不同下墊面條件的土壤水分動態(tài)變化規(guī)律研究
——以徐州市南部郊區(qū)為例

加 曉 軍，張 玉 嬋，朱 奎，高 藝 嘉

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

1 研究背景

土壤水是整個水分循環(huán)中最為活躍的因素，直接影響著地表水和地下水資源的形成，是它們聯(lián)系的紐帶，同時又是植物利用和賴以生存的水分來源[1]。它決定著土壤的演化和土地生產(chǎn)力，制約著植被的形成和發(fā)展。土壤水分垂直空間分布和動態(tài)變化的研究有利于田間土壤水分的管理和利用。下墊面土壤類型和作物種類的不同，對土壤的持水能力和退水過程有一定的影響，即不同的土壤質(zhì)地和土壤上不同的植被導(dǎo)致土壤對水分的涵養(yǎng)能力有所差異[2]。目前，土壤水分動態(tài)變化規(guī)律研究是小區(qū)域水文循環(huán)研究的重要部分[3-5]，對此，前人已經(jīng)做了大量工作，對濟(jì)寧地區(qū)、晉西北黃土丘陵溝壑區(qū)等進(jìn)行研究[6-7]，得出了森林水土保持機(jī)理，土壤水運動理論等土壤水運動規(guī)律[8-10]。王國梁等研究認(rèn)為，農(nóng)田土壤水分顯著高于林地、灌木地和草地下的土壤水分[11]；坡面土壤水分的空間分布主要受坡度和位置的影響[12]；土地利用結(jié)構(gòu)對土壤水分的空間分布也有一定影響。還有學(xué)者認(rèn)為，不同植被類型土壤水分的動態(tài)變化和循環(huán)規(guī)律也具有顯著差別[13-17]。本研究以徐州市郊區(qū)為例，揭示不同下墊面條件下土壤水分動態(tài)變化規(guī)律。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省徐州市銅山區(qū)三堡鎮(zhèn)何莊村北部，屬于古黃泛區(qū)平原地帶，平均坡降0.1‰。流域面積約1 877 km2，處東經(jīng)116°43′～117°42′、北緯34°01′～34°35′之間。流域?qū)倥瘻貛駶櫤桶霛駶櫦撅L(fēng)氣侯，多年平均年降水量868.6 mm；其中年降水量的70%～90%主要集中在6～9月份。研究區(qū)地貌類型以平原為主，兼有低山丘陵；土壤類型有黏土，砂質(zhì)黏土及少部分沙土。在研究區(qū)內(nèi)，土壤質(zhì)地、地表植被類型是決定土壤持水能力的主要影響因素。研究區(qū)主要由居民區(qū)、柏油道路、耕地和林地組成，其中95%以上為耕地和林地，耕地主要有蔬菜類和稻田；林地主要有果園、楊樹林等。

3 試驗方法

3.1 代表點的設(shè)計

結(jié)合研究區(qū)地形及地貌特點，根據(jù)所在流域的下墊面情況，在該流域代表性地區(qū)選取5種下墊面試驗點：梨園、花菜地、毛豆地、撂荒地、沙土堰，具體歸類見表1。

表1 試驗點的設(shè)計與布設(shè)

Tab.1 Laboratory sites design and layout

編號土地利用類型利用現(xiàn)狀坡度/(°)土質(zhì)觀測深度/m1園地梨樹0砂質(zhì)黏土1.02耕地花菜0砂質(zhì)黏土1.03耕地毛豆0砂質(zhì)黏土1.04耕地撂荒地0砂質(zhì)黏土1.05其他土地沙土堰9沙土1.0

注：試驗期間，該地區(qū)地下潛水面較高，部分觀測點埋深1 m處可見水，土壤呈泥狀未能取出，土壤含水量達(dá)到田間持水量。

3.2 土壤水分的測定

用土鉆法對試驗點每隔0.1 m分層取土樣[18]，土壤含水量較大時，土樣成泥狀，所取土樣深度h≤1m,每點取3個平行樣，然后用試驗室烘干法[(105±2)℃]測定土壤的質(zhì)量含水量[19]。降雨量采用雨量計實測。

