東風渠灌區(qū)土壤水熱環(huán)境及氣象影響因子的響應研究

王 葵，周伍光，王君勤，譚唯薇，詹光菊，樊 毅

（1.四川省水利科學研究院，四川 成都 610000； 2.四川省都江堰水利發(fā)展中心東風渠管理處，四川 成都 610081）

0 引 言

土壤水熱環(huán)境對作物生長有著重要影響，不同種類作物對土壤水分和溫度要求不同，國內(nèi)外學者通過不同的農(nóng)藝措施［1-3］、灌溉方式［1-3］改變土壤水熱環(huán)境，結合土壤水分傳感器、溫度傳感器和作物的生長狀況，確定作物適宜的土壤水熱環(huán)境。土壤水分和溫度的變化特征，一直備受國內(nèi)外學者關注［3-6］，WILLIAMS等人［6］研究了區(qū)域性和非區(qū)域性玉米耕作，通過分析美國玉米帶土壤水熱、氣象變化、玉米發(fā)育等，確定了當?shù)剡m宜的耕作管理方式。毛一男等人［7］通過探究不同施肥水平下夏玉米土壤呼吸速率及土壤水熱環(huán)境的變化，建立了土壤表層溫度、含水率與土壤呼吸速率的模擬方程，并取得了較好的模擬效果。土壤水熱變化不僅僅影響土壤呼吸［8，9］，還作為SPAC連續(xù)體中重要的組成部分，直接影響著土壤蒸發(fā)，以及作物蒸騰［10］、光合速率［11］等生理活動。土壤水分過低，易導致作物生理性缺水，若作物長期處于缺水狀態(tài)，受到干旱脅迫，可能導致作物減產(chǎn)或死亡；土壤水分過多，形成澇災，也會影響作物產(chǎn)量，因此，適宜的土壤水分對作物栽培十分重要。土壤溫度也是學者們關注的重點，學者們［12-14］認為，土壤溫度反映了能量在土壤和大氣、土壤和植物之間的傳遞關系，與土壤熱通量具有較好相關性，并以此相關性建立了土壤熱通量模型［13，14］，土壤熱通量在許多作物生長模型中有著重要作用。

土壤水熱變化的影響因子較多，但主要受到氣象因子［15-18］、地形地貌［19］以及人為因素［1，2，4，5，7，11，20］的影響，其中人為因素包括土壤地被植物［21］、耕作方式［22］、農(nóng)藝措施［2，20］以及灌溉［5］等。水熱變化的影響因子較為復雜，為了分析土壤水熱變化與氣象因子的關系，較為準確的確定氣象因子對土壤水熱環(huán)境的影響，研究以東風渠管理處灌區(qū)土壤為研究對象，研究土壤不做作物種植，同時避免人為因素的影響，利用傳感器自動采集土壤水熱數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分析土壤水熱變化特征以及氣象影響因子，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中土壤水熱管理提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)的采集

本文數(shù)據(jù)觀測于東風渠試驗基地，東風渠試驗基地位于成都市新都區(qū)獅子包，經(jīng)度104.16°，緯度30.73°，海拔474 m，地屬東風渠管理處灌區(qū)北干渠。

氣象數(shù)據(jù)來源于試驗站內(nèi)氣象站，數(shù)據(jù)通過農(nóng)抬頭物聯(lián)網(wǎng)管理平臺進行下載，包括光照度、空氣溫度、相對濕度、風速，采集時間間隔為1 h，采集的時段為：2020年12月至2021年12月，由于5-9月雨季，氣象站的供電系統(tǒng)和防雷系統(tǒng)損壞，導致期間有56 d的數(shù)據(jù)缺失，分別是5月11日-5月27日、7月15日-8月7日、8月14日-9月1日，因此，文中用于分析的氣象數(shù)據(jù)不包括56天丟失的數(shù)據(jù)。

