隋媛媛, 许晓鸿, 张 瑜, 刘艳军, 赵书军, 阎百兴

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所, 长春 130102; 2.吉林省水土保持科学研究院, 长春 130033)

吉林省中东部低山丘陵区坡耕地和林地水量平衡
——以东辽县杏木小流域为例

隋媛媛1,2, 许晓鸿2, 张 瑜2, 刘艳军2, 赵书军2, 阎百兴1

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所, 长春 130102; 2.吉林省水土保持科学研究院, 长春 130033)

为了探求黑土区坡耕地和林地降水资源再分配规律，以吉林省东辽县杏木小流域为典型研究区，采用资料统计分析与野外试验测定相结合的方法，对研究区坡耕地和林地水量平衡进行分析。结果表明：(1) 研究区1978—2008年间，年内降水量呈单峰型分配，作物生长季降水量为511.16 mm，降水日数为59.95 d，分别占全年总降水量和降水天数的81.4%和56.94%。(2) 农田蒸散量在5—9月分别为53.05，99.84，170.06，124.33，55.88 mm，占总输入降水量的65%～88%，为研究区坡耕地水量平衡主要支出项；土壤蓄水变化量在5月、6月、8—9月为正值，土壤处于蓄水状态；在7月份为负值，土壤处于失水状态。(3) 山杨林地在生长季6—9月水分充盈，土壤水分变化量为7.94 mm，林地土壤长期处于蓄水状态。

农业工程; 水量平衡; 多株平衡法; 地表径流

东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地，土地资源和森林资源丰富，对维持国家粮食生产和生态环境安全具有重要意义[1-3]。吉林省位于我国东北温带季风区，降水资源时空分配不均，降雨多集中在5—9月，占全年降水量的80%以上，水分成为作物生长和植被恢复的限制性因素[4]。水量平衡是指水分输入与输出之间的平衡，对水分的输入项和支出项进行定量分析，是研究坡耕地水量盈亏平衡及降水在林地植被中再分配规律的有效方法，能够为降水资源的高效利用及更为科学的水资源管理提供依据[5]。多年来，我国学者在多个地区开展了大量关于水量平衡方面的研究[6-13]，但东北黑土区在坡耕地和林地水量平衡研究方面相对薄弱。本研究结合国家水资源高效集约利用战略及东北地区粮食增产和生态环境建设的需求，以吉林省东辽县杏木小流域为典型试验区，对黑土区坡耕地和林地水量平衡进行定量分析，以期为东北黑土区降水资源的优化调配与利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吉林省东辽县杏木小流域，地处长白山余脉，东辽河流域上游。地理坐标为东经125°22′40″—125°26′10″，北纬42°58′05″—43°01′40″。该流域属于典型东北低山丘陵地貌，寒温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温5.2℃，有效积温2 700～2 800℃，最高气温38 ℃，最低气温-40℃，≥10℃的积温2 900℃。无霜期平均137 d，年平均日照时数为2 497.9 h，多年平均降水量658.1 mm。研究区土地利用类型主要为坡耕地和林地，土壤类型以棕壤土为主，土壤侵蚀强度为中度，植被类型为长白山植物区系，植被覆盖率为19%。由天然次生林、人工林、草本植物及农作物等植被构成，主要包括水曲柳、刺五加、白杨、落叶松、樟子松、紫穗槐、蒿类及禾本科植物，农作物以种植玉米为主。

1.2 试验布设及方法

1.2.1 样地布设与项目测定 试验区所选坡耕地和林地坡度分别为8°和12°，试验小区面积均为18 m×6 m标准小区，分别设置3个重复，在各小区底部设有由中科院东北地理与农业生态研究所研制的无动力水土流失过程自动观测装置。试验坡耕地选取玉米作物为研究对象，林地选取山杨作为研究对象，林龄为3 a，株行距为1.5 m×1.5 m。利用测高器、测杆、胸径尺、皮卷尺等工具对林地情况进行测量调查，平均树高2.8 m，平均胸径3.6 cm，郁闭度为0.45，试验观测时间为2012年5—9月。

