典型黑土區(qū)農(nóng)業(yè)小流域不同坡向和坡位的土壤水分變化特征

蘇子龍，張光輝，2?，于艷

(1.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，100875，北京;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

土壤水分是水文過程、土壤侵蝕過程、土壤養(yǎng)分輸移和地表微氣候的重要影響因素［1］，對作物生長和產(chǎn)量有決定性影響［2］，因此也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一［3-4］，研究土壤水分變化規(guī)律對促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展有重要意義［5］。土壤水分的變化是地形地貌、土壤質(zhì)地、植被分布、太陽輻射作用等相互作用的結(jié)果［6-7］。其中:不同坡向因受到太陽輻射不同，導(dǎo)致各坡面的蒸散發(fā)量存在差異，進(jìn)而影響土壤水分分布;降雨在坡面上的再分配使不同坡面位置土壤含水量不同［1，8］，上坡位會因向坡下排水而不能積蓄土壤水分，下坡位因接受上坡來水而往往具有較高的土壤含水量，故不同坡位的土壤水分變化特征不同。

東北黑土區(qū)是我國糧食主產(chǎn)區(qū)之一，特別是其中典型黑土區(qū)擁有大量珍貴的黑土資源，適宜農(nóng)作物生長，同時(shí)，土壤水分對該地區(qū)作物生長起到調(diào)節(jié)作用［9］;因此，對典型黑土區(qū)土壤水分變化的研究極為重要。目前對土壤水分的研究多集中于黃土高原地區(qū)，典型黑土區(qū)的相關(guān)研究較少，且該區(qū)土地多用于耕種，屬“雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)”區(qū)，已有研究多從降雨［10-11］、植被覆蓋［12］和耕作方式［13-15］等角度分析土壤水分動(dòng)態(tài)變化。典型黑土區(qū)擁有獨(dú)特的長坡、緩坡的地形特點(diǎn)，坡面的太陽輻射分布、產(chǎn)流產(chǎn)沙過程以及土壤侵蝕狀況與黃土高原地區(qū)、紅壤區(qū)均有不同，而從坡向和坡位等地形因素角度出發(fā)分析土壤水分變化的研究卻鮮有報(bào)道。筆者以東北典型黑土區(qū)農(nóng)業(yè)小流域?yàn)檠芯繉ο?，系統(tǒng)分析不同坡向和坡位土壤水分變化特征，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物合理配置、農(nóng)田土壤水分管理、以及水資源的合理利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省嫩江縣九三農(nóng)墾分局鶴山農(nóng)場鶴北流域2 號小流域(E 125°16＇，N 48°58＇)，面積為3.64 km2，地處大興安嶺南麓，海拔在150 ～383 m 之間。坡崗平緩，坡長較長，被當(dāng)?shù)厝朔Q為“漫川漫崗”，屬于典型黑土區(qū)。流域氣候類型為寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，因受季風(fēng)和高緯度影響，全年冷熱、干濕季節(jié)劃分明顯，春季干燥少雨，夏秋兩季濕潤多雨且晝夜溫差較大，冬季寒冷漫長。年平均氣溫在-1.5 ～0.4 ℃之間，年內(nèi)溫差變化大，夏季最熱月份為7 月，平均氣溫為20.8 ℃，冬季最冷月份為1 月，平均氣溫為-22.5 ℃。年日照時(shí)間為2 550 ～2 700 h，全年無霜期為115 d 左右。年均降雨量約為550 mm，多集中于6—9 月。研究區(qū)地理位置示意圖如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Location of the study area

研究區(qū)的土地利用方式有小麥(Triticum aestivumLinn)地、大豆(Glycine max)地、林地、草地、田間道和塘壩6 種，其中，小麥和大豆分別在5 月中下旬播種、8 月初和9 月底收獲，分布在研究區(qū)的各坡面上。土壤以黑土為主，厚度在30 ～50 cm 之間，腐殖質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～6%，質(zhì)地黏重，透水性差，易冷漿，潛在肥力高，保水保肥能力強(qiáng)，成土母質(zhì)為第四紀(jì)湖相沖積沉積物黃黏土物質(zhì)。林地以林帶形式每隔200 ～300 m 均勻分布在各坡面及谷底，主要樹種為落葉松，種植時(shí)間為35 a，林冠最大蓋度為0.4 左右，林下草被層不發(fā)達(dá)，生長有稀疏的針茅草(Stipa baicalensis Roshev)等禾本科和蒿子(Kobresia myosuroides Fiori)等菊科植物，最大蓋度為0.3 左右。草地位于流域底部，春季積水嚴(yán)重，土壤為草甸沼澤土，夏季植被生長茂盛，作為放牧的主要場所，草地遭牛羊踩踏較為嚴(yán)重。田間道穿插于各田塊間，表層板結(jié)嚴(yán)重，沒有植被生長。塘壩位于流域出口處，土壤來源為上游水蝕攜帶的表土，上下層土壤成分變化很大，透水性差，表層生長有茂盛的禾本科植被，主要通過蒸發(fā)和植物蒸騰消耗土壤水分。為了減少土地利用對土壤水分的影響，本研究所涉及的土地利用方式均為大豆地，坡度變化較小，變化范圍2°～5°。

