不同土地利用類型下土壤水分變化研究

尹斌　嚴(yán)凱瑩

摘要：為了研究不同土地利用類型下土壤水分的變化情況，以渭南市臨渭區(qū)2010-2014年的年降水量作為研究數(shù)據(jù)，根據(jù)陜西省渭南市臨渭區(qū)的玉米地、蘋(píng)果園、麥地、草地、蔬菜地、林地6種土地類型的土壤樣品，總體上運(yùn)用了對(duì)比分析法和Bonsal邊緣分布函數(shù)法。結(jié)果表明：在臨渭區(qū)的小范圍內(nèi)，蔬菜地的土壤水分含量在6種土地利用類型中是最高的，蘋(píng)果園的土壤水含量是最小的；降水的季節(jié)變化與耕作層土壤水分含量的變化是成正相關(guān)的；降水級(jí)別的懸殊對(duì)土壤濕度的作用是正向的，而且不同的降水等級(jí)之間，土壤濕度的差異是非常明顯的；在臨渭區(qū)0～100cm各層土壤中，0～30cm的土壤濕度與降水量的關(guān)系最好。

關(guān)鍵詞：土地利用類型；土壤水分；水分變化；降水變化

土壤作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要基礎(chǔ)，反映著農(nóng)作物以及土地利用類型的適耕性。而土壤的水分要素作為土壤條件狀況的一個(gè)重要因素，對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)及生存起著強(qiáng)大有力的保障作用。土壤水分動(dòng)態(tài)變化受到許多環(huán)境因子影響，呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化。不同植被類型的保水能力及抗寒性都存在差異，使其生長(zhǎng)的土壤水分含量也有所不。所以研究分析降水量等級(jí)的各種狀況對(duì)于土壤含水量的變化的影響是非常有必要的。

自19世紀(jì)50年代開(kāi)始，國(guó)外對(duì)于土壤水分的研究逐漸地增加。原蘇聯(lián)科學(xué)家A·A·羅戴于1952年出版的《土壤水》和1965年出版的《土壤水理論基礎(chǔ)》是關(guān)于土壤水形態(tài)學(xué)研究比較系統(tǒng)全面的著述。1907年Buckingham首次將毛管勢(shì)觀念應(yīng)用于土壤水，開(kāi)拓了使用能量觀點(diǎn)進(jìn)行土壤水研究的新途徑。20世紀(jì)80年代，數(shù)值模擬模型在國(guó)際上被普遍應(yīng)用于土壤水分的研究中。我國(guó)的土壤水分研究起步較晚，但是獲得的成績(jī)卻是顯而易見(jiàn)的。20世紀(jì)50年代中期至60年代中期，以前蘇聯(lián)A·A·羅戴為主要代表人物的形態(tài)學(xué)觀點(diǎn)傳人到我國(guó)。1977年土壤水分的能量觀念初次被介紹到國(guó)內(nèi)，我國(guó)的土壤水分研究步人了一個(gè)全新的階段。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了國(guó)內(nèi)土壤水分的研究工作。在臨渭區(qū)的土壤水分方面，科學(xué)工作者也相繼進(jìn)行了研究。張淑玲、呂俊杰等在研究中指出由于近10a來(lái)該區(qū)的降水時(shí)空分布比較不均，土壤蓄水能力差，缺水對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生障礙，造成干旱天氣，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)欠收。胡明在研究中進(jìn)行了渭河灘的荒地與耕地的土壤水分對(duì)照，指出不同的土地利用形式的土壤含水量從上層到深層體現(xiàn)為先增長(zhǎng)后減少再增長(zhǎng)的趨向。

該研究旨在通過(guò)對(duì)臨渭區(qū)的6種土地利用類型的土壤樣品進(jìn)行處理分析，結(jié)合該地區(qū)近幾年來(lái)的降水狀況，分析出不同土地利用類型的土壤特性以及降水狀況對(duì)土壤水分的作用，對(duì)于土壤以及農(nóng)作物的管理進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)，做到合理利用各方面的資源，因地制宜，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的大發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)的快速進(jìn)步。

1.研究區(qū)域概況

研究區(qū)域陜西省渭南市臨渭區(qū)處在關(guān)中平原的東部，位于34°13′-35°52′N和108°50′-110°38′E。境內(nèi)地勢(shì)呈南高北低，海拔為330m至2449m。境內(nèi)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候，冬季冷而干燥，夏季炎熱多降雨，四季分明，光照充足，降雨量適宜，全年平均氣溫在11.3-13.6℃，無(wú)霜期為199-255d，年降水量529-638mm。

