自然降雨條件下干化土壤水分恢復(fù)試驗(yàn)

張敬曉，汪 星，許 迪，蔡甲冰，呂 望，唐 燕，納文娟

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100038；2. 河北水利電力學(xué)院 滄州 061000；3. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院 銀川 750021；4. 黃河水利科學(xué)研究院 鄭州 450003）

0 引 言

土壤水處于土壤-植物-大氣連續(xù)體（Soil- Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）的核心位置[1-2]，對(duì)于維持作物生長發(fā)育，發(fā)揮“土壤水庫”調(diào)節(jié)功能具有重要作用。陜北黃土丘陵半干旱地區(qū)溝壑縱橫，地形破碎，水分存儲(chǔ)效率低下，水土流失嚴(yán)重，土壤水分成為限制當(dāng)?shù)刂脖簧L與生態(tài)發(fā)育的主要因子[3]。近年來，大范圍、高密度的林草建設(shè)大大提高了當(dāng)?shù)刂脖桓采w程度，一定程度上緩解了水土流失造成的生態(tài)破壞[4]。但由于林木耗水過多，嚴(yán)重超過當(dāng)?shù)赝寥浪值某休d能力，致使林地深層土壤水分出現(xiàn)虧缺，土壤呈現(xiàn)干燥化趨勢(shì)[5]。Su等[6]基于66篇文獻(xiàn)的1 262份觀測(cè)資料對(duì)黃土高原不同生態(tài)帶森林、灌叢和草地5 m深度土壤水分進(jìn)行meta分析，指出該區(qū)植被恢復(fù)過程造成了嚴(yán)重的土壤水分下降。林地規(guī)?；寥栏苫厔?shì)逐年加重不僅導(dǎo)致現(xiàn)有林木作物早衰，還將帶來更嚴(yán)重的土壤環(huán)境惡化，嚴(yán)重阻礙了后續(xù)植被更替。因此，干化土壤水分恢復(fù)成為中國黃土丘陵半干旱地區(qū)開展生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大生態(tài)環(huán)境問題之一[7]。

黃土丘陵半干旱地區(qū)地下水位較深，自然降雨是當(dāng)?shù)赝寥浪值奈ㄒ谎a(bǔ)給來源[8]。圍繞自然降雨在黃土中的入滲機(jī)制機(jī)理，近年來眾多學(xué)者開展了大量研究[9-14]，成果豐碩。張瑞等[15]基于黃土高原南部長武塬區(qū)冬小麥和春玉米土壤水分狀況研究指出，降雨年型、年內(nèi)降水分布不均分別是造成冬小麥和春玉米土壤干化的主導(dǎo)因素。有關(guān)研究指出，該區(qū)干化土壤平均厚度處于40～800 cm[16]，深度達(dá)10 m[17]。何婷婷等[18]于2017—2018年針對(duì)陜西省米脂縣干化土壤建立不同覆蓋處理土柱試驗(yàn)，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)當(dāng)年降雨無法對(duì)6～10 m土層形成水分補(bǔ)給。因此, 研究深層干化土壤水分恢復(fù)問題，需要開展長時(shí)間、深層次土壤水分定位觀測(cè)。李軍等[19]通過2003—2005年對(duì)黃土高原半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和半干旱偏旱區(qū)不同生長年限苜蓿草地0～1 000 cm土層土壤水分定期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)3種類型區(qū)各類苜蓿草地年降水入滲深度均不超過2 m，降水入滲深度以下深層土壤保持穩(wěn)定的干燥化狀態(tài)。田璐等[20]基于薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、栽植棗樹、刺槐及裸地6種處理分別設(shè)計(jì)了連續(xù)3 a的干化土壤水分恢復(fù)定位觀測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果顯示薄膜、石子、樹枝等覆蓋措施可以明顯促進(jìn)干化土壤水分入滲，3 a內(nèi)土壤水分恢復(fù)深度分別可以達(dá)到1 000、1 000、700 cm，為當(dāng)?shù)睾侠磉x擇覆蓋保墑措施，促進(jìn)土壤水分入滲提供了技術(shù)支撐。目前，關(guān)于自然降雨條件下干化土壤水分恢復(fù)的研究大多是基于不同下墊面或不同土地利用方式等特定條件，且部分研究存在觀測(cè)時(shí)間不連續(xù)、時(shí)間短、土壤剖面深度淺等問題，限制了自然降雨對(duì)于深層干化土壤入滲補(bǔ)給恢復(fù)機(jī)理與恢復(fù)深度的認(rèn)識(shí)。

