濕潤地區坡面土壤含水率時空變異性研究

劉宏偉,高　菲,余鐘波,高風華,5,向　龍

(1.南京水利科學研究院水文水資源研究所,江蘇 南京　210029;2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京　210029;3.江蘇省水利廳,江蘇 南京　210029; 4.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098;5.南京工程學院環境工程學院,江蘇 南京　211167)

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濕潤地區坡面土壤含水率時空變異性研究

劉宏偉1,2,高菲3,余鐘波4,高風華4,5,向龍4

(1.南京水利科學研究院水文水資源研究所,江蘇 南京210029;2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京210029;3.江蘇省水利廳,江蘇 南京210029; 4.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098;5.南京工程學院環境工程學院,江蘇 南京211167)

通過野外觀測數據分析,研究濕潤地區坡面尺度土壤含水率的時空變異性。利用頻域反射(FDR)傳感器在1年內以1次/h的觀測密度連續監測近地表24個位置及2個剖面上12個位置的土壤含水率。利用變異系數和半方差圖方法,分析了研究區域內不同空間位置上土壤含水率的時間變異性和不同季節土壤含水率的空間變異性。結果表明,在太湖流域地表附近土壤含水率呈中等或者中等偏弱變異性;土壤性質、地形、植被、氣象和人類活動等因素影響了土壤水分的時空變異性;不同要素在時間變異性和空間變異性上影響力不同,并且不同季節有不同的主導影響因素;不同季節土壤含水率半方差具有相似的模式,這與各因素作用的強弱有關。

土壤含水率;時空變異性;變異系數;半方差圖;濕潤地區;坡面

土壤水運動是水文循環中最重要的組成部分,土壤水分分布與運動規律的研究是水資源利用和環境整治的主要研究內容之一。土壤水分運動與下滲過程、蒸散發過程以及地下水分運動過程聯系緊密[1-3],并對地表與地下徑流形成、溶質遷移、土壤-大氣之間相互作用等各環節都有著顯著的影響[2-7]。土壤水分不論在空間上還是時間上,都有著很強的變異性[8-9]。土壤水分變異性的存在增加了水文過程及溶質遷移過程研究的復雜程度。

土壤含水率在水文過程和溶質遷移中具有重要作用,近年來關于土壤水分國內外學者都進行了大量研究。胡偉等[7]在黃土高原退耕坡地地區研究了土壤水分空間變異性及尺度影響,發現不同研究尺度上影響土壤含水率的主導因素和過程是不同的。Andrew等[8]研究了澳大利亞小流域中土壤含水率的空間相關性及其與流域水文過程的關系,認為流域上土壤含水率在空間和時間上均有相關關系并受地形影響明顯。汪星等[10]在黃土高原半干旱區開展了山地密植棗林土壤水分特性研究,分析了該區域土壤水月變化規律及其與植被的關系。王云強等[11]研究了黃土高原區域尺度上土壤水分空間變異性規律,分析了變異系數和空間異質比在0～500 cm垂向分布的規律性。一些學者[9, 12-14]比較了黃土區草地和農地兩種土地利用類型條件下土壤含水率變異性,認為土地利用方式對水平和垂向含水率分布有明顯影響。Lin等[15-16]在美國賓州的研究顯示,對土壤含水率空間變化和時間變化的研究有助于了解降雨發生時流域地表徑流的發生機制和地下優勢流的產生現象,對準確模擬和預測徑流過程十分重要。

從根本上影響土壤水變化的因素在時間和空間上是同時變化的,因此研究土壤水分變化特性必須同時從時空兩方面入手。目前國內此類研究多見于對黃土高原半干旱區的研究,鮮有對濕潤地區土壤含水率方面探討。本文選取太湖流域西部宜興梅林小流域觀測數據,比較不同季節土壤含水率的時間和空間變化,掌握太湖流域濕潤地區土壤水變化規律和主要影響因素,以幫助加深對濕潤地區產流、產污機制的理解。通過探求濕潤地區土壤含水率時空變異性規律和影響因素,為研究各因素如何定量影響水文循環過程打好基礎,進而為流域水文、溶質模擬以及非點源污染遷移規律的研究和分布式水文、溶質模擬的改進提供科學依據。

