吉林省中東部低山丘陵區(qū)坡耕地和林地水量平衡
——以東遼縣杏木小流域?yàn)槔?/h1>
2014-09-20 12:51:33隋媛媛許曉鴻劉艷軍趙書軍閻百興
水土保持研究 2014年3期
隋媛媛, 許曉鴻, 張 瑜, 劉艷軍, 趙書軍, 閻百興
(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長春 130102; 2.吉林省水土保持科學(xué)研究院, 長春 130033)
吉林省中東部低山丘陵區(qū)坡耕地和林地水量平衡
——以東遼縣杏木小流域?yàn)槔?/p>
隋媛媛1,2, 許曉鴻2, 張 瑜2, 劉艷軍2, 趙書軍2, 閻百興1
(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長春 130102; 2.吉林省水土保持科學(xué)研究院, 長春 130033)
為了探求黑土區(qū)坡耕地和林地降水資源再分配規(guī)律，以吉林省東遼縣杏木小流域?yàn)榈湫脱芯繀^(qū)，采用資料統(tǒng)計(jì)分析與野外試驗(yàn)測定相結(jié)合的方法，對研究區(qū)坡耕地和林地水量平衡進(jìn)行分析。結(jié)果表明：(1) 研究區(qū)1978—2008年間，年內(nèi)降水量呈單峰型分配，作物生長季降水量為511.16 mm，降水日數(shù)為59.95 d，分別占全年總降水量和降水天數(shù)的81.4%和56.94%。(2) 農(nóng)田蒸散量在5—9月分別為53.05，99.84，170.06，124.33，55.88 mm，占總輸入降水量的65%～88%，為研究區(qū)坡耕地水量平衡主要支出項(xiàng)；土壤蓄水變化量在5月、6月、8—9月為正值，土壤處于蓄水狀態(tài)；在7月份為負(fù)值，土壤處于失水狀態(tài)。(3) 山楊林地在生長季6—9月水分充盈，土壤水分變化量為7.94 mm，林地土壤長期處于蓄水狀態(tài)。
農(nóng)業(yè)工程; 水量平衡; 多株平衡法; 地表徑流
東北黑土區(qū)是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，土地資源和森林資源豐富，對維持國家糧食生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義[1-3]。吉林省位于我國東北溫帶季風(fēng)區(qū)，降水資源時(shí)空分配不均，降雨多集中在5—9月，占全年降水量的80%以上，水分成為作物生長和植被恢復(fù)的限制性因素[4]。水量平衡是指水分輸入與輸出之間的平衡，對水分的輸入項(xiàng)和支出項(xiàng)進(jìn)行定量分析，是研究坡耕地水量盈虧平衡及降水在林地植被中再分配規(guī)律的有效方法，能夠?yàn)榻邓Y源的高效利用及更為科學(xué)的水資源管理提供依據(jù)[5]。多年來，我國學(xué)者在多個地區(qū)開展了大量關(guān)于水量平衡方面的研究[6-13]，但東北黑土區(qū)在坡耕地和林地水量平衡研究方面相對薄弱。本研究結(jié)合國家水資源高效集約利用戰(zhàn)略及東北地區(qū)糧食增產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需求，以吉林省東遼縣杏木小流域?yàn)榈湫驮囼?yàn)區(qū)，對黑土區(qū)坡耕地和林地水量平衡進(jìn)行定量分析，以期為東北黑土區(qū)降水資源的優(yōu)化調(diào)配與利用提供參考。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于吉林省東遼縣杏木小流域，地處長白山余脈，東遼河流域上游。地理坐標(biāo)為東經(jīng)125°22′40″—125°26′10″，北緯42°58′05″—43°01′40″。該流域?qū)儆诘湫蜄|北低山丘陵地貌，寒溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫5.2℃，有效積溫2 700～2 800℃，最高氣溫38 ℃，最低氣溫-40℃，≥10℃的積溫2 900℃。無霜期平均137 d，年平均日照時(shí)數(shù)為2 497.9 h，多年平均降水量658.1 mm。研究區(qū)土地利用類型主要為坡耕地和林地，土壤類型以棕壤土為主，土壤侵蝕強(qiáng)度為中度，植被類型為長白山植物區(qū)系，植被覆蓋率為19%。由天然次生林、人工林、草本植物及農(nóng)作物等植被構(gòu)成，主要包括水曲柳、刺五加、白楊、落葉松、樟子松、紫穗槐、蒿類及禾本科植物，農(nóng)作物以種植玉米為主。
1.2 試驗(yàn)布設(shè)及方法
1.2.1 樣地布設(shè)與項(xiàng)目測定 試驗(yàn)區(qū)所選坡耕地和林地坡度分別為8°和12°，試驗(yàn)小區(qū)面積均為18 m×6 m標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)，分別設(shè)置3個重復(fù)，在各小區(qū)底部設(shè)有由中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研制的無動力水土流失過程自動觀測裝置。試驗(yàn)坡耕地選取玉米作物為研究對象，林地選取山楊作為研究對象，林齡為3 a，株行距為1.5 m×1.5 m。利用測高器、測桿、胸徑尺、皮卷尺等工具對林地情況進(jìn)行測量調(diào)查，平均樹高2.8 m，平均胸徑3.6 cm，郁閉度為0.45，試驗(yàn)觀測時(shí)間為2012年5—9月。