土壤水熱數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)由SoilScope土壤生態(tài)水文蒸滲控制觀測系統(tǒng)中雨量筒、土壤水分和土壤溫度傳感器采集，土壤溫濕度傳感器分別采集距地表10、20、40、60 cm深度土壤水熱數(shù)據(jù)，采集時間間隔為1 h，數(shù)據(jù)時間段為：2020年12月初至2021年11月底，數(shù)據(jù)完整。

表1 晴雨天氣下各層土壤溫度變異系數(shù)CvTab.1 Variation coefficient Cv of soil temperature in each layer under sunny and rainy weather

1.2 數(shù)據(jù)處理

分析土壤水熱的年內(nèi)變化時，將小時數(shù)據(jù)整理為日數(shù)據(jù)，溫度和水分做均值處理，雨量做累計處理，以2020年12月至2021年2月為冬季，2021年3-5月為春季，2021年6-8月為夏季，2021年9-11月為秋季，分別對四個季節(jié)的不同土壤層的水熱特征進行分析，用于對比不同季節(jié)各層土壤水熱變化差異。

篩選晴雨天氣，用于分析晴天和雨天下土壤水熱變化特征。晴天選擇時要求前一天無降雨，以避免降雨對各層土壤的影響，此外，須選擇光照度較大、穩(wěn)定的晴天，避免篩選出陰天和多云天氣；雨天篩選時，為便于分析各層土壤水熱變化，在一天中應當有連續(xù)性降雨。在選擇晴雨天氣作為對比分析時，由于秋冬兩季符合雨天篩選標準的天數(shù)較少，所以每個季節(jié)選取1天作為典型晴天、雨天，晴、雨天氣對應的時間不宜間隔過大，以避免季節(jié)性氣候變化，影響晴、雨天氣的對比分析。綜合以上要求，選擇了2021年內(nèi)的2月14日、3月16日、7月14日、9月11日作為晴天數(shù)據(jù)，2月15日、3月21日、7月15日、9月13日作為雨天數(shù)據(jù)。

在對比晴天和雨天土壤水熱波動情況時，引入變異系數(shù)Cv進行判定，變異系數(shù)Cv為無量綱，是標準差和均值的比值，能對兩組數(shù)據(jù)離散程度進行客觀比較，變異系數(shù)Cv值越大，說明數(shù)據(jù)離散程度越大，土壤水熱數(shù)據(jù)波動越大。

分析土壤水熱變化與氣象因子的之間的響應關系時，按照當日是否降雨，將年內(nèi)土壤水熱數(shù)據(jù)分為非雨天和雨天，結合所具備的氣象數(shù)據(jù)，共有非雨天203 d，雨天106 d。對觀測期內(nèi)土壤水分和土壤溫度分別與照度、空氣溫濕度、風速進行Pearson相關分析，數(shù)據(jù)處理在IBM SPSS Statistics 23 軟件上進行。

2 結 果

2.1 土壤水熱變化特征

2020年12月初至2021年11月底，以日為時間尺度的土壤含水率變化、土壤溫度變化、降雨等，見圖1、2。圖1中，土壤水分的波動變化主要在雨季，各土層體積含水率變化與降雨有關，單從降雨對10、20、40、60 cm土層的土壤水分的影響來看，10、20 cm土層的土壤含水率變化易受降雨的影響，而40、60 cm土層的土壤水分受影響較小，40、60 cm土層的土壤水分僅對降雨強度偏高時或發(fā)生連續(xù)降雨時產(chǎn)生變化，如圖1中7月發(fā)生的幾次較大降雨，40、60 cm土層的土壤水分才發(fā)生變化；在雨季時，降雨量相對較大，降雨次數(shù)較為頻繁，連續(xù)大量的降雨使土壤水處于飽和狀態(tài)，如圖1中7月至11月，當發(fā)生連續(xù)或較強降雨時，各層土壤體積含水率在某一值上下波動，在一定程度上體現(xiàn)出了各層土壤持水能力的高低：40 cm＞20 cm＞60 cm>10 cm；若無發(fā)生連續(xù)或較強降雨時，土壤水分呈現(xiàn)逐漸遞減的特征，例如圖1中2020年12月至2021年5月，10、20 cm的變化幅度最大，40、60 cm的變化幅度相對較小，且各層土壤含水率由高到低分別是：40 cm土層、60 cm土層、20 cm土層、10 cm土層。

