全 文 ：第 25卷第 10期
2005年 10月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.10
Oct.,2005
黄土区深层土壤干燥化与土壤水分循环特征
陈洪松1,3,邵明安2,3,王克林1
(1.中国科学院亚热带农业生态研究所,湖南 长沙 410125;2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101;
3.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100)
基金项目:国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90102012);中国科学院知识创新工程领域前沿资助项目(01200220055413)
收稿日期:2004-07-09;修订日期:2005-04-04
作者简介:陈洪松(1973～),男,湖北通山人,博士,副研究员,主要从事土壤物理与水土保持研究.E-mail:hbchs@isa.ac.cn
Foundationitem:NationalNaturalScienceFoundationofChina(No.90102012)andtheCASKnowledgeInnovationProgram (No.
01200220055413)
Receiveddate:2004-07-09;Accepteddate:2005-04-04
Biography:CHENHong-Song,Ph.D.,Associateprofessor,mainlyengagedinsoilphysicsandsoilandwaterconservation.E-mail:hbchs
@isa.ac.cn
摘要:深层土壤干燥化是黄土高原地区植被建设过程中出现的重大生态环境问题。采用人工和天然降雨试验,研究了黄土高原
沟壑区荒草地和裸地的土壤水分循环特征,并分析和探讨了深层土壤干燥化的成因。2002年天然降雨量为 459.9mm(多年平均
降雨量为 584.1mm),属干旱年,土壤水分观测期间(2002年 6月 13日至 11月 24日)天然和人工降雨试验小区的天然降雨量
分别为 305.2mm和 236.8mm。人工降雨试验主要在 2002年 6～8月进行,土壤水分观测期间荒草地和裸地的人工降雨量分别
为 360.7mm和 418.5mm。试验结果表明:干旱年,荒草地和裸地土壤储水量处于负补偿,入渗雨量全为蒸发蒸腾作用所消耗。
在强烈的蒸发蒸腾作用下,剖面内(0～200cm)土壤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。荒草地土壤
水分循环强度大于裸地,表现为荒草地最大蒸发蒸腾作用层深度较大,两者分别为 200cm和 180cm。雨季量少且分散的降雨极
易为强烈的蒸发蒸腾作用所消耗,深层土壤由于缺乏降雨入渗的补给而逐渐干燥化。丰水年,荒草地和裸地土壤储水量处于正
补偿,但入渗雨量的大部分(80%以上)为强烈的蒸发蒸腾作用所消耗。在相同的降雨量条件下,荒草地土壤水分循环强度高于
裸地,表现为荒草地降雨入渗补给深度较小。连续降雨有利于土壤水分向深层的运移,从而部分缓减深层土壤的干燥化进程。近
50a来黄土高原地区气候变暖和降雨减少可能是土壤干层形成的直接原因,而植被类型选择失当、群落密度过大和生产力过高
则会加剧深层土壤的干燥化进程。
关键词:黄土高原;坡地;土壤干层;土壤水;循环
文章编号:1000-0933(2005)10-2491-08 中图分类号:S152.7,S154.1,S157.1 文献标识码:A
DesiccationofdeepsoillayerandsoilwatercyclecharacteristicsontheLoess
Plateau
CHEN Hong-Song1,3,SHAOMing-An2,3,WANGKe-Lin1 (1.InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyof
Sciences,Changsha,Hu’nan410125,China;2.InstituteofGeographicalScienceandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,
Beijing100101,China;3.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWater
Conservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China).ActaEcologicaSinica,2005,25
(10):2491～2498.
