黑土區(qū)坡耕地土壤水分時空分布特征及對降雨的響應(yīng)

侯淑濤，王 爍，王軼昂，劉煥軍，，孟令華，宋夢寧，侯永華

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理與法學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130012）

土壤水分通常指的是存儲在非飽和土壤中的供水量[1]，作為基本的水文狀態(tài)變量之一，其時空格局對于了解關(guān)鍵地帶的農(nóng)業(yè)、水文、土壤和環(huán)境過程具有重要意義[2]。土壤水分作為連接降水、地表水和地下水的紐帶，通過影響蒸發(fā)蒸騰和光合作用來影響水、能量和生物地球化學(xué)的循環(huán)[3]。土壤水分對降雨的響應(yīng)同時也是水文循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，因此，加強(qiáng)對土壤水分對于降雨事件響應(yīng)的研究尤為重要。眾多學(xué)者關(guān)于土壤水分對降雨的響應(yīng)特征做了大量研究。關(guān)于黃土高原的研究結(jié)果表明，不同的植被覆蓋會影響降雨下滲量[4-5]；ZHU等[6]關(guān)于太湖流域的研究結(jié)果表明，降雨后土壤水分變化程度受雨量、降雨強(qiáng)度以及前期土壤濕度共同影響；田迅等[7]從不同角度出發(fā)分析了內(nèi)蒙古草原不同坡位、坡向?qū)ν寥浪址植嫉挠绊?；白雨詩等[8]關(guān)于三峽山地溝谷的研究結(jié)果表明，微地形的差異使得不同坡位對土壤水分的響應(yīng)存在差異。此外，國內(nèi)外研究學(xué)者針對降雨中形成的壤中流進(jìn)行了廣泛的討論[9-11]。以上研究表明，土地利用特征、地形、土壤性質(zhì)、降雨特征和優(yōu)先流等因素會顯著影響土壤水分空間分布及其對降雨的響應(yīng)。但目前國內(nèi)關(guān)于土壤水分對降雨響應(yīng)的研究主要針對干旱和半干旱地區(qū)，對濕潤地區(qū)研究較少，而且所研究的土地類型主要針對林地、草地等，對農(nóng)田尤其是坡耕地的研究相對較少。

東北黑土區(qū)作為全球僅有的四大黑土帶之一，是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，2000—2018 年糧食總產(chǎn)量占全國比重由11.5%上升到20.26%，承擔(dān)著保障國家糧食安全的重任[12]，該區(qū)地形相對平坦，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，多被開墾成坡耕地。由于該地降雨強(qiáng)度大且集中，耕地表層土壤疏松，加上傳統(tǒng)的直坡壟作耕作方式為水土流失提供了先決條件，坡耕地黑土層以2～3 mm/a 的速度遞減[13]。東北黑土區(qū)屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，土壤水分補(bǔ)充只能依靠自然降水，降水進(jìn)入土壤后才能被農(nóng)作物吸收[14]。土壤水分在農(nóng)作物生長發(fā)育過程中發(fā)揮著不可替代的作用，是農(nóng)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)。鑒于此，以典型黑土區(qū)坡耕地為研究對象，探討不同坡位不同土層土壤蓄水量之間的差異，系統(tǒng)分析0～100 cm 土層土壤水分對降雨的響應(yīng)及變化特征，揭示造成不同坡位之間響應(yīng)差異的主要因素，以期為區(qū)域土壤水分監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)和墑情監(jiān)測提供數(shù)據(jù)及理論支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

友誼農(nóng)場位于黑龍江省雙鴨山市友誼縣境內(nèi)（北 緯46°28′15″～46°58′39″，東 經(jīng)137°27′50″～132°15′38″），屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫2.5 ℃，年平均降雨量500 mm。土壤類型為白漿土，地塊平均高程155 m，呈南高北低，地勢起伏明顯（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置與坡耕地地形Fig.1 Location of the study area and topography of the slope farmland