降雨是天然植被和農(nóng)作物水分補(bǔ)給的唯一來源，年降水量的多少對于坡耕地和林地土壤水分的變化過程有著重要的影響。根據(jù)吉林省遼源市氣象局提供的31 a氣象資料(1978—2008年)，對項(xiàng)目區(qū)降水分布及特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用水量平衡法[14-15]和多株平衡法[16]分別對坡耕地和林地水量平衡進(jìn)行分析。
1.2.2 測定方法
(1) 坡耕地水量平衡：水量平衡法是研究坡耕地水量盈虧平衡的有效方法，其是指在某一時(shí)段內(nèi)對一定面積和一定土層厚度的各來水項(xiàng)和去水項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。水量平衡方程為
P+I=R+D+E+T+ΔW
(1)
結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，坡耕地?zé)o灌溉水輸入，則I=0；D為深層滲漏量，研究區(qū)地下水位在10 m以上，深層滲漏量忽略不計(jì)；田間蒸發(fā)量和蒸騰量很難分開，統(tǒng)稱田間土壤蒸散量，記為Eta。坡耕地農(nóng)田水量平衡方程可簡化為
P=R+ETa+ΔW
(2)
降水量P為研究區(qū)DL16氣象儀器自動觀測；地表徑流R通過徑流泥沙監(jiān)測儀測得；Eta利用土壤水分蒸滲測試系統(tǒng)測定；ΔW首先通過TDR法測定不同土層土壤間水分含量，進(jìn)而推算出土層持水量差值。
(2) 林地水量平衡：采取多株平衡法進(jìn)行分析，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，平衡方程可表示為
P=I+R+E+ΔW
(3)
式中：P——降雨量；I——冠層截留量，通過總降雨量與林內(nèi)穿透雨量和林干徑流量差值確定；R——地表徑流量；E——林分蒸散量，為林冠蒸騰與林地蒸發(fā)量之和，由降水量減去冠層截留量、地表徑流量及水分變化量得到；ΔW——土壤水分變化量。
2 結(jié)果與分析
2.1 降水分布及特征
2.1.1 降雨量年際變化 根據(jù)吉林省遼源市31 a氣象資料(1978—2008年)，對研究區(qū)坡耕地降水分布及特征進(jìn)行分析(表1)。結(jié)果表明研究區(qū)多年(1978—2008年)平均降水量為648.56 mm，不同年際年均降水量呈波動變化。其中年最大降水量為911.00 mm (1994年)，年最小降水量為383.50 mm (1982年)，最大與最小年降水量變幅達(dá)527.5 mm。從各年代平均值來看，20世紀(jì)70年代后期平均降水量為529.7 mm，80年代為661.55 mm，90年代為645.82 mm，2000—2008年為591.52 mm。即20世紀(jì)70年代后期降水量偏小，為多年平均降水量的81.67%；20世紀(jì)80年代平均降水量有所增加，為多年平均降水量的1.02倍；20世紀(jì)90年代和2000—2008年間的平均降水量有所減少，分別為多年平均降水量的99.58%和91.21%。
表1 研究區(qū)降水特征值
東北地區(qū)玉米為主要糧食作物，5—9月為玉米作物生長季節(jié)，并且7—8月份是作物生長需水量最多的月份。由表1分析可知，20世紀(jì)70年代后期生長季和7—8月份平均降水量為423.00 mm和270.35 mm，分別占全年平均降水量的79.86%和51.04%；20世紀(jì)80年代生長季和7—8月份降水量為544.54 mm 和312.81 mm，分別占年均降水量的82.31%和47.28%；20世紀(jì)90年代降水量為535.29 mm和341.03 mm，分別占年均降水量的82.89%和52.81%；2000—2008年間生長季平均降水量為466.88 mm和373.30 mm，分別占年均降水量的78.93%和63.11%。
2.1.2 降水量年內(nèi)變化特征 年內(nèi)降水量分配也直接影響著土壤水分的季節(jié)變化過程。由表2分析可知，吉林省遼源市降水量的年內(nèi)分配高度集中，月份分配很不均勻。歷年各月的平均降水量以7月份最大，為1 754.3 mm，占全年降水量的24.6%；其次為8月份，降水量為153.4 mm，占全年的24.4%；月平均降水量以2月份最小，其次為1月份和12月份，降水量分別為5.71 mm，6.10 mm和9.00 mm，分別占全年降水量的0.9%，1.0%和1.4%。降水量的季節(jié)分配表現(xiàn)為春季(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%。由圖1分析，研究區(qū)降水量的年內(nèi)分配呈單峰型，年內(nèi)生長季(5—9月)的降水量為511.16 mm，占全年的81.4%，生長季前期降水量逐漸增大，到7月份達(dá)到最大值后遞減，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
圖1 1978-2008年年內(nèi)降水量分布
2.1.3 降水日數(shù)及降水強(qiáng)度
(1) 降水日數(shù)和各級別降水日數(shù)的季節(jié)分配。降水日數(shù)是指日降水量≥ 0.1 mm的日數(shù)，由表3可知，項(xiàng)目區(qū)多年平均降水日數(shù)為105.28 d，且降水多