圖1 土壤含水率及降雨的年內(nèi)變化Fig.1 Annual variation of soil moisture content and rainfall

土壤溫度在年內(nèi)的日變化如圖2所示，圖2中各層土壤的溫度均呈現(xiàn)一致規(guī)律，夏季溫度較高，春秋兩季次之，冬季最低，呈現(xiàn)的變化趨勢與空氣溫度一致，對比各層土壤溫度在不同季節(jié)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在2020年12月至2月、2021年11月時，各層土壤日平均溫度由高到低分別為：60、40、20、10 cm；而在5月至10月時呈現(xiàn)出與之相反的規(guī)律，各層土壤溫度由高到低分別為：10、20、40、60 cm。

圖2 土壤溫度及降雨的年內(nèi)變化Fig.2 Annual variation of soil temperature and rainfall

2.2 晴雨天氣下土壤水熱變化特征

不同天氣下，土壤水分與溫度的變化不同，本文分別選取4個季節(jié)1個典型晴天和雨天，用以對比分析晴、雨天氣下，土壤水熱變化的特征，如圖3、4所示。圖3中晴雨天氣下土壤溫度變化特征差異明顯，晴天的土壤溫度變化幅度高于同季雨天，尤其是10、20 cm土壤層變化差異較為明顯，但40、60 cm的土壤層溫度在晴雨天變化差異不明顯，為便于分析，量化各層土壤在晴雨天氣下的波動差異，此處利用變異系數(shù)Cv來體現(xiàn)二者離散程度，統(tǒng)計結果見表1。

圖3 晴雨天氣下土壤溫度變化Fig.3 Soil temperature change in sunny and rainy days

表1中，夏季雨天10 cm土層的溫度變異系數(shù)Cv值小于晴天Cv值，20 cm土層溫度雨天Cv值大于晴天Cv值，其余季節(jié)10、20 cm土壤溫度晴天的變異系數(shù)Cv值均大于雨天，晴天比雨天的溫度波動大，而40、60 cm土壤溫度在晴雨天氣的差異并無明顯規(guī)律，但比較各層土壤溫度的變異系數(shù)Cv值，發(fā)現(xiàn)40、60 cm土壤溫度Cv值小于10、20 cm土壤溫度Cv值，深層土壤的溫度較淺層土壤穩(wěn)定。

圖4中，分別是晴天和雨天對應下的土壤水分變化特征，晴天中土壤水分的日變化均較小，呈遞減趨勢，并無明顯波動，而雨天呈現(xiàn)出不同的土壤水分變化特征。雨天2月15日、3月21日、9月13日的土壤水分波動較小，7月15日的土壤水分波動較大。在7月15日2時至3時，發(fā)生較大降雨，10和20 cm土壤水分波動較大，10 cm土壤層的土壤水分由24.55%增加到27.75%左右，隨后在1個小時內(nèi)大致穩(wěn)定在27.5%。20 cm土壤層的土壤水分波動的時間滯后于10 cm土壤層，滯后大約1小時，土壤水分變化由26.6%增加至29.04%；40 cm土壤層的土壤水分逐漸增大，由開始降雨時的30.25%到降雨結束后的32.2%；隨著18時至21時較大的降雨發(fā)生，60 cm土壤層土壤水分也發(fā)生波動，由18時的24.47%增加至20時的28.46%。

圖4 晴雨天氣下土壤水分變化Fig.4 Change of soil moisture in sunny and rainy days

為了量化分析晴天和雨天下各層土壤水分波動情況，引入了變異系數(shù)Cv值進行比較，各層土壤在不同天氣下土壤水分Cv值見表2，冬季、春季、秋季所選取的晴雨天氣在10、20 cm土壤水分波動差異呈現(xiàn)一致規(guī)律，晴天的變異系數(shù)Cv值均大于雨天，而在更深層土壤（40、60 cm）的波動規(guī)律不明顯；在夏季選取的晴天和雨天在各層土壤水分變化差異較為明顯，由表2知，雨天的土壤水分Cv值均大于晴天，且相對于其他季節(jié)的雨天Cv值較大，波動較大。