3.3 取得的試驗數(shù)據(jù)

從2014年10月1日開始對5個試驗點分層逐日測定土壤含水量，直至11月22日結(jié)束。2014年10月1日晚有中雨，降雨量為35 mm，10月22日有大雨，降雨量為52 mm。

4 結(jié)果與分析

土壤水分在不同土壤質(zhì)地條件下的垂直分布特征具有明顯的差異性，即統(tǒng)計分析一段時間內(nèi)垂向上不同代表深度的土壤含水量，得到5種不同下墊面試驗點的各層代表深度的土壤水分動態(tài)變化規(guī)律。

4.1 土壤水分的空間變化

表2給出了不同下墊面土壤水分剖面上變化趨勢及對比。

圖1為5種代表試驗點的土壤含水量空間變化整體規(guī)律，圖中橫向線段代表土壤含水量的波動范圍，縱向曲線代表土壤含水量的空間變化形勢；由此得到不同下墊面的水分動態(tài)變化具有明顯的差異。根據(jù)土壤深度及土壤含水量的變化趨勢，本文將不同質(zhì)地、植被的土壤水分含量變化趨勢在垂直方向上劃分為4個層次:土壤水分速變層(0～20 cm)、土壤水分活躍層(20～40 cm)、土壤水分傳遞層(40～70 cm)和土壤水分穩(wěn)定層(70～100 cm)。速變層的土壤含水率變動最為劇烈，活躍層較為劇烈，傳遞層土壤的含水率變動則較為平緩，而穩(wěn)定層土壤的含水率變動則基本保持在一個平穩(wěn)的范圍內(nèi)[20-21]。

表2 不同下墊面土壤水分剖面變化趨勢及對比Tab.2 Soil moisture profile change trend and contrast in different underlying

(1) 土壤水分速變層。該層的土壤水分變化幅度十分劇烈。由于太陽蒸發(fā)、植物蒸騰和吸收作用，各實驗點地表層的土壤水分變化很大?；ú?、毛豆和撂荒地都是在20 cm左右土壤水分最小，其中毛豆和花菜對土壤持水能力的影響沒有明顯差異；梨園地表土壤水分含量則是先減少至10 cm左右又緩慢升高。

(2) 土壤水分活躍層。該層土壤水分的變化幅度小于表層土壤。速變層的水分滲透下來, 由于該層土壤的蒸發(fā)及植物的蒸騰作用減弱,水分在該層蓄存, 這顯示出土壤涵養(yǎng)水源的功能。梨園、毛豆、花菜和撂荒地土壤水分含量在這一層中逐漸升高，沙土堰土壤含水量則是從20～30 cm逐漸升高，30～40 cm又逐漸減少，且沙土土壤水分含量整體低于砂質(zhì)黏土，但相比于速變層其土壤含水量還是整體升高。

(3) 土壤水分傳遞層。該層較活躍層變化幅度更小，梨園土壤水分隨著所取土樣位置深度的增大波動性減小，土壤含水量分布較集中,沒有明顯的增減性。花菜、毛豆和撂荒地在傳遞層土壤水分略微增大，較為集中且含水量穩(wěn)定。但是沙土堰土壤水分先減少后又大幅度增大，這是由于該試驗樣地的地下水位在地下1 m左右，地下水以毛管上升水的形式對上層進(jìn)行了水分補給，導(dǎo)致了沙土堰土壤含水量在傳遞層中發(fā)生了突變。

(4) 土壤水分穩(wěn)定層。該層的土壤含水量受外部條件(大氣降雨、土壤蒸發(fā)及植物蒸騰作用)的影響則較小。該層土壤含水量在試驗中呈現(xiàn)較穩(wěn)定的狀態(tài)，各樣地在該層的土壤水分的變化頻率和幅度均平穩(wěn)。

圖1 不同下墊面條件下土壤含水量剖面變化 Fig.1 Soil moisture content under different underlying surface profile changes