自2020年開始，為防止水土流失試驗(yàn)地采用等高種植取代傳統(tǒng)直壟模式種植玉米。為探究坡耕地不同坡位土壤水分差異，在試驗(yàn)地不同坡位共選取5 個點(diǎn)位（坡上、東線坡中及坡下、西線坡中及坡下5個坡位），分別命名為G1—G5（圖1）。G1、G4和G5，G1、G2 和G3 位于不同的直線上，分別命名為西線和東線，東線坡度較陡，西線較緩。G1 點(diǎn)位于坡耕地頂部，高程高，坡度大；G2 與G4 點(diǎn)位在同一條壟線上，處于田塊中部；G3與G5點(diǎn)位在同一條壟線上，處于坡耕地底部，地勢較低。樣地內(nèi)坡位概況經(jīng)調(diào)查和測定后具體情況見表1。

表1 樣地不同點(diǎn)位特征Tab.1 Characteristics of different point position in sample plots

1.2 研究方法

1.2.1 土壤水分、降雨量的測定與降雨場次選定

在坡耕地選點(diǎn)并挖掘土壤剖面，安裝土壤水分傳感器（智墑＋云智能土壤水分監(jiān)測儀，東方智感），原狀土回填。數(shù)據(jù)采集頻次為1 h，可以實(shí)時監(jiān)測0～100 cm 共10 層（每層10 cm）的土壤含水量和土壤溫度數(shù)據(jù)。玉米生長期在6—8 月，傳感器于2021 年6 月安裝，因此，選取2021 年7—8 月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

在試驗(yàn)地自動氣象站對氣象狀況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，觀測降雨、風(fēng)速、氣溫等氣象數(shù)據(jù)。使用翻斗式雨量筒（TE525MM，Texas Electronics）測定降雨量，其中降雨數(shù)據(jù)30 min 記錄1 次。監(jiān)測期間（7 月1日—8 月31日）共發(fā)生15次降雨事件。研究區(qū)降雨以小雨為主，占總降雨事件次數(shù)的66.67%，但對觀測時段總降雨量貢獻(xiàn)率僅為19.9%；中雨事件對總降雨量的貢獻(xiàn)最大，占總降雨量的47.4%，對區(qū)域土壤水分含量影響顯著。

從15 場降雨中選取3 場典型降雨事件，以時刻為橫坐標(biāo)，降雨量和土壤含水量為縱坐標(biāo)，分別得到小雨（24 h 降雨量＜10 mm）、中雨（24 h 降雨量為10～25 mm）、暴雨（24 h 降雨量為50～100 mm）條件下各土層土壤含水量變化特征。

1.2.2 數(shù)字高程數(shù)據(jù)獲取 在2021 年4 月試驗(yàn)地裸土期，運(yùn)用大疆-精靈Phantom 4 RTK 無人機(jī)對試驗(yàn)地塊采集地形信息。采用PIX4D 航測軟件進(jìn)行空三加密處理后，生成分辨率為0.04 m 的高精度數(shù)字高程模型（Digital elevation model，DEM）。結(jié)合坡耕地壟作寬度，將DEM 重采樣為2 m，在ArcGIS 軟件中提取相關(guān)地形因子：高程（Elevation）、坡度（Slope）、坡向（Aspect）。

1.2.3 土壤蓄水量（SWS）計(jì)算 土壤蓄水量是衡量土壤含水量狀態(tài)的重要指標(biāo)，用來評估干旱造成的危害程度。本研究中，將樣點(diǎn)i在j時刻與深度kcm 的土壤含水量θ(i,j,k)轉(zhuǎn)換為土壤蓄水量，并將其累加分別得到淺層（0～50 cm）、深層（50～100 cm）的土壤蓄水量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換公式：

1.2.4 土壤水分對降雨的響應(yīng)特征分析 用土壤水分的響應(yīng)時長表示土壤水分對降雨的響應(yīng)速度；土壤水分的增量與初始土壤水分之比表示土壤水分變化幅度；土壤水分的增量與達(dá)到最大值的時長之比表示次降雨對土壤水分補(bǔ)給速率，定量分析不同坡位、不同土層對降雨的響應(yīng)特征。各指標(biāo)計(jì)算公式：

式中，Δts為次降雨過程中土壤水分開始響應(yīng)所耗費(fèi)的時長；t1為各土層土壤水分開始增加的時間；t0為降雨開始的時間；Δtr為次降雨過程中土壤水分達(dá)到峰值所用的時長；t2為各土層觀測到土壤水分達(dá)到峰值的時間；ΔC為土壤水分變化幅度；ΔSWr為降雨后的土壤水分增量；SWmax為降雨后土壤水分最大值；SW0為土壤水分初始值；Vs為次降雨對土壤水分的補(bǔ)給速率。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 使用Excel 2010 統(tǒng)計(jì)軟件與Origin 2021 繪圖軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑土區(qū)坡耕地不同點(diǎn)位0～100 cm土層土壤水分統(tǒng)計(jì)分析

