碾子山段金長城坡面的土壤水分空間異質性研究

劉冬冬，喬 雪，劉 唱，陳浩銘，吳美玲，李進璞

(齊齊哈爾大學，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 引言

水土流失、沙漠化和環境污染被稱為危及人類自身生存環境的三大公害。其中，水土流失作為影響區域生態安全的重要因子直接關系著生態的安全。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象。它包括土地表層流失和水的流失。水土流失是現今人們普遍關注的問題之一，它嚴重地影響著人類生活和經濟社會的發展，成為眾多自然災害的主要根源。研究表明，土壤水分在不同的地點、土壤深度上表現出很明顯的空間異質性[1，2]。在不同尺度上，控制土壤水分異質性的因素不盡相同，國內外開展了大量坡面土壤水分異質性及主控因素的研究，這些研究對理解不同區域土壤水分剖面、坡面分異特性及影響機制有重要的意義[3，4]。

根據金長城資源調查的結果，一直以來受洪災、雨水侵蝕等自然因素和基礎設施建設或其他人為因素影響，其土壤形態受到了嚴重破壞，因此，全面保護長城文化遺產已刻不容緩。為解決碾子山區金長城生態環境問題，必須對金長城在空間上和時間上進行不同尺度水土流失研究，為金長城的生態保護研究、環境管理與決策提供科學依據，以達到對金長城生態安全進行預警、調節和減少人類活動威脅的效果。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

齊齊哈爾市碾子山區依山傍水、植被豐富，位于齊齊哈爾西部，距齊齊哈爾市中心城區110 km。碾子山區的氣候屬于中溫帶底限偏寒、半濕潤、大陸性季風氣候，年平均積溫2600～2650 ℃，列全市各區之末；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蒙古自治區的界線，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，從坡頂到坡腳，土地利用結構單一，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。研究區突出的生態環境問題為低矮地貌及人為擾動的共同作用導致坡面水土流失嚴重。研究區位置如圖1所示。

圖1 研究區位置

2.2 采樣與樣品處理

研究區坡面典型的土地利用結構如下：農地-林地-草地-林地-農地。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間距依次設置5個樣點，按0～20 cm和20～40 cm的剖面深度分層采樣，共采集樣點54個采樣點，樣線布設如圖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、塑料等工具進行采樣，將以稱過質量的環刀垂直壓入土內(必須保持環刀內土壤結構不受破壞)，然后取出帶土的環刀，用鋒利的土樣刀削去兩端外露的土壤，擦去環刀外面的土，立即加蓋保存，并附注樣品編號與土壤狀態。

2.3 數據處理及分析方法

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之一，熟化程度較高的土壤，容積比重常較小。

將取回的環刀土樣，拿掉環刀頂蓋，先在電熱板上烘干到近似風干狀態，然后置入烘箱中，在105 ℃下烘干至恒重；對于有機質含量大于80 g/kg的濕地土壤，烘干時溫度應該保持在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為環刀質量，g；m2為環刀和烘干土的質量，g；V為環刀容積，cm3。

2.3.2 土壤儲水量

土壤儲水量是指一定面積和土層內儲存水分的數量。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。在降雨不平衡的年份和灌溉不便利地區，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為各層次土壤質量含水量(%)。

2.4 統計分析

數據用Excel 2010和SPSS 20.0進行數據分析與處理，完成統計圖表。

3 結果分析

3.1 土壤容重統計特征

對不同采樣深度的土壤容重進行統計分析，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0.57 g/cm3，由此可見，20～40 cm土壤的固水能力強；同一種土地利用方式下，無論是農地還是林地，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計特征

3.2 不同坡面土壤水分空間異質性

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遠的防護林帶有很大的關系，林木的蒸騰作用可能是導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。在單一土地利用結構下，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，變異系數為3.33%和14.02%，而陰坡坡腳土壤容重變異系數較高，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，研究區周圍土地利用結構是影響金長城不同坡面的土壤容重的關鍵因素之一。

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 環境因子與土壤水分的關系

根據前人的研究成果可知[5～8]，土地利用類型是影響黑土區坡面土壤水分異質性的主控因素，坡度影響次之、坡位和海拔高度對坡面土壤水分異質性也均有影響。本研究發現，金長城坡面在單一土地利用結構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；研究區周圍土地利用結構是影響金長城不同坡面的土壤容重的關鍵因素之一；金長城坡面在單一土地利用結構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環境、保持土壤水分和恢復植被做出了巨大貢獻，它不僅是一項走可持續發展之路的生態工程，而且已成為我國邁向小康社會的重要戰略措施。退耕還林最直觀的效果就是植被恢復綠意，水土流失影響減少，實現綠色經濟社會的生態發展。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，同時繼續開展以金長城的生態節水工程建設，持續高效利用水資源，實現土壤水分的優化配置，搞好天然林保護，改善生態環境。