降雨是天然植被和农作物水分补给的唯一来源，年降水量的多少对于坡耕地和林地土壤水分的变化过程有着重要的影响。根据吉林省辽源市气象局提供的31 a气象资料(1978—2008年)，对项目区降水分布及特征进行统计分析。采用水量平衡法[14-15]和多株平衡法[16]分别对坡耕地和林地水量平衡进行分析。

1.2.2 测定方法

(1) 坡耕地水量平衡：水量平衡法是研究坡耕地水量盈亏平衡的有效方法，其是指在某一时段内对一定面积和一定土层厚度的各来水项和去水项进行统计。水量平衡方程为

P+I=R+D+E+T+ΔW

(1)

结合研究区实际，坡耕地无灌溉水输入，则I=0；D为深层渗漏量，研究区地下水位在10 m以上，深层渗漏量忽略不计；田间蒸发量和蒸腾量很难分开，统称田间土壤蒸散量，记为Eta。坡耕地农田水量平衡方程可简化为

P=R+ETa+ΔW

(2)

降水量P为研究区DL16气象仪器自动观测；地表径流R通过径流泥沙监测仪测得；Eta利用土壤水分蒸渗测试系统测定；ΔW首先通过TDR法测定不同土层土壤间水分含量，进而推算出土层持水量差值。

(2) 林地水量平衡：采取多株平衡法进行分析，结合研究区实际，平衡方程可表示为

P=I+R+E+ΔW

(3)

式中：P——降雨量；I——冠层截留量，通过总降雨量与林内穿透雨量和林干径流量差值确定；R——地表径流量；E——林分蒸散量，为林冠蒸腾与林地蒸发量之和，由降水量减去冠层截留量、地表径流量及水分变化量得到；ΔW——土壤水分变化量。

2 结果与分析

2.1 降水分布及特征

2.1.1 降雨量年际变化 根据吉林省辽源市31 a气象资料(1978—2008年)，对研究区坡耕地降水分布及特征进行分析(表1)。结果表明研究区多年(1978—2008年)平均降水量为648.56 mm，不同年际年均降水量呈波动变化。其中年最大降水量为911.00 mm (1994年)，年最小降水量为383.50 mm (1982年)，最大与最小年降水量变幅达527.5 mm。从各年代平均值来看，20世纪70年代后期平均降水量为529.7 mm，80年代为661.55 mm，90年代为645.82 mm，2000—2008年为591.52 mm。即20世纪70年代后期降水量偏小，为多年平均降水量的81.67%；20世纪80年代平均降水量有所增加，为多年平均降水量的1.02倍；20世纪90年代和2000—2008年间的平均降水量有所减少，分别为多年平均降水量的99.58%和91.21%。

表1 研究区降水特征值

东北地区玉米为主要粮食作物，5—9月为玉米作物生长季节，并且7—8月份是作物生长需水量最多的月份。由表1分析可知，20世纪70年代后期生长季和7—8月份平均降水量为423.00 mm和270.35 mm，分别占全年平均降水量的79.86%和51.04%；20世纪80年代生长季和7—8月份降水量为544.54 mm 和312.81 mm，分别占年均降水量的82.31%和47.28%；20世纪90年代降水量为535.29 mm和341.03 mm，分别占年均降水量的82.89%和52.81%；2000—2008年间生长季平均降水量为466.88 mm和373.30 mm，分别占年均降水量的78.93%和63.11%。

