砂姜黑土区土壤水运移规律初探

胡永胜

一、引言

在大气—地面—地下水相互作用过程中，土壤水是调控地下水—大气反馈的最重要参量之一，直接影响着农作物的生长态势及产量，一直受到各有关领域的高度重视。只有掌握土壤水分的变化规律，及时采取相应的农业技术措施，才能最大限度地提高农田水分利用率，保证作物稳产、高产，因此土壤水分变化模拟研究一直都是相关学科重要研究方向之一。国内外专家研究表明土壤含水率与气象因子之间存在密切的关系。本文利用五道沟水文实验站自动称重式地中蒸渗仪及高精度气象站降雨量监测数据对气象条件影响下的砂姜黑土土壤水分运移规律进行了初步研究。

二、实验设计与数据处理

实验选取了地下水埋深控制在1m的自动称重式地中蒸渗仪9#测筒及水文气象场高精度气象站数据，通过分析其变化趋势，对比相关数据在时间上的变化规律及不同层位土壤中的水分运移情况，揭示了水分在土壤中运移规律。首先选取两个无降雨或期间有极少量降雨的时间段，绘制在干旱期间不同深度的土壤水分变化趋势图，对其土壤含水率变化进行分析研究，利用SPSS软件分析不同深度的土壤含水率的相关性，明确降水和土壤水分的动态变化特征及相关性。其次根据降雨量由小到大选取相应时段，绘制降雨与不同深度土壤含水率的变化趋势图，观察在不同降雨条件下土壤水分的变化特征，分析降雨与不同深度土壤含水率间的相关性，得出不同降雨条件下土壤水分的变化特征。

图1 小麦各生长阶段土壤含水率与地下水埋深关系图

图2 2018年4月份不同深度土壤含水率变化趋势图

三、实验分析及相关性评价

1.土壤水分随地下水埋深变化的影响分析

通过对图1分析可知，成熟期随着土壤深度越大，土壤含水率越高，在100cm处达到最大值，此后随着地下水埋深加大含水率开始变小；播种—分蘖期、分蘖—越冬期、返青—拔节期在土层深度10～20cm表层时，随着土壤深度加大，土壤含水率变小；20cm土层深度以后，随着土壤深度越大，土壤含水率越高。

2.持续干旱对不同深度土壤水分垂直变化特征的影响分析

图2是五道沟实验站2018年4月份不同深度土壤体积含水率的变化趋势图，期间呈现极少雨量状态且土壤初始含水率较低。10cm深度的初始土壤体积含水率为21.06%，随着干旱持续时间的延长而缓慢降低，最低降至14.18%。30cm深度的土壤体积含水率从29.86%逐步降低至25.70%，而50cm深度的土壤体积含水率由31.95%缓慢降低至29.49%。显然30cm和50cm深度的土壤体积含水率也均随着干旱无降雨状态时间的延长而逐渐呈现下降的趋势，但其下降幅度较10cm深度的土壤体积含水率小。

通过SPSS软件对所选时间段内各层土壤体积含水率进行相关分析可得，10cm深度的土壤体积含水率与30cm、50cm处体积含水率的相关系数分别为0.986cm、0.863cm；30cm处体积含水率与50cm处的相关系数为0.906。

2017年10月19日～11月19日不同深度土壤体积含水率变化趋势如图3。该期间极少雨量状态，但土壤含水率初始值较高。由图3可见，10cm、30cm、50cm深度土壤初始体积含水率分别为30.95%、37.63%、33.73%，随着持续无雨状态的延长而缓慢降低（在11月10日有上升拐点是因为种植作物少量浇水导致，可不考虑此因素），最低分别降至28.43%、35.32%、33.19%。从持续的无降雨状态对该期间不同深度土壤体积含水率分析发现，除表层10cm和30cm处土壤水分随着时间不断下降外，各层水分含量都在较小范围内波动，总体变化趋势较平缓。

分析不同深度土壤体积含水率的相关性得知10cm深度土壤体积含水率与30cm、50cm处土壤体积含水率的相关系数分别为0.711和0.656，30cm深度的土壤体积含水率与50cm深度的体积含水率的相关系数分别为0.963。

3.不同降雨强度对土壤水分垂直变化特征分析

根据土壤水分及降雨量数据，按降雨量 0～25mm，25～50mm，＞50mm分别选取2017年 10月6～15日，2018年 5月 2～11日，2017年 9月17～26日这三个时段，并对期间降雨量与不同深度土壤体积含水率的变化趋势分析。

