不同坡耕地水土流失治理技术条件下的土壤水分变化特征

吴 昱，王晓艳

（1．黑龙江农垦勘测设计研究院，黑龙江 哈尔滨150090；2．东北农业大学水利与建筑学院，黑龙江 哈尔滨150030）

东北黑土区肩负着我国商品粮基地建设的重要任务。然而，由于自然条件与人为因素的影响，黑土区农业生态环境日益恶化，特别是坡耕地水土流失已成为制约本区农业可持续发展的重要因素之一［1］。该区属中温带湿润大陆性季风气候，降雨时空分布不均，全年降雨量的80%集中在7—9月，雨期过度集中，高强度降雨时有发生，且土壤质地粘重，过多的雨水来不及入渗，导致地表径流过大而造成严重的水土流失，威胁着黑土区农业水土资源的可持续利用［2］。本研究将工程措施与农业措施相结合用于坡耕地的水土保持，研究不同措施对土壤水分的影响，旨在为黑土区坡耕地水土保持提供理论依据。

1 材料与方法

试验于2011年在位于东北黑土区典型黑土带上的黑龙江省北安市红星农场3°坡耕地上的径流小区内进行，土壤类型为草甸黑土。多年平均降水量553mm，7—9月为401．7mm，多年平均蒸发量1100～1200mm。

供试作物为大豆1778。选取鼠道、暗管两种工程措施和垄向区田耕作技术，并将其有机集成，形成鼠道（SD）、垄向区田（LQ）、鼠道＋暗管（SA）、鼠道＋垄向区田（SQ）和鼠道＋暗管＋垄向区田（SAQ）5种坡耕地水土保持技术模式，另设常规耕作作为对照处理（CK）。将该5个处理布设在径流小区内，小区规格20m×5m。

土壤含水量的测定采用烘干法，按大豆生育期测定（播种、出苗、分枝、开花、结荚、鼓粒、乳熟），测定层位分别为0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm 和80～100cm；降雨量采用自记雨量计自动记录。

2 结果与分析

2．1 0～100cm土层储水量动态变化

不同水土保持技术模式的0～100cm土层土壤储水量动态变化如图1所示。其中，降水量与灌水量的值为各个生育期内的总水量值，土壤储水量值为各个生育期内观测时间的水量值。

在东北黑土旱作农业区，土壤水分主要受大气降水的补给［3］。由图1可见，6种水土保持技术模式条件下的0～100cm土层土壤储水量随时间的变化的趋势相同，其变化程度则因技术模式的不同而不同。开花期到乳熟期，由于降雨量较小，且大豆处于生长繁茂时期，蒸散发强度较大，使得土壤水分消耗过多。6月份土壤储水量表现为降低状态，各处理的土壤储水量相差不大。7月初，垄向区田修筑完成，各处理土壤储水量由大到小排序为“鼠道＋暗管＋垄向区田”、“鼠道＋垄向区田”、垄向区田、“鼠道＋暗管”、鼠道和对照。位于第一位的是“鼠道＋暗管＋垄向区田”，表明垄向区田具有较好的拦蓄降雨径流、提高土壤储水能力、控制水土流失的作用；鼠道在施工过程中可以疏松土壤，强化雨水入渗。在雨水集中的情况下，暗管加速土壤中雨水的排出。本研究在观测期内雨量较小，暗管的排水效应需进一步试验研究。

图1 不同处理的0～100cm土层土壤储水量动态

2．2 土壤水分的剖面分布特征

不同处理各生育阶段的土壤含水量垂直变化情况见图2～图8。由图可以看出，不同技术模式均可提高土壤含水量，并且不同技术模式条件下的土壤水分变化趋势相同，总的来说，土壤水分的剖面分布均呈提高趋势。而土壤剖面各土层土壤水分的时程变化主要受降雨和蒸散的综合作用。6月份降雨19mm，补灌60mm。图2、图3表明，自大豆播种至出苗，因风大雨少，蒸发强烈，0～40cm土层的土壤水分变化较大，40～100cm土层的变化则较小。不同处理的土壤水分由大到小排序为：“鼠道＋暗管＋垄向区田”、“鼠道＋暗管”、“鼠道＋垄向区田”、鼠道、垄向区田和对照处理。因垄向区田修筑于7月初，除垄向区田和对照处理的土壤水分无明显变化外，其余处理的土壤水分均有所提高，主要是由于鼠道在施工时对其上部土壤的扰动作用，鼠道犁在地表与鼠道之间形成缝隙，使降雨入渗加快而使得土壤含水量增加。

