不同种植方式下黄土塬区土壤水分变化特征.pdf

WaterResourcesandHydropowerEngineeringVol.54No.1059CEditorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.PlateauJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(10)：59-7 0.YUANRiping,GAN Yongde,WANG Shangtao,et al.Variation characteristics of soil moisture under different planting patterns in Loess袁日萍，甘永德王尚涛，等不同种植方式下黄土塬区土壤水分变化特征 J.水利水电技术（中英文），2 0 2 3，54（10）：59-7 0.水利水电技术（中英文）第54卷2023年第10 期不同种植方式下黄土塬区土壤水分变化特征袁日萍，甘永德，王尚涛，郑丽萍（青海大学水利电力学院，青海西宁810016)摘要：【目的】从土壤水分变化的角度探究不同种植方式对黄土区水资源的影响，以期为雨养旱作农业的可持续发展、水资源的高效利用以及水分管理措施的改进提供理论依据。【方法】选取长武源区三种不同种植方式下的土壤水分为研究对象，通过对2 0 14一2 0 17 年对0 30 0 cm土层土壤含水量进行监测，分析单作小麦、单作玉米和小麦-玉米轮作三种种植方式下0 30 0 cm土壤剖面水分垂直分布特征、土壤水分季节变化特征和土壤干燥化指数。【结果】结果表明：（1)不同种植方式下，剖面上的土壤水分垂直分布动态表现出一定的层次性，活跃层分别为单作玉米0 6 0 cm，单作小麦030cm，麦玉轮作0 10 cm，最大耗水深度从大到小依次为麦玉轮作，单作小麦和单作玉米。（2）三种种植方式都将在大量消耗期内引发土壤含水量下降，生育期内平均月储水量从大到小依次为单作玉米（6 0 7.7 mm），单作小麦（554.5mm）和麦玉轮作（47 4.6 mm）。（3）三种种植方式都将造成短期土壤干燥化，其中麦玉轮作干燥化指数最高，为18 7.5，其次是单作小麦18 6.5，最低是单作玉米162.3。【结论】研究认为，不同种植方式下土壤水分的垂直分布动态表现出一定的层次性，且土壤水分具有明显的季节性波动变化特征，相比降雨和含水量变化，储水量变化更为滞后；土壤干燥化指数能够反映不同种植方式的水分利用状况，且受降雨量的影响较大，麦玉轮作方式将最不利于土壤水分的恢复。因此，在黄土区开展农业生产时，应合理选择种植方式，减少对土壤水分的消耗和破坏，以达到高效利用水资源的目的。关键词：种植模式；土壤水分特征；土壤干燥化；土壤有效储水量；黄土区；水资“与作者互动源；干旱；降水D0I:10.13928/ki.wrahe.2023.10.005开放科学（资源服务）标志码（OSID）：中图分类号：S152.7文献标志码：A文章编号：10 0 0-0 8 6 0(2 0 2 3)10-0 0 59-12Variation characteristics of soil moisture under different planting patterns in Loess PlateauYUAN Riping,GAN Yongde,WANG Shangtao,ZHENG Liping(School of Water Resources and Electric Power,Qinghai University,Xining810016,Qinghai,China)Abstract:Objective JInvestigating the impact of different planting method on soil moisture changes in the loess hilly-gully region收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 9；修回日期：2 0 2 3-0 4-2 1；录用日期：2 0 2 3-0 4-2 1；网络出版日期：2 0 2 3-0 5-2 2基金项目：国家自然科学基金项目（519 0 9 12 9）；青海省重大科技专项（2 0 2 1-SF-134）；清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放基金资助课题（sklhse-2022-A-04）作者简介：袁日萍（19 9 5一），女，硕士研究生，主要从事生态水文方面研究。