半湿润易旱区土壤水分时空变化特征研究

贾志峰，朱红艳，易 秀

1.长安大学环境科学与工程学院，西安 710054；2.长安大学水与发展研究院，西安 710054；(3. 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054；4.西安理工大学水利水电学院，西安 710048)

在半湿润易旱区，降雨集中，蒸发强烈，地下水埋藏较深，土壤水成为了植物赖以生存的重要水源[1,2]。开展半湿润易旱区土壤水分动态变化研究，是该区水循环研究的重要环节，同时，对深入了解半湿润易旱区水文生态系统的稳定性具有重要意义[3,4]。

近年来，土壤水分的研究发展迅速，其研究手段主要基于烘干法、中子法及传感器法[5-12]。其中，烘干法干扰了土壤水分运动的连续性，中子法及传感器法主要为人工现场监测，自动化程度较低，监测频率低，其监测数据不能够反映该地区土壤水分的微观变化。本文在陕西关中盆地的三原县选择试验点，对地面以下0～500 cm土层水分进行原位、定点长期自动监测，分析其时空变化特征，以促进半湿润易旱区土壤水分研究的进一步深入。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在三原试验站(34°33′N，108°54′E)，位于陕西关中盆地中部，气候上属于大陆性半湿润气候，冬夏长，春秋短，夏季炎热，雨量较多，降水量(7-9月)占全年的降水总量的50%～60%，冬季寒冷，雨雪稀少，多年平均降水量535 mm，最大年降雨量为813.9 mm(1954年)，最小年降雨量为320.6 mm(1977年)，蒸发强烈，平均蒸发量为1 212 mm，年日照时数达2 200 h，平均气温13.4 ℃，年均最高气温15.1 ℃，最低气温8 ℃，无霜期232 d左右，地下水埋深在20 m左右，为典型的半湿润易旱区。

土质为粉质壤土及粉质黏壤土(Silty clay loam)，土壤颗粒分析结果见表1，其中，粉粒(0.05～0.002 mm)含量在67.1%～76.6%之间，黏粒(<0.002 mm)含量在16.2%～31.1%之间，砂粒(>0.05 mm)含量在0.9%～9.7%之间。平均容重为1.46 g/cm3， 具体见表2.

表1 土壤颗粒分析结果 %

表2 土壤容重Tab.2 Soil bulk density

1.2 试验设计

试验设计主要考虑降雨、蒸发、温度等因素的影响，在试验地挖深度为500 cm土坑，分别在地面以下20、50、80、100、200、300、400、500 cm处安装土壤水分、温度传感器，并用原土回填，外接数据采集器，实现土壤水分、温度的自动采集，采集时间间隔为10 min。其中，温度传感器型号为DS180B20，精度为±0.5 ℃，测量范围为-10～85 ℃，水分传感器型号为BD-Ⅱ，精度为±3%(Vol)，测量范围为0～100%(Vol)，现场标定精度可达±1%(Vol)。试验地为荒草地，周边20 m范围内不受人类活动干扰。并对降雨、蒸发、气温进行人工监测，监测时段为2012年12月1日至2013年11月30日。

1.3 研究方法

利用Microsoft Excel 2007软件对土壤温度、水分数据进行绘图，并对温度数据进行回归分析，得到土壤温度梯度的变化特征；利用SPSS19.0软件对土壤水分数据进行聚类分析[13]。

2 结果与分析

2.1 影响因素分析

监测时段内总降雨量为366.6 mm，月最大降雨量为96.2 mm，最小降雨量为0.9 mm，降雨集中于4-9月，占总降雨量的86.1%；总蒸发量为1 003.4 mm，月最大蒸发量为154.1 mm，最小蒸发量为15.5 mm，4-9月的蒸发量占总蒸发量的69.4%；月平均最高气温为27.13 ℃，最低气温为-0.03 ℃。

不同层土壤的月平均温度均表现正弦曲线趋势的年变化特征，地表温度振幅大，随着土层深度的增加，振幅逐渐减小。已有研究表明，热量的传输过程中伴随着水分的运移[14-16]，热量传递的驱动力是温度梯度[17]，公式如下：

(1)

对各层土壤温度进行正弦曲线拟合，并根据公式(1)计算各层土壤的温度梯度见图1。温度梯度随时间的推移表现出正弦趋势的变化特征，且随着土层深度的增加，振幅逐渐减小，相位向后推移。在此，统计出各层土壤热量传递方向改变的时刻，见表3。

