洪澤湖濕地楊樹林土壤水分變化及其與氣象因子的關(guān)系

徐勇峰， 郭儼輝， 季 淮， 吳 翼， 韓建剛,， 李萍萍

（1.南京林業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210037；2.南京林業(yè)大學(xué) 江蘇洪澤湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，江蘇 南京 210037；3.南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210037）

土壤水是地表水資源的重要形式之一，能夠保障陸地植物的生存，同時(shí)也是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動(dòng)的載體，不但直接影響土壤性質(zhì)和植物生長(zhǎng)，而且間接影響植物分布和小氣候的變化［1］。土壤水分的變化對(duì)于許多科學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)如地下水補(bǔ)充、氣候研究和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等以及在特定區(qū)域內(nèi)量化水文、生態(tài)和地貌之間的關(guān)系中至關(guān)重要［2－3］。洪澤湖濕地是唯一分布于北亞熱帶與暖溫帶氣候過渡帶上的大型淺水淡水湖泊濕地，孕育著十分獨(dú)特的內(nèi)陸淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)。楊樹Populus spp.是洪澤湖濕地目前最主要的樹種，其生長(zhǎng)快，適應(yīng)性強(qiáng)，木材產(chǎn)量高，在濕地的分布面積最大，對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生強(qiáng)烈影響［4－5］。以往圍繞干旱或半干旱地區(qū)不同植物土壤水分變化的研究較多［1,6－7］，而關(guān)于濕地土壤水分的相關(guān)研究還不是很充分，特別是洪澤湖濕地在調(diào)蓄灌溉與南水北調(diào)常態(tài)化調(diào)水影響下，湖區(qū)水位顯著波動(dòng)對(duì)土壤水分變化影響的研究還未見報(bào)道。土壤水分的空間格局和時(shí)間變異受環(huán)境因素的強(qiáng)烈影響，在時(shí)間尺度上，土壤水分的變化主要受氣象因子的調(diào)控［8－9］。CHO等［10］研究認(rèn)為，土壤水分與日平均降水量呈正相關(guān)，而與日照、氣溫和地面溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；CHEN等［11］研究表明，黃土高原地區(qū)土壤水分及其空間、季節(jié)和年際變化與降水特征密切相關(guān)，而黃志剛等［12］研究南方紅壤丘陵區(qū)油桐Vernicia fordii人工林土壤水分動(dòng)態(tài)，認(rèn)為大氣相對(duì)濕度對(duì)土壤蓄水量的貢獻(xiàn)最大。從氣象環(huán)境因子看來，CUI等［13］研究表明，湖泊水位與降水量呈正相關(guān)，與逆蒸發(fā)和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在洪澤湖氣溫和濕度等氣象因子對(duì)該湖區(qū)水位影響較大［14］。許秀麗等［15］研究表明，濕地土壤水分受地下水位和湖泊水位的影響。顯然，不同區(qū)域、不同林分的土壤水分變化及其對(duì)氣象因子的響應(yīng)規(guī)律并不完全相同。本研究以江蘇洪澤湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站典型楊樹林為對(duì)象，借助渦度相關(guān)及土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究濕地土壤-楊樹系統(tǒng)水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，解析氣象因子的影響，為洪澤湖濕地楊樹林水分管理和科學(xué)經(jīng)營(yíng)與保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于洪澤湖西南部淮河入湖口形成的河湖交匯區(qū)。該地區(qū)是以老子山鎮(zhèn)為中心，由水面及灘涂濕地組成的約為 1.47 萬 hm2的區(qū)域（33.166°～33.188°N， 118.454°～118.692°E）（圖 1）， 受到洪澤湖水體調(diào)節(jié)，該地區(qū)四季分明，年平均氣溫為14.8℃，無霜期為240 d，年平均風(fēng)速為3.7 m·s－1，有明顯的湖陸風(fēng)，多為偏東風(fēng)，多年年平均降水量為925.5 mm，雨季多集中在6－9月，降水量占全年65.5%，年蒸發(fā)量為1 592.2 mm。試驗(yàn)楊樹林位于六道溝地區(qū)（圖1虛線圈），為4年生南林95楊無性系Populus×euramericana ‘95’，造林密度為3 m×4 m，平均樹高為8.7 m，平均胸徑為7.2 cm。研究區(qū)土壤質(zhì)地為黏壤土。

