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(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态院重点实验室，海伦农田生态系统国家野外观测研究站， 黑龙江 哈尔滨，150081；2.中国科学院 研究生院，北京 100049)

在“土壤-植物-大气”连续系体中，以土壤为载体，接纳大气降水，大气降水只有转化为土壤水以后才能供给作物。所以土壤是蓄积大气降水的最大水库，土壤蓄积大气降水的能力，因大气降水的形态、强度、降水时间长短、土壤所处的地形部位和土壤的机械组成以及水分物理性质而发生变化。在我国北方旱作农业区，土壤依靠其25 %～30 %的持水孔隙和较好的入渗能力，使大部分降水就地入渗，并蓄存在土壤中，形成土壤水。由于土壤储水具有调节丰枯和持续供给作物的功能，所以在农业上可以把土壤看作无形的水库。降水时把土壤水分蓄积在土壤里，供给作物利用。无论是在全生育时期降水都不足还是只在某个阶段降水不足的年份，作物耗水均可由土壤储水，特别是深层储水的调节得到改善[1]。东北黑土区的大气降水主要发生在5-9月份的作物生长季内，占多年平均降水量的87.8 %，但是由于月降水量存在较大变异[2]，导致在作物生长季内出现了大气降水能够满足作物生长需要，并有部分降水储存在土壤中的土壤湿润期；和大气降水不能满足作物生长，土壤水被大量消耗的土壤干旱期的出现。通过对土壤干旱期和湿润期的划分，分析不同土壤水分状况时土壤中水分的变化情况，对于提出合理调控土壤水分的农业措施，避免因为土壤过涝或过旱引起的生产障碍具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站水肥耦合试验场进行。海伦站地处黑土区中部，地势平坦，属于温带大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，雨热同季，年平均气温1.5 ℃，极端最高温度为37 ℃，极端最低温度为-39.5 ℃，年降水量为500 mm～600 mm，主要集中在7、8、9月份，年均有效积温2 450 ℃，年均日照时数为2 600 h～2 800 h，无霜期为125 d。土壤类型为中厚层黑土，是在第四纪形成的黄土状母质上发育起来的地带性土壤，质地以黏性土为主，土壤物理性黏粒大于60 %，土壤固相比大于50 %，土壤膨胀性大于25 %，土体结构致密，渗透能力弱，毛管水运移速率较慢，土壤持水能力和保水能力较强，储水库容较大。地下水埋深20 m～30 m。

1.2 试验设计

试验在海伦站水肥耦合长期定位试验场进行，供试土壤为典型黑土，开垦前为草甸草原植被，开垦历史为100 a左右，前60 a不施肥，接下来20 a左右开始施用农家肥，后20 a施用化学肥料。1993年将农田设为3个肥料处理分别为CK(无肥区，不施用任何肥料)，NP(化肥区，N∶150 kg·hm-2，P2O5∶75 kg·hm-2)，NPM(化肥+有机肥区，N∶150 kg·hm-2，P2O5∶75 kg·hm-2，有机肥3 000 kg·hm-2)，小区面积为50.4 m2，完全随机排列，4次重复。

选取2006年7月25日-8月1日之间累积降水量为135.0 mm为对象，研究湿润期黑土水分变化特征。由于选取的时间间隔较短，所以忽略作物对水分的消耗；同时此时期空气湿度较大，土壤蒸发被忽略；试验在小区上进行，小区的四周筑有0.15 m高的池埂，所以地表径流也被忽略。选取2004年7月10日至8月25日干旱期土壤水分状况为研究对象，该时期累计降水量为101.3 mm，与此段时间内的潜在蒸散量199.5 mm相比，土壤水分亏缺了98.2 mm，土壤处于干旱时期。

1.3 测定项目与测定方法

在作物生育期间(5-10月)，每5 d用中子仪测定1次土壤体积含水量，土层深度依次为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土层土壤含水量利用TDR测定。

数据采用SPSS 13.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 研究区域大气降水特征

黑龙江海伦黑土区近57 a(1952年-2008年)的大气降水在很大的范围内围绕平均值波动，见图1。从1952年到2008年的平均年降雨量为538 mm，标准差为121 mm，变异系数为20.3 %。从趋势上看降水呈现交错增加或减少的趋势。最大年降雨量865 mm出现在1962年，最小年降水量300 mm出现在2001年，差值达到565 mm，高于多年平均降水量(538 mm)。

