非飽和帶土壤水分及溫度的關(guān)系

李 韻，侯玉賓，楊斯農(nóng)

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

非飽和帶土壤水分及溫度的關(guān)系

李 韻，侯玉賓，楊斯農(nóng)

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

為探討非飽和帶土壤水分和溫度的變化規(guī)律及耦合關(guān)系，以徐州奎河兩岸田間為野外試驗(yàn)區(qū)，歷時(shí)1年，動(dòng)態(tài)觀測(cè)土壤水分、溫度及其變化。結(jié)果表明：土壤含水量受土壤質(zhì)地影響顯著，表現(xiàn)為壤土和粘土層中增幅明顯，砂層內(nèi)會(huì)出現(xiàn)極小值點(diǎn)；在野外自然條件下，土壤剖面深度、土壤含水量和溫度之間的依存關(guān)系較密切。對(duì)土壤剖面深度、土壤溫度與土壤含水量的偏相關(guān)分析結(jié)果表明，三者間均呈高度相關(guān)，但在剖面深度或溫度為控制變量的條件下，含水量與溫度或剖面深度的偏相關(guān)系數(shù)較小，說明含水量受溫度和剖面深度共同作用的影響，消除任何一個(gè)因素后，相關(guān)關(guān)系均不顯著。

土壤；非飽和帶；水分；溫度

自然條件下，土壤剖面特別是表層的溫度是隨季節(jié)的轉(zhuǎn)換及晝夜的更替而變化的，溫度的變化影響土壤水分的入滲、再分布和蒸發(fā)等過程，這種影響在干旱和半干旱地區(qū)更為顯著；反過來，土壤水分的變化又通過改變土壤熱特性影響土壤溫度[1，2]，因此，土壤水分和溫度之間具有密切聯(lián)系，二者相互作用、相互影響[3]。土壤水是聯(lián)系大氣水、地表水和地下水的紐帶，是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和溶質(zhì)運(yùn)移的載體。非飽和帶土壤是指地下水位以上、土壤水分含量小于飽和含水量的土層。土壤水的運(yùn)移轉(zhuǎn)化往往伴隨著能量的遷移和消耗，水分和熱量的運(yùn)移是相互進(jìn)行的。全面系統(tǒng)地了解非飽和帶土壤水熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)土壤和地下水中的溶質(zhì)運(yùn)移及污染修復(fù)有著積極而重要的作用。筆者以江蘇徐州奎河銅山段為例，采用野外試驗(yàn)的方法，對(duì)土壤剖面水分和溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 樣地環(huán)境特征

徐州市位于江蘇省西北部，地理位置116°22′～118°40′E，33°43′～34°58′N，東西長(zhǎng)約210 km，南北寬約140 km，總面積11 258 km2，其中平原洼地占90%，低山丘陵占10%。全區(qū)河流縱橫，以廢黃河為分水嶺，以北屬沂沭泗水系，有不牢河及其主要支流荊馬河、徐運(yùn)新河、丁萬河、三八河等；以南屬睢安河水系，有奎河、云龍湖水庫(kù)等。廢黃河橫穿市區(qū)，為獨(dú)立水系[4]。流域內(nèi)多年平均降水量876 mm，最大年降水量1 364 mm，最小年降水量565 mm。選取的研究區(qū)域位于徐州市銅山縣三堡鎮(zhèn)，自北向南流經(jīng)徐村、石橋、黃橋三村鎮(zhèn)的奎河兩岸田間，全新統(tǒng)沉積物以砂、泥質(zhì)為主，上部為新近沉積的粘性土和松散砂性土，粉砂、粉土占比大，下部則以粘性土為主。研究區(qū)域工程地質(zhì)條件見表1。

表1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

1.2 試驗(yàn)方法

選取黃橋閘和石橋斷面上HQZW5(大豆地)、HQZE6(苗圃地)、SQW4(水稻田)、SQW2(河漫灘)4處土壤剖面，試驗(yàn)前清除雜草、石塊、枯枝落葉等。開挖土坑，長(zhǎng)約2 m，寬約0.5 m，掘進(jìn)深度為2.5 m，至土壤潮濕近飽和處止。將土坑窄處一側(cè)挖成臺(tái)階式，方便試驗(yàn)人員站立。將鋼尺固定在土坑一側(cè)剖面上，自地表按0、10、20、30、40、50、80、100、120、150、200、250 cm的深度逐一測(cè)定土壤含水量和溫度。測(cè)量時(shí)間為2011年4月、6月、10月和12月，分別代表一年之中的春季、夏季、秋季和冬季。每次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后，掩埋土坑，后續(xù)試驗(yàn)在鄰近區(qū)域重新開挖，以保證在同樣的地質(zhì)條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化

比較圖1可以看出，盡管季節(jié)不同、土地利用方式不同，但土壤含水量隨深度的變化趨勢(shì)是一致的，即均隨剖面深度的增加而增加。由于10月氣溫適宜，土壤溫度隨剖面深度變化很小，保持在20～24℃，有利于水分的保持。

