皖北楊樓流域玉米農田土壤水變化特征及驅動因子研究

杜明成， 張建云， 王振龍， 劉翠善， 王國慶

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津300072; 2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029; 3.長江保護與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098;4.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院， 安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景

土壤水是與水文、生態(tài)和植被生長過程等有關的重要參數(shù)[1]。它作為碳循環(huán)和水文循環(huán)過程中的關鍵變量，影響著入滲、蒸發(fā)及作物生長[2-3]。但由于土壤水具有高度的時空變異性，受到很多因素的影響，如氣象條件、植被類型和地下水埋深等，但其主要控制因素因時因地而異，一直以來是水量平衡和水文循環(huán)過程研究的難點[4-5]。邱揚等[6]認為土壤含水率隨深度的增加而增加，但空間變異性從15 cm開始增加，0～5 cm深度土壤水分的空間變異性主要受降雨和土地利用方式相互作用的影響。韓湘云等[7]認為控制不同月份土壤水變化的因素不同，降水和相對濕度為5、6月的主要控制因子，氣溫和日照時數(shù)為7、8月的主要控制因子。在不同的植被覆蓋或土地利用方式下，土壤水表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律[8]。種植玉米時，土壤水與絕對濕度、地下水埋深有很大的相關性[9]。種植小麥時，土壤水與地下水埋深、日照時數(shù)及氣溫有很大的相關性，在不同的生長期均表現(xiàn)出不同的性質[10]。上述研究定性得出不同因素對土壤水的影響，但很少有學者定量分析不同影響因素對土壤含水率的相對貢獻率。

因此，本文以皖北平原北部——楊樓水文實驗站為研究對象，研究該地區(qū)不同因素對土壤水分的影響，然后使用增強回歸分析定量研究不同因素對土壤水的相對貢獻率。研究區(qū)土壤類型為典型的黃泛沙土(黃潮土)，之前有學者分析氣象因素與皖北平原南部砂姜黑土區(qū)土壤水的相關性[9]，但對皖北平原北部黃潮土區(qū)的研究較少。另外，黃潮土和砂姜黑土具有不同的性質。降雨時期，黃潮土易板結，在一定程度上阻礙了土壤水的垂向運移，但它具有很好的保肥保墑能力；而砂姜黑土遇水膨脹，干旱時土壤收縮開裂，導致土壤保肥保墑能力差，限制了農作物的生長。研究黃潮土區(qū)農田土壤水變化特征及影響因素，對完善皖北平原農田土壤水變化規(guī)律的研究有一定意義，同時可為改善砂姜黑土保肥保墑能力提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于皖北平原北部的宿州市蕭縣楊樓鎮(zhèn)楊樓流域內(圖1)，該流域位于116°35′～116°50′ E，34°19′～34°26′ N，流域內坡降約為1/5000，集水面積約為152 km2[11]。多年平均降雨量為750 mm，降雨主要集中在6-9月。楊樓農田土壤類型為黃潮土，占皖北平原總面積的33%。主要是玉米和小麥輪作，播種玉米的時間多在6月中旬，收割期在9月底或10月初。

圖1 皖北平原土壤類型分布及站點位置

2.2 材料及數(shù)據(jù)選取

選擇2010-2018年夏玉米生長期6-10月為觀測期，測試0～50 cm土層深度大田土壤水數(shù)據(jù)進行分析。取土地點在蕭縣楊樓鎮(zhèn)小吳村北(116°49′ E，34°21′ N)，土壤類型為黃潮土(按照國際制標準劃分，取樣點土壤顆粒級配為：黏粒占2%，粉粒占11.5%，砂粒占86.5%，土壤質地為壤質砂土[12])。土樣放入鋁盒帶回實驗站，稱完土壤鮮重后放在105 ℃烘箱內烘干，計算0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層深度的平均質量含水率。土壤樣品每隔10 d取一次，雨季增加取樣頻率。地下水埋深采用大田水井觀測數(shù)據(jù)。本文中，降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)為10 d累積值(降雨量通過中國標準雨量筒測量，蒸發(fā)量為實驗站內E601測量的水面蒸發(fā)量)，前期無降雨日數(shù)指測量土壤水前的無降雨日數(shù)。