土壤干化導(dǎo)致原有林木死亡后形成裸露地表，其水分恢復(fù)的主要途徑有：裸地條件下的土壤水分自然恢復(fù)、自然荒草條件下的土壤水分恢復(fù)、人工加速恢復(fù)（不同覆蓋措施）等。基于此，本文在陜北米脂試驗(yàn)站建造地表裸露的野外大型地下土柱，模擬林地深層干化土壤水分狀態(tài)，通過2014—2019年連續(xù)6 a定位觀測(cè)自然降雨與土壤水分變化，對(duì)不同時(shí)間尺度自然降雨條件下林地深層干化土壤的水分恢復(fù)狀況進(jìn)行深入研究。研究結(jié)果可以為探索原有林木死亡后裸地情況下土壤水分恢復(fù)途徑，加強(qiáng)黃土丘陵半干旱地區(qū)土壤水分調(diào)控與生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于陜西省米脂縣銀州鎮(zhèn)（109.47E，37.18N）遠(yuǎn)志山紅棗栽培試驗(yàn)基地，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)域降雨量小，蒸發(fā)量大，且降水年內(nèi)分配不均，年平均降雨量451.60 mm，最大年降雨量704.80 mm，最小年降雨量186.10 mm，屬于中溫帶半干旱性氣候。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土，剖面發(fā)育不明顯，土質(zhì)均一，滲透性能良好，土壤容重為1.20～1.35 g/cm3，0～60 cm土壤計(jì)劃濕潤層的田間持水量約為20%，土地較為貧瘠。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 野外土柱建造

土柱建造在遠(yuǎn)志山紅棗試驗(yàn)基地水平階地，田面規(guī)格為10 m×6 m，該水平階地為前期23 a蘋果林伐后再植棗樹的節(jié)水型修剪觀測(cè)區(qū)，土壤干化深度達(dá)10 m，平均土壤含水率約為6%。采用開挖后回填方式建造地下土柱，土柱直徑80 cm，深10 m（圖1）。開挖前，利用洛陽鏟采集土樣，每10 cm深度采集一次，每次取3個(gè)重復(fù)，共計(jì)采集300個(gè)土樣，帶回試驗(yàn)室利用烘干法測(cè)定其土壤含水率。開挖過程中，將開挖土分層堆放，分別保存，以便于按照原來的土壤層次分層回填?；靥钸^程中，一方面在土柱側(cè)壁鋪設(shè)厚約1 mm的塑料薄膜，將土柱土壤與外界土壤隔離，避免水分向周圍土壤產(chǎn)生擴(kuò)散損失，另一方面嚴(yán)格控制其土壤含水率、土壤質(zhì)地、土壤層次、土壤容重等指標(biāo)與林地深層干化土壤相接近，以最大程度模擬林地深層干化土壤狀態(tài)。考慮到降雨入滲至10 m深度需要較長時(shí)間，且無地下水影響，土柱底部未作密封處理。土柱布設(shè)完成后經(jīng)過約3個(gè)月自然沉淀，以消除由于回填所導(dǎo)致的偶然誤差。

1.2.2 土壤水分測(cè)定

利用CS650-CR1000土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定?？紤]到土壤水分入滲可能存在邊緣效應(yīng)，在土柱中心安設(shè)CS650型土壤水分探頭，自地表以下每10 cm布設(shè)一個(gè)，共計(jì)布設(shè)100個(gè)水分探頭；在土柱外安設(shè)CR1000型數(shù)據(jù)采集器，用于采集數(shù)據(jù)，每30 min采集一次。以相應(yīng)深度土層烘干法測(cè)定結(jié)果對(duì)CS650-CR1000型土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠性分析，兩種方法回歸擬合方程為y=0.878 4x+0.518 7（R2=0.967）。因此CS650-CR1000型土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)可靠。