E-mail：y r p 0 8 2 x 16 3.c o m通信作者：甘永德（19 8 5一），男，副教授，硕士研究生导师，博士，主要从事水文模型、干旱区水土调控技术研究。E-mail：b j g a n y d 60第54卷2023年第10 期水利水电技术（中英文）袁日萍，等/不同种植方式下黄土区土壤水分变化特征can provide a theoretical basis for the further development of rainfed agriculture,efficient water resource utilization,and improve-ment of water management measures.Methods J Three different planting method in Changwu hillygully region were selected asthe research objects,and the soil water content in the soil layer of 0 300 cm was monitored from 2014 to 2017.The verticaldistribution characteristics of soil moisture,seasonal variation of soil moisture,and soil drying index were analyzed under threeplanting method of monoculture wheat,monoculture maize,and wheat-maize rotation.Results The result showed that:(1)The vertical distribution of soil moisture under different planting method showed a certain hierarchy,and the active layers were060 cm under monoculture maize,030 cm under monoculture wheat,and 0 10 cm under wheat-maize rotation.The maxi-mum water consumption depth from high to low was wheat-maize rotation,monoculture wheat,and monoculture maize.(2)Allthree planting method caused a decrease in soil water content during the period of high water consumption,and monoculture-maize(607.7 mm)had the highest average monthly water storage during the growth period,followed by monoculture-wheat(554.5 mm),then wheat-maize rotation(474.6 mm).(3)All three planting method caused short-term soil drying,with thehighest soil drying index for wheat-maize rotation(187.5),followed by monoculture wheat(186.5),and the lowest for mono-culture maize(162.3).Conclusion J The vertical distribution of soil moisture under different planting method shows a certainhierarchy,and soil moisture under different planting