2 研究方法

分別在2 號小流域3 個(gè)坡向(陽坡、半陽坡、半陰坡，其中陽坡為東坡向、半陽坡為西南坡向、半陰坡為東北坡向)的上坡、中坡和下坡選取測點(diǎn)，采用經(jīng)過烘干法校正過的TDR 測定土壤水分，測量深度為1 m，分為7 層(0 ～5、10 ～15、20 ～25、30 ～35、50 ～55、70 ～75、90 ～95 cm)，每層做2 次重復(fù)測量，取平均值作為該層土壤含水量值，用于土壤水分剖面特征的研究，另外，將各層土壤水分含量值平均得到的土壤剖面平均值作為該測點(diǎn)土壤含水量值，用于不同坡位土壤水分變化特征研究。測量周期為10 d，若遇雨天則向后順延10 d，整個(gè)觀測期內(nèi)共取樣10 次，取樣時(shí)間分別為2005 年的6 月12 日、7 月1 日、7 月11 日、7 月22 日、8 月1 日、8 月14 日、8月28 日、9 月8 日、9 月22 日和10 月1 日，并計(jì)算各期土壤含水量平均值，以及進(jìn)行方差分析。為了確保測量值的足夠穩(wěn)定性，每次測量工作在1 d 內(nèi)完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同坡向土壤水分變化

不同坡向接收的太陽輻射存在差異，各坡向接收太陽輻射多少的順序是陽坡＞半陽坡＞半陰坡＞陰坡，不同坡向接收太陽輻射的差異會對土壤水分蒸發(fā)產(chǎn)生影響，從而造成各坡向土壤水分差異［16］。研究區(qū)不同坡向土壤含水量平均值剖面變化如圖2(a)所示，與以往經(jīng)驗(yàn)不同，半陰坡的土壤含水量小于陽坡和半陽坡，其原因主要是在于測量深度內(nèi)，雖然3 個(gè)坡向土壤變化均為黑土—黃黏土—沙層，但不同于陽坡和半陽坡，半陰坡黑土—黃黏土層較薄，沙層較厚，深層土壤蓄水能力弱。

在土壤剖面變化上，對各坡向不同土壤剖面的土壤含水量進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如圖2(b)所示，自35 cm 左右起，各坡向土壤含水量存在顯著差異，即坡向?qū)ν寥榔拭?5 cm 以下的土壤水分存在顯著影響，而對該層以上土壤水分的垂向變化影響較小。這與馬娟霞等［17］在黃土高原刺槐(Robinia pseudoacacia)林地得到的坡向?qū)ν寥浪钟绊懗蕵O顯著的結(jié)果不同，可能是由于研究區(qū)各坡向土質(zhì)垂向變化所致。從表層至35 cm 左右深度，3 個(gè)坡向土壤含水量變化曲線相似，均為先增大后減小，這主要是由于上層土壤水分變化受到相似地表氣象條件、土質(zhì)等因素影響，坡向不是該層土壤水分變化的主要影響因素。3 個(gè)坡向土壤含水量均在25 cm 左右處達(dá)到最大值，這是由于在25 ～30 cm 處存在堅(jiān)硬的犁底層，土壤水分在該處聚集，使得土壤含水量增大。對于陽坡土壤剖面，35 ～100 cm 土壤含水量持續(xù)降低，這是由于這一層次土壤雖為黏土，但含沙量逐漸增大，使得土壤含水量不斷減少;對于半陽坡剖面，由于35 ～75 cm 土質(zhì)由黑土逐漸轉(zhuǎn)化為黃黏土，因此在該層內(nèi)土壤含水量逐漸增大，在75 ～100 cm 處出現(xiàn)少許沙，但土質(zhì)仍以黏土為主，因此，土壤含水量在該層出現(xiàn)降低;對于半陰坡剖面，因35 ～75 cm 土質(zhì)逐漸由黏土向沙轉(zhuǎn)變，蓄水能力變差，導(dǎo)致土壤含水量逐漸降低，而在75 ～100 cm 處，因該坡向下坡位土質(zhì)為黃黏土，土壤含水量較高，導(dǎo)致該處土壤含水量呈現(xiàn)增大趨勢。