2.3 增強回歸分析

本文采用增強回歸分析(boosted regression tree，BRT)算法量化不同影響因素對土壤含水率的影響。該算法是一種機器學習算法，是回歸樹與Boosting算法的組合?；跇涞臄M合模型將所有數(shù)據(jù)擬合到觀測值，通過該模型先識別建模效果較差的觀測值，然后添加新樹改善建模效果，其中訓練集70%的數(shù)據(jù)用于構建模型，30%的數(shù)據(jù)用于驗證模型的偏差，直到預測值和觀測值之間的差異達到最小，選擇最優(yōu)的擬合參數(shù)[13-15]。在運算時，預測變量之間的相對重要性是根據(jù)該變量被選擇在樹中分裂的次數(shù)來計算的，然后對整個基于樹的模型進行平方改進，加權確定最終貢獻率[16]。該模型的優(yōu)點是提高了計算結果的穩(wěn)定性和精確度，被廣泛應用在不同的科學領域[14,17]。

雖然BRT算法對預測多重非共線性變量的效果較好，但如果預測變量和影響因素有較高的自相關關系，可能會出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，影響B(tài)RT算法的預測效果[18]。為了解決這個問題，在運行BRT算法之前，根據(jù)Pearson相關系數(shù)(│rp│<0.7)和方差膨脹因子(VIF<10)分析預測變量與響應變量之間的多重共線性[16]。BRT算法采用一種10倍交叉驗證法，用于建立和評估模型的性能。具體來說，將數(shù)據(jù)隨機劃分為10個子集，使用其中9個子集構建模型，1個子集用于測試模型性能[14]。

2.4 數(shù)據(jù)分析

變異系數(shù)(CV)的大小揭示了土壤水分空間變化的特征[19]，當CV≤10%時，屬于弱變異；當10 %

(1)

(2)

3 結果與分析

3.1 土壤含水率變化特征

2010-2018年觀測期研究區(qū)不同深度土壤含水率隨時間變化箱線圖以及平均土壤含水率時空分布分別見圖2、3。

圖2 2010-2018年觀測期研究區(qū)不同深度土壤含水率隨時間變化箱線圖

由圖2可知，觀測期內0～10 cm土層深度的土壤含水率變化區(qū)間在10.5～32.0%之間，在各土層中變異系數(shù)CV值最大，為21.3%；20～50 cm土層深度的土壤平均含水率變異系數(shù)CV在10%～20%之間，分別為19.0%、19.7%、14.0%和15.1%，因而該地區(qū)土壤含水率變異系數(shù)范圍為10%

結合圖2、3來看，玉米種植期土壤含水率隨土壤深度的增加逐漸減小，而張曉萌等[24]研究皖北平原南部砂姜黑土時發(fā)現(xiàn)：在0～50 cm土層深度，土壤水隨深度的增加而增大，與本文的結論相反，這主要是因為土壤類型的不同和地下水埋深之間的差異。砂姜黑土存在裂隙，入滲率大于黃潮土，在雨季入滲量多，深層土壤水得以補給，而黃潮土受降雨的影響入滲率減小，同時皖北平原南部地下水埋深淺，對土壤水補給作用強。所以皖北平原南、北部相應深度的土壤水表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。由圖3還可以看出，在種植作物前期，20～50 cm深度土壤的含水率較低，而在作物生長后期有所增大，主要是因為作物種植前期屬于旱季，降雨少，地下水埋深大，而在作物生長后期，長時間的降雨對土壤水有一定的補給作用，同時地下水埋深淺，與深層的土壤水交換頻繁。