4.2 土壤水分隨時間變化

對不同深度土壤含水量進(jìn)行統(tǒng)計， 得到不同土壤質(zhì)地、坡度、植被情形下代表試驗點各層深度的土壤水分隨時間的動態(tài)變化過程，見圖2。

土壤水分隨時間的變化趨勢與蒸散發(fā)、土壤質(zhì)地、降雨有密切的關(guān)系。由于蒸散發(fā)的影響，土壤表層變化相對劇烈。不同土壤質(zhì)地的土壤含水量對降雨的響應(yīng)不同，砂質(zhì)黏土在降雨后，表層土壤含水量高于深層，退水時表層土壤含水量低于深層含水量，退水曲線變化相對平穩(wěn)。降雨前后， 沙土的土壤含水量均低于下層土壤含水量，表明沙土的土壤滲透性好且缺水量較大。沙土含水量層次性變化明顯，在50 cm下含水量有較大增長，明顯區(qū)別于其他類型的下墊面條件含水量變化。

圖2 不同下墊面土壤水分時間序列變化范圍及趨勢 Fig.2 Series change range and trend of different underlying surface soil moisture time

秋收對有植被的土壤含水量變化有一定的影響?；ú说睾兔沟赝寥篮孔兓w相似，秋收前后土壤水分的波動情況有明顯差異，表現(xiàn)為秋收后地表土壤含水量波動性明顯變小。植物根系發(fā)達(dá)程度也會對土壤含水量產(chǎn)生影響，由于梨樹根系深，吸收水分更多，故梨園土壤含水量在50 cm以下均略小于花菜地、毛豆地和撂荒地，土壤水分在70～80 cm處曲線收斂性明顯弱于其他下墊面條件。

綜上，土壤水分在地表處由于外界因素影響變化很大，淺層地表土壤水分受降水控制明顯；撂荒地，毛豆地，花菜地的土壤水分變化在垂向上相似，均表現(xiàn)為20 cm處土壤水分含量明顯降低，且最后均趨于一個接近于土壤田間含水量的值。但這些小型植被與梨樹相比，則其持水性均較弱，土壤退水更慢。此外，土壤水分受土壤質(zhì)地的影響明顯，表現(xiàn)為砂質(zhì)黏土的持水性優(yōu)于沙土。具體對比見圖3。

圖3 不同下墊面條件下土壤水分隨時間變化 Fig.3 Soil moisture changes over time under different underlying surface

5 結(jié)論與討論

(1) 不同土壤質(zhì)地的土壤含水量在垂直方向上變化趨勢大體可以分為4個層次，即土壤水分速變層、土壤水分活躍層、土壤水分傳遞層和土壤水分穩(wěn)定層。土壤含水量在地表處受外界因素影響變化很大，隨著深度的增加土壤含水量變化幅度減小，對降雨的響應(yīng)滯后越明顯，最后土壤含水量逐漸趨于某一穩(wěn)定值。

(2) 秋收和降雨是土壤水分時間序列變化的重要影響因素。土壤含水量受秋收影響較大，秋收后較秋收前土壤含水量波動性明顯減少。降雨也會對土壤含水量產(chǎn)生較大影響，尤其是近地表處，表層到40 cm處有較明顯增長。

(3) 降雨對不同土壤質(zhì)地的土壤含水量的影響不同，原因在于不同土壤質(zhì)地的土壤持水性和透水性均有差異；沙土土壤顆粒之間空隙較大持水性較弱，透水性強(qiáng)退水變化也相對穩(wěn)定，而砂質(zhì)黏土則表現(xiàn)由較好的持水性和相對較弱的透水性，退水變化則與沙土有所差異；試驗表明：沙土試驗點0～50 cm處土壤含水量明顯小于砂質(zhì)黏土試驗點的土壤水含量。

(4) 不同下墊面條件下土壤含水量動態(tài)變化規(guī)律具有相似性和差異性。毛豆和花菜對土壤持水能力的影響具有相似性；植被根系深度不同，導(dǎo)致梨樹、毛豆、荒草(撂荒地)等在不同深度的土壤水含量有差異。