2.樣品采集與處理

首先，使用土鉆法對(duì)取樣地區(qū)實(shí)行定位監(jiān)測(cè)，定位監(jiān)測(cè)分別在這6種土地利用類型上在2010-2014年的每年的10月進(jìn)行取土，取樣深度為1m，事先對(duì)空鋁盒進(jìn)行稱重，取到的土樣放置到對(duì)應(yīng)的鋁盒中。然后，將鋁盒帶回到實(shí)驗(yàn)室，對(duì)裝入新鮮土樣鋁盒的稱重，再使用烘干法對(duì)土樣進(jìn)行烘干，將土樣放置在105-108℃的烘箱中烘干6-8h，接著再將土樣放置在干燥器中進(jìn)行干燥，降到室溫后再進(jìn)行稱重，最后根據(jù)公式計(jì)算得出土壤的含水量，用重量百分比表示，使用公式如下：

土壤含水量用公式W（%））=（W1-W2）/W2×100（1）

其中：W為所測(cè)土樣的含水量（%），W1為新鮮土樣的重量（g），W2為烘干之后的土樣重量（g）。

3.數(shù)據(jù)分析

用一個(gè)表格來(lái)列出土壤水分稱重?cái)?shù)據(jù)，如表1所示：根據(jù)上面測(cè)量得出的數(shù)據(jù)和土壤水分含量的公式進(jìn)行計(jì)算，得出6種土地利用類型從2010年到2014年每年的土壤水分含量（百分比），取小數(shù)點(diǎn)后2位數(shù)字作為最終的計(jì)算結(jié)果，用一個(gè)柱狀圖來(lái)表示，如圖1。

4.降水量各因素分析

4.1降水量強(qiáng)度等級(jí)對(duì)土壤濕度的影響分析 土壤濕度作為水分的載體，其變化可以直接決定土壤環(huán)境的干旱與否，也可以直接影響到農(nóng)作物的生長(zhǎng)以及生存狀況。降水強(qiáng)度會(huì)隨著氣候狀況的變化而發(fā)生著不同的變化，雖然降水量相同，但土壤中的含水量也會(huì)存在很大的差別，也就是說(shuō)降水量與土壤中的含水量變化并不是呈正比規(guī)律而變化的?；谝陨系姆治?，研究不同強(qiáng)度等級(jí)的降水量與土壤水分含量的變化的關(guān)系與規(guī)律，研究土壤含水量的變化對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)以及生存的影響是十分必要的。

降水量強(qiáng)度等級(jí)的確定方式：采用Bonsai邊沿分布函數(shù)法來(lái)計(jì)算不同降水量值的閾值。Bonsai認(rèn)為，假若某個(gè)氣象要素有n個(gè)值，可以將這n個(gè)值按升序布列為：x1，x2，x3，…，xm，…，xn，那么，某個(gè)值小于或者等于xm的概率P使用下面的公式計(jì)算便可以得到：

P=m-0.31/n+0.38（2）

其中，式子中的m為xm的序號(hào)，如果有30個(gè)值，那么第95個(gè)百分位上的值為排序后的x29（P=94.4%）和x30（P=97.7%）的線性插值。使用這個(gè)方法，可以將降水量序列的每20個(gè)百分位劃分為一個(gè)等級(jí)，即就是將降水量分為強(qiáng)、較強(qiáng)、中等、較弱和弱5個(gè)降水量強(qiáng)度等級(jí)[7]（降雨量數(shù)據(jù)來(lái)源于臨渭區(qū)氣象網(wǎng)）。

以臨渭區(qū)2013年的0-100cm土壤濕度為例來(lái)分析，將其自上而下每隔10cm分為一層，計(jì)算出各層土壤濕度與降水量的相關(guān)系數(shù)（表2）。從表2中可以看出來(lái)，各月30cm以上的土壤濕度與降水量的相關(guān)系數(shù)較高，表明土壤濕度以及土壤的吸收狀況普遍較好，再往下的深度的土壤濕度與降水量的關(guān)系較差，較高的相關(guān)系數(shù)只是出現(xiàn)在8月中旬至9月中旬和下旬的各層中。