1.2.3 氣象因子測(cè)定

利用BLJW-4小型綜合氣象觀測(cè)站進(jìn)行測(cè)定，氣象站布設(shè)在試驗(yàn)土柱東側(cè)50 m處。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括氣溫（T，℃）、降雨量（P，mm）、相對(duì)濕度（RH，%）、土壤熱通量（G，W/m2）、總輻射（R，W/m2）、太陽凈輻射（Rn，W/m2）和風(fēng)速（V，m/s），監(jiān)測(cè)時(shí)間步長為30 min。

1.3 指標(biāo)判定與計(jì)算

降雨入滲深度：對(duì)比不同時(shí)間尺度（次、月、年）降雨始、末時(shí)刻干化土壤水分狀況，土壤水分得到增加的深度即為降雨入滲深度。

完全恢復(fù)深度：以土壤含水量低于田間持水量30%（本研究為6%）定為土壤干化定量指標(biāo)[21]?；趶埼娘w等[22]2011年4月對(duì)研究區(qū)相同地形、相同土質(zhì)的農(nóng)地10 m剖面土壤水分調(diào)查結(jié)果，自然狀態(tài)下農(nóng)地土壤剖面平均含水率為13.83%，不存在干化現(xiàn)象。以該結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，判定降雨入滲深度范圍內(nèi)達(dá)到（或超過）農(nóng)地含水率水平的深度即為完全恢復(fù)深度。

入滲量：根據(jù)某一時(shí)段內(nèi)土壤儲(chǔ)水量的變化量確定。即

式中I(t)為入滲量，mm；θ(z，ts)為時(shí)段末土壤含水率，%；θ(z，t0)為時(shí)段初土壤含水率，%；L為土層厚度，mm。

蒸發(fā)量：根據(jù)土壤水量平衡方程計(jì)算[20]。試驗(yàn)土柱地表裸露，無作物種植。土柱井圈高出地表10 cm，無徑流產(chǎn)生。地下水埋藏較深，不產(chǎn)生深層滲漏。因此計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為

式中E為蒸發(fā)量，mm；P為降雨量，mm；ΔW為時(shí)段初與時(shí)段末儲(chǔ)水量之差，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均采用EXCEL2010、SPSS 18軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨與入滲深度

基于自然降水是黃土丘陵半干旱地區(qū)唯一水分來源的事實(shí)，該區(qū)干化土壤水分恢復(fù)必然通過降雨入滲實(shí)現(xiàn)，因此入滲深度是反映干化黃土水分恢復(fù)狀況的重要指標(biāo)。以單一年份為周期，根據(jù)階段降雨量及所占該年總降雨量的比例（占比）情況，降雨分布可以劃分為3個(gè)階段：降雨匱乏階段（Stage of Deficit Precipitation，SDP）：上年11—3月，降雨過渡增加階段（Stage of Increasing Precipitation，SIP）：4—6月，降雨豐沛階段（Stage of Abundant Precipitation，SAP）：7—10月。表1為2014—2019年米脂縣降雨分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果。表1顯示，6 a內(nèi)降雨分布階段性明顯，其中SDP、SIP、SAP階段降雨量分別處于1.20～85.40、94.40～169.00、173.40～403.20 mm，依次占比0.31%～12.99%、25.70%～33.34%、61.31%～100%。年際不均衡性主要體現(xiàn)在多年間豐、平、枯年組交替出現(xiàn)。依據(jù)水文學(xué)中降雨年型劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)米脂2000—2019年間降雨量，可以得到豐水年（P＞25%）、偏豐水年（10%＜P＜25%）、平水年（-10%＜P＜10%）、偏枯水年（-25%＜P＜-10%）、枯水年（P＜-25%）分別出現(xiàn)4、1、7、5、3次，年降雨量依次處于562.30～733.70、534.50、391.60～470.10、325.20～355.00、277.60～320.00 mm。多年降雨變化中，各種降雨年型出現(xiàn)的概率均具有隨機(jī)性。

