碾子山段金长城坡面的土壤水分空间异质性研究

刘冬冬，乔 雪，刘 唱，陈浩铭，吴美玲，李进璞

(齐齐哈尔大学，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

1 引言

水土流失、沙漠化和环境污染被称为危及人类自身生存环境的三大公害。其中，水土流失作为影响区域生态安全的重要因子直接关系着生态的安全。水土流失的定义是指由于自然或人为因素的影响，雨水不能就地消纳、顺势下流、冲刷土壤，造成水分和土壤同时流失的现象。它包括土地表层流失和水的流失。水土流失是现今人们普遍关注的问题之一，它严重地影响着人类生活和经济社会的发展，成为众多自然灾害的主要根源。研究表明，土壤水分在不同的地点、土壤深度上表现出很明显的空间异质性[1，2]。在不同尺度上，控制土壤水分异质性的因素不尽相同，国内外开展了大量坡面土壤水分异质性及主控因素的研究，这些研究对理解不同区域土壤水分剖面、坡面分异特性及影响机制有重要的意义[3，4]。

根据金长城资源调查的结果，一直以来受洪灾、雨水侵蚀等自然因素和基础设施建设或其他人为因素影响，其土壤形态受到了严重破坏，因此，全面保护长城文化遗产已刻不容缓。为解决碾子山区金长城生态环境问题，必须对金长城在空间上和时间上进行不同尺度水土流失研究，为金长城的生态保护研究、环境管理与决策提供科学依据，以达到对金长城生态安全进行预警、调节和减少人类活动威胁的效果。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

齐齐哈尔市碾子山区依山傍水、植被丰富，位于齐齐哈尔西部，距齐齐哈尔市中心城区110 km。碾子山区的气候属于中温带底限偏寒、半湿润、大陆性季风气候，年平均积温2600～2650 ℃，列全市各区之末；年平均气温3.2 ℃；年平均降水量为450 mm。碾子山段金长城为黑龙江省与内蒙古自治区的界线，长为9748 m，位于碾子山与扎兰屯的交界处之间，为东北西南走向，基本位置在东经122°54′21.00″～122°47′58.70″北纬47°41′27.40″～47°39′36.30″之间，海拔高程244 m～293.2 m，相对高差49.2 m，以缓坡为主，坡长较。在同一坡面上，从坡顶到坡脚，土地利用结构单一，坡面土地利用(主要为草地)呈斑块化镶嵌，人为扰动痕迹明显，土壤类型为2°黑土。研究区突出的生态环境问题为低矮地貌及人为扰动的共同作用导致坡面水土流失严重。研究区位置如图1所示。

图1 研究区位置

2.2 采样与样品处理

研究区坡面典型的土地利用结构如下：农地-林地-草地-林地-农地。分别在6月份和9月份，选择典型坡面的阴坡、阳坡采集样品。采样方式为线状采样，每条样线按照坡脚、坡中、坡顶、坡中、坡脚等2 m间距依次设置5个样点，按0～20 cm和20～40 cm的剖面深度分层采样，共采集样点54个采样点，样线布设如图2所示。

为防止二次污染，土壤样品收集、混合等过程均采用木头、塑料等工具进行采样，将以称过质量的环刀垂直压入土内(必须保持环刀内土壤结构不受破坏)，然后取出带土的环刀，用锋利的土样刀削去两端外露的土壤，擦去环刀外面的土，立即加盖保存，并附注样品编号与土壤状态。

2.3 数据处理及分析方法

2.3.1 土壤容重

土壤容重亦是指一定容积的土壤烘干后的重量与同容积水重的比值。它与包括孔隙的1 cm3烘干土的重量用克来表示的土壤容重，在数值上是相同的。土壤容积比重可用来计算一定面积耕层土壤的重量和土壤孔隙度；也可作为土壤熟化程度指标之一，熟化程度较高的土壤，容积比重常较小。

将取回的环刀土样，拿掉环刀顶盖，先在电热板上烘干到近似风干状态，然后置入烘箱中，在105 ℃下烘干至恒重；对于有机质含量大于80 g/kg的湿地土壤，烘干时温度应该保持在80 ℃左右，烘干至恒重。计算公式如下：

(1)