Abstract:Astheresultoftheexcessivedepletionofdeepsoilwaterbyplants,thedesiccationofthesoillayerbelowthedepth
ofrainfalinfiltration(about2m)occurswidelyintheLoessPlateau,particularlyunderartificialgrasslandandforestland,and
thusinfluencesthesurvivaloftheplants.However,theinteractionsbetweenthedevelopmentofthedesiccationandwater
cycleinthesoillayerhavelittleunderstood.Intheregion,fieldinvestigationswerecarriedoutundergrasslandataselected
watershedinagulyregionbetweenJuneandNovemberin2002.Thefieldsitewasdividedintotwoareas,whichreceived
eithernaturalrainfalorartificialrainfal.Eachofthemwassubdividedinto2plots(3m×20m),oneremainedundernative
grass,andintheothergrasswascleanedup.Theslopegradientwasabout70%
===================================================================
fortheplotsreceivingnaturalrainfaland
57.7% forthosereceivingartificialrainfal.Thetotalamountofnaturalrainfalin2002was460mm,lessthantheannual
averagerainfalof584mmby21%.Duringtheinvestigationperiod(June13toNovember24in2002),naturalrainfalwas
281mm(equivalentto230mmasslopesurface)intheformerplotsand237mm(equivalentto205mmasslopesurface)inthe
latter.Theareasreceivedextra419mm(equivalentto363mmasslopesurface)waterforplotwheregrasswascleanedout
andextra361mm water(equivalentto313mm asslopesurface)fortheplotwithgrass,asartificialysimulatedrainfal.
Watercontentinsoillayerof0～3m or0～4m wasdeterminedusinganeutronprobeevery1or2weeksduringthe
investigationperiod.
Resultsobtaineddemonstratedthatthetotalamountofwaterinthesoilprofileof0～3mintheplotundernativegrass
andnaturalrainfaldecreasedfrom 460mm atthebeginningto411mm bytheendoftheinvestigationperiod(June14to
November24in2002).Thecorrespondingdecreaseinsoilwaterintheplotundernaturalrainfalbutwithoutgrasscoverage
wasmeasuredasfrom480mmto435mm.Duringthesameperiod,theevapotranspirationcalculatedfromwaterbalanceboth
accountedforabout120% oftheamountofrainwaterfromnaturalrainfal.Thisindicatedthatinfiltratedrainwaterintosoil
profilescouldbecompletelyconsumedbyevapotranspirationindroughtyear.Duringtheprocessofwaterconsumption,soil
waterdecreasedfrom thewholesoilprofileinfluencedbyevapotranspiration,andthegreatestdepththatresultedfrom
evapotranspirationformedrapidlyfromJune14toJuly22in2002,anditwas180cmintheplotwithoutgrasscoverageand
200cmintheplotwithnativegrass,whichsuggestedthatvegetationwouldincreasetheintensityofwatercycle.Moreover,
Smalintensityandamountofrainfalwouldbeconsumedeasilybyintensiveevapotranspirationduringrainyseason,andthus
thedeepsoillayerwouldbedrygradualywithoutthesupplyofinfiltratedrainwater.
Thetotalamountofwaterinthesoilprofileof0～4mintheplotundernativegrassandartificialrainfalincreasedfrom
737mm atthebeginningto808mm bytheendoftheinvestigationperiod(June13toNovember24in2002).The
correspondingincreaseinsoilwaterintheplotunderartificialrainfalbutwithoutgrasscoveragewasmeasuredasfrom714
mmto804mm.Duringthesameperiod,theevapotranspirationcalculatedfromwaterbalancebothaccountedforabout80% of
theamountofrainwaterfrom naturalrainfal.Thisindicatedthatmostinfiltratedrainwaterintosoilprofileswouldbe
consumedbyevapotranspirationinrainyyear.Thedepthofrainfalinfiltrationincreasedwiththeincreaseofrainfalfrom110
cmatthebeginningto380cmbytheendoftheinvestigationperiod(June13toNovember24in2002)intheplotwithoutgrass
coverage.Thecorrespondingincreaseinthedepthofrainfalinfiltrationintheplotwithgrasswasmeasuredasfrom120cmto
300cm.Therefore,continualrainfalcouldhelpsoilwatermovetothedeepersoillayer,whichpartlysloweddownthe
developmentofthedesiccationatdeepsoillayer.Thissuggestedthatthedesiccationofthedeepsoillayerwouldbeformed
moreeasilyindroughtandaverageyearsthaninrainyyear.