1　研究區域和方法

1.1研究區域概況

研究區域梅林小流域地處宜興市東南(31°20′N, 119°51′E),面積約0.7 km2,位于太湖以西約9 km處,屬于封閉型小流域(圖1)。多年平均降雨量約1 150 mm,平均氣溫15.5℃。土地利用類型主要有菜地、旱地、板栗林、竹林、茶園、梨園和水稻田等。流域內主要土壤類型為紅壤和黃棕壤,并存在少量白土。土壤水分長期觀測設備設置在流域內一處山坡上,坡度約19°,高程變化在15.5～23.8 m之間(圖2)。觀測場處于流域內靠近上游東向山坡的下部,坡面以下處有水塘,常年積水。坡面種植板栗樹,植被覆蓋率高,根系生長到地面下0.5 m以上。夏季地面有雜草生長。試驗區坡長18 m,面積81 m2。土壤粒徑組成及其他特性見表1。在坡頂、中段及坡腳分樹下和樹間分別取3個樣品(表1)。

圖1　梅林流域位置

圖2　土壤水傳感器平面和剖面布置

試驗區土壤取樣位置不同土壤質地比例/%D<0.002mm0.002mm≤D≤0.05mmD>0.05mm干容重/(g·cm-3)飽和水力傳導度/(cm·d-1)坡頂10.967.022.11.3246.0坡中13.269.317.61.3731.9坡腳12.970.117.11.3437.5

注：D為土壤顆粒直徑。

1.2觀測布置和分析方法

1.2.1野外觀測及試驗方法

在選定的試驗區中,布置有34個頻域反射(FDR)土壤水分傳感器,其中，地表傳感器布置在沿山坡東線、中線和西線，分布在8個不同高度,同一高度3個傳感器間距1.5 m(如圖2中“FDR傳感器”);剖面傳感器布置在A、B兩個垂向剖面中(如圖2“測量剖面”),布置深度見圖2,具體為A剖面傳感器深度為地表、地表以下0.3 m、0.5 m、2.0 m和3.0 m 5個傳感器,B剖面傳感器深度為地表、地表以下0.3 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m。試驗場坡面地形中線位于坡脊,西、東兩線位于坡溝。坡脊上種有板栗樹,坡溝主要是樹間空地。土壤水觀測每1h測量1次電壓(單位mV)數據,根據率定的“電壓-體積含水率曲線”換算體積土壤含水率。分析采用的數據從2006年11月16日到2007年11月7日,利用數據采集器逐小時記錄數據。土壤機械組成采用LS13320全自動流光粒度分析儀測定,土壤容重采用環刀法測定,土粒密度采用比重瓶法測定[17]。雨量觀測使用翻斗式雨量計觀測。

1.2.2分析方法

利用不同季節土壤含水率變異系數和半方差圖來分析土壤含水率的時間變異性,以及不同季節的空間變異性,比較各種因素對土壤含水率變異性的影響[18-19]。在分析土壤含水率觀測值不同空間位置的時間變異性和不同時間的空間變異性時,參考了變異系數Cv[20]。當Cv≤0.1時為弱變異性,當0.1

半方差圖法是用來比較土壤水分的空間連續特性和區域變異特性的。假定土壤屬性在空間上二階平穩,用半方差函數來表示其空間相關結構。半方差常采用式(1)計算:

(1)

式中:h為位差;N(h)為位差為h時的樣本對的數量;θ(xi)為xi位置的土壤含水率;n為樣本數量。半方差圖中半方差值隨步長增加到一個相對穩定的水平上時,對應的半方差值稱為基臺值,這是區域化變量總體特征的體現。變程是指變異函數在有限步長上達到基臺值時對應的步長,也稱自相關距離,是空間自相關性的最大距離。本文中半方差的計算使用地學統計程序庫(geostatistical software library,GSLIB)[19],分別從總體變異性、土壤特性影響、地形影響、植被影響、氣象因素影響等方面進行分析。

2　結　果

2.1地表附近土壤含水率變異性

2.1.1沿坡長方向不同位置土壤含水率時間變異性

對沿坡長8個不同高度的平均土壤含水率時間序列進行分析(圖3,表2,其中1～8位置為圖2中所標注的不同高度),其變異系數均在0.20～0.26之間,變異性屬中等偏弱。沿坡長方向,體積含水率年平均值總體趨勢為上部較小,下部較大,而實測數據的時間序列變異系數則變化不大。坡頂和坡長中段6號位置的變異系數略高于其他位置的測量值,其時間變異性略強于其他位置。