2.1.1 土壤水分水平分布特征 由圖2 可知，不同點(diǎn)位間土壤含水量存在明顯差異。不同點(diǎn)位0～100 cm土層平均土壤含水量表現(xiàn)為G5（34.63%）＞G4（34.18%）＞G3（33.17%）＞G2（30.31%）＞G1（30.00%），不同點(diǎn)位 0～100 cm土層土壤含水量平均變異系數(shù)表現(xiàn)為G1（20.38%）＞G3（19.19%）＞G2（18.79%）＞G5（16.14%）＞G4（11.31%）。結(jié)合各坡位高程（表1），G1 由于位于坡頂，高程相對較大，水分受重力影響容易向坡下匯集，導(dǎo)致G1 點(diǎn)位土壤含水量明顯低于坡下位（G5、G3）。在相同坡位下，陰坡的平均土壤含水量高于半陰坡（G4＞G2、G5＞G3）。在變異系數(shù)方面，坡頂G1 點(diǎn)位剖面平均土壤含水量變異系數(shù)最大，土壤含水量最不穩(wěn)定，相同坡位下，陰坡的土壤平均水分變異系數(shù)低于半陰坡（G2＞G4、G3＞G5）。

圖2 黑土區(qū)坡耕地不同點(diǎn)位0～100 cm土層土壤水分箱線圖（a）與土壤水分變異系數(shù)（b）Fig.2 Box map of soil moisture（a）and coefficient of variation of soil moisture（b）in 0—100 cm soil layer at different point positions of sloping farmland in black soil area

2.1.2 土壤水分垂直分布特征 由圖2 可知，不同土層間的土壤含水量存在明顯差異。G1 點(diǎn)位0～40 cm 土層與40～100 cm 土層土壤含水量存在明顯差異，G2 點(diǎn)位趨勢同G1 點(diǎn)位一致；G4 點(diǎn)位0～20 cm與20～100 cm 土層土壤含水量存在明顯差異；G3 與G5 點(diǎn)位趨勢一致，0～30 cm 土層與30～100 cm 土層土壤含水量存在明顯差異?？傮w上看，隨著土層加深土壤含水量呈上升趨勢，40 cm 以下土層水分分布比40 cm 以上土層土壤更均勻、水分差距較上層進(jìn)一步縮小。這說明坡度、坡向等因素對坡耕地土壤水分的影響主要集中在40 cm 以上土層，對深層土壤水分影響作用較小。從變異系數(shù)來看，坡耕地表層10 cm 處土壤含水量變異系數(shù)最大，為21.68%～40.49%，而深土層100 cm 處土壤變異系數(shù)均降低到10%以下，為2.40%～9.87%，總體上呈現(xiàn)出隨土層深度增加而減小的趨勢。深層土壤含水量更穩(wěn)定。

2.2 黑土區(qū)坡耕地土壤蓄水量變化及其對降雨的響應(yīng)特征

2.2.1 土壤蓄水量變化 為了更好地評估干旱造成的危害程度，將100 cm 土層分為2 層，繪制監(jiān)測期內(nèi)0～50 cm（淺層）與50～100 cm（深層）土壤蓄水量對降雨的響應(yīng)圖。從圖3 可知，7 月至8 月中下旬，各點(diǎn)位土壤蓄水量總體上呈現(xiàn)下降趨勢。由于研究區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)大氣降水不均導(dǎo)致季節(jié)性干旱出現(xiàn)。其中7 月21 日—8 月21 日研究區(qū)僅降雨16.1 mm，此期間地溫和氣溫逐漸升高，地表蒸發(fā)及玉米蒸騰作用開始增強(qiáng)，淺層土壤含水量快速減少，由于玉米在抽穗期和灌漿期生長水分主要來自30～100 cm 土壤[15]，而且深處土壤含水量受溫度和土壤蒸發(fā)影響較小，能為玉米生長提供所需水分，所以此期間淺、深層土壤蓄水量均呈明顯下降趨勢。

