降雨對土壤濕度的影響規(guī)律研究

陳鳳琴，耿靈生，趙　瑩（山東省水利科學(xué)研究院、山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014）

降雨對土壤濕度的影響規(guī)律研究

陳鳳琴，耿靈生，趙瑩
（山東省水利科學(xué)研究院、山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014）

【摘要】該研究利用氣象站測量土壤濕度的探頭，在野外對降雨量對土壤濕度的影響進(jìn)行連續(xù)記錄；同時(shí)在模擬降雨試驗(yàn)時(shí)，把氣象站上測土壤濕度探頭分別放在土壤5cm、10cm、15cm處，以測定土壤濕度隨降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)的變化，以及土壤濕度對土壤流失的影響。

【關(guān)鍵詞】土壤濕度；降雨量；降雨強(qiáng)度；降雨歷時(shí)

土壤濕度是指土壤的干濕程度，即土壤的實(shí)際含水量，可用土壤含水量占烘干土重的百分?jǐn)?shù)表示。土壤濕度大小影響田間氣候，土壤通氣性和養(yǎng)分分解，是土壤微生物活動和農(nóng)作物生長發(fā)育的重要條件之一。土壤濕度決定農(nóng)作物的水分供應(yīng)狀況，土壤濕度過低，造成土壤干旱，光合作用不能正常進(jìn)行，降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì)；嚴(yán)重缺水導(dǎo)致作物凋萎和死亡。土壤濕度過高，惡化土壤通氣性，影響土壤微生物的活動，使作物根系的呼吸、生長等生命活動受到阻礙，從而影響作物地上部分的正常生長，造成徒長、倒伏、病害滋生等。土壤濕度的影響因素主要有大氣、土質(zhì)、植被等。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為模擬降雨與自然條件2個部分，其中降雨模擬部分選在棲龍灣水土保持科技示范園內(nèi)，野外試驗(yàn)位于位山灌區(qū)沉沙池清淤高地。

1）模擬降雨試驗(yàn)在萊蕪棲龍灣水土保持科技示范園內(nèi)進(jìn)行，采用美國產(chǎn)下噴式自動模擬降雨系統(tǒng)。降雨高度2.5m，滿足降雨雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度。降雨強(qiáng)度變化范圍為10～100mm/h。土槽為移動式變坡度鋼槽，規(guī)格為2.0m×1.0m×0.2m（長×寬×深）。本試驗(yàn)采用模擬降雨系統(tǒng)，利用移動式變坡度鋼槽對同一土壤（壤土）下3種坡度（10°、20°、30°）進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)。同時(shí)把測土壤濕度的探頭分別放在距離表層土壤5cm、10cm、 15cm處，以測定土壤濕度隨降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)的變化，以及土壤濕度對土壤流失的影響。

2）在風(fēng)蝕區(qū)，研究自然降雨條件下，降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)對深層土壤含水量的影響，測試土壤濕度的探頭分別埋于30cm、60cm與90cm處，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2012-03至2014-12。

2　土壤濕度與降雨的關(guān)系

2.1模擬降雨條件下土壤濕度與降雨的關(guān)系

通過對3種坡度、3種雨強(qiáng)下土壤濕度的變化研究，發(fā)現(xiàn)降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度對土壤濕度的變化都有顯著影響，而累計(jì)降雨量與降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度都有直接關(guān)系，所以進(jìn)一步分析累計(jì)降雨量對土壤濕度的影響。

采用多項(xiàng)式回歸分析，其表達(dá)式為：y=ax2+ bx+c，其中：x為累計(jì)降雨量，mm；y為不同土層土壤濕度；a、b、c為統(tǒng)計(jì)參數(shù)。得出土壤濕度與降雨量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，如表1~3所示，和不同深度土壤濕度隨降雨量的變化趨勢圖，如圖1所示。

由表1～3和圖1可以看出：

1）在同一坡度下，開始時(shí)土壤濕度差別不大的情況下，隨著雨強(qiáng)的增加，土壤濕度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)間縮短，如坡度為10°時(shí)，雨強(qiáng)為29.54mm/h與雨強(qiáng)為45.57mm/h降雨比較，埋深5cm處土壤濕度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)間分別是12min、10min；坡度為10°時(shí)，雨強(qiáng)為29.54mm/h與雨強(qiáng)為40.6mm/h降雨比較，埋深15cm處土壤濕度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)間分別是37min、35min。坡度為20°時(shí)，差別更加明顯，如雨強(qiáng)為29.54mm/h與雨強(qiáng)為40.6mm/h降雨比較，埋深5cm處土壤濕度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)間分別是49min、13min。坡度為30°時(shí)，雨強(qiáng)為45.57mm/h與雨強(qiáng)為40.6mm/h降雨比較，埋深5cm處土壤濕度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)間分別是6min、17min。說明同一坡度下，雨強(qiáng)越大，越容易在較短時(shí)間內(nèi)使土壤濕度出現(xiàn)變化。

表1不同降雨強(qiáng)度下土壤濕度與降雨量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（坡度為10°）

表2不同降雨強(qiáng)度下土壤濕度與降雨量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（坡度為20°）

表3不同降雨強(qiáng)度下土壤濕度與降雨量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（坡度為30°）

圖1不同深度土壤濕度隨降雨量的變化趨勢

2）10cm與15cm處深層土壤濕度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)間滯后于5cm處淺層土壤，5cm處土壤濕度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)間平均為12min，10cm處為15min，15cm處為14min，說明降雨首先對5cm處土壤產(chǎn)生影響。