method exhibits significant seasonal fluctuation characteristics,with waterstorage capacity lagging behind rainfall and soil moisture changes.The soil drying index can reflect the water utilization situationunder different planting method,it is greatly affected by rainfalland wheat-maize rotation will be the most unfavorable for soilmoisturerecovery.Keywords:planting pattern;soil moisture characteristics;soil desiccation;soil effective water storage;Loess Plateau;water re-sources;drought;precipitation0引言水分是干旱半干旱区域农业发展的主要限制因子。黄土塬区属于干旱半干旱地区，降水资源有限且年际、年内分配不均 2 。其土层深厚 3，地下水埋深位于30 10 0 m之间，这些因素导致有限的降水是该地区唯一的水分来源 4-5】，农田水分供需之间的矛盾主要是降水不足和土壤水分蒸发强烈 6 。因此，准确地掌握土壤水分的变化，了解不同土地种植方式下土壤水分的垂直分布、季节变化以及土壤干燥化的特征，对于改善黄土塬区的生态环境，提高该地区水分利用效率有着极为重要的意义。近年来，对于黄土塬区的土壤水分垂直分布和季节变化的研究，更多着眼于关注不同土地利用类型、不同覆盖方式和地形变化对土壤含水量的影响。如TANG等 7 和YU等 3 比较了黄土高原不同典型土地利用类型的土壤水分和温度的差异；CHEN等 8】、LI等 9 和BU等 10 研究了不同覆盖方式对土壤水分入渗和蒸发的影响；YU等 11 和MA等 12 研究了黄土坡面微地形的改变如何影响土壤水分的分布格局。同时，该地区的土壤水环境问题一直备受关注 6 ，其中土壤干层问题是黄土塬区水分生态环境恶化的直观表现，已成为构建区域良好水分生态环境的重大障碍 13土壤干层是指位于降水渗深以下，因植物蒸散导致土壤水分负平衡，形成的长期存在干燥化土层14邵明安等 15 通过研究发现，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均会加剧土壤的干燥化进程；而谢贤群 16 认为黄土高原旱作高产农田土壤干燥化是高产田产量波动的主要原因。李玉山 13、李军等 17 和曹裕等 18 从不同角度丰富和发展了土壤干层的评价方法。之前的研究主要集中于单一植被的土壤干层，例如，李军等 17 田间实地测了黄土高原不同干旱类型区不同生长年限首草地0 10 0 0 cm土层土壤湿度，分析和比较了各类首草地深层土壤干燥化效应特征；曹裕等 18 研究了黄土高原苹果产区深层土壤干燥化特征及其区域分布规律；于晓燕等 19 等对黄土丘陵区带状柠条锦鸡儿人工林地根系、土壤水分特征及深层土壤进行了干化研究。在黄土高原，不当的植被类型选择是导致土壤干化扩大和加剧的一个重要原因 2 0 。黄土塬区农业生产以旱作农业为主，冬小麦和春玉米是该地区主要的粮食作物，其产量高低对该区乃至整个黄土高原的粮食安全和农业可持续发展关系重大 2 1。如今，针对该地区土壤干燥化的研究多集中于草本植物及果树，对于农田土壤干燥化还缺乏相应的研究。例如，胡伟等 2 2 研究了春小麦、春玉米、马铃薯的产量和深层土壤水分动态变化，评价了旱作粮田不同肥力水平下土壤干燥化效应；牛俊杰等 2 3 以单作小麦和单作玉61水利水电技术（中英文）第54卷2023年第10 期袁日萍，等/不同种植方式下黄土塬区土壤水分变化特征米为研究对象，发现农田季节性干层、深层土壤干层的出现严重影响了农田土壤的水循环。调整作物种植布局和实行合理轮作，也是提高区域水分利用效率的一种重要且有效的手段 2 4。黄土塬区是典型的农牧混作区，目前该地区轮作的研究多集中于草粮轮作，而对于轮作农田土壤干燥化效应的系统化定量研究还鲜见报道。