圖3 黑土區(qū)坡耕地不同土層土壤蓄水量對降雨的響應(yīng)Fig.3 Response of soil water storage in different soil layers to rainfall in sloping farmland in black soil area

2.2.2 土壤蓄水量對降雨的響應(yīng)特征 各點(diǎn)位淺層土壤水分的波動次數(shù)和幅度較為劇烈，隨降水發(fā)生急劇增加或減少，而深層土壤蓄水量變化幅度小，土壤蓄水量增長幅度低于淺層土壤，維持相對穩(wěn)定水平（圖3）?？傮w上看，小于5 mm 的降雨對土壤蓄水量無影響，當(dāng)累計(jì)降雨達(dá)5～15 mm 且瞬時降雨強(qiáng)度小于 5 mm/h的降雨僅增加淺層土壤蓄水量，對深層土無明顯影響。在降雨影響下不同坡位之間土壤蓄水量響應(yīng)特征存在差異，其中G4 點(diǎn)位土壤更容易受降雨影響，淺層與深層土壤蓄水量變化曲線波動次數(shù)最多，單次降雨量小于2 mm 不會引起土壤水分變化，當(dāng)降雨量為2～5 mm 時，淺層土壤蓄水量會出現(xiàn)小幅上升。G1與G2土層蓄水量較穩(wěn)定且變化趨勢一致，深層土壤蓄水量曲線僅出現(xiàn)1次明顯峰值。干旱前期（7月1日—7月21日）與干旱后期（8月21日—8月31日）土壤蓄水量響應(yīng)特征存在差異，干旱前期，中雨級別降雨均未對深層土壤產(chǎn)生影響，在持續(xù)干旱后的2 次典型降雨（8 月28日降雨8.9 mm；8 月30 日降雨6.3 mm）影響下，G3、G4、G5 點(diǎn)位深層土壤蓄水量顯著上升，G1 與G2 淺層土壤蓄水量也出現(xiàn)大幅增長。

2.3 不同降雨條件下不同土層土壤含水量對降雨響應(yīng)

2.3.1 在小雨條件下不同土層土壤含水量對降雨的響應(yīng) 小雨事件（9.1 mm）發(fā)生在7 月1 日，G1—G5 最大影響土壤深度分別為40、30、30、50、40 cm。從圖4 可知，各點(diǎn)位10 cm 土層響應(yīng)時間最早，幾乎同時對降雨產(chǎn)生響應(yīng)，各個深度的響應(yīng)時間隨土壤深度加深依次延遲，最大土壤水分變化幅度均集中在20 cm 土層（圖5）。G2 點(diǎn)位最大土壤水分補(bǔ)給速率集中在10 cm（0.96%/h），其余點(diǎn)位均集中在20 cm（圖6）。田塊內(nèi)10 cm 以下響應(yīng)土層的土壤含水量上升和下降過程均要滯后于10 cm 土壤，且升降時間也均延長，這與土壤水分入滲的先后過程相符。10 cm 土壤水分隨降雨結(jié)束即開始下降，其余響應(yīng)土層土壤含水量則在降雨過程結(jié)束數(shù)小時后才出現(xiàn)下降，這說明在此過程中仍受土壤中水分的補(bǔ)給作用影響。

圖4 黑土區(qū)坡耕地小雨條件下各土層土壤水分對降雨的響應(yīng)Fig.4 Response of soil moisture to rainfall in different soil layers under light rain conditions in sloping farmland in black soil area

圖5 黑土區(qū)坡耕地小雨事件（a）與中雨事件（b）下5個點(diǎn)位土壤水分變化幅度Fig.5 Rate of change of soil moisture at five points under light rain event（a）and moderate rain event（b）in sloping farmland in black soil area

圖6 黑土區(qū)坡耕地小雨事件（a）與中雨事件（b）下5個點(diǎn)位土壤水分補(bǔ)給速率Fig.6 Soil water recharge rate at five points under light rain event（a）and moderate rain event（b）in sloping farmland in black soil area

