太湖流域平原區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)分析

徐 飛，朱 青，史伯強(qiáng)，廖凱華，鄭錦森

（1.中國(guó)科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所 湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.南京市地產(chǎn)發(fā)展中心，江蘇 南京210005）

土壤水是一種重要的水資源，它是四水（地表水、地下水、大汽水、土壤水）轉(zhuǎn)化的紐帶，為水循環(huán)、能量循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)中的基本組成部分，在降水、徑流、下滲和蒸散發(fā)等水文過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用［1－3］。此外，太湖流域地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題十分嚴(yán)重，其中水環(huán)境問題（如面源污染）尤其突出，而氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素流失與降水、土地利用方式以及土壤水分運(yùn)動(dòng)的關(guān)系十分密切［4－5］，因此定量研究太湖流域不同土地利用方式下土壤水分與降水之間的關(guān)系，對(duì)于該地區(qū)水資源規(guī)劃管理、節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)開發(fā)以及調(diào)控營(yíng)養(yǎng)元素的遷移等均具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)土壤水分與降雨時(shí)序分析的研究已比較多，如石輝等［6］進(jìn)行了黃土丘陵區(qū)人工油松林地土壤水分動(dòng)態(tài)的時(shí)間序列分析，宋獻(xiàn)方等［7］進(jìn)行了華北平原地下水淺埋區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)的時(shí)間序列分析，王曉燕［8］等進(jìn)行了紅壤坡地土壤水分時(shí)間序列分析，王賀年［9］等開展了北京山區(qū)林地土壤水分時(shí)間序列分析。可見，現(xiàn)有研究區(qū)主要分布在西北、華北和西南地區(qū)，地貌類型主要有坡地、丘陵、山區(qū)、平原以及喀斯特地貌［10］等，已覆蓋我國(guó)典型氣候及地貌類型的地區(qū)。然而，對(duì)于處在東部季風(fēng)氣候條件下的太湖流域平原地區(qū)，有關(guān)研究則相對(duì)比較缺乏，尤其是較高時(shí)間分辨率（如日步長(zhǎng)）的土壤水分時(shí)間序列分析更不多見?；谝陨犀F(xiàn)狀，本研究以日為時(shí)間步長(zhǎng)，利用時(shí)間序列分析法研究太湖流域平原地區(qū)兩種土地利用方式（林地、菜地）下土壤水分與降水的定量關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處江蘇省南京市高淳區(qū)青山—游子山土地整治區(qū)，位于太湖流域平原地區(qū)西部（31°37′N，119°05′E）。屬于典型的水網(wǎng)平原區(qū)，河湖密布，高程在5～10m之間［11］。氣候類型為亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，年均降雨量超過(guò)1 000mm，降雨充沛，但年內(nèi)分配不均，多集中在夏季。年平均氣溫15.5℃，全年無(wú)霜期約230d，年平均日照時(shí)數(shù)達(dá)到2 000h。研究區(qū)土地利用類型主要有林地、菜地以及水稻田，土壤水分主要受降雨補(bǔ)給，同時(shí)農(nóng)業(yè)灌溉也是一個(gè)主要補(bǔ)給源。試驗(yàn)區(qū)林地為混交闊葉林，植被覆蓋季節(jié)差異明顯。由于太湖流域地貌類型主要由丘陵和平原組成，其中平原區(qū)占流域總面積的80%，因此，選取林地、菜地兩種典型土地利用類型，對(duì)于揭示太湖流域土壤水分與降水之間相關(guān)關(guān)系具有較好的代表性。

1.2 土壤水分動(dòng)態(tài)分析方法

選取林地和菜地作為試驗(yàn)對(duì)象，選擇點(diǎn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)降雨量和土壤體積含水量動(dòng)態(tài)變化。在各試驗(yàn)點(diǎn)分別布設(shè)美國(guó)Decagon Devices公司生產(chǎn)的EC-5土壤水分探頭，用于測(cè)定土壤剖面不同深度（10，20，40，60 cm）的土壤含水量，并同步布設(shè)ECRN-50雨量計(jì)，記錄降水量。監(jiān)測(cè)頻率均為5min，且數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)收集儀中，監(jiān)測(cè)時(shí)段為2012年7月1日至2013年11月29日，期間定期（約1個(gè)月）采集下載數(shù)據(jù)。