圖3 2010-2018年觀測期研究區(qū)平均土壤含水率時空分布圖

3.2 降雨量對土壤水變化的影響

圖4為2010-2018年觀測期研究區(qū)平均土壤含水率與降雨量之間的關系。由圖4看出，在7～8月累計10 d降雨量大于其他時間段降雨量，最大值出現(xiàn)在8月21日，為92 mm，其次是7月11日，為78 mm。最小值出現(xiàn)在旱季和雨季交替的月份，分別為6月初和9月底。土壤水的變化與降雨量變化具有明顯的相關性，尤其是0～20 cm深度土壤水受降雨影響顯著，土壤含水率隨降雨的增加而增大。40～50 cm深度的土壤水對降雨的響應較弱，有一定的延遲作用。在6月初至7月中旬，不同深度的土壤水對降雨響應最強烈，主要是經歷了旱季，土壤內部儲水量少，土壤水對降雨的補給非常敏感。隨著降雨量增多，土壤含水率的變化相對較小。在作物種植初期，土壤含水率小，會影響作物生長，因此該時期需要制定合理的人工灌溉制度補給土壤水。

圖4 2010-2018年觀測期研究區(qū)不同深度平均土壤含水率與降雨量的關系

通過以上分析發(fā)現(xiàn)降雨量對表層土壤含水率的影響較大，因此選取2012和2014年對比分析觀測期內有、無降雨條件對土壤水的影響，結果見表1。

表1中2012年6月11-7月1日均為無雨日，可以發(fā)現(xiàn)該時段土壤含水率隨時間逐漸減小，0～30 cm深度土壤水減少幅度最大，而在2012年7月1日0～30 cm土壤含水率有所增大，主要是因為在此期間有兩場小雨，總降雨量為8 mm，補充了0～30 cm土壤水，但未補給30～50 cm土壤水[25]。2012年7月11各層土壤含水率急劇增加，主要是在該時間段內發(fā)生幾場強降雨，降雨量達到350 mm，對土壤水的補給深度超過了50 cm。降雨停止后，0～30 cm土壤水迅速減少，而30～50 cm土壤水緩慢變化。2012年降雨量總體表現(xiàn)為場次降雨量大，降雨次數(shù)少，導致0～30 cm深度土壤含水率變化幅度大。2014年無雨日土壤水變化規(guī)律與2012年基本相似，而有雨日土壤水變化與2012年有所差異，主要是因為2014年降雨量少但降雨次數(shù)多，使0～20 cm深度土壤含水率相差不大，不會出現(xiàn)2012年0～30 cm深度土壤含水率“大起大落”現(xiàn)象。

對比表1中2012和2014年有降雨條件下土壤含水率的變化發(fā)現(xiàn)，降雨量多少和持續(xù)降雨時間對下層土壤水影響較大，2012年持續(xù)降雨時間長且降雨量多，導致降雨日30～50 cm深度土壤含水率與無雨日相差較大，2014年土壤水表現(xiàn)出相反的規(guī)律。同時還可以發(fā)現(xiàn)，無論是降雨日還是無雨日，0～30 cm土壤含水率變化幅度均為最大，30～50 cm土壤水變化幅度最小。尤其是在一場大雨過后表現(xiàn)最明顯(2012年7月1日-2012年7月11日)。

表1 2012和2014年有、無降雨條件下觀測期不同深度土壤含水率變化 %

3.3 地下水埋深對土壤水的影響

玉米生長期內，研究區(qū)地下水埋深變化范圍在1.0～5.1 m之間，CV為30%，表明地下水埋深波動幅度較大，2010-2018年玉米生長期內研究區(qū)不同深度平均土壤含水率與地下水埋深的關系見圖5。

由表2可以看出，采用二氯甲烷1∶1萃取得到小米酒中可揮發(fā)性風味成分，香氣成分物質總共有10種；其中，醇類4種，占總含量的88.028%；酯類6種，占總含量的10.673%；酚類1種，占總含量的1.299%；醇類是小米酒香氣的主要成分，占總含量的88.028%，含量最高的是異戊醇，占總量的63.581%，無色液體，雜醇油氣味，香蕉味；其次是2，3-丁二醇，其占總量的11.827%,其可起緩沖作用，給酒增加綿甜、回味和醇厚感[9]。酯類是黑米酒香氣的重要成分，占總含量的10.673%。黑米酒香氣成分中還含有一定量的酚類物質，占總量的1.299%，酚類物質具有抗氧化等作用。