3）同一雨強(qiáng)、不同坡度下對土壤濕度變化的影響，坡度越大，土壤濕度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)間越滯后，說明坡度越大，越容易在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生地表徑流，入滲量相對減少，深層土壤濕度變化就較慢。如雨強(qiáng)為29.54mm/h條件下，坡度為10°與坡度為20°、30°比較，埋深5cm處土壤濕度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)間分別是12min、49min、48min。

4）同一雨強(qiáng)、同一坡度下，降雨量相同的情況下，在降雨結(jié)束時(shí)，不同層土壤濕度均呈現(xiàn)增加趨勢，且隨著土壤深度的增加，深層土壤濕度增加量小于淺層土壤濕度增加量。對9次模擬降雨分析，埋深5cm處土壤濕度比埋深10cm處土壤濕度平均增加了6.56%；埋深10cm處土壤濕度比埋深15cm處土壤濕度平均增加了3.64%。

5）整體看，對9種條件27種情況分析不同土層土壤濕度與降雨量之間關(guān)系，不同土層土壤濕度與降雨量之間關(guān)系緊密，符合多項(xiàng)式關(guān)系，相關(guān)系數(shù)基本上都接近0.9。

2.2自然降雨條件下土壤濕度與降雨的關(guān)系

在風(fēng)蝕區(qū)，研究自然降雨條件下，降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)對深層土壤含水量的影響，測試土壤濕度的探頭分別埋于30cm、60cm與90cm處。每5min記錄一次數(shù)據(jù)，主要對2013-07的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1）2013-07不同深度土壤濕度隨降雨的變化趨勢見圖2。由圖2可以看出，在多次自然降雨條件下，30cm處土壤濕度與60cm處土壤濕度變化趨勢基本一致，受降雨量影響明顯，變化波動較大；而90cm處土壤濕度雖然也受降雨量影響，但不是很明顯，變化波動不大。長序列看，30cm處土壤濕度明顯高于60cm處土壤濕度，而90cm處土壤濕度變化波動最小，仍高于60cm處土壤濕度，說明90cm處土壤受降雨影響較小，受上層土壤濕度和深層地下水影響較大。

2）對2013-07-04一次降雨進(jìn)行分析，不同深度土壤濕度隨時(shí)間的變化趨勢圖見圖3。由圖3可以看出，一次強(qiáng)降雨后，30cm處土壤濕度達(dá)到最大值，隨后隨著連續(xù)長時(shí)間不降雨，30cm處土壤濕度逐漸降低；60cm處土壤濕度與30cm處土壤濕度變化趨勢一致，但是達(dá)到土壤濕度最大值時(shí)間滯后；90cm處土壤濕度在降雨結(jié)束約67h后，逐漸開始增加，到113h后，土壤濕度達(dá)到最大值，以后即使長時(shí)間不降雨，土壤濕度變化也不大。

圖22013-07不同深度土壤濕度隨降雨的變化趨勢

圖32013-07-04不同深度土壤濕度隨時(shí)間的變化趨勢

3）對2013-07的5次降雨進(jìn)行分析，不同深度土壤濕度變化見表4。由表4可以看出，5次降雨后，30cm處土壤濕度最先達(dá)到最大值，平均用時(shí)7.9h（自降雨開始時(shí)算起，下同），隨后隨著連續(xù)長時(shí)間不降雨，30cm處土壤濕度逐漸降低；60cm處土壤濕度在降雨結(jié)束時(shí)，土壤濕度變化不是很明顯，等到平均用時(shí)17.05h時(shí)土壤濕度達(dá)到最大；90cm處土壤濕度在降雨結(jié)束時(shí)，土壤濕度幾乎無變化，等到平均用時(shí)40.75h時(shí)土壤濕度達(dá)到最大。降雨量越大，土壤濕度增加越大，90cm處土壤濕度達(dá)到最大經(jīng)歷時(shí)間越長，說明土壤壤中流補(bǔ)給深層土壤水分能力較強(qiáng)。但是降雨量即使增加明顯的情況下，土壤60cm處與90cm處土壤濕度增加也不是很大，說明該區(qū)深層土壤滲透性能相對較差，進(jìn)一步說明深層土壤水分貯存能力差，在一定程度上表示該區(qū)深層土壤調(diào)節(jié)洪峰水量的能力較弱。

表42013-07的5次降雨情況下土壤濕度變化

3　結(jié)語

本研究利用氣象站測量土壤濕度的探頭,在模擬降雨試驗(yàn)時(shí)，把土壤濕度探頭分別放在距離表層土壤5cm、10cm、15cm處；另外在野外對降雨量對土壤濕度的影響進(jìn)行連續(xù)記錄，以測定土壤濕度隨降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)的變化，以及土壤濕度對土壤流失的影響。得出以下結(jié)論：1）通過模擬試驗(yàn)與自然條件下降雨連續(xù)記錄，得出同一結(jié)論，隨著降雨量的增加，土壤濕度出現(xiàn)變化時(shí)間迅速，而且深層土壤濕度變化滯后于淺層土壤。2）通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)累計(jì)降雨量對土壤濕度的影響關(guān)系密切，具有很好的二次方程函數(shù)關(guān)系。

研究課題名稱：“山東省水利綜合試驗(yàn)基地降雨-徑流關(guān)系及雨洪資源綜合利用技術(shù)研究”，為2012年山東省水利科研與技術(shù)推廣課題項(xiàng)目，編號SDSLKY201201?！叭斯そ涤陾l件下不同下墊面類型水土流失特征影響因素研究”山東省水利科學(xué)研究院自選課題。

（責(zé)任編輯崔春梅）

【中圖分類號】TV213.4

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【文章編號】1009-6159（2015）-05-0014-04

作者簡介：陳鳳琴（1979—），女，工程師