砂姜黑土區(qū)土壤水運(yùn)移規(guī)律初探

胡永勝

一、引言

在大氣—地面—地下水相互作用過程中，土壤水是調(diào)控地下水—大氣反饋的最重要參量之一，直接影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)及產(chǎn)量，一直受到各有關(guān)領(lǐng)域的高度重視。只有掌握土壤水分的變化規(guī)律，及時(shí)采取相應(yīng)的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，才能最大限度地提高農(nóng)田水分利用率，保證作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，因此土壤水分變化模擬研究一直都是相關(guān)學(xué)科重要研究方向之一。國(guó)內(nèi)外專家研究表明土壤含水率與氣象因子之間存在密切的關(guān)系。本文利用五道溝水文實(shí)驗(yàn)站自動(dòng)稱重式地中蒸滲儀及高精度氣象站降雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)氣象條件影響下的砂姜黑土土壤水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了初步研究。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)選取了地下水埋深控制在1m的自動(dòng)稱重式地中蒸滲儀9#測(cè)筒及水文氣象場(chǎng)高精度氣象站數(shù)據(jù)，通過分析其變化趨勢(shì)，對(duì)比相關(guān)數(shù)據(jù)在時(shí)間上的變化規(guī)律及不同層位土壤中的水分運(yùn)移情況，揭示了水分在土壤中運(yùn)移規(guī)律。首先選取兩個(gè)無降雨或期間有極少量降雨的時(shí)間段，繪制在干旱期間不同深度的土壤水分變化趨勢(shì)圖，對(duì)其土壤含水率變化進(jìn)行分析研究，利用SPSS軟件分析不同深度的土壤含水率的相關(guān)性，明確降水和土壤水分的動(dòng)態(tài)變化特征及相關(guān)性。其次根據(jù)降雨量由小到大選取相應(yīng)時(shí)段，繪制降雨與不同深度土壤含水率的變化趨勢(shì)圖，觀察在不同降雨條件下土壤水分的變化特征，分析降雨與不同深度土壤含水率間的相關(guān)性，得出不同降雨條件下土壤水分的變化特征。

圖1 小麥各生長(zhǎng)階段土壤含水率與地下水埋深關(guān)系圖

圖2 2018年4月份不同深度土壤含水率變化趨勢(shì)圖

三、實(shí)驗(yàn)分析及相關(guān)性評(píng)價(jià)

1.土壤水分隨地下水埋深變化的影響分析

通過對(duì)圖1分析可知，成熟期隨著土壤深度越大，土壤含水率越高，在100cm處達(dá)到最大值，此后隨著地下水埋深加大含水率開始變??；播種—分蘗期、分蘗—越冬期、返青—拔節(jié)期在土層深度10～20cm表層時(shí)，隨著土壤深度加大，土壤含水率變??；20cm土層深度以后，隨著土壤深度越大，土壤含水率越高。

2.持續(xù)干旱對(duì)不同深度土壤水分垂直變化特征的影響分析

圖2是五道溝實(shí)驗(yàn)站2018年4月份不同深度土壤體積含水率的變化趨勢(shì)圖，期間呈現(xiàn)極少雨量狀態(tài)且土壤初始含水率較低。10cm深度的初始土壤體積含水率為21.06%，隨著干旱持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢降低，最低降至14.18%。30cm深度的土壤體積含水率從29.86%逐步降低至25.70%，而50cm深度的土壤體積含水率由31.95%緩慢降低至29.49%。顯然30cm和50cm深度的土壤體積含水率也均隨著干旱無降雨?duì)顟B(tài)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但其下降幅度較10cm深度的土壤體積含水率小。

通過SPSS軟件對(duì)所選時(shí)間段內(nèi)各層土壤體積含水率進(jìn)行相關(guān)分析可得，10cm深度的土壤體積含水率與30cm、50cm處體積含水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.986cm、0.863cm；30cm處體積含水率與50cm處的相關(guān)系數(shù)為0.906。

2017年10月19日～11月19日不同深度土壤體積含水率變化趨勢(shì)如圖3。該期間極少雨量狀態(tài)，但土壤含水率初始值較高。由圖3可見，10cm、30cm、50cm深度土壤初始體積含水率分別為30.95%、37.63%、33.73%，隨著持續(xù)無雨?duì)顟B(tài)的延長(zhǎng)而緩慢降低（在11月10日有上升拐點(diǎn)是因?yàn)榉N植作物少量澆水導(dǎo)致，可不考慮此因素），最低分別降至28.43%、35.32%、33.19%。從持續(xù)的無降雨?duì)顟B(tài)對(duì)該期間不同深度土壤體積含水率分析發(fā)現(xiàn)，除表層10cm和30cm處土壤水分隨著時(shí)間不斷下降外，各層水分含量都在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，總體變化趨勢(shì)較平緩。

分析不同深度土壤體積含水率的相關(guān)性得知10cm深度土壤體積含水率與30cm、50cm處土壤體積含水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.711和0.656，30cm深度的土壤體積含水率與50cm深度的體積含水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.963。

3.不同降雨強(qiáng)度對(duì)土壤水分垂直變化特征分析

根據(jù)土壤水分及降雨量數(shù)據(jù)，按降雨量 0～25mm，25～50mm，＞50mm分別選取2017年 10月6～15日，2018年 5月 2～11日，2017年 9月17～26日這三個(gè)時(shí)段，并對(duì)期間降雨量與不同深度土壤體積含水率的變化趨勢(shì)分析。

