東北黑土區壟作農田寒季表土水分垂直變化特征

鄭博藝, 范昊明

(沈陽農業大學 水利學院, 沈陽 110866)

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東北黑土區壟作農田寒季表土水分垂直變化特征

鄭博藝, 范昊明

(沈陽農業大學 水利學院, 沈陽 110866)

土壤水分變化受地形地貌、土壤質地、土地利用方式等多種因素的影響。在凍結期內，不同地表環境下土壤水分變化有明顯的不同。土壤水分含量的變化又會對凍結和融化過程中土壤物理性質產生影響，進而影響土壤的抗蝕性。為探究表土水分在凍結期內的變化過程，采用野外試驗方法，對東北黑土區內四種典型旱地土壤寒季表土水分變化進行研究，結果表明：2014—2015年不同地區0—30 cm表層土壤水分在凍結初期增加幅度較大，增加量大小為棕壤(西豐)>白漿化暗棕壤(梅河口)>黑土(海倫)>暗棕壤(扎蘭屯)，平均增加了3.1%，2.7%，2.5%，0.7%。隨著土壤凍結過程的持續，土壤水分增加量減少。垂直方向上，凍結期內四種土壤在0—10 cm土層水分含量平均值為海倫(35.3%)、西豐(27.1%)、梅河口(21.1%)、扎蘭屯(24.1%)，均高于其他土層。在坡面尺度上，由于不同坡位土壤、地形、耕地應用格局空間分布不同，進而影響水分向表層的遷移量。坡向對寒季表土水分變化的影響在不同地區表現不同。

坡位; 坡向; 凍結期; 表層土壤; 水分遷移; 東北黑土區

季節性凍土中的水分遷移作為自然界水循環中的一個重要環節，在農業、水資源、環境系統中都占有極其重要的地位[1]。土體的凍結過程往往伴生著水的過冷現象和水分遷移。由于溫度場的改變，導致土體中相態平衡的破壞，從而產生了各種驅動力，形成水分的運動。在土壤凍結過程中，增長著的冰晶不斷地從鄰近的水化膜中奪走水分，造成水化膜的變薄，而相鄰厚膜中的水分子又不斷地向薄膜補充，這樣依次傳遞形成了季節凍土凍結時水向凍結面的遷移[2-3]。氣溫的變化對土壤水分遷移有顯著的影響，中國東北黑土區位于中緯度，屬寒溫帶大陸性季風氣候，秋冬季節轉換過程中氣溫降低，土壤表層形成低溫界面，水汽不斷在界面附近凝結，在此期間，土壤水分有明顯的遷移進程[4]。太陽輻射、緯度地帶性、土壤含水量、土壤質地和地形等環境條件的變化，使凍結期內的表層土壤水分變化不同[5]。土壤水分具有明顯的時空異質性特征，在不同的時空尺度上，其影響因子存在差異[6]。大量研究表明，地形是影響土壤水分及其時空變異的一個重要因子[7-8]，影響土壤水分空間分布的地形因子主要包括坡度、坡向、坡位及相對高程。坡面尺度內，坡位和坡向是土壤水分分布的重要影響因素，不同坡向因受到太陽輻射不同，導致各坡面的蒸散發量存在差異，進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，上坡位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。

目前國內外對土壤水分變化的研究多集中于作物生長季節，而非生長季節的研究相對較少。實際上中高緯度地區表土受季節性凍層的影響較大，特別是東北黑土低山丘陵區旱地壟作農田，一方面土壤發生凍結時，土粒間孔隙水形成多種形式的冰侵入體，引起土體體積增加。隨著地溫的回升，膨脹的土體開始融化并形成較大孔隙，造成土壤的抗剪強度和抗蝕能力降低[9]。土壤類型[10]、凍結速率[11]和土壤含水量[12]等差異會導致土體抗蝕性變化不同。解凍期內地表積雪融化產生的融雪徑流可使表土受到嚴重的沖刷，增加了農田土壤侵蝕發生的可能性。另一方面，地表土壤在凍結期內由于水分的聚集形成了凍結滯水，凍結滯水的融化水滯留在土壤凍結層之上而形成季節性水資源，而在黑土區內的部分地區春季地表土壤含水量很低，對農業生產帶來一定的影響。本文以黑土區內坡耕地壟作農田為研究對象，通過野外試驗方法研究區內不同類型土壤以及坡耕地表土不同坡位、不同坡向在凍結期內土壤水分在垂直方向上的動態變化過程，以探明不同空間尺度內土壤水分向表層累積的特征，為防治融雪侵蝕以及在農業生產過程中對水資源的利用提供一定的指導。