式(1)中:βB为土壤容重，g/cm3；m1为环刀质量，g；m2为环刀和烘干土的质量，g；V为环刀容积，cm3。

2.3.2 土壤储水量

土壤储水量是指一定面积和土层内储存水分的数量。土壤储水量通常有两种方式表示，一种是用水分的容积表示；另一种是用水深表示，即储存水分相当于相同面积水层的厚度。土壤含水量为田间持水量时，土壤储存水分的数量为最大土壤储水量，即为土壤持水能力。超出土壤持水能力的灌溉水或降水则通过深层渗漏或地表径流损失掉。土壤储水量是土壤水分保持的一个重要参数。在降雨不平衡的年份和灌溉不便利地区，土壤储水量的大小对缓冲干旱或水涝具有重要作用。

(2)

式(2)中：Wi为各层次土壤储水量(mm);hi为土层深度(cm);ρi为各层次土壤容重(g/cm3);θi为各层次土壤质量含水量(%)。

2.4 统计分析

数据用Excel 2010和SPSS 20.0进行数据分析与处理，完成统计图表。

3 结果分析

3.1 土壤容重统计特征

对不同采样深度的土壤容重进行统计分析，如表1。由表1可知，在采样期，坡面土壤容重介于0.31 g/cm3～0.65 g/cm3，变化范围趋同；而从平均值来看，20～40 cm土壤容重明显高于表层，最大值可达0.57 g/cm3，由此可见，20～40 cm土壤的固水能力强；同一种土地利用方式下，无论是农地还是林地，纵向上随着土层深度的增加土壤容重的差异均不显著(P>0.05)。

表1 不同深度的土壤容重统计特征

3.2 不同坡面土壤水分空间异质性

对比不同样带的阳坡和阴坡的土壤容重，如图3和图4。由图3和图4可知，无论阴坡还是阳坡，各样带0～20 cm和20～40 cm土壤容重变化规律不太一致，整体上阳坡土壤容重低于阴坡，这和距离阴坡8m远的防护林带有很大的关系，林木的蒸腾作用可能是导致林地土壤容重降低的重要原因。这说明金长坡的坡面土壤易受不同土地利用类型的影响，它是土壤水分变异的重要影响因素。

图3 0～20 cm样带阳坡和阴坡土壤容重对比

图4 20～40 cm样带阳坡和阴坡土壤容重对比

再对比从阴坡到阳坡下，不同坡位下土壤容重的平均变化情况，如图5和图6所示。在单一土地利用结构下，从0～20 cm表层土壤来看，阳坡坡脚土壤容重差异性相对较小，变异系数为3.33%和14.02%，而阴坡坡脚土壤容重变异系数较高，为35.64%，土壤水分沿坡面的空间变异性较大；而20～40 cm土壤各坡位的土壤容重变异较小，但坡中和坡顶土壤容重显著高于坡脚。由此可见，研究区周围土地利用结构是影响金长城不同坡面的土壤容重的关键因素之一。

图5 0～20 cm不同坡位下土壤容重情况

图6 20～40 cm不同坡位下土壤容重情况

3.3 环境因子与土壤水分的关系

根据前人的研究成果可知[5～8]，土地利用类型是影响黑土区坡面土壤水分异质性的主控因素，坡度影响次之、坡位和海拔高度对坡面土壤水分异质性也均有影响。本研究发现，金长城坡面在单一土地利用结构下各坡位土壤容重有差异性，但也只有坡中与坡脚土壤容重差异显著，这与前人坡中土壤含水率显著小于坡脚含水率上的研究是相似的，可能是因为研究区为丘陵地貌，坡长且缓，而且位于阳坡的样线，靠近坡中位置由于太阳辐射导致的土壤水分损失最多，而坡脚位置接受坡面来水较多，土壤含水率较高。

4 结论

金长城的坡面土壤在同一种土地利用方式下，纵向上随着土层深度的增加土壤容重的差异均不显著；不同土地利用类型是坡面土壤水分变异的重要影响因素；研究区周围土地利用结构是影响金长城不同坡面的土壤容重的关键因素之一；金长城坡面在单一土地利用结构下各坡位土壤容重有差异性，但也只有坡中与坡脚土壤容重差异显著。

退耕还林这一重要举措为改善生态环境、保持土壤水分和恢复植被做出了巨大贡献，它不仅是一项走可持续发展之路的生态工程，而且已成为我国迈向小康社会的重要战略措施。退耕还林最直观的效果就是植被恢复绿意，水土流失影响减少，实现绿色经济社会的生态发展。因此，按照人与自然和谐相处的要求，控制人类活动对金长城的过度索取和侵害，同时继续开展以金长城的生态节水工程建设，持续高效利用水资源，实现土壤水分的优化配置，搞好天然林保护，改善生态环境。