碾子山段金長城坡面的土壤水分空間異質(zhì)性研究

劉冬冬，喬 雪，劉 唱，陳浩銘，吳美玲，李進(jìn)璞

(齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 引言

水土流失、沙漠化和環(huán)境污染被稱為危及人類自身生存環(huán)境的三大公害。其中，水土流失作為影響區(qū)域生態(tài)安全的重要因子直接關(guān)系著生態(tài)的安全。水土流失的定義是指由于自然或人為因素的影響，雨水不能就地消納、順勢下流、沖刷土壤，造成水分和土壤同時流失的現(xiàn)象。它包括土地表層流失和水的流失。水土流失是現(xiàn)今人們普遍關(guān)注的問題之一，它嚴(yán)重地影響著人類生活和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，成為眾多自然災(zāi)害的主要根源。研究表明，土壤水分在不同的地點(diǎn)、土壤深度上表現(xiàn)出很明顯的空間異質(zhì)性[1，2]。在不同尺度上，控制土壤水分異質(zhì)性的因素不盡相同，國內(nèi)外開展了大量坡面土壤水分異質(zhì)性及主控因素的研究，這些研究對理解不同區(qū)域土壤水分剖面、坡面分異特性及影響機(jī)制有重要的意義[3，4]。

根據(jù)金長城資源調(diào)查的結(jié)果，一直以來受洪災(zāi)、雨水侵蝕等自然因素和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)或其他人為因素影響，其土壤形態(tài)受到了嚴(yán)重破壞，因此，全面保護(hù)長城文化遺產(chǎn)已刻不容緩。為解決碾子山區(qū)金長城生態(tài)環(huán)境問題，必須對金長城在空間上和時間上進(jìn)行不同尺度水土流失研究，為金長城的生態(tài)保護(hù)研究、環(huán)境管理與決策提供科學(xué)依據(jù)，以達(dá)到對金長城生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)警、調(diào)節(jié)和減少人類活動威脅的效果。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

齊齊哈爾市碾子山區(qū)依山傍水、植被豐富，位于齊齊哈爾西部，距齊齊哈爾市中心城區(qū)110 km。碾子山區(qū)的氣候?qū)儆谥袦貛У紫奁?、半濕潤、大陸性季風(fēng)氣候，年平均積溫2600～2650 ℃，列全市各區(qū)之末；年平均氣溫3.2 ℃；年平均降水量為450 mm。碾子山段金長城為黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)的界線，長為9748 m，位于碾子山與扎蘭屯的交界處之間，為東北西南走向，基本位置在東經(jīng)122°54′21.00″～122°47′58.70″北緯47°41′27.40″～47°39′36.30″之間，海拔高程244 m～293.2 m，相對高差49.2 m，以緩坡為主，坡長較。在同一坡面上，從坡頂?shù)狡履_，土地利用結(jié)構(gòu)單一，坡面土地利用(主要為草地)呈斑塊化鑲嵌，人為擾動痕跡明顯，土壤類型為2°黑土。研究區(qū)突出的生態(tài)環(huán)境問題為低矮地貌及人為擾動的共同作用導(dǎo)致坡面水土流失嚴(yán)重。研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置

2.2 采樣與樣品處理

研究區(qū)坡面典型的土地利用結(jié)構(gòu)如下：農(nóng)地-林地-草地-林地-農(nóng)地。分別在6月份和9月份，選擇典型坡面的陰坡、陽坡采集樣品。采樣方式為線狀采樣，每條樣線按照坡腳、坡中、坡頂、坡中、坡腳等2 m間距依次設(shè)置5個樣點(diǎn)，按0～20 cm和20～40 cm的剖面深度分層采樣，共采集樣點(diǎn)54個采樣點(diǎn)，樣線布設(shè)如圖2所示。

為防止二次污染，土壤樣品收集、混合等過程均采用木頭、塑料等工具進(jìn)行采樣，將以稱過質(zhì)量的環(huán)刀垂直壓入土內(nèi)(必須保持環(huán)刀內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)不受破壞)，然后取出帶土的環(huán)刀，用鋒利的土樣刀削去兩端外露的土壤，擦去環(huán)刀外面的土，立即加蓋保存，并附注樣品編號與土壤狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

2.3.1 土壤容重

土壤容重亦是指一定容積的土壤烘干后的重量與同容積水重的比值。它與包括孔隙的1 cm3烘干土的重量用克來表示的土壤容重，在數(shù)值上是相同的。土壤容積比重可用來計算一定面積耕層土壤的重量和土壤孔隙度；也可作為土壤熟化程度指標(biāo)之一，熟化程度較高的土壤，容積比重常較小。

將取回的環(huán)刀土樣，拿掉環(huán)刀頂蓋，先在電熱板上烘干到近似風(fēng)干狀態(tài)，然后置入烘箱中，在105 ℃下烘干至恒重；對于有機(jī)質(zhì)含量大于80 g/kg的濕地土壤，烘干時溫度應(yīng)該保持在80 ℃左右，烘干至恒重。計算公式如下：

(1)

式(1)中:βB為土壤容重，g/cm3；m1為環(huán)刀質(zhì)量，g；m2為環(huán)刀和烘干土的質(zhì)量，g；V為環(huán)刀容積，cm3。

