不同下墊面條件的土壤水分動態變化規律研究
——以徐州市南部郊區為例

加 曉 軍，張 玉 嬋，朱 奎，高 藝 嘉

(中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

1 研究背景

土壤水是整個水分循環中最為活躍的因素，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力，制約著植被的形成和發展。土壤水分垂直空間分布和動態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，即不同的土壤質地和土壤上不同的植被導致土壤對水分的涵養能力有所差異[2]。目前，土壤水分動態變化規律研究是小區域水文循環研究的重要部分[3-5]，對此，前人已經做了大量工作，對濟寧地區、晉西北黃土丘陵溝壑區等進行研究[6-7]，得出了森林水土保持機理，土壤水運動理論等土壤水運動規律[8-10]。王國梁等研究認為，農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]；土地利用結構對土壤水分的空間分布也有一定影響。還有學者認為，不同植被類型土壤水分的動態變化和循環規律也具有顯著差別[13-17]。本研究以徐州市郊區為例，揭示不同下墊面條件下土壤水分動態變化規律。

2 研究區概況

研究區位于江蘇省徐州市銅山區三堡鎮何莊村北部，屬于古黃泛區平原地帶，平均坡降0.1‰。流域面積約1 877 km2，處東經116°43′～117°42′、北緯34°01′～34°35′之間。流域屬暖溫帶濕潤和半濕潤季風氣侯，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。研究區地貌類型以平原為主，兼有低山丘陵；土壤類型有黏土，砂質黏土及少部分沙土。在研究區內，土壤質地、地表植被類型是決定土壤持水能力的主要影響因素。研究區主要由居民區、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 代表點的設計

結合研究區地形及地貌特點，根據所在流域的下墊面情況，在該流域代表性地區選取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 試驗點的設計與布設

Tab.1 Laboratory sites design and layout

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

注：試驗期間，該地區地下潛水面較高，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)℃]測定土壤的質量含水量[19]。降雨量采用雨量計實測。

3.3 取得的試驗數據

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 結果與分析

土壤水分在不同土壤質地條件下的垂直分布特征具有明顯的差異性，即統計分析一段時間內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變化規律。

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變化具有明顯的差異。根據土壤深度及土壤含水量的變化趨勢，本文將不同質地、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，而穩定層土壤的含水率變動則基本保持在一個平穩的范圍內[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、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。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行了水分補給，導致了沙土堰土壤含水量在傳遞層中發生了突變。

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

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行統計， 得到不同土壤質地、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變化過程，見圖2。

土壤水分隨時間的變化趨勢與蒸散發、土壤質地、降雨有密切的關系。由于蒸散發的影響，土壤表層變化相對劇烈。不同土壤質地的土壤含水量對降雨的響應不同，砂質黏土在降雨后，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。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。花菜地和毛豆地土壤含水量變化整體相似，秋收前后土壤水分的波動情況有明顯差異，表現為秋收后地表土壤含水量波動性明顯變小。植物根系發達程度也會對土壤含水量產生影響，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，土壤水分受土壤質地的影響明顯，表現為砂質黏土的持水性優于沙土。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 結論與討論

(1) 不同土壤質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，對降雨的響應滯后越明顯，最后土壤含水量逐漸趨于某一穩定值。

(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) 降雨對不同土壤質地的土壤含水量的影響不同，原因在于不同土壤質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，透水性強退水變化也相對穩定，而砂質黏土則表現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變化規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。