Theaboveresultscombinedwiththemeteorologicdataduringthelast50yearssupporttheassumptionthatthedecreasein
rainfalandtheincreaseintemperaturewouldbethedirectreasonforthedesiccationofthedeepsoillayer,andimproper
vegetationtypeandexorbitantproductivityanddensitywouldaccelerateitsdevelopment.
Keywords:theLoessPlateau;slopingland;desiccationofthedeepsoillayer;soilwater;cycle
土壤干层是位于降雨入渗补给深度以下,因林草植被过度消耗深层储水导致土壤水分负平衡而形成的长期存在的干燥化
土层,是黄土高原地区半干旱和半湿润环境条件下出现的一种特殊的水文现象[1～3]。土壤干层最初于 20世纪 60年代在陕西东
部旱塬(蒲城)发现,但当时并未引起足够的重视。20世纪 80年代以来,黄土高原地区人工林草地普遍出现土壤干层,而且越来
越严重,干层厚度也不断加深,已发现可达 8～10m[1～8],由此引起了人们的广泛关注,并逐渐成为植被建设与生态水文研究领
域的热点[9～11]。土壤干层的形成,恶化了自身的水分生态环境,不仅影响林木生长、生存和天然更新,而且对后续树草种的选择
和造林种草的实施也构成一种潜在的威胁[11]。围绕土壤干层的特征、成因、分布、评价指标、危害及其缓减对策,国内众多学者
进行了大量的研究,取得了许多重要的结论[1～4,9,11～20]。黄土高原地区土壤干层的区域分布特征与其降雨和土壤物理特性的地
带性规律直接相关,具体表现为黄土高原从东南向西北,气候渐趋干燥、降雨逐渐减少,土壤持水性能渐次降低、蒸发性能渐趋
增高、稳定湿度逐渐减小、深层储水渐次降低[21,22],而土壤干燥化程度渐趋严重,干层厚度也逐渐加深[11,15]。深层土壤干燥化
强度因植物种类和生长年限而定,并与降雨量和蒸散量的比值相应,即密度大的乔灌林地,干燥强度大于密度小的乔灌林地,乔
灌林地和人工草地大于农作物地,高产农田大于低产农田,有植物地大于裸露地[1,2]。伴随着深层土壤的干燥化过程,土壤水分
循环层深度在逐年加深之后重又变浅,以至发展为相当于当年降雨入渗补给深度,导致深层土壤储水补充调节植物需水的作用
2942 生 态 学 报 25卷
逐渐消失,使地上植被转而依靠当年降雨进行生长,易受干旱气候条件的制约[1]。天然植被下伏干燥化土层的出现[23],从一定
程度上表明土壤干层是黄土高原地区特定气候、环境条件下的必然产物①,而植被类型选择失当(即不遵循植被地带性分布规
律)、群落密度过大和生产力过高是导致深层土壤干燥化的重要原因[12,13,24]。但是,由于缺乏长期系统的定位试验,土壤干层形
成的水分动力学机制还不明确,有待于更深入研究[25]。本文基于天然、人工降雨试验,试图在研究黄土高原沟壑区王东沟小流
域荒草地和裸地土壤水分循环特征的基础上,分析深层土壤干燥化的成因,以期促进黄土高原地区植被恢复重建的顺利进行。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
王东沟小流域(107º4030"～107º4230"E,35º1216"～35º1600"N)位于陕西省长武县西 12km陕甘交界处,试区面积为
8.3km2,是典型的黄土高原沟壑区,属暖温带半湿润大陆性季风气候,年平均气温 9.1℃,无霜期 171d。试区塬面海拔 1215～