2.3.2 土壤儲水量

土壤儲水量是指一定面積和土層內(nèi)儲存水分的數(shù)量。土壤儲水量通常有兩種方式表示，一種是用水分的容積表示；另一種是用水深表示，即儲存水分相當(dāng)于相同面積水層的厚度。土壤含水量為田間持水量時，土壤儲存水分的數(shù)量為最大土壤儲水量，即為土壤持水能力。超出土壤持水能力的灌溉水或降水則通過深層滲漏或地表徑流損失掉。土壤儲水量是土壤水分保持的一個重要參數(shù)。在降雨不平衡的年份和灌溉不便利地區(qū)，土壤儲水量的大小對緩沖干旱或水澇具有重要作用。

(2)

式(2)中：Wi為各層次土壤儲水量(mm);hi為土層深度(cm);ρi為各層次土壤容重(g/cm3);θi為各層次土壤質(zhì)量含水量(%)。

2.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)用Excel 2010和SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，完成統(tǒng)計圖表。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤容重統(tǒng)計特征

對不同采樣深度的土壤容重進(jìn)行統(tǒng)計分析，如表1。由表1可知，在采樣期，坡面土壤容重介于0.31 g/cm3～0.65 g/cm3，變化范圍趨同；而從平均值來看，20～40 cm土壤容重明顯高于表層，最大值可達(dá)0.57 g/cm3，由此可見，20～40 cm土壤的固水能力強(qiáng)；同一種土地利用方式下，無論是農(nóng)地還是林地，縱向上隨著土層深度的增加土壤容重的差異均不顯著(P>0.05)。

表1 不同深度的土壤容重統(tǒng)計特征

3.2 不同坡面土壤水分空間異質(zhì)性

對比不同樣帶的陽坡和陰坡的土壤容重，如圖3和圖4。由圖3和圖4可知，無論陰坡還是陽坡，各樣帶0～20 cm和20～40 cm土壤容重變化規(guī)律不太一致，整體上陽坡土壤容重低于陰坡，這和距離陰坡8m遠(yuǎn)的防護(hù)林帶有很大的關(guān)系，林木的蒸騰作用可能是導(dǎo)致林地土壤容重降低的重要原因。這說明金長坡的坡面土壤易受不同土地利用類型的影響，它是土壤水分變異的重要影響因素。

圖3 0～20 cm樣帶陽坡和陰坡土壤容重對比

圖4 20～40 cm樣帶陽坡和陰坡土壤容重對比

再對比從陰坡到陽坡下，不同坡位下土壤容重的平均變化情況，如圖5和圖6所示。在單一土地利用結(jié)構(gòu)下，從0～20 cm表層土壤來看，陽坡坡腳土壤容重差異性相對較小，變異系數(shù)為3.33%和14.02%，而陰坡坡腳土壤容重變異系數(shù)較高，為35.64%，土壤水分沿坡面的空間變異性較大；而20～40 cm土壤各坡位的土壤容重變異較小，但坡中和坡頂土壤容重顯著高于坡腳。由此可見，研究區(qū)周圍土地利用結(jié)構(gòu)是影響金長城不同坡面的土壤容重的關(guān)鍵因素之一。

圖5 0～20 cm不同坡位下土壤容重情況

圖6 20～40 cm不同坡位下土壤容重情況

3.3 環(huán)境因子與土壤水分的關(guān)系

根據(jù)前人的研究成果可知[5～8]，土地利用類型是影響黑土區(qū)坡面土壤水分異質(zhì)性的主控因素，坡度影響次之、坡位和海拔高度對坡面土壤水分異質(zhì)性也均有影響。本研究發(fā)現(xiàn)，金長城坡面在單一土地利用結(jié)構(gòu)下各坡位土壤容重有差異性，但也只有坡中與坡腳土壤容重差異顯著，這與前人坡中土壤含水率顯著小于坡腳含水率上的研究是相似的，可能是因為研究區(qū)為丘陵地貌，坡長且緩，而且位于陽坡的樣線，靠近坡中位置由于太陽輻射導(dǎo)致的土壤水分損失最多，而坡腳位置接受坡面來水較多，土壤含水率較高。

4 結(jié)論

金長城的坡面土壤在同一種土地利用方式下，縱向上隨著土層深度的增加土壤容重的差異均不顯著；不同土地利用類型是坡面土壤水分變異的重要影響因素；研究區(qū)周圍土地利用結(jié)構(gòu)是影響金長城不同坡面的土壤容重的關(guān)鍵因素之一；金長城坡面在單一土地利用結(jié)構(gòu)下各坡位土壤容重有差異性，但也只有坡中與坡腳土壤容重差異顯著。

退耕還林這一重要舉措為改善生態(tài)環(huán)境、保持土壤水分和恢復(fù)植被做出了巨大貢獻(xiàn)，它不僅是一項走可持續(xù)發(fā)展之路的生態(tài)工程，而且已成為我國邁向小康社會的重要戰(zhàn)略措施。退耕還林最直觀的效果就是植被恢復(fù)綠意，水土流失影響減少，實現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)社會的生態(tài)發(fā)展。因此，按照人與自然和諧相處的要求，控制人類活動對金長城的過度索取和侵害，同時繼續(xù)開展以金長城的生態(tài)節(jié)水工程建設(shè)，持續(xù)高效利用水資源，實現(xiàn)土壤水分的優(yōu)化配置，搞好天然林保護(hù)，改善生態(tài)環(huán)境。