大別山北麓冬季土壤水分特征及對(duì)降水的響應(yīng)

摘要 以大別山北麓霍山縣冬季土壤水分為研究對(duì)象，探討大別山北麓冬季土壤水分特征及對(duì)降水的響應(yīng)，分析土壤相對(duì)濕度增量的影響因素。結(jié)果表明：土壤相對(duì)濕度在20 cm為最大，50 cm為最小，隨降水增加各層土壤相對(duì)濕度逐漸增加。0.1 mm降水對(duì)土壤相對(duì)濕度無(wú)影響，1.2 mm降水可影響到30 cm土層土壤相對(duì)濕度，7.6 mm及以上降水可影響到50 cm深度土壤相對(duì)濕度；在固態(tài)降水和有積雪的情況下，40～50 cm土壤相對(duì)濕度增量大于10～30 cm。隨著土層深度的加深，土壤相對(duì)濕度開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間越滯后。土壤相對(duì)濕度增量受降水量、氣溫、降水歷時(shí)、土壤初始相對(duì)濕度的影響；10～30 cm土壤相對(duì)濕度增量與氣溫呈正相關(guān)，40～50 cm土壤相對(duì)濕度增量與氣溫呈負(fù)相關(guān)，關(guān)系不顯著；10～30 cm土壤相對(duì)濕度增量與土壤初始相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，隨著土層深入相關(guān)系數(shù)隨之降低。

關(guān)鍵詞 土壤相對(duì)濕度；變化特征；冬季降水；響應(yīng)；大別山北麓

中圖分類(lèi)號(hào) S 162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2025）05-0181-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.05.038

Soil Moisture Characteristics in Winter and Its Response to Precipitation in the Northern Foothills of Dabie Mountains

YAN Qi-lei1， GAO Lin1， ZHANG Kun2 et al

（1.Huoshan County Meteorological Bureau， Huoshan， Anhui 237200;2.Lu’an City Meteorological Bureau， Lu’an， Anhui 237000）

Abstract Taking the winter soil moisture in Huoshan County at the northern foothills of Dabie Mountains as the research object， the characteristics of winter soil moisture at the northern foothills of Dabie Mountains and its response to precipitation were explored， and the influencing factors of soil relative humidity increment were analyzed.The result showed that the relative humidity of the soil was highest at 20 cm and lowest at 50 cm， and gradually increased with the precipitation increase in each soil layer.0.1 mm precipitation had no effect on soil relative humidity， 1.2 mm precipitation could affect soil relative humidity at 30 cm soil layer， and precipitation above 7.6 mm could affect soil relative humidity at 50 cm soil layer;in the case of solid precipitation and snow accumulation， the relative humidity increment of soil at 40-50 cm was greater than 10-30 cm.As the depth of the soil layer increased， the response time of soil relative humidity became more delayed.The soil relative humidity increase was influenced by precipitation， temperature， precipitation duration and initial soil relative humidity.The relative humidity increment of 10-30 cm soil was positively correlated with temperature，the relative humidity increment of 40-50 cm soil was negatively correlated with temperature， but the relationship was not significant;the soil relative humidity increase of 10-30 cm was significantly negatively correlated with the initial soil relative humidity， and the correlation coefficient decreased as the soil layer deepens.

Key words Soil relative humidity;Change characteristics;Winter precipitation;Response;Northern foothills of Dabie Mountains