從大豆地(HQZW5)12月和10月的土壤含水量曲線可以看出，0～30、30～60 cm土壤剖面分別為耕作層壤土和粉質(zhì)粘土，含水量隨深度呈遞增趨勢(shì)，60 cm以下為粉砂，含水量在100 cm處達(dá)到極小值后隨深度繼續(xù)增加；4月和6月土壤含水量的變化類同，0～50 cm為耕作層壤土和粉質(zhì)粘土，含水量隨深度增加而增加，50～100 cm為粉土，再往下為粉砂，大約在130～140 cm見到地下水位，繼含水量在80 cm處達(dá)到極小值后，越來越接近地下水位，通過地下水的上移補(bǔ)給，含水量又逐漸增加。另外，10月和6月淺層含水量有小幅波動(dòng)，這是受地表環(huán)境和表層土壤性狀影響所致，如土層松散或有植物根系等(圖1(a))。

水稻田(SQW4)12月、10月和4月的土壤含水量變化相似，表層均為耕作土，20～40 cm夾有粉砂土，以下基本是粉質(zhì)粘土，受土壤質(zhì)地類型影響，含水量在粉砂夾層先后出現(xiàn)極小值。6月淺層含水量較其他月份低，總體隨剖面深度增加，沒有出現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)，說明在粘土層中，土壤含水量會(huì)隨深度的增加而逐漸遞增，增幅明顯，當(dāng)夾有粉砂層時(shí)，含水量會(huì)突然降低，在圖中顯示出極小值(圖1(c))。從圖1(b)和圖1(d)，同樣可以得到類似的結(jié)論，僅6月受太陽輻射、土壤水分蒸發(fā)及人為因素影響波動(dòng)較強(qiáng)烈。

圖1 不同季節(jié)土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化

2.2 不同季節(jié)土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化

土壤溫度變化呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特點(diǎn)，溫度高低依次為6月、10月、4月、12月。受大氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度的影響，6月、10月和4月(河漫灘溫度偏低是由于試驗(yàn)時(shí)的低氣溫造成的)的表層土壤溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于12月的，相差10～20℃。不同的是，6月和4月的溫度隨土壤剖面深度遞減，而12月呈遞增趨勢(shì)，10月的溫度除表層有小幅波動(dòng)外，基本不隨土壤剖面深度而發(fā)生變化。圖2(a)和圖2(b)中，6月的溫度在0～100 cm出現(xiàn)多次波動(dòng)，但其波動(dòng)幅度遠(yuǎn)弱于含水量的變化幅度。這是因6月正值夏季，易受地表溫度和太陽輻射的影響的緣故。同是6月，圖2(d)中卻沒有出現(xiàn)上述情況，是因?yàn)榭觾砂斗N植了大量樹木，SQW2正好位于樹林中的河漫灘，樹蔭遮擋減弱了太陽輻射對(duì)土壤溫度的影響。圖2 (b)中土地類型雖是苗圃地，但雜草叢生，樹苗少，植被覆蓋程度較弱，而圖2 (a)是大豆地，更容易受到地表環(huán)境影響。圖2 (c)中，10月、4月溫度不遵循簡(jiǎn)單遞增規(guī)律，表層土壤溫度較高，30～50 cm內(nèi)出現(xiàn)遞減，50 cm以下才逐漸增加，這與水稻田試驗(yàn)時(shí)間有關(guān)，13：00～15：00，氣溫較高，直接導(dǎo)致表層土壤升溫；圖2(d)中，10月溫度出現(xiàn)了波動(dòng)，這主要是受到了植被覆蓋物的影響。

圖2 不同季節(jié)土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化

總體來看，土壤溫度冬季隨剖面深度遞增，夏季隨剖面深度遞減；同一季節(jié)的溫度呈平行遞增或遞減，說明土壤溫度除與剖面深度有關(guān)外，還與地表環(huán)境、降水、大氣溫度、太陽輻射強(qiáng)度等氣象因子有關(guān)。

3 土壤溫度和水分的關(guān)系

土壤含水量、溫度的分布狀況均與土壤剖面深度有關(guān)，為真實(shí)準(zhǔn)確地反映三者之間的依存關(guān)系，不僅要進(jìn)行相關(guān)分析，還要進(jìn)行偏相關(guān)分析。同時(shí)與第三個(gè)變量相關(guān)時(shí)，將第三個(gè)變量的影響剔除，只分析另外兩個(gè)相關(guān)程度的過程[5]。

將12月(冬季)和6月(夏季)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行土壤剖面深度偏相關(guān)分析，結(jié)果如表2和表3。其中θv、d、T分別代表含水量、剖面深度、土壤溫度，p值為顯著性雙測(cè)檢驗(yàn)值，r為偏相關(guān)系數(shù)。