表1 2014—2019年米脂縣降雨分布狀況Table 1 Distribution of precipitation in Mizhi County from 2014 to 2019

圖2 為米脂縣2014年8月—2019年12月間逐次降雨及其入滲深度的監(jiān)測(cè)狀況。可以看出，6 a內(nèi)降雨分布具有明顯的階段性和年際不均衡性。結(jié)合逐次降雨量與其入滲深度變化，圖2顯示二者具有良好的一致性，利用SPSS進(jìn)行回歸分析，可以得到入滲深度（Z）隨降雨量（P）呈二次函數(shù)遞增變化：Z=-0.002P2+3.271 9P-0.873 7（R2=0.939 1）。分析認(rèn)為產(chǎn)生這種趨勢(shì)的原因是入滲深度受降雨量、土壤質(zhì)地等多種因素協(xié)同影響，較小的雨量能夠快速滲入干燥表層，入滲深度增速較快，次降雨量進(jìn)一步增大時(shí)，由于土壤干燥化嚴(yán)重，大部分雨水儲(chǔ)蓄在上層，至接近飽和后繼續(xù)向下層土壤入滲，入滲深度增速呈先快后慢變化。

為進(jìn)一步說明逐次降雨條件下不同深度干化土壤的恢復(fù)狀況，研究將土柱沿深度方向分為5層：表層（0～20 cm）、淺層（＞20～50 cm）、中層（＞50～100 cm）、較深層（＞100～300 cm）、深層（＞300～1 000 cm）。其中，表層（0～20 cm）、淺層（＞20～50 cm）屬于土壤水分活躍層，受外界大氣降水、土壤水分蒸發(fā)等自然因素和人為因素影響較大[23]，干化土壤的恢復(fù)主要體現(xiàn)在中層（＞50～100 cm）、較深層（＞100～300 cm）和深層（＞300～1 000 cm）。表2為2014—2019年不同土層深度入滲特征統(tǒng)計(jì)狀況，其中對(duì)干化土壤水分恢復(fù)不發(fā)揮作用的降雨（入滲深度小于50 cm）次數(shù)和降雨量分別為289次、794.80 mm，依次占總降雨次數(shù)和總降雨量的83.77%、35.32%，這也說明黃土丘陵區(qū)單次降雨以小雨為主，為無效降雨。能夠促進(jìn)深層干化土壤水分恢復(fù)的有效降雨（入滲深度大于50 cm）次數(shù)為56次，降雨量1 455.20 mm，分別為6 a總降雨次數(shù)和總降雨量的16.23%、64.68%。次平均降雨量能夠顯著反應(yīng)降雨入滲有效性，隨著次平均降雨量的增加，入滲層次逐漸加深。

2.2 月尺度下降雨入滲能力

由于降雨分布明顯的階段性特征，月尺度下自然降雨引發(fā)的入滲響應(yīng)存在較大變化。本研究根據(jù)各月降雨發(fā)生后土壤水分變化情況，從逐月入滲與累積入滲兩個(gè)方面，對(duì)月尺度下干化土壤的水分恢復(fù)情況進(jìn)行分析。以2014年8—10月為例，圖3表示出了月尺度下降雨入滲響應(yīng)特征。

表2 2014-2019年不同土層深度入滲特征Table 2 Characteristics of infiltration in different soil layers from 2014 to 2019

不難發(fā)現(xiàn)，2014年8—10月分別發(fā)生降雨58.60、97.80、17.00 mm，逐月降雨入滲深度依次為140、160、70 cm。與月初土壤剖面水分狀況相比，干化土壤在逐月降雨入滲的影響下，入滲深度范圍內(nèi)土壤水分得到不同程度增加，圖3顯示，2 m剖面平均土壤含水率分別由13.47%（8月初）增加至14.47%（8月末）、14.63%（9月末）、14.36%（10月末）。研究逐月統(tǒng)計(jì)了2014年8月—2019年12月降雨量與入滲深度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4a所示。圖4a顯示，監(jiān)測(cè)期內(nèi)最大月降雨量（209.60 mm）發(fā)生在2016年7月，當(dāng)月入滲深度也處于最大值（400 cm）；最小月降雨量（0.20 mm）發(fā)生在2018年2月，為無效降雨，當(dāng)月入滲深度為0。整體上，月降雨量與逐月入滲深度一致性良好，運(yùn)用SPSS進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，逐月入滲深度（Zm）隨月降雨量（Pm）增加呈二次函數(shù)遞增變化：Zm=-0.010 2Pm2+3.955Pm-6.733 5（R2=0.963 9）。