1226m,沟口最低点海拔 946m,沟道长 4.97km,沟壑密度 2.78条/km2,主沟道平均比降 5.47%,流域侵蚀模数 2588
t/(km·a)。降雨年际间变异大,多年平均降雨量为 584.1mm,降雨主要集中在 7～9月份,约占全年降雨量的 55%以上。试区分
为 塬、梁、沟三大土地利用类型,各约占 1/3。其中,(5º45的土地面积占 37.9%,(25º的陡坡占 41.2%,而 5º45～25º只占
20.9%[26]。
当地主要土壤类型为粘黑垆土,母质为马兰黄土,全剖面土质均匀疏松,稳定入渗率为 1.35mm/min,田间持水量为 21%～
23.8%,萎蔫湿度为 9%～12%[26]。非饱和层深厚,地下水埋深 50～80m,不参与土壤水分循环。农业生产完全依赖天然降雨,实
行旱作农业,主要种植冬小麦、玉米、糜子等,复种指数为 116%。20世纪 70年代起,该区自然植被多为人工林(草)取代,主要有
刺槐、胡枝子、紫穗槐等。但 20世纪 80年代以来,部分刺槐林地遭到人为砍伐破坏而逐渐变为荒草地(稀疏刺槐林地),主要有
纤毛鹅冠草、蛇莓、野菊花以及冰草等。
1.2 研究方法
在王东沟小流域沟坡中下部选取 4个 3m×20m的荒草地(覆盖度约 85%)径流小区(正东向),其中 2个坡度为 35º,坡面
均一,用于天然降雨试验;另外 2个坡度为 30º,坡面上留有造林整地的水平阶,用于人工降雨试验。2002年天然降雨量为
459.9mm,试验观测期间(2002年 6月 13日至 11月 24日)天然和人工降雨试验小区的天然降雨量分别为 305.2mm和
236.8mm。为了对比研究,试验观测期间,天然和人工降雨试验各有一个小区去除杂草变成裸地。人工降雨采用自行研制的侧
喷式降雨装置,降雨高度可达 6～6.5m,绝大多数雨滴能够达到终点速度。人工降雨试验(2002年 6～8月)一般都在凌晨无风
时进行,降雨强度为 0.58～1.18mm/min,历时 40～90min,试验观测期间荒草地和裸地的人工降雨量分别为 360.7mm和
418.5mm。每个小区都有一套测流设备,包括集水区、集水槽、输水槽、集水池以及挡水堤。每次降雨结束后,测定降雨产流量,人
工降雨试验还测定降雨产流过程,以每分钟为间隔。人工降雨试验小区沿坡顶向下每隔 4m埋设中子管,天然降雨试验小区沿
坡顶向下每隔 5m埋设中子管。中子管于 2002年 4月埋设,地下埋深 415cm,地上外露 15cm,测深可达 4m。土壤水分用
CNC503DR型中子仪观测,雨季每周测定 1次,旱季 2周测定 1次。100cm以上土层以 10cm为间隔进行测定,100cm以下土层
以 20cm为间隔进行测定。本文土壤水分均为坡面各测点的平均值。距小区外侧 1m对应于中子管埋设处,分别沿坡向下挖有 6
个深 1m、宽 0.5m的剖面,其中小区底端对应剖面深 2m。以 20cm为间隔用环刀分层取样(2～3个重复),测定土壤容重、饱和导
水率(定水头法)、机械组成(比重计法)、有机质含量(重铬酸钾法)和水分特征曲线(离心机法),表 1为人工降雨试验小区底端
对应剖面土壤的基本理化性质。
表 1 土壤的基本理化性质
Table1 Somephysicalandchemicalpropertiesofthesoil
土层深度
Soildepth
(cm)
容重 Bulk
density(g/cm3)
机械组成(%)
Soilparticlecomposition
>0.02mm 0.02～0.002mm <0.002mm
有机质含量
Organicmatter
content(%)
饱和含水量
Saturatedwater
content(cm3/cm3)
0～20 1.12 27.94 37.32 34.75 1.05 0.517
20～40 1.06 25.66 39.58 34.76 0.66 0.549
