.±0.34a ＞60~80 8.68±0.29a ＞80~100 7.68±0.19a

注：数据以均值±标准误表示；同行不同小写字母表示不同处理同一土层水分差异显著（P＜0.05）。

Note: Data are expressed as mean±standard error;different capital letters in the same row represent significant among different soil layers(P＜0.05).

水分垂直变异方面，水平沟和封育草地土壤水分均以表层0~20 cm土壤水分变异较大，变异系数分别为13.11%~29.06%和15.33%~32.98%，属中等变异。随着土层加深，二者的变异系数均呈下降趋势。 2.2 水平沟工程措施对土壤水分平衡的影响

水平沟整地措施下各时段土壤水分的收支不尽相同（表3）。3-6月，水平沟和封育草地土壤水分蒸散量为135.28和114.30 mm，分别为同期水分收入的1.53和1.41倍；10-12月，两者水分平衡与3-6月类似，仍以水平沟水分亏缺较高，说明水平沟在3-6月和10-12月时段内水分循环强度高于封育草地，只不过此阶段土壤水分亏缺较3-6月小。7-9月天然降雨情况下，封育草地和水平沟土壤储水量变化量均为正数，其中以水平沟水分的增加为多；在7-9月人工降雨的补充下，水平沟获得更多的水分增量，其水分消耗比例明显低于封育草地。仅在天然降雨的情况下，3-12月水平沟和封育草地土壤储水量变化量均为负数，以封育草地水分循环强度较高。

第21期 宿婷婷等：水平沟整地措施对黄土丘陵区草原土壤水分动态平衡的影响 129

表3 水平沟和封育草地土壤水分平衡

Table 3 Soil water balance in contour-trenched and enclosed grassland

降雨类型 Rainfall types

月份 措施 Month Measure

初期 储水量 Initial water storage/mm

末期 储水量 Final water storage /mm

水分支出/水分水分盈亏量

坡地径流量水平沟拦蓄量水分支出 Excess and 收入

降雨量

deficit amount Slope runoff Intercepting Water Ratio of water

Rainfall /mm

of water /mm runoff /mm expenditure /mmexpenditure to /mm water income

3-6月

封育 水平沟 封育 水平沟 封育 水平沟 封育 水平沟 封育

157.38 123. -33.49 80.81 0.00 0.00 114.30 1.41 166.26 119.58 -46.68 88.60 0.00 0.00 135.28 1.53 123. 153.90 30.01 199.84 13.46 0.00 156.37 0.84 119.58 170.27 50.69 219.10 0.00 53.83 222.24 0.81 153.90 126.18 -27.72 26. 0.00 0.00 .36 2.04 170.27 133.73 -36. 31.40 0.00 0.00 67.94 2.16 157.38 126.18 -31.20 307.29 13.46 0.00 325.03 1.11 166.26 133.73 -32.53 339.10 0.00 53.83 425.46 1.08 123. 165.14 41.25 256.18 30.60 0.00 184.33 0.82 119.58 229.56 109.98 280.83 0.00 122.38 293.23 0.73

7-9月

天然降雨

Natural rainfall

10-12月

3-12月

人工降雨Artificial rainfall

7-9月

水平沟

2.3 影响水平沟土壤水分平衡的因素 2.3.1 降雨及拦蓄径流量

水平沟对草地径流的拦蓄情况见表4。同等降雨量的条件下，水平沟可获得比封育草地较多的降雨量，当有径流产生时，水平沟叠加坡面上方径流，增加了沟内入渗水量。在径流量最小(7月22日降雨)降雨25.90 mm时，水平沟中水分入渗量是封育草地的1.11倍；在径流最大的人工降雨时(9月19日降雨)，水平沟雨水入渗量为138.26 mm，封育草地仅为25.63 mm，水平沟获得的水分是封育草地的5.39倍。可见，

水平沟坡面整地措施能够有效拦蓄坡地径流，增加自身蓄积的雨水量。但是，试验期间82次降水中，71次都是<10 mm降水，>10 mm降水仅为11次。若以小于10 mm的降水为无效降水的话[1]，说明试验区虽降水次数不少，但对土壤水分亏缺补偿和恢复真正有意义的有效降水次数并不多，水平沟也仅有4次拦蓄到了天然降雨产生的径流，这也导致封育草地和水平沟土壤水分一年内大多时间内处在亏缺状态。