與逐月降雨入滲響應(yīng)不同，累積降雨入滲對(duì)于促進(jìn)深層干化土壤水分恢復(fù)發(fā)揮重要作用。圖3顯示，2014年8—10月累積入滲深度依次為140、160、180 cm，累積入滲深度呈現(xiàn)穩(wěn)定的增加趨勢(shì)。圖4a統(tǒng)計(jì)了2014年8月—2018年12月月尺度下累積降雨入滲深度，可以發(fā)現(xiàn)至2018年12月，累積降雨入滲深度已經(jīng)達(dá)到1 000 cm。從水量平衡的角度來看，裸地情況下的降雨量主要用于入滲和蒸發(fā)，入滲量與蒸發(fā)量的相對(duì)大小決定了自然降雨條件下干化黃土的恢復(fù)速度。圖4b為月尺度下降雨-入滲-蒸發(fā)動(dòng)態(tài)變化，整體上蒸發(fā)量與入滲量均隨降雨量起伏變化，蒸發(fā)量略大于入滲量。計(jì)算得知，觀測(cè)期內(nèi)發(fā)生累積降雨2 250.00 mm，其中52.54%被蒸發(fā)損失，蒸發(fā)量達(dá)1 182.11 mm，僅有47.46%入滲補(bǔ)給到土壤中，對(duì)干化土壤水分恢復(fù)發(fā)揮作用，入滲量為1 067.89 mm。由于土柱底部未進(jìn)行密封處理，至2019年該深度繼續(xù)加深，并且將超越土壤水分探針監(jiān)測(cè)的最大深度，本研究未能做出有效監(jiān)測(cè)與深入分析。

2.3 年尺度下降雨入滲能力

圖5 為2014—2019年年尺度下土壤水分對(duì)于降雨入滲的響應(yīng)曲線。圖5顯示，排除受自然、人為等因素影響致使土壤水分運(yùn)動(dòng)活躍的0～90 cm深度外[24]，2014年8月至年末發(fā)生的187.60 mm降雨使90～180 cm深度范圍土壤水分由8.65%增加至11.96%，即當(dāng)年入滲深度為180 cm。同樣，2015—2019年分別發(fā)生降雨391.60、590.80、337.60、342.40、400.00 mm，逐年降雨入滲深度依次為260、400、260、260、120 cm（圖6a）。不難發(fā)現(xiàn)，年尺度下逐年降雨量與入滲深度仍具有較強(qiáng)的一致性，這個(gè)結(jié)果也說明降雨量是影響入滲深度變化的主要因素。

以初始狀態(tài)（2014年8月）土壤水分為基準(zhǔn)，分別對(duì)比各年末土壤剖面水分曲線，可以得到累積降雨入滲深度變化。不同于逐年降雨入滲響應(yīng)，累積降雨入滲更體現(xiàn)多年降雨的交互促進(jìn)作用，即：較早年份降雨入滲能夠提高上層土壤含水率，由此促進(jìn)后續(xù)年份降雨向更深層土壤入滲，入滲深度更深。如，2017、2018年累積降雨入滲深度分別達(dá)到700、1 000 cm，較逐年降雨入滲深度（均為260 cm）分別提高了169%、285%。由圖5分析得到，2014—2019累積入滲深度依次為180、260、400、700、1 000、＞1 000 cm，其動(dòng)態(tài)變化結(jié)果如圖6a。與同一區(qū)域農(nóng)地土壤水分（平均含水率13.83%）對(duì)比分析（圖5），可以進(jìn)行干化土壤水分恢復(fù)深度與恢復(fù)程度評(píng)價(jià)。分析可知，2014—2019年完全恢復(fù)深度依次可達(dá)140、180、300、600、700、700 cm（圖6a），完全恢復(fù)程度分別為14%、18%、30%、60%、70%、70%。依據(jù)水量平衡原理，圖6b表示出2014—2019年年尺度下的降雨-入滲-蒸發(fā)動(dòng)態(tài)變化，可以發(fā)現(xiàn)在2014、2015兩年表現(xiàn)為蒸發(fā)量大于入滲量，2016—2018年表現(xiàn)相反。分析認(rèn)為由于年尺度對(duì)時(shí)間尺度的刻畫比較粗糙，降雨入滲更側(cè)重反應(yīng)累積效應(yīng)，因此2014、2015年降雨促進(jìn)了2016—2018年降雨入滲，入滲量大于蒸發(fā)量。2019年由于入滲深度超越了監(jiān)測(cè)范圍，不具有代表性，本研究不作深入分析。