40～60 1.15 26.52 38.74 34.74 0.52 0.502
60～80 1.29 29.42 37.69 32.89 0.50 0.472
80～100 1.26 30.03 36.72 33.25 0.33 0.494
100～200 1.40 23.03 40.18 36.79 0.35 0.476
394210期 陈洪松 等:黄土区深层土壤干燥化与土壤水分循环特征
① 陈洪松,王克林,邵明安.黄土区人工林草植被深层土壤干燥化研究进展.林业科学(待发表)
在黄土高原地区,由于地下水一般不参与土壤水分循环,所以土壤水平衡模型可以简化为:
ΔW = Pα- RS- I- E (1)
Pα= Pcosαsinβ (2)
式中,ΔW 为观测期始、末土壤储水量的差值(mm);Pα为坡面承雨量(mm);RS为地表径流量(mm);I为冠层截留量
(mm),对荒草地忽略不计;E为蒸散(发)量(mm);P为降落在平坦地面上的雨量(mm);α为地面坡度(º);β为雨点着地轨迹线
与水平面的夹角(º),无风时一般等于 90º。
2 结果与分析
2.1 久旱少雨条件下土壤水分的耗散特征
2002年总降雨量为 459.9mm,低于多年平均降雨量(584.1mm)的 21.3%,属干旱年。在观测期内,受降雨和蒸发蒸腾过程
的影响,土壤储水量有较大的起伏,但总体上处于降低的趋势(图 1)。由于 5、6月份降雨较多,随后 7、8月份降雨相对较少而蒸
发蒸腾量较大,直到 9月 8日后才有较多的降雨(表 2),所以土壤储水量在 6月 23日处于最高峰,而 9月 8日则是最低谷,随后
又出现观测期内的另外一个高峰(图 1)。虽然 10～12月降雨较少(表 2),但由于气温下降,蒸发蒸腾量降低,所以土壤储水量下
降趋于平缓(图 1)。
表 2 2002年月降雨量和水面蒸发量
Table2 Rainfalandwatersurfaceevaporationmonthbymonthin2002
月份 Month 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 合计 Total
降雨量 Rainfal(mm) 6.6 7.7 16.8 39.7 72.7 91.4 50.5 40.8 84.5 34.4 3.6 11.2 459.9
水面蒸发量 Watersurfaceevaporation(mm) 48.9 64.1 147.9159.8121.6210.4220.4190.3142.8109.881.3 27.5 1524.8
图 1 2002年荒草地和裸地土壤储水量的动态变化
Fig.1 Thedynamicchangeofsoilwaterstorageofgrasslandand
barelandin2002
蒸发蒸腾作用层深度是影响土壤水分循环强度的主要因
子,降雨只有超过蒸发蒸腾作用层深度才能形成深层渗漏,否则
降雨转化成土壤水后,不参与地下水循环,而又通过蒸发蒸腾作
用重新返回大气层中,无法发挥补充调节深层土壤水分的功
能[1,2]。由图 2可知,荒草地和裸地蒸发蒸腾作用层深度分别为
200cm和 180cm,荒草地由于植被蒸腾耗水而加大了土壤水分循
环层深度。图 2还表明,在以土壤水分消耗为主的时期,剖面内
土壤水分的整体移动性较强,最大的蒸发蒸腾作用层深度很快
形成,并不是一个"由浅到深"的渐进过程,这与李开元等[27]研究
黄土丘陵区农田土壤物理蒸发时所得结论相似。6月 14日到 7
月 6日虽然降雨 93.7mm(其中>10mm降雨为 70.2mm,占
74.9%),但同期产流较多、蒸发蒸腾量较大,荒草地和裸地蒸发蒸腾作用层深度已分别达 180cm和 160cm。7月 6日至 7月 22