分析2017年10月6～15日不同深度土壤体积含水率变化趋势，在10月 10日、11日、12日、14日都有雨，其中10月11日为中雨，其余为小雨。10cm、30cm、50cm土壤初始体积含水率受前期降雨影响值较高，分别为30.84%、37.73%、33.97%。降雨时 10cm、30cm、50cm的土壤体积含水率都出现了较为显著的增长，最大值分别为 32.56%、39.28%、35.17%，随着降雨的停止出现逐渐降低的趋势。与图3相比虽然后期雨量大小相差不大，但因初始土壤体积含水率差异，初始含水率越低其土壤含水率的增长幅度越大。

分析该时段内不同深度土壤含水率与降雨量相关性分析得知，降雨与10cm深度的土壤体积含水率显著相关，与30cm和50cm深度的含水率无显著相关，10cm与30cm、50cm深度土壤体积含水率之间相关性系数分别为0.920、0.812，30cm 与 50cm 深度土壤体积含水率之间为0.965，均显著相关。

图3 2017年10月19日～11月19日不同深度土壤体积含水率变化趋势图

分析2018年5月2～11日不同深度土壤水分和降雨的变化趋势，5月5～6日有中到大雨，5月11日有小雨。前期无降雨且各土层初始土壤含水率很低，5月5～6日有中到大雨，10cm和30cm深度的土壤体积含水率出现一个较大幅度的上升过程，50cm的含水率呈稳步上升趋势。5月6日后10cm含水率呈持续下降状态，因为表层土壤达到饱和开始入渗引起土壤含水率下降。30cm和50cm土壤尚未饱和，故先上升后缓慢下降，其下降程度为10cm＞30cm＞50cm。

分析该时段内不同深度土壤含水率与降雨量相关性分析得知，除10cm与30cm和50cm，30cm与50cm的土壤含水率相关显著外，其余均呈不显著相关。

分析9月17～26日期间不同深度土壤水分随降雨过程变化趋势，在20日、26日有小雨，24日中雨，25日为暴雨强降雨状态，其余时间段均无降雨。17～23日土壤含水率呈缓慢下降趋势。24～25日有中雨到暴雨，10cm、30cm以及50cm深度的土壤体积含水率均出现一个较大幅度的上升过程。随着25日强降雨的结束其土壤含水率均在短时间内迅速下滑。

分析该时段内不同深度土壤含水率与降雨量的相关性得知各深度土壤层含水率之间均呈显著相关性且与降雨均呈显著相关性。

四、结语

通过研究降雨与土壤体积含水率之间相互关系发现：

（1）长期无降雨时，土壤含水率与土壤深度呈正相关，土壤层越深含水率越大。其中土壤表层含水率平均值最小，深度越大土壤水分平均值越大；深度小于30cm的表层土壤属于土壤耕作层，一般受降雨和蒸散发的影响比较大，植被根系也大多分布在土壤表层，这也会导致土壤孔隙度变大，接纳雨水的能力变强、蒸腾蒸发强烈且受外界环境的影响大，干湿变化显著。30～50cm深度的土壤是水分次活跃层，干湿变幅相对于表层较小，且含水率也稍有增加。

（2）随着降雨过程的出现，0～30cm深度表层土壤含水率迅速变大，随着土壤层深度的增加，含水率变化幅度相应变小。在降雨过程中，土壤水分的变化受到降雨量、土壤初始含水率、土壤层深度等因素的影响出现不同的幅度变化。降雨量越大土壤水分变化幅度越大，土壤初始含水率越低土壤水分变化幅度越大，土壤层深度越深土壤水分变化幅度越小。在降雨过程中表层土壤会由低迅速升高再由高迅速下降，下层土壤水分则稳定增加，50cm以上的深层土壤则基本稳定不变。

（3）随着降雨的停止，0～30cm深度的表层土壤含水率会随着时间的延长而呈现持续下降的状态，其下降幅度排名为：10cm＞30cm＞50cm。在其初始土壤体积含水率越大的情况下，土壤表层10cm的下降幅度最为明显，到了30cm由于蒸散少和表层水分下渗的原因，导致30cm处的土壤含水率高于50cm处土壤含水率，且二者都处于小幅度下降状态。而到了50cm处土壤体积含水率基本慢慢往一个稳定的趋势发展。

本次分析只选取了地下水位、降雨强度等对土壤水变化的影响，不同土层温度、不同下垫面条件下对土壤水变化的影响有待进一步研究■