3 討 論

自然降雨條件下黃土區(qū)深層干化土壤水分恢復(fù)問題一直是土壤學(xué)家和生態(tài)學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)。劉曉麗等[25]基于黃土區(qū)棗林深層土壤耗水特性研究指出，9 a棗林耗水深度可達(dá)4 m，且棗林吸收土壤水分有向深處延伸的趨勢(shì)。李軍等[19]針對(duì)該區(qū)多年生苜蓿地土壤水分特性研究也指出4 a生以上的苜蓿草地干化土壤深度將超過10 m。因此，土壤干化問題如果不能得到有效恢復(fù)，其影響深度將不斷加深，對(duì)黃土丘陵半干旱地區(qū)生態(tài)發(fā)展、水文發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展等造成嚴(yán)重破壞。然而目前關(guān)于降雨入滲的研究，大多側(cè)重于作物對(duì)雨水的吸收利用，因此研究的土層深度集中在計(jì)劃濕潤層深度（3 m）以內(nèi)。本研究選取黃土區(qū)干化土壤為研究對(duì)象，以自然降雨在不同時(shí)間尺度下的入滲特性為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)了野外大型土柱觀測(cè)試驗(yàn)。與以往試驗(yàn)相比，本試驗(yàn)通過人為控制土柱土壤的含水率、土壤容重、土壤質(zhì)地等狀況與真實(shí)的林地深層干化土壤狀況相接近，使研究結(jié)果更加真實(shí)；土柱規(guī)格更大，研究的土壤剖面深度達(dá)到10 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了作物計(jì)劃濕潤層深度，更能體現(xiàn)深層干化土壤的自然恢復(fù)情況。另外，試驗(yàn)在野外完全自然條件下進(jìn)行，保持30 min的監(jiān)測(cè)步長連續(xù)監(jiān)測(cè)6 a時(shí)間，試驗(yàn)中無任何人為因素干擾和影響，研究結(jié)果具有較強(qiáng)的代表性。

借助于時(shí)間尺度效應(yīng)，本研究分別對(duì)次降雨、月降雨、年降雨條件下的單獨(dú)、累積入滲能力做出研究。次降雨、月降雨條件下的觀測(cè)樣本分別為345、65個(gè)，樣本數(shù)量較多，代表性較強(qiáng)，故研究進(jìn)行了相關(guān)的回歸模型分析。而年降雨條件下觀測(cè)樣本僅有6組有效數(shù)據(jù)，樣本數(shù)量較少，為確保結(jié)果準(zhǔn)確，研究未進(jìn)行年尺度降雨入滲恢復(fù)能力的回歸效果分析。事實(shí)上，可以在一定程度上依據(jù)月尺度降雨入滲規(guī)律推測(cè)年尺度降雨入滲結(jié)果。