表4 水平沟对草地径流拦蓄情况

Table 4 Contour trenches interception of grassland runoff

降雨参数 Rainfall parameters 降雨量Rainfall 封育草地入渗量

Infiltration water of enclosure 水平沟降雨量

Rainfall of contour trenches 水平沟拦蓄径流量

Intercepting runoff of contour trenches 水平沟入渗总水分

Infiltration total moisture of contour trenches

水平沟总入渗量/草地入渗量

Ratio of total infiltration of contour trenches to infiltration of enclosure

日期 Date

07-15 07-22 08-25 08-27 09-17 09-19

13.60 25.90 16.80 15.80 51.63 51.80 11.95 23. 4.83 11.97 29.95 25.63 13.60 25.90 16.80 15.80 51.63 51.80 1.80 0.32 41.95 9.76 68.55 86.46 15.40 26.22 58.75 25.56 120.17 138.26 1.29 1.11 12.15 2.13 4.01 5.39

2.3.2 降雨补给

图3为有径流产生后水平沟沟内和封育草地雨后土壤水分变化图。在无径流情况下，水平沟和封育草地获得的水分差异不大，所以本文主要分析有径流情况下二者雨水补给的差异。试验选择有径流产生的8月25日天然降雨（10.49 mm径流量）和9月17日人工模拟降雨（17.14 mm径流量）进行水平沟土壤水分入渗观测（图3）。从图3a可以看出，在径流量10.49 mm的情况下，水平沟中心雨后0~100 cm土壤增加水分50.61 mm，含水率由雨前的7.38%增加到11.40%；土壤含水率变化主要在0~30 cm土层，0~30 cm土层土壤含水率由雨前的7.33%增加到20.71%。相同降雨条件下，封育草地(CK)入渗雨量为4.30 mm(图3b)，0~100 cm

土层含水率由雨前的6.41%增加到6.75%；土壤含水率主要在0~10 cm土层变化，0~10 cm土层含水率由雨前的6.59%增加到10.07%。本次降雨下封育草地增加的水分仅为水平沟的8.49%。在径流量17.14 mm的情况下（图3c），由于水平沟的拦蓄作用，水平沟中心雨后0~100 cm水分增加86.90 mm，土壤含水率由雨前的9.15%增加到15.94%；土壤含水率变化主要在0~50 cm土层，0~50 cm土壤含水率由11.32%增加到24.82%。此径流量时封育草地入渗水分为27.13 mm（图3d），0~100 cm土层含水率由雨前的8.29%增加到10.41%；土壤水分的增加主要集中在0~30 cm土层，0~30 cm土层含水率由雨前的11.71%增加到18.48%。本次降雨下封育草地增加的水分是水平沟的31.22%。

130 农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2019年

a.水平沟中心Z点，降雨量16.80 mm，径流量10.49 nn b.封育，降雨量16.80 mm，径流量10.49 mm

a.Contour trenches center Z site,rainfall 16.80 mm, runoff 10.49 mm b.Enclosed grassland,rainfall 16.80 mm, runoff 10.49 mm

c.水平沟中心Z点，降雨量51.63 mm，径流量17.14 mm d.封育，降雨量51.63 mm，径流量17.14 mm c.Contour trenches center zsite,rainfall 51.63 mm, runoff 17.14 mm d.Enclosed grassland,rainfall 51.63 mm, runoff 17.14 mm

图3降雨产生径流后水平沟中心和封育草地雨后土壤水分变化

Fig. 3 Varation soil moisture after occurrence of runoff in contour trenches centerand enclosed grassland after the rain

从图3中可看出，在径流量10.49 mm的情况下，水平沟雨后0~39 h土壤水分不断下渗，但是到雨后39 h时，除50~60 cm含水率有所增加外，其余各层土壤含水率均表现为下降或基本稳定，说明水分下渗的现象已不明显。同等降雨情况下，封育草地土壤表层水分下渗的深度主要在20~30 cm，且在雨后15 h时下渗现象已不明显。在径流量17.14 mm的情况下，水平沟雨后0~73 h上层土壤水分不断下渗，到雨后73 h时下渗深度达到90~100 cm，90~100 cm含水率由降雨前的5.58%增加到9.28%。与此同时，封育草地在雨后0~15 h间40~60 cm土层也得到了不同程度的水分下渗补给。可见，封育草地和水平沟水分的补偿深度与降雨大小和径流量密切相关。在有径流产生的情况下，水平沟土壤下层能够比封育草地给予土壤更多的水分补给。 2.3.3 侧渗和蒸散