王美艳等 2 5 分析了首草地土壤干燥化特征和粮草轮作对土壤水分的恢复效应；孙剑等 2 6 分析了不同年限的首草地和粮食作物的轮作对0 10 0 0 cm深层土壤水分的变化规律；倪红 2 7 研究了冬小麦连作、紫花首-冬小麦轮作和紫花首草地3个种植模式对土壤水分及其利用的影响。但针对黄土塬区不同粮食作物的种植模式对土壤水分垂直分布、季节变化及干燥化的影响还研究较少。本文通过对黄土塬区2 0 14一2 0 17 年单作小麦、单作玉米和小麦-玉米轮作三种不同种植模式下的土壤水分垂直分布、季节变化及干燥化情况进行相应分析，比较了不同种植模式对土壤干燥化的影响，思考如何能够在促进作物生长的同时提高土壤的保水能力，从而增强黄土塬区的水资源利用效率，以期能够探讨黄土区天然雨养模式下旱作农业的进一步发展，为水资源高效利用及改善水分管理提供理论依据，推动黄土塬区的可持续农业发展和水资源管理。1数据和方法1.1试验地概况试验地点位于长武农业生态试验站（3514 2 5 N，1074059E），海拔12 2 0 m。年平均降水量496.3mm，年平均气温7.9，6 9 月降水量占全年6 0%以上，整体属暖温带半干旱大陆性季风气候。该地区农业生产用水以天然降水为主，为典型雨养旱作农业区。2 0 142 0 17 年降水量分别为6 33.7 mm、567.1mm、545.3m m 和6 51.2 mm，19 9 9 2 0 17 年平均年降水量为52 4.5mm，根据降水年型划分标准 2 8 ，2 0 14年及2 0 17 年为丰水年，2 0 15及2 0 16 年为平水年。冬小麦生育期(9 月一次年6 月)降水量分别为36 6.1mm、2 50.1m m 和37 9.9 mm，春玉米生育期（59 月）降雨量分别为42 3.7 mm、352.3m m和56 0.0 mm。试验地土壤以中壤质黑土和轻壤质黄绵土为主，孔隙率约为49.7%1.2试验材料与设置供试冬小麦品种为“长旱58”，于每年9 月中旬或下旬播种，次年5月下旬或6 月上旬收获。春玉米品种为“先玉335”和“榆单9”，于每年4月中旬播种，9 月中旬收获。长武前塬面农田播种面积为0.2hm，2 0 14年和2 0 17 年单作春玉米，2 0 152 0 16年实施冬小麦-春玉米轮作制。长武杜家坪梯田播种面积为0.1hm，2 0 14一2 0 17 年单作冬小麦。试验期间不进行灌溉和施肥，植物所需水分来源主要是降雨。根据气象资料与观测作物长势变化，将冬小麦划分为小麦营养生长期（播种一返青）、小麦营养生长与生殖生长并进期（返青一抽穗）和小麦生殖生长期（抽穗一成熟）三个生育阶段 2 9】，春玉米则划分为玉米营养生长期（播种一拔节）、玉米营养生长与生殖生长并进期（拔节一开花)和玉米生殖生长期（开花一成熟）三个生育阶段 2 9 1.3测定项目与方法1.3.1土壤体积含水量测定试验区装设中子管，测量0 30 0 cm土壤体积含水量，每隔五天进行一次数据收集，其中0 10 0 cm土层每隔10 cm测得数据，10 0 30 0 cm土层每隔20cm测得数据，每个深度做三次重复处理取得平均值。1.3.2土壤容重测定土壤水分测定用土钻取土，每隔两个月月底在各试验区行间分层采集0 30 0 cm土层土样（其中0 100cm土层以10 cm为间隔取样，10 0 30 0 cm土层以2 0 cm为间隔取样，样地随机取样，重复3次），全年共采样6 次，土壤容重用环刀法测定。1.4各类指标计算1.4.1作物耗水量试验区无地下水补给和深层渗漏，各处理耗水量采用水量平衡公式计算 30 ET=P+(W,-W.)(1)式中，ET为耗水量（mm）；P为降水量（mm）；W,为生长季初0 30 0 cm土层的储水量（mm）；W 为生长季末0 30 0 cm土层储水量（mm）。1.4.2土壤储水量土壤储水量（SWS，mm）为一定厚度土壤中所含的水量 31，计算公式如下(0.h.)nSWS(2)式中，,为第i层（共n层）土壤的体积含水量（%）；h为该土层厚度（mm）1.4.3土壤干燥化程度农田土壤的干化状况用土壤干燥化指数（SoilDesiccation Index，SD I)评定，公式如下 1462第54卷2023年第10 期水利水电技术（中英文）袁日萍，等/不同种植方式下黄土塬区土壤水分变化特征SSM-SMSDI(3)SSM-WM式中，SDI为土壤干燥化指数（%）；SM为土壤含水率（%）；W M 为调萎湿度（%）；SSM为土壤稳定湿度（%）。