1　研究區域與研究方法

1.1研究區概況

東北黑土區現為《全國水土保持區劃導則》中劃分的一級分區，總面積為103.02萬km2[13]，其中典型黑土區面積為10.84萬km2。本文在黑土區內選擇四個地區作為研究區域，分別為黑龍江省海倫市、吉林省梅河口市、遼寧省西豐縣和內蒙古扎蘭屯市。根據采樣點的經緯度(表1)和南京土壤研究所2002年的分類標準按土壤亞類劃分，確定采樣點的土壤為黑土、白漿化暗棕壤、棕壤和暗棕壤。這四種土壤由于所處地區的氣候、母質、地形、植被不同，因此土壤性質存在較大差異。海倫地區黑土為黑土土類，成土母質為黃土狀沉積物，質地為黏壤土至壤質黏土，黑土層厚30—50 cm，疏松、濕潤、土壤通透性差。梅河口地區白漿化暗棕壤為暗棕壤土類，成土母質為砂巖殘積物或坡積物，土壤質地為砂質壤土或砂質黏壤土，土壤有機質等養分缺乏，表層土壤持水性差。西豐地區棕壤為棕壤土土類，成土母質為花崗巖、片麻巖風化殘積物，土壤質地為壤土到黏壤土，多為團粒結構或粒狀結構，土壤持水性較好。扎蘭屯地區暗棕壤為暗棕壤土土類，成土母質為紅棕色泥質巖風化殘積物，土壤質地以黏壤土為主，黏粒下移淀積較為明顯，土體中礫石含量較多，持水性較好。不同區域內土壤機械組成存在明顯的差異，其中黑土土壤粒徑在小于0.02 mm范圍內所占比例較高，達到了66.57%，棕壤和暗棕壤土壤粒徑在0.002～0.2 mm范圍內所占比例較高，分別達到了63.36%和66.11%，白漿化暗棕壤土壤粒徑在0.02～2 mm范圍內所占比例較高，達到了61.62%。

表1　土壤機械組成和田間持水量

1.2研究方法

該研究以耕地坡面為研究對象，在每個地區選擇陰坡和陽坡作為采樣坡面(表2)，通過對樣點區域調研和GPS進行定位確定取土點。四個地區每年表土侵蝕厚度均不超過30 cm，因此在各坡面的上部、中部和下部分別選取0—30 cm土壤剖面(3次重復)作為采樣剖面，每個取樣點按10 cm分層取樣。在2014—2015年期間，11月到翌年2月期間每個月取樣一次，取回的土樣用烘干法測量土壤重量含水量，土壤含水量計算公式(1)所示。

(1)

式中：M1——鋁盒的質量；M2——鋁盒和濕土的總質量；M3——經過烘干后鋁盒和干土的總質量。

表2　采樣點坡度和坡向

注：315°～45°為陰坡，45°～90°，270°～315°為半陰坡，135°～225°為陽坡，90°～135°，225°～270°為半陽坡。

2　結果與分析

2.1耕地土壤水分變化特征

土壤質地是影響土壤水分遷移的主要原因之一，土壤質地是土壤固相物質各粒級土粒的配合比例，它通過對土粒的表面能、土壤孔隙尺度和分布的影響，對土壤水分運動的驅動力和水力傳導度產生影響[14]。一般情況下，由于重質土壤孔隙比輕質土壤細小，相同土壤結構、含水量和水勢梯度條件下，其水力傳導度小于輕質土壤。因此，重質土壤的土壤水分遷移能力小于輕質土壤。