图4为水平沟拦蓄径流后沟上下埂附近土壤水分变化图。水平沟侧渗、蒸散均属于水分支出，故合并一起叙述。为了验证水平沟侧渗情况，试验对雨后0~165 h距水平沟上、下埂10和20 cm处0~100 cm土壤含水率进行了连续监测（图4）。在10.49 mm径流量下，封育草地雨后0 h降雨入渗水分4.30 mm(图3b)，而水平沟上埂10 cm处土壤水分入渗6.68mm（图4a），其60~70 cm土壤水分比上一层高29.00%，比下一层高15.91%。雨后0~15 h，该层土壤含水率均高于上一层，雨后39 h才减弱，水平沟拦蓄径流后产

生侧渗增加了上埂10 cm土壤水分。在径流量17.14 mm时（图4b），封育草地雨后0 h降雨入渗水分27.13 mm(图3d)，而水平沟上埂10 cm处水分入渗37. mm，与封育草地相比，此径流量下水平沟上埂也发生了侧渗。但在水平沟上埂20 cm处在两次径流量时其0~100 cm土层含水率与封育草地（CK）接近（图4），说明侧渗未能到达上埂20 cm处。

在径流量10.49 mm时（图4e），水平沟下埂10 cm处雨后0 h土壤水分较封育草地高4.58 mm，其30~40 cm土层含水率高于上下相邻土层，亦较对照相应土层含水率高，水平沟拦蓄径流后向下埂产生侧渗增加了土壤水分。但水平沟下埂20 cm处雨后土壤水分变化与封育草地类似（图3b和图4g）。径流量17.14mm时，水平沟下埂10 cm处水分入渗仍高于封育草地，水分侧渗发生在30~50 cm土层左右。雨后15 h时，0~100 cm土壤水分仍然高于封育草地雨后0 h水分含量，此时水平沟下埂10 cm处侧渗增加的水分仍然存在。水平沟下埂20 cm处雨后土壤水分高于封育草地，水平沟中侧渗水分的增加其50~60 cm土层含水率均高于上下相邻土层。水平沟上、下埂10和20 cm处土壤水分的变化说明拦蓄径流后水平沟可以向上、下埂产生侧渗，随着拦蓄径流量的增加，侧渗也在增加。

由图4可见，在降雨量16.80 mm（10.49 mm径流量）的情况下，雨后2h，水平沟0~100 cm土壤含水率由雨后0 h的11.40%降低为10.94%，雨后2 h后水分损失开始变慢，

第21期 宿婷婷等：水平沟整地措施对黄土丘陵区草原土壤水分动态平衡的影响 131

到雨后144 h时水分已消耗到雨前含水量水平。同等降雨情况下，封育草地雨后2 h含水率由雨前的6.75%降低为6.70%，到雨后15 h时0~100 cm土壤水分已接近降雨前土壤含水率水平。

在降雨量51.63 mm（径流量17.14 mm）的情况下，雨后2 h水平沟0~100 cm土壤含水率由雨后0 h的15.94%降低为15.04%，雨后2 h后水分损失开始变慢。到雨后165 h时，0~100 cm土壤含水率仍高于雨前土壤含水率。与此同时，封育草地雨后2 h土壤含水率由雨前0 h的10.41%降低为10.22%，雨后87 h时0~100 cm土壤水分已接近降雨前土壤含水率。

结合水平沟、封育草地雨后土壤含水率变化和土壤水分平衡可见（表3），水平沟水分蒸散（蒸腾蒸发）和侧渗损失随水分补给的增加而增加。水平沟虽能拦蓄径流获得更多雨水补给，但其蒸散侧渗等水分消耗也高于封育草地。一次降雨对土壤水分的改善持续的时间并不长，大部分补给的水分在很短时间内被消耗掉。