1.2 研究方法

本研究利用英國(guó)Delta-t公司生產(chǎn)的PR2/4土壤水分剖面測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)土壤含水量數(shù)據(jù)，其傳感器設(shè)置的深度分別為10，20，30和40 cm，間隔2 m設(shè)置1根探桿，共計(jì)10根。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)間隔30 min自動(dòng)記錄1次。本次研究收集資料的時(shí)間為2015年10月到2016年9月。通過洪澤湖濕地楊樹林通量觀測(cè)塔配備的觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)氣象因子，其中美國(guó)Campbell公司生產(chǎn)的IRGASON和NR01儀器分別測(cè)定風(fēng)速、水汽壓虧缺和凈輻射，芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的HMP155A儀器測(cè)定氣溫和相對(duì)濕度，采用HFP01和CS655儀器分別觀測(cè)土壤深度為8 cm的土壤熱通量、潛熱通量、感熱通量和5 cm處的土壤溫度，采用美國(guó)HOBO Onset公司生產(chǎn)的RG3-M雨量計(jì)觀測(cè)降水量，其氣象因子的觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間均為30 min 1次。以2016年3-6月的氣象數(shù)據(jù)，探索各氣象因子對(duì)土壤水分的影響。

圖1 研究區(qū)示意圖Figure 1 Sketch map of study area

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

對(duì)土壤含水量以及經(jīng)過質(zhì)量控制和插補(bǔ)處理后的30 min有效氣象因子的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行日均值和月均值統(tǒng)計(jì)。利用Excel 2010和Origin 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖。采用相關(guān)分析方法，利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行不同氣象因子［日降水量（x1），日平均潛熱通量（x2）， 日平均感熱通量（x3）， 日平均凈輻射（x4）， 平均風(fēng)速（x5），平均水汽壓虧缺（x6），日平均空氣溫度（x7），日平均相對(duì)濕度（x8），日平均土壤熱通量（x9）和日平均土壤溫度（x10）］與土壤水分的相關(guān)分析。為了進(jìn)一步量化土壤水分與各氣象因子之間的關(guān)系，利用SPSS 19.0軟件將洪澤湖濕地楊樹林不同層次土壤水分（y）作為因變量，10個(gè)氣象因子（x1～x10）作為自變量，做多元逐步回歸分析，篩選出有顯著影響的氣象因子，以此來建立最優(yōu)回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的動(dòng)態(tài)變化特征

2.1.1 月動(dòng)態(tài)變化特征 圖2可見：在觀測(cè)深度范圍內(nèi)，年均含水量最小值出現(xiàn)在地下10 cm處，其均值為31.32%±3.48%；最大值出現(xiàn)在地下40 cm處，其均值為47.62%±6.34%。在不同月份中，10 cm和20 cm土壤含水量呈現(xiàn)出“M”型變化，其含水量的第1高峰值分別出現(xiàn)在11月和3月，其值分別為29.69%和33.10%，第2高峰值均出現(xiàn)在7月，其值分別為35.87%和37.59%。相比較而言，30 cm和40 cm土壤含水量呈現(xiàn)出單峰變化，其土壤含水量的峰值均出現(xiàn)在7月，其值分別為47.00%和59.34%。

圖2 土壤含水量的年變化Figure 2 Annual variation of soil moisture content

2.1.2 日動(dòng)態(tài)變化特征 對(duì)3月（春）、6月（夏）、9月（秋）和12月（冬）每天各時(shí)間點(diǎn)土壤含水量平均值的變化分析可見（圖3）：春、夏和冬3季的土壤含水量在0：00－4：30逐漸下降，其最小值均出現(xiàn)在4：30－5：30時(shí)左右，其值依次為36.81%±0.61%，43.57%±0.68%和36.43%±0.41%，此后，土壤含水量不斷增加，分別于12：30－14：30，18：30和14：00達(dá)到峰值，其峰值依次為37.14%±0.80%，44.26%±0.91%和36.64%±0.39%，隨后又呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。秋季土壤含水量的日變化明顯不同于春、夏和冬3季。土壤含水量在0：00－4：00逐漸上升，在4：00－5：00出現(xiàn)第1峰值，隨后下降至8：00達(dá)到最小值，第2峰值出現(xiàn)的時(shí)間為15：30，其峰值分別為33.09%±1.32%和33.16%±1.46%，隨后逐漸下降。