3.2 不同坡位土壤水分變化

研究區(qū)內(nèi)不同坡向土壤含水量隨坡位變化如圖3 所示，圖中數(shù)值是對各坡向不同坡位0 ～100 cm土壤含水量測量值平均得出。由圖3 可知各坡向不同坡位土壤含水量變化趨勢一致，即下坡位土壤含水量最大(陽坡47.4%、半陽坡46.5%、半陰坡46.5%)，上坡位次之(陽坡35.2%、半陽坡36.5%、半陰坡34.5%)，中坡位最小(陽坡23.0%、半陽坡35.4%、半陰坡22.4%)。這與葛翠萍等［3］在東北黑土區(qū)坡耕地得到的結(jié)果類似，但與邱揚(yáng)等［18］在黃土高原大南溝的研究結(jié)果以及王春紅等［19］在晉西黃土高原殘塬溝壑區(qū)河溝流域的研究結(jié)果(土壤含水量與坡位變化趨勢相反)不同。這主要是由于研究區(qū)坡度較小，表現(xiàn)為坡長坡緩地形，不同于黃土高原的短坡陡坡地形，下坡接收上坡來水較多，并且中坡位土壤侵蝕強(qiáng)烈，出現(xiàn)“破皮黃”，土質(zhì)較差，持水力較弱，而黃土高原土層深厚，各坡位土質(zhì)變化不大，此外，研究區(qū)中坡位的坡度也比上坡位和下坡位大，地表徑流通過時(shí)間短，故入滲少，次表層排水快。

圖2 不同坡向土壤水分剖面變化特征Fig.2 Soil moisture variation characteristics of soil profile on different slopes

圖3 各坡向不同坡位土壤水分變化特征Fig.3 Soil moisture variation characteristics at different slope positions from different slopes

不同坡向各坡位土壤含水量剖面變化存在差異。對于陽坡，其土壤含水量剖面變化如圖4(a)和(d)所示，在0 ～100 cm 土壤剖面內(nèi)，各坡位土壤含水量存在顯著差異，即坡位是各剖面土壤水分差異的主要影響因素。陽坡上坡位土壤含水量總體呈增加趨勢，這是由于表層受到的蒸發(fā)作用最為強(qiáng)烈，且上層水分不斷下滲，在犁底層附近聚集，因此在25 cm 處出現(xiàn)較大值，隨后有小幅減少，可能是由于犁底層的存在，阻礙了土壤水分的下滲，犁底層下土質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)換為黃黏土，土壤含水量逐漸增加。中坡位土壤含水量變化較為復(fù)雜，由于中坡位土壤侵蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)破皮黃，表層為黃沙土，保水性差，故土壤含水量較低，土質(zhì)在25 ～55 cm 處逐漸轉(zhuǎn)換為黃黏土，所以在這一深度范圍內(nèi)土壤含水量較高，55 ～100 cm 多為沙土，水分向下滲漏，土壤含水量有大幅降低。下坡位與上坡位相似，在0 ～25 cm 內(nèi)呈現(xiàn)增加趨勢，并在25 cm 處達(dá)到最大值。主要原因是該處犁底層的存在，水分在該處聚集，在25 ～55 cm 處土壤含水量呈減小趨勢，可能是受到犁底層影響，水分下滲困難，55 ～100 cm 范圍內(nèi)土質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)換為黃黏土，土壤含水量也先呈現(xiàn)出增加趨勢，但在75 cm 處開始減小。原因可能是由于季節(jié)性凍層的存在，融化時(shí)間較晚。

半陽坡土壤含水量剖面變化如圖4(b)和(e)所示，與陽坡不同的是，在0 ～25 cm 深度范圍內(nèi)，3個(gè)坡位土壤含水量差異不顯著，坡位對這一深度范圍無顯著影響，而在25 ～100 cm 深度范圍內(nèi)，3 個(gè)坡位土壤含水量存在顯著差異，即坡位是半陽坡這一深度內(nèi)土壤含水量變化的主要影響因素。半陽坡上坡位和中坡位土壤含水量剖面變化曲線相似，在0 ～35 cm 出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在25 cm 處出現(xiàn)最大值。其原因與陽坡相同，均是由于犁底層的存在，在35 ～75 cm 范圍內(nèi)因土質(zhì)由黑土向黃黏土的轉(zhuǎn)化，2 個(gè)坡位土壤含水量均有小幅增加，75 ～100 cm 范圍內(nèi)土質(zhì)中沙的含量逐漸增加，導(dǎo)致土壤含水量有明顯降低。下坡位土壤含水量剖面曲線與上、中坡位顯著不同，隨土層深度呈逐漸增大趨勢。這是由于下坡位主要是上方來沙沉積，測量深度內(nèi)土質(zhì)變化是由黑土到黃黏土，故土壤含水量逐漸增大。