數(shù)為小雨。年平均≥0.1 mm的降水日數(shù)為37.43 d，≥1.0 mm、≥10 mm、≥25 mm和≥50 mm的降水日數(shù)分別為48.62，14.57，3.82，0.84 d。同時(shí)，≥0.1 mm的降水日數(shù)多分布在冬季(12月—次年2月)，≥1.0 mm的降水日數(shù)多分布在春季(3—5月)，≥10 mm、≥25 mm和≥50 mm的降水日數(shù)則分布在夏季(6—8月)。作物生長季的降水日數(shù)為59.95 d，占總降水天數(shù)的56.94%，生長季≥0.1 mm的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的38.42%；≥ 1.0 mm的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的59.91%；≥10 mm的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的82.36%；≥25 mm的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的94.24%；≥50 mm的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的100%。
表3 1978-2008年各等級降水的日數(shù)
(2) 降水強(qiáng)度。根據(jù)31 a的資料統(tǒng)計(jì)，31 a內(nèi)日降雨量≥0.1 mm的降雨天數(shù)為1 161 d，≥1.0 mm的小雨天數(shù)為1 435 d，≥10 mm的中雨天數(shù)為452 d，≥25 mm的大雨天數(shù)為118 d，≥50 mm的大雨天數(shù)為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，根據(jù)1978—2008年的資料統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目區(qū)各累計(jì)年1日最大降水量為50.5～152.6 mm。
2.2 坡耕地水量平衡
2.2.1 坡耕地農(nóng)田水量平衡 由表4分析可得，玉米生長期黑土區(qū)坡耕地的水量平衡特征表現(xiàn)為以農(nóng)田蒸散量為主要支出項(xiàng)，5—9月份分別為53.05，99.84，170.06，124.33，55.88 mm，占總輸入降水量的65%～88%，其次為地表徑流量，在5—9月份分別為11.06，21.97，20.51，33.94，5.07 mm，占總輸入降水量的7%～20%，而土壤蓄水變化量所占總支出項(xiàng)的比例最小。同時(shí)，不同月份水量平衡各分量的比例存在差異，地表徑流量在8月份最大，為33.94 mm，其次為6月份和7月份，分別為21.97 mm和20.51 mm；農(nóng)田蒸散量在7月份最大，為170.06 mm，其次為8月份和6月份，分別為124.33 mm和99.84 mm；土壤蓄水變化量在5月、6月、8月和9月為正值，土壤處于蓄水階段，而7月份土壤蓄水變化量為負(fù)值，說明土壤處于失水階段。
表4 玉米生長期坡耕地水量平衡
2.2.2 林地水量平衡 由表5分析可知，山楊林地在生長季6—8月，水分充沛，冠層截留量分別為59.12，89.65，87.84 mm，地表徑流12.24，24.34，23.94 mm，林地土壤處于蓄水狀態(tài)，蓄水量分別為2.94，3.81，1.91 mm；但在9月份，山楊林地出現(xiàn)水分匱缺，本月產(chǎn)生地表徑流量為0 mm，土壤水分變化量為-0.72 mm，說明土壤處于失水狀態(tài)。對整個生長季(6—9月)而言，降水量為547.81 mm，地表徑流量為60.52 mm，林地蒸散量為214.28 mm，土壤水分變化量為7.94 mm，山楊林地整體表現(xiàn)為水分充盈，土壤較長時(shí)間內(nèi)處于蓄水狀態(tài)。
表5 山楊林地生長季內(nèi)水量平衡
3 結(jié) 論
(1) 研究區(qū)1978—2008年間多年平均降水量為648.56 mm；年內(nèi)降水量呈單峰型分配，7月和8月占全年降水量的24.6%和24.4%，生長季降水量占全年的81.4%；作物生長季的降水日數(shù)為59.95 d，占總降水天數(shù)的56.94%。
(2) 7月份玉米作物需水量最高，實(shí)際蒸散量和農(nóng)田潛在蒸散量分別為170.06 mm和149.18 mm；5月和6月農(nóng)田水分虧缺量分別為59.82 mm和45.56 mm，7月和8月水分盈余量分別為20.88 mm和54.09 mm，9月份水量盈虧較為平衡。
(3) 農(nóng)田蒸散量為研究區(qū)坡耕地水量平衡主要支出項(xiàng)，占總輸入降水量的65%～88%，土壤蓄水變化量占總支出項(xiàng)比例最?。蛔魑锷L季內(nèi)地表徑流量在8月份比例最大，農(nóng)田蒸散量在7月份比例最大，土壤蓄水變化量在5—6月和8—9月為正值，在7月份為負(fù)值。
(4) 山楊林地在生長季6—9月水分充盈，土壤水分變化量為7.94 mm，林地土壤長期處于蓄水狀態(tài)。
[1] 范昊明,蔡強(qiáng)國,王紅閃.中國東北黑土區(qū)土壤侵蝕環(huán)境[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(2):66-70.