根據(jù)原始降水量和各層土壤含水量數(shù)據(jù)，計(jì)算逐日降水量，得到降雨序列X，然后選取每日同一時(shí)刻土壤含水量數(shù)據(jù)，得到土壤含水量時(shí)間序列Y。對(duì)于兩個(gè)時(shí)間序列，只要時(shí)間上同步，均可用協(xié)方差相關(guān)系數(shù)描述其相關(guān)性。若原始降雨序列為對(duì)于兩個(gè)時(shí)間間隔相同的平穩(wěn)時(shí)間序列X和Y，它們之間的協(xié)相關(guān)系數(shù)可以用公式（1）計(jì)算［12］：

式中：ρxy——滯后時(shí)間為h時(shí)，x和y兩個(gè)時(shí)間序列的協(xié)相關(guān)系數(shù)；Sxy（h）——滯后時(shí)間為h時(shí)，x，y兩個(gè)序列的協(xié)方差；Sxx（0），Syy（0）——x，y序列的方差；δx，δy——序列x，y的標(biāo)準(zhǔn)差；h——滯后時(shí)間。

對(duì)于具有n對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的兩個(gè)時(shí)間序列（x1，y1）（x2，y2）（x3，y3）……（xn，yn），時(shí)間差為h 的協(xié)方差可由公式（2）計(jì)算：

式中：ˉx和ˉy——時(shí)間序列x，y的平均值。結(jié)合公式（1）—（2），即可計(jì)算出協(xié)相關(guān)系數(shù)為h時(shí)的協(xié)相關(guān)系數(shù)。根據(jù)協(xié)相關(guān)系數(shù)的大小，可估計(jì)兩個(gè)序列的協(xié)相關(guān)程度。假設(shè)該值為0，則表明顯著不相關(guān)，如果不為0，則應(yīng)用Barttett公式計(jì)算的2倍標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量?jī)尚蛄惺欠裣嚓P(guān)。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤水分和降水的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化特征

研究時(shí)段的年降雨量為1 148mm，結(jié)合研究區(qū)的多年平均降水特征可知，屬于典型的平水年。其次，降水表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異。夏季降水充沛，月均降水量達(dá)到162mm，單季降水量達(dá)到年降水總量的將近1／2，其顯著性特點(diǎn)是單次降雨量大，多為中到大雨，甚至暴雨，但降雨連續(xù)性差。與此不同的是，降水在秋、冬、春等季節(jié)時(shí)偏小，月均分別為82，79，63mm。

表1為研究時(shí)段內(nèi)林地菜地在不同季節(jié)土壤水分統(tǒng)計(jì)特征。由表1可以看出，土壤含水量存在較為顯著的季節(jié)變化和剖面變化，且這種變化在林地、菜地兩種不同類型的土地利用方式下又有所不同。首先，各季節(jié)土壤含水量的平均值在林地和菜地均是夏季最高，而變異系數(shù)則是秋季最大，其他季節(jié)因在不同深度差異明顯而整體關(guān)系較復(fù)雜。其次，在研究時(shí)段內(nèi)，土壤含水量自表層10cm向下至60cm總體呈增加趨勢(shì)，變異系數(shù)則呈減小趨勢(shì)。土壤水分含量及變異在垂向上的差異可能是與不同土層土壤的滲透、持水特性以及蒸發(fā)能力的差異有關(guān)，而這又是由土壤結(jié)構(gòu)剖面和孔隙坡面決定的［13］。土壤含水量的這種剖面變化同樣因土地利用方式的不同而存在差異，菜地土壤含水量在垂直方向之差在各個(gè)季節(jié)都超過(guò)了1cm3／cm3，與菜地相比，林地土壤含水量在剖面上的差異較小，表層（10cm）與深層（60cm）土壤含水量之差除冬季外均小于0.05cm3／cm3。

表1 林地、菜地各層土壤水分的統(tǒng)計(jì)特征

2.2 降雨與土壤含水量自相關(guān)分析

分別對(duì)降水序列和林地、菜地各層土壤水分序列作自相關(guān)分析（圖1）?？梢钥闯?，2012年7月至2013年11月研究區(qū)內(nèi)降水系列不具有相關(guān)性（p＞0.1），而兩種土地利用方式下各層土壤含水量序列均存在極為顯著的相關(guān)性（p＜0.05）。這充分說(shuō)明降水的隨機(jī)性很強(qiáng)，相鄰兩次降雨之間并無(wú)統(tǒng)計(jì)意義上的聯(lián)系，同時(shí)土壤含水量受前期含水量的影響較為明顯，但這種影響隨時(shí)間推移逐漸減弱。