研究区不仅年降水量之间存在较大的差异，年内降水量也有很大的波动，不均匀地分配在每个月内，见图2。其中降水量最大值出现在7月，平均降水量为141 mm，占年平均年降雨量的26.1 %，其次分别为6月、8月和9月，分别占年平均年降水量的17.2 %、23.4 %和12.8 %。海伦地区作物生长期为每年的5-9月，从图中可以得出生长季平均降雨量为473 mm，占年平均年降水量的87.6 %，说明海伦地区大部分降雨发生在作物生长季节，符合该地区的夏季高温多雨的气候特点。而在休闲期即1-4月和10-12月总的降雨量为67 mm，在某些年份还出现了1-4月份某个月没有降水的情况。1-4月份和10-12月份降水量变异较大，影响了作物休闲期内土壤水分的贮存，甚至会影响翌年作物种植时底墒水的含量。从每个月降水的标准差和变异系数可以得出，各月的降水量在很大的范围内波动，其中作物生长季内的5-9月降水的变异系数在63.9 %和47.4 %之间波动，12月和2月降水的变异最大，变异系数分别达到了110.6 %和111.6 %。月降水变异较大是引起研究区域季节性干旱出现的主要原因之一。

图1 1952-2008年海伦黑土区大气降水变化趋势Fig.1 The trend of precipitation of Black soil zone in Hailun from 1952 to 2008

图2 海伦黑土区平均每个月降水量Fig.2 The distribution of mean monthly precipitation in Black soil zone in Hailun

2.2 湿润期土壤水分变化特征

降水前土壤剖面的含水量随着土层深度的增加而则增加，但是经历了累积135 mm的降水以后，土壤含水量的最大值出现在了20 cm～30 cm土层，此后随着土层深度的增加土壤含水量呈减小的趋势，见图3。但是与降水前相比0～170 cm土壤剖面的含水量均表现出增加，说明降水对土壤水分的补偿作用已经深达170 cm土层。t检验显示7月25日土壤含水量与7月31日土壤含水量之间存在显著性差异(p< 0.05)，见表1。其中以0～50 cm土层土壤含水量增加的最多，其原因为各种耕作措施和作物根系的穿插作用使得该层土壤较为疏松，增加了降水的入渗，土壤水分对降水的响应明显[3-4]。张北赢的研究也发现降水对表层土壤(0 ～ 30 cm)含水量的影响最为显著，而对深层土壤水分影响较小[5]。

图1已经介绍了降水主要分布在0～50 cm土层，但是储存降水的量在不同土层和施肥管理间存在差异，见图4。不同施肥管理方式下0～50 cm土层储存的降水量均表现为NPM>NP>CK，说明肥料的施用改善了土壤的结构，增加了土壤对降水的蓄存能力和降水在土壤中的入渗能力，有机肥的施用表现的尤为明显。但是在50 cm以下，随着土层深度的增加肥料的作用就逐渐减小。其原因之一为在黑土中存在一个透水性极弱的土层，出现的深度为60 cm～100 cm，该层限制着上、下土层水分交换强度，特别是限制着降水的入渗深度[6-7]。只有在降水集中的月份，上层土壤中的水分才可以慢慢下渗，并使下层土壤含水量逐渐上升，见图4。不同土层土壤含水量变化如下：0～10 cm土层土壤含水量平均增加了9.6 mm，与CK相比，NP和NPM分别增了7 %和22 %；10 cm～20 cm土层平均增加了15.3 mm，比CK，NP和NPM分别增了1.6 mm和1.7 mm；20 cm～30 cm土层均增加了19.4 mm，与CK相比，NP和NPM分别增了1.0 mm和4.2 mm；30 cm～50 cm土层平均增加了25.2 mm，与CK相比，NP和NPM分别增了3.7 mm和9.0 mm。50 cm土层以下NPM处理土壤含水量的增加量较少。50 cm～70 cm土层CK、NP和NPM分别增加了13.3 mm，11.8 mm和11.5 mm；70 cm～90 cm土层CK、NP和NPM分别增加了12.4 mm、10.7 mm和9.3 mm；90 cm～110 cm土层CK、NP和NPM分别增加了8.4 mm、10.7 mm和8.8 mm；随着土层深度的增加剖面含水量的增加减少，110 cm～170 cm土层CK、NP和NPM分别增加了24.0 mm、20.9 mm和21.0 mm。0～170 cm土层NPM土壤储水量增加的最多为129.0 mm，其次为NP(122.7 mm)和CK(119.8 mm)。说明有机肥的添加增加了土壤对大气降水的蓄积能力，有利于提高大气降水的利用效率。

图3 湿润期土壤剖面含水量的变化Fig.3 Change of soil moisture in profile during wet period

处理Treatments两个因素Two factors平均值Mean标准差Standard deviationt值t value显著水平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 干旱期土壤水分变化特征