[2] 孫莉英,蔡強(qiáng)國,陳生永,等.東北典型黑土區(qū)小流域水土流失綜合防治體系[J].水土保持研究,2012,19(3):36-41.
[3] 呂剛,班小峰,雷澤勇,等.東北黑土區(qū)坡耕地治理過程中的水土保持效應(yīng)[J].水土保持研究,2009,16(6):51-55.
[4] 水利部,中國科學(xué)院,中國工程院.中國水土流失防治與生態(tài)安全：東北黑土區(qū)卷[M].北京:科學(xué)出版社,2010.
[5] 張偉東,肖瑩,邰珊珊,等.長江流域土壤水量平衡與植被旱度研究[J].土壤通報(bào),2008,39(2):228-232.
[6] 李海防,衛(wèi)偉,陳利項(xiàng),等.黃土高原林草地覆蓋土壤水量平衡研究進(jìn)展[J].水土保持研究,2013,20(1):287-292.
[7] 楊鋒偉,陳麗華,朱清科,等.晉西黃土區(qū)主要造林樹種耗水特性分析[J].水土保持研究,2008,15(1):41-45.
[8] 侯蘭功,肖洪浪,鄒松兵,等.黑河流域水循環(huán)特征研究[J].水土保持研究,2010,17(3):254-258.
[9] 黃枝英.北京山區(qū)典型林分水分循環(huán)與水量平衡研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2012.
[10] 張燕.北京地區(qū)楊樹人工林能量平衡和水量平衡[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2012.
[11] 宋穎帕,謝小立.土地利用方式對紅壤坡地雨水利用和水量平衡的影響研究[J].水土保持通報(bào),2009,29(3):97-102.
[12] 胡夢珺,劉文兆,趙姚陽.黃土高原農(nóng)、林、草地水量平衡異同比較分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2003,21(4):113-116.
[13] 阿拉木薩,蔣德明,駱永明.半干旱區(qū)人工固沙灌叢發(fā)育過程土壤水分及水量平衡研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(4):107-110.
[14] Di Stefano C, Ferro V. Estimation of evapotranspiration by Hargreaves formula and remotely sensed data in semi-arid Mediterranean areas[J]. Journal of Agricultural Engineering Research,1997,68(3):189-199.
[15] Peacock C E, Hess T M. Estimating evapotranspiration from a reed bed using the Bowen ratio energy balance method[J]. Hydrological Processes,2004,18(2):247-260.
[16] 熊偉,王彥輝,徐德應(yīng).寧南山區(qū)華北落葉松人工林蒸騰耗水規(guī)律及其對環(huán)境因子的響應(yīng)[J].林業(yè)科學(xué),2003,39(2):38-40.
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
水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200901048);國家十二五科技支撐項(xiàng)目(2011BAD31B01)
隋媛媛(1986—),女,吉林東豐人,博士研究生,助理工程師,主要從事水土保持及面源污染防治。E-mail:suiyuanyuan0429@163.com
閻百興(1965—)，男，陜西渭南人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境污染和生態(tài)修復(fù)方面的研究。E-mail:yanbx@neigae.ac.cn
P333.1
：A
：1005-3409(2014)03-0197-04
猜你喜歡
繪制和閱讀降水量柱狀圖《學(xué)習(xí)方法報(bào)》地理商務(wù)星球七年級(2023年13期)2023-10-11 02:44:46 漢江上游漢中區(qū)域不同等級降水日數(shù)的氣候變化特征分析綠色科技(2022年16期)2022-09-15 03:04:46 天津市濱海新區(qū)塘沽地域雷暴日數(shù)變化規(guī)律及特征分析天津科技(2020年2期)2020-03-03 05:09:48 降水量是怎么算出來的啟蒙（3-7歲）(2019年8期)2019-09-10 03:09:08 1988—2017年呼和浩特市降水演變特征分析江西農(nóng)業(yè)(2018年23期)2018-02-11 07:26:59 建平縣實(shí)施國家坡耕地治理項(xiàng)目成效及經(jīng)驗(yàn)水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)(2016年10期)2017-01-15 14:01:25 基于小波變換的三江平原旬降水量主周期識別水利科技與經(jīng)濟(jì)(2016年6期)2016-04-22 05:08:06 海南省雷暴日數(shù)年代際變化特征氣象研究與應(yīng)用(2016年4期)2016-02-27 12:23:16 資陽市雁江區(qū)：防治并重 建管結(jié)合 創(chuàng)建坡耕地水土流失綜合治理示范區(qū)中國水利(2015年24期)2015-04-25 08:14:51 ESSENTIAL NORMS OF PRODUCTS OF WEIGHTED COMPOSITION OPERATORS AND DIFFERENTIATION OPERATORS BETWEEN BANACH SPACES OF ANALYTIC FUNCTIONS?Acta Mathematica Scientia(English Series)(2015年6期)2015-02-10 08:37:17