2.1.3 垂直動(dòng)態(tài)變化特征 5月、8月和9月的土壤含水量在0～20 cm范圍內(nèi)減小，在20～40 cm范圍內(nèi)逐漸增加；而其他月份的土壤含水量在0～40 cm范圍內(nèi)逐漸增加。在0～20 cm深度范圍，土壤垂向水分梯度較小，但月份間的差異較為明顯；在20～40 cm深度范圍，土壤垂向水分梯度較大，且月份間的差異也較為明顯，其中冬季垂向水分梯度（28.43%～46.21%）大于夏季（35.81%～56.20%）（圖4）。不同季節(jié)垂直剖面土壤含水量大小均為夏季（6－8 月）＞春季（3－5 月）＞冬季（12－2 月）＞秋季（9－11 月）。

圖3 典型月份土壤含水量的日變化Figure 3 Diurnal variation of soil moisture content in typical month

圖4 土壤含水量的垂直變化Figure 4 Vertical variation of soil moisture content

2.2 氣象因子對(duì)土壤水分變化的影響

對(duì)洪澤湖濕地楊樹林土壤水分與各氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析表明：在10 cm土壤層次，日降水量、日平均土壤溫度、日平均相對(duì)濕度和日平均氣溫與土壤水分達(dá)極顯著水平， 其相關(guān)系數(shù)分別為0.378， 0.549， 0.510， 0.462（n＝116，P＜0.01）；日平均感熱通量、平均風(fēng)速和日平均土壤熱通量與土壤水分達(dá)極顯著水平，其相關(guān)系數(shù)分別為－0.482，－0.293 和－0.223（n＝116， P＜0.01）， 而 20， 30 和 40 cm 土壤水分均與日降水量、日平均空氣溫度、日平均相對(duì)濕度和日平均土壤溫度呈極顯著正相關(guān)（n＝116，P＜0.01），與日平均感熱通量和平均風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān)（n＝116，P＜0.01），而與日平均潛熱通量、日平均凈輻射強(qiáng)度和日平均土壤熱通量不相關(guān)（表1）。

根據(jù)不同層次土壤含水量和各氣象因子的測(cè)定數(shù)據(jù)，利用多元逐步回歸進(jìn)一步量化分析，建立相應(yīng)土壤層次中含水量的最優(yōu)多元回歸方程。經(jīng)檢驗(yàn)，不同層次土壤中的方程均達(dá)到了極顯著水平（n＝116，P＜0.01；表2）。在不同層次土壤中，不同的氣象因子被引入逐步回歸模型，所引入的氣象因子均可在線性模型中解釋55.00%以上的土壤水分的總變異。其中，日平均土壤溫度對(duì)不同層次土壤水分的貢獻(xiàn)率分別為20.38%（10 cm），57.97%（20 cm），10.73%（30 cm）和44.31%（40 cm），日平均相對(duì)濕度對(duì)不同層次土壤水分的貢獻(xiàn)率分別為25.12%（10 cm），18.62%（20 cm）和20.88%（30 cm）?？偟膩砜?，在所引入的氣象因子中，日平均土壤溫度和日平均相對(duì)濕度對(duì)土壤水分的影響更為明顯。

3 討論

土壤水分受多重尺度上的土地利用（植被）、氣象、地形、土壤、人為活動(dòng)等眾多因子的影響，具有明顯的時(shí)空尺度特征［2－3,8,10,16］。研究發(fā)現(xiàn)，洪澤湖濕地楊樹林0～20 cm土壤水分的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)出“M”型變化，變化相對(duì)明顯。這與一些學(xué)者的研究結(jié)果存在差異，究其原因，可能是因?yàn)楸韺油寥朗紫冉邮沾┩赣旰偷蚵湮锝亓艉蟮臐B水，同時(shí)又受到降水和太陽輻射等外界氣象因子的影響較大，所以更容易受地表蒸發(fā)和植物根系耗水的影響［17－18］，如土壤水分峰值出現(xiàn)在降水量較大的月份（6月、7月和11月）（圖2），也有可能是因?yàn)椴煌N類的植物、氣候條件和土壤質(zhì)地對(duì)土壤水分的影響不同［3,19］；而20～40 cm土壤水分的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)出單峰變化，可能是因?yàn)闅庀笠蜃訉?duì)深層土壤水分的影響相對(duì)較小所致［17－18］，這與許秀麗等［15］研究結(jié)果一致。王賀年等［20］將北京山區(qū)林地土壤水分動(dòng)態(tài)分為穩(wěn)定期、消耗期、積累期和消退期等4個(gè)階段，本研究中穩(wěn)定期在10－2月，土壤含水量為31.36%～36.07%（均值34.44%），其原因可能在于10月以后，區(qū)域氣溫較低，楊樹生長(zhǎng)緩慢，其蒸騰和土壤蒸發(fā)減少，并且湖區(qū)水位穩(wěn)定，該時(shí)間段內(nèi)土壤水分處于穩(wěn)定狀態(tài)；消耗期在3－4月，土壤含水量為36.64%～37.46%（均值37.05%），進(jìn)入3月以后，氣溫開始逐漸升高，楊樹蒸騰和土壤蒸發(fā)增加。楊樹葉芽開始萌動(dòng)，芽苞逐漸增大伸長(zhǎng)，使得土壤水分消耗較大，盡管該時(shí)間內(nèi)降水也相對(duì)較大（占總降水量的8.22%），土壤水分有所補(bǔ)充，但總體看來，土壤含水量在20 cm土壤深度表現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明有所消耗，但消耗期表現(xiàn)不明顯；積累期在5－7月，土壤含水量為39.22%～53.92%（均值42.55%），氣溫開始大幅度升高，楊樹蒸騰和土壤蒸發(fā)也增強(qiáng)，但降水量也主要集中在該段時(shí)間內(nèi)（占總降水量的64.84%），對(duì)土壤水分有明顯的補(bǔ)充，這使得土壤含水量得到積累；消退期在8－9月，土壤含水量為40.38%～32.92%（均值32.29%），8月下旬開始，氣溫雖然開始降低，但楊樹蒸騰和土壤蒸發(fā)還較高，楊樹枝條長(zhǎng)度生長(zhǎng)停止，進(jìn)入越冬準(zhǔn)備期，而且降水量迅速降低，使得土壤含水量進(jìn)入消退期。