日降雨 13.5mm,但都为无效降雨,此时荒草地和裸地蒸发蒸腾作用层深度已达最大值,分别为 200cm和 180cm。随后,土壤水
分一直处于整体消耗的趋势,但蒸发蒸腾作用层深度并没有加大。尽管 9月份又有较多降雨,但主要入渗补给浅层土壤,蒸发蒸
腾作用层深度没有改变。由上述结果可以推断,对于蒸腾作用更强的乔灌林地,蒸发蒸腾作用层深度将会更大,深层土壤更难得
到降雨入渗的补给,以至深层土壤干燥化可能处于不断加剧的状况[1,2]。
2.2 连续降雨条件下土壤水分的入渗规律
连续降雨条件下土壤水分的入渗规律,主要针对人工降雨而言,仅分析降雨入渗补给深度随降雨量的变化情况。在假定其
他条件不变的情况下,按时段依据降雨量的相对大小划分不同水文年。
2.2.1 裸地土壤水分的入渗规律 与 4月 25日相比,裸地 6月 13日降雨入渗补给深度约为 110cm。在随后的人工降雨期间,
降雨入渗补给深度不断增大,7月 6日、7月 23日、8月 6日、8月 17日分别为 180、220、240cm和 260cm。人工降雨结束后,土壤
水分在再分布和天然降雨入渗的共同作用下,降雨入渗补给深度继续增大,8月 25日、9月 8日和 11月 24日分别增大到 300、
340cm和 380cm(图 3a)。
下面主要分阶段分析降雨量对降雨入渗补给深度的影响,降雨量从 2002年 1月 1日算起。裸地在 6月 25日雨后 12d才于
7月 8日进行另外一场降雨,在此期间土壤水分再分布已经十分缓慢。所以,可以将 7月 8日以前的降雨当作一种水文年的情
况,此时降雨总量为 345.8mm(坡面承雨量为 299.5mm),相当于特旱年,而降雨入渗补给深度为 180cm。这与 2001年 9月份降
雨量较大(降雨量为 188.9mm,占全年降雨总量的 35.73%),导致 2002年开春土壤剖面水分含量较高有关。同时,6月 5日、25
4942 生 态 学 报 25卷
日雨后坡面覆盖塑料布在抑制蒸发作用的同时,还促进了土壤水分向深层的运移。裸地 7月 27日雨后 10d才开始于 8月 7日
进行另外一场降雨,此时降雨总量已达 595.8mm(坡面承雨量为 516.1mm),为平水年,相应的降雨入渗补给深度为 240cm。裸
地 8月 15日降雨结束后,土壤水分在蒸发作用的同时继续向深层运移,9月份较大的天然降雨主要补充土壤表层水分。11月
24日前已共降雨 889.4mm(坡面承雨量为 770.4mm),为特大丰水年,相应的降雨入渗补给深度已达 380cm,而且土壤水分还
有继续向下运移的趋势。根据上述分析结果,可以初步认为,裸地特旱年、平水年和特大丰水年的降雨入渗最大补给深度分别可
达180、240cm和 380cm。当然,降雨入渗最大补给深度与降雨的连续性、土地利用类型、土壤剖面水分状况、地形(坡度、坡位、坡
向)等密切相关。对于特旱年,如果降雨分散且集中在夏季,那么大部分降雨将会因蒸发而损失掉,起不到补给土壤水分的作用;
即使降雨入渗最大补给深度能达到 180cm,在随后强烈的蒸发作用下,入渗的水分也将很快被消耗掉,甚至会出现"入不敷出"
的现象。不过,在特大丰水年,当降雨量达到 900mm左右时,裸地降雨入渗补给深度可以接近甚至超过 400cm。
图 2 2002年久旱少雨条件下不同时期裸地和荒草地土壤水分的动态变化
Fig.2 Dynamicchangeofsoilwaterinbarelandandgrasslandunderlong-termdroughtandsporadicrainfalconditionsduringvarious
periodsin2002
图 3 2002年连续降雨条件下不同时期裸地和荒草地土壤水分的动态变化
Fig.3 Dynamicchangeofsoilwaterinbarelandandgrasslandundercontinuousartificialrainfalconditionsduringvariousperiodsin2002