圖5 2010-2018年觀測期研究區(qū)不同深度平均土壤含水率與地下水埋深的關系

由圖5可看出，從6-10月地下水埋深隨時間總體呈減小趨勢，且前期減小幅度較大，后期減少幅度較小，主要是前期地下水埋深大，受降雨量的補給，地下水埋深變淺。土壤含水率對地下水埋深的響應關系總體表現(xiàn)為隨地下水埋深的增加而減小。

前期隨著地下水埋深的減小，土壤含水率響應強烈，后期地下水埋深的波動變化不大。8月21日土壤含水率變化幅度較大，主要與降雨有關，該時間段內降雨量最大，對土壤水的補給增多。降雨停止后，土壤水逐漸消退，隨后變幅較小。

3.4 玉米不同生長期對土壤水的影響

圖6為2010-2018年研究區(qū)玉米不同生長期土壤含水率變化規(guī)律。由圖6總體來看，在玉米的不同生長期，相同深度土壤含水率的變化規(guī)律基本一致，苗期至抽雄期土壤含水率逐漸增大。分析圖6(a)可知，10、20和40 cm深度土壤含水率在抽雄期最高，30 cm深度土壤含水率在成熟期最高，50 cm深度土壤含水率在灌漿期最高。0～50 cm平均土壤含水率主要表現(xiàn)為：苗期到抽雄期逐漸增大，到抽雄期達到最大，灌漿期和成熟期土壤含水率減小且基本相同。抽雄期降雨量雖然小于灌漿期，但灌漿期作物需水量最大，需要從土壤中吸收大量的水分[26]，導致抽雄期土壤含水率最大。同時土壤含水率隨深度增加而減小，與前文中分析的結果一致。由圖6(b)可見，在玉米不同的生長期，土壤含水率隨著土層深度的增加而逐漸減小。

圖6 2010-2018年研究區(qū)玉米不同生長期土壤含水率變化規(guī)律表2 研究區(qū)玉米不同生長期與各影響因素的相關性分析結果

3.5 玉米不同生長期土壤水與各影響因素的相關性

表2為研究區(qū)玉米不同生長期與各影響因素的相關性分析結果。

生長期影響因素土層深度/cm0～1010～2020～3030～4040～500～50水面蒸發(fā) 0.07 0.10 0.23 0.23 0.31 0.16苗期 地下水埋深-0.68**-0.62**-0.54**-0.62**-0.76**-0.68**前期無降雨日數(shù)-0.72**-0.76**-0.77**-0.68**-0.73**-0.78**降雨量 0.60** 0.56** 0.48** 0.54** 0.57** 0.60**水面蒸發(fā)-0.31-0.24 0.38-0.09 0.25-0.23拔節(jié)期 地下水埋深-0.40-0.32-0.34-0.51*-0.74**-0.50*前期無降雨日數(shù)-0.56**-0.45*-0.23-0.34-0.57-0.54**降雨量 0.59** 0.37-0.08 0.05 0.21 0.44*水面蒸發(fā)-0.47*-0.34-0.52-0.49*-0.21-0.50*抽雄期 地下水埋深-0.19-0.16 0.62-0.31-0.25-0.32前期無降雨日數(shù)-0.74**-0.62**-0.65-0.30-0.50-0.63**降雨量 0.44* 0.46* 0.46 0.17 0.27 0.37水面蒸發(fā)-0.42*-0.26-0.35 0.23-0.04-0.17灌漿期 地下水埋深 0.01 0.01 0.75**-0.45*-0.43-0.19前期無降雨日數(shù)-0.43*-0.41* 0.13-0.37*-0.36-0.44*降雨量 0.38* 0.31-0.25 0.65** 0.35 0.50**水面蒸發(fā)-0.67*-0.63*-0.54-0.43-0.65-0.66*成熟期 地下水埋深 0.18 0.13 0.54-0.51 0.31-0.05前期無降雨日數(shù)-0.94**-0.79**-0.74-0.66*-0.41-0.86**降雨量 0.75** 0.65* 0.69 0.58* 0.39 0.77**水面蒸發(fā)-0.17-0.14-0.40**-0.10-0.36**-0.15整個生長期地下水埋深-0.36**-0.31**-0.01-0.50**-0.55**-0.45**前期無降雨日數(shù)-0.65**-0.64**-0.63**-0.56**-0.66**-0.68**降雨量 0.47** 0.41 ** 0.34** 0.44** 0.44** 0.48**