圖3　不同季節坡面含水率時間序列變異系數

沿坡位置x/%σXCv124.815.920.24229.606.650.22331.486.240.20435.587.150.20535.087.280.21632.518.330.26730.476.790.22831.466.360.20

2.1.2垂直坡長方向土壤含水率時間變異性

表3為3條沿線上平均土壤含水率時間序列變異系數等統計數據。中線的土壤含水率平均值高于西東兩線,而最小值低于左右兩邊。3條測線土壤含水率的最大值非常接近。時間序列的變異系數顯示,3條線土壤含水率平均值均為中等偏弱變異性,中線變異性相對東西線較強。中線的全年土壤含水率平均值和最小值較低,變異系數較大,與東西兩線相比,體現出明顯的坡脊與坡溝土壤含水率變化的差異。根據表4不同季節的統計結果來看,冬春夏3季的土壤含水率時間變異系數依次略有升高,差別不太大,而秋季則有明顯上升,土壤含水率平均值則有與之相應的相反結果。

表3　垂直坡長土壤含水率時間序列統計結果

表4　垂直坡長土壤含水率季節序列統計結果

2.1.3不同季節地表土壤含水率空間變異性

從不同季節平均土壤含水率在空間上的變異性來看,多屬于中等或者中等偏弱的變異性。坡面上3條測線沿坡長方向的空間變異系數較小,其中西線與東線變異性小于中線(圖4(b))。不同高度上垂直坡長方向的土壤含水率的空間變異性高低相間,呈波浪型變化(圖4(a)),并且坡頂和坡腳兩處垂直坡向的變異系數高于中間各個高度。從不同季節的空間變異性來看,春、夏、秋3季的變化規律相似,并且與冬季空間變異系數相比變化略大。

圖4　不同季節土壤含水率變異系數

圖5　不同季節土壤含水率半方差擬合

根據沿坡長方向半方差計算結果,可以發現春、夏、秋3個季節的半方差圖模式相似,可以用球狀模型擬合,冬季的變程明顯大于其他3個季節,用高斯模型可以很好擬合(圖5)。春、夏、秋3季半方差變程約為8 m,而冬季的半方差在16 m以內都沒有達到基臺值。這說明在春、夏、秋季沿坡長方向土壤含水率的相關距離要小于冬季。

2.2垂向剖面土壤含水率變異性

2.2.1垂直剖面土壤含水率時間序列變異性

沿垂直方向的土壤含水率時間變異性從淺到深有明顯的從大到小的變化趨勢(圖6)。地表土壤含水率的時間變異性為中等,而較深的土壤變異性逐漸減弱,逐漸變成弱變異性。變異系數沿深度變化存在轉折點,位于0.5 ～ 1.0 m深度。這種趨勢的分布與降水、蒸發、植被生長和根系深度、地下水運動有著密切的關系。

圖6　A、B剖面土壤含水率時間序列變異系數

2.2.2不同季節垂向剖面土壤含水率空間變異性

從不同季節土壤含水率垂向剖面分布情況來看,可以將剖面分成3個部分(圖7)。第一部分為近地表層,包括A剖面的地表到0.5 m深度和B剖面上從地表到1.5 m與2.0 m之間。這部分土壤含水率在不同季節變化明顯,受前面分析的各個因素影響明顯。第二部分為穩定層,包括A剖面0.5～1.5 m之間和B剖面2.0～3.0 m之間。這部分土壤含水率時間變化非常小,對地表水和地下水變化響應均不明顯。第三部分為近潛水層,包括A剖面2.0 m上下,B剖面3.0 m上下。這部分受變動地下潛水位的影響,當潛水位在這個層間隨時間變動時會造成土壤含水率的變化。A剖面位于坡腳,而B剖面位于坡頂。與坡腳剖面相比,坡頂剖面含水率變異性明顯較強。

圖7　季節平均土壤含水率沿垂向分布

3　討　論

濕潤丘陵地區土壤含水率不論在時間還是空間上均有中等或者中等偏弱的變異性。不同空間位置上的時間變異系數和不同時間段的空間平均土壤含水率變異系數,多數情況下在0.13～0.26之間,少數情況出現高于0.4或者低于0.1。