2.1.2 降水量年内变化特征 年内降水量分配也直接影响着土壤水分的季节变化过程。由表2分析可知，吉林省辽源市降水量的年内分配高度集中，月份分配很不均匀。历年各月的平均降水量以7月份最大，为1 754.3 mm，占全年降水量的24.6%；其次为8月份，降水量为153.4 mm，占全年的24.4%；月平均降水量以2月份最小，其次为1月份和12月份，降水量分别为5.71 mm，6.10 mm和9.00 mm，分别占全年降水量的0.9%，1.0%和1.4%。降水量的季节分配表现为春季(3—5月)的平均降水量是102.69 mm，占全年的16.4%；夏季(6—8月)的平均降水量是409.14 mm，占全年的65.2%；秋季(9—11月)的平均降水量是95.01 mm，占全年的15.1%；冬季(12月—次年2月)的平均降水量是20.81 mm，占全年的3.3%。由图1分析，研究区降水量的年内分配呈单峰型，年内生长季(5—9月)的降水量为511.16 mm，占全年的81.4%，生长季前期降水量逐渐增大，到7月份达到最大值后递减，1—4月降水量占全年降水量的10.0%，10—12月降水量占全年的8.6%。

表2 1978-2008年各月平均降水量及降水百分率

图1 1978-2008年年内降水量分布

2.1.3 降水日数及降水强度

(1) 降水日数和各级别降水日数的季节分配。降水日数是指日降水量≥ 0.1 mm的日数，由表3可知，项目区多年平均降水日数为105.28 d，且降水多

数为小雨。年平均≥0.1 mm的降水日数为37.43 d，≥1.0 mm、≥10 mm、≥25 mm和≥50 mm的降水日数分别为48.62，14.57，3.82，0.84 d。同时，≥0.1 mm的降水日数多分布在冬季(12月—次年2月)，≥1.0 mm的降水日数多分布在春季(3—5月)，≥10 mm、≥25 mm和≥50 mm的降水日数则分布在夏季(6—8月)。作物生长季的降水日数为59.95 d，占总降水天数的56.94%，生长季≥0.1 mm的降水日数占总降水日数的38.42%；≥ 1.0 mm的降水日数占总降水日数的59.91%；≥10 mm的降水日数占总降水日数的82.36%；≥25 mm的降水日数占总降水日数的94.24%；≥50 mm的降水日数占总降水日数的100%。

表3 1978-2008年各等级降水的日数

(2) 降水强度。根据31 a的资料统计，31 a内日降雨量≥0.1 mm的降雨天数为1 161 d，≥1.0 mm的小雨天数为1 435 d，≥10 mm的中雨天数为452 d，≥25 mm的大雨天数为118 d，≥50 mm的大雨天数为26 d，其中包括日降雨量146.6 mm和152.6 mm的2 d(1994年8月5日和1994年7月7日)。1日最大降水量是各日降水量中的最大值，根据1978—2008年的资料统计，项目区各累计年1日最大降水量为50.5～152.6 mm。

2.2 坡耕地水量平衡

2.2.1 坡耕地农田水量平衡 由表4分析可得，玉米生长期黑土区坡耕地的水量平衡特征表现为以农田蒸散量为主要支出项，5—9月份分别为53.05，99.84，170.06，124.33，55.88 mm，占总输入降水量的65%～88%，其次为地表径流量，在5—9月份分别为11.06，21.97，20.51，33.94，5.07 mm，占总输入降水量的7%～20%，而土壤蓄水变化量所占总支出项的比例最小。同时，不同月份水量平衡各分量的比例存在差异，地表径流量在8月份最大，为33.94 mm，其次为6月份和7月份，分别为21.97 mm和20.51 mm；农田蒸散量在7月份最大，为170.06 mm，其次为8月份和6月份，分别为124.33 mm和99.84 mm；土壤蓄水变化量在5月、6月、8月和9月为正值，土壤处于蓄水阶段，而7月份土壤蓄水变化量为负值，说明土壤处于失水阶段。