由表2可以發(fā)現(xiàn)，苗期不同深度的土壤含水率與各影響因素相關性較好，而其他生長期相關性相對較差。在玉米的整個生長期內，不同深度的土壤含水率與水面蒸發(fā)呈不顯著(p<0.01)負相關關系；除20～30 cm外，不同深度的土壤含水率與地下水埋深呈極顯著(p<0.01)負相關關系，總體表現(xiàn)為隨土層深度增加與地下水埋深的相關性越大，這與張曉萌等[24]對皖北平原南部的研究結果基本一致；與前期無降雨日數(shù)呈極顯著(p<0.01)負相關關系；與降雨量呈極顯著(p<0.01)正相關關系。另外，0～50 cm深度土壤含水率對前期無降雨日數(shù)的相關性最大，為-0.68，對水面蒸發(fā)、地下水埋深和降雨量的相關性相差不大，分別為-0.15、-0.45和0.48。王麗麗等[9]研究了皖北平原南部土壤水的影響因素，得出不同深度的土壤水與絕對濕度和地下水埋深相關性最大，在玉米不同生長期影響土壤水的主要因素有所不同。

3.6 不同影響因素的相對貢獻

本文使用BRT算法定量分析5個影響因素(水面蒸發(fā)量、前期無降雨日數(shù)、降雨量、作物生長期和地下水埋深)對0～50 cm土壤含水率的相對貢獻率。使用該方法前，檢測了水面蒸發(fā)、前期無降雨日數(shù)、降雨量和地下水埋深之間的方差膨脹因子，發(fā)現(xiàn)均小于10；同時該4個影響因素與0～50 cm土壤含水率之間的相關性均小于0.7，滿足多重非共線性條件。圖7為研究區(qū)0～50 cm土層深度土壤含水率實測值與模擬值的關系。圖7中實測土壤含水率與模擬土壤含水率的擬合相關系數(shù)R2=0.72(p<0.01)，均方根誤差為1.4%。有學者對土壤含水量的研究表明，當均方根誤差小于2%時，預測結果是可靠的[27]。因此，可以認為BRT方法對地區(qū)土壤含水率的擬合結果較好。

圖7 研究區(qū)0～50 cm土層深度土壤含水率實測值與模擬值的關系

圖8為不同影響因素對土壤含水率的相對貢獻率。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，前期無降雨日數(shù)、地下水埋深、降雨量、水面蒸發(fā)量和作物生長期對土壤含水率的相對貢獻率分別為42.6%，20.9%，16.8%，12.4%和7.3%。前期無降雨日數(shù)對土壤含水率的相對貢獻率最大，其次為地下水埋深，作物生長期對土壤含水率的相對貢獻率最小。因此，連續(xù)無降雨對土壤含水率的影響很大，前期無降雨日數(shù)需要被重視，在連續(xù)無降雨期間需要制定合理的灌溉計劃解決作物生長需水問題。

