，， ,2，

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外觀測(cè)研究站， 黑龍江 哈爾濱，150081；2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 100049)

在“土壤-植物-大氣”連續(xù)系體中，以土壤為載體，接納大氣降水，大氣降水只有轉(zhuǎn)化為土壤水以后才能供給作物。所以土壤是蓄積大氣降水的最大水庫，土壤蓄積大氣降水的能力，因大氣降水的形態(tài)、強(qiáng)度、降水時(shí)間長(zhǎng)短、土壤所處的地形部位和土壤的機(jī)械組成以及水分物理性質(zhì)而發(fā)生變化。在我國(guó)北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤依靠其25 %～30 %的持水孔隙和較好的入滲能力，使大部分降水就地入滲，并蓄存在土壤中，形成土壤水。由于土壤儲(chǔ)水具有調(diào)節(jié)豐枯和持續(xù)供給作物的功能，所以在農(nóng)業(yè)上可以把土壤看作無形的水庫。降水時(shí)把土壤水分蓄積在土壤里，供給作物利用。無論是在全生育時(shí)期降水都不足還是只在某個(gè)階段降水不足的年份，作物耗水均可由土壤儲(chǔ)水，特別是深層儲(chǔ)水的調(diào)節(jié)得到改善[1]。東北黑土區(qū)的大氣降水主要發(fā)生在5-9月份的作物生長(zhǎng)季內(nèi)，占多年平均降水量的87.8 %，但是由于月降水量存在較大變異[2]，導(dǎo)致在作物生長(zhǎng)季內(nèi)出現(xiàn)了大氣降水能夠滿足作物生長(zhǎng)需要，并有部分降水儲(chǔ)存在土壤中的土壤濕潤(rùn)期；和大氣降水不能滿足作物生長(zhǎng)，土壤水被大量消耗的土壤干旱期的出現(xiàn)。通過對(duì)土壤干旱期和濕潤(rùn)期的劃分，分析不同土壤水分狀況時(shí)土壤中水分的變化情況，對(duì)于提出合理調(diào)控土壤水分的農(nóng)業(yè)措施，避免因?yàn)橥寥肋^澇或過旱引起的生產(chǎn)障礙具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站水肥耦合試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。海倫站地處黑土區(qū)中部，地勢(shì)平坦，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季，年平均氣溫1.5 ℃，極端最高溫度為37 ℃，極端最低溫度為-39.5 ℃，年降水量為500 mm～600 mm，主要集中在7、8、9月份，年均有效積溫2 450 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為2 600 h～2 800 h，無霜期為125 d。土壤類型為中厚層黑土，是在第四紀(jì)形成的黃土狀母質(zhì)上發(fā)育起來的地帶性土壤，質(zhì)地以黏性土為主，土壤物理性黏粒大于60 %，土壤固相比大于50 %，土壤膨脹性大于25 %，土體結(jié)構(gòu)致密，滲透能力弱，毛管水運(yùn)移速率較慢，土壤持水能力和保水能力較強(qiáng)，儲(chǔ)水庫容較大。地下水埋深20 m～30 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在海倫站水肥耦合長(zhǎng)期定位試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，供試土壤為典型黑土，開墾前為草甸草原植被，開墾歷史為100 a左右，前60 a不施肥，接下來20 a左右開始施用農(nóng)家肥，后20 a施用化學(xué)肥料。1993年將農(nóng)田設(shè)為3個(gè)肥料處理分別為CK(無肥區(qū)，不施用任何肥料)，NP(化肥區(qū)，N∶150 kg·hm-2，P2O5∶75 kg·hm-2)，NPM(化肥+有機(jī)肥區(qū)，N∶150 kg·hm-2，P2O5∶75 kg·hm-2，有機(jī)肥3 000 kg·hm-2)，小區(qū)面積為50.4 m2，完全隨機(jī)排列，4次重復(fù)。

選取2006年7月25日-8月1日之間累積降水量為135.0 mm為對(duì)象，研究濕潤(rùn)期黑土水分變化特征。由于選取的時(shí)間間隔較短，所以忽略作物對(duì)水分的消耗；同時(shí)此時(shí)期空氣濕度較大，土壤蒸發(fā)被忽略；試驗(yàn)在小區(qū)上進(jìn)行，小區(qū)的四周筑有0.15 m高的池埂，所以地表徑流也被忽略。選取2004年7月10日至8月25日干旱期土壤水分狀況為研究對(duì)象，該時(shí)期累計(jì)降水量為101.3 mm，與此段時(shí)間內(nèi)的潛在蒸散量199.5 mm相比，土壤水分虧缺了98.2 mm，土壤處于干旱時(shí)期。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與測(cè)定方法