土壤稳定含水量指黄土高原干旱气候、土壤质地、自然植被等因素作用下，通常旱地土壤能够长期维持的土壤含水量，其值约为田间持水量的50%75%17 。该值反映了某一种土壤对水分保持能力的中间状态，不随降水量的年度和季节变化而发生变化，便于在不同降水年型、不同季节和不同降水类型区之间比较不同种植方式的土壤干燥化强度。参考曹裕等【18 和易小波等【32 的研究，土壤稳定含水量值采用土壤调萎含水量与田间持水量的算术平均值计算。根据SDI数值将土壤干燥化程度分为6 个等级，如表1所列。表1土壤干燥化程度划分标准Table 1Classification criteria of soil desiccation index土壤干燥化土壤干燥化土壤干燥化土壤干燥化等级指数等级指数极度干燥化SDI100%中度干燥化25%SDI50%强烈干燥化75%SD100%轻度干燥化0%SD25%严重干燥化50%SDI75%无干燥化SDI0%1.4.4变异系数变异系数(CV)能够反映土壤水分在空间上的分布特征，CV越大说明土壤含水量的变化越剧烈。公式为SCV=(4)m式中，s为各层土壤含水量的样本标准差；m为各层土壤含水量的样本平均值2结果与分析2.1不同种植方式下土壤水分垂直分布特征小麦生育期及玉米生育期0 30 0 cm土层土壤湿度剖面分布特征如图1所示，以田间持水量、土壤稳定湿度和调萎湿度作为参考，以土壤稳定湿度为界定作物耗水深度的上限指标 2 5】，用最大耗水深度来判断干层范围 2 5 2014一2 0 17 年单作小麦的杜家坪生育期土壤初始含水量分别为15.5%、17.1%和17.9%，生育期内平均含水量分别为16.1%、16.6%和2 1.5%。2 0 152016年初始含水量有所增长，使得在降雨量减少的情况下，平均含水量仍高于2 0 14一2 0 15年。降水量在并进期差异最大，2 0 16 一2 0 17 年并进期降水量分别较2 0 142 0 15年增长47.3mm，较2 0 152 0 16 年增长10 0.1mm，并进期消耗的水分得到降水的及时补充，使得年际含水量呈现增加趋势。含水量自上而下可分为3层，0 30 cm在生育期降雨不足时增长1.0%1.1%，生育期降雨充足时则下降1.2%。在30180cm范围内含水量变化较大，增长范围在2.0%4.5%之间。18 0 30 0 cm平均增长0.9%，含水量随深度增加稳定升高。生育期内最大耗水深度分别为0 8 0 cm、0 9 0 c m 和0 12 0 cm，随时间增加，最大耗水深度逐渐增加。前塬面试验区在2 0 14年和2 0 17 年单作玉米，土壤初始含水量分别为17.0%和2 3.1%，生育期内平均含水量为17.7%和2 2.7%。含水量自上而下可分为3层，在0 10 0 cm内含水量变化较大，2 0 14年增长2.2%，2 0 17 年下降3.9%。10 0 18 0 cm含水量变化较小，其中2 0 17 年含水量在16 0 cm处达到最低值18.8%。18 0 30 0 cm含水量随深度增加稳定上升，平均增长2.2%。营养期和并进期最大耗水深度分别为0 10 cm和0 10 0 cm。由于生殖期整体含水量高于稳定湿度，因此最大耗水深度为0。随着时间增加，最大耗水深度呈现先增后降趋势。2015一2 0 16 年前塬面实施麦玉轮作，玉米生育期初始含水量为16.4%，平均含水量为15.2%，小麦生育期初始含水量为15.4%，平均含水量为15.5%。含水量自上而下可分为3层，0 30 cm范围内含水量迅速增长2.5%，在30 9 0 cm范围含水量降低1.7%，在9 0 30 0 cm范围内稳定上升4.4%。玉米生育期内最大耗水深度分别为0 12 0 cm、0 240cm和0 2 40 cm，小麦生育期最大耗水深度分别为50 2 40 cm、0 2 40 c m 和0 2 8 0 cm。最大耗水深度随时间增长逐渐增加。根据变异系数值划分土壤水分垂直层次 33。作物生育期内，土壤水分变异系数随着深度增加呈现出“降低一稳定”的趋势。单作小麦的杜家坪活跃层深度呈现先增后减的趋势，平均为0 30 cm；而单作玉米的前面活跃层深度则呈现先减后增的趋势，平均为0 6 0 cm；轮作年份整体活跃度较低，玉米生育期为0 2 0 cm，小麦生育期则无活跃层2.2不同种植方式下土壤水分季节变化特征降雨量对土壤含水量的影响是显著的，但不同时期对土壤水分变化的影响不同。总体而言，降雨量对土壤水分变化的影响与作物类型、生长阶段以及单作或轮作等因素有关。