3.1地表土壤水時間和空間變異性的影響因素

從土壤特性影響方面來看,坡頂土壤含沙量高(表1),平均飽和水力傳導度較高,透水性好于其他位置,在土壤含水率時間變化過程中,坡頂吸收和釋放水分快,因此坡頂含水率的時間變異性與其他位置相比略大。在相同高度的坡面上,樹下和樹間空地的土壤性質略有差別[21],但總體差別不大。實測數據反映出3條測線上的飽和土壤含水率非常相似(表3),土壤特性對垂直坡長方向上土壤含水率的變異性影響不大。

從地形影響方面來看，降雨發生以后,坡頂水分在重力作用下將會向坡腳方向匯集,使得坡面上部土壤水分時間序列變異系數略高于中下部。位于西線和東線沿坡長方向的空間變異系數明顯小于中線(圖4(b))。這樣的現象首先是由于實驗區局部微地形的影響,西東兩線位于坡溝,中線位于坡脊。相比之下,坡脊排水容易,而坡溝則更有利保持水分,所以坡脊土壤水分變化相比之下更劇烈。

從季節和天氣影響方面來看,研究區域全年都有降水分布,在夏季最為集中。從不同季節的時間系列變異系數來看,冬季變異性最弱,因為降雨和蒸發量都較小。8—10月的秋季氣溫高,蒸發與植物散發量大,土壤含水率均值顯然低于其他3季,3個月觀測值的時間變異性也明顯高于其他3季,這主要受氣象因素影響。夏季坡面不同高度測量值的時間變異系數差別較大,總體呈上高下低。造成這種現象,主要是因為夏季長時間降雨,下部測點很長時間處于接近飽和或者田間持水量的狀態,坡上處于這種狀態的時間則短得多,因此其時間變異性會小于坡面上部的位置。即降水發生多的時段,坡頂土壤含水率變異性最大;雨期結束后,坡頂變異性逐漸接近坡腳的狀態。Famiglietti等[22]在沿坡長方向7個月的采樣分析也得出類似的觀測結果。

植被的影響在坡面不同高度上垂直坡長方向的空間變異性也有明顯的體現。如圖4(a)所示,變異系數呈波浪形變化,有板栗樹生長的高度垂直坡長方向的空間變異性較強,無植被生長的高度位置則較弱。中線測量傳感器沿坡面是按樹下—樹間—樹下間隔布置,變異系數波浪形變化規律與之相應。圖4(b)顯示夏季中線變異性最強,春秋次之,冬季最弱,這與植物生長的影響關系密切。植被生長會導致土壤持水能力和蒸散發能力發生變化,從而導致土壤含水率變異性較強。

此外,人類活動也對土壤水的變化有著明顯的影響。坡面上6號位置測值的時間序列變異系數明顯高于周圍(表2),主要原因是測區的人類活動造成擾動,導致變異性增強。

與冬季相比,春、夏、秋3季降雨多且頻繁,植被生長也較旺盛,因此植被、氣象因素的影響強于地形因素引起的土壤水分沿山坡再分布的作用,而冬季這種土壤水分再分布的運動影響明顯得多。土壤水分再分布作用聯系著坡面上很長距離上的土壤含水率。冬季其他因素影響減弱,使這種再分布作用成為主要影響因素之一,從而造成不同時間段沿坡面方向土壤含水率相關距離,冬季大于其他季節的現象。因此,從不同季節土壤含水率變化模式可以識別出植被、氣象、地形等不同影響因素的不同作用效果。若要進一步弄清各影響因素的作用機理和定量規律,則有必要開展更加可控的針對性實驗。