表1 洪澤湖濕地楊樹林不同層次土壤水分與氣象因子的相關(guān)性分析Table 1 Correlation between poplar forest soil moisture and meteorological factors at different soil layer in Hongze Lake Wetland

表2 洪澤湖濕地楊樹林不同層次土壤水分與氣象因子的逐步回歸分析Table 2 Stepwise regression analysis between poplar forest soil moisture and meteorological factors at different soil layer in Hongze Lake Wetland

楊建偉等［21］研究表明：楊樹的耗水高峰隨著土壤水分含量的不同而出現(xiàn)的時(shí)間也發(fā)生相應(yīng)的變化。本研究表明，楊樹林土壤水分在春、夏和冬3季的日變化曲線呈單峰型特征，在4：30－5：30達(dá)到最小值，在12：30－14：00達(dá)到最大值，而秋季土壤水分的日變化呈現(xiàn)不對(duì)稱雙峰曲線特征，其峰值出現(xiàn)的時(shí)間分別為4：00－5：00和15：30。秋季土壤水分的日變化與其他3季不同，可能是因?yàn)榍锛局参锔蛋滋鞆耐寥乐形账郑砩细迪蚱渲車寥泪尫潘郑?2］，導(dǎo)致夜間土壤水分也會(huì)出現(xiàn)峰值。土壤含水量清晨最低、午后最高的波動(dòng)變化與黃土高原地區(qū)、古爾班通古特沙漠［23－24］的4季以及酒泉金塔地區(qū)［25］夏季的觀測(cè)結(jié)果一致，而與武漢地區(qū)［26］土壤水分的日動(dòng)態(tài)變化的觀測(cè)結(jié)果相反。楊樹土壤水分呈現(xiàn)出夜間逐漸降低，白天逐漸上升的波形變化的原因，可能是由于土壤水分主要來自對(duì)氣態(tài)水的凝結(jié)和吸附作用，而水汽運(yùn)動(dòng)的方向受溫度梯度的驅(qū)動(dòng)，從而使水分發(fā)生運(yùn)移所導(dǎo)致的［23,27］。

何其華等［1］研究認(rèn)為：在干旱和半干旱地區(qū)，土壤含水量從上到下的變化趨勢(shì)分為增長(zhǎng)型和降低型（先增后減）2種變化趨勢(shì)。本研究表明：洪澤湖濕地楊樹林土壤水分隨著土層深度的增加，其含水量逐步遞增，這與HUANG等［28］對(duì)丹江口水庫(kù)地區(qū)的土壤水分研究結(jié)果相一致。對(duì)該地區(qū)土壤垂直剖面水分的研究表明：土壤冬季水分梯度大于夏季，剖面土壤含水量均是冬季大于秋季，這與許秀麗等［15］對(duì)鄱陽湖典型濕地土壤垂直剖面水分的研究結(jié)果不同，其原因在于洪澤湖屬于水庫(kù)型湖泊，冬季關(guān)閘蓄水，湖區(qū)水位較秋季有所上升，使得深層土壤水分經(jīng)歷了短期的地下水淺埋對(duì)土壤水分的充分補(bǔ)給過程，剖面水分含量較大［29］。