根据0 30 0 cm土壤含水量变化，将其分为相对稳定期、缓慢消耗期、大量消耗63水利水电技术（中英文）第54卷2023年第10 期袁日萍，等/不同种植方式下黄土区土壤水分变化特征20142015年杜家坪单作小麦2 0 152 0 16 年杜家坪单作小麦2 0 16 2 0 17 年杜家坪单作小麦2 0 152 0 16 年前塬面麦玉轮作-小麦土壤含水量/%土壤含水量/%土壤含水量/%81216202481216202428812162024000505050100100o/o/10015015015020020020025025025013003001300娄湿度稳定湿度田间持水量调萎湿度稳定湿度田间持水量调萎湿度稳定湿度田间持水量(a)小麦营养生长期，播种一返青(b)小麦营养生长与生殖生长并进期，返青一抽穗(c）小麦生殖生长期，抽穗一成熟2014年前塬面单作玉米2 0 17 年前源面单作玉米20152016年前面麦玉轮作-玉米土壤含水量/%土壤含水量/%土壤含水量/%812162024288121620248121620242832000505050100100100/150150150200200200250250250300300F300F调娄湿度稳定湿度田间持水量调娄湿度稳定湿度田间持水量调萎湿度稳定湿度田间持水量(d)玉米营养生长期，播种一拔节(e)玉米营养生长与生殖生长并进期，拔节一开花(f)玉米生殖生长期，开花一成熟图（a）、（b）、（c）为小麦生长季土壤含水量，其中杜家坪试验田在2 0 142 0 15年、2 0 152 0 16 年和2 0 16 2 0 17 年单一种植小麦，前塬面试验田2 0 15一2 0 16 年麦玉轮作；图（d）、（e）、（f)为玉米生长季前塬面试验田土壤含水量，其中2 0 14年及2 0 17 年单一种植玉米，2 0 15一2 0 16 年麦玉轮作。图12 0 142 0 17 年小麦及玉米生长季土壤含水量面特征Fig.1Soil moisture content profile characteristics of winter wheat and spring maize during the growing season in 20142017表2 作物生育期降水/mmTable 2Precipitation during crop growth period/mm作物营养生长与生生殖生生长年份营养生长期种类殖生长并进期长期20142015年219.7121.824.6小麦20152016年154.169.027.020162017年199.2169.138.12014年76.2205.8141.7玉米2015年149.0223.239.62017年214.7221.0124.3期和恢复期 34（1)相对稳定期（11月至次年2 月）：整体土壤储水量变化较小。该时期处于小麦的营养生长期。20142015年、2 0 152 0 16 年和2 0 16 2 0 17 年该时段耗水量分别为6 6.5mm、12 4.9 m m 和7 2.2 mm，降雨量分别为44.1mm、45.3m m 和40.1mm，单作小麦和轮作均是耗水量低于降雨量。对于单作玉米而言，此时仍为休闲期。由于降雨量不足全年降水量的8%，单作玉米和轮作在这段时间内的耗水量和储水量变化很小。轮作年此时耗水量为59.6 mm，储水量低于同期单作小麦（2)缓慢消耗期（3一4月）：耗水量和降水量之间的差距有所增加。小麦由营养生长期进入并进期，而春玉米进人营养生长期。小麦耗水量分别为10 8.2mm、7 4.9 m m 和114.1mm，降水量为9 4.0 mm、48.0mm和8 2.0 mm。活跃层水分明显有所下降，整体储水量也小幅下降。前塬面玉米4月下旬开始进人生育期，耗水量增至8 9.0 mm，储水量下降。轮作年耗水量为117.3mm，次活跃层含水量明显下降，储水量小幅下降(3)大量消耗期（5一7 月中旬）：耗水量远大于降雨量，土壤含水量和储水量均大幅下降。