在作物生育期間(5-10月)，每5 d用中子儀測(cè)定1次土壤體積含水量，土層深度依次為10 cm、20 cm、 30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、170 cm。0～10 cm和10 cm～20 cm土層土壤含水量利用TDR測(cè)定。

數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域大氣降水特征

黑龍江海倫黑土區(qū)近57 a(1952年-2008年)的大氣降水在很大的范圍內(nèi)圍繞平均值波動(dòng)，見圖1。從1952年到2008年的平均年降雨量為538 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為121 mm，變異系數(shù)為20.3 %。從趨勢(shì)上看降水呈現(xiàn)交錯(cuò)增加或減少的趨勢(shì)。最大年降雨量865 mm出現(xiàn)在1962年，最小年降水量300 mm出現(xiàn)在2001年，差值達(dá)到565 mm，高于多年平均降水量(538 mm)。

研究區(qū)不僅年降水量之間存在較大的差異，年內(nèi)降水量也有很大的波動(dòng)，不均勻地分配在每個(gè)月內(nèi)，見圖2。其中降水量最大值出現(xiàn)在7月，平均降水量為141 mm，占年平均年降雨量的26.1 %，其次分別為6月、8月和9月，分別占年平均年降水量的17.2 %、23.4 %和12.8 %。海倫地區(qū)作物生長(zhǎng)期為每年的5-9月，從圖中可以得出生長(zhǎng)季平均降雨量為473 mm，占年平均年降水量的87.6 %，說明海倫地區(qū)大部分降雨發(fā)生在作物生長(zhǎng)季節(jié)，符合該地區(qū)的夏季高溫多雨的氣候特點(diǎn)。而在休閑期即1-4月和10-12月總的降雨量為67 mm，在某些年份還出現(xiàn)了1-4月份某個(gè)月沒有降水的情況。1-4月份和10-12月份降水量變異較大，影響了作物休閑期內(nèi)土壤水分的貯存，甚至?xí)绊懸钅曜魑锓N植時(shí)底墑水的含量。從每個(gè)月降水的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)可以得出，各月的降水量在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)，其中作物生長(zhǎng)季內(nèi)的5-9月降水的變異系數(shù)在63.9 %和47.4 %之間波動(dòng)，12月和2月降水的變異最大，變異系數(shù)分別達(dá)到了110.6 %和111.6 %。月降水變異較大是引起研究區(qū)域季節(jié)性干旱出現(xiàn)的主要原因之一。

圖1 1952-2008年海倫黑土區(qū)大氣降水變化趨勢(shì)Fig.1 The trend of precipitation of Black soil zone in Hailun from 1952 to 2008

圖2 海倫黑土區(qū)平均每個(gè)月降水量Fig.2 The distribution of mean monthly precipitation in Black soil zone in Hailun

2.2 濕潤(rùn)期土壤水分變化特征

降水前土壤剖面的含水量隨著土層深度的增加而則增加，但是經(jīng)歷了累積135 mm的降水以后，土壤含水量的最大值出現(xiàn)在了20 cm～30 cm土層，此后隨著土層深度的增加土壤含水量呈減小的趨勢(shì)，見圖3。但是與降水前相比0～170 cm土壤剖面的含水量均表現(xiàn)出增加，說明降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)償作用已經(jīng)深達(dá)170 cm土層。t檢驗(yàn)顯示7月25日土壤含水量與7月31日土壤含水量之間存在顯著性差異(p< 0.05)，見表1。其中以0～50 cm土層土壤含水量增加的最多，其原因?yàn)楦鞣N耕作措施和作物根系的穿插作用使得該層土壤較為疏松，增加了降水的入滲，土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)明顯[3-4]。張北贏的研究也發(fā)現(xiàn)降水對(duì)表層土壤(0 ～ 30 cm)含水量的影響最為顯著，而對(duì)深層土壤水分影響較小[5]。