土壤含水量序列相關(guān)性主要受土壤深度的影響，表層土壤水分的相關(guān)性和相關(guān)時(shí)間長(zhǎng)度均小于較深層次，這說(shuō)明越接近于表層，土壤含水量穩(wěn)定性越差。這是由于表層土壤水分受土面蒸發(fā)、植物蒸騰等作用的直接影響［6］，同時(shí)又容易通過(guò)下滲而流失，導(dǎo)致波動(dòng)較大。而深層土壤水分受這些因素影響相對(duì)較小，因此相關(guān)性高于表層。但由于各深度土層間土壤含水量相關(guān)性同樣很高，且含水量為連續(xù)變化［14］，故相關(guān)性大小在垂向上差異并不大。

圖1 研究區(qū)菜地、林地土壤水分含量的自相關(guān)系數(shù)

2.3 降雨量與土壤含水量的協(xié)相關(guān)分析

對(duì)降雨量和兩種土地利用方式下各層土壤含水量進(jìn)行協(xié)相關(guān)分析（圖2—3）。由圖2—3可以看出，土壤水分與降雨量之間存在一定相關(guān)性，相關(guān)時(shí)長(zhǎng)在1～8d內(nèi)會(huì)因土地利用方式和季節(jié)等的不同而存在差異，且相關(guān)性大小及相關(guān)時(shí)長(zhǎng)由表層向下逐漸減小。與王曉燕［8］在南方紅壤坡地進(jìn)行的研究相比，本研究中降水與土壤含水量之間的相關(guān)性較小，且隨著滯后時(shí)間的增加，協(xié)相關(guān)系數(shù)的變化規(guī)律存在較大差異，這說(shuō)明影響本研究區(qū)土壤水分的因素較復(fù)雜，比如季節(jié)、土地利用方式、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等均可能對(duì)土壤含水量產(chǎn)生重要影響。

圖2 菜地不同季節(jié)不同深度土壤水分與降水的協(xié)相關(guān)系數(shù)

圖3 林地不同季節(jié)不同深度土壤水分與降水的協(xié)相關(guān)系數(shù)

2.3.1 不同季節(jié)和土壤深度下降水與土壤含水量協(xié)相關(guān)分析 土壤水分與降雨量之間的相關(guān)關(guān)系受到季節(jié)和土壤深度的影響。以林地為例，相關(guān)時(shí)長(zhǎng)的季節(jié)差異較為明顯，但在除冬季以外的各季無(wú)論是相關(guān)時(shí)長(zhǎng)還是相關(guān)系數(shù)，受土壤深度的影響均較小。在夏、秋季節(jié)降雨對(duì)各層土壤水分的有效影響時(shí)間分別達(dá)到7和8d，在春季為5d，而冬季僅表層（10和20 cm）有3～4d。林地相關(guān)系數(shù)隨滯后時(shí)間增加其變化規(guī)律相似，多成先增加再下降的峰型甚至雙峰型。尤其需要注意的是，相關(guān)系數(shù)在冬季深受土壤深度的影響，表層（10和20cm）土壤含水量與降水的相關(guān)系數(shù)明顯大于其他季節(jié)，且最大相關(guān)時(shí)間出現(xiàn)在雨后第1d，而較深層次則不具有統(tǒng)計(jì)意義上的相關(guān)性。這可能是由于該研究區(qū)降雨季節(jié)性變化，以及不同季節(jié)植被的生長(zhǎng)狀況可能存在差異。冬季林地針闊葉混交林茂密度不及其他季節(jié)，對(duì)降雨的截留能力減小，初始和穩(wěn)定入滲率偏低，入滲補(bǔ)給系數(shù)減小，導(dǎo)致降雨對(duì)表層（10，20cm）土壤含水量的影響大，對(duì)深層（40，60cm）影響極小，且有效影響時(shí)間短。