小麦由并进期进人生殖生长期，玉米也进人并进期，平均耗水第54卷2023年第10 期水利水电技术（中英文）64袁日萍，等/不同种植方式下黄土区土壤水分变化特征变异系数/%5101520253050100o/150200250300相对稳定层次活跃层活跃层20142015年杜家坪单作小麦一2 0 152 0 16 年杜家坪单作小麦2014年前塬面单作玉米一2 0 17 年前塬面单作玉米20152016年前面麦玉轮作-玉米20152016年前源面麦玉轮作小麦-O-20162017年杜家坪单作小麦图220142017年试验区0 30 0 cm剖面土壤水分变异系数Fig.2Coefficient of variation of soil moisture in the 0 300 cmprofile during the growing season in 20142017量占总耗水量的32%以上，降雨量的不足会导致土壤含水量的大幅度下降。此时最大耗水深度达到峰值。单作小麦耗水为19 9.3mm、19 8.2 m m 和359.3mm，大于降雨量，7 月储水量下降至一年中最低值，为530.8 mm。单作玉米耗水为2 15.2 mm、2 30.9 m m和316.8 mm，降水量为16 0.0 mm、18 3.1m m 和223.4mm，含水量和储水量下降。轮作年此时耗水量大于30 0.0 mm，储水量最低值出现在6 月，为431.8mm，轮作年耗水量大于单作年（4）恢复期（7 月下旬一10 月）：该阶段降雨量的增加会对含水和储水量产生积极影响。单作小麦和轮作小麦的含水量和储水量有所上升，而前塬面玉米的相对稳定层则开始上升。单作小麦和轮作小麦进人休闲期，而单作玉米进入生殖生长期，9 月后进人休闲期。单作小麦降水量分别为2 37.2 mm、2 6 0.2 m m 和307.5mm，耗水量为159.3mm、18 4.7 m m 和19 9.2mm，含水量和储水量有所上升。而前面玉米此时处于生殖生长期，该阶段降水量小于耗水量，活跃层及次活跃层含水量在波动中下降，相对稳定层则开始上升。土壤储水量在8 月降至一年中最低值，为556.4mm，随后开始增长整体而言，单作小麦生育期间，2 0 14一2 0 15年间月储水量范围在450.1 519.8 mm，平均值为500.8mm；2 0 152 0 16 年间波动范围为454.9 595.0mm，平均值为50 9.1mm；2 0 16 2 0 17 年间月储水量整体上升，最低值为545.9 mm，最高值为750.0mm，平均值为6 53.5mm。三年连续种植小麦的平均月储水量为554.5mm。单作玉米的生育期，2014年月储水量变化范围在50 1.0 6 17.0 mm，平均值为546.3mm；而2 0 17 年由于降雨量增多，月储水量范围变化到58 1.5 7 0 9.7 mm，平均储水量为660.4mm。两年单作玉米的月储水量平均值为6 0 7.7mm。麦玉连作整个生育期的平均月储水量为47 4.6mm，其中玉米生育期平均月储水量为46 7.9 mm，小麦生育期平均月储水量为47 7.9 mm。从整体趋势来看，单作玉米的平均月储水量最高，其次是单作小麦，而麦玉连作的平均月储水量最低且消耗土壤水分最多。2.3不同种植方式下土壤干燥化指数变化特征2014一2 0 15年生长季期间的降雨量为36 6.1mm，与后续比较低的降雨量相比，土壤水分处于中度干燥状态，活跃层的干燥程度逐渐加剧。尤其是在6月份，干燥化指数达到了18 6.3，干层厚度为100.0cm。2 0 15年至2 0 16 年生长季，虽然降雨量减少了116.0 mm，但是干层厚度保持不变，最大干燥指数下降至155.4，而活跃层整体干燥等级已经加重至强烈干燥化等级。到了2 0 16 年至2 0 17 年生长季，由于降水量增加到37 9.9 mm，最大干燥化指数降至48.2。有效的降雨帮助抑制了干层的形成，促进了土壤水分的恢复。生长季内仅在活跃层存在少量干层，而其余剖面则无干燥化现象，在2 0 14年的单作玉米生长季，干燥化程度严重，特别是在八月份的活跃层干燥化指数达到了16 2.5，极度干燥层厚度为0 150 cm。到了2 0 17 年的生长期，降雨量增加至2 0 14年的1.3倍，全剖面均无极度干燥层，而中等干燥层集中在6 0 150 cm范围内，受充足降雨量的影响，自上而下逐渐恢复。单作玉米的干燥层范围集中于中层，持续时间短，干燥化程度较浅，呈现自上而下恢复的趋势麦玉轮作年份，土壤干燥化贯穿整个生长季。玉米生长季降雨量为352.3mm，较2 0 14年及2 0 17 年单作玉米生长季分别降低7 1.4mm和2 0 7.7 mm。生长季降雨量减少使玉米干层厚度与干燥化程度均有所增长，强烈干燥层范围扩大到6 0 12 0 cm和2 40 280cm，符合前文的推断。