a.水平沟上埂10 cm处S1点， b.水平沟上埂10 cm处S1点， c.水平沟上埂20 cm处S2点， d.水平沟上埂20 cm处S2点， 降雨量16.80 mm径流量10.49 mm 降雨量51.63 mm径流量17.14 mm 降雨量16.80 mm径流量10.49 mm 降雨量51.63 mm径流量17.14 mm a.Contour trenches top margin b.Contour trenches top margin c.Contour trenches top margin d.Contour trenches top margin 10 cm S1 site,rainfall 16.80 mm 10 cm S1 site,rainfall 51.63 mm 20 cm S2 site,rainfall 16.80 mm 20 cm S2 site,rainfall 51.63 mm

runoff 10.49 mm runoff 17.14 mm runoff 10.49 mm runoff 17.14 mm

e.水平沟下埂10 cm处X1点， f.水平沟下埂10 cm处X1点， g.水平沟下埂20 cm处X2点， h.水平沟下埂20 cm处X2点， 降雨量16.80 mm径流量10.49 mm 降雨量51.63 mm径流量17.14 mm 降雨量16.80 mm径流量10.49 mm 降雨量51.63 mm径流量17.14 mm e.Contour trenches bottom margin f.Contour trenches bottom margin g.Contour trenches bottom margin h.Contour trenches bottom margin 10 cm X1 site,rainfall 16.80 mm 10 cm X1 site,rainfall 51.63 mm 20 cm X2 site,rainfall 16.80 mm 20 cm X2 site,rainfall 51.63 mm

runoff 10.49 mm runoff 17.14 mm runoff 10.49 mm runoff 17.14 mm

图4 拦蓄径流后水平沟上埂和下埂附近土壤含水率变化

Fig. 4 Varation soil moisture after occurrence of runoff of contour trenches top margin and bottom margin

3 讨 论

干旱半干旱地区，降水和蒸散是影响土壤水分的主要因子[14, 34]。本文中水平沟和封育草地土壤受降雨和蒸散的影响，土壤水分呈阶段性变化。水平沟具有垄沟集雨

对径流产生拦截作用，沟中下垫面的改变增类似特点[35-36]，

加了水分的入渗，致使水平沟土壤水分在60~80 cm和80~100 cm土层显著高于封育草地（P＜0.05）。可见，地表微地形可改变土壤水分。试验区3-6月和10-12月期间降水少，水平沟和封育草地土壤水分均亏缺，且水平沟内亏缺的水分大于封育草地，说明水平沟水分消耗高于封育草地。7-9月天然降水的增加致使水平沟和封育草地土壤水分盈余，水平沟在拦蓄径流情况下水分盈余高于封育草地，模拟降雨亦说明了这一现象。但是，整个试验期间3-12月草地土壤水分仍为亏缺状态，说明降水对土壤水分的补给并不

能弥补土壤水分的消耗。在有径流产生的情况下，水平沟可

以通过拦蓄坡地径流改善沟内水分平衡状况，但土壤水分的盈亏与降雨强度和降雨量息息相关。

耕作、地表粗糙度、土壤孔隙度等地表特征均可改变土壤水分入渗，从而影响坡地径流[32]。封育草地土层未经扰动，浅层的根系会改变土壤的水力特性，根系吸水降低孔隙水压力，土壤的透水性降低[37]，而水平沟整地表层土被扰动，增加了土壤的孔隙度，雨后水分入渗迅速，使表层土壤水分增加明显，深层土壤含水率相对滞后。有研究认为，对于土壤容重比较均一的黄土坡地，水分沿坡侧向下流（壤中流）可忽略不计[33]。本研究区封育草地土壤质地均一，因此忽略了土壤水分沿坡侧向下流。但是，水平沟拦蓄径流后，水分显著高于封育草地，沟内土壤水分就会与其上下两侧的封育草地土壤水

132 农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2019年 分形成水势梯度，水势梯度和重力因素的作用会导致水平沟向上下埂产生侧渗。在水分延坡向下运移趋势的作用下[38]，向下坡面的侧渗能力高于上坡，下埂侧渗的距离更远；随着雨后水分的蒸散，侧渗逐渐变缓。

研究发现，水平沟整地措施可以增加土壤水分，有利于全年土壤水分平衡，但在降水较少时期（3-6月和10-12月），水平沟较封育草地更易形成水分亏缺。即使在降雨和径流量较大的雨后，水平沟的补给深度也仅为100 cm左右，封育草地就更浅。强烈的蒸散是封育草地和水平沟水分循环亏缺的一个主要原因，侧渗加快了水平沟水分亏缺的形成。