土壤干燥化是制約旱區(qū)生態(tài)恢復(fù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心問題，恢復(fù)年限與恢復(fù)深度是問題有效解決的關(guān)鍵。Ali等[26]基于黃土丘陵半干旱區(qū)21個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)苜蓿地0～1 500 cm土壤水分特性進(jìn)行研究，指出自然降雨條件下200～500、500～1 000 cm干化土壤得到有效恢復(fù)分別需要18、23 a。Zhang等[27]研究指出蘋果園地恢復(fù)至農(nóng)田水平大約需要26 a時(shí)間。孫劍等[28]、王志強(qiáng)等[29]也分別針對(duì)6 a生苜蓿地、林后放牧荒坡進(jìn)行了干化土壤水分恢復(fù)研究，有效恢復(fù)大約需要23.8、150 a。由此可見，深層干化土壤水分恢復(fù)是一個(gè)長期、緩慢的過程。本研究因地表裸露，不存在蒸騰耗水，研究結(jié)果較以上結(jié)果更加樂觀，0～1 000 cm干化土壤恢復(fù)僅用了5 a（2014—2018年）時(shí)間。田璐[20,30]等針對(duì)裸地干化土壤水分恢復(fù)也進(jìn)行了專門研究，結(jié)果與本研究結(jié)果一致。

需要說明的是，本研究所得6 a累積降雨對(duì)干化土壤完全恢復(fù)深度達(dá)到700 cm的結(jié)果也僅針對(duì)地表裸露、無作物蒸騰的情況，該結(jié)果對(duì)于探索原有林木死亡后形成裸露地表的干化土壤水分恢復(fù)途徑具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中，除土壤蒸發(fā)外，植被蒸騰也是影響黃土丘陵半干旱地區(qū)干化土壤水分恢復(fù)的主要因子。在栽植有作物的干化土壤中，騰發(fā)量較裸地蒸發(fā)更大，其直接影響表現(xiàn)為自然降雨對(duì)干化土壤的恢復(fù)進(jìn)程減緩。此外，不合理的林木樹種選擇、栽植密度過大等甚至可能會(huì)進(jìn)一步加劇土壤干化程度。因此針對(duì)干化土壤水分調(diào)控與恢復(fù)研究，需要進(jìn)一步加強(qiáng)自然降水與植被蒸騰耗水關(guān)系研究，有關(guān)不同植物和不同地面覆蓋條件下的土壤水分恢復(fù)試驗(yàn)還需要其他專門的試驗(yàn)研究來完成。

4 結(jié) 論

利用陜北黃土丘陵半干旱地區(qū)CS650-CR1000土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和BLJW-4氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定量分析了降雨分布特征和2014—2019年不同時(shí)間尺度自然降雨條件下地表裸露的干化土壤的水分恢復(fù)狀況，結(jié)論如下：

1）黃土區(qū)降雨分布的階段性和年際不均衡性特點(diǎn)是直接影響到深層干化土壤水分入滲的主導(dǎo)因素，該區(qū)降雨分布具有明顯的階段性和年際不均衡性。年內(nèi)降雨可以劃分為3個(gè)階段：降雨匱乏階段（上年11—3月）、降雨過渡增加階段（4—6月）、降雨豐沛階段（7—10月）。

2）次降雨條件下，入滲深度隨降雨量增加呈二次函數(shù)增大變化。黃土區(qū)年降雨次數(shù)較多，但對(duì)于深層干化土壤起到恢復(fù)作用的降雨次數(shù)較少。試驗(yàn)期間，能夠影響深層干化土壤水分恢復(fù)的有效降雨（入滲深度大于50 cm）次數(shù)為56次，降雨量1 455.20 mm，分別為總降雨次數(shù)和總降雨量的16.23%、64.68%。

3）月尺度、年尺度條件下，逐月、逐年降雨入滲深度隨降雨量增加呈二次函數(shù)關(guān)系增大變化，累積降雨入滲深度隨時(shí)間延續(xù)持續(xù)增加。至2018年12月，累積降雨入滲深度達(dá)到1 000 cm。

4）與農(nóng)地土壤水分相比，2014—2019年自然降雨條件下干化土壤完全恢復(fù)深度分別為140、180、300、600、700、700 cm，完全恢復(fù)程度依次可達(dá)14%、18%、30%、60%、70%、70%。因此，充分利用降水資源，加強(qiáng)土壤水分調(diào)控，有利于促進(jìn)深層干化土壤得到有效水分恢復(fù)。