- 水土保持研究的其它文章
- 河北壩上農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能及類型配置研究
——以河北省康保縣為例 - 基于P-S-R模型的生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展型區(qū)域土地生態(tài)安全評價(jià)
——以重慶市豐都縣為例 - 鎮(zhèn)域土地生態(tài)安全綜合評價(jià)研究
——以重慶市豐都縣十直鎮(zhèn)為例 - 輸變電工程建設(shè)低擾動水土保持技術(shù)研究
——以山西省輸變電工程為例 - 農(nóng)業(yè)開發(fā)對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響研究
——以三江平原北部地區(qū)為例 - 區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)配置研究
——以三江平原為例
隋媛媛, 許曉鴻, 張 瑜, 劉艷軍, 趙書軍, 閻百興
(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長春 130102; 2.吉林省水土保持科學(xué)研究院, 長春 130033)
吉林省中東部低山丘陵區(qū)坡耕地和林地水量平衡
——以東遼縣杏木小流域?yàn)槔?/p>
隋媛媛1,2, 許曉鴻2, 張 瑜2, 劉艷軍2, 趙書軍2, 閻百興1
(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長春 130102; 2.吉林省水土保持科學(xué)研究院, 長春 130033)
為了探求黑土區(qū)坡耕地和林地降水資源再分配規(guī)律，以吉林省東遼縣杏木小流域?yàn)榈湫脱芯繀^(qū)，采用資料統(tǒng)計(jì)分析與野外試驗(yàn)測定相結(jié)合的方法，對研究區(qū)坡耕地和林地水量平衡進(jìn)行分析。結(jié)果表明：(1) 研究區(qū)1978—2008年間，年內(nèi)降水量呈單峰型分配，作物生長季降水量為511.16 mm，降水日數(shù)為59.95 d，分別占全年總降水量和降水天數(shù)的81.4%和56.94%。(2) 農(nóng)田蒸散量在5—9月分別為53.05，99.84，170.06，124.33，55.88 mm，占總輸入降水量的65%～88%，為研究區(qū)坡耕地水量平衡主要支出項(xiàng)；土壤蓄水變化量在5月、6月、8—9月為正值，土壤處于蓄水狀態(tài)；在7月份為負(fù)值，土壤處于失水狀態(tài)。(3) 山楊林地在生長季6—9月水分充盈，土壤水分變化量為7.94 mm，林地土壤長期處于蓄水狀態(tài)。
農(nóng)業(yè)工程; 水量平衡; 多株平衡法; 地表徑流
東北黑土區(qū)是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，土地資源和森林資源豐富，對維持國家糧食生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義[1-3]。吉林省位于我國東北溫帶季風(fēng)區(qū)，降水資源時(shí)空分配不均，降雨多集中在5—9月，占全年降水量的80%以上，水分成為作物生長和植被恢復(fù)的限制性因素[4]。水量平衡是指水分輸入與輸出之間的平衡，對水分的輸入項(xiàng)和支出項(xiàng)進(jìn)行定量分析，是研究坡耕地水量盈虧平衡及降水在林地植被中再分配規(guī)律的有效方法，能夠?yàn)榻邓Y源的高效利用及更為科學(xué)的水資源管理提供依據(jù)[5]。多年來，我國學(xué)者在多個地區(qū)開展了大量關(guān)于水量平衡方面的研究[6-13]，但東北黑土區(qū)在坡耕地和林地水量平衡研究方面相對薄弱。本研究結(jié)合國家水資源高效集約利用戰(zhàn)略及東北地區(qū)糧食增產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需求，以吉林省東遼縣杏木小流域?yàn)榈湫驮囼?yàn)區(qū)，對黑土區(qū)坡耕地和林地水量平衡進(jìn)行定量分析，以期為東北黑土區(qū)降水資源的優(yōu)化調(diào)配與利用提供參考。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于吉林省東遼縣杏木小流域，地處長白山余脈，東遼河流域上游。地理坐標(biāo)為東經(jīng)125°22′40″—125°26′10″，北緯42°58′05″—43°01′40″。該流域?qū)儆诘湫蜄|北低山丘陵地貌，寒溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫5.2℃，有效積溫2 700～2 800℃，最高氣溫38 ℃，最低氣溫-40℃，≥10℃的積溫2 900℃。無霜期平均137 d，年平均日照時(shí)數(shù)為2 497.9 h，多年平均降水量658.1 mm。研究區(qū)土地利用類型主要為坡耕地和林地，土壤類型以棕壤土為主，土壤侵蝕強(qiáng)度為中度，植被類型為長白山植物區(qū)系，植被覆蓋率為19%。由天然次生林、人工林、草本植物及農(nóng)作物等植被構(gòu)成，主要包括水曲柳、刺五加、白楊、落葉松、樟子松、紫穗槐、蒿類及禾本科植物，農(nóng)作物以種植玉米為主。
1.2 試驗(yàn)布設(shè)及方法
