不同下垫面条件的土壤水分动态变化规律研究——以徐州市南部郊区为例

加 晓 军，张 玉 婵，朱 奎，高 艺 嘉

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

1 研究背景

土壤水是整个水分循环中最为活跃的因素，直接影响着地表水和地下水资源的形成，是它们联系的纽带，同时又是植物利用和赖以生存的水分来源[1]。它决定着土壤的演化和土地生产力，制约着植被的形成和发展。土壤水分垂直空间分布和动态变化的研究有利于田间土壤水分的管理和利用。下垫面土壤类型和作物种类的不同，对土壤的持水能力和退水过程有一定的影响，即不同的土壤质地和土壤上不同的植被导致土壤对水分的涵养能力有所差异[2]。目前，土壤水分动态变化规律研究是小区域水文循环研究的重要部分[3-5]，对此，前人已经做了大量工作，对济宁地区、晋西北黄土丘陵沟壑区等进行研究[6-7]，得出了森林水土保持机理，土壤水运动理论等土壤水运动规律[8-10]。王国梁等研究认为，农田土壤水分显著高于林地、灌木地和草地下的土壤水分[11]；坡面土壤水分的空间分布主要受坡度和位置的影响[12]；土地利用结构对土壤水分的空间分布也有一定影响。还有学者认为，不同植被类型土壤水分的动态变化和循环规律也具有显著差别[13-17]。本研究以徐州市郊区为例，揭示不同下垫面条件下土壤水分动态变化规律。

2 研究区概况

研究区位于江苏省徐州市铜山区三堡镇何庄村北部，属于古黄泛区平原地带，平均坡降0.1‰。流域面积约1 877 km2，处东经116°43′～117°42′、北纬34°01′～34°35′之间。流域属暖温带湿润和半湿润季风气侯，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。研究区地貌类型以平原为主，兼有低山丘陵；土壤类型有黏土，砂质黏土及少部分沙土。在研究区内，土壤质地、地表植被类型是决定土壤持水能力的主要影响因素。研究区主要由居民区、柏油道路、耕地和林地组成，其中95%以上为耕地和林地，耕地主要有蔬菜类和稻田；林地主要有果园、杨树林等。

3 试验方法

3.1 代表点的设计

结合研究区地形及地貌特点，根据所在流域的下垫面情况，在该流域代表性地区选取5种下垫面试验点：梨园、花菜地、毛豆地、撂荒地、沙土堰，具体归类见表1。

表1 试验点的设计与布设

Tab.1 Laboratory sites design and layout

编号土地利用类型利用现状坡度/(°)土质观测深度/m1园地梨树0砂质黏土1.02耕地花菜0砂质黏土1.03耕地毛豆0砂质黏土1.04耕地撂荒地0砂质黏土1.05其他土地沙土堰9沙土1.0

注：试验期间，该地区地下潜水面较高，部分观测点埋深1 m处可见水，土壤呈泥状未能取出，土壤含水量达到田间持水量。

3.2 土壤水分的测定

用土钻法对试验点每隔0.1 m分层取土样[18]，土壤含水量较大时，土样成泥状，所取土样深度h≤1m,每点取3个平行样，然后用试验室烘干法[(105±2)℃]测定土壤的质量含水量[19]。降雨量采用雨量计实测。

3.3 取得的试验数据

从2014年10月1日开始对5个试验点分层逐日测定土壤含水量，直至11月22日结束。2014年10月1日晚有中雨，降雨量为35 mm，10月22日有大雨，降雨量为52 mm。

4 结果与分析

土壤水分在不同土壤质地条件下的垂直分布特征具有明显的差异性，即统计分析一段时间内垂向上不同代表深度的土壤含水量，得到5种不同下垫面试验点的各层代表深度的土壤水分动态变化规律。

4.1 土壤水分的空间变化

表2给出了不同下垫面土壤水分剖面上变化趋势及对比。

图1为5种代表试验点的土壤含水量空间变化整体规律，图中横向线段代表土壤含水量的波动范围，纵向曲线代表土壤含水量的空间变化形势；由此得到不同下垫面的水分动态变化具有明显的差异。根据土壤深度及土壤含水量的变化趋势，本文将不同质地、植被的土壤水分含量变化趋势在垂直方向上划分为4个层次:土壤水分速变层(0～20 cm)、土壤水分活跃层(20～40 cm)、土壤水分传递层(40～70 cm)和土壤水分稳定层(70～100 cm)。速变层的土壤含水率变动最为剧烈，活跃层较为剧烈，传递层土壤的含水率变动则较为平缓，而稳定层土壤的含水率变动则基本保持在一个平稳的范围内[20-21]。

表2 不同下垫面土壤水分剖面变化趋势及对比Tab.2 Soil moisture profile change trend and contrast in different underlying

(1) 土壤水分速变层。该层的土壤水分变化幅度十分剧烈。由于太阳蒸发、植物蒸腾和吸收作用，各实验点地表层的土壤水分变化很大。花菜、毛豆和撂荒地都是在20 cm左右土壤水分最小，其中毛豆和花菜对土壤持水能力的影响没有明显差异；梨园地表土壤水分含量则是先减少至10 cm左右又缓慢升高。