降雨事件結(jié)束6 h 后不同點(diǎn)位10 cm 土壤水分消退速率表現(xiàn)為G4（0.22%/h）＞G1（0.12%/h）＞G2（0.08%/h）＞G5（0.04%/h）＞G3（0%/h），可以看出坡下位消退速率明顯低于中上部點(diǎn)位。排除其他干擾因素，綜合考慮地形因素，最有可能造成這種現(xiàn)象的原因是在坡面上土壤水分再分布的過程中，坡面上部土壤水分更容易補(bǔ)給坡下，導(dǎo)致坡下位初始土壤含水量始終高于上部。因此，當(dāng)降雨發(fā)生時，坡中與坡上土壤含水量上升幅度比坡下更大，降雨結(jié)束后土壤水再分布時水分消退又快于坡下。

2.3.2 在中雨條件下不同土層土壤含水量對降雨的響應(yīng) 中雨事件（19.1 mm）發(fā)生在7 月20 日，從圖7 可知，G1—G5 影響土壤深度分別為30、60、50、60、50 cm。各點(diǎn)位10 cm 土層響應(yīng)時間均早于或等于其他土層，所有土層均對瞬時達(dá)12 mm/h 的雨鋒有響應(yīng)。其中G2 點(diǎn)位0～60 cm 土壤水分幾乎在同一時間開始響應(yīng)。與小雨事件類似，各點(diǎn)位20、30 cm 土壤水分幾乎同時對降雨發(fā)生響應(yīng)，這可能是由于該層土壤玉米根系分布廣，土壤大孔隙通道顯著增加了下滲速率。但與小雨事件不同的是，此次中雨事件土層響應(yīng)時間更長，這是由于7 月下旬玉米已度過拔節(jié)期正處于抽雄期，此時植被郁閉度與冠幅更大，經(jīng)同期影像計(jì)算，小、中雨事件發(fā)生時田塊平均植被覆蓋度分別為0.61、0.82，降雨首先被玉米冠層截留，冠層飽和后才會沿著枝葉向作物根部匯集補(bǔ)給土壤。此外，土壤水分對于前期少雨量、小強(qiáng)度的降雨敏感性偏弱，因此，此次響應(yīng)時間普遍延長1～3 h。

圖7 黑土區(qū)坡耕地中雨條件下各土層土壤水分對降雨的響應(yīng)Fig.7 Response of soil moisture to rainfall in different soil layers under moderate rain conditions in sloping farmland in black soil area

2.3.3 在暴雨條件下不同土層土壤含水量對降雨的響應(yīng) 暴雨事件（51.8 mm）發(fā)生在8 月22 日，從圖8可知，以西線監(jiān)測點(diǎn)為例，各點(diǎn)位的最大土層影響深度均達(dá)到最大監(jiān)測深度100 cm。由于降雨前12 d 無有效降雨，土壤初始狀態(tài)比較干旱，表層土壤均在降雨開始約3 h、降雨累積量達(dá)3 mm 后才開始響應(yīng)。7 h 后，遭遇最大瞬時強(qiáng)度為25.9 mm/h 雨鋒，可見，較大強(qiáng)度的降雨能迅速使各土層土壤產(chǎn)生響應(yīng)，有利于雨水的下滲和土壤吸收，改善干旱后整個剖面土壤水分狀況。3 h 后有一階段1.4 mm小雨，由于前期 2次雨鋒使表層土壤水分含量偏高，此時土壤水分雖逐漸下降但受降雨影響土壤含水量仍存在波動性上升過程，表層土壤依舊對第3 次雨鋒有響應(yīng)。通過對比不同點(diǎn)位對3次雨鋒的響應(yīng)情況（圖9），在響應(yīng)深度方面，G4＞G5＞G1。由于G1位于坡頂且坡度大導(dǎo)致承雨面積小，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)降雨后，土壤表層易形成地表徑流和壤中流向坡下轉(zhuǎn)移與積累，致使土層響應(yīng)深度均小于中下部。在表層土壤水分消退速率方面，受降水強(qiáng)度、坡位與坡位引起的土壤特征差異的共同影響，不同點(diǎn)位大小順序?yàn)镚4＞G1＞G5，降雨強(qiáng)度越大水分消退速率也越快。

圖8 黑土區(qū)坡耕地暴雨條件下各土層土壤水分對降雨的響應(yīng)Fig.8 Response of soil moisture to rainfall in different soil layers under heavy rain conditions in sloping farmland in black soil area