1.2.1 樣地布設(shè)與項(xiàng)目測定 試驗(yàn)區(qū)所選坡耕地和林地坡度分別為8°和12°，試驗(yàn)小區(qū)面積均為18 m×6 m標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)，分別設(shè)置3個重復(fù)，在各小區(qū)底部設(shè)有由中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研制的無動力水土流失過程自動觀測裝置。試驗(yàn)坡耕地選取玉米作物為研究對象，林地選取山楊作為研究對象，林齡為3 a，株行距為1.5 m×1.5 m。利用測高器、測桿、胸徑尺、皮卷尺等工具對林地情況進(jìn)行測量調(diào)查，平均樹高2.8 m，平均胸徑3.6 cm，郁閉度為0.45，試驗(yàn)觀測時(shí)間為2012年5—9月。
降雨是天然植被和農(nóng)作物水分補(bǔ)給的唯一來源，年降水量的多少對于坡耕地和林地土壤水分的變化過程有著重要的影響。根據(jù)吉林省遼源市氣象局提供的31 a氣象資料(1978—2008年)，對項(xiàng)目區(qū)降水分布及特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用水量平衡法[14-15]和多株平衡法[16]分別對坡耕地和林地水量平衡進(jìn)行分析。
1.2.2 測定方法
(1) 坡耕地水量平衡：水量平衡法是研究坡耕地水量盈虧平衡的有效方法，其是指在某一時(shí)段內(nèi)對一定面積和一定土層厚度的各來水項(xiàng)和去水項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。水量平衡方程為
P+I=R+D+E+T+ΔW
(1)
結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，坡耕地?zé)o灌溉水輸入，則I=0；D為深層滲漏量，研究區(qū)地下水位在10 m以上，深層滲漏量忽略不計(jì)；田間蒸發(fā)量和蒸騰量很難分開，統(tǒng)稱田間土壤蒸散量，記為Eta。坡耕地農(nóng)田水量平衡方程可簡化為
P=R+ETa+ΔW
(2)
降水量P為研究區(qū)DL16氣象儀器自動觀測；地表徑流R通過徑流泥沙監(jiān)測儀測得；Eta利用土壤水分蒸滲測試系統(tǒng)測定；ΔW首先通過TDR法測定不同土層土壤間水分含量，進(jìn)而推算出土層持水量差值。
(2) 林地水量平衡：采取多株平衡法進(jìn)行分析，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，平衡方程可表示為
P=I+R+E+ΔW
(3)
式中：P——降雨量；I——冠層截留量，通過總降雨量與林內(nèi)穿透雨量和林干徑流量差值確定；R——地表徑流量；E——林分蒸散量，為林冠蒸騰與林地蒸發(fā)量之和，由降水量減去冠層截留量、地表徑流量及水分變化量得到；ΔW——土壤水分變化量。
2 結(jié)果與分析
2.1 降水分布及特征
2.1.1 降雨量年際變化 根據(jù)吉林省遼源市31 a氣象資料(1978—2008年)，對研究區(qū)坡耕地降水分布及特征進(jìn)行分析(表1)。結(jié)果表明研究區(qū)多年(1978—2008年)平均降水量為648.56 mm，不同年際年均降水量呈波動變化。其中年最大降水量為911.00 mm (1994年)，年最小降水量為383.50 mm (1982年)，最大與最小年降水量變幅達(dá)527.5 mm。從各年代平均值來看，20世紀(jì)70年代后期平均降水量為529.7 mm，80年代為661.55 mm，90年代為645.82 mm，2000—2008年為591.52 mm。即20世紀(jì)70年代后期降水量偏小，為多年平均降水量的81.67%；20世紀(jì)80年代平均降水量有所增加，為多年平均降水量的1.02倍；20世紀(jì)90年代和2000—2008年間的平均降水量有所減少，分別為多年平均降水量的99.58%和91.21%。
表1 研究區(qū)降水特征值
東北地區(qū)玉米為主要糧食作物，5—9月為玉米作物生長季節(jié)，并且7—8月份是作物生長需水量最多的月份。由表1分析可知，20世紀(jì)70年代后期生長季和7—8月份平均降水量為423.00 mm和270.35 mm，分別占全年平均降水量的79.86%和51.04%；20世紀(jì)80年代生長季和7—8月份降水量為544.54 mm 和312.81 mm，分別占年均降水量的82.31%和47.28%；20世紀(jì)90年代降水量為535.29 mm和341.03 mm，分別占年均降水量的82.89%和52.81%；2000—2008年間生長季平均降水量為466.88 mm和373.30 mm，分別占年均降水量的78.93%和63.11%。
2.1.2 降水量年內(nèi)變化特征 年內(nèi)降水量分配也直接影響著土壤水分的季節(jié)變化過程。由表2分析可知，吉林省遼源市降水量的年內(nèi)分配高度集中，月份分配很不均勻。歷年各月的平均降水量以7月份最大，為1 754.3 mm，占全年降水量的24.6%；其次為8月份，降水量為153.4 mm，占全年的24.4%；月平均降水量以2月份最小，其次為1月份和12月份，降水量分別為5.71 mm，6.10 mm和9.00 mm，分別占全年降水量的0.9%，1.0%和1.4%。降水量的季節(jié)分配表現(xiàn)為春季(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%。由圖1分析，研究區(qū)降水量的年內(nèi)分配呈單峰型，年內(nèi)生長季(5—9月)的降水量為511.16 mm，占全年的81.4%，生長季前期降水量逐漸增大，到7月份達(dá)到最大值后遞減，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
