非饱和带土壤水分及温度的关系

李 韵，侯玉宾，杨斯农

(河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 210098)

非饱和带土壤水分及温度的关系

李 韵，侯玉宾，杨斯农

(河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 210098)

为探讨非饱和带土壤水分和温度的变化规律及耦合关系，以徐州奎河两岸田间为野外试验区，历时1年，动态观测土壤水分、温度及其变化。结果表明：土壤含水量受土壤质地影响显著，表现为壤土和粘土层中增幅明显，砂层内会出现极小值点；在野外自然条件下，土壤剖面深度、土壤含水量和温度之间的依存关系较密切。对土壤剖面深度、土壤温度与土壤含水量的偏相关分析结果表明，三者间均呈高度相关，但在剖面深度或温度为控制变量的条件下，含水量与温度或剖面深度的偏相关系数较小，说明含水量受温度和剖面深度共同作用的影响，消除任何一个因素后，相关关系均不显著。

土壤；非饱和带；水分；温度

自然条件下，土壤剖面特别是表层的温度是随季节的转换及昼夜的更替而变化的，温度的变化影响土壤水分的入渗、再分布和蒸发等过程，这种影响在干旱和半干旱地区更为显著；反过来，土壤水分的变化又通过改变土壤热特性影响土壤温度[1，2]，因此，土壤水分和温度之间具有密切联系，二者相互作用、相互影响[3]。土壤水是联系大气水、地表水和地下水的纽带，是土壤系统养分循环和溶质运移的载体。非饱和带土壤是指地下水位以上、土壤水分含量小于饱和含水量的土层。土壤水的运移转化往往伴随着能量的迁移和消耗，水分和热量的运移是相互进行的。全面系统地了解非饱和带土壤水热运动，对土壤和地下水中的溶质运移及污染修复有着积极而重要的作用。笔者以江苏徐州奎河铜山段为例，采用野外试验的方法，对土壤剖面水分和温度的关系进行了研究。

1 材料与方法

1.1 样地环境特征

徐州市位于江苏省西北部，地理位置116°22′～118°40′E，33°43′～34°58′N，东西长约210 km，南北宽约140 km，总面积11 258 km2，其中平原洼地占90%，低山丘陵占10%。全区河流纵横，以废黄河为分水岭，以北属沂沭泗水系，有不牢河及其主要支流荆马河、徐运新河、丁万河、三八河等；以南属睢安河水系，有奎河、云龙湖水库等。废黄河横穿市区，为独立水系[4]。流域内多年平均降水量876 mm，最大年降水量1 364 mm，最小年降水量565 mm。选取的研究区域位于徐州市铜山县三堡镇，自北向南流经徐村、石桥、黄桥三村镇的奎河两岸田间，全新统沉积物以砂、泥质为主，上部为新近沉积的粘性土和松散砂性土，粉砂、粉土占比大，下部则以粘性土为主。研究区域工程地质条件见表1。

表1 研究区工程地质条件

1.2 试验方法

选取黄桥闸和石桥断面上HQZW5(大豆地)、HQZE6(苗圃地)、SQW4(水稻田)、SQW2(河漫滩)4处土壤剖面，试验前清除杂草、石块、枯枝落叶等。开挖土坑，长约2 m，宽约0.5 m，掘进深度为2.5 m，至土壤潮湿近饱和处止。将土坑窄处一侧挖成台阶式，方便试验人员站立。将钢尺固定在土坑一侧剖面上，自地表按0、10、20、30、40、50、80、100、120、150、200、250 cm的深度逐一测定土壤含水量和温度。测量时间为2011年4月、6月、10月和12月，分别代表一年之中的春季、夏季、秋季和冬季。每次现场测量后，掩埋土坑，后续试验在邻近区域重新开挖，以保证在同样的地质条件下进行数据采集。