11月至翌年2月期間不同地區0—30 cm土層土壤水分變化如圖1所示，11—12月期間，四個地區0—30 cm土層土壤由未凍結狀態轉變為凍結狀態，土壤孔隙水按重力水、毛細水、薄膜水順序依次凍結為冰，由于0—30 cm土層土壤處在非飽和層中，所以不考慮重力水的凍結過程。在這一階段，土壤內遷移水分主要為毛細水，水分遷移量較大，從圖1中可以看出不同種類土壤水分增加量大小為棕壤(3.1%)>白漿化暗棕壤(2.7%)>黑土(2.5%)>暗棕壤(0.7%)。土壤顆粒組成與孔隙分布不同對土壤水分遷移有顯著的影響。棕壤和白漿化暗棕壤土質較為疏松，土壤孔隙聯通較好，土壤水分遷移能力較強，但白漿化暗棕壤表土持水性較差，從表1中可以看出，白漿化暗棕壤田間持水量為23.2%，為四種土壤中最低，因此土壤水分遷移能力受土壤初始含水量影響較大。黑土表層土壤黏粒含量較多，土壤孔隙聯通較差，水分遷移能力較弱。暗棕壤土壤中礫石含量較多，影響了土壤導水性，土壤水分遷移能力較弱。從12月份至翌年2月下旬土壤完全凍結的情況下，不同土壤水分含量變化不大，表明土壤水分擴散到相變凝結后，水分遷移變化緩慢。在這一階段，土壤毛細水凍結成冰，遷移水分為已凍土中的未凍水，凍結土壤中未凍水含量受土的粒度成分和礦物組成影響較大。表3為不同種類土壤相鄰土層土壤水分相關性，從中可以看出，在1—2月期間，黑土和棕壤相鄰土層土壤水分含量顯著相關，白漿化暗棕壤和暗棕壤相鄰土層土壤水分含量不顯著，說明黑土和棕壤相鄰土層土壤水分垂向遷移較為明顯，主要由于這兩種土壤顆粒比表面積大，土壤中未凍水含量較多，因此土壤水分遷移范圍大。白漿化暗棕壤中砂粒含量較多，土壤顆粒比表面積小，土壤未凍水含量少，土壤水分遷移范圍小。

圖10-30 cm土壤水分含量隨時間變化

2.2不同坡位表土水分變化特征

為了反映土壤水分垂直變化情況，用變異系數(CV)表示其變化情況，CV為土壤含水量樣本的均方差與樣本平均值的比值，CV越大表示土壤水分變化越劇烈，反之表示土壤水分差異越小。在整個冬季(11月至翌年2月)，不同地區土壤水分平均值與變異系數垂直分布的變化趨勢見表4。在0—30 cm土層內，四個地區坡耕地不同層次土壤水分變化較為一致，均表現出0—10 cm土層土壤水分含量最高、變異系數最大。不同地區0—10 cm土層土壤水分平均值分別為海倫(35.3%)、西豐(27.1%)、梅河口(21.1%)、扎蘭屯(24.1%)，說明凍結期上層土壤首先凍結并聚集水分，越靠近凍層水分含量越大。在坡面尺度內，由于坡面土壤、地形和耕地應用格局空間分布不同，導致不同坡位表土凍結前水分分布不同，進而影響凍結過程中土壤水分向表層的遷移[15]。

