不同坡耕地水土流失治理技術(shù)條件下的土壤水分變化特征

吳 昱，王曉艷

（1．黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱150090；2．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150030）

東北黑土區(qū)肩負(fù)著我國(guó)商品糧基地建設(shè)的重要任務(wù)。然而，由于自然條件與人為因素的影響，黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境日益惡化，特別是坡耕地水土流失已成為制約本區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一［1］。該區(qū)屬中溫帶濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，降雨時(shí)空分布不均，全年降雨量的80%集中在7—9月，雨期過(guò)度集中，高強(qiáng)度降雨時(shí)有發(fā)生，且土壤質(zhì)地粘重，過(guò)多的雨水來(lái)不及入滲，導(dǎo)致地表徑流過(guò)大而造成嚴(yán)重的水土流失，威脅著黑土區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源的可持續(xù)利用［2］。本研究將工程措施與農(nóng)業(yè)措施相結(jié)合用于坡耕地的水土保持，研究不同措施對(duì)土壤水分的影響，旨在為黑土區(qū)坡耕地水土保持提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2011年在位于東北黑土區(qū)典型黑土帶上的黑龍江省北安市紅星農(nóng)場(chǎng)3°坡耕地上的徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，土壤類型為草甸黑土。多年平均降水量553mm，7—9月為401．7mm，多年平均蒸發(fā)量1100～1200mm。

供試作物為大豆1778。選取鼠道、暗管兩種工程措施和壟向區(qū)田耕作技術(shù)，并將其有機(jī)集成，形成鼠道（SD）、壟向區(qū)田（LQ）、鼠道＋暗管（SA）、鼠道＋壟向區(qū)田（SQ）和鼠道＋暗管＋壟向區(qū)田（SAQ）5種坡耕地水土保持技術(shù)模式，另設(shè)常規(guī)耕作作為對(duì)照處理（CK）。將該5個(gè)處理布設(shè)在徑流小區(qū)內(nèi)，小區(qū)規(guī)格20m×5m。

土壤含水量的測(cè)定采用烘干法，按大豆生育期測(cè)定（播種、出苗、分枝、開(kāi)花、結(jié)莢、鼓粒、乳熟），測(cè)定層位分別為0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm 和80～100cm；降雨量采用自記雨量計(jì)自動(dòng)記錄。

2 結(jié)果與分析

2．1 0～100cm土層儲(chǔ)水量動(dòng)態(tài)變化

不同水土保持技術(shù)模式的0～100cm土層土壤儲(chǔ)水量動(dòng)態(tài)變化如圖1所示。其中，降水量與灌水量的值為各個(gè)生育期內(nèi)的總水量值，土壤儲(chǔ)水量值為各個(gè)生育期內(nèi)觀測(cè)時(shí)間的水量值。

在東北黑土旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤水分主要受大氣降水的補(bǔ)給［3］。由圖1可見(jiàn)，6種水土保持技術(shù)模式條件下的0～100cm土層土壤儲(chǔ)水量隨時(shí)間的變化的趨勢(shì)相同，其變化程度則因技術(shù)模式的不同而不同。開(kāi)花期到乳熟期，由于降雨量較小，且大豆處于生長(zhǎng)繁茂時(shí)期，蒸散發(fā)強(qiáng)度較大，使得土壤水分消耗過(guò)多。6月份土壤儲(chǔ)水量表現(xiàn)為降低狀態(tài)，各處理的土壤儲(chǔ)水量相差不大。7月初，壟向區(qū)田修筑完成，各處理土壤儲(chǔ)水量由大到小排序?yàn)椤笆蟮溃倒埽珘畔騾^(qū)田”、“鼠道＋壟向區(qū)田”、壟向區(qū)田、“鼠道＋暗管”、鼠道和對(duì)照。位于第一位的是“鼠道＋暗管＋壟向區(qū)田”，表明壟向區(qū)田具有較好的攔蓄降雨徑流、提高土壤儲(chǔ)水能力、控制水土流失的作用；鼠道在施工過(guò)程中可以疏松土壤，強(qiáng)化雨水入滲。在雨水集中的情況下，暗管加速土壤中雨水的排出。本研究在觀測(cè)期內(nèi)雨量較小，暗管的排水效應(yīng)需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

圖1 不同處理的0～100cm土層土壤儲(chǔ)水量動(dòng)態(tài)

2．2 土壤水分的剖面分布特征

不同處理各生育階段的土壤含水量垂直變化情況見(jiàn)圖2～圖8。由圖可以看出，不同技術(shù)模式均可提高土壤含水量，并且不同技術(shù)模式條件下的土壤水分變化趨勢(shì)相同，總的來(lái)說(shuō)，土壤水分的剖面分布均呈提高趨勢(shì)。而土壤剖面各土層土壤水分的時(shí)程變化主要受降雨和蒸散的綜合作用。6月份降雨19mm，補(bǔ)灌60mm。圖2、圖3表明，自大豆播種至出苗，因風(fēng)大雨少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，0～40cm土層的土壤水分變化較大，40～100cm土層的變化則較小。不同處理的土壤水分由大到小排序?yàn)椋骸笆蟮溃倒埽珘畔騾^(qū)田”、“鼠道＋暗管”、“鼠道＋壟向區(qū)田”、鼠道、壟向區(qū)田和對(duì)照處理。因壟向區(qū)田修筑于7月初，除壟向區(qū)田和對(duì)照處理的土壤水分無(wú)明顯變化外，其余處理的土壤水分均有所提高，主要是由于鼠道在施工時(shí)對(duì)其上部土壤的擾動(dòng)作用，鼠道犁在地表與鼠道之間形成縫隙，使降雨入滲加快而使得土壤含水量增加。