其中8 月的活跃层干燥指数最高，为18 7.5。小麦生长季降雨量为2 50.1mm，65水利水电技术（中英文）第54卷2023年第10 期袁日萍，等/不同种植方式下黄土区土壤水分变化特征3月6月9月12月3月6月9月12月30003025降雨量降水量10025活跃层100活跃层次活跃层一次活跃层20相对稳定层20一相对稳定层20020015153001030010400554002013-12-302014-03-302014-06-302014-09-302014-12-302014-12-302015-03-302015-06-302015-09-302015-12-30日期日期(a)2014年(b)2015年3月6月912月3月6月9月12月30050045降水量10025100活跃层40降水量次活跃层活跃层相对稳定层35一次活跃层200202003030015300252040010400155002015-12-302016-03-302016-06-30 2016-09-30 2016-12-302016-12-302017-03-302017-06-302017-09-302017-12-30日期日期(c)2016年(d)2017年图3杜家坪土壤水分随时间变化Fig.3Variation of soil moisture with time in Dujiaping分别低于2 0 142 0 15年及2 0 16 2 0 17 年小麦生长季116.0mm和12 9.8 mm。生长季的降雨量不足导致干层范围扩大至6 0 150 cm，但干燥程度有所恢复，最高干燥指数降至118.0。麦玉轮作年份的土壤干燥化现象不仅与轮作模式相关，也与降雨量变化有关。随着降雨量的下降，土壤水分减少，干层范围扩大，干燥程度加剧。综合来看，降雨量对土壤水分的影响极为重要，减少的降雨量会导致土壤干燥化并严重影响作物的生长。在不同的生长季中，土壤的干燥化程度和范围有所差异。因此，对土壤水分变化的研究对于轮作农田的管理和合理利用具有重要意义。3 讨 论3.1土壤水分垂直分布特征对干旱半干旱的黄土塬区的土壤水分动态进行了研究，结果表明，剖面的土壤含水量呈现出一定的差异性和层次性。而降雨是主导土壤水分变化的主要因素。生育期降雨不足时，随深度增长，剖面含水量呈现波动上升趋势；而降雨充足时，剖面含水量呈现先降后升趋势。这与程立平等 35-36 的研究结论相符。此前有研究认为6 0 9 0 cm土壤水是拔节期和抽穗期冬小麦主要的水分来源 37 ，而玉米根系吸水多利用0120cm土层水分 38 ，这与本文发现基本一致，进一步证明了该地区不同农作物根系对水分分布的影响。活跃层范围受降雨量影响较大，这与郭茹茹等 39 和缪凌等 40 的研究结果相符。种植方式不同导致最大耗水深度不同，单作小麦和轮作模式将使得最大耗水深度随时间增加，而单作玉米最大耗水深度则随着时间先增后减，与下文利用土壤干燥化指数所量化的最大耗水深度基本一致，说明该地区种植方式对土壤水分的影响较大3.2土壤水分季节变化特征土壤水分受季节性降水分配特性、土壤蒸发和植物蒸腾等因素影响，具有明显的季节性波动变化特征 40-41。三种不同种植模式下，土壤含水量均在大量消耗期达到最低值，在缓慢消耗期和恢复期有小幅增长，储水量的季节性变化在时间上滞后于含水量和降雨量。马婧怡等 42 与王艳萍等 43 认为，这种滞后性是由于土壤水分垂直输送滞后和作物生长造成的，即土壤水分向下再分配可持续较长的时间。单作小麦播种后蒸腾较低，土壤储水量较高。但进人营养生长66袁日萍，等/不同种植方式下黄土塬区土壤水分变化特征3月6月9月12月3月6月9月12月32002850降雨量502810024活跃层降雨量次活跃层100%/鲁水号游干24活跃层150相对稳定层wu/次活跃层20150相对稳定层200/鲁水刻201620025016250300121235030084003502013-12-302014-03-302014-06-302014-09-302014-12-302014-12-202015-03-202015-06-202015-09-202015-12-20日期日期(a)2014年(b)2015年3月6月9月12月3月6月9月12月250500505040降雨量100100降雨量活跃层%/鲁昂干20一次活跃层150一次