海倫地處東北漫川漫崗區，土壤剖面分布為黏壤質到黏土類，研究區坡形為凸形坡，坡度較小，坡長較長，坡面土壤有明顯的垂直分帶性規律[16]。從表5中可以看出，不同坡位在0—30 cm土壤毛管孔隙度平均值大小為下坡位(44.1%)>上坡位(43.4%)>中坡位(34.8%)，這是由于下坡位表土主要以堆積為主，土層較厚，細顆粒土壤較多，中坡位表土受徑流沖刷影響較大，表層細顆粒土壤被剝蝕，土層較薄，黏粒土壤較多，上坡位表土受徑流沖刷的影響較小，土層較厚，細顆粒土壤較多。因此土壤凍結前不同坡位表土孔隙水含量大小為下坡位>上坡位>中坡位，土壤凍結后水分增加量大小為下坡位(5.4%)>上坡位(4.7%)>中坡位(1.2%)。

表3　相鄰土層土壤含水量相關性

注：*為在0.05水平上顯著；**為在0.01水平上顯著。

西豐、梅河口和扎蘭屯地處東北低山丘陵區，西豐地區土壤剖面垂直分布為黏壤土到沙土，研究區坡面坡度較大，坡長較小，上坡位和中坡位布設了坡式梯田，坡面土壤垂直分帶與海倫相比有較大差異。從表5中可以看出，在研究區內不同坡位在0—30 cm土壤毛管孔隙度平均值大小為中坡位(40.9%)>下坡位(38.4%)>上坡位(37.6%)，這是由于中坡位布設了梯田后，減弱了水流挾沙能力，導致徑流泥沙大多堆積于此，表土以黏壤土為主，上坡位土壤侵蝕最嚴重，表土多為粉砂土，下坡位地形起伏度較大，土壤水分側向流動較為明顯。不同坡位表土孔隙水含量大小為中坡位>上坡位>下坡位，土壤凍結后水分增加量大小為中坡位(6.6%)>上坡位(2.8%)>下坡位(2.1%)。梅河口和扎蘭屯兩個研究區內坡面土壤垂直分帶性不明顯，不同坡位地形和耕地應用結構沒有明顯的差異，因此前期表土水分分布受坡位的影響較小，在凍結期內水分變化差異較小。

2.3不同坡向表土水分變化特征

坡向對土壤水分的影響主要體現在光照、溫度、雨量、風速、土壤質地等因子的綜合作用上，坡向的差異可以最大程度地反映太陽輻射強度的差異，進而反映土壤水分含量的差異。土壤在凍結過程中由于溫度、土質和初始含水量不同對水分遷移會產生一定的影響。

從圖2中可以看出，在凍結期內，海倫、西豐、梅河口和扎蘭屯地區陰坡表土水分高于陽坡(p<0.05)，海倫和西豐地區不同坡向表土水分含量相差較大，為5%～10%(p<0.05)，梅河口和扎蘭屯地區相差較小，在3%以內(p<0.05)，這一差異可能由于不同地區不同坡向表土水分變化受到的地表氣象條件、土質等因素不同所致。西豐地區不同坡向表土水分含量相差最大，陰坡表土水分相比陽坡平均高出8.6%，這是因為陽坡表層土壤水分在土壤凍結前含量較低，僅有13.9%，土壤結構松散，吸水能力差，因此土壤完全凍結后水分增加量遠遠小于陰坡。在土壤剖面變化上，梅河口和扎蘭屯地區不同坡向表土在0—30 cm土層內土壤水分差異較小(p>0.05)，海倫地區不同坡向表土在0—10 cm土層土壤水分含量差異較大(p<0.05)，西豐地區不同坡向表土在0—30 cm土層土壤水分含量差異較大(p<0.001)，說明這兩個地區坡向對表土水分變化的影響表現不同，海倫地區坡向對表土水分變化的影響主要體現在地表蒸發，西豐地區坡向影響土壤凍結前的水分分布進而影響凍結過程中表土水分變化。從土壤水分隨時間變化上來看(圖2)，海倫、西豐和梅河口三個地區陰坡和陽坡表土水分變化趨勢相反，其中陰坡表土在完全凍結后水分含量逐漸減少，而陽坡逐漸增加。這一差異受地表積雪融化的影響較大，陰坡積雪融化量少，土壤滲透性差，土壤水分入滲量少，陽坡積雪融化量多，土壤滲透性強，土壤水分入滲量多。

