砂姜黑土區(qū)土壤水運移規(guī)律初探

胡永勝

一、引言

在大氣—地面—地下水相互作用過程中，土壤水是調(diào)控地下水—大氣反饋的最重要參量之一，直接影響著農(nóng)作物的生長態(tài)勢及產(chǎn)量，一直受到各有關(guān)領(lǐng)域的高度重視。只有掌握土壤水分的變化規(guī)律，及時采取相應(yīng)的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，才能最大限度地提高農(nóng)田水分利用率，保證作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，因此土壤水分變化模擬研究一直都是相關(guān)學(xué)科重要研究方向之一。國內(nèi)外專家研究表明土壤含水率與氣象因子之間存在密切的關(guān)系。本文利用五道溝水文實驗站自動稱重式地中蒸滲儀及高精度氣象站降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)對氣象條件影響下的砂姜黑土土壤水分運移規(guī)律進行了初步研究。

二、實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理

實驗選取了地下水埋深控制在1m的自動稱重式地中蒸滲儀9#測筒及水文氣象場高精度氣象站數(shù)據(jù)，通過分析其變化趨勢，對比相關(guān)數(shù)據(jù)在時間上的變化規(guī)律及不同層位土壤中的水分運移情況，揭示了水分在土壤中運移規(guī)律。首先選取兩個無降雨或期間有極少量降雨的時間段，繪制在干旱期間不同深度的土壤水分變化趨勢圖，對其土壤含水率變化進行分析研究，利用SPSS軟件分析不同深度的土壤含水率的相關(guān)性，明確降水和土壤水分的動態(tài)變化特征及相關(guān)性。其次根據(jù)降雨量由小到大選取相應(yīng)時段，繪制降雨與不同深度土壤含水率的變化趨勢圖，觀察在不同降雨條件下土壤水分的變化特征，分析降雨與不同深度土壤含水率間的相關(guān)性，得出不同降雨條件下土壤水分的變化特征。

圖1 小麥各生長階段土壤含水率與地下水埋深關(guān)系圖

圖2 2018年4月份不同深度土壤含水率變化趨勢圖

三、實驗分析及相關(guān)性評價

1.土壤水分隨地下水埋深變化的影響分析

通過對圖1分析可知，成熟期隨著土壤深度越大，土壤含水率越高，在100cm處達到最大值，此后隨著地下水埋深加大含水率開始變?。徊シN—分蘗期、分蘗—越冬期、返青—拔節(jié)期在土層深度10～20cm表層時，隨著土壤深度加大，土壤含水率變??；20cm土層深度以后，隨著土壤深度越大，土壤含水率越高。

2.持續(xù)干旱對不同深度土壤水分垂直變化特征的影響分析

圖2是五道溝實驗站2018年4月份不同深度土壤體積含水率的變化趨勢圖，期間呈現(xiàn)極少雨量狀態(tài)且土壤初始含水率較低。10cm深度的初始土壤體積含水率為21.06%，隨著干旱持續(xù)時間的延長而緩慢降低，最低降至14.18%。30cm深度的土壤體積含水率從29.86%逐步降低至25.70%，而50cm深度的土壤體積含水率由31.95%緩慢降低至29.49%。顯然30cm和50cm深度的土壤體積含水率也均隨著干旱無降雨狀態(tài)時間的延長而逐漸呈現(xiàn)下降的趨勢，但其下降幅度較10cm深度的土壤體積含水率小。

通過SPSS軟件對所選時間段內(nèi)各層土壤體積含水率進行相關(guān)分析可得，10cm深度的土壤體積含水率與30cm、50cm處體積含水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.986cm、0.863cm；30cm處體積含水率與50cm處的相關(guān)系數(shù)為0.906。

2017年10月19日～11月19日不同深度土壤體積含水率變化趨勢如圖3。該期間極少雨量狀態(tài)，但土壤含水率初始值較高。由圖3可見，10cm、30cm、50cm深度土壤初始體積含水率分別為30.95%、37.63%、33.73%，隨著持續(xù)無雨狀態(tài)的延長而緩慢降低（在11月10日有上升拐點是因為種植作物少量澆水導(dǎo)致，可不考慮此因素），最低分別降至28.43%、35.32%、33.19%。從持續(xù)的無降雨狀態(tài)對該期間不同深度土壤體積含水率分析發(fā)現(xiàn)，除表層10cm和30cm處土壤水分隨著時間不斷下降外，各層水分含量都在較小范圍內(nèi)波動，總體變化趨勢較平緩。

分析不同深度土壤體積含水率的相關(guān)性得知10cm深度土壤體積含水率與30cm、50cm處土壤體積含水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.711和0.656，30cm深度的土壤體積含水率與50cm深度的體積含水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.963。

3.不同降雨強度對土壤水分垂直變化特征分析

根據(jù)土壤水分及降雨量數(shù)據(jù)，按降雨量 0～25mm，25～50mm，＞50mm分別選取2017年 10月6～15日，2018年 5月 2～11日，2017年 9月17～26日這三個時段，并對期間降雨量與不同深度土壤體積含水率的變化趨勢分析。