图2 播种期土壤含水量的剖面分布

图3 出苗期土壤含水量的剖面分布

图4表明，因大豆分枝期雨量较大，不同处理的土壤水分由大到小排序为：“鼠道＋暗管＋垄向区田”、“鼠道＋垄向区田”、垄向区田、“鼠道＋暗管”、鼠道和对照处理。该生育阶段“鼠道＋暗管＋垄向区田”处理的分层土壤水分最高，这主要是垄向区田的修筑有效地拦蓄了径流，同时鼠道也加强了土壤入渗，二者有机集成使得土壤蓄水能力显著提高。鼠道和“鼠道＋暗管”处理的土壤水分均低于垄向区田处理，这是由于前两种处理的水分下渗较快，而垄向区田处理将多余的雨水蓄于土挡间，而后慢慢下渗。各处理开花期土壤水分与分枝期具有同样的变化趋势，耕层土壤水分变化较大，而耕层以下变化则相对较缓（见图5）。

图4 分枝期土壤含水量的剖面分布

图5 开花期土壤含水量的剖面分布

结荚期大豆枝叶繁茂，需水量较大，并且此时气温较高，耗水量增加，使得土壤含水量明显低于前一生育阶段。不同处理的土壤水分由大到小依次为：“鼠道＋暗管＋垄向区田”、“鼠道＋垄向区田”、垄向区田、“鼠道＋暗管”、鼠道和对照处理（见图6）。鼓粒期降雨量少，实施补灌60mm。该时期为大豆产量形成的关键时期，耕层土壤含水量变化剧烈，且不同处理间土壤水分差距逐渐减小，主要该时期为大豆耗水高峰期，前期积累的水分将被消耗（见图7）。乳熟期土壤水分变化差异增大，各层含水量均明显低于前一生育阶段（见图8）。

2．3 土壤水分的空间变异特征

不同土层的土壤含水量变化主要受降雨和蒸散过程的综合影响。近年来，定量化的方法——变异系数法被广泛用于描述土壤水分的垂向分布特征［4－6］。

图6 结荚期土壤含水量的剖面分布

图7 鼓粒期土壤含水量的剖面分布

图8 乳熟期土壤含水量的剖面分布

式中：Cv为变异系数；s为样本标准差。

经计算，不同土层的土壤含水量及相应的变异系数Cv如表1所示。不同处理的土壤含水量变异系数Cv随着土层的加深而逐渐递减，即土壤含水量在垂向上表现为：土层越深，其含水量的变化程度越小。其中，0～10cm土层含水量的Cv值最大，主要是因为该层与大气系统交界，对气候变化较敏感。10～40cm土层的含水量的Cv值有所降低，主要是该层植物根系分布集中，增加了对该层土壤水分的吸收。40～100cm土层少有植被根系分布，土壤含水量相对稳定。

表1 土壤水分的垂直变化特征

3 结 论

（1）0～100cm土层土壤储水量受水土保持措施的影响明显，但其影响程度因措施不同而不同。

由于研究时段内土壤储水量受气候条件和农田水文要素的影响，不同措施条件下的蓄雨减流能力有较大差异，以垄向区田筑挡时间为界分为前后两个阶段：前一阶段，不同处理的土壤储水量由大到小排序为：“鼠道＋暗管＋垄向区田”、“鼠道＋暗管”、“鼠道＋垄向区田”、鼠道、垄向区田和常规耕作处理；后一阶段，其顺序为：“鼠道＋暗管＋垄向区田”、“鼠道＋垄向区田”、“垄向区田”、“鼠道＋暗管”、鼠道和常规耕作处理。

（2）土壤水分受水土保持措施的影响明显，其变化趋势与降雨过程具有很好的相应性。

仍以垄向区田筑挡时间为界，前一阶段各处理的土壤含水量由大到小依次为：“鼠道＋暗管＋垄向区田”、“鼠道＋暗管”、“鼠道＋垄向区田”、鼠道、垄向区田和常规耕作处理；后一阶段其顺序为：“鼠道＋暗管＋垄向区田”、“鼠道＋垄向区田”、垄向区田、“鼠道＋暗管”、鼠道和常规耕作处理。

（3）土壤剖面水分的垂直变化在一定程度上受降雨量的影响，土壤接受降雨补给的能力与土层所在深度呈负相关。

0～10cm土层的含水量Cv值最大，而10～40cm土层则有所降低，40～100cm土层土壤含水量则相对稳定。

［1］黄志刚，李锋瑞，曹云，等．南方红壤丘陵区杜仲人工林土壤水分动态［J］．应用生态学报，2007，18（9）：1937－1944．

［2］邹文秀，韩晓增，李良皓，等．黑土区不同土地利用方式土壤水分动态变化特征研究［J］．水土保持学报，2009，23（2）：236－239．

［3］陈有君，红梅，李绍良．浑善达克沙地不同植被下的土壤水分状况［J］．干旱地区资源与环境，2004，18（l）：68－73．

［4］王晓燕，陈洪松，王克林，等．不同利用方式下红壤坡地土壤水分时空动态变化规律研究［J］．水土保持学报，2006，20（2）：110－114．

［5］王膑，钱晓刚，彭熙，等．花江峡谷不同植被类型下土壤水分时空分布特征［J］．水土保持学报，2006，20（5）：139－142．

［6］王军，傅伯杰．黄土丘陵小流域土地利用结构对土壤水分时空分布的影响［J］．地理学报，2001，55（1）：84－91．