2.2.2 荒草地土壤水分的入渗规律 荒草地降雨入渗补给深度的变化类似裸地,只不过各个阶段降雨量的大小有一定的差
异。与 4月 25日相比,6月 14日降雨入渗补给深度为 120cm。2002年 6月 14日至 8月 10日的人工降雨期间,降雨入渗补给深
度不断增大,7月 6日、7月 17日、8月 7日分别为 160、180cm和 240cm。随后,在土壤水分再分布和天然降雨入渗的共同作用
594210期 陈洪松 等:黄土区深层土壤干燥化与土壤水分循环特征
下,降雨入渗补给深度继续增大,9月 8日和 11月 24日分别增大到 260、300cm(图 3b)。
同样,从 2002年 1月 1日算起,分析降雨量对降雨入渗补给深度的可能影响。荒草地 6月 26日雨后 10d才于 7月 7日进行
另外一场降雨,此时已降雨 377.8mm(坡面承雨量为 327.2mm),相当于干旱年,而降雨入渗补给深度为 160cm,这同样与 6月 6
日、26日雨后坡面覆盖塑料布抑制蒸发蒸腾促进土壤水分向深层的运移有关。7月 28日雨后 12d才于 8月 10日进行另外一场
降雨,此时降雨总量已达 639.5mm(坡面承雨量为 553.9mm),为平水年,降雨入渗补给深度为 240cm。11月 24日前共降雨
838.2mm(坡面承雨量为 726.0mm),为特大丰水年,相应的降雨入渗补给深度增大到 300cm。根据上述分析结果,同样可以初
步认为,荒草地干旱年、平水年、特大丰水年最大降雨入渗补给深度分别可达 160、240cm和 300cm。可以肯定的是,在特大丰水
年,当降雨量达到 850mm左右时,荒草地降雨入渗补给深度可达到 300cm。由于荒草地强烈的植被蒸腾作用,相同降雨量条件
下,荒草地降雨入渗补给深度小于裸地。
2.3 天然、人工降雨条件下的土壤水平衡
2.3.1 天然降雨条件下的土壤水平衡 因为 2002属干旱年,所以观测期内(2002年 6月 14日至 11月 24日)荒草地和裸地土
壤储水量(0～300cm)都处于负补偿(表 3)。若以全坡面土壤储水量来分析,则观测期内荒草地和裸地土壤储水量的亏缺量十分
接近,这可能是由于荒草地产流较少而植被蒸腾耗水较多的缘故。
根据水量平衡可知,天然降雨条件下,观测期内荒草地的蒸散量为 273.13mm,而裸地蒸发量为 249.93mm,与同期降雨量
的比值分别为 1.18和 1.08(表 3)。显然,在植被的蒸腾耗水作用下,荒草地的土壤水分循环强度较裸地大,表现为荒草地的蒸
散量大于裸地的蒸发量。蒸散量大于同期降雨量的结果直接导致土壤水分收支负平衡,观测期内荒草地和裸地土壤供水分别占
17.6%和 18.1%,入渗雨量全为蒸发蒸腾作用所消耗。
表 3 天然降雨条件下荒草地和裸地土壤水分平衡计算(2002-06-14～11-24)
Table3 SoilwaterbalanceofgrasslandandbarelandundernaturalrainfalconditionfromJun14toNov24in2002
植被类型
Vegetationtype
初期储水量 Initial
waterstorage(mm)
末期储水量 Final
waterstorage(mm)
ΔW
(mm)
Pα
(mm)
RS
(mm)
E
(mm)
E
Pα
裸地 Bareland 480.32 435.22 -45.10 230.5 25.67 249.93 1.08
荒草地 Grassland 459.46 411.30 -48.16 230.5 5.53 273.13 1.18
2.3.1 人工降雨条件下的土壤水平衡 人工降雨条件下,荒草地和裸地土壤储水量的动态变化代表了(特大)丰水年的情况。