對(duì)表2中臨渭區(qū)旬土壤濕度與降水量的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析能夠得出如下規(guī)律。從時(shí)間跨度上來(lái)看，臨渭區(qū)從4月上旬開(kāi)始到9月下旬，土壤濕度與降水量的相關(guān)系數(shù)總體上是呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)的，即就是說(shuō)從4月到9月臨渭區(qū)的降水量從大趨勢(shì)上來(lái)看是增加的，土壤對(duì)于降水的吸收也是逐步增加的；在土壤深度跨度上來(lái)看，從10-100cm的土壤濕度與降水量的相關(guān)系數(shù)逐漸變小，有的較深的土壤層甚至表現(xiàn)為負(fù)數(shù)，表明土壤深度與降水程度關(guān)系較差，呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系；每年的8、9月份是臨渭區(qū)的雨季，降水強(qiáng)度等級(jí)是比較高的，從總體來(lái)看渭南臨渭區(qū)在8月中旬和9月中下旬的季節(jié)里土壤中的含水量與該季節(jié)里的降水量關(guān)系呈現(xiàn)良好的狀態(tài)，其他月份里土壤含水量程度與降水量關(guān)系則表現(xiàn)不明顯。

在一般意義上認(rèn)為，土壤的水分含量占田間持水量的40%、60%和90%，就可以確定為嚴(yán)重干旱、輕度干旱和過(guò)濕的臨界線，則根據(jù)臨渭區(qū)這6種土地利用類型的土壤水含量可大致將其確定為：弱降水時(shí)（≤2.8mm）時(shí)耕作層的土壤含水量為輕旱，較弱降水（2.9-8.9mm）的時(shí)候表層10cm的土壤含水量為輕旱，中等以上的降水（≥9.0mm）時(shí)的土壤含水量為適宜，強(qiáng)降水（≥38.5mm）時(shí)的土壤含水量為過(guò)濕。

4.2降水量對(duì)土壤水分的影響分析 在不同的時(shí)期，土壤中各要素之間的平衡關(guān)系在不同的程度上影響著土壤含水量的變化。當(dāng)土壤水分的吸收不能滿足土壤的支出時(shí)，就會(huì)減少土壤內(nèi)部的含水量，反之，則增加土壤含水量。在我國(guó)北方地區(qū)，降水狀況受到時(shí)節(jié)交替變化的影響較大，冬季和春季降水比較少，夏季和秋季降水多，且每年降水總量相對(duì)來(lái)說(shuō)也是存在差別的，于是，土壤的含水量也受降水量的影響，存在著年際性變化和季節(jié)性變化。

本文的研究數(shù)據(jù)使用的是在臨渭區(qū)氣象局的網(wǎng)站上獲取的渭南市臨渭區(qū)近5年的降水量，即就是把從2010年到2014年每年的降水量數(shù)據(jù)作為研究資料，每一年的土壤水分含量對(duì)應(yīng)到當(dāng)年的年降水量，以此來(lái)進(jìn)行分析，可以得出降水對(duì)于土壤水分含量的影響以及這6種土地利用類型之間的對(duì)比，計(jì)算分析的結(jié)果用一個(gè)表格來(lái)表示，如表3所示：

由上圖可以得出以下結(jié)論：降水的季節(jié)變化對(duì)于耕作層土壤水分含量的變化的影響是呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系的。豐富的降水對(duì)耕作層的土壤水分含量起到增加作用，匱乏的降水對(duì)耕作層的土壤水分含量是起到減少作用的。隨著天氣的氣候狀況的不同，降水量也會(huì)發(fā)生改變，對(duì)于研究區(qū)內(nèi)土壤中的含水量的變化也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

5.結(jié)論

由以上的圖表以及分析可以得出以下結(jié)論：在研究區(qū)內(nèi)，不同的耕地土壤水分含量不同，其中蔬菜地土壤含水量最高，蘋(píng)果地土壤含水量最小，降水量對(duì)不同耕地類型的影響也是同向的；降水量的季節(jié)變化與耕作層土壤水分含量的變化是呈正相關(guān)關(guān)系的。降水量的多少會(huì)影響土壤水分的變化，降水量增加，則會(huì)增加土壤水分含量，反之，則亦然；降水強(qiáng)度等級(jí)的差別對(duì)于土壤含水量的影響是正向的，并且不同的降水級(jí)別之間，土壤濕度的差異是極為明顯的；土壤水分的收支狀況會(huì)對(duì)土壤中水分的多少產(chǎn)生影響，土壤水分的消耗大于土壤水分的吸收，則會(huì)減少土壤中的含水量。

在研究區(qū)0-100cm各層的土壤的水分和相關(guān)關(guān)系里，其中0-30cm的土壤濕度與降水量之間的關(guān)系最好，即便是耕作層的土壤濕度與降水量之間的關(guān)系最好。而且在一年當(dāng)中，8月中旬以及9月份中下旬的時(shí)間也就是在夏季，降水量對(duì)于土壤濕度的增加幅度是最大的。