土壤水連接了大氣降水、地表水和地下水［1］，影響著地球的水循環(huán)與生物圈循環(huán)［2］，土壤水分也是植物生長(zhǎng)所需水分的重要來(lái)源［3］。受降水的季節(jié)性變化影響，土壤水分也呈現(xiàn)出季節(jié)變化特征，研究冬季土壤相對(duì)濕度變化特征對(duì)次年春季開(kāi)展春耕春播農(nóng)事活動(dòng)有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。近年來(lái)，關(guān)于土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)研究多集中在干旱半干旱地區(qū)，研究表明錫林郭勒典型草原降水量和0～50 cm各層土壤相對(duì)濕度增量均呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系［4］；在柴達(dá)木盆地5～10 mm的降水事件會(huì)影響到0～40 cm土壤的濕度變化［5］；而0.3 mm的降水對(duì)喀斯特林地土壤濕度的變化無(wú)影響［6］。另外氣溫對(duì)土壤濕度的變化也具有相關(guān)性，土壤濕度增值會(huì)隨著氣溫的升高而降低，氣溫起到了調(diào)節(jié)土壤濕度增減幅度的作用［7］。筆者以大別山北麓霍山縣冬季土壤水分為研究對(duì)象，探討大別山北麓冬季土壤水分特征及對(duì)降水的響應(yīng)，分析土壤相對(duì)濕度增量的影響因素，以期為大別山地區(qū)開(kāi)展茶葉推廣種植、次年春季田間管理等提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省六安市大別山北麓霍山縣（116.32°E、31.41°N），海拔87.6 m。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降水時(shí)空分布不均，四季分明，年降水量1 403.7 mm，年平均氣溫15.9 ℃，冬季降水量174.6 mm，平均氣溫4.3 ℃，其中2023年冬季實(shí)際降水220.8 mm，較常年偏多，并有2次全縣范圍內(nèi)低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程，對(duì)地區(qū)土壤水分有重要影響。研究區(qū)土壤屬黃棕壤，0～100 cm有明顯的分層特征，土壤容重在1.07～1.54 g/cm3。土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)由DZN2型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀（河南省氣象科學(xué)研究所和中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司聯(lián)合研制）采集，采集深度0～100 cm，選取10、20、30、40、50 cm土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采集頻率每1 h一次，小時(shí)溫度、小時(shí)降水量、日降水量數(shù)據(jù)來(lái)自“天擎”氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，獲取時(shí)段為2023年12月1日00：00至2024年2月29日23：00。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與研究方法

1.2.1 土壤容重。采用環(huán)刀法測(cè)定，將土壤表層植被清除后用環(huán)刀分層采集原狀土，稱(chēng)重后放入烘箱中105 ℃、8 h烘干水分，計(jì)算干土重（g/cm3），即土壤容重。

1.2.2 降水日數(shù)。取2023年12月1日至2024年2月29日20：00—次日20：00降水大于0.1 mm的降水日數(shù)。

1.2.3 獨(dú)立降水事件。取2023年12月1日至2024年2月29日每次降水前24 h與后24 h均無(wú)大于0.1 mm的降水記錄，記為一次獨(dú)立降水事件。該過(guò)程經(jīng)歷降水時(shí)間記為降水歷時(shí)。

1.2.4 土壤初始相對(duì)濕度。依據(jù)各層土壤相對(duì)濕度小時(shí)數(shù)據(jù)，選取一次降水事件開(kāi)始前5 h各層土壤最低相對(duì)濕度為土壤初始相對(duì)濕度。

1.2.5 土壤濕度增量。取各層土壤初始相對(duì)濕度與降水停止后土壤相對(duì)濕度首次達(dá)到峰值的數(shù)值之差，具體為ΔMi=Mimax-Mimin，式中，ΔMi為第i次降水事件土壤相對(duì)濕度增量，Mimax為第i次降水土壤相對(duì)濕度首次達(dá)到峰值，Mimin為第i次降水開(kāi)始前5 h內(nèi)最低土壤相對(duì)濕度。同時(shí)記錄從降水開(kāi)始時(shí)土壤濕度到土壤相對(duì)濕度開(kāi)始穩(wěn)定上升之間的時(shí)間，記為開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間，從降水開(kāi)始時(shí)土壤濕度到第一次達(dá)到峰值的時(shí)間，記為響應(yīng)時(shí)間。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel、Origin 2021對(duì)土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與繪制圖表；對(duì)獲取的10～50 cm各層土壤相對(duì)濕度小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除土壤相對(duì)濕度48 h內(nèi)無(wú)變化的、異常高值、異常低值。質(zhì)控后的數(shù)據(jù)做算術(shù)平均得到土壤相對(duì)濕度日數(shù)據(jù)，分析土壤相對(duì)濕度變化特征。利用IBM SPSS Statistics 21將土壤相對(duì)濕度增量與期間降水量、平均氣溫、降水歷時(shí)、土壤初始濕度進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大別山北麓冬季降水特征