表4　不同層次土壤水分平均值與變異系數

表5　不同層次土壤毛管孔隙度　%

圖2　不同坡向0-30 cm土層土壤水分含量隨時間變化

3　結 論

(1) 不同地區表土在凍結初期土壤水分遷移量較大，遷移水分為土壤毛細水，土壤水分增加量大小為棕壤(西豐)>白漿化暗棕壤(梅河口)>黑土(海倫)>暗棕壤(扎蘭屯)，分別增加了3.1%，2.7%，2.5%，0.7%。隨著表層土壤凍結過程的持續，土壤水分增加量減小。當表土處于完全凍結狀態時，遷移水分為已凍土中的未凍水，黑土和棕壤未凍水遷移明顯，白漿化暗棕壤和暗棕壤未凍水遷移不明顯。

(2) 在垂直方向上，不同地區表土水分在凍結期內向0—10 cm土層遷移。在坡面尺度內，坡面土壤侵蝕的結果使土壤在坡面上發生再分配，表土厚度的變化又引起土壤物理性質的變化進而影響凍結期內表土水分的變化。由于坡面土壤、地形和耕地應用格局不同，導致不同坡位表土凍結前水分分布不同，進而影響凍結過程中土壤水分向表層的遷移。

(3) 坡向主要通過影響土壤干濕狀態來影響土壤水分傳導度，進而影響土壤水分向表層的遷移。坡向對寒季表土水分變化的影響在不同地區表現不同，海倫地區坡向對表土水分的影響主要體現在地表蒸發對表土水分的影響，西豐地區坡向影響表土凍結前土壤水分垂直分布，進而影響土壤水分向表層的遷移，梅河口和扎蘭屯地區坡向對表土水分變化影響較小。

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Vertical Variation of Surface Soil Moisture in Ridge Tillage Farmland of Northeast Black Soil Region in China in Cold Season

ZHENG Boyi, FAN Haoming

(College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Soil moisture is affected by land use type, topography and geomorphology, soil texture and other factors. In the freezing period, soil moisture changes in different earth surface environment are obviously different. The change of soil moisture content will have an impact on the physical properties of the soil in the process of freezing and thawing, thereby affecting the soil anti erosion. For the inquiry of topsoil moisture in the change process of freezing period, we used field experiment method to examine four kinds of typical upland soil surface moisture change in northeast black soil region. The results showed that 0—30 cm surface soil moisture in different areas increased larger a lot at the beginning of the freezing, the increase in cotens followed the sequence: Brown soil (Xifeng)>Albic soil (Meihekou)>Black soil(Hailun)>Dark brown soil (Zhalantun), increased by 3.1%, 2.7%, 2.5%, 0.7%. As the soil freezing process continued, the increase in contents reduced. In vertical direction, average soil water contents in 0—10 cm layer of four kinds of soils were 35.3% (Helen), 27.1%( Xifeng), 21.1%( Meihekou), 24.1% (Zalantun ) which were higher than other soil layers. On slope scale, the spatial distribution pattern of soil, topography, and cultivated land application affects the amount of moisture migration to the surface. The influence of the slope aspect on surface soil moisture change is different in different areas in cold season.

slope position; slope aspect; freezing period; surface soil; moisture migration; northeast black soil region

2015-10-12

2015-11-03

國家自然科學基金“東北黑土低山丘陵區融雪侵蝕機理與過程研究”(41371272)

鄭博藝(1991—),男,遼寧沈陽人,碩士研究生,主要研究方向:水土流失監測與控制。E-mail:13214251167@163.com

范昊明(1972—),男,吉林白山人,博士,教授,主要研究方向:流域侵蝕、產沙與水土保持規劃。E-mail:fanhaoming@163.com

S152.7

A

1005-3409(2016)02-0028-06