圖9 黑土區(qū)坡耕地暴雨事件下土壤變化情況Fig.9 Soil changes of sloping farmland under heavy rain event in black soil area

3 結(jié)論與討論

3.1 不同坡位土壤水分特征及其對降雨的響應(yīng)

研究區(qū)5個監(jiān)測點(diǎn)位于同一坡耕地上，因此，氣候特征、地形地貌和植被覆蓋無太大區(qū)別，表明各位點(diǎn)土壤水分特征及其對降雨響應(yīng)差異主要由坡向、高程、坡度等地形決定。首先，不同坡面因子由于其對光熱條件的改變及其對地表徑流的再分配，使坡耕地土壤水分分布格局呈現(xiàn)出高度空間異質(zhì)性[7]。坡向不同會引起太陽光照時間差異，進(jìn)而改變地表水分蒸散發(fā)，相對于半陰坡，陰坡接受的太陽輻射時間短，土壤水分蒸發(fā)較少；此外，坡面上的降雨由于重力作用容易向坡下匯聚，因此，在監(jiān)測期內(nèi)G5 點(diǎn)位（陰坡坡下）土壤蓄水量最高，與靖亭亭等[16]的研究結(jié)果一致，這同時解釋了在降雨后坡下位G3與G5的響應(yīng)土層土壤水分消退速率更慢這一現(xiàn)象。其次，坡度差異使降雨的集水面積發(fā)生改變，也使地表徑流量和其引起的地表侵蝕量不同，從而影響降雨入滲。由于研究區(qū)坡度較緩，西線呈坡長坡緩地形，上坡大量水流向下坡使坡中土壤受侵蝕強(qiáng)烈，顆粒組成較粗，土質(zhì)較差，導(dǎo)致土壤的飽和導(dǎo)水率高，增大了土壤入滲速率[8，17]。因此，相對于其他點(diǎn)位，G4 點(diǎn)位對降雨響應(yīng)最強(qiáng)烈，響應(yīng)時間更早，響應(yīng)深度也最大，侵蝕也使土壤保水能力相對較弱，當(dāng)遭遇降雨后土壤水分呈現(xiàn)出急劇上升又急劇回落現(xiàn)象。此外，G4 點(diǎn)位坡度相對較?。?.36°），在坡耕地形成低洼地，對降雨集水的面積更大，雨水匯集使得該點(diǎn)位的深層土壤更容易得到補(bǔ)給。在土壤水分垂直分布特征方面，坡耕地0～40 cm 土壤受耕作等人為因素干擾較大，受地面溫度和降水影響頻繁，是降雨入滲、蒸發(fā)活動最強(qiáng)烈的土層，且夏玉米根系主要分布在距離地面40 cm的土層[18]，因此，該層土壤含水量不穩(wěn)定，變幅和變異系數(shù)值較大。

3.2 坡耕地種植方式下土壤水分入滲規(guī)律

水分入滲能力與地表種植方式密不可分。一般而言，小雨、中雨僅分別使10、30 cm 以上的土壤水分產(chǎn)生響應(yīng)。本研究中，小雨與中雨事件下響應(yīng)深度分別為30～50、30～60 cm。一方面，這可能與研究區(qū)采用機(jī)械翻耕造成表層土壤結(jié)構(gòu)破壞，使得表層土壤滲透系數(shù)增大有一定的關(guān)系[19]；另一方面，等高種植模式增強(qiáng)了坡耕地地表徑流攔蓄作用，使降雨更多的保留在田塊內(nèi)，增加了降雨入滲，從而提高了土壤貯水能力[20-21]，也使得土壤對較小雨量的降雨事件產(chǎn)生一定的響應(yīng)概率。

此外，水分入滲與區(qū)域降雨情況存在聯(lián)系。本研究中，干旱后期土壤水分對降雨響應(yīng)更強(qiáng)烈，這可能是由于持續(xù)干旱使田塊內(nèi)出現(xiàn)裂隙導(dǎo)致降雨更容易下滲到深層土壤，使土壤對降雨響應(yīng)變得強(qiáng)烈；也可能是由于大降雨事件（8 月22 日）使土壤對降雨響應(yīng)程度變大并持續(xù)幾周導(dǎo)致[22]。