表2 晴雨天氣下各層土壤水分變異系數(shù)CvTable 2 Variation coefficient Cv of soil water in each layer under sunny and rainy weather

2.3 土壤水熱變化對氣象因子的響應

土壤水熱對各氣象因子的響應不同，與土壤水熱呈現(xiàn)出正相關或負相關，但在自然環(huán)境中，土壤水熱往往在各氣象因子交互影響下變化，尤其是發(fā)生降雨時，其相關性統(tǒng)計結果可能會出現(xiàn)偏差。學者們在對土壤水分與氣象因子進行相關性分析時，溫度與土壤水分表現(xiàn)出正、負兩種不同的相關關系，這一結果可能是夏季氣溫偏高，但降水量較大，土壤的含水率增大，此時呈現(xiàn)的統(tǒng)計學規(guī)律是空氣溫度與土壤含水率呈現(xiàn)負相關，正是由于氣象因子的交互影響，導致規(guī)律的偏差，為了避免這一現(xiàn)象，本次研究將雨天和非雨天分別進行分析，相關性結果如表3、表4所示。

表3 非雨天土壤水熱與氣象因子的相關性Tab.3 Correlation between soil moisture and heat and meteorological factors in sunny days

表4 雨天土壤水熱與氣象因子的相關性Tab.4 Correlation between soil moisture and heat and meteorological factors in rainy days

由表3可知，在未發(fā)生降雨時，土壤溫度與空氣溫度相關性最好，呈正相關關系，10、20、40、60 cm土壤層相關性分別為：0.944、0.912、0.894、0.882，均通過0.01水平顯著性檢驗，其次與相對濕度相關性較好，呈負相關關系；土壤水分與空氣溫度相關性最好，呈負相關關系，10、20、40、60 cm土壤層相關性分別為：-0.431、-0.201、-0.164、-0.52，均通過0.01水平顯著性檢驗，土壤水分與相對濕度、風速相關性較好，分別呈現(xiàn)正相關關系和負相關關系，土壤水分與光照度相關性最差，為負相關關系。

由表4可知，在雨天天氣下，相對濕度與土壤溫度相關性最好，二者呈正相關關系，10、20、40、60 cm土壤層相關性分別為：0.387、0.157、0.162、0.132，均通過0.01水平顯著性檢驗。其次，空氣溫度與土壤溫度也具有較好的相關性，但空氣溫度與土壤溫度同時存在正負相關的關系。降雨和風速對雨天土壤溫度具有一定的相關性，分別是正相關、負相關。光照度與土壤溫度的相關關系最弱；雨天土壤水分與空氣溫度相關性最好，呈現(xiàn)正相關關系，其次為風速，與土壤濕度呈現(xiàn)負相關關系，光照度和降雨，均與土壤水分表現(xiàn)出正相關關系，相對濕度與雨天土壤水分相關性較差。

通過對比非雨天和雨天下各層土壤水熱與氣象因子的相關關系，發(fā)現(xiàn)隨著土壤深度的增加，其相關系數(shù)值越小，氣象因子對土壤水熱的影響隨土壤深度增加，逐漸遞減。