为了便于对比分析,以荒草地和裸地全坡面平均土壤储水量(0～400cm)为例,进行土壤水分平衡计算(表 4)。显然,在人工降雨
条件下,土壤储水量处于正补偿,荒草地和裸地土壤储水量都有较大程度的增加。虽然起始土壤储水量荒草地大于裸地,但观测
期末两者几乎趋于一致。这与荒草地蒸腾耗水较大而裸地产流量较多有关,当然荒草地累积降雨量比裸地少也是原因之一。
表 4 人工降雨条件下荒草地和裸地土壤水分平衡计算(2002-06-13～11-24)
Table4 SoilwaterbalanceofgrasslandandbarelandunderartificialrainfalconditionfromJun13toNov24in2002
植被类型
Vegetationtype
初期储水量 Initial
waterstorage(mm)
末期储水量 Final
waterstorage(mm)
ΔW
(mm)
Pα
(mm)
RS
(mm)
E
(mm)
E
Pα
裸地 Bareland 713.59 803.7 90.11 567.5 112.71 364.68 0.64
荒草地 Grassland 736.45 807.7 71.25 517.5 8.89 437.36 0.85
人工降雨条件下,荒草地蒸散量和裸地蒸发量与降雨量的比值都小于 1(表 4)。虽然荒草地累积降雨量小于裸地,但由于荒
草地强烈的蒸腾作用,其蒸散量反而大于裸地的蒸发量,表现为荒草地蒸散量与降雨量的比值大于裸地蒸发量与降雨量的比
值。由上述分析可知,无论是干旱年还是丰水年,荒草地蒸散量与降雨量的比值都大于裸地蒸发量与降雨量的比值(表 3、4),这
也间接表明了荒草地土壤水分循环强度大于裸地。虽然人工降雨条件下累积降雨量高于天然降雨情况,但人工降雨条件下荒草
地的蒸散量和裸地的蒸发量也相应要大些(表 3、4)。由表 4可知,2002年 6月 13日至 11月 24日,荒草地径流量、土壤储水增
量、蒸散量分别占同期降雨量的 1.7%、13.8%和 84.5%,而裸地径流量、土壤储水增量、蒸发量分别占同期降雨量的 19.9%、
15.9%和 64.2%。这表明,集中在 6～8月份的人工降雨,虽然在一定程度上增加了入渗量,但大部分为强烈的蒸发蒸腾作用所
消耗(占入渗雨量的 80%以上)。
3 结论
在黄土高原地区,干旱年荒草地和裸地土壤水分以耗散为主,土壤储水量处于负补偿,入渗雨量全为强烈的蒸发蒸腾作用
所消耗。在强烈的蒸发蒸腾作用下,剖面内(0～200cm)土壤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"由浅到深"的渐进过程。荒草地土壤水分循环强度大于裸地,表现为荒草地最大蒸发蒸腾作用层深度较大,两者分别
6942 生 态 学 报 25卷
为 200cm和180cm。雨季量少且分散的降雨极易为强烈的蒸发蒸腾作用所消耗,深层土壤由于缺乏降雨入渗的补给而逐渐干燥
化,致使土壤水分循环层深度不断加大、干燥化土层厚度逐渐增加。土壤水分循环层深度在逐年加深之后重又变浅,以至发展为
相当于当年降雨入渗补给深度,导致深层土壤干燥化程度不断加剧,尤其是深根系植物。丰水年,荒草地和裸地土壤储水量处于
正补偿,但入渗雨量的大部分(80%以上)为强烈的蒸发蒸腾作用所消耗。在相同的降雨量条件下,荒草地土壤水分循环强度高
于裸地,表现为荒草地降雨入渗补给深度较小。连续降雨有利于土壤水分向深层的运移,从而部分缓减深层土壤的干燥化进程。
近 50a来黄土高原地区气候变暖和降雨减少可能是土壤干层形成的直接原因,而植被类型选择失当、群落密度过大和生产力过
高则会加剧深层土壤的干燥化进程。
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