2 结果与分析

2.1 不同季节土壤水分的动态变化

比较图1可以看出，尽管季节不同、土地利用方式不同，但土壤含水量随深度的变化趋势是一致的，即均随剖面深度的增加而增加。由于10月气温适宜，土壤温度随剖面深度变化很小，保持在20～24℃，有利于水分的保持。

从大豆地(HQZW5)12月和10月的土壤含水量曲线可以看出，0～30、30～60 cm土壤剖面分别为耕作层壤土和粉质粘土，含水量随深度呈递增趋势，60 cm以下为粉砂，含水量在100 cm处达到极小值后随深度继续增加；4月和6月土壤含水量的变化类同，0～50 cm为耕作层壤土和粉质粘土，含水量随深度增加而增加，50～100 cm为粉土，再往下为粉砂，大约在130～140 cm见到地下水位，继含水量在80 cm处达到极小值后，越来越接近地下水位，通过地下水的上移补给，含水量又逐渐增加。另外，10月和6月浅层含水量有小幅波动，这是受地表环境和表层土壤性状影响所致，如土层松散或有植物根系等(图1(a))。

水稻田(SQW4)12月、10月和4月的土壤含水量变化相似，表层均为耕作土，20～40 cm夹有粉砂土，以下基本是粉质粘土，受土壤质地类型影响，含水量在粉砂夹层先后出现极小值。6月浅层含水量较其他月份低，总体随剖面深度增加，没有出现明显的降低趋势，说明在粘土层中，土壤含水量会随深度的增加而逐渐递增，增幅明显，当夹有粉砂层时，含水量会突然降低，在图中显示出极小值(图1(c))。从图1(b)和图1(d)，同样可以得到类似的结论，仅6月受太阳辐射、土壤水分蒸发及人为因素影响波动较强烈。

图1 不同季节土壤含水量的动态变化

2.2 不同季节土壤温度的动态变化

土壤温度变化呈现出明显的季节特点，温度高低依次为6月、10月、4月、12月。受大气温度和太阳辐射强度的影响，6月、10月和4月(河漫滩温度偏低是由于试验时的低气温造成的)的表层土壤温度远远高于12月的，相差10～20℃。不同的是，6月和4月的温度随土壤剖面深度递减，而12月呈递增趋势，10月的温度除表层有小幅波动外，基本不随土壤剖面深度而发生变化。图2(a)和图2(b)中，6月的温度在0～100 cm出现多次波动，但其波动幅度远弱于含水量的变化幅度。这是因6月正值夏季，易受地表温度和太阳辐射的影响的缘故。同是6月，图2(d)中却没有出现上述情况，是因为奎河两岸种植了大量树木，SQW2正好位于树林中的河漫滩，树荫遮挡减弱了太阳辐射对土壤温度的影响。图2 (b)中土地类型虽是苗圃地，但杂草丛生，树苗少，植被覆盖程度较弱，而图2 (a)是大豆地，更容易受到地表环境影响。图2 (c)中，10月、4月温度不遵循简单递增规律，表层土壤温度较高，30～50 cm内出现递减，50 cm以下才逐渐增加，这与水稻田试验时间有关，13：00～15：00，气温较高，直接导致表层土壤升温；图2(d)中，10月温度出现了波动，这主要是受到了植被覆盖物的影响。

图2 不同季节土壤温度的动态变化

总体来看，土壤温度冬季随剖面深度递增，夏季随剖面深度递减；同一季节的温度呈平行递增或递减，说明土壤温度除与剖面深度有关外，还与地表环境、降水、大气温度、太阳辐射强度等气象因子有关。

3 土壤温度和水分的关系

土壤含水量、温度的分布状况均与土壤剖面深度有关，为真实准确地反映三者之间的依存关系，不仅要进行相关分析，还要进行偏相关分析。同时与第三个变量相关时，将第三个变量的影响剔除，只分析另外两个相关程度的过程[5]。