從圖1可以看出，大別山北麓2023年12月至2024年2月累計(jì)降水量依次增多，最多月份為2月，總降水量為116.3 mm；最少月份為12月，總降水量為48.3 mm；1月總降水量為56.2 mm。最小單次降水量為0.1 mm，最大為22.2 mm，最長(zhǎng)降水時(shí)段出現(xiàn)在12月中旬，為7 d，其次為2月，共計(jì)6 d，其中2月多固態(tài)降水并伴有積雪結(jié)冰，最長(zhǎng)積雪時(shí)長(zhǎng)5 d。根據(jù)降水量級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（＜5、5～＜10、10～＜15、≥15 mm），從圖2可以看出，各月＜5 mm的降水日數(shù)最多，共計(jì)13 d，累計(jì)降水19.2 mm，但降水占比最小，為8.7%；≥15 mm降水日數(shù)最少，為4 d，累計(jì)降水34.1 mm，占比最大，為34.5%。

2.2 各層土壤相對(duì)濕度動(dòng)態(tài)特征

由表1可知，從時(shí)間上來(lái)看，12月—次年2月各層土壤相對(duì)濕度均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。從不同土壤深度來(lái)看，土壤相對(duì)濕度表現(xiàn)為20 cmgt;30 cmgt;10 cmgt;40 cmgt;50 cm，20 cm土壤相對(duì)濕度最高，平均值為99.54%，50 cm土壤相對(duì)濕度最低，平均值為70.54%。

2.3 各層土壤相對(duì)濕度對(duì)降水的響應(yīng)特征

從各月土壤相對(duì)濕度及日降水量變化（圖3）可以看出，各月不同深度土壤相對(duì)濕度分層明顯，最高出現(xiàn)在20 cm，最低出現(xiàn)在50 cm。隨著降水量的增加與降水時(shí)間的延長(zhǎng)，各層土壤相對(duì)濕度出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。12月10日10～20 cm土壤相對(duì)濕度增量較30～50 cm更大，10～20 cm平均土壤相對(duì)濕度增加23.7百分點(diǎn)，30～50 cm平均土壤相對(duì)濕度增加8.3百分點(diǎn)。12月13—15日土壤相對(duì)濕度增量隨土層深入而加大，同樣次年1月和2月40～50 cm土壤相對(duì)濕度增量較10～30 cm偏大。

針對(duì)12月出現(xiàn)的不同深度土壤相對(duì)濕度表現(xiàn)出不一致的變化特征，究其原因，如表2所示，12月10日左右主要以降雨為主，且平均氣溫相對(duì)較高，表層無(wú)積雪，12月13—15日有雨夾雪或雪且有微量積雪，同樣1月16—20日、1月30日—2月4日、2月15日、2月19—24日的降水過(guò)程均為雨夾雪或雪，且有不同深度的積雪，因積雪覆蓋，10～30 cm的土壤擁有相對(duì)穩(wěn)定的水分來(lái)源，土壤相對(duì)濕度處于高值狀態(tài)，變化幅度小，而40～50 cm土壤本身濕度較淺層偏低，隨著融雪逐漸下滲，土壤相對(duì)濕度變化幅度大于10～30 cm。

從各層土壤相對(duì)濕度在不同降水量下開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間（表3）可以看出，0.1 mm降水事件對(duì)各層土壤相對(duì)濕度沒(méi)有影響；1.2 mm降水過(guò)程影響至30 cm土壤相對(duì)濕度；7.6 mm降水可影響到50 cm土壤相對(duì)濕度，使土壤相對(duì)濕度增加3.5百分點(diǎn)，并且土層越深土壤相對(duì)濕度開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)；7.6 mm以上時(shí)可影響到50 cm土層土壤相對(duì)濕度。根據(jù)不同降水量級(jí)的劃分可進(jìn)一步歸納得出，＜5 mm降水事件使得10～30 cm土壤相對(duì)濕度增加不到1百分點(diǎn)，影響微弱；10～＜15 mm降水事件使得10～50 cm土壤相對(duì)濕度提升2.6百分點(diǎn)～7.6百分點(diǎn)；≥15 mm降水事件在降雨情況下使得10～50 cm土壤相對(duì)濕度提升7.0百分點(diǎn)～32.0百分點(diǎn)，固態(tài)降水并且伴有積雪情況下提升2.9百分點(diǎn)～19.8百分點(diǎn)。