表3显示，20 cm土层在2013年2月27日-9月6日时段内，温度梯度为负，即该时段内热量向下传输，在其他时段温度梯度为正，即热量向上传输。同时，随着土层深度的增加，热量向下及向上传输的时段逐渐向后推移。

2.2 土壤水分空间变化特征

土壤水分时空等值线见图2.土壤水分空间变化程度随着深度的增加逐渐减小，300 cm处土壤水分含量最高，相邻层土壤水分含量较低。在此，以不同层土壤含水率为样本，选用Q型聚类方法进行聚类[13]，基于变异系数对土层进行命名。

图1 土壤温度梯度动态变化图Fig.1 Soil temperature gradient's time variability

图2 土壤水分时空等值线图Fig.2 Soil moisture's time and spatial contours

土层深度/cm温度梯度由负向正转变时刻由正向负转变时刻由负向正转变时刻20-201302272013090650-201302282013092080-2013030220131005100-2013030620131015200-2013042120131021300-20130430201311074002012122020130516-5002013012520130524-

注：“-”表示未在分析时段内

由于土壤水分观测数据是点估计值，为了反映土壤水分空间连续性，对数据预处理，公式如下：

(2)

由于地表土壤水分未进行观测，在此选用20 cm土层含水率近似代替0～20 cm土壤水分的平均变化情况，根据公式(2)分别获得20～50，50～80，80～100，100～200，200～300，300～400，400～500 cm土层的平均含水率。土层数为8，时间序列长度为365 d，即8个样本，365个变量，使用平均联结(组间)进行聚类，得到聚类分析树状图，见图3。

图3显示，土壤剖面可分为4类，即0～20 cm为一类，20～50 cm为一类，50～200 cm为一类，200～500 cm为一类。并计算各类对应的变异系数，分别为：0.231，0124，0.042，0.006，变异系数反映了土壤水分的变化程度，计算结果表明，变异系数随着土层深度的增加呈减小趋势。因此，0～500 cm土层可依次命名为活跃层(0～20 cm)、次活跃层(20～50 cm)、过渡层(50～200 cm)、相对稳定层(200～500 cm)。

图3 聚类分析树状图Fig.3 Dendrogram using average linkage(between groups)

2.3 土壤水分的时间变化特征

2.3.1活跃层、次活跃层土壤水分变化特征

活跃层、次活跃层土壤水分变化见图4，活跃层受到降雨、蒸发等气象因素的影响最大，土壤水分年内变化范围为10.8%～29.2%(日平均含水率)，变幅为18.4%，土壤年平均含量为14.5%，含水率较低。次活跃层受到气象因素的影响减弱，土壤水分年内变化范围为17.4%～26.9%，变幅为9.5%，土壤年平均含水率为21.78%，含水率较高。由于活跃层、次活跃层年内变化趋势大致相同，在此依据其年内变化程度，依次分为相对稳定期、缓慢下降期、增湿交替期、持续下降期。

图4 活跃层、次活跃层土壤水分变化图Fig.4 Soil moisture's time variability in active layer and relatively active layer

相对稳定期(12月及1月-3月中旬)：气温低，降雨少，蒸发小。平均气温为2.4 ℃，降雨量为18 mm，为年降雨量的4.9%，蒸发量为134.65 mm，为年蒸发量的13.4%。1月初，20 cm处土壤水分减小幅度较大，主要原因是气温最低降至-6.8 ℃(1月4日)，土壤水分开始冻结，由于传感器测量的是土壤的非冻结含水量，土壤水部分冻结致使土壤非冻结含水量减小。整体上，土壤水分处于自调节阶段，变化较为缓慢。

缓慢下降期(3月下旬-5月中旬):气温逐渐上升，降雨量略有增加，雨强较小，蒸发较大。平均气温为16.5 ℃，降雨量为53.9 mm，为年降雨量的14.7%，日最大降雨量为9.4 mm，蒸发量为194.3 mm，为年蒸发量的19.4%，土壤水分缓慢下降。

增失交替期(5月下旬-9月下旬):气温最高，降雨频次增加，强度增大，蒸发强烈。平均气温为25.9 ℃，降雨量为240.4 mm，占年降雨量的65.6%，蒸发量为516.3 mm，为年蒸发量的51.4%。日最大降雨量达20.9 mm，土壤水分急剧上升，20 cm处土壤水分最高达29%，50 cm处土壤水分最高达26.9%，雨过之后，表层土壤水分较大，土壤蒸发大，土壤水分迅速下降，土壤水分变化剧烈。