圖1 1978-2008年年內(nèi)降水量分布
2.1.3 降水日數(shù)及降水強(qiáng)度
(1) 降水日數(shù)和各級別降水日數(shù)的季節(jié)分配。降水日數(shù)是指日降水量≥ 0.1 mm的日數(shù)，由表3可知，項(xiàng)目區(qū)多年平均降水日數(shù)為105.28 d，且降水多
數(shù)為小雨。年平均≥0.1 mm的降水日數(shù)為37.43 d，≥1.0 mm、≥10 mm、≥25 mm和≥50 mm的降水日數(shù)分別為48.62，14.57，3.82，0.84 d。同時(shí)，≥0.1 mm的降水日數(shù)多分布在冬季(12月—次年2月)，≥1.0 mm的降水日數(shù)多分布在春季(3—5月)，≥10 mm、≥25 mm和≥50 mm的降水日數(shù)則分布在夏季(6—8月)。作物生長季的降水日數(shù)為59.95 d，占總降水天數(shù)的56.94%，生長季≥0.1 mm的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的38.42%；≥ 1.0 mm的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的59.91%；≥10 mm的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的82.36%；≥25 mm的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的94.24%；≥50 mm的降水日數(shù)占總降水日數(shù)的100%。
表3 1978-2008年各等級降水的日數(shù)
(2) 降水強(qiáng)度。根據(jù)31 a的資料統(tǒng)計(jì)，31 a內(nèi)日降雨量≥0.1 mm的降雨天數(shù)為1 161 d，≥1.0 mm的小雨天數(shù)為1 435 d，≥10 mm的中雨天數(shù)為452 d，≥25 mm的大雨天數(shù)為118 d，≥50 mm的大雨天數(shù)為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，根據(jù)1978—2008年的資料統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目區(qū)各累計(jì)年1日最大降水量為50.5～152.6 mm。
2.2 坡耕地水量平衡
2.2.1 坡耕地農(nóng)田水量平衡 由表4分析可得，玉米生長期黑土區(qū)坡耕地的水量平衡特征表現(xiàn)為以農(nóng)田蒸散量為主要支出項(xiàng)，5—9月份分別為53.05，99.84，170.06，124.33，55.88 mm，占總輸入降水量的65%～88%，其次為地表徑流量，在5—9月份分別為11.06，21.97，20.51，33.94，5.07 mm，占總輸入降水量的7%～20%，而土壤蓄水變化量所占總支出項(xiàng)的比例最小。同時(shí)，不同月份水量平衡各分量的比例存在差異，地表徑流量在8月份最大，為33.94 mm，其次為6月份和7月份，分別為21.97 mm和20.51 mm；農(nóng)田蒸散量在7月份最大，為170.06 mm，其次為8月份和6月份，分別為124.33 mm和99.84 mm；土壤蓄水變化量在5月、6月、8月和9月為正值，土壤處于蓄水階段，而7月份土壤蓄水變化量為負(fù)值，說明土壤處于失水階段。
表4 玉米生長期坡耕地水量平衡
2.2.2 林地水量平衡 由表5分析可知，山楊林地在生長季6—8月，水分充沛，冠層截留量分別為59.12，89.65，87.84 mm，地表徑流12.24，24.34，23.94 mm，林地土壤處于蓄水狀態(tài)，蓄水量分別為2.94，3.81，1.91 mm；但在9月份，山楊林地出現(xiàn)水分匱缺，本月產(chǎn)生地表徑流量為0 mm，土壤水分變化量為-0.72 mm，說明土壤處于失水狀態(tài)。對整個生長季(6—9月)而言，降水量為547.81 mm，地表徑流量為60.52 mm，林地蒸散量為214.28 mm，土壤水分變化量為7.94 mm，山楊林地整體表現(xiàn)為水分充盈，土壤較長時(shí)間內(nèi)處于蓄水狀態(tài)。
表5 山楊林地生長季內(nèi)水量平衡
3 結(jié) 論
(1) 研究區(qū)1978—2008年間多年平均降水量為648.56 mm；年內(nèi)降水量呈單峰型分配，7月和8月占全年降水量的24.6%和24.4%，生長季降水量占全年的81.4%；作物生長季的降水日數(shù)為59.95 d，占總降水天數(shù)的56.94%。
(2) 7月份玉米作物需水量最高，實(shí)際蒸散量和農(nóng)田潛在蒸散量分別為170.06 mm和149.18 mm；5月和6月農(nóng)田水分虧缺量分別為59.82 mm和45.56 mm，7月和8月水分盈余量分別為20.88 mm和54.09 mm，9月份水量盈虧較為平衡。
(3) 農(nóng)田蒸散量為研究區(qū)坡耕地水量平衡主要支出項(xiàng)，占總輸入降水量的65%～88%，土壤蓄水變化量占總支出項(xiàng)比例最?。蛔魑锷L季內(nèi)地表徑流量在8月份比例最大，農(nóng)田蒸散量在7月份比例最大，土壤蓄水變化量在5—6月和8—9月為正值，在7月份為負(fù)值。
(4) 山楊林地在生長季6—9月水分充盈，土壤水分變化量為7.94 mm，林地土壤長期處于蓄水狀態(tài)。
[1] 范昊明,蔡強(qiáng)國,王紅閃.中國東北黑土區(qū)土壤侵蝕環(huán)境[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(2):66-70.