将12月(冬季)和6月(夏季)的测试数据进行统计分析，应用SPSS软件进行土壤剖面深度偏相关分析，结果如表2和表3。其中θv、d、T分别代表含水量、剖面深度、土壤温度，p值为显著性双测检验值，r为偏相关系数。

从表2可以看出，HQZW5剖面的含水量、剖面深度、温度间均呈高度相关，但在剖面深度或温度为控制变量的条件下，含水量与温度或剖面深度的偏相关系数较小，p值均小于0.3，说明含水量受温度、剖面深度共同作用的影响，消除任何一个因素后，相关关系均不显著。在HQZE6剖面也可以得出类似的结论。在温度为控制变量的条件下，SQW2剖面和SQW4剖面含水量与温度的偏相关系数较小，相关关系不显著。由此可知，土壤含水量与剖面深度呈高度相关，正是由于这种相关性，才产生了含水量与温度也高度相关的假象。

表2 冬季土壤剖面深度与温度及含水量的偏相关系数

表3 夏季土壤剖面深度和温度及含水量的偏相关系数

从表3可以看出，夏季土壤剖面温度与剖面深度的相关性最好，且呈负相关，含水量与剖面深度呈正相关，与温度呈负相关。土壤温度依旧随剖面深度而减小，热量由上层向下层传递，同时剖面深度、温度与含水量的偏相关性不显著，含水量分布受二者共同作用的影响。

4 结论

尽管季节不同、土地利用方式不同，但土壤含水量变化趋势是一致的，均呈波形分布，并随土壤剖面深度的增加而增加。降水和蒸发使浅层土壤含水量波动较大，且含水量值随剖面深度增幅不明显。喜温、喜水作物的田地和地势较低的洼地均会汇集水分，使其土壤含水量偏高，合适的温度也有利于水分的保存。在壤土或粉质粘土层中，土壤含水量会随剖面深度逐渐递增，增幅明显，当夹有粉土或粉砂层时，含水量会突然降低，并在含水量-深度曲线图中显示出极小值。

土壤温度随剖面深度、季节的变化较稳定，波动幅度弱于土壤含水量。冬季土壤温度随深度递增，能量是从下层向上层传递，夏季随深度递减，能量由上层向下层传递，季节过渡期(如10月)土壤温度基本恒定，不随剖面深度变化。

有植被覆盖的土壤冬季浅层温度较高，夏季则较低。气温和太阳辐射强度决定表层土壤温度，气温高，太阳辐射强度大，地表土壤吸收能量多，表层土壤温度高于下层土壤温度，反之则低于下层土壤温度。蒸发和降水使浅层土壤温度或升或降，并随剖面深度波动不断。

野外自然条件下，土壤含水量、土壤温度和土壤剖面深度之间存在着复杂的依存关系。一般情况下，土壤剖面含水量受温度、剖面深度共同作用影响，消除任何一个因素后，相关关系均不显著。有时含水量与剖面深度的高度相关性会导致含水量与温度也高度相关的假象。降水使土壤剖面含水量分布主要随剖面深度变化，而温度对其影响甚微。

[1] 张一平，白金鳞，张君常，等.土壤水分热力学函数研究[J]. 西北农业大学学报，2006，18(3)：43-50.

[2] 李慧星，夏自强，马广慧.含水量变化对土壤温度和水分交换的影响研究[J]. 河海大学学报，2007，35(2)：172-175.

[3] 辛继红，高红贝，邵明安.温度对土壤水分入渗的影响[J]. 水土保持学报，2009，23(3)：217-220.

[4] 李明武，陈 玲.徐州市区水环境问题及对策[J]. 能源技术与管理，2006(3)：51-53.

[5] 来剑斌，王全九.土壤水分特征曲线模型比较分析[J]. 水土保持学报，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 韵 (1989-)，女，湖北省十堰市人，硕士研究生，Email：304370500@qq.com。

国家自然科学基金(41102144)；水利部公益性科研项目(2010535212)。

S152

A

1001-5280(2015)04-0406-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.04.18