半陰坡土壤含水量剖面變化如圖4(c)和(f)所示，與陽坡相似，在0 ～100 cm 土壤剖面內(nèi)，各坡位土壤含水量存在顯著差異，即坡位是各剖面土壤水分差異的主要影響因素。對于上、中坡位，土壤含水量剖面變化曲線相似，0 ～25 cm 土壤含水量變化與半陽坡相同，并在25 cm 處達(dá)到最大。這也是由于犁底層的存在使土壤水分在該處聚集所致。25 ～75 cm 深度范圍內(nèi)土壤含水量隨深度逐漸降低，這是土質(zhì)由黃黏土逐漸向沙黏土轉(zhuǎn)換的結(jié)果，使得水分不斷下滲，在75 ～100 cm 深度內(nèi)出現(xiàn)聚集;因此，土壤含水量在這一深度范圍內(nèi)小幅增加。下坡位土壤含水量變化與半陽坡下坡位類似，和上、中坡位存在明顯不同。其原因也是由于下坡位土壤主要來源于上、中坡流失的土壤，測量深度內(nèi)土質(zhì)變化也是由黑土到黃黏土所致。

圖4 各坡向不同坡位土壤水分剖面變化特征Fig.4 Soil moisture variation characteristics of soil profile at different slope positions from different slopes

4 結(jié)論與討論

以位于典型黑土區(qū)的黑龍江省鶴山農(nóng)場2 號小流域?yàn)檠芯繉ο?，研究了不同坡向和坡位的土壤水分變化特征及二者對土壤水分的影響。研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)各坡向土壤含水率變化不同于以往經(jīng)驗(yàn)，其大小順序表現(xiàn)為半陰坡＜陽坡＜半陽坡。0 ～35 cm深度深度范圍內(nèi)各坡向土壤含水量變化無顯著差異，且3 個(gè)坡向土壤含水量均呈先增大后減小的變化趨勢，并都在25 cm 處因犁底層阻礙水分下滲而達(dá)到最大;在35 ～100 cm 的土壤剖面范圍內(nèi)，坡向?qū)ν寥篮孔兓酗@著影響，各坡向土壤含水量變化趨勢分別為:陽坡土壤含水量曲線呈逐漸降低，半陽坡為先增大后降低，半陰坡呈先降低后增大。

3 個(gè)坡向土壤水分隨坡位變化的趨勢一致，均為下坡位土壤含水量最大，上坡位次之，中坡位最小。這主要是由于研究區(qū)坡長坡緩的地形特點(diǎn)以及中坡位土壤侵蝕嚴(yán)重造成的。各坡面不同坡位土壤水分剖面變化存在差異。對于陽坡，在測量深度范圍內(nèi)，坡位是各剖面土壤含水量變化的影響因素，上、下坡位土壤含水量曲線在0 ～35 cm 深度內(nèi)均呈先增大后減小趨勢;但下坡位變化幅度較上坡位大，35 ～100 cm 范圍內(nèi)上坡位土壤含水量隨深度逐漸增大，下坡位為先減小后增大再減小的趨勢，中坡位因土壤侵蝕嚴(yán)重、土質(zhì)變化較大，其土壤含水量變化曲線較復(fù)雜。對于半陽坡，3 個(gè)坡位0 ～25 cm 深度范圍內(nèi)土壤含水量變化一致，均呈逐漸增大趨勢，坡位對該層土壤水分影響不顯著;但坡位對25 ～100 cm 范圍內(nèi)土壤水分變化有顯著影響，上、中坡位在該范圍內(nèi)均呈先減小后增大再減小的變化趨勢，而下坡位呈逐漸增加趨勢。半陰坡與陽坡相似，坡位在測量深度內(nèi)是土壤水分變化的影響因素，上、中坡位土壤含水量均呈先增大(25 cm 處達(dá)到最大)后減小再增大的變化趨勢，下坡位變化與半陽坡下坡位相似，其土壤含水量隨深度逐漸增大。

本文僅從坡向和坡位角度探討了典型黑土區(qū)土壤水分變化特征，但如土地利用方式、土壤質(zhì)地和坡度等也對土壤水分變化有著重要影響。這些因素與土壤水分變化有何關(guān)系、因素之間是否有交互作用、以及哪些因素為主控因素，還需要進(jìn)一步探討。