分析2017年10月6～15日不同深度土壤體積含水率變化趨勢，在10月 10日、11日、12日、14日都有雨，其中10月11日為中雨，其余為小雨。10cm、30cm、50cm土壤初始體積含水率受前期降雨影響值較高，分別為30.84%、37.73%、33.97%。降雨時 10cm、30cm、50cm的土壤體積含水率都出現(xiàn)了較為顯著的增長，最大值分別為 32.56%、39.28%、35.17%，隨著降雨的停止出現(xiàn)逐漸降低的趨勢。與圖3相比雖然后期雨量大小相差不大，但因初始土壤體積含水率差異，初始含水率越低其土壤含水率的增長幅度越大。

分析該時段內(nèi)不同深度土壤含水率與降雨量相關(guān)性分析得知，降雨與10cm深度的土壤體積含水率顯著相關(guān)，與30cm和50cm深度的含水率無顯著相關(guān)，10cm與30cm、50cm深度土壤體積含水率之間相關(guān)性系數(shù)分別為0.920、0.812，30cm 與 50cm 深度土壤體積含水率之間為0.965，均顯著相關(guān)。

圖3 2017年10月19日～11月19日不同深度土壤體積含水率變化趨勢圖

分析2018年5月2～11日不同深度土壤水分和降雨的變化趨勢，5月5～6日有中到大雨，5月11日有小雨。前期無降雨且各土層初始土壤含水率很低，5月5～6日有中到大雨，10cm和30cm深度的土壤體積含水率出現(xiàn)一個較大幅度的上升過程，50cm的含水率呈穩(wěn)步上升趨勢。5月6日后10cm含水率呈持續(xù)下降狀態(tài)，因為表層土壤達到飽和開始入滲引起土壤含水率下降。30cm和50cm土壤尚未飽和，故先上升后緩慢下降，其下降程度為10cm＞30cm＞50cm。

分析該時段內(nèi)不同深度土壤含水率與降雨量相關(guān)性分析得知，除10cm與30cm和50cm，30cm與50cm的土壤含水率相關(guān)顯著外，其余均呈不顯著相關(guān)。

分析9月17～26日期間不同深度土壤水分隨降雨過程變化趨勢，在20日、26日有小雨，24日中雨，25日為暴雨強降雨狀態(tài)，其余時間段均無降雨。17～23日土壤含水率呈緩慢下降趨勢。24～25日有中雨到暴雨，10cm、30cm以及50cm深度的土壤體積含水率均出現(xiàn)一個較大幅度的上升過程。隨著25日強降雨的結(jié)束其土壤含水率均在短時間內(nèi)迅速下滑。

分析該時段內(nèi)不同深度土壤含水率與降雨量的相關(guān)性得知各深度土壤層含水率之間均呈顯著相關(guān)性且與降雨均呈顯著相關(guān)性。

四、結(jié)語

通過研究降雨與土壤體積含水率之間相互關(guān)系發(fā)現(xiàn)：

（1）長期無降雨時，土壤含水率與土壤深度呈正相關(guān)，土壤層越深含水率越大。其中土壤表層含水率平均值最小，深度越大土壤水分平均值越大；深度小于30cm的表層土壤屬于土壤耕作層，一般受降雨和蒸散發(fā)的影響比較大，植被根系也大多分布在土壤表層，這也會導(dǎo)致土壤孔隙度變大，接納雨水的能力變強、蒸騰蒸發(fā)強烈且受外界環(huán)境的影響大，干濕變化顯著。30～50cm深度的土壤是水分次活躍層，干濕變幅相對于表層較小，且含水率也稍有增加。

（2）隨著降雨過程的出現(xiàn)，0～30cm深度表層土壤含水率迅速變大，隨著土壤層深度的增加，含水率變化幅度相應(yīng)變小。在降雨過程中，土壤水分的變化受到降雨量、土壤初始含水率、土壤層深度等因素的影響出現(xiàn)不同的幅度變化。降雨量越大土壤水分變化幅度越大，土壤初始含水率越低土壤水分變化幅度越大，土壤層深度越深土壤水分變化幅度越小。在降雨過程中表層土壤會由低迅速升高再由高迅速下降，下層土壤水分則穩(wěn)定增加，50cm以上的深層土壤則基本穩(wěn)定不變。

（3）隨著降雨的停止，0～30cm深度的表層土壤含水率會隨著時間的延長而呈現(xiàn)持續(xù)下降的狀態(tài)，其下降幅度排名為：10cm＞30cm＞50cm。在其初始土壤體積含水率越大的情況下，土壤表層10cm的下降幅度最為明顯，到了30cm由于蒸散少和表層水分下滲的原因，導(dǎo)致30cm處的土壤含水率高于50cm處土壤含水率，且二者都處于小幅度下降狀態(tài)。而到了50cm處土壤體積含水率基本慢慢往一個穩(wěn)定的趨勢發(fā)展。

本次分析只選取了地下水位、降雨強度等對土壤水變化的影響，不同土層溫度、不同下墊面條件下對土壤水變化的影響有待進一步研究■