(2) 土壤水分活跃层。该层土壤水分的变化幅度小于表层土壤。速变层的水分渗透下来, 由于该层土壤的蒸发及植物的蒸腾作用减弱,水分在该层蓄存, 这显示出土壤涵养水源的功能。梨园、毛豆、花菜和撂荒地土壤水分含量在这一层中逐渐升高，沙土堰土壤含水量则是从20～30 cm逐渐升高，30～40 cm又逐渐减少，且沙土土壤水分含量整体低于砂质黏土，但相比于速变层其土壤含水量还是整体升高。

(3) 土壤水分传递层。该层较活跃层变化幅度更小，梨园土壤水分随着所取土样位置深度的增大波动性减小，土壤含水量分布较集中,没有明显的增减性。花菜、毛豆和撂荒地在传递层土壤水分略微增大，较为集中且含水量稳定。但是沙土堰土壤水分先减少后又大幅度增大，这是由于该试验样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对上层进行了水分补给，导致了沙土堰土壤含水量在传递层中发生了突变。

(4) 土壤水分稳定层。该层的土壤含水量受外部条件(大气降雨、土壤蒸发及植物蒸腾作用)的影响则较小。该层土壤含水量在试验中呈现较稳定的状态，各样地在该层的土壤水分的变化频率和幅度均平稳。

图1 不同下垫面条件下土壤含水量剖面变化 Fig.1 Soil moisture content under different underlying surface profile changes

4.2 土壤水分随时间变化

对不同深度土壤含水量进行统计， 得到不同土壤质地、坡度、植被情形下代表试验点各层深度的土壤水分随时间的动态变化过程，见图2。

土壤水分随时间的变化趋势与蒸散发、土壤质地、降雨有密切的关系。由于蒸散发的影响，土壤表层变化相对剧烈。不同土壤质地的土壤含水量对降雨的响应不同，砂质黏土在降雨后，表层土壤含水量高于深层，退水时表层土壤含水量低于深层含水量，退水曲线变化相对平稳。降雨前后， 沙土的土壤含水量均低于下层土壤含水量，表明沙土的土壤渗透性好且缺水量较大。沙土含水量层次性变化明显，在50 cm下含水量有较大增长，明显区别于其他类型的下垫面条件含水量变化。

图2 不同下垫面土壤水分时间序列变化范围及趋势 Fig.2 Series change range and trend of different underlying surface soil moisture time

秋收对有植被的土壤含水量变化有一定的影响。花菜地和毛豆地土壤含水量变化整体相似，秋收前后土壤水分的波动情况有明显差异，表现为秋收后地表土壤含水量波动性明显变小。植物根系发达程度也会对土壤含水量产生影响，由于梨树根系深，吸收水分更多，故梨园土壤含水量在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处曲线收敛性明显弱于其他下垫面条件。

综上，土壤水分在地表处由于外界因素影响变化很大，浅层地表土壤水分受降水控制明显；撂荒地，毛豆地，花菜地的土壤水分变化在垂向上相似，均表现为20 cm处土壤水分含量明显降低，且最后均趋于一个接近于土壤田间含水量的值。但这些小型植被与梨树相比，则其持水性均较弱，土壤退水更慢。此外，土壤水分受土壤质地的影响明显，表现为砂质黏土的持水性优于沙土。具体对比见图3。

图3 不同下垫面条件下土壤水分随时间变化 Fig.3 Soil moisture changes over time under different underlying surface

5 结论与讨论

(1) 不同土壤质地的土壤含水量在垂直方向上变化趋势大体可以分为4个层次，即土壤水分速变层、土壤水分活跃层、土壤水分传递层和土壤水分稳定层。土壤含水量在地表处受外界因素影响变化很大，随着深度的增加土壤含水量变化幅度减小，对降雨的响应滞后越明显，最后土壤含水量逐渐趋于某一稳定值。

(2) 秋收和降雨是土壤水分时间序列变化的重要影响因素。土壤含水量受秋收影响较大，秋收后较秋收前土壤含水量波动性明显减少。降雨也会对土壤含水量产生较大影响，尤其是近地表处，表层到40 cm处有较明显增长。

(3) 降雨对不同土壤质地的土壤含水量的影响不同，原因在于不同土壤质地的土壤持水性和透水性均有差异；沙土土壤颗粒之间空隙较大持水性较弱，透水性强退水变化也相对稳定，而砂质黏土则表现由较好的持水性和相对较弱的透水性，退水变化则与沙土有所差异；试验表明：沙土试验点0～50 cm处土壤含水量明显小于砂质黏土试验点的土壤水含量。

(4) 不同下垫面条件下土壤含水量动态变化规律具有相似性和差异性。毛豆和花菜对土壤持水能力的影响具有相似性；植被根系深度不同，导致梨树、毛豆、荒草(撂荒地)等在不同深度的土壤水含量有差异。