圖1已經(jīng)介紹了降水主要分布在0～50 cm土層，但是儲(chǔ)存降水的量在不同土層和施肥管理間存在差異，見圖4。不同施肥管理方式下0～50 cm土層儲(chǔ)存的降水量均表現(xiàn)為NPM>NP>CK，說明肥料的施用改善了土壤的結(jié)構(gòu)，增加了土壤對(duì)降水的蓄存能力和降水在土壤中的入滲能力，有機(jī)肥的施用表現(xiàn)的尤為明顯。但是在50 cm以下，隨著土層深度的增加肥料的作用就逐漸減小。其原因之一為在黑土中存在一個(gè)透水性極弱的土層，出現(xiàn)的深度為60 cm～100 cm，該層限制著上、下土層水分交換強(qiáng)度，特別是限制著降水的入滲深度[6-7]。只有在降水集中的月份，上層土壤中的水分才可以慢慢下滲，并使下層土壤含水量逐漸上升，見圖4。不同土層土壤含水量變化如下：0～10 cm土層土壤含水量平均增加了9.6 mm，與CK相比，NP和NPM分別增了7 %和22 %；10 cm～20 cm土層平均增加了15.3 mm，比CK，NP和NPM分別增了1.6 mm和1.7 mm；20 cm～30 cm土層均增加了19.4 mm，與CK相比，NP和NPM分別增了1.0 mm和4.2 mm；30 cm～50 cm土層平均增加了25.2 mm，與CK相比，NP和NPM分別增了3.7 mm和9.0 mm。50 cm土層以下NPM處理土壤含水量的增加量較少。50 cm～70 cm土層CK、NP和NPM分別增加了13.3 mm，11.8 mm和11.5 mm；70 cm～90 cm土層CK、NP和NPM分別增加了12.4 mm、10.7 mm和9.3 mm；90 cm～110 cm土層CK、NP和NPM分別增加了8.4 mm、10.7 mm和8.8 mm；隨著土層深度的增加剖面含水量的增加減少，110 cm～170 cm土層CK、NP和NPM分別增加了24.0 mm、20.9 mm和21.0 mm。0～170 cm土層NPM土壤儲(chǔ)水量增加的最多為129.0 mm，其次為NP(122.7 mm)和CK(119.8 mm)。說明有機(jī)肥的添加增加了土壤對(duì)大氣降水的蓄積能力，有利于提高大氣降水的利用效率。

圖3 濕潤(rùn)期土壤剖面含水量的變化Fig.3 Change of soil moisture in profile during wet period

處理Treatments兩個(gè)因素Two factors平均值Mean標(biāo)準(zhǔn)差Standard deviationt值t value顯著水平Significant levelCKNPNPM7月25日7月31日-8.254.87-5.620.00*-8.695.48-5.260.00*-9.436.61-4.7320.00*

2.3 干旱期土壤水分變化特征

2004年7月10日至8月25日，累計(jì)降水量為101.3 mm，與此段時(shí)間內(nèi)的潛在蒸散量199.5 mm相比，降水虧缺了98.2 mm，土壤中儲(chǔ)存的水分被大量消耗，土壤處于干旱時(shí)期。t檢驗(yàn)顯示7月10日土壤含水量與8月25日土壤含水量之間存在顯著性差異(p<0.05)，見表2。7月10日土壤含水量較高，CK，NP和NPM剖面含水量的平均分別為32.9 %，32.6 %和32.2 %，而經(jīng)過一段時(shí)間土壤蒸發(fā)和作物蒸騰以后到了8月25日土壤含水量在一個(gè)較低的水平，CK，NP和NPM剖面含水量的平均值分別為27.9 %，27.4 %和26.3 %，0～170 cm土層CK，NP和NPM的土壤儲(chǔ)水量分別減少了54.1 mm，57.2 mm和65.2 mm，分別占8月25日剖面土壤儲(chǔ)水量的17.6 %，18.9 %和22.6 %，說明與CK和NP相比NPM處理消耗了更多的土壤中儲(chǔ)存的水分。7月10日和8月25日間剖面土壤含水量的差異隨土層深度的增加而逐漸減小，在150 cm處差異消失，說明當(dāng)降水虧缺98.2 mm時(shí)受到影響的土壤深度深達(dá)150 cm，見圖5。

圖4 濕潤(rùn)期不同土層對(duì)大氣降水的響應(yīng)Fig.4 The response of soil layers to the rainfall during wet period

處理Treatments兩個(gè)因素Two factors平均值Mean標(biāo)準(zhǔn)差Standarddeviationt值t value顯著水平 Significant levelCKNPNPM7月10日8月25日4.925.662.880.016*5.195.693.020.013*5.936.043.260.009*

