大興安嶺東麓耕地土壤含水量變化規(guī)律分析

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(1.呼倫貝爾市農(nóng)牧技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 海拉爾 021008；2.呼倫貝爾學(xué)院，內(nèi)蒙古 海拉爾 021008)

位于大興安嶺東麓中段的扎蘭屯市、阿榮旗和莫旗是內(nèi)蒙古自治區(qū)糧食重點(diǎn)產(chǎn)區(qū)，更是國家重要商品糧基地，其中莫旗年均糧食產(chǎn)量穩(wěn)定在17.5億kg，連續(xù)17a被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部評(píng)為“全國糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣”。扎蘭屯市、阿榮旗和莫旗主要種植作物有大豆、玉米、水稻、小麥、馬鈴薯、雜糧等。各旗市耕地類型多為旱地，作物需水的直接來源是土壤水分,其多少直接影響作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的形成[1,2]。土壤含水量受氣象、土壤、農(nóng)業(yè)等多種因素共同影響,其監(jiān)測(cè)結(jié)果可為農(nóng)田灌溉提供依據(jù)[2,3]。研究土壤水分變化規(guī)律及其與降水、蒸發(fā)的關(guān)系，對(duì)農(nóng)田合理灌水、防旱抗災(zāi)具有重要意義[4,5]。

1 區(qū)域概況

扎蘭屯市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、呼倫貝爾市南端，地處大興安嶺山脈的東麓中段、松嫩(遼)平原西側(cè)。海拔250～1706m，有山地、丘陵、平原和河谷4種地形單元。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。氣候特點(diǎn)是太陽輻射較強(qiáng)，日照豐富，冬季漫長、嚴(yán)寒干冷；夏季短而溫?zé)?，雨量集中，氣溫年、日較差大；春季升溫快，秋天氣溫劇降，積溫有效性高。主要有棕色針葉林土、暗棕壤、黑土、草甸土、沼澤土和水稻土6種土壤類型[6]。

阿榮旗位于呼倫貝爾市東南部，背倚大興安嶺，面眺松嫩平原，全境地貌呈中低山-丘陵漫崗地形。地勢(shì)由西北向東南呈階梯式下降，海拔由1149m逐漸過渡到198m。屬于溫帶大陸性半濕潤氣候，由于受地勢(shì)及植被的不同影響，溫度自南向北逐漸遞減，年平均氣溫1.7℃。年平均降水量458.4mm，主要集中在6—8月，占全年降水量的70%，年均蒸發(fā)量1455.3mm。無霜期90～130d[7]。

莫旗位于呼倫貝爾市最東部、大興安嶺東麓中段、嫩江西岸。全境地勢(shì)由西北向東南傾斜，平均海拔400m。有山丘、丘陵、平原3大地貌。屬中溫帶大陸性的季風(fēng)氣候，無霜期平均115d，平均氣溫1.3℃。平均降水量在400～500mm[8]。

莫旗監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤類型以暗棕壤為主，阿榮旗監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤類型主要是黑土，扎蘭屯市監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤類型多為草甸土。

2 監(jiān)測(cè)資料

整編了大興安嶺東麓2014—2019年的土壤墑情和氣象資料。土壤含水量數(shù)據(jù)來自扎蘭屯市、阿榮旗和莫力達(dá)瓦旗15個(gè)墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)資料。降水量、蒸發(fā)量資料均來自呼倫貝爾市氣象局。其中阿榮旗、莫旗蒸發(fā)量數(shù)據(jù)有殘缺，其余數(shù)據(jù)完整。

土壤含水量取樣工作于4月下旬開始，每月10日、25日進(jìn)行。取樣深度為0～20cm和20～40cm 2個(gè)層次，每個(gè)層次取3次重復(fù)，取平均值作為該樣點(diǎn)該層次的最終含水量，用烘干法計(jì)算。監(jiān)測(cè)日遇到降雨時(shí)，延后取樣。進(jìn)入冬季土壤表層封凍后停止取樣。

3 土壤含水量變化規(guī)律分析

3.1 空間變化

繪制大興安嶺東麓扎蘭屯市、阿榮旗和莫旗3個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)站0～20cm和20～40cm 2個(gè)土層月平均土壤含水量變化圖，見圖1。

圖1 各監(jiān)測(cè)站不同土層土壤含水量月變化

3.1.1 水平空間變化

從圖1可以看出，莫旗0～20cm和20～40cm 2個(gè)土層月均土壤含水量明顯均高于扎蘭屯市和阿榮旗，而扎蘭屯市和阿榮旗土壤含水量接近，扎蘭屯市略高于阿榮旗。土壤含水量受降水、蒸發(fā)影響較大。扎蘭屯市、莫旗月均降水量高于阿榮旗，且阿榮旗月均蒸發(fā)量大于扎蘭屯市。土壤含水量還受土壤類型影響。北部的莫旗監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤類型以暗棕壤為主，而中部的阿榮旗監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤類型以黑土為主。大興安嶺山地暗棕壤帶年平均溫度-1～2℃，濕潤度0.8～1.0；黑土帶年平均溫度0～2.5℃，年降水量濕潤度0.65～0.8[9]。整體看來，大興安嶺東麓中段土壤含水量總體北部較高，中部和南部較低。

3.1.2 垂直空間變化

表1 不同深度土層土壤含水量統(tǒng)計(jì)

表1列出了扎蘭屯市、阿榮旗和莫旗3個(gè)監(jiān)測(cè)站不同深度土層的土壤含水量。結(jié)合圖1可看出，同一監(jiān)測(cè)站深層(20～40cm)土壤含水量的平均值均略高于表層土壤(10～20cm)含水量平均值，且扎蘭屯市、阿榮旗和莫旗表層土壤含水量變異系數(shù)也高于深層土壤。這是由于土壤含水量易受蒸發(fā)和降水2個(gè)氣象因素的影響，而0～20cm土壤由于接近地表，土壤含水量所受影響更明顯。