3 討 論

3.1 土壤水熱特征的年內(nèi)變化

土壤溫度在年內(nèi)變化具有季節(jié)性特征，楊榮贊等人［17］分析了櫻桃園各層土壤溫度在年內(nèi)的變化，其結果顯示土壤溫度年內(nèi)變化大致呈倒“V”型，冬季土壤溫度低，夏季土壤溫度高，這與本次研究結果一致，對比各季節(jié)各層土壤的溫度后，發(fā)現(xiàn)冬季表層土壤溫度低于深層土壤溫度，而夏季表層土壤溫度普遍高于深層土壤溫度，范愛武等人［23］也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，但未作討論分析，而代成穎等人［24］在對黃土高原裸土進行土壤溫度算法分析時，認為土壤溫度在年內(nèi)呈現(xiàn)正弦波動，且土壤溫度算法在垂直方向上高估了振幅和相位，振幅隨著土壤深度增加而逐漸減小。熱量在土壤的垂直傳播過程中是呈現(xiàn)遞減的趨勢，結合代成穎等人的研究，本次研究發(fā)現(xiàn)氣象因子與土壤溫度相關性隨土層深度增加而減小，表層土的土壤溫度易受氣象因子的影響，深層土壤受影響相對較小，從而表現(xiàn)在熱傳導計算土壤溫度時，表層土壤振幅大于深層土壤的振幅。

土壤水分在春、秋、冬季變化波動較小，尤其是40 cm與60 cm層土壤水分變化，而在夏季雨季時，土壤含水量相對較大且波動頻繁，與顧天真［25］、黃倩［26］等人的研究結果一致。顧天真等人通過分析啟東市土壤水分變化，發(fā)現(xiàn)5月初到10月底土壤墑情變化幅度較大，其余月份變化相對較小，且表墑變化較低墑更為直接；黃倩等人認為土壤含水量季節(jié)差異明顯，高值區(qū)主要分布在夏季，低值區(qū)分布在冬春季。

3.2 晴雨天氣下土壤水熱變化差異

晴雨天氣下土壤水熱變化差異主要體現(xiàn)在10、20 cm土層，晴天土壤溫度的波動一般大于雨天，但對于圖3中2021年7月15日的雨天土壤溫度變化，在20 cm土壤溫度的波動，雨天大于晴天，究其原因可能是因為高強度的降雨導致土壤溫度的變化，當日雨天下各層土壤溫度均呈現(xiàn)下降趨勢，連續(xù)高強度的降雨對深層土壤溫度也具有一定影響。四個季節(jié)中40、60 cm土層在一天中的波動均較小，在晴雨和季節(jié)中，無明顯規(guī)律。

晴天中土壤水分波動不明顯，而雨天下土壤水分變化呈現(xiàn)出不同的特征，學者們認為，降雨是影響土壤水分的重要氣象因素之一，但本次研究發(fā)現(xiàn)，降雨并不一定能引起表層土壤水分變化，降水分為有效降水和無效降水，有效水是能被保留在作物根區(qū)的降水量［27］，而無效降水對作物根系分布層土壤水分無影響；此次研究選取的雨天中，2月15日、3月21日、9月13日均為無效降雨，當日降雨量較小，導致了各層土壤水分無明顯變化，而7月15日發(fā)生了較大且連續(xù)的降雨，使得10、20、40、60 cm土層的土壤水分在前后均發(fā)生明顯變化，在發(fā)生降雨時，20 cm土壤水分滯后于10 cm土壤水分1小時左右，這與土壤質地和水分在土壤垂直方向上的下滲速度有關，綜上，自然狀態(tài)下土壤水分與降雨有關，當降雨為有效降水時，降雨是影響土壤水分的重要氣象因素之一，同時較深層土壤水分變化與降雨強度有關。

3.3 土壤水熱對氣象因子的響應

在不同天氣下，土壤水分和溫度對氣象因子的響應不同，在非雨天，土壤溫度與空氣溫度相關性最好，呈正相關關系，其次與相對濕度相關性較好，呈負相關關系。常耀文等人［15］在對荒漠草原的土壤水熱變化進行分析時，認為影響土壤水熱主要氣象因子是溫度和降水；土壤水分與空氣溫度相關性最好，呈負相關關系，其次與相對濕度、風速相關性較好，分別呈現(xiàn)正相關關系和負相關關系，這與張桂珍等人［18］的研究結果一致，張桂珍等人認為土壤含水量與溫度、日照時數(shù)呈負相關，與降水量、相對濕度呈正相關。