注：*表示在0.05水平上差異顯著。

不同土層的土壤含水量對(duì)干旱的響應(yīng)不一致，見圖6。表層土壤儲(chǔ)水量受干旱影響較大，CK，NP和NPM 0～10 cm土層土壤含水量分別減少了16.7 mm，16.0 mm和17.8 mm，占總消耗土壤水量的30.9 %，29.5 %和32.9 %；其次是10 cm～20 cm土層，分別減少了12.6 mm，13.4 mm和13.8 mm，占總消耗水量的23.4 %，24.8 %和25.5 %；20 cm～30 cm土層分別減少了9.2 mm，10.5 mm和10.5 mm，占總消耗水量的17.0 %，19.4 %和19.5 %；30 cm～50 cm土層分別減少了10.3 mm，11.6 mm和15.2 mm，占總消耗水量的19.1 %，21.4 %和28.1 %；50 cm～90 cm土層分別減少了3.0 mm，3.1 mm和4.9 mm，占總消耗水量的5.5 %，5.8 %和9.0 %；90 cm～170 cm土層分別減少了2.2 mm，2.2 cm和3.1 mm，占總消耗土壤含水量4.1 %，4.0 %和5.7 %。

圖5 干旱期剖面土壤水分分布Fig.5 The distribution of soil water content during dry period

圖6 不同施肥管理下干旱期剖面土壤含水量變化值 (土壤含水量變化值=土壤含水量(7月10日-8月25日))Fig.6 The variation of soil water content during dry period under different fertilization treatments(The variation of soil water content=soil water content (10 June to 25 August))

3 討 論

東北黑土區(qū)降水集中的時(shí)間是在7-9月份，但是由于此段期間內(nèi)降水的變異較大，見圖1，導(dǎo)致了土壤含水量較最低和較高的時(shí)期大都發(fā)生在此段時(shí)期。土壤的蓄水能力是評(píng)價(jià)土壤自我調(diào)控能力的主要指標(biāo)。農(nóng)田黑土由于有機(jī)質(zhì)含量較高，0～100 cm的田間持水量為387.3 mm，相當(dāng)于全年降水量的73 %；最大土壤蓄水量為575.9 mm，相當(dāng)于全年降水量的108 %；土壤有效蓄水量為242.7 %，相當(dāng)于全年降水量的46 %。由此可以看出農(nóng)田黑土的持水能力較強(qiáng)，蓄水庫容較大，這些性質(zhì)決定了農(nóng)田土壤水庫作用很強(qiáng)，尤其是上層疏松、下層緊實(shí)的土體結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了有利于土壤儲(chǔ)水的環(huán)境條件以及作物需水和土壤供水的內(nèi)在條件[8]。不同的施肥管理能夠影響土壤的水分-物理性質(zhì)，改善土壤的結(jié)構(gòu)[9]，進(jìn)而影響土壤對(duì)大氣降水的蓄積。孫建等研究表明有機(jī)肥和化肥的施用減小了土壤的密度和緊實(shí)度，增加了土壤的儲(chǔ)水量[10]。研究發(fā)現(xiàn)，在集中降水之后，大量降水進(jìn)入土壤0～170 cm，有機(jī)肥和化肥配施的土壤容納大氣降水的能力最大，占總降水量的96 %，其次是施用化肥的處理和無肥處理，0～170 cm土層容納大氣降水量分明分別占降水總量的91 %和89 %。因此通過施用有機(jī)肥來改善土壤對(duì)大氣降水的蓄積能力對(duì)提高大氣降水利用效率和減小地表徑流具有非常重要的意義。

在干旱時(shí)期受降水不充足的影響，土壤中的水分被大量消耗。受此時(shí)期作物根系分布的影響，不同土層被消耗的水分存在較大的差異。0～20 cm土層被消耗的土壤水分占總耗水量的50 %以上，與趙聚寶等研究認(rèn)為作物的根系最先利用表層土壤中的水分是相一致的[11]。在土壤水分不足的干旱或半干旱地區(qū)，作物通過增加對(duì)水流的阻力來節(jié)約有限的土壤水分并用于后期的生長(zhǎng)發(fā)育來適應(yīng)干旱逆境。對(duì)于年降水能夠補(bǔ)充土壤中的水分，降水時(shí)間集中在7月和8月的地區(qū)，作物生育后期處于干旱環(huán)境條件下，只能利用土壤深層的貯存水分，因此根系的深度和深根的密度是影響作物抗旱性的重要因素[12]。根系吸水量隨土壤深度增加而減少，但是當(dāng)土壤水分干旱時(shí)，根系吸收利用深層土壤水分就變得十分重要[13]。當(dāng)土壤水分發(fā)生脅迫時(shí)作物必須利用根層以外的土壤水分。當(dāng)降水缺乏量達(dá)到98.2 mm時(shí)，150 cm土層的土壤中的水分被吸收利用。因此研究區(qū)域內(nèi)深層土壤水分的供應(yīng)能力對(duì)于緩解干旱脅迫具有重要的作用。

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