土壤水分受多種氣象因子的綜合調(diào)控，土壤和空氣溫度的變化不僅可以改變土壤水分能態(tài)及其有效性［30］，還能影響土壤水分的保持［31］，提高水分的擴(kuò)散能力并加劇其流失，降雨可以增加大氣相對(duì)濕度和土壤水分含量，平均風(fēng)速、凈輻射和水汽壓虧缺等氣象因子還能影響土壤水分的蒸散［32］。CHO等［10］研究表明：土壤水分與日平均降水量呈正相關(guān)關(guān)系，與日照、氣溫和地面溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究表明：不同深度的土壤水分受氣象因子的影響有差異，但總體來看日降水量、日平均空氣溫度、日平均相對(duì)濕度、日平均土壤溫度與土壤水分呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與日平均感熱通量、平均風(fēng)速與土壤水分呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究與CHO等［10］的研究結(jié)果不盡相同，一方面可能與研究的地域（如濕地、干旱和半干旱地區(qū)）不同有關(guān)，還可能與研究的尺度大小以及時(shí)間有關(guān)［33－34］。僅通過相關(guān)分析無法準(zhǔn)確判斷出氣象因子對(duì)土壤水分產(chǎn)生影響的重要程度，由此引入多元逐步回歸分析。日平均土壤溫度和日平均相對(duì)濕度與土壤水分的關(guān)系最為密切，其他引入的氣象因子也會(huì)對(duì)不同層次土壤水分產(chǎn)生影響，這與CHEN等［11］和黃志剛等［12］研究結(jié)果不盡相同。造成分析結(jié)果不同的原因除了試驗(yàn)的地區(qū)和時(shí)間不同外，還可能與所選擇的分析方法不同有關(guān)。

洪澤湖地區(qū)地下水位較高，楊樹林在生長(zhǎng)過程中基本沒有進(jìn)行灌溉，而土壤水分的季節(jié)性變化可能會(huì)導(dǎo)致楊樹生長(zhǎng)季的缺水，例如華北平原地區(qū)楊樹的生長(zhǎng)會(huì)受到春旱的影響［35］。井大煒等［36］研究表明：干旱會(huì)導(dǎo)致光合效率降低，加劇活性氧代謝的失調(diào)，最終抑制楊樹幼苗生長(zhǎng)。在楊樹生長(zhǎng)期降水過多而造成的漬害會(huì)導(dǎo)致濕地楊樹林出現(xiàn)淹水情況，而淹水脅迫會(huì)引起弱光環(huán)境，使植物氣體擴(kuò)散受限，葉片細(xì)胞膜脂過氧化加劇，體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)受損，葉綠素降解，丙二醛含量積累，光合速率下降，從而影響楊樹生長(zhǎng)發(fā)育［37］。由此可見，干旱、漬水等極端氣象災(zāi)害會(huì)嚴(yán)重影響楊樹的生長(zhǎng)發(fā)育。洪澤湖建閘后，為保證洪澤湖防洪調(diào)蓄和農(nóng)田灌溉，每年自 8－9月至翌年4月須關(guān)閘蓄水，水位升高；夏初為防洪灌溉需開閘放水，導(dǎo)致湖泊水位急劇降低，這與其他湖泊的水位變化不同。因此，為了避免夏季水位低造成土壤水分補(bǔ)給不足以及冬季水位高出現(xiàn)漬害情況的發(fā)生，建議在栽植楊樹時(shí)進(jìn)行開溝、條壟栽植。

4 結(jié)論

受降水等氣候因子和湖區(qū)水位的共同影響，洪澤湖濕地楊樹林土壤水分的年內(nèi)變化可以大致分為穩(wěn)定期（10－2月）、 消耗期（3－4月）、 積累期（5－7月）和消退期（8－9月）， 但其中的消耗期表現(xiàn)不明顯。

不同季節(jié)楊樹林土壤含水量的日變化特征有所差異：春、夏和冬3季的土壤含水量的日變化曲線呈單峰型特征，而秋季土壤水分的日變化呈不對(duì)稱雙峰曲線特征。

土壤水分變化與降水量、氣溫、相對(duì)濕度、土壤溫度、感熱通量和風(fēng)速密切相關(guān)。其中，日平均土壤溫度和相對(duì)濕度是影響洪澤湖濕地楊樹林土壤水分變化的最主要?dú)庀笠蜃印?/p>

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