菜地降水和土壤含水量之間的關(guān)系隨季節(jié)、深度的變化同樣表現(xiàn)出較大差異，這主要體現(xiàn)在相關(guān)時(shí)長(zhǎng)和最大相關(guān)性時(shí)間兩方面。降水與自表層向下各層土壤含水量之間的相關(guān)時(shí)間域在夏季分別為1～4d，1～3d，1～2d，0d，在冬季分別為0d，3～5d，1～5 d，3～4d，在春季分別為0d，1～4d，1～4d，1～6d，而在秋季除表層10cm以外各層土壤含水量與降水均無(wú)統(tǒng)計(jì)意義上的相關(guān)性。由此可見，相關(guān)時(shí)長(zhǎng)總體上在春季最長(zhǎng)，秋季最短，夏季和冬季居中。且夏、秋季節(jié)相關(guān)時(shí)長(zhǎng)自表層向下呈遞減趨勢(shì)，但在冬春季節(jié)卻呈截然相反的“倒掛”現(xiàn)象。這是因?yàn)椴说?0cm深度由于土壤分層明顯，且不易透水，致使其土壤含水量一直偏高，在夏秋季節(jié)與降水無(wú)明顯相關(guān)性，而在冬春季節(jié)卻使得該層與20和60cm深度的土壤含水量均與降水存在較好的相關(guān)性。加之冬春季使用了塑料大棚，阻隔了降水對(duì)表層土壤水分的影響，因而相關(guān)時(shí)長(zhǎng)隨土壤深度的增加而增加。對(duì)于菜地降水與土壤含水量最大相關(guān)性時(shí)間，在夏季為雨后第1 d，但在冬季和春季，多出現(xiàn)在雨后第2d甚至第3d。

2.3.2 不同土地利用方式下降水與土壤含水量協(xié)相關(guān)分析 兩種土地利用方式下土壤含水量與降雨的相關(guān)時(shí)長(zhǎng)及相關(guān)系數(shù)隨滯后時(shí)間的變化規(guī)律存在比較明顯的差異。首先，就相關(guān)時(shí)長(zhǎng)而言，整體上林地要長(zhǎng)于菜地，林地除冬季外降水對(duì)土壤水分的有效影響時(shí)間均達(dá)到或超過(guò)5d，而菜地則普遍小于5d。其次，菜地土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)速度總體上要快于林地，表現(xiàn)為最大相關(guān)時(shí)間早于林地，這在夏秋季節(jié)尤為明顯。林地最大相關(guān)時(shí)間多出現(xiàn)在雨后第2天，且林地相關(guān)系數(shù)的變化幅度除冬季外較菜地更為平緩。這是因?yàn)榱值睾筒说氐闹脖活愋筒煌?，植被不但通過(guò)冠層截留影響入滲，而且對(duì)降水進(jìn)行再分配，此外不同植被的根系吸水能力也有較大差異。

受農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響程度不同，林地土壤含水量對(duì)降雨響應(yīng)的規(guī)律性要強(qiáng)于菜地。與較少受外界干擾的林地不同，為保證作物的正常生長(zhǎng)，菜地受到的人為活動(dòng)較為頻繁，如作物種植時(shí)的翻耕，干旱時(shí)灌溉補(bǔ)給，和冬、春季節(jié)的塑料大棚保溫等，從而改變了土壤的入滲量、保水能力，致使菜地與降水的相關(guān)關(guān)系變得復(fù)雜，其在垂向剖面上以及季節(jié)上的變化規(guī)律遠(yuǎn)不及林地顯著。

3 結(jié)論

（1）降水是土壤水分含量的一個(gè)重要影響因素，但影響程度因季節(jié)、土壤深度、土地利用方式的不同而存在差異。

（2）不同的季節(jié)和土壤深度降水對(duì)土壤水分的影響不同，對(duì)林地而言，可歸納為夏、球季最大（7～8 d），冬季最?。?～4d），此外林地除冬季外深度對(duì)相關(guān)關(guān)系的影響較小。菜地秋季除表層外土壤含水量與降水無(wú)統(tǒng)計(jì)意義上的相關(guān)性，在夏季與冬春季節(jié)隨土層深度的增加，土壤含水量與降水的相關(guān)時(shí)長(zhǎng)呈截然相反的變化趨勢(shì)，同時(shí)夏季的最大相關(guān)時(shí)間早于冬、春季節(jié)。

（3）土地利用方式是影響降雨和土壤水分之間關(guān)系的一個(gè)重要因素，總體而言，林地降水對(duì)土壤含水量的影響要大于菜地，且由于人為活動(dòng)影響程度不同以及植被類型的差異，林地土壤含水量與降水間相關(guān)關(guān)系變化要優(yōu)于菜地。

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