分析2017年10月6～15日不同深度土壤體積含水率變化趨勢(shì)，在10月 10日、11日、12日、14日都有雨，其中10月11日為中雨，其余為小雨。10cm、30cm、50cm土壤初始體積含水率受前期降雨影響值較高，分別為30.84%、37.73%、33.97%。降雨時(shí) 10cm、30cm、50cm的土壤體積含水率都出現(xiàn)了較為顯著的增長(zhǎng)，最大值分別為 32.56%、39.28%、35.17%，隨著降雨的停止出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。與圖3相比雖然后期雨量大小相差不大，但因初始土壤體積含水率差異，初始含水率越低其土壤含水率的增長(zhǎng)幅度越大。

分析該時(shí)段內(nèi)不同深度土壤含水率與降雨量相關(guān)性分析得知，降雨與10cm深度的土壤體積含水率顯著相關(guān)，與30cm和50cm深度的含水率無顯著相關(guān)，10cm與30cm、50cm深度土壤體積含水率之間相關(guān)性系數(shù)分別為0.920、0.812，30cm 與 50cm 深度土壤體積含水率之間為0.965，均顯著相關(guān)。

圖3 2017年10月19日～11月19日不同深度土壤體積含水率變化趨勢(shì)圖

分析2018年5月2～11日不同深度土壤水分和降雨的變化趨勢(shì)，5月5～6日有中到大雨，5月11日有小雨。前期無降雨且各土層初始土壤含水率很低，5月5～6日有中到大雨，10cm和30cm深度的土壤體積含水率出現(xiàn)一個(gè)較大幅度的上升過程，50cm的含水率呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)。5月6日后10cm含水率呈持續(xù)下降狀態(tài)，因?yàn)楸韺油寥肋_(dá)到飽和開始入滲引起土壤含水率下降。30cm和50cm土壤尚未飽和，故先上升后緩慢下降，其下降程度為10cm＞30cm＞50cm。

分析該時(shí)段內(nèi)不同深度土壤含水率與降雨量相關(guān)性分析得知，除10cm與30cm和50cm，30cm與50cm的土壤含水率相關(guān)顯著外，其余均呈不顯著相關(guān)。

分析9月17～26日期間不同深度土壤水分隨降雨過程變化趨勢(shì)，在20日、26日有小雨，24日中雨，25日為暴雨強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)，其余時(shí)間段均無降雨。17～23日土壤含水率呈緩慢下降趨勢(shì)。24～25日有中雨到暴雨，10cm、30cm以及50cm深度的土壤體積含水率均出現(xiàn)一個(gè)較大幅度的上升過程。隨著25日強(qiáng)降雨的結(jié)束其土壤含水率均在短時(shí)間內(nèi)迅速下滑。

分析該時(shí)段內(nèi)不同深度土壤含水率與降雨量的相關(guān)性得知各深度土壤層含水率之間均呈顯著相關(guān)性且與降雨均呈顯著相關(guān)性。

四、結(jié)語

通過研究降雨與土壤體積含水率之間相互關(guān)系發(fā)現(xiàn)：

（1）長(zhǎng)期無降雨時(shí)，土壤含水率與土壤深度呈正相關(guān)，土壤層越深含水率越大。其中土壤表層含水率平均值最小，深度越大土壤水分平均值越大；深度小于30cm的表層土壤屬于土壤耕作層，一般受降雨和蒸散發(fā)的影響比較大，植被根系也大多分布在土壤表層，這也會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙度變大，接納雨水的能力變強(qiáng)、蒸騰蒸發(fā)強(qiáng)烈且受外界環(huán)境的影響大，干濕變化顯著。30～50cm深度的土壤是水分次活躍層，干濕變幅相對(duì)于表層較小，且含水率也稍有增加。

（2）隨著降雨過程的出現(xiàn)，0～30cm深度表層土壤含水率迅速變大，隨著土壤層深度的增加，含水率變化幅度相應(yīng)變小。在降雨過程中，土壤水分的變化受到降雨量、土壤初始含水率、土壤層深度等因素的影響出現(xiàn)不同的幅度變化。降雨量越大土壤水分變化幅度越大，土壤初始含水率越低土壤水分變化幅度越大，土壤層深度越深土壤水分變化幅度越小。在降雨過程中表層土壤會(huì)由低迅速升高再由高迅速下降，下層土壤水分則穩(wěn)定增加，50cm以上的深層土壤則基本穩(wěn)定不變。

（3）隨著降雨的停止，0～30cm深度的表層土壤含水率會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)持續(xù)下降的狀態(tài)，其下降幅度排名為：10cm＞30cm＞50cm。在其初始土壤體積含水率越大的情況下，土壤表層10cm的下降幅度最為明顯，到了30cm由于蒸散少和表層水分下滲的原因，導(dǎo)致30cm處的土壤含水率高于50cm處土壤含水率，且二者都處于小幅度下降狀態(tài)。而到了50cm處土壤體積含水率基本慢慢往一個(gè)穩(wěn)定的趨勢(shì)發(fā)展。

本次分析只選取了地下水位、降雨強(qiáng)度等對(duì)土壤水變化的影響，不同土層溫度、不同下墊面條件下對(duì)土壤水變化的影響有待進(jìn)一步研究■