圖2 播種期土壤含水量的剖面分布

圖3 出苗期土壤含水量的剖面分布

圖4表明，因大豆分枝期雨量較大，不同處理的土壤水分由大到小排序?yàn)椋骸笆蟮溃倒埽珘畔騾^(qū)田”、“鼠道＋壟向區(qū)田”、壟向區(qū)田、“鼠道＋暗管”、鼠道和對(duì)照處理。該生育階段“鼠道＋暗管＋壟向區(qū)田”處理的分層土壤水分最高，這主要是壟向區(qū)田的修筑有效地?cái)r蓄了徑流，同時(shí)鼠道也加強(qiáng)了土壤入滲，二者有機(jī)集成使得土壤蓄水能力顯著提高。鼠道和“鼠道＋暗管”處理的土壤水分均低于壟向區(qū)田處理，這是由于前兩種處理的水分下滲較快，而壟向區(qū)田處理將多余的雨水蓄于土擋間，而后慢慢下滲。各處理開(kāi)花期土壤水分與分枝期具有同樣的變化趨勢(shì)，耕層土壤水分變化較大，而耕層以下變化則相對(duì)較緩（見(jiàn)圖5）。

圖4 分枝期土壤含水量的剖面分布

圖5 開(kāi)花期土壤含水量的剖面分布

結(jié)莢期大豆枝葉繁茂，需水量較大，并且此時(shí)氣溫較高，耗水量增加，使得土壤含水量明顯低于前一生育階段。不同處理的土壤水分由大到小依次為：“鼠道＋暗管＋壟向區(qū)田”、“鼠道＋壟向區(qū)田”、壟向區(qū)田、“鼠道＋暗管”、鼠道和對(duì)照處理（見(jiàn)圖6）。鼓粒期降雨量少，實(shí)施補(bǔ)灌60mm。該時(shí)期為大豆產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，耕層土壤含水量變化劇烈，且不同處理間土壤水分差距逐漸減小，主要該時(shí)期為大豆耗水高峰期，前期積累的水分將被消耗（見(jiàn)圖7）。乳熟期土壤水分變化差異增大，各層含水量均明顯低于前一生育階段（見(jiàn)圖8）。

2．3 土壤水分的空間變異特征

不同土層的土壤含水量變化主要受降雨和蒸散過(guò)程的綜合影響。近年來(lái)，定量化的方法——變異系數(shù)法被廣泛用于描述土壤水分的垂向分布特征［4－6］。

圖6 結(jié)莢期土壤含水量的剖面分布

圖7 鼓粒期土壤含水量的剖面分布

圖8 乳熟期土壤含水量的剖面分布

式中：Cv為變異系數(shù)；s為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

經(jīng)計(jì)算，不同土層的土壤含水量及相應(yīng)的變異系數(shù)Cv如表1所示。不同處理的土壤含水量變異系數(shù)Cv隨著土層的加深而逐漸遞減，即土壤含水量在垂向上表現(xiàn)為：土層越深，其含水量的變化程度越小。其中，0～10cm土層含水量的Cv值最大，主要是因?yàn)樵搶优c大氣系統(tǒng)交界，對(duì)氣候變化較敏感。10～40cm土層的含水量的Cv值有所降低，主要是該層植物根系分布集中，增加了對(duì)該層土壤水分的吸收。40～100cm土層少有植被根系分布，土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定。

表1 土壤水分的垂直變化特征

3 結(jié) 論

（1）0～100cm土層土壤儲(chǔ)水量受水土保持措施的影響明顯，但其影響程度因措施不同而不同。

由于研究時(shí)段內(nèi)土壤儲(chǔ)水量受氣候條件和農(nóng)田水文要素的影響，不同措施條件下的蓄雨減流能力有較大差異，以壟向區(qū)田筑擋時(shí)間為界分為前后兩個(gè)階段：前一階段，不同處理的土壤儲(chǔ)水量由大到小排序?yàn)椋骸笆蟮溃倒埽珘畔騾^(qū)田”、“鼠道＋暗管”、“鼠道＋壟向區(qū)田”、鼠道、壟向區(qū)田和常規(guī)耕作處理；后一階段，其順序?yàn)椋骸笆蟮溃倒埽珘畔騾^(qū)田”、“鼠道＋壟向區(qū)田”、“壟向區(qū)田”、“鼠道＋暗管”、鼠道和常規(guī)耕作處理。

（2）土壤水分受水土保持措施的影響明顯，其變化趨勢(shì)與降雨過(guò)程具有很好的相應(yīng)性。

仍以壟向區(qū)田筑擋時(shí)間為界，前一階段各處理的土壤含水量由大到小依次為：“鼠道＋暗管＋壟向區(qū)田”、“鼠道＋暗管”、“鼠道＋壟向區(qū)田”、鼠道、壟向區(qū)田和常規(guī)耕作處理；后一階段其順序?yàn)椋骸笆蟮溃倒埽珘畔騾^(qū)田”、“鼠道＋壟向區(qū)田”、壟向區(qū)田、“鼠道＋暗管”、鼠道和常規(guī)耕作處理。

（3）土壤剖面水分的垂直變化在一定程度上受降雨量的影響，土壤接受降雨補(bǔ)給的能力與土層所在深度呈負(fù)相關(guān)。

0～10cm土層的含水量Cv值最大，而10～40cm土層則有所降低，40～100cm土層土壤含水量則相對(duì)穩(wěn)定。

［1］黃志剛，李鋒瑞，曹云，等．南方紅壤丘陵區(qū)杜仲人工林土壤水分動(dòng)態(tài)［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18（9）：1937－1944．

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