持续下降期(10月初-11月末)：气温逐渐降低，降雨频次减少，雨强较小，蒸发较强。平均气温为13 ℃，降雨量为43.7 mm，占年降雨量的11.9%，蒸发量为175.9 mm，为年蒸发量的17.5%。降雨频次减少，雨量少，但蒸发强烈，除了11月末降雨作用下活跃层土壤水分有明显增加外，其他时期均处于下降阶段。

2.3.2过渡层土壤水分变化特征

过渡层土壤水分的动态变化见图5。土壤水分年变化较小，80 cm处年变幅为3.5%，100 cm处年变幅为1.9%，200 cm处年变幅为1.2%。12月-3月末，80与100 cm处土壤水分表现出先下降后增加的趋势，且在1月中旬水分含量最低，200 cm处土壤水分变化相对滞后，在2月中旬水分含量最低，原因为：结合土壤温度梯度分析，该时段气温低于地温，土壤由受热型逐渐转变为放热型，前期，过渡层土壤温度梯度为正值且数值较大，水分向上运移致使该层水分减小，后期，该层温度梯度为负值且数值较小，即水分向下运移的量较小，但深层土壤温度梯度为正，受到了深层土壤水分的补给而增加。4月初-8月中旬，80 cm处土壤水分呈现较大波动，且在4月初～5月末受到蒸发作用的影响，水分与活跃层、次活跃层土壤水分变化趋势一致，100和200 cm土壤水分变化相对较小，但期间分别在6中旬和8月中旬出现两个峰值，原因为：5月下旬和7月下旬降雨频次较多，雨强较大，5月下旬和7月下旬降雨量分别为55.3，45.3 mm，降雨入渗补给了该层土壤，但入渗有一定的滞后性。8月下旬-11月末，各层土壤水分表现出持续下降的趋势，尤其是后期下降较为明显，其原因为气温降低，土壤由浅层至深层逐渐转变为放热型，致使水分向表层运移。

图5 过渡层土壤水分变化图Fig.5 Soil moisture's time variability in transitional layer

2.3.3相对稳定层土壤水分变化特征

相对稳定层土壤水分的动态变化见图6，土壤水分的年变幅均在1%范围内，表现出一致的正弦曲线趋势的年变化特征，并在5-6月水分含量达到最小值，在10-11月达到最大值，最小值和最大值出现时刻随着土层深度的增加有一定的滞后性。在雨季未出现较大波动，说明相对稳定层基本不受降雨的直接影响。同时，该层土壤水分在5月下旬-10月中旬逐渐增加，在其他时段逐渐减小，原因如下：土壤水分增加时段，土壤表现为受热型，温度梯度为负，且浅层的温度梯度大于该层，该层土壤水分增加，在土壤水分减小时段，土壤表现为放热型，深层土壤温度高于表层，温度梯度为正，水分向上运移，致使该层土壤水分减小。

3 讨 论

本研究选择试验地块远离人类活动区，避免人为因素干扰，利用原位定点自动监测方法，研究半湿润易旱区0～500 cm土层的土壤水分的微观变化。研究发现，浅层土壤水分在雨季(5-9月)主要受到气象要素的影响，在其他时段受到气象要素与土壤温度的双重作用，而深层土壤水分主要受到土壤温度的影响，在温度梯度的驱动下与浅层土壤水进行相互作用，在冬春季深层土壤水分向浅层运移致使深层土壤水分减少，夏秋季向深层运移，深层土壤水分增加，进一步验证了李佩成院士提出的内在水假设[18]，同时为半湿润易旱区考虑温度作用下深层土壤水分运动的定量研究提供了依据。

4 结 论

(1)土壤温度及温度梯度年内均表现正弦曲线趋势的变化特征，地表振幅较大，随着土层深度的增加，振幅逐渐减小，相位向后推移。

(2)随着土层深度的增加，土壤水分年内变化逐渐减小，根据土壤水分变化状况，土壤垂直剖面依次可命名为活跃层(0～20 cm)、次活跃层(20～50 cm)、过渡层(50～200 cm)、相对稳定层(200～500 cm)。

图6 相对稳定层土壤水分变化图Fig.6 Soil moisture's time variability in relatively stable layer

(3)活跃层、次活跃层土壤水分在12月及1-3月中旬处于相对稳定期、3月下旬～5月中旬处于缓慢下降期、5月下旬-9月下旬处于增失交替期、10月初-11月末处于持续下降期。过渡层土壤水分在12-3月末处于先减小后增大的变化趋势，4月初-8月中旬有一定的波动，8月下旬-11月末缓慢下降。相对稳定层土壤水分表现出振幅较小的正弦曲线趋势的变化特征。

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