圖8 不同影響因素對土壤含水率的相對貢獻率

4 討 論

本研究主要分析了皖北平原北部黃潮土區(qū)玉米地土壤水的變化特征及地下水埋深、前期無降雨日數(shù)、降雨量、水面蒸發(fā)量和作物生長期對黃潮土區(qū)玉米地土壤水的影響。在整個剖面上的土壤水分變異和動態(tài)反映出一定的差異性和層次性[28]。整體上該地區(qū)土壤水屬于中等程度變異。根據(jù)變異系數(shù)大小可劃分為2個典型土層，0～10 cm為活躍層；10～50 cm為次活躍層?？傮w來說土壤水CV值隨深度的增加而減小，主要是因為降雨對表層土壤水的影響較深層強烈，與表1得到的結果一致[7]。0～10 cm處于水分補充和消耗的交替層，受降雨和蒸發(fā)影響很大，土壤水變化劇烈；隨著深度的增加，土壤水主要受作物的影響，變幅較小[29]。

土壤水高度變異特征受到很多因素的影響，這些因素的疊加作用使土壤水形成了不同的活躍層。另外，玉米不同生長期對土壤水也有影響，不同生長期隨土層深度增加接受降雨的補給作用減弱，同時根系的吸水作用使土壤水逐漸減少[30]。在抽雄期以后，不同深度(20～50 cm)的土壤含水率呈線性減少，說明20～50 cm的土壤水消耗更多。主要是因為夏玉米根系生長活躍區(qū)在0～60 cm，隨著玉米生長，根系需要從土壤深層汲取水分(30～50 cm)，從而減小了土壤含水率(圖6(b))[31]。

本文使用BRT算法主要分析了5個因素對土壤水的影響，發(fā)現(xiàn)前期無降雨日數(shù)、地下水埋深、降雨量、水面蒸發(fā)量和生長期對土壤含水率的相對貢獻率分別為42.6%，20.9%，16.8%，12.4%和7.3%。前期無降雨日數(shù)對土壤含水率的相對貢獻率最大，其次為地下水埋深，作物生長期對土壤含水率的相對貢獻率最小。可能是因為玉米生長在雨季，有充足的雨水補給玉米生長，玉米依賴深層土壤水的需求相對較弱，而其他幾個因素對土壤水變化的影響較強，導致分析5個驅動因子對土壤水變化的影響時，作物生長期對土壤水變化的影響最小。Cheng等[32]認為我國東南部土壤水主要受降水的影響。有學者認為除降水外，其他氣象環(huán)境因素均對土壤水有重要影響，甚至超過降雨對土壤水的影響[33-34]。本文也得到類似的結果。也有學者認為，植被高度以及生長環(huán)境的海拔和坡度也是影響土壤水的關鍵潛在因素[5]。Gao等[35]認為土壤質地對土壤水的影響作用大于地形影響。綜上所述，不同地區(qū)不同因素對土壤水的影響不一，該研究對了解土壤水的變異特征具有重要意義。

5 結 論

(1)玉米生長期內，土壤水隨土層深度增加而減少。0～50 cm土壤水屬于中等程度變異。表層(0～10 cm)為土壤水活躍層；10～50 cm為土壤水次活躍層。

(2)無論有無降雨，0～30 cm土層深度的土壤含水率變化幅度最大，30～50 cm土層深度的土壤含水率變化幅度最小，30 cm為土壤含水率緩慢變化的臨界深度。

(3)在玉米整個生長期，0～50 cm深度的土壤含水率與水面蒸發(fā)呈不顯著負相關關系；與地下水埋深呈極顯著負相關關系(20～30 cm除外)；與前期無降雨日數(shù)呈極顯著負相關關系；與降雨量呈極顯著正相關關系。

(4)前期無降雨日數(shù)對土壤含水率的相對貢獻率最大，為42.6%，其次為地下水埋深，為20.9%，作物生長期對土壤含水率的相對貢獻率最小，僅為7.3%。

本研究中常規(guī)觀測土壤水的土層深度為0～50 cm，今后需要補充50～100 cm或更深土層的土壤水觀測，研究50 cm以下的土壤水變化特征及影響因素。