3.2垂直剖面土壤含水率變異性

首先,越上層的土壤接受降水補給相對越容易,土壤水分對降水的響應越明顯,造成土壤水分時間序列變化劇烈。其次,在無雨期越接近地表的土層受太陽輻射、氣溫等氣象因素影響越大,地表的蒸發過程與深層土壤相比也更為活躍,這造成土壤含水率變異性增大。第三,植被根系的生長影響較大,A剖面位于坡腳的樹間區,地表植被為較矮小的雜草和茶樹,其根系生長深度一般為0.3～0.5 m。在這個范圍之內,植物生長對土壤水分影響明顯,根系對水分的吸收造成了0～ 0.5 m一段內土壤水分的較強變異性。B剖面布置的位置為板栗樹附近。板栗樹的根系比雜草和茶樹深得多,所以從圖6(b)可以發現,土壤含水率變異性較高的區域比A剖面(圖6(a))要深一些。由于試驗區位于濕潤地區,地下潛水埋深很淺,所以觀測剖面均受到變動地下水位的影響。從圖6可以發現,A、B兩剖面最深處都有變異性反而增加的現象,A剖面為1.5 m,B剖面為3.0 m。這一現象主要是因為在部分豐水時間里,潛水面達到測點以上,而缺水時間里,潛水面則退下去,這樣就造成了土壤含水率時間的變動性有所增加。

4　結　論

a. 濕潤丘陵地區土壤含水率不論在時間還是空間上均有中等或者中等偏弱的變異性。時間變異性總體趨勢為冬季變異性最弱,春、夏季比冬季強,秋季最強。空間變異性總體趨勢為坡頂變異性強于坡腳;坡脊變異性強于坡溝;垂直剖面上,地表層和受變動地下水位影響大的深層,土壤含水率變異性強于中等深度土層。

b. 土壤含水率變化受到土壤特性、地形、植被、氣象和人類活動等因素的影響明顯。各個影響因子在不同時間和空間條件有著不同的影響強度。在小尺度的山坡試驗區上,不同空間位置不同的土壤特性主要影響各空間位置上土壤含水率在時間上的變異性。地形因素對沿坡長、垂直坡長和剖面3個維度均有影響。主要由于細節地形的差異影響匯流路徑和土壤水分再分布的方式影響土壤水分變異性。植被生長在不同季節有不同的影響,春、夏、秋強,冬季弱。同時,植被生長旺盛的位置土壤水分變異性越強。氣象因素包括降雨、蒸發等,是土壤含水率變化的最主要的驅動因素。雨多、氣溫高、植被生長旺盛的時間段氣象因素影響最強烈。人類活動對地表土壤含水率的影響十分明顯并且隨機性強。

c. 沿坡長方向地表土壤含水率的空間變異性按不同時間段有不同的變異模式。當植被、氣候等外部因素影響較顯著時,土壤含水率半方差具有相似的模式,如試驗采樣期內的春、夏、秋季半方差圖十分相似,都具有相似的基臺值和變程。當外部因素影響不顯著,地形等因素引起的土壤水分再分布占主要影響地位時,則會出現另一種模式,冬季的半方差圖變程超過16.0 m,變異性強于其他季節。

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Study on temporal-spatial variability of soil moisture content on hillslope in a humid area

LIU Hongwei1, 2, GAO Fei3, YU Zhongbo4, GAO Fenghua4, 5, XIANG Long4

(1.HydrologyandWaterResourcesDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China;2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,>NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China;3.WaterResourcesDepartmentofJiangsuProvince,Nanjing210029,China;4.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;5.SchoolofEnvironmentalEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167,China)

The temporal-spatial variability of soil moisture content on a hillslope in a humid area was analyzed based on field monitoring data. Hourly data over a year were collected with frequency domain reflectometry (FDR) sensors. Twenty-four sensors near the soil surface and 12 sensors in two profiles were set up to monitor the soil moisture content continuously. The coefficient of variation and semi-variogram were used to analyze the soil moisture content’s temporal variability in different locations and the spatial variability in different seasons in the study area. The results show that, in the Taihu Basin, the surface soil moisture content exhibited a medium or low level of variability. Soil characteristics, topography, vegetation, meteorological factors, and human activities influenced the temporal-spatial variability of soil moisture. These factors had different effects on the temporal-spatial variability, and the dominant factors were different in each of the four seasons. The semi-variograms for the soil moisture contents in different seasons had similar patterns due to different effects of the factors.

soil moisture content; temporal-spatial variability; coefficient of variation; semi-variogram; humid area; hillslope

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.004

國家自然科學基金青年項目(51209139)

劉宏偉(1982—)，男，高級工程師，博士，主要從事水文實驗、模擬以及防洪減災等研究。E-mail: hwliu@nhri.cn

P33

A

1004-6933(2016)05-0017-07

2015-10-15編輯：彭桃英)