最后，水分入滲與優(yōu)勢流現(xiàn)象存在關(guān)系。影響優(yōu)勢流形成的因素較多，但根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，最主要的影響因素是不同深度土壤的異質(zhì)性[23-24]。玉米在生長過程中的根系在土壤中形成錯綜復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)通道，加上當(dāng)?shù)亻L期機(jī)械翻耕表層土使研究區(qū)域內(nèi)土壤沿垂直剖面有明顯的土壤顏色和質(zhì)地等變化，研究區(qū)土壤垂直剖面中30～100 cm 的土壤顏色與30 cm 以上各層有明顯色差，上層透水性優(yōu)于下層，為大孔隙流的形成提供了條件[25]。降雨到達(dá)地面后優(yōu)先通過植物根系形成的孔隙在土壤中遷移流動，進(jìn)而對水分下滲與補(bǔ)給產(chǎn)生影響，推斷坡耕地內(nèi)20 cm 土壤水分補(bǔ)給速率與變化幅度普遍高于上層土壤這一現(xiàn)象是玉米根系孔隙作用的結(jié)果。另外，在中雨事件中，G2 點(diǎn)位0～60 cm 土壤水分在同一時間開始響應(yīng)，其中20 cm 土壤水分補(bǔ)給速率最低，水分變化幅度也不大，說明20～30 cm土層可能為不易透水層，造成降雨后下滲水分在該層累積，成為土壤水分側(cè)向流動的活躍區(qū)，推斷G2點(diǎn)位下層土壤的快速補(bǔ)給是受到側(cè)向流的影響。不同點(diǎn)位土壤在不同深度存在孔隙結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，相對其他點(diǎn)位，G2點(diǎn)位的側(cè)向流現(xiàn)象較為明顯。蔣小金等[26]在典型黑土區(qū)關(guān)于耕地土壤水分運(yùn)移形式的研究中也得到了一致結(jié)論，認(rèn)為土壤孔隙結(jié)構(gòu)異質(zhì)性影響水分運(yùn)移，其中15～20 cm 土層發(fā)生了側(cè)向入滲現(xiàn)象，20～67 cm土層水分運(yùn)移以大孔隙流為主。

綜上，對黑土區(qū)典型坡耕地內(nèi)5 個點(diǎn)位土壤水分進(jìn)行連續(xù)動態(tài)觀測，分析田塊尺度內(nèi)不同坡位土壤水分特征及對不同降雨模式的響應(yīng)特征后得出以下結(jié)論。

坡耕地土壤水分分布不均。水平分布上，坡下土壤含水量高于坡上，陰坡大于半陰坡，在土壤含水量變異系數(shù)方面，坡頂變異系數(shù)最大，陰坡低于半陰坡；垂直分布上，40 cm 上下土層土壤含水量差距明顯，隨著土層加深土壤含水量上升，而其變異系數(shù)降低。

研究區(qū)內(nèi)降雨年內(nèi)分配不均，易發(fā)生季節(jié)性干旱；受降雨與玉米生長影響，監(jiān)測期內(nèi)土壤蓄水量呈下降趨勢，不同點(diǎn)位間、干旱前期與后期土壤蓄水量響應(yīng)特征存在差異，干旱后期土壤水分對降雨響應(yīng)更強(qiáng)烈。

10 cm 土層土壤含水量變化趨勢與降雨量變化趨勢一致，響應(yīng)時間早于下層土壤；隨土層深度增加，土壤含水量變化趨勢與降雨量同步逐漸降低，各土層土壤含水量對降水響應(yīng)時間出現(xiàn)一定程度的滯后。

在典型降雨過程中，坡耕地水分運(yùn)移受優(yōu)勢流影響，即土壤側(cè)向流補(bǔ)給以及玉米根系形成的大孔隙迅速下滲。不同點(diǎn)位土壤水分對降雨響應(yīng)存在明顯差異，坡上位G1對降雨響應(yīng)不顯著；G2點(diǎn)位出現(xiàn)明顯的側(cè)向流現(xiàn)象；坡中位G4 對降雨響應(yīng)強(qiáng)烈，響應(yīng)深度最大；坡下位G3 與G5 土壤水分消退速率偏慢?？梢姡捎诓煌挛灰鸬奈⒌匦尾町愡M(jìn)而形成同一坡面土壤性質(zhì)的空間異質(zhì)性可以改變土壤水分對降水的響應(yīng)。