因此，生产中应综合考虑当地多年降雨产流、坡度、水平沟设置成本等因素，因地制宜设置水平沟来进行生态建设。在径流量小的地方可通过增加水平沟带间距、降低水平沟宽度等来降低生态建设成本。由于客观原因，试验未能在不同坡度、不同间距水平沟地段设置多个径流小区进行试验，这还有待于今后加强。

4 结 论

1）水平沟整地后，0~100 cm土壤含水率随季节变化

波动，与封育草地相似。3-12月期间60~100 cm土壤水

分高于封育草地。

2）水平沟可拦截坡面径流，改善土壤水分平衡状况。3-12月期间水平沟和封育草地0~100 cm土壤水分都处于亏缺，在降雨少、径流量小的情况下水平沟比封育草地

储水量变化量更易形成负数。当径流量较大（7-9月）时，

水平沟水分盈余才高于封育草地。

3）水平沟拦蓄径流后较封育草地获得的水分补给量高、补给的土层更深，这在径流量大时更为明显，但其水分耗损亦高于封育草地。一次降雨对土壤水分的改善

持续时间不长，强烈的蒸散是封育草地和水平沟水分循

环亏缺的一个主要原因，侧渗加快了水平沟内水分亏缺

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Effects of contour trenches engineering measures on soil moisture dynamics and balance of typical steppe in Loess Hilly Region

Su Tingting1, Han Bingfang, Ma Hongbin1, Ma Fei1, Zhao Fei1, Zhou Yao1, Jia Xiyang1

2※

(1. Agricultural College, Ningxia University, Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration

in Northwest China,Yinchuan,750021,China; 2. College of Civil and Water Conservancy Engineering, Ningxia University, Engineering Research Center of the Ministry of Education for Efficient Utilization of

Modern Agricultural Water Resources in Dry Areas, Yinchuan 750021, China)

Abstract:To clarify the effects of contour trenches engineering measures on soil water balance and redistribution, we took enclosed grassland as CK and assisting with artificial rainfall simulation, dynamic processes of soil water, soil moisture balance and the factors affecting the soil moisture balance in 0-100 cm soil layers of the contour trenches had been studied in typical grassland slopes of Loess Hilly Region in Ningxia. The results represented that: 1) the soil moisture dynamic in contour trenches and enclosed grassland changed seasonally with rainfall. During the period from March to December, the soil moisture of measurements showed a similar figures within 0-60 cm (P>0.05), while the figure of contour trenches was higher in 60-100 cm (P<0.05). The coefficient of variation of soil water decreased with the deepening of soil layer correspondingly, and the moisture content of contour trenches in 0-100 cm soil layer is generally higher than that of enclosed grassland. 2) Contour trenches could retain slope runoff and change soil water balance. Most of the time, soil water storage showed a negative change in contour trenches and enclosed grasslands, and during the experiment, the change of soil water was -32.53 mm and -31.20 mm respectively. Compared with enclosed grasslands, the contour trenches were greater propensity to form water deficit in the case of the little rainfall and small runoff. When the runoff was large (from July to September), water surplus in contour trenches was higher than that in enclosed grasslands, so that water increment in contour trenches was 20.68 mm higher than those in enclosed grasslands. 3) The contour trenches could supply more and deeper water supply to the soil than the enclosed grassland after intercepting slope runoff. When the runoff was 10.49 mm, the infiltration water of the enclosed grassland was 8.49% of the contour trenches; when it was more obvious with a larger runoff, and the increased moisture in the contour trenches can be reached 86.90 mm, while the infiltration moisture in the enclosed grassland after rain was only 27.13 mm. But water loss of the contour trenches was higher than those of the enclosed grassland, partly because the lateral infiltration aggravated the water loss of the contour trenches. The 0-2 hours after rain was the most intense period of soil water loss. With the passage of time, compared with contour trenches, soil moisture content in enclosed grasslands approaches the soil moisture content before rain earlier. Lack of precipitation on the Loess Plateau, Intense evapotranspiration was a major cause of soil water deficit in the enclosed grasslands and contour trenches. Finally, according to the research paper, it is necessary for us to comprehensively consider the factors such as rainfall, slope, vertical spacing and cost to set up the contour trenches in the typical steppe of the Loess Hilly Region in Ningxia.

Keywords:soils; moisture; contour trenches; water movement; typical grassland; Loess Hilly Region