2004年7月10日至8月25日，累计降水量为101.3 mm，与此段时间内的潜在蒸散量199.5 mm相比，降水亏缺了98.2 mm，土壤中储存的水分被大量消耗，土壤处于干旱时期。t检验显示7月10日土壤含水量与8月25日土壤含水量之间存在显著性差异(p<0.05)，见表2。7月10日土壤含水量较高，CK，NP和NPM剖面含水量的平均分别为32.9 %，32.6 %和32.2 %，而经过一段时间土壤蒸发和作物蒸腾以后到了8月25日土壤含水量在一个较低的水平，CK，NP和NPM剖面含水量的平均值分别为27.9 %，27.4 %和26.3 %，0～170 cm土层CK，NP和NPM的土壤储水量分别减少了54.1 mm，57.2 mm和65.2 mm，分别占8月25日剖面土壤储水量的17.6 %，18.9 %和22.6 %，说明与CK和NP相比NPM处理消耗了更多的土壤中储存的水分。7月10日和8月25日间剖面土壤含水量的差异随土层深度的增加而逐渐减小，在150 cm处差异消失，说明当降水亏缺98.2 mm时受到影响的土壤深度深达150 cm，见图5。

图4 湿润期不同土层对大气降水的响应Fig.4 The response of soil layers to the rainfall during wet period

处理Treatments两个因素Two factors平均值Mean标准差Standarddeviationt值t value显著水平 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水平上差异显著。

不同土层的土壤含水量对干旱的响应不一致，见图6。表层土壤储水量受干旱影响较大，CK，NP和NPM 0～10 cm土层土壤含水量分别减少了16.7 mm，16.0 mm和17.8 mm，占总消耗土壤水量的30.9 %，29.5 %和32.9 %；其次是10 cm～20 cm土层，分别减少了12.6 mm，13.4 mm和13.8 mm，占总消耗水量的23.4 %，24.8 %和25.5 %；20 cm～30 cm土层分别减少了9.2 mm，10.5 mm和10.5 mm，占总消耗水量的17.0 %，19.4 %和19.5 %；30 cm～50 cm土层分别减少了10.3 mm，11.6 mm和15.2 mm，占总消耗水量的19.1 %，21.4 %和28.1 %；50 cm～90 cm土层分别减少了3.0 mm，3.1 mm和4.9 mm，占总消耗水量的5.5 %，5.8 %和9.0 %；90 cm～170 cm土层分别减少了2.2 mm，2.2 cm和3.1 mm，占总消耗土壤含水量4.1 %，4.0 %和5.7 %。

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

图6 不同施肥管理下干旱期剖面土壤含水量变化值 (土壤含水量变化值=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 讨 论

东北黑土区降水集中的时间是在7-9月份，但是由于此段期间内降水的变异较大，见图1，导致了土壤含水量较最低和较高的时期大都发生在此段时期。土壤的蓄水能力是评价土壤自我调控能力的主要指标。农田黑土由于有机质含量较高，0～100 cm的田间持水量为387.3 mm，相当于全年降水量的73 %；最大土壤蓄水量为575.9 mm，相当于全年降水量的108 %；土壤有效蓄水量为242.7 %，相当于全年降水量的46 %。由此可以看出农田黑土的持水能力较强，蓄水库容较大，这些性质决定了农田土壤水库作用很强，尤其是上层疏松、下层紧实的土体结构，构成了有利于土壤储水的环境条件以及作物需水和土壤供水的内在条件[8]。不同的施肥管理能够影响土壤的水分-物理性质，改善土壤的结构[9]，进而影响土壤对大气降水的蓄积。孙建等研究表明有机肥和化肥的施用减小了土壤的密度和紧实度，增加了土壤的储水量[10]。研究发现，在集中降水之后，大量降水进入土壤0～170 cm，有机肥和化肥配施的土壤容纳大气降水的能力最大，占总降水量的96 %，其次是施用化肥的处理和无肥处理，0～170 cm土层容纳大气降水量分明分别占降水总量的91 %和89 %。因此通过施用有机肥来改善土壤对大气降水的蓄积能力对提高大气降水利用效率和减小地表径流具有非常重要的意义。

在干旱时期受降水不充足的影响，土壤中的水分被大量消耗。受此时期作物根系分布的影响，不同土层被消耗的水分存在较大的差异。0～20 cm土层被消耗的土壤水分占总耗水量的50 %以上，与赵聚宝等研究认为作物的根系最先利用表层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区，作物通过增加对水流的阻力来节约有限的土壤水分并用于后期的生长发育来适应干旱逆境。对于年降水能够补充土壤中的水分，降水时间集中在7月和8月的地区，作物生育后期处于干旱环境条件下，只能利用土壤深层的贮存水分，因此根系的深度和深根的密度是影响作物抗旱性的重要因素[12]。根系吸水量随土壤深度增加而减少，但是当土壤水分干旱时，根系吸收利用深层土壤水分就变得十分重要[13]。当土壤水分发生胁迫时作物必须利用根层以外的土壤水分。当降水缺乏量达到98.2 mm时，150 cm土层的土壤中的水分被吸收利用。因此研究区域内深层土壤水分的供应能力对于缓解干旱胁迫具有重要的作用。

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