3.2 時(shí)間變化

3.2.1 土壤水分年際變化特點(diǎn)

匯總大興安嶺東麓各監(jiān)測(cè)站年平均土壤含水量和各年的降水量數(shù)據(jù)，繪制年際土壤含水量和降水量曲線，見圖2，分析各站年平均土壤含水量隨時(shí)間變化趨勢(shì)。通過圖2可知，2017年扎蘭屯市、阿榮旗、莫旗3個(gè)監(jiān)測(cè)站年降水量最低，分別為316.6mm、387.8mm和373.9mm，而當(dāng)年各監(jiān)測(cè)站土壤含水量也是歷年中最低。在降水量較高的2014年、2015年、2018年和2019年，各監(jiān)測(cè)站0～20cm和20～40cm 2個(gè)土層的土壤含水量也高。土壤含水量的年際變化與降水量呈正相關(guān)。

圖2 各監(jiān)測(cè)站土壤含水量和降水量的年際變化

圖3 2014—2019年扎蘭屯市含水量與蒸發(fā)量

根據(jù)整理的蒸發(fā)氣象資料，繪制扎蘭屯監(jiān)測(cè)站年平均土壤含水量和歷年蒸發(fā)量曲線，如圖3所示。在蒸發(fā)量較低的2014年和2015年扎蘭屯市土壤含水量為歷年中較高值，分別為22.91%、23.64%，而在蒸發(fā)量最高的2017年，土壤含水量?jī)H為18.6%。土壤含水量受地表蒸發(fā)的影響明顯。土壤含水量年際變化與蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)。結(jié)合圖2和圖3可知，2014年、2015年扎蘭屯市降水量大、蒸發(fā)量小，土壤含水量高；而2017年扎蘭屯市降水量小、蒸發(fā)量大，土壤含水量低。

3.2.2土壤水分年內(nèi)變化特點(diǎn)

圖4是大興安嶺東麓2014—2019年土壤含水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及嶺東月均降水、蒸發(fā)量變化圖。表2統(tǒng)計(jì)了大興安嶺東麓各季土壤含水量。大興安嶺東麓3月土壤尚未完全解凍，11月進(jìn)入封凍期，監(jiān)測(cè)區(qū)間為4—10月。春季(3—5月)地溫升高，積雪融化，土壤解凍初期，土壤含水量保持在封凍前水平，含水量都較高，墑情處于適宜水平。由于氣候原因，春季大風(fēng)天氣多，氣溫快速升高，蒸發(fā)量變大，且春季少雨，春旱頻發(fā)，導(dǎo)致春季土壤含水量變異系數(shù)最大，達(dá)17.42%。夏季(6—8月)是全年降水的集中期，也是全年日均溫最高的時(shí)期，進(jìn)入夏季后作物生長速度加快，植物蒸騰和地面蒸發(fā)愈發(fā)明顯，受多種因素影響土壤含水量變化強(qiáng)烈。入秋后氣溫降低，降水、蒸發(fā)、植物蒸騰及地面蒸發(fā)影響逐漸減小，土壤水分變化緩慢，且主要在土壤表層進(jìn)行[8]，隨著氣溫的逐漸下降，土壤開始封凍，土壤含水量總體趨于穩(wěn)定。土壤含水量年內(nèi)變化春季最明顯，夏季次之，秋季趨于平緩。

圖4 2014—2019年大興安嶺東麓土壤含水量及月均降水、蒸發(fā)量

表2 不同季節(jié)土壤含水量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)比不同監(jiān)測(cè)站土壤含水量曲線可知，受降水、蒸發(fā)和土壤類型的影響，各處土壤含水量有差異，大興安嶺東麓中段水平方向總體北部含水量較高，中南部略低。

在垂直方向，表層土壤含水量變化比深層土壤明顯。此結(jié)果與鐘維斌[10]、李曉敏[11]研究結(jié)論一致。

因阿榮旗、莫旗蒸發(fā)數(shù)據(jù)殘缺，土壤含水量與蒸發(fā)曲線僅對(duì)扎蘭屯市進(jìn)行了分析；土壤含水量與降水曲線則對(duì)扎蘭屯市、阿榮旗和莫旗3市進(jìn)行了分析。從年際變化看，土壤含水量與降水量、蒸發(fā)量分別呈正、負(fù)相關(guān)關(guān)系。且降水量大、蒸發(fā)量小的年份，土壤含水量高；而降水量小、蒸發(fā)量大的年份，土壤含水量低，與鐘維斌分析結(jié)果一致[10]。

土壤含水量年內(nèi)變化呈春季最明顯，夏季次之，秋季穩(wěn)定。此結(jié)果與顧建芹等墑情研究結(jié)果不完全一致[2]。受氣候影響，當(dāng)?shù)卮杭旧郎乜欤箫L(fēng)天氣多，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水少，尤其遇干旱年份，土壤失墑嚴(yán)重，變異最強(qiáng)，此結(jié)論與顧建芹等所述不同[2]。而夏季降雨集中，土壤含水量急劇上升，加之溫度較高、光照強(qiáng)烈，作物需水多蒸騰大，地表蒸發(fā)大，土壤含水量消耗多，變異系數(shù)較大；秋季氣溫、降水量、蒸發(fā)量逐漸減弱，土壤水分變化穩(wěn)定，與顧建芹等研究結(jié)果一致[2]。