表4 玉米生长期坡耕地水量平衡

2.2.2 林地水量平衡 由表5分析可知，山杨林地在生长季6—8月，水分充沛，冠层截留量分别为59.12，89.65，87.84 mm，地表径流12.24，24.34，23.94 mm，林地土壤处于蓄水状态，蓄水量分别为2.94，3.81，1.91 mm；但在9月份，山杨林地出现水分匮缺，本月产生地表径流量为0 mm，土壤水分变化量为-0.72 mm，说明土壤处于失水状态。对整个生长季(6—9月)而言，降水量为547.81 mm，地表径流量为60.52 mm，林地蒸散量为214.28 mm，土壤水分变化量为7.94 mm，山杨林地整体表现为水分充盈，土壤较长时间内处于蓄水状态。

表5 山杨林地生长季内水量平衡

3 结 论

(1) 研究区1978—2008年间多年平均降水量为648.56 mm；年内降水量呈单峰型分配，7月和8月占全年降水量的24.6%和24.4%，生长季降水量占全年的81.4%；作物生长季的降水日数为59.95 d，占总降水天数的56.94%。

(2) 7月份玉米作物需水量最高，实际蒸散量和农田潜在蒸散量分别为170.06 mm和149.18 mm；5月和6月农田水分亏缺量分别为59.82 mm和45.56 mm，7月和8月水分盈余量分别为20.88 mm和54.09 mm，9月份水量盈亏较为平衡。

(3) 农田蒸散量为研究区坡耕地水量平衡主要支出项，占总输入降水量的65%～88%，土壤蓄水变化量占总支出项比例最小；作物生长季内地表径流量在8月份比例最大，农田蒸散量在7月份比例最大，土壤蓄水变化量在5—6月和8—9月为正值，在7月份为负值。

(4) 山杨林地在生长季6—9月水分充盈，土壤水分变化量为7.94 mm，林地土壤长期处于蓄水状态。

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AnalysisofWaterBalanceinSlopingLandandForestLandintheLowMountainandMoundAreainMid-easternJilinProvince—ACaseStudyofXingmuSmallWatershedinDongliaoCounty

SUI Yuan-yuan1,2, XU Xiao-hong2, ZHANG Yu2, LIU Yan-jun2, ZHAO Shu-jun2, YAN Bai-xing1

(1.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China;2.SoilandWaterConservationResearchInstituteofJilinProvince,Changchun130033,China)

In order to search for the redistribution law of precipitation resources in sloping land and forestand in northeast black soil area, the study was conducted in Xingmu Watershed of Dongliao County, Jilin Province, and water balance in sloping land and forest land in the research area had been studied by methods of data statistics analyses and field test. The results indicate that: (1) intra-annual precipitation between 1978 and 2008 showed a single-peak distribution type, the amount of precipitation in crop growth season was 511.16 mm which accounted for 81.4% of the annual total rainfall, the occurring days of precipitation during this period was 59.95 days which occupied 56.94% of the annual one; (2) field evapotranspiration from May to September was 53.05 mm, 99.84 mm, 170.06 mm, 124.33 mm and 55.88 mm, respectively. It accounted for 65%～88% of the total input precipitation and was the main water loss in the sloping land water balance. Variable quantity of water storage had a positive value in May, June, August and September and in this period the soil was in water storage condition, relatively, there was a negative value in July and soil was in water loss condition; (3) water quantity in aspen woodland was sufficient between June and September and variable quantity of water storage was 7.94 mm.

agriculture engineering; water balance; multiple-tree water balance method; surface runoff

2013-09-09

：2013-10-09

水利部公益性行业科研专项经费项目(200901048);国家十二五科技支撑项目(2011BAD31B01)

隋媛媛(1986—),女,吉林东丰人,博士研究生,助理工程师,主要从事水土保持及面源污染防治。E-mail:suiyuanyuan0429@163.com

阎百兴(1965—)，男，陕西渭南人，研究员，博士生导师，主要从事环境污染和生态修复方面的研究。E-mail:yanbx@neigae.ac.cn

P333.1

：A

：1005-3409(2014)03-0197-04