從表2可以看出，HQZW5剖面的含水量、剖面深度、溫度間均呈高度相關(guān)，但在剖面深度或溫度為控制變量的條件下，含水量與溫度或剖面深度的偏相關(guān)系數(shù)較小，p值均小于0.3，說明含水量受溫度、剖面深度共同作用的影響，消除任何一個(gè)因素后，相關(guān)關(guān)系均不顯著。在HQZE6剖面也可以得出類似的結(jié)論。在溫度為控制變量的條件下，SQW2剖面和SQW4剖面含水量與溫度的偏相關(guān)系數(shù)較小，相關(guān)關(guān)系不顯著。由此可知，土壤含水量與剖面深度呈高度相關(guān)，正是由于這種相關(guān)性，才產(chǎn)生了含水量與溫度也高度相關(guān)的假象。

表2 冬季土壤剖面深度與溫度及含水量的偏相關(guān)系數(shù)

表3 夏季土壤剖面深度和溫度及含水量的偏相關(guān)系數(shù)

從表3可以看出，夏季土壤剖面溫度與剖面深度的相關(guān)性最好，且呈負(fù)相關(guān)，含水量與剖面深度呈正相關(guān)，與溫度呈負(fù)相關(guān)。土壤溫度依舊隨剖面深度而減小，熱量由上層向下層傳遞，同時(shí)剖面深度、溫度與含水量的偏相關(guān)性不顯著，含水量分布受二者共同作用的影響。

4 結(jié)論

盡管季節(jié)不同、土地利用方式不同，但土壤含水量變化趨勢(shì)是一致的，均呈波形分布，并隨土壤剖面深度的增加而增加。降水和蒸發(fā)使淺層土壤含水量波動(dòng)較大，且含水量值隨剖面深度增幅不明顯。喜溫、喜水作物的田地和地勢(shì)較低的洼地均會(huì)匯集水分，使其土壤含水量偏高，合適的溫度也有利于水分的保存。在壤土或粉質(zhì)粘土層中，土壤含水量會(huì)隨剖面深度逐漸遞增，增幅明顯，當(dāng)夾有粉土或粉砂層時(shí)，含水量會(huì)突然降低，并在含水量-深度曲線圖中顯示出極小值。

土壤溫度隨剖面深度、季節(jié)的變化較穩(wěn)定，波動(dòng)幅度弱于土壤含水量。冬季土壤溫度隨深度遞增，能量是從下層向上層傳遞，夏季隨深度遞減，能量由上層向下層傳遞，季節(jié)過渡期(如10月)土壤溫度基本恒定，不隨剖面深度變化。

有植被覆蓋的土壤冬季淺層溫度較高，夏季則較低。氣溫和太陽輻射強(qiáng)度決定表層土壤溫度，氣溫高，太陽輻射強(qiáng)度大，地表土壤吸收能量多，表層土壤溫度高于下層土壤溫度，反之則低于下層土壤溫度。蒸發(fā)和降水使淺層土壤溫度或升或降，并隨剖面深度波動(dòng)不斷。

野外自然條件下，土壤含水量、土壤溫度和土壤剖面深度之間存在著復(fù)雜的依存關(guān)系。一般情況下，土壤剖面含水量受溫度、剖面深度共同作用影響，消除任何一個(gè)因素后，相關(guān)關(guān)系均不顯著。有時(shí)含水量與剖面深度的高度相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致含水量與溫度也高度相關(guān)的假象。降水使土壤剖面含水量分布主要隨剖面深度變化，而溫度對(duì)其影響甚微。

[1] 張一平，白金鱗，張君常，等.土壤水分熱力學(xué)函數(shù)研究[J]. 西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18(3)：43-50.

[2] 李慧星，夏自強(qiáng)，馬廣慧.含水量變化對(duì)土壤溫度和水分交換的影響研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，35(2)：172-175.

[3] 辛繼紅，高紅貝，邵明安.溫度對(duì)土壤水分入滲的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2009，23(3)：217-220.

[4] 李明武，陳 玲.徐州市區(qū)水環(huán)境問題及對(duì)策[J]. 能源技術(shù)與管理，2006(3)：51-53.

[5] 來劍斌，王全九.土壤水分特征曲線模型比較分析[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2003，17(1)：137-140.

Study on the Coupling Relationship of Soil Water with the Temperature

LI Yun，HOU Yu-bin，YANG Si-nong

(College of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing,Jiangsu 210098,China)

This paper is based on the Kuihe field of Xuzhou as the test area to study the law of the change of moisture and temperature in unsaturated soil and their coupling relationship，and the results are shown as follows：the impact of soil texture on soil moisture is significant.Soil water content increases significantly in loam and clay layer，and there will be a minimum point in the sand layer.In addition，under the natural conditions，the dependencies among soil depth，soil moisture and soil temperature are much closer.SPSS software is applied to calculate the partial correlation of the soil depth，soil temperature and soil water，coupling relations are shown as follows：Highly correlated of the soil water，buried depth and temperature，but when depth or temperature as the control variables，the partial correlation of water content and temperature or depth is small，which suggested that soil moisture is affected by temperature and depth.Any of these factors is eliminated，the correlation is not significant.

soil；unsaturated zone；moisture；temperature

2015-03-24

李 韻 (1989-)，女，湖北省十堰市人，碩士研究生，Email：304370500@qq.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41102144)；水利部公益性科研項(xiàng)目(2010535212)。

S152

A

1001-5280(2015)04-0406-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.04.18