2.4 土壤相對(duì)濕度增量的影響因素

從表4可以看出，土壤相對(duì)濕度增量主要受降水量、降水時(shí)長(zhǎng)、土壤初始濕度的影響，與降水量、降水歷時(shí)呈正相關(guān)，且40～50 cm深層土壤相對(duì)濕度增量與降水量呈極顯著正相關(guān)，與溫度呈負(fù)相關(guān)，與降水歷時(shí)呈極顯著正相關(guān)。隨著深度的加深土壤相對(duì)濕度增量與降水量、降水時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)逐漸增大，而與溫度的相關(guān)系數(shù)逐漸減小，10～30 cm土壤相對(duì)濕度增量與溫度呈正相關(guān)，40～50 cm土壤相對(duì)濕度增量與溫度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性均不顯著。在有降水并且各層土壤相對(duì)濕度受到影響的情況下，10～30 cm土壤相對(duì)濕度增量與土壤初始濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，且隨著土壤深度的加深相關(guān)系數(shù)逐漸減小。

3 討論

3.1 土壤相對(duì)濕度的動(dòng)態(tài)變化特征

大別山北麓土壤相對(duì)濕度表現(xiàn)出在20 cm的最大值特征，相關(guān)研究表明20 cm土層土壤相對(duì)濕度與降水和氣溫的相關(guān)性最強(qiáng)［8］；并且降水的波動(dòng)變化只對(duì)淺層（20 cm）的土壤水分產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，多數(shù)灌木根系發(fā)達(dá)，穿插在土層中的細(xì)小根系不僅增加了土壤空隙度，還儲(chǔ)存了大量水分［9］，因此在地表20 cm處受植物根系截流的影響在此層土壤相對(duì)濕度表現(xiàn)出高于其他土層的現(xiàn)象。隨著降水的增多各層土壤相對(duì)濕度也逐漸增加，多數(shù)研究一直表明土壤相對(duì)濕度與降水有顯著的正相關(guān)關(guān)系［10］。

3.2 土壤相對(duì)濕度對(duì)降水的響應(yīng)特征

該研究表明0.1 mm降水事件對(duì)各層土壤相對(duì)濕度變化無(wú)影響，這是因?yàn)樾×考?jí)的降水量通常會(huì)被地表植被或地表枯枝落葉所截流，未能入滲土壤，當(dāng)降水量為5.0 mm以下的小雨量級(jí)時(shí)，降水會(huì)隨土壤空隙入滲至30 cm土層，當(dāng)降水量≥7.6 mm時(shí)可影響到50 cm土層。降水在土壤中逐漸下滲，不斷增加土壤中的水分，并且隨著降水逐漸增大，補(bǔ)給強(qiáng)度越強(qiáng)，中雨及以上量級(jí)的降水便可以增加水分向各層土壤入滲和運(yùn)移的程度［11-12］。也有相關(guān)研究表明，中雨量級(jí)的降水可補(bǔ)給地表以下40 cm深度土層的水分［13］。表層10 cm土壤相對(duì)濕度在降水開(kāi)始后1 h內(nèi)完成響應(yīng)，但在固態(tài)降水情況下響應(yīng)時(shí)間增加至2 h以上，說(shuō)明降雪量及雪深影響土壤相對(duì)濕度，隨著土壤深度的加深各層土壤相對(duì)濕度變化逐漸滯后，土壤相對(duì)濕度增量變化也不像降水那樣劇烈［14］。