在雨天天氣下，土壤溫度與相對濕度相關性最好，二者呈正相關關系。其次，土壤溫度與空氣溫度也具有較好的相關性，但空氣溫度與土壤溫度同時存在正負相關的關系，這與降雨強度有關，較小強度的降雨，較大強度的降雨會影響土壤水熱，如圖3、4中7月15日所示，土壤溫度在當天持續(xù)降低，與空氣溫度的相關性有所降低。降雨、風速與雨天土壤溫度具有一定的相關性，分別是正相關、負相關。光照度與土壤溫度的相關性最??；雨天土壤水分與空氣溫度相關性最好，呈現(xiàn)正相關關系，其次為風速，與土壤濕度呈現(xiàn)負相關關系，光照度和降雨均與土壤水分表現(xiàn)出顯著性正相關關系。與趙廣東等人［16］的研究結果一致，但與王麗麗、張桂珍等人的研究結果略有差異，王麗麗等人的研究結果中土壤水分與降雨的相關性最好，張桂珍等人［18］認為土壤水分與降水量、相對濕度較好的呈正相關。結合本次研究分析，學者們得出不同的相關性結果，可能是降水強度及頻次的差異，小降雨量對土壤水分影響較小，而較大降雨強度的發(fā)生，導致各層土壤水分快速增大，如2-4中雨天所示，這些都會影響降雨和土壤水分的相關性。

土壤溫度和土壤水分在不同土壤層對氣象因子的響應不同，隨著土壤深度的增加，氣象因子與土壤水熱的相關系數(shù)值越小，而降雨是深層土壤水分變化的主要因子，這與楊榮贊［17］、唐春燕［28］、GU X［29］等人的研究結果一致，楊榮贊等人［17］認為隨土壤深度增加，土壤水分、土壤溫度穩(wěn)定性提高；唐春燕等人［28］發(fā)現(xiàn)深層土壤墑情變幅區(qū)間小，表層土壤墑情變幅區(qū)間大，認為表層土壤墑情更容易受外界因素影響。GU X等人［29］認為水汽壓差（VPD）是表層土壤水分動態(tài)的主要控制因素，而深層土壤水分的變化主要由降水控制。

4 結 論

土壤水熱變化作為SPAC系統(tǒng)中重要的組成部分，備受學者們關注，其變化直接影響著作物正常的生理活動，因此，本次研究基于2020年12月至2021年東風渠灌區(qū)全年土壤溫度和水分數(shù)據(jù)，探討分析了東風渠灌區(qū)土壤水熱年內(nèi)變化、晴雨天氣下水熱變化特征、晴雨天氣下土壤水熱變化對氣象因子的響應等，得出以下主要結論。

（1）各層土壤溫度在夏季偏高，冬季偏低，夏季各層土壤日平均溫度大小為：表層土壤＞深層土壤，冬季規(guī)律與之相反；在雨季時，土壤水分波動較大，相對較高，一定程度上反映了監(jiān)測點各層土壤持水能力的高低：40 cm＞20 cm＞60 cm>10 cm；在非雨季時，土壤水分逐漸減小，10、20 cm土壤水分的變化相對深層土壤較大。

（2）晴天土壤溫度波動一般大于雨天，主要體現(xiàn)在10、20 cm土層，但發(fā)生連續(xù)降雨或強降雨，使各層土壤溫度持續(xù)下降，土壤溫度波動則大于晴天；晴天土壤水分波動較小，而雨天土壤水分受降雨量影響，當降雨為有效降水時，降雨是影響土壤水分的重要氣象因素之一，深層土壤水分變化與降雨強度有關。

（3）不同土層的土壤水熱在雨天和非雨天下對氣象因子的響應不同，非雨天，空氣溫度與土壤溫度（正相關）、土壤水分（負相關）相關性最好；雨天，土壤溫度與相對濕度相關性最好，二者呈正相關關系。雨天土壤水分與空氣溫度相關性最好，呈現(xiàn)正相關關系，其次為風速，呈現(xiàn)負相關關系。氣象因子對土壤水熱的影響隨土壤深度增加，逐漸遞減。