[2] 孫莉英,蔡強(qiáng)國,陳生永,等.東北典型黑土區(qū)小流域水土流失綜合防治體系[J].水土保持研究,2012,19(3):36-41.
[3] 呂剛,班小峰,雷澤勇,等.東北黑土區(qū)坡耕地治理過程中的水土保持效應(yīng)[J].水土保持研究,2009,16(6):51-55.
[4] 水利部,中國科學(xué)院,中國工程院.中國水土流失防治與生態(tài)安全：東北黑土區(qū)卷[M].北京:科學(xué)出版社,2010.
[5] 張偉東,肖瑩,邰珊珊,等.長江流域土壤水量平衡與植被旱度研究[J].土壤通報(bào),2008,39(2):228-232.
[6] 李海防,衛(wèi)偉,陳利項(xiàng),等.黃土高原林草地覆蓋土壤水量平衡研究進(jìn)展[J].水土保持研究,2013,20(1):287-292.
[7] 楊鋒偉,陳麗華,朱清科,等.晉西黃土區(qū)主要造林樹種耗水特性分析[J].水土保持研究,2008,15(1):41-45.
[8] 侯蘭功,肖洪浪,鄒松兵,等.黑河流域水循環(huán)特征研究[J].水土保持研究,2010,17(3):254-258.
[9] 黃枝英.北京山區(qū)典型林分水分循環(huán)與水量平衡研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2012.
[10] 張燕.北京地區(qū)楊樹人工林能量平衡和水量平衡[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2012.
[11] 宋穎帕,謝小立.土地利用方式對紅壤坡地雨水利用和水量平衡的影響研究[J].水土保持通報(bào),2009,29(3):97-102.
[12] 胡夢珺,劉文兆,趙姚陽.黃土高原農(nóng)、林、草地水量平衡異同比較分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2003,21(4):113-116.
[13] 阿拉木薩,蔣德明,駱永明.半干旱區(qū)人工固沙灌叢發(fā)育過程土壤水分及水量平衡研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(4):107-110.
[14] Di Stefano C, Ferro V. Estimation of evapotranspiration by Hargreaves formula and remotely sensed data in semi-arid Mediterranean areas[J]. Journal of Agricultural Engineering Research,1997,68(3):189-199.
[15] Peacock C E, Hess T M. Estimating evapotranspiration from a reed bed using the Bowen ratio energy balance method[J]. Hydrological Processes,2004,18(2):247-260.
[16] 熊偉,王彥輝,徐德應(yīng).寧南山區(qū)華北落葉松人工林蒸騰耗水規(guī)律及其對環(huán)境因子的響應(yīng)[J].林業(yè)科學(xué),2003,39(2):38-40.
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
水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200901048);國家十二五科技支撐項(xiàng)目(2011BAD31B01)
隋媛媛(1986—),女,吉林東豐人,博士研究生,助理工程師,主要從事水土保持及面源污染防治。E-mail:suiyuanyuan0429@163.com
閻百興(1965—)，男，陜西渭南人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境污染和生態(tài)修復(fù)方面的研究。E-mail:yanbx@neigae.ac.cn
P333.1
：A
：1005-3409(2014)03-0197-04
猜你喜歡
《學(xué)習(xí)方法報(bào)》地理商務(wù)星球七年級(2023年13期)2023-10-11 02:44:46
綠色科技(2022年16期)2022-09-15 03:04:46
天津科技(2020年2期)2020-03-03 05:09:48
啟蒙（3-7歲）(2019年8期)2019-09-10 03:09:08
江西農(nóng)業(yè)(2018年23期)2018-02-11 07:26:59
水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)(2016年10期)2017-01-15 14:01:25
水利科技與經(jīng)濟(jì)(2016年6期)2016-04-22 05:08:06
氣象研究與應(yīng)用(2016年4期)2016-02-27 12:23:16
中國水利(2015年24期)2015-04-25 08:14:51
Acta Mathematica Scientia(English Series)(2015年6期)2015-02-10 08:37:17
- 水土保持研究的其它文章
- 河北壩上農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能及類型配置研究
——以河北省康保縣為例 - 基于P-S-R模型的生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展型區(qū)域土地生態(tài)安全評價(jià)
——以重慶市豐都縣為例 - 鎮(zhèn)域土地生態(tài)安全綜合評價(jià)研究
——以重慶市豐都縣十直鎮(zhèn)為例 - 輸變電工程建設(shè)低擾動水土保持技術(shù)研究
——以山西省輸變電工程為例 - 農(nóng)業(yè)開發(fā)對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響研究
——以三江平原北部地區(qū)為例 - 區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)配置研究
——以三江平原為例