該研究顯示土壤相對(duì)濕度增量受降水量、降水時(shí)長(zhǎng)、初始土壤濕度的影響，而這些影響因子之間又互相疊加共同影響土壤相對(duì)濕度，10～30 cm土壤相對(duì)濕度增量受初始濕度的影響顯著，但受降水量和溫度的影響不顯著，這說(shuō)明表層土壤相對(duì)濕度增量不僅受降水量的影響，還對(duì)周邊環(huán)境如地表植被、降水強(qiáng)度、土壤類(lèi)型等因素作出響應(yīng)［15-16］，比如高強(qiáng)度降水可以使土壤中的水分在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和，進(jìn)而促進(jìn)水分向深層次入滲［17-18］。而40～50 cm土壤受地表影響逐漸減弱，水分補(bǔ)給的來(lái)源單一，影響土壤水分變化的因素逐漸趨向于土壤本身性質(zhì)，這與張存厚等［4］研究典型草原土壤不同深度土壤相對(duì)濕度增量與降水量關(guān)系的結(jié)果一致，隨著土層深度的增加對(duì)降水量的響應(yīng)逐漸減弱，土壤水分受重力與土壤毛管力共同影響，隨著土層深度的加深，毛管力逐漸減弱，土壤中水的入滲速度也隨之降低，深層土壤水分受重力影響下滲速度放慢，因此深層土壤水分補(bǔ)給依靠自然降水將受到限制［19-20］。此外，溫度與降水共同影響土壤濕度［21］，該研究發(fā)現(xiàn)氣溫與10、20、30 cm土壤相對(duì)濕度增量呈正相關(guān)，溫度越高，土壤相對(duì)濕度增量越大。這與沈菊等［5］研究柴達(dá)木盆地淺層土壤水分增量對(duì)降水的響應(yīng)中提到的氣溫與土壤水分增量的相關(guān)性關(guān)系不一致，這可能是因?yàn)槭苎芯繀^(qū)域的氣候狀況與土壤類(lèi)型不同。氣溫越高淺層土壤初始相對(duì)濕度受到土壤蒸散的影響土壤濕度越低，在此基礎(chǔ)上的降水會(huì)短時(shí)間內(nèi)大量提升土壤相對(duì)濕度，而溫度越低土壤蒸發(fā)減弱導(dǎo)致土壤濕度變化不大，降水補(bǔ)給的土壤水分相對(duì)于較干土壤的水分偏低，因此溫度與表層土壤相對(duì)濕度增量的調(diào)節(jié)相關(guān)。該研究表明40～50 cm土壤相對(duì)濕度增量與溫度呈負(fù)相關(guān)，這可能與降水歷時(shí)有關(guān)，降水時(shí)間延長(zhǎng)增加了降水下滲的深度，而冬季積雪使得土壤有了穩(wěn)定的水分來(lái)源，不斷為深層土壤補(bǔ)充水分，加之40～50 cm土壤相對(duì)濕度相對(duì)穩(wěn)定，因此氣溫低且在長(zhǎng)時(shí)間積雪的情況下深層土壤相對(duì)濕度增量較淺層多。這也同樣可以解釋土壤相對(duì)濕度受到降水歷時(shí)的影響并且土層越深相關(guān)系數(shù)越高相關(guān)性越顯著。土壤初始相對(duì)濕度越低，上下層土壤相對(duì)濕度梯度越大，入滲通量增加，不斷促進(jìn)水分向下運(yùn)移，因此土壤相對(duì)濕度增量受到降水的影響越顯著，另外在低土壤水分的情況下，土壤孔隙度中可容納的水分空間也多，給降水的下滲提供了相對(duì)充足的空間進(jìn)而補(bǔ)給土壤水。

4 結(jié)論

該研究利用大別山北麓霍山縣2023年12月至次年2月冬季的降水、氣溫、土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，探討了冬季土壤相對(duì)濕度特征及土壤相對(duì)濕度對(duì)降水的響應(yīng)情況，分析了影響土壤相對(duì)濕度增量的因素，以期為大別山區(qū)茶葉生長(zhǎng)發(fā)育、采摘、春季田間管理提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)論如下：

（1）2023年12月至次年2月隨著降水的增加各層土壤相對(duì)濕度逐漸增大，平均土壤相對(duì)濕度最大值出現(xiàn)在20 cm土層，為99.54%，最小值在50 cm土層，為70.54%，各層土壤相對(duì)濕度表現(xiàn)為20 cmgt;30 cmgt;10 cmgt;40 cmgt;50 cm。

（2）0.1 mm降水對(duì)各層土壤相對(duì)濕度無(wú)影響，1.2 mm降水可影響30 cm土層，7.6 mm及以上降水可影響到50 cm深度土壤相對(duì)濕度；在固態(tài)降水和有積雪的情況下，40～50 cm土壤相對(duì)濕度增量大于10～30 cm。隨著土層深度的加深，土壤相對(duì)濕度開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間越滯后。

（3）土壤相對(duì)濕度增量受降水量、氣溫、降水歷時(shí)、土壤初始相對(duì)濕度的影響，隨著土層的深入，土壤相對(duì)濕度增量受降水量和降水歷時(shí)的正相關(guān)關(guān)系越顯著；10～30 cm土壤相對(duì)濕度增量與氣溫呈正相關(guān)，40～50 cm土壤相對(duì)濕度增量與氣溫呈負(fù)相關(guān)，關(guān)系不顯著；10～30 cm土壤相對(duì)濕度增量與土壤初始相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，隨著土層深入相關(guān)系數(shù)隨之降低。

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作者簡(jiǎn)介 嚴(yán)啟蕾（1995—），女，安徽六安人，工程師，碩士，從事農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)與服務(wù)研究。

收稿日期 2024-07-13